비선형 조파현상의 수치해법

A Numerical Method for Nonlinear Wave-Making Phenomena

본 논문에서는 비선형 자유표면파 문제에 대한 수치해법을 개발하였다. 궁극적인 물리적 모델은 수조시험에서의 조파저항 실험으로서 이를 모사하는 수치실험을 위한 수치해법을 개발하는데 그 목적이 있다. 수치해법으로서는 선형 문제에서 이미 수치방사조건의 효율성이 입증된 국소유한요소법을 비선형 문제에 응용하였다. 수치 계산과정에서는 교란원인 압력 분포면으로부터 멀리 떨어진 곳에서는 선형해를 이용하고 교란원 근처에서는 엄밀한 비선형 조건을 만족시켰다. 비선형 영역과 선형 영역 사이에는 비선형-선형 천이 완충영역을 수치 계산영역 내에 도입하여 적절히 수치 정합을 하였다. 수치 계산 과정중 각 축차 단계에서의 모드 해석을 이용하여 계산 시간을 월등히 줄일 수 있었다. 수치 계산 모형으로는 수조 실험을 모사한 자유표면 압력 분포면이 균일한 속도로 전진하는 문제를 택하였다. 본 수치계산 방법의 효율성으로 인하여 기존의 수치 계산 방법에 비해 월등이 큰 계산영역을 사용 수치계산을 수행할 수 있었다. 교란원에서 먼 하류에서 채택된 비선형 자유표면파를 선형 계산 결과와 비교하여 그동안 부분적으로 연구된 비선형파의 특성을 규명할 수 있었다. 비선형 효과에 의해 캘빈각이 증가하며, 캘빈각 근처의 파고와 파수가 증가하는 것을 확인하였다.

A numerical method for nonlinear free-surface-wave problem is developed in this paper. The final goal of this study is to simulate the towing tank experiment of a ship model and to partially replace the experiment by the numerical model. The exact problem in the scope of potential flow theory is formulated by a variational principle based on the classical Hamilton's principle. A localized finite element method is used in the present numerical computations which made use of the following two notable steps. The first step is an efficient treatment of the numerical radiation condition by using the intermediate nonlinear-to-linear transition buffer subdomain between the fully nonlinear and linear subdomains. The second is the use of a modal analysis in the final stage of the solution procedures, which enables us to reduce the computation time drastically. With these improvements the present method can treat a much larger computational domain than that was possible previously. A pressure patch on the free surface was chosen as an example. From the present computed results we could investigate the effect of nonlinearity on the down-stream wave pattern more clearly than others, because much larger computational domain was treated. We found, specifically, the widening of the Kelvin angle and the increase of the wave numbers and the magnitude of wave profiles.