• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.207-207
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• 2020

하천으로 유입된 오염물질의 거동을 정확하게 예측하는 것은 하천 시스템의 수질 유지관리에 매우 중요하다. 본 연구에서는 1차 감쇠율(decay rate)을 가진 비보존성 오염물의 비정상 이송해석 방정식의 해를 위해 유한체적기법이 개발되어졌다. 하천 흐름 해석을 위해 자연형 단면에서의 마름-젖음 해석이 가능한 기법이 도입되었다. 이 기법은 2차-정도의 정확성와 Courant 수가 1 까지 안정함을 보장한다. 도입된 기법은 Godnov 형의 유한체적기법을 이용하여 St. Venant 방정식들을 해석하였고 질량 및 운동량 플럭스는 Roe 형의 Riemann Solver 를 사용하여 연산하였다. 오염물의 이송 해석은 추가적인 이송-확산 방정식을 도입을 통해 기존의 St. Venant 방정식과 함께 풀려질 수 있다. 추가된 방정식과 St. Venant 식은 3×3 eigenstructure를 구성하였고 이는 2차원 흐름해석 기법과 유사하게 해석될 수 있었다. 본 연구 모형의 검증을 위해 오염물의 계속적 주입을 가정한 가상 및 실제 하천에 적용되었다. 연구된 기법은 모든 적용에서 합리적 정확도를 가지고 오염물질의 연속적인 특성을 잘 모의하고 있었다.

• 대한토목학회논문집
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• 제39권2호
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• pp.247-256
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• 2019

본 연구에서는 홍수모델링을 위해 삼각격자와 사각격자를 포함하는 혼합격자의 적용이 가능한 2차원 Godunov형 유한체적모형을 이용하여 격자형상과 해상도에 따른 홍수위, 홍수범람범위, 모형의 계산시간을 비교 분석하였다. 연구유역은 2000년 10월 29일부터 11월 19일까지 22일 동안 홍수가 발생한 영국의 Upton-upon Severn 유역이다. 홍수 모델링을 위해 고해상도 LiDAR (Light Detection And Ranging)를 이용하여 지형자료를 구축하였으며, 격자유형 및 해상도에 따른 2차원 홍수모델링 결과는 홍수기간 동안 촬영된 4개의 ASAR (Airborne Synthetic Aperture Radar) 영상자료와 비교하였다. 본 연구는 동일한 지형과 경계조건을 사용하더라도, 격자의 형상과 해상도에 따라 홍수위와 범람범위가 큰 차이를 가질 수 있음을 보여주었으며, 2차원 홍수모델링의 목적과 상황에 맞는 적절한 격자유형과 해상도의 선택이 필요함을 보여준다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1671-1676
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• 2006

홍수범람은 무제부에서의 하천수위 상승으로 인해 제내로 서서히 침수해가는 것과 월류로 인한 제방의 파괴를 동반하는 급격한 범람의 두 가지 형태가 있다. 기존연구들은 대부분이 월류에 의한 제방붕괴를 고려할 경우, 제방붕괴가 점진적으로 발생함에도 불구하고 이를 수치모형에 적용할 경우 갑작스럽게 지형을 낮추거나 초기지형으로써 제방붕괴를 가정하여 이를 고려해왔다. 본 연구에서는 제방붕괴를 시간의존적인 함수로 가정하고 이를 고려할 수 있는 서브프로그램의 개발을 통해 기존의 방법과 비교하여 그 영향을 검토하였다. 본 연구에 사용된 수치모형은 비선형의 2차원 천수방정식을 비구조적 격자계가 적용된 유한체적법을 이용하였으며, Riemann 해를 계산하기 위하여 approximate HLLC Riemann solver를 이용하였다. 기연구된 제방붕괴 고려방법과 본 연구의 시간의존적인 제방붕괴 고려방법을 통해 월류량을 비교하였을 때, 기존연구들의 홍수범람 해석결과가 과다예측 되었음을 알 수 있었다. 추후의 이루어질 연구들에서는 시간의존적인 제방붕괴를 반드시 고려해야됨과 동시에 이를 자연현상과 좀더 가깝고 효과적으로 고려할 수 있도록 연구가 필요하다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제44권3호
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• pp.249-262
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• 2011

본 연구에서는 댐 붕괴파와 같이 연속 및 불연속 흐름해석에 적용되고 있는 HLLC 기법을 불규칙한 하상지형에서의 흐름해석에 적용할 때 생성항과 흐름률항의 사이의 수치적 불균형으로 인한 수치진동을 감소시키기 위해 well-balanced HLLC 기법과 천수방정식에 근거한 비구조적 유한체적모형을 개발하였으며, 이를 댐 붕괴파 문제에 적용하였다. 적용된 well-balanced HLLC 기법은 단순히 흐름률항을 계산할 때 하상지형경사를 직접 포함시키는 것으로 정상상태의 천이류에 적용하였을 때 생성항과 흐름률항 사이에 수치적 균형이 이루어짐을 확인하였다. 수치모형의 검증을 위해 댐 붕괴파 문제와 관련된 세 가지 서로 다른 수리모형실험과 프랑스 Mapasset 댐 붕괴에 대한 현장사례에 적용하였으며, 적용결과 본 연구에서 개발된 모형은 수리모형실험 그리고 현장에서 관측된 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 기존의 모형으로부터 계산된 모의결과에 비해 비교적 정확한 결과를 나타내었다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제51권10호
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• pp.853-862
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• 2018

