• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.56 no.10
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• pp.603-617
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• 2023

This study aims to provide a better understanding of the turbulent flow characteristics in swash zone. A double dam-break method is employed to generate the swash zone flow. Comparing with the conventional single dam-break method, a delay between two gate opening can be controlled to reproduce various interactions between uprush and backwash. For numerical simulations, overInterDyMFoam based on OpenFOAM is adopted. Using overInterDyMFoam, interface between two immiscible fluids having different densities (i.e., air and water phases) can be tracked in a moving mesh with multiple layers. Two-dimensional Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations are solved with a standard 𝜅-𝜖 turbulence model for momentum and continuity. Numerical model results are validated with laboratory experiment data for the time series of water depth and streamwise velocity. Turbulent kinetic energy distribution is further investigated to identify the turbulence evolution for each flow regime (i.e., uprush, backwash, and swash-swash interaction).

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.37 no.3
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• pp.575-583
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• 2017

Various types of flow patterns around the stepped weir and spillway, such as the skimming flow over such structures and the wave-type flow with a standing undular hydraulic jump and roller downstream of the structures, are developed in open channels. Unsteady three-dimensional numerical simulations are carried out using a hybrid RANS-LES turbulence modeling approach and the volume of fluid method for resolving free surface fluctuations to represent the turbulent flow including the skimming flow and wave-type flow over a stepped weir installed in a rectangular channel. The comparison of numerical results with an existing experimental measurement reveals that the present numerical simulations reasonably well reproduce the turbulent flow passing the stepped weir, in terms of time-averaged velocity profiles at selected locations downstream of the weir, flow topology characterized by the wave-type and skimming flows, the maximum height and length of the standing wave and the length of reattachment of recirculating zone. The numerical result further elucidates the distinct flow behaviors of the wave-type and skimming flow by presenting instantaneous intense variations of free surface and velocity vectors, the distributions of Reynolds shear stress and turbulent kinetic energy and three-dimensional complex features of coherent structures and total pressure distribution.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.253-253
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• 2019

유사의 이동은 하천, 해안 지역과 같은 수계에서 하상의 변동, 침식과 퇴적을 일으켜 지형적인 변화를 초래한다. 유사의 이동은 유사의 특성과 유체의 유수동역학적 특성에 의해 결정되며 유체특성 간의 복잡한 상호 작용에 의해 변화한다. 유사가 가지는 점착성은 유사의 특성에 큰 영향을 끼친다. 입자의 크기가 매우 작은 점착성 유사는 그 표면이 가지는 전자기적 점착력에 의해 주위의 1차 입자나 다른 작은 알갱이들이 서로 뭉치는 응집과 충돌에 의해 크기가 작아지는 파괴의 과정을 겪는다. 이 과정을 응집현상이라고 하며 응집현상을 통해 점착성 유사의 크기와 밀도, 침강속도는 계속해서 변화한다. 따라서 점착성 유사의 응집거동 고려한 유사 이동 연구는 필수적이다. 과거 연구의 많은 사례에서 유사의 크기와 농도는 비례 관계를 가지는 것이 일반적이라 알려져 있다. 그러나 실제 현장에서 측정한 결과 유사의 크기와 농도가 반비례 관계를 가지는 특이점이 발견되었다. 실측 연구에서 발견된 응집거동에 따른 유사의 특성의 특이한 변화를 설명하기 위해 1차원 연직 수치 모형(1DV)을 이용하여 수치 실험을 수행하였다. 모의 수행 시, 흐름 조건을 크기와 방향이 일정한 순방향흐름(Current)에 특정 주기와 진폭을 가지는 진동 흐름(Oscillatory Flow)을 추가하여 진행하였다. 플럭의 성장과 그에 따른 입자의 크기는 많은 현상에 영향을 받는다. 그 중 응집현상의 응집 과정과 파괴 과정 중 어떤 현상이 더 우세한지 그 경쟁관계를 파악하여 플럭의 크기의 증감을 예측할 수 있게 농도(?)와 난류소산매개변수(?)를 이용하여 $c/G^{0.5}$로 매개화하였다. 실험 결과, 순방향 흐름을 제외하고 스토크스파 흐름 조건을 이용하여 진행된 모의에서는 플럭의 크기와 농도가 반비례하는 현상을 관찰할 수 없었으며 $c/G^{0.5}$ 의 변화 역시 흐름의 속도와 농도가 더 큰 지점에서 큰 값을 가지는 일반적인 결과를 나타내었다. 그러나 같은 조건에서 순방향흐름을 추가하여 모의한 결과에서는 플럭의 크기와 농도가 반비례하는 현상을 나타냈다. 연직 방향 $c/G^{0.5}$의 변화를 나타낸 그래프에서 응집과 파괴의 우세에 따라 $c/G^{0.5}$ 가 역전되는 현상을 확인하였다. 즉, 플럭의 크기는 난류의 구조와 그 영향에 의해 농도와 비례관계를 갖지 않을 수도 있다고 판단된다. 또한 본 연구에서 정상류 흐름 조건의 유무에 따라 플럭의 크기와 농도가 비례하거나 반비례하는 상반된 결과를 보였다. 정상류 흐름 조건이 난류의 강도에 큰 역할을 하며 이에 따라 비선형 관계에 영향을 끼친다는 것을 발견하였다. 그러나 흐름의 영향에 대한 더 자세한 분석은 본 연구에서 진행되지 않았으며 향후 연구 시에 분명히 고려되어야 할 사항이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.404-408
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• 2004

