• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.149-149
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• 2020

하천에서 물 흐름이 보와 댐과 같은 수공구조물을 지날 때 일반적으로 흐름상태에 다양하고 급진적인 변화가 발생한다. 특히 흐름이 구조물을 지나면서 사류(supercritical flow)로 변하고 다시 상류(subcritical flow)로 복원되면서 일어나는 도수(hydraulic jump) 현상은 수위의 급변화, 흐름 에너지 소산, 변동성이 강한 압력 분포 등이 특징이다. 이러한 흐름 특성들은 보나 여수로와 같은 수공구조물 자체의 성능뿐만 아니라 이들 수공구조물의 하류에서 발생하는 국부세굴로 인해 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 수공구조물을 설계할 때는 이들 구조물을 통과하는 흐름의 비정상 난류 흐름 특성을 정확하게 해석하여 반영하여야 한다. 이 연구에서는 k-omega SST 난류 모형과 자유수면의 급격한 변동을 해석하기 위한 하이브리드-VOF(hybrid volume of fluid)기법을 이용하여 도수현상을 수치적으로 재현하고자 한다. 기존 CFD(computational fluid Dynamics) 모델링에서는 자유수면 변동의 영향을 고려하기 위해 VOF 기법을 많이 사용하였다. 하지면 전통적인 VOF 기법은 다상흐름(multiphase flow)을 오직 부피분율(volume fraction)의 함수로만 고려하며 모의함으로써 강한 수면변동뿐만 아니라 공기연행(air entrainment)를 동반하는 난류 흐름을 모의하는데는 한계가 있다. 이 연구에서 이용하는 Eulerian 기법인 하이브리드 VOF 기법은 물과 공기의 각 상에 대하여 흐름 특성들을 개별적으로 계산하기 때문에 공기연행을 포함한 급변류 흐름에서 전통적인 VOF 기법보다 적용성이 우수하다. 이와 같은 난류모형과 자유수면 포착기법을 이용하여 3차원 비정상 난류 흐름 수치모형을 구축하여 수공구조물 주변에서 발생하는 강한 공기연행과 난류 특성를 보이는 급변류를 수치적으로 재현한다. 이 연구는 계산된 수치해석 결과를 기존 수리실험 결과와 비교하여 수치모형의 적용성을 평가하고 도수 현상에서 발생하는 독특한 흐름 특성을 제시한다.

• 한국방재학회 논문집
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• 제10권1호
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• pp.111-117
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• 2010

수중구조물에 의한 파랑의 변형을 예측하기 위해 3차원 수치모형을 도입하여 수치모형 실험을 수행하였다. 본 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 유한차분법을 이용하여 계산하는 동수압 모형으로서, 난류의 해석을 위해서 상대적으로 큰 에디(eddy)만을 고려하는 SANS(Spatially Averaged Navier-Stokes) 방정식의 해를 구하는 LES(large-eddy-simulation) 기반의 수치모형이다. 엇갈림 격자체계에서 유한차분법을 사용하여 지배방정식을 해석하는 모형으로서 수치기법으로 Two-step projection 기법을 사용하여 SANS 방정식을 계산하였으며, Bi-CGSTAB 기법을 이용하여 Poisson 방정식의 해를 구하고 압력장을 계산하였다. 또한, 자유수면의 추적을 위하여 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용하였다. 먼저 선형파를 일정 수심상에서 조파시켜 해석해와 비교한 후 수중구조물이 설치된 지형에 적용하여 파랑의 변형을 수치모의하여 수리모형 실험결과와 비교 및 분석하였다.

• 한국항해항만학회지
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• 제32권1호
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• pp.9-14
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• 2008

VOF법은 유체 체적 비율을 통해 밀도가 다른 두 유체를 한꺼번에 계산할 수 있는 수치해석 기법이다. 상용 CFD프로그램의 VOF옵션을 이용하여 자유수면 부근에서 정속으로 움직이는 물체 주위의 수치해석을 시도하였다. 검증 대상으로는 물 속에 잠겨있는 2차원 날개, 자유수면을 수직으로 관통하는 3원 날개, 그리고 컨테이너 선형이 사용되었다. 검증 결과 정도의 차이는 있지만 상용 코오드의 범용성을 어느 정도 확인할 수 있었고 자유수면 유동장을 모사하는데 VOF법이 무난히 활용될 수 있음을 알 수 있었다.