본 연구에서는 적응적 분할격자기반 2차원 침수해석모형 K-Flood를 개발하였다. 분할격자기법은 흐름 특성을 기반으로 격자를 분할하여 흐름영역과 비흐름영역으로 구분하는 격자생성기법이며, 분할격자기법과 격자세분화기법을 동시에 활용하면 매우 적은 수의 격자로 복잡한 형상의 흐름영역을 표현할 수 있어 효율적인 모의가 가능하다. 특히 최근 도시홍수에 대해 매우 정밀한 해상도의 자료와 격자를 이용하여 보다 정확한 침수해석 또는 예보를 하고자 하는 시도가 늘어나고 있으며, K-Flood는 이러한 복잡한 흐름영역의 계산 시 적응적 분할격자를 활용하여 효율적인 격자생성이 가능하다. 공간 및 시간에 대해 2차 정확도의 유한체적 수치해법이 적용되었다. K-Flood의 검증을 위해 2차원 침수해석모형의 검증에 널리 사용되고 있는 1) 원형 실린더에 의한 충격파 반사 모의, 2) 도시홍수실험 모의, 3) Malpasset 댐붕괴 모의를 수행하였다. 모든 모의에서 관측자료 및 과거의 모의결과와 비교하여 성공적으로 K-Flood의 성능을 검증하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제36권1호
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• pp.1-11
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• 2003

본 연구에서는 2차원 부정류 해석을 위한 유한체적 수치모형을 개발하였다. 개발된 모형에서는 천수방정식의 수치해를 구하기 위하여 Lax-Friedrichs 해법에 근간을 둔 ENO (essentially non-oscillatory) 기법을 적용하였으며, 공간적으로 2차 정도 모의를 위하여 수정 MUSCL 기법을 적용하였다. 개발된 모형의 적용성을 평가하기 위하여 해석해가 있는 1차원 댐 붕괴파 모의에 적용한 결과, 해석해와 유사한 결과를 나타냈으며, 수정 MUSCL 기법의 모의결과를 minmod 경사제한자를 사용한 모의결과와 비교한 결과, 수정 MUSCL 기법을 사용하는 경우 해석해와 더 근접한 결과를 나타냈다. 댐붕괴파의 2차원 해석에 대한 모형의 적용성을 평가하기 위하여 대칭형, 비대칭형 댐 붕괴에 적용한 결과, 저수지에서 수로 구간으로 충격파 전파를 잘 모의했으며, 기존의 연구결과와 유사한 모의결과를 나타냈다. 개수로의 부정류 해석에 대한 모형의 적용성을 평가하기 위하여 말단이 폐쇄된 수로의 입구에서 정상파가 주어졌을 때 수위와 유속을 모의하여 해석해와 비교하였으며, 입구와 말단이 폐쇄된 수로에서 파의 진동을 모의하여 모형의 거동을 평가하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.105-105
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• 2021

본 연구에서는 2차원 비선형 천수모형과 수심평균된 스칼라 이송모형을 해석하는 수치모형에 대해 기술하였다. 수치모형의 정확성을 보장함과 동시에 안정성을 높이기 위해 유한체적법, 플럭스 재구성 및 minmod 제한자를 사용하였다. 비선형 천수방정식의 이송항과 바닥 경사항은 계산된 수심의 양수 보존과 흐름의 정상 상태를 보장하기 위한 second order well-balanced positivity preserving central-upwind method를 이용하여 수치적으로 이산화되었다. 마찬가지로, 이송-확산 방정식 내 이송항은 동일한 2차 풍상차분법을 통해 수치적으로 풀이하였다. 격자점 경계면에서의 불연속으로 인한 수치진동을 방지하기 위해 이송항의 계산에 포함된 보존항의 차이로 인해 발생하는 스칼라의 수치확산을 최소화하기 위해 무차원의 비소산함수를 도입하였다. 또한, 확산항은 유한차분법을 이용하여 이산화하였다. 제안된 수치모형은 시간미분항의 계산을 위해 오일러 기법을 적용하여 계산된 수심 및 스칼라의 양수 보존여부와 함께 정지된 흐름의 정상 상태의 보존여부를 확인하였다. 제안된 수치모형의 해석 정확성을 평가하기 위해 1, 2차원 공간 내 다양한 흐름 조건에서의 해석해를 이용한 3개의 벤치마크 테스트를 수행하였다. 평균 제곱근 오차(Root Mean Squared Error, RMSE)를 산정하여 수치모형의 성능을 정량적으로 평가하였으며, 비소산함수를 적용함에 따라 스칼라의 수치확산이 감소하게 되었음을 확인하였다. 또한, 세 차례의 벤치마크 테스트 결과는 공통적으로 수치모형에 의해 계산된 결과값이 비소산함수를 고려함에 따라 해석해와 잘 일치함을 확인하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제29권5B호
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• pp.429-439
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• 2009

