• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.319-319
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• 2023

Flows of water in the environment (e.g. in a river or estuary) generally occur in complex conditions. This complexity can hinder a general understanding of flows and their related sedimentary processes, such as erosion and deposition. To gain insight in simplified, controlled conditions, hydraulic flumes are a popular type of laboratory research equipment. Linear flumes use pumps to recirculation water. This isn't appropriate for the investigation of cohesive sediments as pumps can break fragile cohesive sediment flocs. To overcome this limitation, the rotating annular flume (RAF) was developed. While not having pumps, a side-effect is that unwanted secondary circulations can occur. To counteract this, the top and bottom lid rotate in opposite directions. Furthermore, a larger flume is considered better as it has less curvature and secondary circulation. While only a few RAFs exist, they are important for theoretical research which often underlies numerical models. Many of the first-generation of RAFs have come into disrepair. As new measurement techniques and models become available, there is still a need to research cohesive sediment erosion and deposition in facilities such as a RAF. New RAFs also can have the advantage of being automatic instead of manually operated, thus improving data quality. To further advance our understanding of cohesive sediment erosion and deposition processes, a large, automatic RAF (1.72 m radius, 0.495 m channel depth, 0.275 m channel width) has been constructed at the Hydraulic Laboratory at Chungnam National University (CNU), Korea. The RAF has the ability to simulate both unidirectional (river) and bidirectional (tide) flows with supporting instrumentation for measuring turbulence, bed shear stress, suspended sediment concentraiton, floc size, bed level, and bed density. Here we present the current status and future prospect of the CNU RAF. In the future, calibration of the rotation rate with bed shear stress and experiments with unidirectional and bidirectional flow using cohesive kaolinite are expected. Preliminary results indicate that the CNU RAF is a valuable tool for fundamental cohesive sediment transport research.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권12호
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• pp.17-25
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• 2016

호안은 하천제방의 비탈면이 침식되지 않도록 보호하는 기능을 갖는다. 호안의 설계가 적정하지 않을 경우 강한 유속과 소류력에 의해 제방이 세굴되어 붕괴에 이를 수도 있다. 따라서 호안의 설계시 필요한 대표유속을 산정하는 것은 매우 중요하나 대부분 1차원 부등류해석에서 얻어진 수위와 평균유속자료를 적용한다. 이 경우 만곡 수로에서 발생하는 자유소용돌이와 강제소용돌이에 의한 유속증가는 반영되지 않으므로 만곡부 호안의 안정성을 확보하기 위해서는 대표유속에 대한 보정이 필요하다. 본 연구에서는 수치모의를 통해 단면의 최대유속과 평균유속을 산정하여 만곡 및 세굴영향을 고려한 대표유속 산정방법의 적용성에 대해 검토하였다. 그 결과 단면평균유속에 만곡의 영향과 세굴의 영향을 고려하여 적용한 대표유속과 수치모의결과에 추출된 최대유속을 비교한 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다. 또한, 호안재로로써 돌망태를 사용하는 경우에 대해서 만곡하도와 직선하도 일때의 사석크기를 기존 설계식에 적용하여 비교하였다. 향후, 우리나라의 특성에 맞는 호안설계방법을 제시하기 위하여 하천특성이 다른 대표적인 하천에 대한 추가적인 수치모의 및 분석이 필요하며, 이때 본 연구결과가 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제48권12호
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• pp.1077-1087
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• 2015

