[논문 리뷰] An Experimental and Computational Study of Breaking Wave Impact Forces

Thomas C. Fu, Anne M. Fullerton외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Fluid Dynamics Simulations and Interactions참고 문헌 22인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 해군 표면전쟁센터에서 실시한 실험과 수치유체역학(CFD) 시뮬레이션을 통해 정사각형 판면에 작용하는 파도 붕괴 시 발생하는 충격력에 대해 조사한다. 파도 붕괴 시 강한 제트류, 기체 혼입 및 난류로 인해 고압 피크가 발생하는 충격력이 발생하며, 이러한 복잡한 일시적 수압력은 모델링 과제가 있음에도 불구하고 CFD가 합리적으로 예측할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

The impact forces generated by the impact of a breaking wave are poorly understood. These impulsive hydrodynamic loads to a ship's hull are of short duration relative to ship motions and buoyant wave loads and often result in extremely high pressures. The physics of breaking waves is a poorly understood, complex, multiphase phenomenon involving violent jet sprays, strong free-surface turbulence, air entrainment and bubble generation, all of which interact with the flow field and the adjacent structure. This paper will describe a set of experiments that were performed, at the Naval Surface Warfare Center, Carderock Division (NSWCCD), in 2006, to measure the hydrodynamic loads of regular nonbreaking and focused breaking waves on a 0.305 m x 0.305 m (1.0 ft x 1.0 ft) square plate and discuss the results of this study. The paper will also discuss Computational Fluid Dynamics (CFD) code predictions of breaking waves and wave impact loads. The CFD code utilized in this study is Numerical Flow Analysis (NFA).

연구 동기 및 목표

• 스케일된 구조물 모델에 작용하는 붕괴 파도의 수압력 충격력을 측정하기 위해.
• 제트 형성, 기체 혼입 및 자유수면 난류를 포함한 붕괴 파도의 복잡한 물리 현상을 이해하기 위해.
• NFA 코드를 사용한 CFD 시뮬레이션의 충격력 예측 능력을 평가하기 위해.
• 비붕괴 및 집중 붕괴 파도에 대해 실험 측정값과 수치 예측값을 비교하기 위해.
• 선체에 작용하는 극한의 일시적 하중을 정량화하여 설계의 내구성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 해군 표면전쟁센터, 카더록 지부에서 실시한 실험을 통해 0.305 m × 0.305 m 크기의 정사각형 판면을 이용해 충격력을 측정하였다.
• 실제 해양 환경의 하중 조건을 모의하기 위해 정규 비붕괴 및 집중 붕괴 파도를 사용하였다.
• 파도 생성, 붕괴 및 판면에 대한 충격을 시뮬레이션하기 위해 수치유체역학(NFA) CFD 코드를 적용하였다.
• 공기-물 계면을 추적하고 자유수면 역학을 모델링하기 위해 체적분율(VOF) 방법을 구현하였다.
• 난류 모델과 다상유동 효과를 통합하여 기체 혼입 및 기포 생성을 포괄하였다.
• 실험 데이터와 CFD 예측 압력 역사 및 힘 시간 이력 간의 비교를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 붕괴 파도 충격이 구조물 판면에 어떤 방식으로 충격력이 발생하는가?
• RQ2 제트 형성, 기체 혼입 및 자유수면 난류가 충격력 프로파일 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 NFA CFD 코드는 붕괴 파도 충격의 복잡한 역학을 얼마나 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ4 측정된 충격력과 CFD 예측값 간의 피크 압력 및 힘 지속 시간은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 파도 충격 시 극한의 압력 피크를 유발하는 주요 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 붕괴 파도는 짧은 지속 시간의 압력 피크를 동반한 극도로 충격적인 충격력이 발생시키며, 이는 정상 상태 파도 하중보다 크게 초과한다.
• NFA CFD 코드는 피크 충격력의 일반적 경향성과 크기를 성공적으로 포착하였지만, 시기 및 피크 해상도 측면에서 일부 차이가 존재한다.
• 제트 형성과 기체 혼입은 충격 시 局부 고압 영역 형성에 핵심적인 기여를 한다.
• 실험 데이터에 따르면, 동일 조건에서 집중 붕괴 파도는 비붕괴 파도보다 더 높은 피크 힘을 생성한다.
• 자유수면 난류 및 복잡한 다상 상호작용은 충격력의 공간적 및 시간적 분포에 중대한 영향을 미친다.
• 본 연구는 적절히 校정되고 검증된 CFD가 극한의 파도 충격력 예측에 실용적인 도구가 될 수 있음을 입증한다.