비선형 해양파 수치 모사를 위한 고속 재현 기법

이상범,최영명 한국융합신호처리학회 2022 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.23 No.1

An improvement of computational resources with a large scale cluster service is available to the individual person, which has been limited to the original industry and research institute. Therefore, the application of powerful computational resources to the engineering design has been increased fast. In naval and marine industry, the application of Computational Fluid Dynamics, which requires a huge computational effort, to a design of ship and offshore structure has been increased. Floating bodies such as the ship or offshore structure is exposed to ocean waves, current and wind in the ocean, therefore the precise modelling of those environmental disturbances is important in Computational Fluid Dynamics. Especially, ocean waves has to be nonlinear rather than the linear model based on the superposition due to a nonlinear characteristics of Computational Fluid Dynamics. In the present study, a fast reconstruction technique is suggested and it is validated from a series of simulations by using the Computational Fluid Dynamics. 최근 컴퓨터 성능 향상과 더불어 대규모 클러스터 서비스가 기존의 산업 및 연구기관뿐만 개인에게도 제공되고 있으며, 막대한 계산 성능을 이용한 공학 설계 활용은 빠르게 증가하고 있다. 이에 조선 해양 산업에서는 많은 계산 비용이 요구되는 전산유체역학 기법을 선박 및 해양구조물 설계에 활용하려는 노력이 증가하고 있다. 선박 및 해양구조물과 같은 부유체는 대양에서 해양파, 조류, 바람과 같은 환경 외란에 노출되어 있으며 이러한 환경 외란은 전산유체역학에서 고정도 모델링이 필요하다. 특히 해양파의 경우 비선형 전산유체역학의 특성상 기존의 선형 중첩법에서 벗어난 비선형 해양파가 고려되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 비선형 해양파 수치 모사를 위해 고속 재현 기법을 제안하고 전산유체역학 기법을 활용하여 검증을 수행하였다.

TMA 모델을 이용한 해양파 시뮬레이션 방법

이남경,백낙훈,김구진,유관우,Lee Nam-Kyung,Baek Nakhoon,Kim Ku Jin,Ryu Kwan Woo 한국정보처리학회 2005 정보처리학회논문지 A Vol.12 No.4

컴퓨터 그래픽스 분야에서는 해양파(ocean waves)를 표현하기 위한 여러가지 방법들이 있지만, 완전한 해결책은 아직까지 제시되지 못하고 있다. 해양파는 여러가지 원인에 의해 생성되지만, 가장 지배적인 요소는 바람과 중력에 의한 표면 중력파(surface gravity waves)이다. 본 논문에서는 해앙학 분야의 정밀한 해양파 모델에 기초하여, 실시간에 표면 중력파를 시뮬레이션하는 방법을 제시한다. 기존 연구들은 수심이 무한대라고 가정하는 Pierson-Moskowitz(PM) 모델[1]을 사용하여, 얕은 바다를 시뮬레이션하기에는 무리가 따랐다. 본 논문에서는 좀더 정밀한 Texel-Marsen-Arsloe(TMA) 모델[2]을 사용하여 더욱 사실적인 해양파를 표현할 수 있다. TMA 모델을 분석한 후, 3차원 컴퓨터 그래픽스 프로그램들에서 사용할 수 있는 실제적인 구현 모델(implementation model)을 정립하였고, 이를 구현한 프로토타입 시스템은 펜티엄-4 1.6GHz PC들에서 초당 30프레임 이상을 표시할 수 있음을 보였다. 본 논문에서 제안하는 방법은 기존 연구들에 비해, (1) 사용자가 제어할 수 있는 매개변수들이 더욱 다양해짐으로써, 사용자 요구에 적합한 파형(wave shape)들을 다양하게 생성할 수 있고, (2) 정밀한 해양파 모델을 사용하여, 얕은 바다에서도 더욱 사실적인 파도를 표현할 수 있다. In the field of computer graphics, we have several research results to display the ocean waves on the screen, while we still not have a complete solution yet. Though ocean waves are constructed from a variety of sources, the dominant one is the surface gravity wave, which is generated by the gravity and the wind. In this Paper, we Present a real-time surface gravity wave simulation method, derived from a precise ocean wave model in the oceanography. There are research results based on the Pierson-Moskowitz(PM) model[1], which assumes infinite depth of water and thus shows some mismatches in the case of shallow seas. In this paper, we started from the Texel, Marsen and Arsloe(TMA) model[2], which is a more precise wave model and thus can be used to display more realistic ocean waves. We derived its implementation model for the graphics applications and our prototype implementation shows about 30 frames per second on the Intel Pentium 4 1.6GHz-based personal computer. Our major contributions to the computer graphics area ill be (1) providing more user-controllable parameters to finally generate various wave shapes and (2) the improvement on the expression power of waves even in the shallow seas.