제방은 홍수가 발생했을 때 하천의 범람을 막아 제내지의 인명, 가옥, 재산 등을 보호하는 중요한 기능을 하는 하천구조물이다. 제방의 붕괴원인은 크게 월류에 의한 붕괴, 침투에 의한 붕괴, 침식에 의한 붕괴로 분류되며, 침식에 의한 붕괴를 방지하기 위하여 호안을 설치한다. 따라서, 이러한 호안의 안정성은 제방 전체의 안정성과 직결되는 중요한 요소이다. 특히, 흐름의 강도가 증가하는 만곡부와 같은 수충부에서는 호안의 안정성이 급격히 저하되므로 이에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 경질성 호안의 수리실험을 통해 만곡수로에 설치된 호안의 취약지점을 파악하였으며 주요 지점의 유속과 수위를 측정하였다. 또한, 동일한 조건으로 3차원 수치해석을 수행하여 실험에서 계측장비의 한계로 확인하기 어려운 흐름특성을 분석하였다. 그 결과 제방사면의 전단응력이 크게 산정된 부분과 사석호안이 붕괴된 위치가 거의 일치하는 것으로 나타났으며 전단응력은 작으나 붕괴가 발생한 지점에서는 만곡의 영향으로 발생한 2차류에 의해 순환흐름이 발생되어 호안의 붕괴를 유발하는 것으로 나타났다. 기존의 사석산정공식을 이용하여 사석호안의 규모를 결정하였으며 하도의 평균유속보다 국부적인 최대유속으로 산정하였을 때, 1.5~4.7배 크게 산정되었다. 본 연구를 통해 만곡수로에서는 직선수로에서와는 사석의 규모를 산정하는 방법을 달리해야하는 것을 알 수 있었으며, 추후 곡률반경 및 구조물에 대한 영향을 고려하고 대표형상에 대한 가중치를 부여 할 수 있으면 보다 합리적이고 정확한 호안사석의 규모를 결정할 수 있을 것으로 예상된다.

• 한국컴퓨터그래픽스학회논문지
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• 제23권2호
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• pp.29-39
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• 2017

본 논문에서는 효율적이고 사실적으로 수면거품과 웨이브거품을 표현할 수 있는 통합된 프레임워크를 제안한다. 이 프레임워크는 거품입자가 생성되어야 하는 곳을 결정할 때 발생하는 계산 복잡도를 줄이기 위해 3차원 공간의 물 입자들을 2차원 스크린 공간으로 투영하도록 설계되었다. 거품효과는 빠르고 복잡한 물의 흐름에서 생성되기 때문에, 가속도와 곡률 값을 분석하여 복잡한 유체의 흐름 패턴을 갖는 영역을 2차원에서 찾고 이를 3차공간으로 변환한다. 변환된 3차원 영역에서 거품입자가 방출되고, 각 거품입자는 속도가 따라 분류되며, 그 종류에 따라 다르게 이류됨으로써 웨이브거품의 본질적인 특징을 잘 포착해 낸다. 우리는 거품입자들을 두 가지 유형인 수면 거품과 웨이브거품으로 분류하여 결과적으로 거품의 사실감을 향상시킨다. 웨이브거품은 급류와 같은 부분에서 날카로운 웨이브패턴이 표현되는 특징이 있고, 수면거품은 느린 유속에서 뿌연 거품형태로 표현되는 특징이 있다. 이러한 특징을 표현하기 위해 거품입자의 속도와 위치를 올바르게 가이드해주는 기법을 제안한다. 또한 스크린공간의 밀도를 이용한 커널함수를 제안한다. 이 함수를 이용하여 거품입자의 속도와 위치를 올바르게 조정하여 불필요한 거품입자들을 효율적으로 제거하며, 결과적으로, 거품효과의 시각적인 손실없이 전반적인 메모리 효율성을 향상시켰다. 우리는 신빙성있는 실험결과를 보여주며 제안된 접근법은고품질의 결과를 제공하는 동시에 사용하기 쉽다는 장점이 있다.

• Wind and Structures
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• 제34권1호
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• pp.127-136
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• 2022

In this work a multi-fidelity non-intrusive polynomial chaos (MF-NIPC) has been applied to a structural wind engineering problem in architectural design for the first time. In architectural design it is important to design structures that are safe in a range of wind directions and speeds. For this reason, the computational models used to design buildings and bridges must account for the uncertainties associated with the interaction between the structure and wind. In order to use the numerical simulations for the design, the numerical models must be validated by experi-mental data, and uncertainties contained in the experiments should also be taken into account. Uncertainty Quantifi-cation has been increasingly used for CFD simulations to consider such uncertainties. Typically, CFD simulations are computationally expensive, motivating the increased interest in multi-fidelity methods due to their ability to lev-erage limited data sets of high-fidelity data with evaluations of more computationally inexpensive models. Previous-ly, the multi-fidelity framework has been applied to CFD simulations for the purposes of optimization, rather than for the statistical assessment of candidate design. In this paper MF-NIPC method is applied to flow around a rectan-gular 5:1 cylinder, which has been thoroughly investigated for architectural design. The purpose of UQ is validation of numerical simulation results with experimental data, therefore the radius of curvature of the rectangular cylinder corners and the angle of attack are considered to be random variables, which are known to contain uncertainties when wind tunnel tests are carried out. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are solved by a solver that employs the Finite Element Method (FEM) for two turbulence modeling approaches of the incompressible Navier-Stokes equations: Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS) and the Large Eddy simulation (LES). The results of the uncertainty analysis with CFD are compared to experimental data in terms of time-averaged pressure coefficients and bulk parameters. In addition, the accuracy and efficiency of the multi-fidelity framework is demonstrated through a comparison with the results of the high-fidelity model.

