[논문 리뷰] SPH Modeling of Short-crested Waves

Zhangping Wei, Robert A. Dalrymple|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 23.

Fluid Dynamics Simulations and Interactions참고 문헌 7인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 두 개의 교차하는 파도 열차를 초래하여 평면 해안에서 단단한 파도 붕괴를 시뮬레이션하기 위해 메쉬 프리 스플린트 히드로다이내믹스(SPH) 모델 GPUSPH를 사용한다. 주요 발견은 기울기가 급한 해안에서 더 강력한 리프 강류와 더 큰 순환 세포가 생성되며, 더 큰 파고와 넓은 리프 강류 간격은 고립된 붕괴, 파도 회절 및 다중 2차 순환 세포를 포함한 더 복잡한 파도 장을 유도한다는 것이다.

ABSTRACT

This study investigates short-crested wave breaking over a planar beach by using the mesh-free Smoothed Particle Hydrodynamics model, GPUSPH. The short-crested waves are created by generating intersecting wave trains in a numerical wave basin. We examine the influence of beach slope, incident wave height, and incident wave angle on the generated short-crested waves. Short-crested wave breaking over a steeper beach generates stronger rip currents, and larger circulation cells in front of the beach. Intersecting wave trains with a larger incident wave height drive a more complicated short-crested wave field including isolated breakers and wave amplitude diffraction. Nearshore circulation induced by short-crested wave breaking is greatly influenced by the incident wave angle (or the rip current spacing). There is no secondary circulation cell between the nodal line and the antinodal line if the rip current spacing is narrow. However, there are multiple secondary circulation cells observed when the rip current spacing is relatively large.

연구 동기 및 목표

• 단단한 파도 붕괴에서 해안 기울기, 입사 파고 및 입사 각도의 영향을 조사하기 위해.
• SPH 시뮬레이션을 사용하여 단단한 파도 붕괴에 의해 생성된 근해 순환 패턴과 수직 코어스피어 필드를 검토하기 위해.
• 파도의 중첩과 리프 강류 간격이 복잡한 근해 수류역학을 형성하는 데 미치는 역할를 이해하기 위해.
• 개선된 수치 설정을 사용하여 단단한 파도 시스템에서 3차원 코어스피어와 순환 세포에 관한 이전 연구 결과를 검증하고 확장하기 위해.

제안 방법

• 단단한 파도는 동기화된 파도 열차 방법을 통해 동일한 주기지만 반대 입사 각도를 가진 두 개의 파도 열차를 중첩함으로써 생성된다.
• 해안 외부 경계의 자유 표면 프로파일은 식 (1)에 의해 정의되며, 여기서는 波수, 각주기 및 노드/반노드 선 사이의 종방향 간격 λ를 포함한다.
• 시간에 따라 변화하는 각도를 갖는 '뱀' 형태의 웨이브메이커는 다수의 플랩형 웨이브메이커로 구성되며, 식 (5)에 따라 정의된 바와 같이 시간에 따라 변화하는 각도를 적용하여 요구된 파도장을 생성한다.
• 수치 시뮬레이션은 오픈소스 GPUSPH 코드를 사용하여 수행되며, 20m 폭의 탱크, 0.5m 해안 외부 수심, 조절 가능한 기울기를 가진 평면 해안을 사용한다.
• SPH 모델은 입자 스무딩 길이와 경계 조건을 신중하게 구현한 커널 근사 도함수를 사용하여 비압축성 나비에-스토크스 방정식을 해결한다.
• 시간 평균 및 수심 평균 수직 코어스피어 필드는 수평 유동의 회전과 코어스피어 구조를 분석하기 위해 식 (10)을 사용하여 계산된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해안 기울기는 단단한 파도 붕괴에서 리프 강류 강도와 근해 순환 세포 형성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 입사 파고는 고립된 붕괴 및 파도 진폭의 회절을 포함한 파도 장 복잡성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 입사 각도(또는 리프 강류 간격)는 2차 순환 세포의 수와 구조를 어떻게 제어하는가?
• RQ4 수직 코어스피어는 단단한 파도 시스템에서 3차원 코어스피어 구조와 복잡한 유량 패턴을 특성화하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 기울기가 급한 해안에서 단단한 파도 붕괴는 기울기가 완만한 해안보다 근해 지역에서 더 강력한 리프 강류와 더 큰 순환 세포를 생성한다.
• 더 큰 입사 파고는 내부 표면역역역에서 고립된 붕괴 및 파도 진폭의 회절을 포함한 더 복잡한 파도 장을 유도한다.
• 리프 강류 간격이 좁을 경우(큰 입사 각도로 인해), 노드선과 반노드선 사이에 2차 순환 세포가 형성되지 않으며, 간격이 상대적으로 클 경우에만 다중 2차 세포가 나타난다.
• 시간 평균 및 수심 평균 수직 코어스피어 필드는 관측된 순환 패턴과 상관관계가 있으며, 3차원 코어스피어와 복잡한 흐름의 회전을 확인한다.
• 강한 코어스피어 지역에서는 파도의 상승에 반대하는 방향으로 유속이 흐를 수 있으며, 이는 코어스피어와 근해 순환 역학 간의 복잡한 피드백을 시사한다.
• 시뮬레이션 결과는 파도 중첩과 리프 강류 상호작용이 다중 순환 세포와 코어스피어 운동을 포함한 복잡한 수동 구조를 생성한다는 것을 확인한다.