• Journal of Ocean Engineering and Technology
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• v.31 no.4
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• pp.274-280
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• 2017

Generally, global performance analysis in offshore platforms is performed using potential-based numerical tools, which neglect hydrodynamic viscous effects. In comparison with the potential theory, computational fluid dynamics (CFD) methods can take into account the viscous effects by solving the Navier-Stokes equation using the finite-volume method. The open-source field operation and manipulation (OpenFOAM) C++ libraries are employed for a finite volume method (FVM) numerical analysis. In this study, in order to apply CFD to the global performance analysis of a hull-mooring coupled system, we developed a numerical wave basin to analyze the global performance problem of a floating body with a catenary mooring system under regular wave conditions. The mooring system was modeled using a catenary equation and solved in a quasi-static condition, which excluded the dynamics of the mooring lines such as the inertia and drag effects. To demonstrate the capability of the numerical basin, the global performance of a barge with four mooring lines was simulated under regular wave conditions. The simulation results were compared to the analysis results from a commercial mooring analysis program, Orcaflex. The comparison included the motion of the barge, catenary shape, and tension in the mooring lines. The study found good agreement between the results from the developed CFD-based numerical calculation and commercial software.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.291-291
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• 2018

하천 및 수자원의 효율적인 관리와 더불어 다양한 수공구조물의 운영 및 관리를 위해서 구조물 주변에서 발생하는 불연속 흐름 및 급변류 등의 현상과 구조물 운영을 반영한 수치해석 기법을 이용한 모델 개발의 중요성이 커지고 있다. 본 연구에서는 하천의 불연속 흐름을 모의하기 위한 1차원 흐름해석 모형(K-River)을 개발하였다. 본 모형은 천이류와 급변류를 수치적으로 안정하게 처리하기 위하여 지배방정식을 보존형 Saint-Venant 방정식으로 선정하고, FVM과 Forward Euler 방법을 이용하여 이산화를 수행하였다. 수치흐름률을 계산하기 위해서 불규칙 단면과 하상의 급경사 등에 신뢰도가 높은 기법으로 판단되는 근사 Riemann해법 중 하나인 HLL flux를 이용하였다. 개발된 K-river 모형의 검증을 위해서 해석해가 존재하는 타원형의 하상융기가 있는 하도에 적용하였으며, 국내에서 하천 설계 및 관리를 위해서 광범위하게 이용되고 있는 1차원 흐름해석 모형인 FDM기반의 HEC-RAS 모의결과와 비교 검토를 수행하였다. 그 결과, FDM기법에서는 모의되지 않는 일부 급변류 패턴을 개발 모형을 통해 모의가능하였으며, 전체적으로 K-River가 기존 모형 보다 해석해에 근사한 결과를 나타내었다. 또한, 배수문을 비롯하여 합류부, 분류부, 펌프장, 암거 등이 설치되어 운영되고 있는 아라뱃길에 적용하여 K-River의 적용성을 평가하였다. K-River를 이용하여 아라뱃길의 흐름분석을 수행한 경우가 HEC-RAS를 이용한 경우보다 수위와 유량의 유동을 시간에 따라 세밀하게 모의하였으며, 이는 배수효과에 의한 파의 전달이 FDM기법 대비 정확히 모의되기 때문으로 판단된다. 추후 연구에서는 현재보다 시간간격을 상세화 하여 수집된 관측수위를 통해 추가적인 검증을 수행하고, 다양한 특성을 가진 타 하천 등에 적용하여 모형의 적용성을 확대하고자 한다.

• Ocean Systems Engineering
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• v.8 no.4
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• pp.381-407
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• 2018

This paper presents a hybrid numerical approach, which combines a two-phase Navier-Stokes model (NS) and the fully nonlinear potential theory (FNPT), for modelling wave-structure interaction. The former governs the computational domain near the structure, where the viscous and turbulent effects are significant, and is solved by OpenFOAM/InterDyMFoam which utilising the finite volume method (FVM) with a Volume of Fluid (VOF) for the phase identification. The latter covers the rest of the domain, where the fluid may be considered as incompressible, inviscid and irrotational, and solved by using the Quasi Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method (QALE-FEM). These two models are weakly coupled using a zonal (spatially hierarchical) approach. Considering the inconsistence of the solutions at the boundaries between two different sub-domains governed by two fundamentally different models, a relaxation (transitional) zone is introduced, where the velocity, pressure and surface elevations are taken as the weighted summation of the solutions by two models. In order to tackle the challenges associated and maximise the computational efficiency, further developments of the QALE-FEM have been made. These include the derivation of an arbitrary Lagrangian-Eulerian FNPT and application of a robust gradient calculation scheme for estimating the velocity. The present hybrid model is applied to the numerical simulation of a fixed horizontal cylinder subjected to a unidirectional wave with or without following current. The convergence property, the optimisation of the relaxation zone, the accuracy and the computational efficiency are discussed. Although the idea of the weakly coupling using the zonal approach is not new, the present hybrid model is the first one to couple the QALE-FEM with OpenFOAM solver and/or to be applied to numerical simulate the wave-structure interaction with presence of current.

