• Title, Summary, Keyword: 수치 모의

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Appling Multi-dimensional Limiting Process (MLP) to shallow water flow simulation (MLP 기법을 이용한 천수흐름 수치모의)

  • An, Hyun-Uk;Yu, Soon-Young
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.537-537
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    • 2012
  • 천수방정식의 수치모형은 하천의 유량예측, 홍수범람해석, 해일 모의 등에 널리 사용되고 있고, 그 결과는 수자원 관리, 재난 대책 등 정책적인 의사결정에 있어 유용한 자료로 활용되고 있다. 이처럼 천수방정식의 수치모형은 연구목적뿐만 아니라 실생활에 있어서도 큰 영향을 미치고 있으며, 이에 보다 정확하고 효율적인 수치모형의 구축이 수리/수자원/방재분야에서 중요한 영역이 되고 있다. 본 연구는 정확하고 안정적인 수치모의를 위해 천수방정식의 수치모형에 MLP(Multi dimensional Limiting Process)기법을 적용한 후 다차원 모의 시 MLP의 수치 진동 제어 성능을 검증하고자 하였다. MLP기법은 다차원에서 수치진동을 억제할 수 있도록 개발된 기법으로, 기존 TVD 제어자(limiter)과 MLP의 차이점은 기존 제어자들이 흐름이 발생하는 셀 경계면에서 재구성된 값이 Maximum Principle을 만족시키도록 제어자를 유도하는데 반해, MLP는 셀 절점에서 Maximum Principle을 만족시키도록 제어자를 유도한다는데 있다. MLP기법은 압축성 유체를 표현하는 2, 3차원 오일러 방정식에 적용되어 기존의 제어자들에 비해 안정적이며 정확한 수치모의를 가능하게 하는 것이 검증되었다. 하지만 천수방정식에 적용된 예는 없으며, 이에 본 연구는 천수방정식에 MLP를 적용하고 천수방정식 수치모형 검증에 주로 사용되는 수치모의를 통해 MLP의 수치 진동 제어 성능을 검증하였다. 모의 결과, MLP는 2차원 천수방정식에 있어서도 기존의 제어자들과 비교하여 수치진동을 보다 잘 제어하는 것으로 판단된다. MLP의 사용으로 인해 불연속면 근처에서 정확도가 향상되었고 수치진동이 발생하지 않아 보다 안정적인 모의가 가능하였다.

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A Study on the Variation of Roughness Coefficient According to the Flow Rate through Hydraulic Experiment and Numerical Simulation (수리 실험과 수치 모의를 통한 유량 규모에 따른 조도계수의 변화에 관한 연구)

  • Lee, Nam-joo;Kang, Taeuk;Kim, Yerim
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.279-283
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    • 2018
  • 하천의 조도계수는 흐름에 대한 하도의 저항 정도를 표시하는 지표로서, 하천의 다양한 수리 계산을 실시할 때 가장 중요한 기본 자료 중 하나이다. 이러한 조도계수는 하도의 형상, 하상 재료, 유량의 크기 등에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 하천의 유량 규모에 따른 조도계수의 변화 정도를 수리 실험과 수치 모의를 통해 간접적으로 검토하였다. 유량 조건별 수리 실험은 한국건설기술연구원의 하천실험센터 내 직선 수로에서 수행하였고, 수치 모의는 HEC-RAS를 이용하였다. 유량 조건은 하천실험센터의 펌프 가동의 정도를 고려하여 5개로 구분하였고, 각각의 유량 조건에 대하여 유량을 실측하였다. 실측에 따른 유량의 규모는 $0.23{\sim}1.91m^3/s$로 나타났다. 각각의 유량 조건에 대하여 수치 모의의 검증을 위해 6개 지점에서 수위표와 초음파 수위계를 이용하여 수위를 계측하였고, 이 가운데 최하류 지점의 수위는 HEC-RAS 모형의 하류단 경계조건으로 이용하였다. 실험 하도 구간의 총 연장은 372 m 이고, 횡단구조물이 없는 지점을 제외하면 대부분 20 m 간격으로 총 21개의 하천 단면을 입력하여 HEC-RAS를 구성하였다. 각각의 유량 조건에 대한 수치 모의 모형은 5개 수위 계측 지점의 수위 오차가 최소화되도록 조도계수를 변화시켜 보정되었다. 그 결과, 각각의 유량 조건에 대한 수치 모의 결과의 평균 오차는 0.01~0.02 m로 계산치와 관측치가 매우 근사하였다. 결정된 조도계수는 0.041~0.075의 범위를 가지는 것으로 분석되었고, 유량의 증가에 따라 큰 폭으로 감소하다가 특정한 값에 수렴하는 것으로 검토되었다.

