Fig. 2. Simulated ship-induced wave patterns and time series of wave height in three experiments: (a) sub-critical wash condition, (b) critical wash condition, and (c) super-critical wash condition.
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Numerical Simulation of Ship-induced Wave Using FLOW-3D®

Abstract

대표적인 상용 CFD 코드 중 하나인 FLOW-3D®에 포함된 강체에 대한 6-자유도 운동을 적용한 음해
법의 GMO 방법을 이용하여 항주파의 재현 가능성을 살펴보았다. 모델에 의한 항주파의 형상 재현시 depth Froude number에 따른 수평 파형이 잘 재현되었으며, 선박의 직선항로 항행시 일정한 수심인 경우와 실제 수심인 경우를 비교함으로써 모델이 수심에 따른 파형의 변화를 잘 재현함을 알 수 있었다. 또한, 모델에 의해 실제 수심조건에서 두 척의 선박이 교차 진행할 경우와 선박이 곡선항로를 항행할 경우에 대한 항주파를 잘 재현할 수 있음을 보였다. 따라서, FLOW-3D®를 이용하여 항주파를 수치모의할 경우 관측을 통한 모델의 검·보정을 통해 항로와 항구에서의 항주파를 보다 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

Key words

항주파, flow-3d, cfd, : ship-induced wave

서론

선박의 항행에 따라 발생하는 항주파는 선박의 항행 속 도와 선박의 형태, 수심과 항행선으로부터 이격거리에 따라 파의 크기와 형태가 변화하는 특징을 가진다. 연안에서 발생되는 풍파나 너울과 비교할 때, 항주파는 특정지역에 서 이례적인 크기로 발생할 수 있으며 해안선과의 상호작 용에 의한 감쇄가 거의 없이 진행함으로써 항내 부진동을 일으킬 수도 있다. 이처럼 누적된 파랑에너지에 의한 파고 의 증가는 항만 시설이나 구조물의 파손을 유발하고 정박 중이거나 항행중인 선박에 피해를 줄 수도 있다(Wu et al., 2001).

또한, 항만에서 하역한계파고를 초과하는 항주파가 발생할 경우 선적 및 하역 작업에 어려움을 주게 되며, 선 박의 고속질주에 따라 반복적으로 발생되는 항주파로 인 해 연안 침식이 가중되는 사례가 보고된 바도 있다(한, 2004). 지금까지의 항주파에 관한 연구는 대부분 조파저항이나 선박에 미치는 영향 등 주로 조선공학적인 측면에서 이루 어졌기 때문에 일정한 수심 조건에 대한 실험적 또는 이 론적인 연구가 주로 수행되었다.

그러나, 복잡한 수심과 경 계를 가진 실제 해역을 대상으로 할 경우에는 이론적인 연 구만으로는 실제적인 현상을 충분하게 재현하기 어렵다. 또한, 수리모형으로 지형과 수로의 조건을 제작하여 항주파 를 재현할 경우에는 많은 비용과 시간을 필요로 한다(신 과 정, 2003).

항주파가 항만과 연안역 또는 좁은 수로 등에 미치는 영 향이 크므로 기존의 선박공학분야의 연구와는 달리 정밀 한 수치모델이 필요한데(강 등, 2007), 이러한 항주파의 수 치모델 연구 중 국내 연구결과로는 3차원 파랑전파 모형 에 의한 항주파 수치재현에 관한 연구(이 등, 2003)와 고 정좌표계에서 Boussinesq 방정식을 토대로 수행된 수치모형 연구(신과 정, 2003) 등이 있고, 해외에서는 Boussinesq 방정식을 이용한 결과로 가변수심역에서 항주파의 재현 연 구(Jiang et al., 2002)와 경사진 해안에서 선박의 진행에 따른 항주파의 특성 연구(Dam et al., 2006) 그리고 고속 페리에 의한 항주파의 재현 연구(Nwogu, 2007) 등이 있다.

본 연구에서는 대표적 CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드 중의 하나인 FLOW-3D® 모델의 6-자유도(Degree of Freedom)를 적용한 음해법의 GMO(General Moving Object) 모듈을 이용하여 강제파 발생방법이 아닌 선박의 형상과 선속 및 지형 조건에 따른 항주파를 검토하였으며 선박이 직선 및 곡선으로 항행할 경우와 두 척의 선박이 교차 항 행시에 발생되는 항주파를 재현하였다.

Fig. 1. The shape of the ship used in experiments.
Fig. 1. The shape of the ship used in experiments.
Fig. 2. Simulated ship-induced wave patterns and time series of wave height in three experiments: (a) sub-critical wash condition, (b) critical wash condition, and (c) super-critical wash condition.
Fig. 2. Simulated ship-induced wave patterns and time series of wave height in three experiments: (a) sub-critical wash condition, (b) critical wash condition, and (c) super-critical wash condition.

참고문헌

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