Abstract
In this study, we develop a finite element model to directly solve the Laplace equation while keeping the same computational efficiency as the models based on the extended mild-slope equation which has been widely used for calculation of wave transformation in shallow water. For this, the computational domain is discretized into finite elements with a single layer in the vertical direction. The velocity potential in the element is then expressed in terms of the potentials at the nodes located at water surface, and the Galerkin method is used to construct the numerical model. A common shape function is adopted in horizontal direction, and the cosine hyperbolic function in vertical direction, which describes the vertical behavior of progressive waves. The model was developed for vertical two-dimensional problems. In order to verify the developed model, it is applied to vertical two-dimensional problems of wave reflection and transmission. It is shown that the present finite element model is comparable to the models based on extended mild-slope equations in both computational efficiency and accuracy.
본 연구에서는 천해 파랑 계산에 널리 사용되어지고 있는 확장형 완경사 방정식과 계산 효율은 같게 유지하면서 Laplace방정식을 직접 풀 수 있는 유한 요소 모형에 대해서 연구하였다. 기존의 확장형 완경사 방정식을 사용하는 경우와 같은 계산효율을 유지하기 위하여 파동장을 수심방향으로 1층인 유한요소로 나누고, 요소내의 포텐셜을 수면에 위치한 절점에 대한 포텐셜만으로 표시하도록 한 후, Galerkin 기법을 적용하여 수치모형을 구성하였다. 요소 내 수평방향에 대해서는 통상의 보간함수를 채택하였으며, 수심방향에 대해서는 진행파의 수심방향 거동인 함수를 사용하여 보간함수를 구성하였다. 모형의 개발은 우선 연직 2차원 문제를 대상으로 하였다. 개발된 모형의 검증을 위하여 연직 2차원에서의 파랑 반사 및 전달문제에 적용한 결과, 개발된 유한 요소 모형은 계산상의 효율면에서나 해의 정확도 면에서 기존의 확장형 완경사 방정식에 기초한 모형과 같은 수준을 보임을 확인하였다.
