파랑과 해안구조물의 상호작용 해석을 위한 오픈소스 CFD의 적용성 연구 = A Study on the Applicability of Open Source CFD for Interaction Analysis between Waves and Coastal Structures

국문 초록 (Abstract)

오픈소스 CFD는 많은 장점을 가진 가장 진보된 수치해석방법임에도 불구하고, 많은 계산 자원 및 시간의 필요성과 운영의 어려움 때문에 해안 및 항만설계에 매우 제한적이고 부분적으로만 적용되고 있는 실정이다. 하지만 최근 컴퓨터 자원 비용의 지속적인 감소와 비약적인 계산성능의 향상에 비추어 볼 때 설계의 관점이 되는 유체역학적 현상에 대한 해석성능이 검증되어 타당성을 충분히 확보한다면, 주어진 자원 내에서 정량적인 결과를 고해상도로 취득 가능하기 때문에 강력한 수치해석 설계도구로서는 물론 연안공학적인 문제해결 툴로서의 활용 가치는 매우 클 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 해안 및 항만설계에 수치해석적 설계도구로 오픈소스기반 CFD모델을 적극적으로 도입하기 위해 REEF3D에 대한 파랑과 해안구조물의 상호작용 해석성능의 타당성을 검증하고, 기능성 해안구조물 및 실해역 해안구조물로의 적용성 및 영역 확장 가능성을 검토하였다.
이로부터 본 연구에서 제안하는 오픈소스코드 기반의 REEF3D는 해안 및 항만공학 분야에서 발생하는 파랑전파, 파랑변형, 파랑-구조물(다공성) 상호작용, 혼상유체(공기-물)-구조물 상호작용, 파랑-구조물-해저면 상호작용과 관련된 다양한 연안 수리학적 현상에 대한 재현성능의 타당성이 검증되었고, 더불어 2차원 및 3차원 수치파동수조로의 적용성 및 영역 확장 가능성에 대한 타당성을 검증함으로써 해안 및 항만설계의 수치해석적 설계도구로의 적용성이 확보되었다고 판단된다. 향후 3차원수리모형실험에서 요구되는 막대한 시간과 경제적인 측면을 보완할 수 있는 해석기법으로 그 유용성이 기대되는 바이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The computational fluid dynamics(CFD) codes have been minimally applied to the coastal and port design process due to their operational difficulties, such as computational resources and time. However, open-source CFD has many advantages and is the most advanced numerical analysis method, although it still requires computational effort and cost. In particular, considering the recent continuous reduction in computer resource cost and rapid improvement in computational performance, if the analysis performance of the hydrodynamic phenomenon, which is the point of view of the design, is verified and sufficient validity is secured, quantitative results can be obtained in high resolution within a given resource. As it is possible, CFD can be considered to be of great value as a powerful numerical analysis design tool as well as a coastal engineering problem-solving tool. Therefore, in this study, to actively introduce an open source-based CFD model, REEF3D, as a numerical analysis design tool in coastal and port design, the interaction analysis performance of waves and coastal structures for REEF3D was verified. Furthermore, the applicability to the recently proposed functional coastal structures and the possibility of expanding the real structures, not model or concept structures, were fully examined.
The numerical results show that REEF3D open-source code adopted in this study was able to verify the validity of reproducibility for various coastal hydraulic phenomena, such as wave propagations, wave transformations, wave-structure interactions including porous media and multiphase(air and water) fluid-structure interactions. Furthermore, the applicability as a useful numerical analysis design tool for the coastal and port design was secured by verifying the 2D and 3D numerical wave tank and the validity of the possibility of expanding the computational area. The usefulness of REEF3D as an analysis tool that can complement the enormous time and economic aspects required in future 3D physical model experiments is expected.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구의 배경 1
• 1.2 CFD 기반 수치해석모델의 발달 3
• 1.3 오픈소스 코드의 등장 4
• 1.4 연구의 목적 7
• 1.5 연구의 구성 7
• References 9
• 제 2 장 수치해석모델의 개요 13
• 2.1 개요 13
• 2.2 지배방정식 15
• 2.3 난류모델 17
• 2.4 공간이산화 19
• 2.5 시간이산화 21
• 2.6 자유수면의 추적 22
• 2.7 파랑 조파 및 흡수기법 24
• 2.8 구조물 경계처리 26
• 2.9 불규칙파랑 조파기법 28
• 2.10 국부세굴 29
• 2.10.1 저면전단응력 29
• 2.10.2 소류사 이송 30
• 2.10.3 부유사 이송 32
• 2.10.4 Bed Morphology Model 33
• 2.10.5 Sand slide 33
• References 35
• 제 3 장 파랑-구조물 상호작용의 해석성능 검증 41
• 3.1 개요 41
• 3.2 비쇄파시의 파랑-잠제 상호작용 해석 42
• 3.2.1 수리모형실험 42
• 3.2.2 수치해석 43
• 3.2.3 해석결과 43
• 3.3 쇄파시의 파랑-경사면 상호작용 해석 48
• 3.3.1 수리모형실험 48
• 3.3.2 수치해석 48
• 3.3.3 해석결과 49
• 3.4 비쇄파시의 파랑-연직원주구조물 상호작용 해석 53
• 3.4.1 수리모형실험 53
• 3.4.2 수치해석 54
• 3.4.3 해석결과 55
• 3.5 쇄파시의 파랑-연직원주구조물 상호작용 해석 60
• 3.5.1 수리모형실험 60
• 3.5.2 수치해석 61
• 3.5.3 해석결과 61
• 3.6 단파-다공성 구조물 상호작용 해석 67
• 3.6.1 수리모형실험 67
• 3.6.2 수치해석 67
• 3.6.3 해석결과 68
• 3.7 파랑-다공성 구조물 상호작용 해석 71
• 3.7.1 수리모형실험 71
• 3.7.2 수치해석 72
• 3.7.3 해석결과 73
• 3.8 파랑-연직원주구조물-해저면 상호작용 해석 78
• 3.8.1 수리모형실험 78
• 3.8.2 수치해석 78
• 3.8.3 해석결과 80
• References 82
• 제 4 장 기능성 해안구조물로의 적용 85
• 4.1 개요 85
• 4.2 파랑에너지 회수시스템 해석 87
• 4.2.1 개요 87
• 4.2.2 수리모형실험 88
• 4.2.3 수치해석 90
• 4.2.4 해석결과 91
• 4.3 공진장치의 파랑제어 기능에 대한 해석 101
• 4.3.1 개요 101
• 4.3.2 수리모형실험 102
• 4.3.3 수치해석 104
• 4.3.4 해석결과 105
• References 145
• 제 5 장 실해역 해안구조물로의 적용 147
• 5.1 개요 147
• 5.2 2차원 수치파동수조 149
• 5.2.1 수치해석 149
• 5.2.2 해석결과 153
• 5.3 3차원 단면 수치파동수조 162
• 5.3.1 수치해석 162
• 5.3.2 해석결과 166
• 5.4 3차원 부분평면 수치파동수조 176
• 5.4.1 수치해석 176
• 5.4.2 해석결과 180
• 5.5 3차원 평면 수치파동수조 186
• 5.5.1 수치해석 186
• 5.5.2 해석결과 192
• 5.6 구조물 인근의 지형변동 202
• 5.6.1 수치해석 202
• 5.6.2 해석결과 203
• References 208
• 제 6 장 결론 209