파랑 관측 자료 기반 제주 서해 파랑자원의 분석

김정석,박지용,최종수,신승호 한국해양환경·에너지학회 2020 한국해양환경·에너지학회지 Vol.23 No.1

In this study, we discussed the characteristics of wave energy resources using long-term ocean wave observation data in the west sea of Jeju. The seasonal variation of the sea state according to the climate of the target sea was confirmed through the characteristics of the ocean wave. The characteristics of ocean wave and the wave energy were analyzed by dividing the periods affected by continental and maritime climate. In winter, due to the influence of the inland climate, the sea state with high wave energy was sustained, and the wave energy during this period was evaluated as having high utilization value as a resource. Through the analysis of ocean wave and wave energy, basic concept for operating the wave energy converters in the target area was established and proposed. This is expected to be used as basic data in planning the utilization of wave resources in the west sea of Jeju. 본 연구에서는 제주 서해의 장기 해양파 관측 자료를 활용하여 파랑에너지 자원의 특성에 관해 논하고자한다. 해양파의 출현 특성을 통해 대상해역 기후에 따른 해상상태의 계절 변동을 확인하였다. 대륙성 및 해양성 기후가 영향을 미치는 기간을 구분하여 해양파의 출현특성과 파랑에너지의 양과 변동 특성을 분석하였다. 겨울철에는 대륙성 기후의 영향으로 인하여 높은 파랑에너지를 갖는 해상상태가 지속되는 특징을 보였고, 이 기간의 파랑에너지는 자원으로서 활용가치가 높은 것으로 평가되었다. 여름철에는 해양성 기후의 영향으로 겨울철과는 상반된 특징을 보였다. 해양파와 파랑에너지에 대한 분석을 통하여 대상해역에서 파력발전장치를 운용하기 위한 기본 개념을 수립하여 제안하였다. 이는 제주 서해의 파랑자원의 활용을 계획함에 있어서 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

해양파의 개별파고 분포에 대하여

김도영 한국해양공학회 2007 韓國海洋工學會誌 Vol.21 No.2

If the sea is narrowband, the Rayleigh distribution introduced by Longuet-Higgins can be used for the individual wave height distribution. However, the Rayleigh distribution often over-predicts the probability of high waves. Longuet-Higgins introduced an alternative form of the Rayleigh distribution with an empirical constant. The wave height distribution can be fitted well by one parameter Rayleigh distribution with a proper choice of the empirical constant. In this paper, the empirical constant is determined by a ratio of the significant wave height, bused on the time domain analysis and the spectral analysis. Here we examine wave data that contain extreme waves. The empirical constant in the modified Rayleigh distribution is determined simply by a ratio of significant wave heights, based on the time-domain method and wave spectrum. We confirmed that extreme wave height distribution can be modeled well by a modified Rayleigh distribution.1. 서 론

파랑자료의 sampling rate가 극한파의 통계에 미치는 영향

김도영 한국해양환경·에너지학회 2012 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

해양파 자료의 sampling rate에 따라 각종 통계적 특성이 변화한다. sampling rate에 의해서 발생한 오차의 크기는 파랑의 주기가 커지면 줄어든다. 스팩트럼의 대역폭은 sampling rate에 의해 크게 영향을 받는다. 그리고 sampling rate에 의한 유의파고의 오차는 Hs 가 H1/3보다 작게 나타난다. 해양파의 계측에서 1Hz의 이상의 samping rate로 계측한 자료는 극한파의 크기에는 5% 이하의 오차를 줄 것으로 예상된다.

앙상블 지역 파랑예측시스템 구축 및 검증

박종숙(JongSook Park),강기룡(KiRyong Kang),강현석(Hyun-Suk Kang) 한국해안해양공학회 2018 한국해안해양공학회 논문집 Vol.30 No.2

해양파랑 예측에 있어 단일 수치모델의 불확실성을 보완하기 위하여 앙상블 기법을 적용한 지역 파랑예측시스템을 구축하였다. 기상청 전지구 대기 수치모델의 확률예측시스템에서 생산되는 24개 앙상블 해상풍을 입력자료로 이용, 87시간까지 파랑 예측자료를 생산하였으며, 기상청 계류부이 관측자료와 다양한 통계방법을 적용하여 검증을 수행하였다. 2일예측 이후의 앙상블 예측평균의 평균제곱근오차(RMSE)는 단일모델예측에 비하여 향상된 결과를 보였으며, 특히 3일예측의 경우 단일모델예측 대비 RMSE가 약 15% 정도 향상되었다. 이것은 앙상블 기법이 수치모델의 불확실성을 감소시켜 예측정확도 향상에 크게 기여한 것으로 보인다. ROC(Relative Operating Characteristic) 분석결과, 전체 예측시간에 대하여 ROC 영역이 모두 0.9 이상을 보여 확률예측 성능이 뛰어남을 보였으며, 앙상블 파랑예측 결과가 해상 확률예보에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다. In order to overcome the limitation of deterministic forecast, an ensemble forecasting system for regional ocean wave is developed. This system predicts ocean wind waves based on the meteorological forcing from the Ensemble Prediction System for Global of the Korea Meteorological Administration, which is consisted of 24 ensemble members. The ensemble wave forecasting system is evaluated by using the moored buoy data around Korea. The root mean squared error (RMSE) of ensemble mean showed the better performance than the deterministic forecast system after 2 days, especially RMSE of ensemble mean is improved by 15% compared with the deterministic forecast for 3-day lead time. It means that the ensemble method could reduce the uncertainty of the deterministic prediction system. The Relative Operating Characteristic as an evaluation scheme of probability prediction was bigger than 0.9 showing high predictability, meaning that the ensemble wave forecast could be usefully applied.