인공순환수로 실험구간에 반구구조물을 설치하지 않은 경우와 설치할 경우의 흐름특성을 분석하기 위하여 수치모의를 수행하였다. 수치모의는 FLUNET가 제공하는 RNG $k-\varepsilon$ 모형과 Reynolds Stress 모형을 사용하였으며 음파유속계(ADV)를 이용하여 측정한 결과와 비교분석 하였다. 수치모의와 실험결과의 상관성을 분석한 길과, RNG $k-\varepsilon$과 Reynolds Stress 모형의 계산결과와 실측값의 상관계수는 반구구조물을 설치하지 않은 경우 0.60 - 0.63, 반구구조물을 설치한 경우 0.75 - 0.78로 큰 차이가 없었다. 그러나 계산반복회수의 경우 RNG $k-\varepsilon$ 모형이 Reynolds Stress 모형에 비하여 2 - 5배 정도 빠르다. 두 모형의 걸과가 크게 차이가 나지 않으므로 순환수로 내의 흐름특성을 분석하기 위한 모형으로 수렴속도가 빠른 RNG $k-\varepsilon$ 모형을 선정하였다. 수치모의 결과와 "흐름 메카니즘에 의한 깔따구의 분포(I)- 실험"의 깔따구 분포경향을 비교한 결과 깔따구는 전반적으로 유속과 난류강도가 작은 곳에 분포하였으며 실험구간에 반구구조물이 있는 경우에는 구조물의 상${\cdot}$하류에 깔따구가 분포하였다. 이차류 또한 깔따구의 분포에 영향을 미친다. 향후 흐름특성에 따른 저서생물의 분포경향을 분석을 위하여 전산유체역학의 기법들을 적용하면 깔따구 등의 저서성 대형무척추 동물의 분포와 흐름특성의 관계를 저렴한 비용으로 분석할 수 있을 것이다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.49 no.8
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• pp.707-717
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• 2016

In this study we carried out laboratory experiments to investigate the three-dimensional turbulent flows around a spur dike installed in a straight open channel flume. The experiments are conducted under the two different Froude numbers, 0.100 and 0.185. The three-dimensional instantaneous velocities are measured using the Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) to obtain the time-averaged velocities and the turbulence stresses. The measured flow field reveal the existence of the recirculation zones downstream of the dike, which is characterized by high turbulence stresses near its boundaries. The results show that although the overall mean flow patterns between the low and high Froude number cases are very similar to each other, there exist moderate changes in the maximum dimensionless turbulence stresses and the maximum dimensionless bed shear stress with the increase of the Froude number.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.1775-1780
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• 2009

