With an increasing number of offshore structures for the exploration of marine resources and renewable energies, various experiments, analytical solutions, and numerical approaches have been performed to investigate the interaction of waves and structures to ensure the safety of the offshore structures. In particular, the classical wave transfer function and the Morison equation have been widely applied to predict and validate the accuracy of linear waves and the wave forces acting on structures, respectively. However, the former is limited to analyzing the wave height-to-stroke ratio of breaking waves caused by large wave steepness, and the latter does not accurately predict the force with short wavelength and the secondary load induced by higher harmonic force components. In this study, waves of different wave steepness are generated using an experimental wave flume with a piston-type wavemaker, and the forces exerted on the cylindrical structures of three different diameters satisfying a diameter-to-wavelength ratio of smaller than 0.2 are investigated. By introducing the piston stroke-to-water depth ratio, a breaking wave transfer function for piston-type wavemaker is developed, and the threshold of the maximum wave steepness at which the regular wave starts to break was analyzed. The force difference between the secondary load and wave force calculated using the Morison equation was empirically formulated using several dimensionless variables, and the proposed equation showed good agreement with the experimental results. Additionally, the obtained data were analyzed through comparison with theoretical solutions and used to verify the simulation model discretized by smoothed particles. With the use of a mass-weighted damping zone into the numerical wave tank, wave reflection is minimized, and resolution parameters for single-phase simulation and cohesive force of the modified equation of state for multi-phase simulation are optimized, respectively. The proposed equation is valid for predicting the breaking wave height and wave forces exerted on a vertical cylinder when the secondary load cycle occurs, and the optimized parameters can be employed as a guideline toward further studies including wave-structure interaction problems.
해양자원 및 신재생에너지 탐사를 위한 해양구조물이 증가함에 따라 해양구조물의 안전성 확보를 위해 파도와 구조물의 상호작용을 조사하기 위한 다양한 실험, 이론, 수치적 접근이 수행되어 왔다. 특히, 파랑 전달 함수와 모리슨 방정식은 각각 생성된 선형파의 정확도 및 구조물에 작용하는 파력을 예측하고 검증하는데 널리 사용되어 왔다. 그러나, 전자는 큰 파형경사에 의해 부서지는 파랑의 파고-스트로크 비를 분석하는데 제한적이며, 후자는 파장이 짧은 규칙파에 의한 파력 및 고차 조화 힘에 의해 유발되는 2차 하중을 정확하게 예측하지 못한다. 본 연구에서는 실험 수조의 피스톤 조파기를 이용하여 다양한 파고와 주기를 갖는 파랑을 생성하였으며, 직경-파장비가 0.2 이하를 만족하는 세 가지 직경의 기둥형 구조물에 작용하는 파력을 분석하였다. 스트로크-수심비를 제안하고, 피스톤 조파기의 쇄파 전달함수를 개발하였으며, 실험 수조에서 규칙파가 쇄파로 변화하는 최대 파형경사의 임계값을 분석하였다. 모리슨 방정식을 사용하여 계산된 파력과 2차 하중 사이의 힘 차이는 파수와 결합된 여러 무차원 변수를 사용하여 경험적으로 공식화되었으며, 제안된 식은 실험 결과와 좋은 일치도를 보였다. 또한, 파랑 및 파력 이론식과 비교를 통해 계측 결과를 분석하고, SPH 기법 기반의 수치해석 모델의 검증에 활용하였다. 수치 파동수조에 질량 가중 감쇠영역을 사용하여 반사파를 최소화하였으며, 단상 수치해석을 위한 분해능 매개변수와 다상 수치해석을 위한 수정된 상태방정식의 응집력을 각각 최적화하였다. 제안된 경험식은 2차 하중에 의한 파력 및 쇄파고를 정확하게 추정할 수 있으며, 제안한 최적의 수치해석 파라미터는 파랑-구조물 상호작용 문제를 포함한 후속 연구의 지침으로 사용될 수 있다.
