[논문 리뷰] Grid2Grid : HOS Wrapper Program for CFD solvers

Young-Myung Choi, Maïté Gouin외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 11.

Ocean Waves and Remote Sensing인용 수 12

한 줄 요약

Grid2Grid는 HOS 시뮬레이션에서 역 FFT와 B-spline 보간을 사용하여 비선형 파동장을 재구성하는 고성능 HOS 래퍼 프로그램으로, OpenFOAM과 같은 CFD 솔버와의 효율적 통합을 가능하게 한다. 이는 극한 파동에 대한 실험 데이터와 검증된 일치를 보이며, 실시간 비선형 파동 생성을 정확하게 가능하게 한다.

ABSTRACT

Wave generation solvers using Higher Order Spectral Method (HOS) have been validated and developed over the years. HOS solves nonlinear wave propagation in open sea (HOS-Ocean) and in numerical wave tank (HOS-NWT) with low computation time comparing with other nonlinear solvers. HOS solvers are released as open-source codes under the terms of GNU General Public Licence (GPLv3). Nonlinear irregular wave generation in computational fluids dynamic (CFD) solvers becomes important recently in naval fiels to better estimate the loads on offshore structure. The conventional linear superposition methods imply a long computational time for wave generation and the simulation is made almost impossible without having enough computational power. And if the method is based on linear wave theory, there is also question on occurence of nonlinear phenomenon and the interaction between waves as the simulation goes. Therefore dedicated nonlinear wave solvers with high computational speed are needed. Grid2Grid is developed as a wrapper program of HOS to generate wave fields from the results of HOS computation. Grid2Grid reconstructs wave fields of HOS with inverse fast Fourier transforms (FFTs) and uses a quick spline module, the nonlinear wave fields can be fastly reconstructed for arbitrary simulation time and space. The nonlinear wave simulation is then possible for a particular position and time where specific non linear phenomenon occur. Grid2Grid is developed as a wrapper program of HOS to generate wave fields from the results of HOS computation. Grid2Grid reconstructs wave fields of HOS with inverse fast Fourier transforms (FFTs) and uses a quick spline module, the nonlinear wave fields can be fastly reconstructed for arbitrary simulation time and space. The nonlinear wave simulation is then possible for a particular position and time where specific non linear phenomenon occur.

연구 동기 및 목표

• 해양 구조물의 CFD 시뮬레이션에서 선형 파동 생성 방법의 계산 비효율성과 부정확성을 해결하기 위해.
• 사전 계산된 HOS 파동장을 활용하여 CFD 솔버에서 고정밀도 비선형 파동 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 CFD 프레임워크에 HOS로 생성된 파동장을 통합하기 위한 이식성 있고 재사용 가능한 인터페이스를 제공하기 위해.
• VTK 형식과 시간 시리즈 출력을 통해 HOS 결과의 후처리를 지원하고 검증 및 분석을 가능하게 하기 위해.
• 메이저코스모스의 1000년 주기 파동과 같은 극한 비선형 파동 사건을 정확한 파동 붕괴 예측과 함께 시뮬레이션할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 스펙트럼 모드에서 공간 파동장으로의 변환을 위해 역 FFT(H₂ 연산자)를 사용하여 HOS 모드 데이터로부터 체적 파동장을 재구성한다.
• 다차원 B-spline 보간 모듈(bspline-fortran)을 활용하여 임의의 시간 및 공간 위치에서 빠르고 정확한 파동장 보간을 가능하게 한다.
• C, C++, Python 등 다양한 언어와의 상호운용성을 확보하기 위해 ISO_C_BINDING 인터페이스를 갖춘 공유 라이브러리(libGrid2Grid.so)를 제공한다.
• 파동장의 VTK 형식 및 파면 높이 시간 시리즈 출력을 위한 후처리 모듈(PostGrid2Grid)을 사용하여 시각화 및 검증을 가능하게 한다.
• 동적 블렌딩 함수를 사용해 HOS로 생성된 파동 데이터를 시뮬레이션 도메인에 융합하는 foamStar를 통해 OpenFOAM과 같은 CFD 솔버와 통합한다.
• 자유 표면 근처에서 고파동수 모드의 물리적으로 부적절한 증폭을 방지하기 위해 모드 커팅 기준(Cf(z) = 10)을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HOS로 생성된 파동장이 최소한의 계산 오버헤드로 다양한 CFD 솔버에서 효율적으로 재구성되고 보간될 수 있는가?
• RQ2 Grid2Grid는 비선형 파동 현상, 특히 파동 붕괴와 극한 파동 사건을 CFD 시뮬레이션에서 얼마나 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ3 선형 초월 방법에 비해 Grid2Grid의 사용이 비선형 파동 생성의 정밀도와 효율성에 어느 정도 향상시키는가?
• RQ4 Grid2Grid는 정확한 파동 붕괴 예측과 함께 극한 파동 조건(예: 멕시코 만의 1000년 주기 파동)을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ5 Grid2Grid에서 생성된 파면 높이 및 파동장 출력이 통제된 웨이브 베이신 실험에서 실험 측정치와 얼마나 잘 일치하는가?

주요 결과

• Grid2Grid는 역 FFT와 B-spline 보간을 통해 HOS 파동장을 성공적으로 재구성하여 임의의 시간과 위치에서 빠르고 정확한 파동장 접근을 가능하게 한다.
• 메이저코스모스의 1000년 주기 파동에 대해 시뮬레이션된 파면 높이와 실험 측정치 사이에 양호한 일치를 보이며, 극한 파동 조건에서의 정확도가 검증되었다.
• HOS-NWT로 예측된 파동 붕괴 사건은 시뮬레이션과 실험 모두에서 정확히 캡처되었으며, 붕괴 시점과 위치가 예상과 일치한다.
• HOS와 VOF-CFD 결과 간의 미세한 차이는 유한체적 솔버에서 자유 표면 근처의 격자 해상도 부족에서 기인한다.
• OpenFOAM의 foamStar와의 통합을 통해 HOS 기반 타겟 파동장으로 안정적이고 정확한 파동 생성이 가능했으며, 수치 확산이 최소화되었다.
• 공유 라이브러리 인터페이스(libGrid2Grid.so)는 다양한 프로그래밍 언어 간의 원활한 사용을 가능하게 하여 다물리적 시뮬레이션에서의 재사용성과 상호운용성을 향상시켰다.