컴퓨터 기술의 발달과 더불어 수치해석을 이용한 파랑변형에 대한 연구는 꾸준히 발전하고 있으며 점점 중요한 역할을 수행하고 있다. 하지만 수치모형을 이용한 연구에는 다양한 문제점이 발생할 우려가 있는데, 그 중 가장 빈번하게 발생하는 문제 중의 하나가 파랑의 조파지점에서 발생하는 수치수조내로의 재반사 문제이다. 재반사를 막기 위한 방법으로는 내부조파 기법을 이용하는 것이 일반적이다. Navier-Stokes 방정식 모형에서는 질량 원천항을 이용한 내부조파 기법을 주로 사용해 왔으나, 기존의 연구는 대부분 연직 2차원 수치모형을 이용한 연구에 국한되어 있었다. 그러나 3차원 수치모형을 이용한 연구가 점차 활발해지면서 3차원 Navier-Stokes 방정식 모형의 내부조파 기법에 대한 필요성이 증대되고 있다. 최근 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방정식 모형에서 Boussinesq 방정식의 운동량 원천항을 활용하여 파랑을 내부조파하는 기법이 발표되어 3차원 공간에서 경사지게 입사하는 파랑을 성공적으로 재현하였다. 본 연구에서는 LES(large eddy simulation) 기반의 3차원 Navier-Stokes 방정식 수치모형에 운동량 원천항을 이용한 내부조파 기법을 적용하여 목표파랑을 조파하고 해석해와 비교하여 이를 검증하였다.

파랑변형을 다루는 수치모형실험을 수행할 때 외부조파를 사용할 경우 구조물이나 지형에 의해 반사되어 나온 파랑이 조파지점에 도달할 때 실험영역으로 재 반사되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 내부조파기법의 개발에 대한 연구가 필수적이었으며, 자유수면변위를 변수로 사용하는 모형의 경우 그 연구가 매우 활발하게 진행되어 왔다. 한편, Navier-Stokes 방정식 모형의 경우 자유수면변위를 변수로 사용하는 2차원 모형에 비해 상대적으로 연구가 미흡하였다. 본 연구에서는 운동량 원천항을 이용한 내부조파기법을 2차 정확도의 VOF 기법을 사용한 Navier-Stokes 방정식 모형에 적용하였다. 수치모형에 내부조파기법을 적용하여 다양한 주기를 가지는 정현파를 조파하였으며, 수치모형실험 결과와 정확해를 비교하여 검증하였다.

지진해일은 규모가 큰 해양재난으로 지금까지 세계적으로 많은 피해를 주었다. 지진해일은 주기적으로 일어나지 않고, 발생시간에 대한 정확한 예측이 불가능하기 때문에 연구하는데 여러가지 어려움이 있으므로 지진해일의 피해 경감 및 재해대책을 수립할 때는 수치모의실험 결과를 이용한다. 그래서 이렇게 활용성이 높은 지진해일 수치모의 결과가 실제 발생한 지진해일과 비교하여 얼마만큼의 정확성을 같는지 알아보기 위해서 본 연구를 수행하였다. 지진해일은 원해에서 먼 거리를 전파하는 경우, 분산효과의 영향이 상대적으로 중요한 역할을 하기 때문에 수치해석 시 선형 Boussinesq 방정식을 지배방정식으로 이용하는 것이 바람직하다. 그러나 선형 Boussinesq 방정식에서 분산항은 미분의 차수가 높아서 차분하는데 상당한 어려움이 있으므로 본 연구에서는 Cho et al.(2007)에 의해 제안된 분산항을 제외한 선형 천수방정식을 이용하면서, 차분하는 과정에 나타나는 수치분산이 선형 Boussinesq 방정식의 분산항을 대체할 수 있도록 조정하는 기법을 적용하였다. 이를 이용해서 실제 2011 동일본 대지진으로 발생한 지진해일의 초기파형을 재현하여 수치모의실험 결과와 관측값을 비교하였다.

급경사에서의 고립파의 처오름을 예측하기 위해 3차원 수치모형에 내부조파기법을 도입하여 수치모형실험을 수행하였다. 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 유한차분법을 이용하여 계산하는 동수압 모형으로서, 난류의 해석을 위해서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 SANS(spatially averaged Navier-Stokes) 방정식을 푸는 LES(large-eddy-simulation) 기반의 수치모형을 사용한다. 엇갈림 격자체계에서 유한