• 한국수자원학회논문집
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• 제50권7호
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• pp.455-465
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• 2017

2차원 유속장(flow field)은 하천흐름의 특성을 이해하기 위한 중요한 수리학적 자료 중 하나로서, 수공구조물 위치선정 및 설계, 하천에서의 이송-확산 예측, 하천의 수리학적 거동을 예측하기 위한 중요한 기본 자료로 사용된다. 지금까지 이러한 하천흐름 특성을 예측하기 위해 제한적인 현장조건과 적절한 계측방법, 계측기기의 기술적 한계로 인해 현장실험 보다는 다양한 수치모형을 이용하여 왔다. 하지만 최근에는 계측기기의 발달로 과거보다 정확하고 정밀한 현장계측이 가능하여 졌으며, 현장 계측자료의 질적이고 양적인 수요를 만족시키고 있다. 대표적으로 초음파도플러유속계(ADCPs; Acoustic Doppler Current Profilers)는 유량을 정확하게 측정하는 것으로 유명하며, 2차원 뿐만 아니라 3차원 유속장 등 자세한 유속자료를 제공한다. 하지만 이러한 측정 능력에도 불구하고, ADCP를 활용한 유속 측정은 주로 횡단면 측정을 기본으로 수행하기 때문에, 수치모형의 결과와 같이 높은 밀도의 유속장을 얻기 위해서 공간보간기법이 활용되고 있다. 하지만 만곡이 존재하는 자연하천은 하도형상에 따라 유속이 지속적으로 변화하기 때문에 일반적인 공간보간기법을 적용하기 어렵다. 즉, 자연하천의 만곡에 따른 비등방성을 고려하지 않는다면, 역거리가중법(IDW)과 크리깅(Kriging)과 같은 일반적인 공간보간기법으로는 잘못된 결과를 초래할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 만곡이 존재하는 사행하천을 대상으로 방향성을 고려하기 위한 곡선좌표계와 비등방성을 고려하기 위한 비등방적 참조범위를 적용한 공간보간기법을 개발하였다. 본 연구에서 제시한 기법을 한국건설기술연구원 하천실험센터에 존재하는 3개의 사행수로가 포함된 실규모의 실험수로를 대상으로 적용한 결과, 평균제곱근오차와 상관계수는 기존의 공간보간기법과 비교하여 각각 41.5% 감소, 40.0%가 증가하여 정확성과 상관성이 개선되었다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제35권1호
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• pp.33-42
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• 2011

유사성 원리를 이용하여 매우 높은 Pr 수의 유체를 사용하여 수직 원형관 외부의 자연대류 열전달 현상을 실험적으로 연구하였다. 황산-황산구리 수용액의 전기도금계를 물질전달계로 채택하였으며, 실험은 직경 0.005m~0.035m의 음극을 사용하여 Pr 수 2,094~4,173 그리고 $Ra_H$ 수 $1.4{\times}10^9{\sim}4{\times}10^{13}$에서 열전달계수를 측정하였다. 층류에서 실험한 결과는 King, Jakob와 Linke, McAdams, Bottemanne의 수직 원형관 자연대류의 열전달 상관식에 일치하였고 난류에서는 수직평판 난류 자연대류 상관식인 Fouad의 상관식과 일치하였고 Pr 수에 대한 의존성이 나타났다. 실험을 통하여 도출한 층류 상관식은 $Nu_H=0.55Ra^{0.25}_H$,�㉢�류 상관식은 $Nu_H=0.12Ra^{0.28}_HPr^{0.1}$였다. 층류와 난류사이의 천이는 $Ra_H$ 수 약 $10^{12}$에서 발생하였다.

