• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권9호
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• pp.3367-3382
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• 2023

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian computational fluid dynamics method that has been widely used in the analysis of physical phenomena characterized by large deformation or multi-phase flow analysis, including free surface. Despite the recent implementation of eddy-viscosity models in SPH methodology, sophisticated turbulent analysis using Lagrangian methodology has been limited due to the lack of computational performance and numerical consistency. In this study, we implement the standard and dynamic Smagorinsky model and dynamic Vreman model as sub-particle scale models based on a weakly compressible SPH solver. The large eddy simulation method is numerically identical to the spatial discretization method of smoothed particle dynamics, enabling the intuitive implementation of the turbulence model. Furthermore, there is no additional filtering process required for physical variables since the sub-grid scale filtering is inherently processed in the kernel interpolation. We simulate lid-driven flow under transition and turbulent conditions as a benchmark. The simulation results show that the dynamic Vreman model produces consistent results with experimental and numerical research regarding Reynolds averaged physical quantities and flow structure. Spectral analysis also confirms that it is possible to analyze turbulent eddies with a smaller length scale using the dynamic Vreman model with the same particle size.

• 한국해양공학회지
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• 제27권4호
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• pp.76-82
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• 2013

Motion reduction of an offshore structure at resonant frequency is essential for avoiding critical damage to the topside and mooring system. A damping plate has a distinct advantage in reducing the motion of a floating structure by increasing the added mass and the damping coefficient. In this study, the heave motion responses of a circular cylinder with an impermeable and a permeable damping plate attached at the bottom of the cylinder were investigated thru a model test. The viscous damping coefficients for various combinations of porosity were obtained from a free-decay test by determining the ratio between any pair of successive amplitudes. Maximum energy dissipation occurred at a porous plate with a porosity P = 0.1008. Experimental results for regular and irregular waves were compared with an analytical solution by Cho (2011). The measured heave RAO and spectrum reasonably followed the trends of the predicted values. A significant motion reduction at resonant frequency was pronounced and the heaving-motion energy calculated by the integration of the area under the heave motion spectrum was reduced by more than 75% by the damping plate. However, additional energy dissipation by eddies of strong vorticity and flow separation inside a porous damping plate was not found in the present experiments.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제25권6호
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• pp.374-385
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• 2013

부유 퇴적물의 입자 운동에 대한 수치실험이 굴곡이 있는 해저면 위에서 수행되었다. 해저면 경계층의 난류 유속장은 LES 난류모델을 사용하여 구현하였고, 난류 흐름 속에서의 퇴적물 입자운동은 Lagrangian 입자추적 모델을 사용하여 구현하였다. 수치실험을 통하여 두개의 다른 유속조건을 사용하였는데, 파랑주기를 비롯한 다른 모든 조건은 동일하게 유지한 가운데 오직 최대 유속만 다르게 하여 실험을 수행하였다. 예상한 것과 같이 부유되는 퇴적물 입자의 양은 유속이 강할 수록 증가하였다. 그러나 예상하지 못한 결과도 관측되었는데 그것은 비록 최대유속외에 다른 모든 조건은 동일하더라도 퇴적물이 부유되는 양상은 다르게 나타날 수 있다는 것이다. 특히 퇴적물이 부유하게 되는 시간이 위상평균한 파장 주기안에서 서로 다르게 나타나는 것이 발견되었는데, 이는 해저면 굴곡 주위에서 유속에 의해 생성되는 난류 와동의 생성시간이 다르기 때문에 일어나는 것으로 밝혀졌다. 이전의 연구에서도 알려진 바와 같이 이런 난류 와동들이 퇴적물의 부유현상에 미치는 영향은 지대한 것으로 확인되었으며, 또한 이런 와동들의 생성시간은 유속의 크기에 따라 달라 질 수 있음이 밝혀졌다. 이로인해 해저면 굴곡 위에서 퇴적물의 부유현상을 보다 정확하게 규명하기 위해서는 파랑의 여러가지 복잡한 변수들을 고려하여야 함이 이번 실험을 통하여 입증되었다. 또한 퇴적물 입자의 부유에 영향을 미치는 난류 에너지분포 역시 생성된 난류 와동에 많은 영향을 받는 것으로 나타났다. 이번 연구를 통하여 유속의 세기변화 만으로도 퇴적물이 부유되는 시간이 굴곡이 있는 해저면에서 바뀔 수 있는 것으로 확인되었으며, 이는 향후 퇴적물 부유에 대한 연구를 할때 해저면 구조와 유속구조의 상관관계를 보다 신중히 검토해야 함이 밝혀졌다.