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A Propagation Model of Tsunamis over Slowly Varying Water Depth (완경사 지형을 통과하는 지진해일 전파모의 기법)

  • Kim, Ji Hun;Cho, Yong-Sik
    • 한국방재학회:학술대회논문집
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    • pp.58-58
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    • 2011
  • 동해를 전파하는 지진해일은 다른 지역에서 발생하는 지진해일과 비교하였을 때 상대적으로 파장이 짧고, 파장에 비해 먼거리를 전파한다. 따라서 지진해일이 전파할 시 물리적인 분산효과가 매우 중요하다. 그러므로 동해에서 발생하는 지진해일을 수치모의 할 때는 분산효과가 충분히 고려될 수 있는 선형 Boussinesq 방정식을 사용한다. 그러나 이를 직접 풀 경우에는 상당히 많은 시간이 소비되며 효율적이지 못하다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 기존의 연구에서는 leap-frog 기법을 사용하여 선형 천수방정식을 차분할 때 발생하는 수치분산항을 선형 Boussinesq 방정식의 분산항과 같은 형태를 가질 수 있도록 분산보정계수를 사용하여 수치모의를 수행하였다. 하지만 이때 사용된 지배방정식은 수심이 일정하다는 가정을 이용하여 유도된 것이므로, 실제 경사가 있는 지형을 통과할 때의 수치모의 결과는 정확하다고 할 수 없다. 본 연구에서는 이를 극복하기 위하여 바닥 지형이 1차원으로 변한다는 가정으로 새로운 지배방정식을 유도하였으며, 수심변화로 인해 새로 발생하는 항을 기존의 분산보정기법에 추가하였다. 또한 수심이 변화는 지형을 통과하는 지진해일의 분산효과가 충분히 고려되는지 확인하기 위하여 Gaussian hump를 이용하여 가상 지진해일을 원형 천퇴지형에 통과시키는 수치모의를 수행하였다. 결과의 비교를 위한 정확해가 없으므로, 비선형 Boussinesq 방정식을 직접 차분하여 푸는 FUNWAVE를 이용하여 동일한 조건으로 수치모의를 수행하였다. 수치모의 시 중심선에 4개의 가상 gage를 설치하였으며, 이를 통해 각각의 수치모의 실험에 대한 자유수면 변위를 관찰하여 비교하였다. 수치모의 결과에 대한 비교를 통하여 기존의 분산보정기법에 비해 본 연구에서 제안한 새로운 수치기법이 분산효과를 비교적 잘 반영하는 것으로 나타났으며, 비교적으로 실제 지형에 적용하였을 때 정확도 향상의 가능성이 높다고 판단하였다.

