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액체경계요소 Home > GTS NX > 요소망 > 특성,좌표계,함수 > 특성 > 생성 : 기타 > 액체경계요소

개요

  • 기타 특성의 액체경계요소는 유체 매질의 경계 조건을 정의하는 특성입니다. 유체-구조 상호작용(FSI) 해석 시 유체 영역의 경계면 종류에 따라 적절한 타입을 지정해야 합니다.

  • 액체경계요소 타입은 자유표면, FSI 면, 파동 흡수면의 3가지로 구분됩니다.

기타 특성 대화상자 - 액체경계요소

공통 입력 항목

항목 설명 단위
종류 선(2D) 또는 면(3D) 선택 -
액체경계요소 타입 자유표면 / FSI 면 / 파동 흡수면 중 선택 -
중력가속도(g) 중력가속도 값 (기본값: 9.80665) m/sec²
관심 파동 속도 경계면에서 외부로 전달되는 파의 위상속도(phase velocity) m/sec
파동 반사 계수 경계면에서 반사되는 파의 진폭비(amplitude ratio). 0~1 범위이며, 0은 완전 흡수, 1은 완전 반사 -
확산 손실항 파가 경계 방향으로 진행하면서 감쇠되는 정도(spatial attenuation) 1/m

액체경계요소 타입

자유표면

자유표면 설정

  • 유체 영역의 상단 수면에 지정합니다. 자유수면(free surface)의 움직임과 슬로싱(sloshing) 현상을 고려합니다.

  • 일반적으로 관심 파동 속도, 파동 반사 계수, 확산 손실항은 모두 0으로 설정합니다.

FSI 면

FSI 면 설정

  • 구조물과 유체의 접촉 경계면(Fluid-Structure Interaction boundary)에 지정합니다. 구조물의 변위와 유체 압력이 상호작용하는 면입니다.

  • 일반적으로 관심 파동 속도, 파동 반사 계수, 확산 손실항은 모두 0으로 설정합니다.

파동 흡수면 (V370 신규)

파동 흡수면 설정

  • 무한 경계(infinite boundary) 또는 흡수 경계(absorbing boundary) 조건을 모사하기 위해 지정합니다. Sommerfeld 방사 조건(Sommerfeld radiation condition)을 구현한 것으로, 출사파(outgoing wave)가 다시 영역 내부로 반사되지 않도록 합니다.

  • 댐-저수지 상호작용(Dam-Reservoir interaction) 해석에서 저수지의 원단(far end)에 이 경계면을 지정하면, 무한 저수지(infinite reservoir)를 모사할 수 있습니다. 즉, 반사되는 파를 차단하고 흡수하여 현실적인 거동을 재현할 수 있습니다.

Sommerfeld 방사 경계조건

무한 경계(infinite boundary) 또는 흡수 경계(absorbing boundary) 조건, 즉 Sommerfeld 방사 조건 하에서는, 파의 감쇠와 에너지 소산 효과를 고려하여 경계면의 압력 조건이 다음과 같이 정의됩니다.

\[-n \cdot \nabla p = \left(\frac{1-\alpha_r}{c_i(1+\alpha_r)}\right)\frac{\partial p}{\partial t} + \beta_l \, p\]
  • ci : 경계면에서 외부로 전달되는 파의 위상속도(phase velocity)
  • αr : 경계면에서 반사되는 파의 진폭비(amplitude ratio)
  • βl : 공간 감쇠(spatial attenuation) 계수

입력 파라미터

  • 관심 파동 속도 (출사파 속도, Outgoing Wave Speed) : 경계면을 따라 외부로 전달되는 파의 속도를 입력합니다. 슬로싱 해석에서는 중력파의 위상속도(\(c_i = \sqrt{g \times H}\))를 사용하여 Sommerfeld 방사 조건을 만족시킬 수 있습니다.

  • 파동 반사 계수 (Wave Reflection Coefficient) : 경계면에서 반사되는 파의 진폭 비율을 입력합니다. 값의 범위는 0~1이며, 0은 완전 흡수, 1은 완전 반사를 의미합니다.

  • 확산 손실항 (Spreading Loss Term) : 파가 경계 방향으로 진행하면서 감쇠되는 정도를 정의합니다. 단위는 [1/m]이며, 값이 클수록 파의 에너지가 빠르게 소산됩니다. 추가 감쇠와 관련된 항으로 너무 크면 물리적으로 과도한 소산이 생겨 왜곡될 수 있습니다.

적용 예시 : 댐-저수지 지진 해석

댐-저수지 지진 해석 시, 경계조건은 물리적 특성에 따라 다음과 같이 모델링합니다.

댐-저수지 모델 경계조건

색상 경계 위치 액체경계요소 타입 관심 파동 속도 파동 반사 계수 설명
🟢 초록 수면 (상단) 자유표면 0 0 자유수면 조건
🔵 파란 댐 벽체 FSI 면 0 0 구조물-유체 상호작용 경계
🟣 보라 저수지 원단 (좌측) 파동 흡수면 \(\sqrt{g \times H}\) (예: 13.29 m/s) 0 무한 저수지 모사 (슬로싱파 흡수)
🔴 빨강 저수지 바닥 파동 흡수면 1480 m/s 0.67 암반-유체 경계 (압력파 부분 흡수)

저수지 원단 — 슬로싱파 흡수

저수지 원단에서는 슬로싱에 의한 중력파가 지배적이므로, 관심 파동 속도를 중력파의 위상속도인 \(c_i = \sqrt{g \times H}\)로 설정합니다. 수심 H = 18m인 경우 \(c_i = \sqrt{9.80665 \times 18} \approx 13.29\) m/s입니다.

저수지 바닥 — 암반 경계에서의 부분 반사

바닥에서는 슬로싱 중력파(\(\sqrt{g \times H}\))가 아니라 유체 내 압력파(음압파)가 지배적이므로 물속의 음속 사용합니다.

  • 물(20°C) : \(\rho_1 \approx 1000 \; kg/m^3\), \(c_1 \approx 1480 \; m/s\) → \(Z_1 \approx 1.48 \times 10^6\)
  • 암반(단단함) : \(\rho_2 \approx 2500 \; kg/m^3\), \(V_p \approx 3000 \; m/s\) → \(Z_2 \approx 7.5 \times 10^6\) (\(V_p\) : P파 속도)
  • 반사 계수 : \(\alpha_r = \frac{Z_2 - Z_1}{Z_2 + Z_1} = \frac{7.5 - 1.48}{7.5 + 1.48} \approx 0.67\)

따라서 관심 파동 속도 = 1480 m/s, 파동 반사 계수 = 0.67로 설정하면 암반 경계에서의 부분 반사를 물리적으로 모사할 수 있습니다.

최종 수정일: 2026-03-17