다영역 모델 방정식의 유한차분계가 갖는 일관성과 정화성 분석

Analysis of Consistency and Accuracy for the Finite Difference Scheme of a Multi-Region Model Equation

다영역 모델은 Preferential 흐름에 대한 해석을 위하여 토양을 여러개의 공극군으로 나누고 각 토양의 수리학적 특성을 이용하여 토양내의 흐름을 표현한 방정식이다. 이 모델을 유한차분법을 이용하여 수치적으로 풀이할 때 해의 정확도와 일관성을 분석하기위해 수정등가편미분방정식(MEPDE)을 구하고, 안정성을 분석하기위해 Von Neumann법을 이용한다. 수정등가편미분방정식을 이용하여 얻은 유한차분계에 대한 평가는 모델방정식에 대하여 일관성이 있는 것으로 나타났고 모델방정식에 대한 유한차분법은 2차의 정확도를 얻었다. 모델방정식의 안정성 해석은 Von Neumann방법을 이용하여 진폭도와 위상지연을 구하고 이를 분석하였다. 유한차분계의 진폭비는 Peclet수의 변화에 관계없이 비분산적이었으며 Peclet수가 1.0일때 가장 큰 값을 나타냈고, 위상지연은 참값에 대한 빈도요소보다 더 느리게 파동함을 나타냈다. 모델방정식의 안정성 해석 결과, 모델의 영역분해는 보다 정확한 결과를 얻기 위해서 Peclet수는 1.0보다 작고 Courant수는 3.0보다 작은 범위 안에서 분해하는 것이 좋은 것으로 분석된다.

The multi-region model, to describe preferential flow, is an equation representing solute transport in soils by dividing soil into numerous pore groups and using the hydraulic properties of the soil. As the model partial differential equation (PDE) is solved numerically with finite difference methods. a modified equivalent partial differential equation(MEPDE) of the partial differential equation of the multi-region model is derived to analyze the accuracy and consistency of the solution of the model PDE and the Von Neumann method is used to analyze the stability of the finite difference scheme. The evaluation obtained from the MEPDE indicated that the finite difference scheme was found to be consistent with the model PDE and had the second order accuracy The stability analysis is performed to analyze the model PDE with the amplification ratio and the phase lag using the Von Neumann method. The amplification ratio of the finite difference scheme gave non-dissipative results with various Peclet numbers and yielded the most high values as the Peclet number was one. The phase lag showed that the frequency component of the finite difference scheme lagged the true solution. From the result of the stability analysis for the model PDE, it is analyzed that the model domain should be discretized in the range of Pe < 1.0 and Cr < 2.0 to obtain the more accurate solution.