Figure 2. 3D view related to descending mode.

FLOW-3D를 이용한 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향 연구

본 소개 내용은 [Journal of Hydraulic and Water Engineering (JHWE)]에서 발행한 [“Investigating Effect of Changing Vegetation Height with Irregular Layout on Reduction of Waves using Flow-3D Numerical Model”] 의 연구 내용입니다.

Figure 2. 3D view related to descending mode.
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1. 서론

  • 해안 식생은 파랑 감쇠 효과를 제공하여 해안 침식을 방지하고 생태계를 보호하는 역할을 함.
  • 식생의 높이, 배치 방식 및 밀도는 파랑 감쇠 효율에 영향을 미칠 수 있음.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 방안을 도출하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과를 해석.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석

  • 식생의 배치 방식(긴-짧은, 짧은-긴, 지그재그) 및 네 가지 파랑 조건을 고려하여 감쇠율 분석.
  • 긴-짧은(long-to-short) 배치가 가장 효과적인 감쇠 효과를 보이며, 감쇠율(POD)이 최대 36.62%에 도달.
  • 지그재그 배치(zigzag)도 효과적이지만, 짧은-긴(short-to-long) 배치는 상대적으로 낮은 감쇠 효과를 보임.
  • 높이 변화가 큰 배치일수록 유동 저항이 증가하여 감쇠 효과가 증대됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 식생의 기하학적 배치는 파랑 감쇠 성능에 중요한 영향을 미침.
  • 긴-짧은(long-to-short) 패턴이 파랑 감쇠에 가장 효과적이며, 이는 최대 저항을 초기 구간에서 제공하기 때문임.
  • 짧은-긴(short-to-long) 배치는 감쇠 효과가 낮으며, 식생 배치 전략에 있어 신중한 설계가 필요함.

향후 연구 방향

  • 다양한 식생 밀도 및 유속 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 및 최적화 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 식생 배치 방식에 따른 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 전략을 제안하였다. 이를 통해 연안 보호 및 해안 침식 방지에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Figure 2. 3D view related to descending mode.
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6. 참고 문헌

  1. Asano, T. (1988). Wave damping characteristics due to seaweed, Proc. 35th Conf. on Coastal Engrg.
  2. Asano, T., Deguchi, H., & Kobayashi, N. (1992). Interaction between water waves and vegetation, Coastal Engineering 1992, 2709-2723.
  3. Best, Ü.S., van der Wegen, M., Dijkstra, J., Reyns, J., van Prooijen, B.C., & Roelvink, D. (2022). Wave attenuation potential, sediment properties and mangrove growth dynamics data over Guyana’s intertidal mudflats: assessing the potential of mangrove restoration works. Earth System Science Data, 14(5), 2445-2462.
  4. Cooper, N.J. (2005). Wave dissipation across intertidal surfaces in the Wash tidal inlet, eastern England. Journal of Coastal Research, 21(1), 28-40.
  5. Dean, R. (1979). Effects of vegetation on shoreline erosional processes. R. E. Greeson, J.R. Clark, & J., 1(2), 416-426.
  6. Dean, R.G., & Dalrymple, R.A. (1991). Water wave mechanics for engineers and scientists, 2nd ed., World Scientific Publishing.
  7. Dubi, A. (1995). Damping of water waves by submerged vegetation–a case study on Laminaria hyperborea. Dr. Ing. Thesis, Department of Structural Engineering, NTNU/SINTEF-NHL, Trondheim, Norway.
  8. Erduran, K., & Kutija, V. (2003). Quasi-three-dimensional numerical model for flow through flexible, rigid, submerged and non-submerged vegetation. Journal of Hydroinformatics, 5(3), 189-202.
  9. Fathi-Moghadam, M., Kashefipour, M., Ebrahimi, N., & Emamgholizadeh, S. (2011). Physical and numerical modeling of submerged vegetation roughness in rivers and flood plains. Journal of Hydrologic Engineering, 16(11), 858-864.
  10. Hu, Z., Lian, S., Zitman, T., Wang, H., He, Z., Wei, H., Ren, L., Uijttewaal, W., & Suzuki, T. (2022). Wave breaking induced by opposing currents in submerged vegetation canopies. Water Resources Research, 58(4), e2021WR031121.
  11. Imamura, M. et al. (2006). Current status of hematopoietic cell transplantation for adult patients with hematologic diseases and solid tumors in Japan. International Journal of Hematology, 83, 164-178.
  12. Li, R.-M., & Shen, H.W. (1973). Effect of tall vegetations on flow and sediment. Journal of the Hydraulics Division, 99(5), 793-814.
  13. Ma, Y. et al. (2023). Wave attenuation by flattened vegetation (Scirpus mariqueter). Frontiers in Marine Science, 10, 571.
  14. Mukherjee, A., Cajas, J.C., Houzeaux, G., Lehmkuhl, O., Suckale, J., & Marras, S. (2023). Forest density is more effective than tree rigidity at reducing the onshore energy flux of tsunamis. Coastal Engineering, 182, 104286.
  15. Wu, W.-C., & Cox, D.T. (2016). Effects of vertical variation in vegetation density on wave attenuation. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 142(2), 04015020.
  16. Zhang, X., Lin, P., & Nepf, H. (2022). A wave damping model for flexible marsh plants with leaves considering linear to weakly nonlinear wave conditions. Coastal Engineering, 175, 104124.
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Domain