개수로 마찰흐름 특성에 관한 연구로서 유량조사사업단(2006)의 우리나라 3대강 유역 하천 관측자료와 Jarrett(1984)의 미국 Colorado지역 하천의 관측자료로 부터 흐름특성을 구분하여 개수로 흐름의 마찰특성 또는 조도계수의 변이특성을 분석하였다. 기존 지수형 완난류 마찰계수 산정식(유동훈과 이민호,1997)의 비례상수 $\alpha$에 조도계수 n을 도입하여 실무에서 보다 편하게 적용할 수 있는 새로운 산정식을 개발하였다. 유량조사사업단의 관측자료 분석에 있어서 유량 관측시 관측지점의 수면경사 및 하상경사의 미관측으로 하천정비기본계획상에 제시된 지형으로부터 관측지점의 하상경사를 추정하였으며 1차적으로 에너지경사는 하상경사와 동일하다고 가정하였다. 이러한 가정하에 하천정비기본계획상에 제시된 Manning의 조도계수를 인용하여 관측유속과 계산유속을 비교8 분석하였다. 또한 전통적 산정식인 Ganguillet & Kutter(1869)식과 Manning(1889)식으로 부터 산정된 유속과의 비교를 통하여 조도계수 n을 추정하였고 추정된n을 도입하여 새로 개발된 지수형 마찰계수 산정식의 적용성을 입증하였을 뿐만 아니라 기존 조도계수 산정의 문제점을 제시하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.604-604
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• 2012

국지성 집중호우에 따른 도심지 내수 침수 피해의 주원인으로 하수관거의 설계기준을 초과하는 강우가 침수피해의 주요 원인이며, 도심화로 인해 불투수 면적이 증가함에 따라 유출되는 시간이 짧아 저지대의 피해는 불가피하다. 2010년과 2011년에 100년 이상의 강우사상이 서울시에 연이어 나타나면서 집중호우로 인한 피해지역이 유사하게 나타났으며, 광화문 거리의 연이은 침수는 현재 서울시의 하수관거의 용량과 빗물펌프장 및 저류조 시설로 구성된 기존 수방대책의 한계점을 보이고 있다. 이에 서울시는 광화문 일대의 배수능력을 향상시키기 위하여 효자배수분구 빗물배수터널을 계획하고 있다. 일본, 미국 및 유럽 등지에서는 대심도 지하수로 시설에 대한 수리실험 및 수치 연구를 바탕으로 다양한 지하방수로가 건설되어 국지성 집중 강우에 대해 적절히 대응하고 있으나, 국내의 경우에는 대심도 지하방수로 시설에 대한 연구가 미비하여 지하방수로 설계 지침 및 기술적 자료가 부족한 실정이다. 그러므로 대심도 빗물배수터널 시설에서의 흐름특성 분석에 관한 수리실험 및 수치해석 등의 구체적인 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 수리모형 실험의 물질적 및 시간적 한계를 극복하기 위하여 일반적으로 3차원 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 Fluent 6.3 모형을 이용하여 대심도 빗물배수터널 시설의 접선식 유입구에 대한 흐름특성을 수치모의 하였다. 접선식 유입구 및 수직갱(drop shaft)에 대한 기하 모형의 격자망은 수치해석의 안정성 확보를 위하여 그림 1과 같이 6면체 격자로 구성하였다. 맨홀 내의 다상유동을 고려하기 위하여 VOF(Volume of Fluid) Scheme을 적용하였으며, 수치해석 방법으로는 비정상류, 1st order implicit method를 사용하였다. Fluent에서의 난류 흐름을 계산하는 방법에는 난류 운동에너지와 난류 에너지 소산율 $\epsilon$의 전달 방정식을 도입한 k-$\epsilon$ 난류 모형을 채택하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.132-136
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• 2011