댐 붕괴로 인한 극한홍수가 발생하였을 경우, 홍수경보에 대한 대응시간은 일반적인 홍수의 경우보다 훨씬 짧다. 수치모형은 홍수파의 전파양상을 예측하고, 범람지역, 홍수파 도달시간 그리고 침수심 등에 관한 정보를 제공하는데 있어 강력한 도구가 될 수 있다. 그러나 댐 붕괴로 인한 홍수파의 전파는 불연속 흐름이나 마른하도의 전파를 포함하고 있으므로, 수학적으로 표현하기 어려운 경우가 많다. 그럼에도 불구하고 최근에 유한체적기법을 이용하여 댐 붕괴로 인한 홍수범람을 모의하기 위한 수치모형의 개발이 많이 이루어졌다. 유한체적기법은 적분보존형 방정식을 기본으로 하고 있으므로, 불연속 흐름이나 충격파의 해석에 용이하다. 따라서, 본 연구에서는 2차원 보존형 천수방정식의 해석을 위해 유한체적기법과 Riemann 근사해법을 이용한 수치모형을 개발하였다. 그리고 예측단계와 수정단계에서 연속방정식과 운동량 방정식의 보존변수 재구성을 위해 수면경사법과 연계한 MUSCL 기법을 적용하여 시간과 공간에서 2차정확도를 얻었다. 개발한 유한체적모형을 2차원 부분적 댐 붕괴 해석 및 삼각형 융기를 가진 하도에 대한 댐 붕괴 해석에 적용하고, 적용결과를 실험자료 및 기존 연구자의 계산결과와 비교하여 개발모형을 검증하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.550-554
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• 2009

본 연구에서는 댐 붕괴시 발생하는 홍수파가 건물군으로 이루어진 가상의 도시지역을 관통하면서 이동될 경우 시간에 따라 변화되는 특성을 수치적으로 분석하였다. 분석에 적용된 수치모형은 2차원 유한체적법과 불연속 흐름을 모의하기 위해 시간과 공간상으로 1차 정확도를 가진 HLLC 기법을 적용한 모형이다. 본 연구에서 적용된 가상의 도시지역은 Soares-Frazao와 Zech(2008)에 의해 수행된 수리모형실험에 근거하여 세 가지 case에 대해 구성하였다. 첫 번째 case(Case 1)는 25개의 건물로 구성된 정방형의 도시지역이 흐름에 직각으로 배열되어 있는 경우이며, 두 번째와 세 번째 case는 각각 흐름에 대해 $22.5^{\circ}$(Case 2)와 $45^{\circ}$(Case 3)로 경사진 경우이다. 세 경우에 대해 시간에 따른 홍수파의 변화양상을 수치적으로 분석하였으며, 첫 번째와 두번째 case에 대해 모의된 수위변화결과를 수리모형실험결과와 비교하여 모형의 적용성을 검증하였다. 검증결과 수치모형을 통해 계산된 수위변화는 수리모형실험결과와 비교적 일치하는 결과를 얻었다. 또한 본 연구에서는 도시지역의 조도계수(Manning계수: 0.01,015,$0.025sm^{-1/3}$)와 비구조적 격자시스템을 구성하는 격자수(T1: 19759개 요소, T2: 193859)에 따른 홍수파의 변화양상을 분석하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제46권2호
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• pp.139-153
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• 2013

고르지 않은 바닥을 지나는 천수 흐름을 해석하기 위해 천수방정식의 흐름률 경사항과 바닥 경사 생성항에 대해 HLLL 기법과 DFB(Divergence Form for Bed slope source term) 기법을 각각 적용하여 유한체적 모형을 구성하였다. 또한, PSC(Partially Submerged Cell)의 고려를 위해 VFR(Volume/Free-surface Relationship)도 이용하였다. MUSCL에서 WSDGM(Weighted Surface-Depth Gradient Method)을 보다 단순하게 고쳐도 원래의 방법과 정확도가 동등함을 1차원 정상 흐름에 대해 확인하였다. 1차원 PSC에 대한 VFR를 통해 흐름률 경사항과 바닥 경사 생성항의 선평형성이 정확하게 충족됨을 입증하였다. 2차원 PSC에서 DFB 기법으로는 지배방정식의 선평형성이 충족되지 않은 문제를 삼각형 격자에 대한 VFR를 이용하여 해소하였다. 삼각형 턱과 둥근 융기를 지나는 2차원 댐 붕괴 흐름에 대한 모의에서 실험실 실험 결과와 잘 부합됨을 확인하였다. 또한, 부분 댐 붕괴 흐름에 대한 모형의 적용에서 경사면은 물론 불규칙 바닥에서도 요철의 잠김이 성공적으로 모의되었다. 따라서 고르지 않은 실제 하천 지형에 대한 이 모형의 적용성이 기대된다.