• Journal of Ocean Engineering and Technology
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• v.33 no.4
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• pp.313-321
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• 2019

The prediction of the hydrodynamic performance of a planing hull vessel is an important and challenging topic for computational fluid dynamic (CFD) applications to naval hydrodynamics. In this paper, the resistance and planing attitude analysis for a Fridsma hull, which is a prismatic planing hull, in still water are numerically studied using OpenFOAM. OpenFOAM is an open source code package based on C++ libraries and the finite volume method (FVM) for the discretization of the RANS equation. The volume of fluid method (VOF) is used to capture the water-air interface and the SST ${\kappa}-{\omega}$ model is used for the turbulence simulation. The overset mesh method is used to capture the large motion of the hull at higher speeds. Before the extensive analysis, uncertainty analyses using various time steps and grid sizes were performed for one ship speed case of Fn = 1.19. The results of the present study are compared with those of a model test, other CFD research, and Savitsky's empirical formula. The results of the present study, following the trend of other CFD results, slightly over predict the resistance and under predict the sinkage and, more significantly, the trim.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.27-27
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• 2021

세굴은 유체와 유사의 상호작용으로 발생하는 중요한 자연 현상 중 하나로, 구조 및 지반 붕괴, 홍수, 생태계 파괴 등의 문제를 야기할 수 있다. 이러한 세굴 현상을 예측하기 위해 많은 수치적 연구가 진행되어왔지만, 대부분의 연구가 기존 격자기반방법인 유한체적법 (FVM)과 개별요소법 (DEM)이 연성된 모델을 이용하였고, 이는 격자 의존도로 인한 정확도와 효율성의 문제점을 보였다. 해결책으로 입자기반 유체해석 방법인 약압축성 SPH (WCSPH)와 개별요소법의 결합모델을 이용한 모의가 연구되어 왔지만, 단순 밀도차를 활용한 유체해석방법이 압력의 불안정성을 야기하여 유사의 운동에도 영향을 주는 결과를 보였다. 또한, 개별요소법의 특성상 모의 입자의 크기를 실제 실험 입자의 크기와 동일하게 설정하면서 입자수가 지나치게 증가해 계산의 효율성이 현저히 낮아지게 되었고, 이로 인해 실제 자연 지형에 적용하는데 어려움을 보여주었다. 본 연구에서는 향상된 세굴 수치모의해석을 위해 반복법을 통해 안정적인 유체 압력을 계산하는 비압축성 SPH (ISPH)와 개별요소법을 연성한 ISPH-DEM 모델을 사용하였다. 또한, 계산속도 향상을 위해 하나의 입자가 다수의 작은 입자의 움직임을 대표하는 Coarse-grained 방법을 적용하여 기존 모델을 개선하였다. 개선된 모델을 NFLOW ISPH PURPLE 소프트웨어를 이용하여 세굴 현상을 수치 모의하였고 실험 결과와 검증을 진행한 결과, 세굴의 깊이, 너비, 형상 등을 비교하였을 때 약 10% 이내의 오차를 보였고, Coarse-grained 방법을 통한 입자 수 감소로 최소 13배 증가된 해석 속도를 보였다. 이를 통해 본 연구에서 제시된 모델이 실제 자연 지형에서의 적용가능성을 확인할 수 있었다.

• Journal of the Korean Geotechnical Society
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• v.28 no.12
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• pp.5-15
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• 2012

In this study, a series of CFD (Computational Fluid Dynamics) numerical analyses were performed in order to evaluate the thermal performance of six full-scale closed-loop vertical ground heat exchangers constructed in a test bed located in Wonju. The circulation HDPE pipe, borehole and surrounding ground formation were modeled using FLUENT, a finite-volume method (FVM) program, for analyzing the heat transfer process of the system. Two user-defined functions (UDFs) accounting for the difference in the temperatures of the circulating inflow and outflow fluid and the variation of the surrounding ground temperature with depth were adopted in the FLUENT model. The relevant thermal properties of materials measured in laboratory were used in the numerical analyses to compare the thermal efficiency of various types of the heat exchangers installed in the test bed. The simulation results provide a verification for the in-situ thermal response test (TRT) data. The CFD numerical back-analysis with the ground thermal conductivity of 4 W/mK yielded better agreement with the in-situ thermal response tests than with the ground thermal conductivity of 3 W/mK.