수제는 유수에 의한 하안 침식을 방지하기 위한 목적의 수공구조물이다. 최근에는 하천복원 및 생태계복원에 대한 관심이 증가되면서, 하안 침식 방지뿐만 아니라 수제에 의한 흐름분리 및 재순환영역의 생태 서식처 제공에 대한 역할이 부각되고 있다. 따라서 수제 설계 시, 수제 설치에 따른 수리특성 변화를 미리 파악하는 것이 필요하지만, 수제 간격, 설치 방향, 수제 높이, 수제 길이, 하도 특성 및 접근 유수 특성 등 다양한 인자에 의해 수리특성 변화를 예측하기란 쉽지 않으며, 비용과 시 공간 측면에서 물리 모형을 이용한 접근법도 용이하지 못하다. 따라서 본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 수제 설치에 따른 흐름특성 변화를 모의하고, 모형의 적용성을 판별하고자 하였다. 지배 방정식은 기본적으로 천수방정식을 적용하게 되는데, 수제 주변 흐름 특성은 난류에 의한 횡방향 확산이 중요한 인자로작용하게 된다. 상수 와점성(constant eddy viscosity) 모형, 포물선형 와점성 (parabolic eddy viscosity) 모형을통해 개발 모형의예측 결과와 실험수로 결과를 비교하였다. 수제하류의 재순환영역의 길이가 실험수로의 결과에 비해서 5~6 배까지 확대된 결과를 나타내고 있어, 만족할 만한 결과를 현재까지 얻지 못하였다. 횡방향 확산이 중요한 만큼 k-$\varepsilon$ 모형 등 다양한 난류 모형의 적용이 고려되어질 필요가 있으며, 또한 1차원 요소가 아닌 2차원 요소의 적용을 고려할 필요도 있다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.570-574
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• 2009

벽 근처에서의 흐름(near wall flow)을 해석하기 위한 낮은 레이놀즈수 수정(low-Reynolds number modification)을 포함하는 통계학적 난류모형을 이용한 3차원 비정상 레이놀즈-평균 나비어-스톡스 (URANS) 계산을 실시하여 사각형 수로에서의 중력류를 모의하였다. 3차원 계산 결과를 2차원 URANS 모의에 의한 계산 결과 그리고 실험결과와 비교하였다. 이 연구 결과는 적정 시 공간적 수치해상도를 가지고 벽 근처에서의 흐름을 주의 깊게 직접 해석하는 3차원 URANS 수치모의는 2차원 계산으로는 해석할 수 없는 대규모 Kelvin-Helmholtz 와구조 (vortical structure)의 붕괴(breakdown) 그리고 중력류 선단부에서 발달하는 Lobe-and-Cleft 흐름 불안정 등을 포함하는 중력류의 동적 특성을 높은 정확도로 재현할 수 있음을 보여준다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.52 no.10
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• pp.697-706
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• 2019

A multiphase flow modeling approach equipped with a hybrid turbulence modeling method is applied to compute the gravity currents in a rectangular channel. The present multiphase solver considers the dense fluid, the less-dense ambient fluid and the air above free surface as three phases with separate flow equations for each phase. The turbulent effect is simulated by the IDDES (improved delayed detach eddy simulation), a hybrid RANS/LES, approach which resolves the turbulent flow away from the wall in the LES mode and models the near wall flow in RANS mode on moderately fine computational meshes. The numerical results show that the present model can successfully reproduce the gravity currents in terms of the propagation speed of the current heads and the emergence of large-scale Kelvin-Helmholtz type interfacial billows and their three dimensional break down into smaller turbulent structures, even on the relatively coarse mesh for wall-modeled RANS computation with low-Reynolds number turbulence model. The present solutions reveal that the modeling approach can capture the large-scale three dimensional behaviors of gravity current head accompanied by the lobe-and-cleft instability at affordable computational resources, which is comparable to the LES results obtained on much fine meshes. It demonstrates that the multiphase modeling method using the hybrid turbulence model can be a promising engineering solver for predicting the physical behaviors of gravity currents in natural environmental configurations.