• 한국항해항만학회지
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• 제29권10호
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• pp.853-858
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• 2005

최근의 해안, 해양공학 분야에서는 구조물이 있는 영역의 파동을 계산하기 위해 Navier-Stokes 방정식을 기초로 한 많은 기법들이 개발되고 발전되어 왔다. 이들 중 파랑의 쇄파현상 등의 복잡한 파동현상을 재현하기 위한 수치해석 기법으로 Volume Of Fluid method (보프법)에 근거를 둔 수치해석 기법이 자주 사용되어지고 있다. 그러나 보프법은 일반적으로 방대한 계산시간과 기억용량이 요구되는 단점을 가지고 있어, 적어도 100주기 이상의 계산시간을 통한 해석이어야만 만족할 만한 결과가 나타나는 불규칙파랑의 경우, 보프법의 단독 적용으로는 현실적으로 어려워진다. 한편, 경계요소법(BEM)의 경우는 파랑을 신속하고, 정확하게 계산할 수 있으나, 비선형 현상을 재현할 수 없는 단점이 있다. 본 연구는 불규칙 파랑을 대상으로 하고, 구조물이 있는 경우의 파동현상도 계산이 가능한 수치 해석 기법의 개발을 목표로 하고 있다. 이를 위해, 두 기법의 장점을 살려 쇄파현상 등으로 인해 비선형 현상의 재현이 요구되는 영역에서는 보프법을 사용하여 계산하고, 비선형성을 무시할 수 있어 포텐셜이론이 적용 가능한 구간에서는 BEM을 사용하여 계산을 하도록 두 기법을 연결한 BEM-VOF model을 개발하였다. 개발된 수치모델의 검증은 5차 스톡스파의 파랑전파 및 불규칙파랑의 전파를 통해 수행하였다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제15권2호
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• pp.80-85
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• 2003

본 연구에서는 Reynolds 방정을 지배방정식으로 하고 난류 해석을 위해 k-$\varepsilon$모델을 사용하였으며, 자유수면 변위를 추적하기 위해 VOF기법을 사용한 수치해석 모델을 이용하여 다양한 주기를 갖는 크노이드파의 발생과 최대 처오름높이에 대해 알아보았다. 발생된 크노이드파의 파형은 해석해와 매우 잘 일치하였다 또한, 계산된 최대 처오름높이를 수리모형실험의 관측 값과 비교해 본 결과는 경계요소법에 의한 수치해보다 높은 정확도를 나타내었다.

• 한국항해항만학회:학술대회논문집
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• 한국항해항만학회 2005년도 추계학술대회 논문집
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• pp.153-159
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• 2005

최근의 해안, 해양공학의 수치해석 기술은 구조물이 있는 영역에서의 파동을 계산하기 위해 Navier-Stokes방정식을 기초로 한 많은 수법들이 개발되고 발전되어 왔다. 이들 중, 파랑의 쇄파현상등의 복잡한 파동현상을 재현할 목적의 수치해석 기법으로 Volume Of Fluid method (보프법)에 근거를 둔 수치해석 기법이 자주 사용되어지고 있다. 그러나 보프법은 일반적으로 방대한 계산시간과 기억용량이 필요로 하다는 단점을 가지고 있어, 보프법의 단독 수법으로는 적어도 100주기 이상의 계산시간을 통한 해석이어야만 만족할 만한 결과가 나타나는 불규칙파랑에 대한 해석이 현실적으로 어렵다는 단점이 있다. 한편, 완전유체로 가정할 경우, 경계요소법(BEM)으로 파랑을 신속하고, 정확하게 개산할 수 있으나, 비선형 현상을 재현할 수 없는 단점이 있다. 본 연구는 불규칙파랑을 대상으로 하고, 구조물이 있는 경우의 파동현상도 계산이 가능한 수치 해석 기법의 개발을 목표로 하고 있다. 이를 위해, 두 수법의 장점을 살려 쇄파현상등이 있어 비선형 현상의 재현이 요구되는 영역에서는 보프법을 사용하여 계산하고, 비선형성을 무시할 수 있어 포텐샬 이론이 적용 가능한 구간에서는 BEM을 사용하여 계산을 하도록 두 수법을 연결한 BEM-VOF model을 개발하였다. 개발된 수치모델의 검증으로는 5차 스톡스파의 파랑전파 및 불규칙파랑의 전파를 통해 수행하였다.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제32권1호
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• pp.1-10
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• 2020