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Analysis of Flow Characteristics in the Meandering Compound Channel Using 3D Numerical Simulation (3차원 수치모의를 이용한 복단면 사행수로의 흐름 특성 분석)

  • Kim, Myoung-Hwan;Lee, Du-Han;Cho, Won-Cheol
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.645-648
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    • 2010
  • 본 연구에서는 복단면 사행수로의 흐름특성과 수위특성을 정량적으로 분석하고자 코사인 유도형(cosine-generated) 복단면 만곡 수로 실험 자료를 기초로 3차원 수치모의를 수행하였다. 수치모의에는 3차원 수치모의 프로그램인 Flow3D을 사용하였고, 난류 모델은 RNG ${\kappa}-{\epsilon}$ 모델을 사용 하였다. 수치모의 결과는 실험 결과와의 비교를 통하여 평면유속분포 및 유속벡터, 만곡부 단면에서의 수위분포 등으로 분석하였고, 이는 이전의 실험결과와 일치하는 것으로 나타난다. 특히, 평면 유속분포는 수위 증가에 따라 저수로 중심의 최대 유속선이 만곡 내측으로 이동하는 것이 모의되었다. 이런 흐름구조는 다른 연구자들이 이전까지 연구한 실험 및 수치모의 결과와도 일치한다. 또한, 수위 분포 결과에서는 사행하도의 원심력에 의한 흐름특성인 만곡부 내측과 외측의 수위차가 미세하게 발견되었다.

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Driving Simulation after Road Design by 3D-GIS in Digital Elevation Model from Digital Aerial Photogrammetry (수치항공사진에서 생성된 수치표고모형에서 3차원 GIS를 이용한 도로설계와 모의주행)

  • Choi, Hyun
    • Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering
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    • v.12 no.1
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    • pp.143-148
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    • 2008
  • This Study is about driving simulation after road design by 3D-GIS in digital elevation model from digital aerial photogrammetry. For designing roads efficiently it's very important to consider geographical features before design when analyze the view. Nevertheless, existing studies is mainly restricted in the mountainous, despite of using digital map or aerial photogrammetry and the study which used aerial photo in the area where the road designing is made really is not get executed. Therefore, this study will do 3D-road design and driving simulation by appling really road design data to topography, on the basis of digital elevation generated from aerial photogrammetry.

FLUMEN 모형을 이용한 개수로에서 흐름의 수치모의

  • Jung, Dae-Jin;Jang, Chang-Lae;Jung, Kwan-Sue
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1353-1357
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    • 2007
  • 국내에서 홍수 범람과 농지침수 분석에 이용되는 FLUMEN 모형은 원형섬 주변 처오름 현상과 급변류 해석만이 검증되어 소개되었다. 따라서 FLUMEN 모형의 만곡부나 합류부 등 개수로에서 적용가능성을 파악하기 위해서 하상경사 급변화, 원형 교각 주변 흐름변화, $180^{\circ}$ 만곡부 및 $90^{\circ}$ 합류부 실험 결과와 비교 검토를 수행하였다. FLUMEN 모형은 유한 체적법을 이용한 수치 계산으로 천이구간에서 발생하는 불연속점에서도 수치 모의가 잘 이루어지며, 만곡 수로와 합류 수로에서 전체적인 수심 분포가 최대 6%미만의 오차를 보이고 있어 매우 양호한 수치 모의를 할 수 있다. 또한 임의의 기하학적 형상을 원하는 위치에 반영한 지형 격자망 생성이 가능하다. 따라서 FLUMEN은 교각 주변, 만곡부 및 합류부 흐름 특성을 비교적 정확한 모의가 가능하며, 실제 하천에 적용하기에 충분한 수치 모의 능력을 지닌 모형이라 판단된다.