• 대한기계학회논문집
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• 제9권6호
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• pp.732-742
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• 1985

본 논문에서는 이 2차원 재부착분류(본문에서는 stepped wall jet라 명명함) 유동장을 재부착상류 부분, 재부착점 근방, 재부착 이후의 재발전 벽면분류 지역의 세 영역으로 구분하여 재부착 길이, 평균속도, 벽면정압을 측정하고 on-line에 의한 디지 틀 데이터 처리기법을 이용하여 난류강도, 레이놀즈 전단응력, 속도의 3승적(triple velocity product), integral length scale, Taylor's microscale 등을 실험적으로 구 하여 재부착 상류 부분에서는 자유분류와 비교하고, 재부착 이후에서는 2차원 벽면분 류와 비교하기로 한다.그리하여 초기 교란을 받는 분류가 벽면에 재부착하여 2차원 벽면분류로 재발전되어 가는 과정에 있어서의 평균 유동장과 급격한 변화를 갖는 난류 특성을 상세히 조사하여, 보다 일반적으로 적용될 수 있는 난류모델을 개발함에 있어 서 실험적인 자료를 제공하고자 한다. Fig. 1은 본 실험의 유동장에 대한 개약도를 보여주고 있다.

• Ocean and Polar Research
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• 제23권2호
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• pp.141-160
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• 2001

The challenge of predicting the Japanese coastal ocean motivated Frontier Observational Research System for Global Change (FORSGC) and the Japan Marine Science and Technology Center (JAMSTEC) to start a multiyear observational programme in the upstream Kuroshio in November 2000. This field effort, the Kuroshio Observation Program (KOP), should enable us to determine the barotropic and baroclinic components of the western boundary current system, thus, to better understand interactions of the currents with mesoscale eddies, the Kuroshio instabilities, and path bimodality. We, then, will be able to improve modeling predictability of the mesoscale, seasonal, and inter-annual processes in the midstream Kuroshio near the Japanese main islands by using this knowledge. The KOP is focused on an enhanced regional coverage of the sea surface height variability and the baroclinic structure of the mainstream Kuroshio in the East China Sea, the Ryukyu Current east of the Ryukyu's, and the Kuroshio recirculation. An attractive approach of the KOP is a development of a new data acquisition system via acoustic telemetry of the observational data. The monitoring system will provide observations for assimilation into extensive numerical models of the ocean circulation, targeting the real-time monitoring of the Japanese coastal waters.

• Korea-Australia Rheology Journal
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• 제17권3호
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• pp.131-140
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• 2005

