개선된 RANS 모델을 활용한 고정도 불규칙파랑 생성 연구

Abstract

최근 해양구조물의 설계는 높은 성능과 비용 절감을 동시에 요구하고 있어, 해양구조물 설계 단계부터 고도의 실험-수치해석의 상호보완적 평가기법의 개발이 요구되고 있다. 해양구조물 설계에서 평가되어야 하는 불규칙파 중 해양구조물 전역거동 평가는 통계 분석을 위해 실선 기준으로 최소 1시간 이상의 응답이 필요하다. 이것은 CFD 해석을 수행할 경우에도 동일하게 적용되는 문제로써 이러한 긴 시간동안 RANS 기반의 난류모델을 활용할 경우 강한 파랑 수치소산 문제가 발생한다. 따라서 고정도의 불규칙 파랑을 효율적으로 생성할 수 있는 수치해석기법 정립이 필요하다. 앞서 언급한 대로 해양구조물 주위의 난류가 강한 유동장의 수치모사를 위해 RANS 기반의 난류모델들이 주로 사용되고 있으나, 규칙 또는 불규칙 파랑 생성에 해당 모델을 활용하면 난류 점성이 자유수면 주변에 과도하게 생성되어 파랑 전파 시 소산되는 문제가 발생한다. 특히 해석 시간이 길어질수록 소산이 증가하여 더욱 두드러지는데 이것은 난류점성 모델이 가지는 한계로써 비물리적으로 과도하게 증가하는 난류점성을 억제할 수 있는 난류모델이 필요하다. 본 연구에서는 SST k-omega 모델의 난류운동방정식에 부력항을 추가한 Devolder et al. (2017, 2018) 모델과 난류 에너지 비소산율 방정식에 Qsas항을 추가한 Menter & Egorov (2010)의 모델 그리고 포텐셜 유동 영역의 안정성 해석(stability analysis)을 통해 유도된 안정화 조건을 바탕으로 새로운 리미터항을 개발한 Larsen & Fuhrman (2018)의 Stabilized k-omega 모델을 불규칙 파랑생성에 적용하여 자유수면 소산에 대한 개선 특성을 비교하였다.