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Study on the Methods for 2D Numerical Modeling of the Bridge Pier (교각의 차원 수치모의하는 방법에 2차원 관한 연구)

  • Kim, Tae-Beom;Choi, Byung-Woong;Kang, Hyeong-Sik;Choi, Sung-Uk
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1737-1741
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    • 2008
  • 하천 개수나 치수를 위한 기초 연구의 일환으로 수치모형을 이용한 검증 및 예측 과정이 요구되어 왔고, 고전적인 수치모의 방법으로 결과 산출이 용이한 1차원 모형을 적용시켜 왔다. 1차원 모형의 경우 모의영역을 쉽게 넓힐 수 있고, 입력 자료가 간단하다는 장점이 있지만, 수직적이고 수평적인 흐름특성 변화 및 난류 구조를 보이는 3차원적인 자연하천 흐름을 종방향의 1차원적인 모의 결과를 이용하여 평가한다는 점에서 비현실적이다. 하천을 가로질러 교각이나 보와 같은 구조물이 위치하고 있거나, 좌우 비대칭적인 형상의 수로를 모의할 경우 흐름특성의 공간적인 분포는 단순한 단면 평균적인 개념으로는 설명되기 힘들다. 최근에야 비로소 수공학 관련 실무자들에 의해서 최소한 2차원 수치모형을 기본적인 평가법으로 도입해야 한다는 분위기가 감지되고 있으며, 일반적으로 한강과 같은 대하천을 모의할 경우, 대다수의 실무자들과 연구자들이 축척을 문제 삼아 수로 내부에 위치한 교각을 생략하여 2차원 모의를 수행하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 수로 내부에 위치한 교각을 2차원 모의하는 방법에 대한 비교 평가를 수행하고자 한다. 동일한 격자를 이용하여 교각을 고려하지 않았을 경우와 교각 형상을 모의 영역에서 삭제하여 경계처리를 하였을 경우, 마지막으로 교각이 위치하고 있는 영역에 항력을 적용하였을 경우에 대해서 비교 평가한다. 이를 위하여 2차원 천수방정식을 흐름방정식으로 하는 유한요소모형을 구축하였으며, 모형의 검증을 위해 교각이 수로에 위치할 경우에 대한 실내 실험 자료와 비교한다. 또한 검증된 모형을 이용하여 교각이 포함된 한강의 일부 구간을 선정하여, 교각 모의 방법에 대한 비교 평가를 수행한다. 본 연구에서 구축된 자료 및 제시된 수치모형은 하천복원, 치수관리 측면에서 매우 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

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A Necessity at Introducing the Volume Ratio in the Computation Vegetated Flow (식생흐름 계산에서 체적비 도입의 필요성)

  • Kim, Mujong;Lee, Seonmin;Choi, Sung-Uk
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.177-177
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    • 2015
  • 개수로에서 식생은 항력을 발생하여 평균유속을 감소시킬 뿐만 아니라, 식생영역과 비식생영역의 경계에서 유속 차를 발생시켜 일반 개수로 흐름보다 복잡한 흐름구조를 형성한다. 또한, 식생은 개수로 흐름에서 부피를 차지하여 식생영역의 유량을 감소시킨다. 일반적으로 식생이 식재된 개수로 흐름을 수치모의 할 경우 체적비를 고려하지 않을 때가 많다. 하지만 물과 식생의 체적비가 높을 경우, 식생에 의한 부피를 고려하지 않으면 실제 유속을 과다산정 하여 흐름모의가 정확하지 않다. 그러므로 식생이 있는 흐름을 정확히 수치모의하기 위해 식생의 체적비를 고려하여 실제 유속을 산정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 식생된 개수로 흐름의 수치모의에서 체적비 도입의 필요성을 분석하였다. $k-{\varepsilon}$ 난류모형을 이용하여 수치모의를 수행하였고, 지배방정식에 식생항을 추가하여 식생이 식재된 개수로 흐름을 모의하였다. 식생 체적비를 고려하기 위해 지배방정식에 식생 체적비에 관한 항을 추가하였다. 체적비 도입의 필요성을 알아보기 위해 선행연구의 침수식생 실험수로를 대상으로 수치모의하였다. 식생밀도가 낮은 경우 식생 체적비의 고려 유 무가 모의결과에 미치는 영향이 작았으나, 식생밀도가 높은 경우에는 식생 체적비를 고려한 경우가 보다 정확한 모의결과를 도출 할 수 있었다.