In this work we show the results of our most recent Direct Numerical Simulations (DNS) of turbulent viscoelastic channel flow using spectral spatial approximations and a stabilizing artificial diffusion in the viscoelastic constitutive model. The Finite-Elasticity Non-Linear Elastic Dumbbell model with the Peterlin approximation (FENE-P) is used to represent the effect of polymer molecules in solution, The corresponding rheological parameters are chosen so that to get closer to the conditions corresponding to maximum drag reduction: A high extensibility parameter (60) and a moderate solvent viscosity ratio (0.8) are used with two different friction Weissenberg numbers (50 and 100). We then first find that the corresponding achieved drag reduction, in the range of friction Reynolds numbers used in this work (180-590), is insensitive to the Reynolds number (in accordance to previous work). The obtained drag reduction is at the level of $49\%\;and\;63\%$, for the friction Weissenberg numbers 50 and 100, respectively. The largest value is substantially higher than any of our previous simulations, performed at more moderate levels of viscoelasticity (i.e. higher viscosity ratio and smaller extensibility parameter values). Therefore, the maximum extensional viscosity exhibited by the modeled system and the friction Weissenberg number can still be considered as the dominant factors determining the levels of drag reduction. These can reach high values, even for of dilute polymer solution (the system modeled by the FENE-P model), provided the flow viscoelasticity is high, corresponding to a high polymer molecular weight (which translates to a high extensibility parameter) and a high friction Weissenberg number. Based on that and the changes observed in the turbulent structure and in the most prevalent statistics, as presented in this work, we can still rationalize for an increasing extensional resistance-based drag reduction mechanism as the most prevalent mechanism for drag reduction, the same one evidenced in our previous work: As the polymer elasticity increases, so does the resistance offered to extensional deformation. That, in turn, changes the structure of the most energy-containing turbulent eddies (they become wider, more well correlated, and weaker in intensity) so that they become less efficient in transferring momentum, thus leading to drag reduction. Such a continuum, rheology-based, mechanism has first been proposed in the early 70s independently by Metzner and Lamley and is to be contrasted against any molecularly based explanations.

• 한국해양학회지:바다
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• 제5권3호
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• pp.186-194
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• 2000

본 연구에서는 중규모 해양모형을 이용하여 주어진 한반도 주변 대기경계조건에 대한 해양모형의 반응을 연구하였다. 연구는 크게 스핀업(spin-up) 실험과 재현(reproduction) 실험으로 나뉘는데, 스핀업 실험은 해양모형을 스핀업시켜 기후학적 월평균 해양상태로 유도하는 실험으로 월평균 대기상태를 경계조건으로 하여 해양모형을 장기적분하였다. 재현 실험은 1980년${\sim}$1998년 동안(19년)의 한반도 주변 해역의 해양변동을 재현하고자 한 실험으로 이를 위하여 스핀업 마지막 해의 해양상태를 모형의 초기상태로 하고 그 기간 동안의 월평균 기상 자료를 경계조건으로 해양모형에 적용하여 19년간 적분하였다. 스핀업 실험에서 모형은 동해지역에서의 동한 해류의 이안, 극전선대(polar front)형성 그리고 소규모 에디들에 의한 냉수대의 형성과 황해지역에서의 연안역과 중앙부 사이에 남북으로 형성되는 수온전선 대 그리고 역풍류(Upwind Current)의 변화에 기인한 순환 구조의 계절적인 변동 등 한반도 주변해역에서 나타나는 특징적인 순환들을 잘 모사하였다. 또한 1982${\sim}$98년까지에 대한 재현 실험에서는 주어진 대기 경계조건에 따른 해면온도의 변동성과 기간동안 약 0.5$^{\circ}$C의 해면온도 아노말리의 상승을 관측과 유사하게 모사하였다. 따라서 실험은 모형이 주어진 경계조건에 대하여 해양의 평균적인 상태 뿐만 아니라 변동성도 잘 모사하고 있음을 보여주었다.

• Fisheries and Aquatic Sciences
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• 제13권2호
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• pp.167-181
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• 2010

To predict changes in the marine environment of the Beolgyo Stream Estuary in Jeonnam Province, South Korea, where cohesive tidal flats cover a broad area and a large bridge is under construction, this study conducted numerical simulations involving tidal flow and cohesive sediment transport. A wetting and drying (WAD) technique for tidal flats from the Princeton Ocean Model (POM) was applied to a large-scale-grid hydrodynamic module capable of evaluating the flow resistance of structures. Derivation of the eddy viscosity coefficient for wakes created by structures was accomplished through the explicit use of shear velocity and Chezy's average velocity. Furthermore, various field observations, including of tide, tidal flow, suspended sediment concentrations, bottom sediments, and water depth, were performed to verify the model and obtain input data for it. In particular, geologic parameters related to the evaluation of settling velocity and critical shear stresses for erosion and deposition were observed, and numerical tests for the representation of suspended sediment concentrations were performed to determine proper values for the empirical coefficients in the sediment transport module. According to the simulation results, the velocity variation was particularly prominent around the piers in the tidal channel. Erosion occurred mainly along the tidal channels near the piers, where bridge structures reduced the flow cross section, creating strong flow. In contrast, in the rear area of the structure, where the flow was relatively weak due to the formation of eddies, deposition and moderated erosion were predicted. In estuaries and coastal waters, changes in the flow environment caused by artificial structures can produce changes in the sedimentary environment, which in turn can affect the local marine ecosystem. The numerical model proposed in this study will enable systematic prediction of changes to flow and sedimentary environments caused by the construction of artificial structures.