Validation of the CFD Code Flow-3D for the Free Surface Flow Around Ship Hulls

선체 주위 자유 표면 유동을 위한 CFD 코드 Flow-3D 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D®를 사용하여 선체 주변의 자유 표면 유동을 수치적으로 분석하고 실험 데이터를 기반으로 검증함.
  • DTNSRDC 5415 전투함 모델을 사용하여 난류 모델 및 수치 해석 기법을 검토함.
  • 총 저항 예측, 파형 분석 및 난류 해석을 수행하여 모델의 신뢰성을 평가함.
  • CFD 시뮬레이션의 한계를 확인하고 메쉬 민감도 및 수치 기법 최적화 방향을 제시함.

연구 방법

  1. 실험 데이터 및 모델 선정
    • 미국 해군이 개발한 DTNSRDC 5415 전투함 모델을 사용하여 수치 해석을 수행함.
    • 프루드 수(Froude Number) 범위: 0.17 ~ 0.4로 설정하여 자유 표면 유동을 시뮬레이션함.
    • 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 평가함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유 표면 추적을 수행함.
    • 난류 모델로 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 및 다양한 이류(advection) 기법을 비교 분석함.
    • 메쉬 독립성 연구를 통해 최적의 격자 해상도를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터와 비교하여 총 저항(Total Resistance) 예측 정확도를 평가함.
    • 파형 분포 및 자유 표면 형상이 실험과 얼마나 일치하는지 분석함.
    • 프루드 수(Froude Number)에 따른 저항 변화 및 난류 모델의 영향을 검토함.

주요 결과

  1. 총 저항 예측 및 비교 분석
    • 1차 이류 기법(1st order upwind advection scheme) 사용 시, 실험 대비 총 저항이 약 3배 과대 예측됨.
    • ITTC-57 방법을 적용하여 마찰 저항을 보정하면, 실험과의 오차가 절반 수준으로 감소함.
    • 2차 이류 기법(2nd order scheme)을 적용하면 총 저항 예측이 개선되었으나 여전히 약 2배 과대 평가됨.
  2. 파형 및 자유 표면 분석
    • 시뮬레이션에서 자유 표면 형상 및 파형 패턴은 실험과 유사하게 나타남.
    • 파랑 저항(Wave Resistance)은 메쉬 해상도가 높아질수록 실험값과 더 가까워짐.
    • 그러나 경계층 해석이 부족하여 마찰 저항(Frictional Resistance) 예측이 부정확함.
  3. 메쉬 민감도 연구 결과
    • 메쉬 독립성을 완전히 확보하지 못한 상태에서 총 저항이 65%까지 과대 평가됨.
    • 메쉬 해상도를 증가시킬수록 저항값이 감소하지만, 연산 비용이 크게 증가함.
    • 추가적인 연구를 통해 완전한 메쉬 독립성 확보 필요.
  4. 난류 모델 및 수치 기법 평가
    • 2차 이류 기법 + 단조 유지(Monotonicity Preserving) 조합이 가장 적절한 결과를 제공함.
    • 다중 블록 격자(Multi-Block Gridding)와 추가적인 난류 모델 적용이 필요함.
    • 향후 연구에서는 경계층 및 마찰 저항 개선을 위한 고급 난류 모델 적용이 필수적임.

결론

  • FLOW-3D®는 선체 주변 자유 표면 유동의 질적(qualitative) 분석에 적합함.
  • 총 저항 예측은 과대 평가되며, 마찰 저항 해석 능력이 제한적임.
  • 2차 이류 기법 + 단조 유지 기법 적용 시, 실험과의 상관성이 가장 높음.
  • 메쉬 독립성 확보 및 난류 모델 최적화가 추가 연구의 핵심 과제임.

Reference

  1. Barkhudarov, M., “Multi-Block GriddingTechnique for FLOW-3D”, Technical Note #59-R2, FSI-00-TN59-R2, Flow Science Inc., 2004
  2. Ferziger, H. J., and Peric, M., “ComputationalMethods for Fluid Dynamics”, 2001, SpringerVerlag
  3. Lewis, E. V., “Principles of NavalArchitecture” SNAME, USA, 1989
  4. Lin, A. C., “Bare Hull Effective PowerPredictions and Bilge Keel Orientation forDDG51 Hull Represented by Model 5415,”DTNSRDC/SPD-0200-03, 1982(http://conan.dt.navy.mil/5415/)
  5. Ratcliffe, T. J., Muntick, I., Rice, J., “SternWave Topography and Longitudinal Wave Cutsobtained on Model 5415, With and WithoutPropulsion”, DTM, USA, 2001
  6. Yao, G. F., “Development of New PressureVelocity Solvers in FLOW-3D”, Flow Science,Inc., USA, 2004
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