해양파랑 내습에 따른 식생대 전선 변화: 진우도 해빈을 중심으로

윤한삼,제영준,유창일 해양환경안전학회 2011 해양환경안전학회 학술발표대회 논문집 Vol.2011 No.06

2009년 6월부터 2010년 4월에 걸쳐 전라남도 갯벌공원으로 지정되어 있는 신안군 증도 갯벌과 무안군 해제면 갯벌 공 원을 중심으로 해 저층 퇴적물의 층별 강열감량(IL), COD, 황화수소(H2S), ORP(Oxident Reduction Potential) 와 퇴적물 중금속을 측정하여 갯벌의 오염도를 평가하였고 갯벌 오염도의 등급화를 구분하였다. 두 지 역의 갯벌 오염도를 비교한 결과, COD는 증도 갯벌이 약간 높았으나 H2S와 IL치는 오히려 무안 갯벌보 다 낮은 양호한 상태를 보였고, 두 해역 퇴적물 중금속 함량의 비교에서는 Zn은 서로 비슷한 함량을 보 였으나 Cu, Cd, Cr과 Pb은 무안 갯벌보다 증도 갯벌에서 낮게 분포하였다. 다른 지역의 일반 연안의 갯 벌 상태와 비교해서는 두 지역 모두 양호한 저질 상태를 보였고 오염도의 등급으로는 1-2등급에 속하는 것으로 나타났다.

대진폭 해양파의 특성에 대한 연구

김도영(Do Young Kim) 한국해양환경·에너지학회 2009 한국해양환경·에너지학회지 Vol.12 No.2

대진폭 해양파의 특성에 대한 연구

김도영(Do Young Kim) 한국해양환경공학회 2009 한국해양환경·에너지학회지 Vol.12 No.1

이 논문에서는 freak wave가 포함된 시계열 파랑자료를 분석하였다. freak wave가 포함된 자료와 포함되지 않은 자료에 대하여 여러 가지 파랑 특성을 비교하였다. 파랑 자료는 Yura 해역에서 24시간 연속으로 측정된 자료를 분석하였고, 그 중에서 freak wave가 발생한 30분 동안 파랑과 인접한 30분간의 파랑자료를 집중적으로 분석하였다. 최대파의 파주기가 가장 긴 주기가 아닌 것을 볼 수 있다. 최대파의 파주기는 평균파주기보다 약간 길며, 유의파의 파주기보다는 짧은 것을 볼 수 있었다. 비록 해상 상태는 높지만, 레일리분포로 파고의 확률분포를 잘 표시할 수 있었다. Freak wave의 발생 전후의 파랑자료를 비교해 보면, 파랑스펙트럼의 특성은 큰 차이를 보이지 않으며, 발생한 경우에 비선형성이 증가한 것을 볼 수 있다. 그리고 freak wave 발생 직 후에 오히려 유의파고의 크기가 크게 나타났다. 따라서 유의 파고가 높은 것이 항상 freak wave의 발생확률을 높이지는 않는 것을 볼 수 있다. In this paper time series wave data which contain a freak wave is investigated. Various wave characteristics are compared between wave data with a freak wave and without. Among 24 hour wave data measured in the Yura Sea, two adjacent 30 min wave data with and without a freak wave are examined intensively. It is seen that the highest waves do not have the longest wave period. The wave period of the longest period waves is a little longer than the average wave period and much shorter than the significant wave period. Although the sea state is quite high, the Rayleigh distribution fits well to the probability of wave height. The characteristics of the wave spectra do not change much, but the nonlinearity increases for the wave data with a freak wave. The significant wave height without a freak wave is larger than that with a freak wave. Hence, the higher significant wave height does not always increase the probability of the occurrence of the freak waves.

A Comparison of Proposed Wave Model with Various Wave Models

Sun Hong Kwon(권순홍),Dong Dai Ha(하동대) 한국해양공학회 1988 韓國海洋工學會誌 Vol.2 No.1

해양에서 바람에 의해 생성된 파도를 예측하는 모델을 제시하고 이 모델에 대한 개략적인 설명과 아울러 분류에 의한 기존 모델들을 소개하고 마지막으로 이 모델을 유한폭의 해양에 대하여 적용한 결과를 기존의 다른 모델들과 비교하였다.