• 한국해양학회지:바다
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• 제8권2호
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• pp.94-110
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• 2003

본 연구는 Topex/Poseidon 고도계 자료(1992∼2000년, 286 cycles)를 사용하여 동해의 해면고도의 시공간적 변동 특성과 구조를 규명하였다. 분석을 위하여 객관적 적합보간법을 이용하여 격자구조의 해면이상치(SSHA)자료를 생성하였으며, 스펙트럼 분석과 경험직교함수 분석을 하였다. SSHA분포는 동해 극전선 해역을 중심으로 남쪽해역과 북쪽해역으로 구분이 되며, 남쪽해역은 쓰시마난류의 영향을 받아 SSHA의 변동폭이 크고, 북쪽해역은 상대적으로 작다. 동해에서의 시공간적 변동 특성은 5개의 경험직교함수로서 특징 지워지며 총분산의 85% 이상을 설명할 수 있었다 제 1모드는 동해의 전역의 SSHA의 계절 및 년간 변동을 지배하며 총분산의 72.3%로 우세하다. 제 2-5 모드들은 상대적으로 적은 분산을 설명하고 있으며(약 14%), 주로 쓰시마난류, 동한난류와 관련된 해류의 영향에 의한 연안해역의 변동과 극전선역의 사행과 관련된 변동 및 중규모 소용돌이와 관련된 변동으로 파악되었다. 유의한 스펙트럼을 보이는 주기는 0.5년 1년, 2.5년, 3.3년 등이었다.

• 한국해양학회지:바다
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• 제24권2호
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• pp.298-317
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• 2019

울릉 난수성 소용돌이의 물리적 특성 및 동한난류와의 관계를 울릉분지 주변 해역에서 1993년부터 2017년까지의 CMEMS (Copernicus Marine Environment Monitoring Service) 위성 고도계 자료 및 국립수산과학원(NIFS)의 CTD 자료를 사용하여 분석하였다. 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류와 연결되어 있는 분포는 전체 소용돌이 숫자의 81%를 차지하며, 울릉 난수성 소용돌이가 동한난류로부터 완전히 분리되어 있는 형태는 7%에 불과하다. 울릉 난수성 소용돌이는 동한난류로부터 형성될 당시에는 그 내부에 고온, 고염의 대마난류의 해수특성을 보유하지만, 월동을 하는 경우에는 내부구조가 크게 변한다. 겨울에는 해수면 냉각에 의한 수직 대류에 의해 소용돌이의 내부에 $10^{\circ}C$, 34.2 psu의 표층 균질층이 만들어지며, 초봄에 최대 약 250 m 수심까지 깊어진다. 여름에는 소용돌이는 수심 100 m 이내의 상층에 성층구조, 하층에는 겨울철에 만들어진 균질층이 남아있는 구조로 변화한다. 1993년부터 25년 동안 62개의 울릉 난수성 소용돌이가 생성되었다. 매년 평균 2.5개의 울릉 난수성 소용돌이가 발생하였고, 평균 수명은 259일(약 8.6개월) 이었다. 울릉 난수성 소용돌이의 평균 크기는 동서방향으로 약 97 km, 남북방향으로 약 109 km 이다. 위성 고도계 자료를 사용한 경우의 울릉 난수성 소용돌이의 평균 크기가 CTD 수온 단면 자료를 사용한 경우보다 1~25 km 작게 산정된다.