자유수면을 포함하는 파동장과 같이 단상의 경계가 시간발전에 따라 지속적으로 변화하는 경우나 액상과 기상이 혼합되는 문제에 있어서는 다상유동(multiphase flow) 문제를 적용하는 예가 증가하고 있다. 특히, 파동장과 같은 자유수면의 문제를 취급하는데 있어서는 혼합되지 않는 액상과 기상의 비압축성 뉴턴유체를 고려한 혼상류 모델이 적용되는 경우가 많다. 일반적으로 혼상류 모델은 각상의 경계면에 대한 시간기반 거동추적이 필수적이며, 궁극적으로는 계산의 정도를 좌우한다. 본 연구는 다양한 CFD 수치해석코드에 적용되고 있는 대표적인 VOF-type의 경계면 추적기법들의 이류성능을 평가하였다. 특히, 기존의 전통적인 VOF-type의 경계면 추적기법 및 이류계산에서 발생하는 수치확산을 최소화하기 위해 수치유속(numerical flux)을 제어하는 FCT 법의 효용성을 평가하고, 더불어 CIP 법을 활용한 자유수면 추적성능의 가능성을 고찰하였다. 그 결과, 본 연구에서 적용한 제한된 조건하에서는 수치확산 방지를 위해 수치확산방지 유속을 도입한 FCT-VOF 법이 가장 높은 경계면의 추적성능을 보였다. 본 연구에서 도출되는 결과는 다양한 수치해석코드에 적용되는 자유수면의 추적기법을 선택함에 있어서 중요한 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.88-91
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• 2012

본 연구에서는 다양한 형상의 수중방파제를 이용하여 고립파(지진해일)에 대한 파랑의 제어기능을 검토하였다. 먼저, 연구를 수행하기 위하여 Navier-Stokes 방정식에 기초한 RANS 모형을 사용하였다. RANS 모형에서는 VOF기법을 이용하여 자유수면을 해석하였고, 또한 조밀한 격자간격을 사용하여 수치실험을 실시하였다. 수중방파제의 형상에는 삼각형, 반타원형, 직사각형 및 사다리꼴형을 사용하여 각각의 수중방파제 위를 통과하는 고립파를 해석하였다. 고립파의 파고와 여러 가지 형태를 갖는 각각의 수중방파제의 높이를 조절하면서 수중방파제를 지나는 고립파의 투과율을 해석하였다.

• 한국해양공학회지
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• 제24권6호
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• pp.16-22
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• 2010

In this paper, the diffraction problems for fixed offshore structures are solved using a hybrid scheme. In this hybrid scheme, potential-based solutions and the Navier-Stokes-based finite volume method (FVM) with a volume-of-fluid (VOF) method are combined. We introduce a buffer zone for efficient wave-making and damping. In this buffer zone, the near field solution from FVM-VOF is gradually changed to Stokes' 2nd order wave solutions. Three different models, including the truncated cylinder, sphere, and wigleyIII model, are numerically investigated in regular waves with a wave steepness of 1/30. The efficiency and accuracy of the hybrid scheme are numerically validated from results using different domain sizes and buffer zones. The wave exciting forces from the FVM-VOF simulations are compared with experiments and potential-based solutions from the higher-order boundary element method (HOBEM). This comparison shows good agreement between the hybrid scheme and potential-based solutions.

• 한국지반공학회논문집
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• 제27권6호
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• pp.27-37
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• 2011

최근 가압 그라우팅 형식의 약액주입공법이 지반의 지반개량, 차수, 강도 증대 등의 목적으로 널리 쓰이고 있다. 이에 지반조건에 따른 고결체의 크기 및 형상을 측정하여 적정 주입압 및 주입시간을 정하는 것은 경제적이고 합리적인 시공을 위해 필수적이다. 그러나, 현장에서 시험시공을 통한 고결체 채취는 시간과 비용이 많이 소모되며, 그라우팅 공법을 적용한 지반에 고결체의 크기와 형상을 예측한 시스템은 현재까지 없다. 따라서, 본 연구에서는 물유리계 약액을 사용하여 주입압(50kPa, 100kPa, 150kPa)에 따른 실내모형주입시험을 실시하고 이를 전산유체역학(CFD)의 porous media모델과 VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용한 수치해석을 실시하여 비교 분석하였다. 수치해석 결과, VOF 기법을 이용한 주입모사는 지중 속에 주입된 가압 그라우팅의 거동 및 고결 양상을 예측할 수 있는 기초적인 수치해석적 기법이 될 것으로 판단된다.