• 에너지공학
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• 제5권2호
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• pp.160-169
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• 1996

석탄가스화복합발전소의 가스터빈 공기압축기와 공기분리장치 간의 최적 연계설계를 위한 매개변수 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 복수형 증류탑공정의 공기분리장치를 사용하였으며, 증류탑공정의 특성으로부터 압축기와의 연계조건인 공기추출량, 공기추출압력 및 공기/질소 열교환 조건들을 정의, 수식화하였다. 공기분리장치와 연계된 가스터빈용 공기압축기의 성능변화는 유선곡률방법과 압력손실모델을 결합한 해석방법을 사용하였으며, 예측결과들을 실제 압축기성능 시험결과와 비교하여 예측정확도를 검증하였다. 본 압축기성능 해석방법을 이용하여, 압축기와 공기분리장치의 연계조건인 열교환기의 핀치포인트 온도차, 추출공기량 및 추출 공기압력이 압축기성능에 미치는 영향을 정량적으로 검토하였다. 공기추출량이 늘어나거나 핀치포인트 온도차가 커질수록, 압축기의 압축비 및 소요동력은 증가하였다. 반면에, 압축기 효율은 공기추출량의 증가에 따라 고압공기추출시에는 저하되고, 저압공기추출시에는 향상되었다. 더나아가, 압축기의 일반화된 입구조건과 효율간의 특성곡선을 통해, 압축기 효율을 극대화 할 수 있는 압축기/공기분리장치간의 최적연계조건을 제시하였다.

• 한국ITS학회 논문지
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• 제17권6호
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• pp.121-132
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• 2018

기상은 교통흐름, 운전자의 주행패턴, 교통사고 등 여러 방면에서 도로교통에 영향을 미치는 중요한 요인이다. 본 연구는 기상상황과 노면상태 사이의 관계에 초점을 맞추어 기계학습을 통해 도로의 노면상태를 추정하는 모델을 개발하였다. 노면 상태의 수집을 위해 실험 차량에 노면센서를 부착하여 '건조', '습윤', '젖음', 3가지 범주로 구분된 노면상태 정보를 수집하였고, 이를 추정하기 위한 변수로 도로의 기하구조 정보(곡률, 구배), 교통정보(교통량), 기상정보(강우량, 습도, 온도, 풍속)를 활용하였다. 노면 상태를 예측하기 위한 알고리즘으로는 다양한 기계학습 알고리즘이 검토되었으며, 그 중 가장 높은 정확도를 보인 'Random forest'를 기반으로 한 2단계 분류모형을 구축하였다. 총 16일의 실측 데이터 중 14일의 데이터를 모델을 학습하는 데 활용하였고, 2일의 데이터를 모형의 정확도를 검증하기 위해 사용하였다. 그 결과 81.74%의 검증 정확도를 가지는 노면상태 예측 모델을 구축하였다. 본 연구의 결과는 기상청에서 관측하는 기상정보로 도로의 노면상태를 추정할 수 있다는 가능성을 보여주며, 새로운 장비나 센서를 설치하지 않고도 기존의 기상 관측 정보와 교통정보 등을 활용하여 노면의 상태를 추정할 수 있음을 시사한다.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• 제7권4호
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• pp.327-335
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• 2020

본 연구에서는 홍수해석 등 수치모형을 이용한 기존의 홍수위험지역 선정 시 필요한 시간과 노력을 절감하고자 유출메커니즘 기반의 지형 분석을 통해 홍수취약지역을 제시하고자 한다. 유출메커니즘 기반의 홍수취약지역은 강우-유출수의 지표면 흐름누적 특성에 유리한 지역으로 일반적으로 저지대, 완경사, 하천 등이 해당된다. 분석을 위해 대상지역인 서울시의 수치지형도를 이용하여 표고, 경사도, 수직 및 수평 사면 곡률, 지표습윤계수 (Topographic Wetness Index, TWI), 유수력 지수 (Stream Power Index, SPI), 하천 및 맨홀과의 거리 등 8개의 지형학적 인자를 고려하였다. 지형학적 인자들과 실제 침수흔적자료와의 ROC (Receiver Operation Characteristic) 분석 결과, 표고, 경사도, 지표습윤계수, 맨홀과의 거리 등 4개의 지형학적 인자가 침수지역을 잘 설명하는 것으로 나타났다. 홍수취약지역 선정 시 본 연구에서 제안하는 다양한 인자에 대한 우선순위 산정 방안은 홍수에 기여하는 지형학적 분석 요소를 간소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.