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Three Dimensional Numerical Simulation of Flows around Spur-Dike (3차원 수치모형을 이용한 수제주변 흐름의 수치모의)

  • Choi, Sung-Uk;Yang, Wonjun
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1413-1417
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    • 2004
  • 수제는 하천 흐름을 적극적으로 제어하여 수심을 유지하고, 소류력을 증가시키는 한편 수세를 줄여 토사의 침전을 유포하고자 하는 하천 시설물이다. 수제에 의한 역흐름장(diverse flow fields) 혹은 수제역 (spur-dike zone)의 형성은 다양한 수중생물의 서식환경을 조성하거나 홍수 시 어류의 피난처로 사용될 수 있기 때문에 최근 중시되고 있는 자연형 하천 공법에 수제가 도입되고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치모형을 이용하여 수제주변 흐름을 수치모의 하여 Rajaratnam과 Nwachukwu (1983)의 수리실험 자료 및 Tingsanchali와 Maheswaran (1990)의 2차원 수치모의 결과와 비교하였다. 수치모의 결과 이차흐름과 역방향 흐름이 크게 나타나는 수제 안쪽 및 제방과 가까운 지점에서는 수치모의 자료와 실험자료가 잘 일치하지 않는 결과를 보였으면, 이러한 지점을 제외한 다른 지점에서는 실험자료와 유사한 결과를 나타내고 있음을 확인하였다. 단일 수제에 의한 재순환영역 (recirculation zone)은 수제길이의 약 10배 지점인 것으로 나타났으며, 이는 기존의 연구결과와 유사하였다. 또한 수제 뒤편에 형성되는 와의 중심이 수면에 가까운 지점일수록 뒤로 이동하는 것을 확인하였다. 이는 Tominaga 등 (2001)의 실험결과와 유사한 것으로서 수심에 비례하여 수제 뒷부분에 형성되는 와의 크기가 커지는 것을 파악하였다.

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Study on Interpolation Methods for Discontinuous Grids in Preprocessing and Postprocessing of Numerical Modeling (수치모의의 전처리와 후처리를 위한 불연속 격자에서의 보간법에 대한 고찰)

  • Kim, Tae Beom;Kim, Il-Hwan;Lee, Jae-Beom;Yang, Jeong-Seok
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.289-289
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    • 2017
  • 자연 현상을 연구 대상으로 하는 공학적인 접근법이나 과학적인 접근법에 있어서 컴퓨터를 활용한 수치모의는 이제 거의 모든 분야에서 활용되고 있으며, 복잡한 자연 현상을 해석하고 예측하기 위한 필수적인 하나의 도구로 자리매김하고 있다. 하지만, 컴퓨팅 기술의 눈부신 발전에도 불구하고, 과거에 개발되어 현재까지도 활용되고 있는 기술의 보완점은 항상 제기되고 있으며, 또한 필요성에 의한 새로운 기술들이 끊임없이 새롭게 개발되고 있다. 하천 또는 지하수 모의를 위해서 모형을 구축할 때 가장 기본적이며, 가장 중요한 준비 과정은 모의 영역에 대한 격자 형성이다. 연속성을 지닌 모의 대상을 수치적으로 접근하기 위해서는 연속성을 가정한 불연속적인 격자를 생성하는 과정이 반드시 필요하며, 연속성을 지닌 자료로부터 이산적인 자료를 얻어 내삽과정을 통해 격자점에 할당하게 된다. 모의준비 과정뿐만 아니라 모의 결과의 활용과정에서도 내삽이 필요할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 trend-surfaces법, 역거리 가중치법, spline법 등 기존에 알려진 공간자료 보간법들을 지형 자료 또는 지하수위 자료 등의 2차원 공간 자료에 적용하여 비교, 분석하며, 보다 효과적인 내삽기술에 대해서 알아보고자 한다.

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