• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.43-43
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• 2011

최근 컴퓨터 기술의 발전으로 수심방향으로 완전한 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식을 이용하는 3차원 수치모형에 의한 연구가 기초과학 분야인 수학에서부터 공학은 물론 의학 분야까지 광범위하게 진행되고 있다. 3차원 수치모형을 이용한 연구는 이론적으로 매우 우수하긴 하나 정확도 높은 결과를 얻기 위해서는 매우 조밀한 격자를 필요로 하기 때문에 아직까지 막대한 계산시간이 필요하다는 단점이 있으나 근래의 컴퓨터 기술이 엄청난 속도로 발전하고 있는 점을 감안할 때 적용 가능성은 계속 높아지고 있다. 이러한 흐름에 따라 해안공학 분야에서도 3차원 수치모형을 이용한 다양한 연구가 시도되고 있다. 복잡한 해안구조물로 인한 파랑변형 및 구조물의 안전성 등을 검토할 때 기존의 평면 2차원 수치모형이나 연직 2차원 수치모형으로는 재현이 힘들어 상대적으로 수치모형을 활용한 연구의 효용성이 낮았던 것에 비해 3차원 수치모형을 활용할 경우 복잡한 지형 및 구조물의 형상을 재현할 수 있기 때문에 좀 더 유용하게 사용될 수 있다. 한편, 파랑변형을 다루는 수치모형실험을 수행할 때 외부조파를 사용할 경우 구조물이나 지형에 의해 반사되어 나온 파랑이 조파지점에 도달할 때 실험영역으로 재 반사되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 내부조파기법의 개발에 대한 연구가 필수적이었으며, 2차원 수치모형을 중심으로 그 연구가 매우 활발하게 진행되어 왔으나 Navier-Stokes 방정식 모형의 경우 상대적으로 연구가 미흡하였다. 본 연구에서는 3차원 Navier-Stokes 방정식 모형에서 내부조파기법을 도입하여 목표 파랑을 조파하였다. 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 엇갈림 격자체계에서 계산하는 유한차분모형으로 자유수면 추적에는 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용한다. 수치모형실험 결과를 일정한 수심을 전파하는 정현파의 해석해와 비교하였으며, 수치모형실험 결과가 비교적 정확하게 목표 파랑을 조파할 수 있음을 검증하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.2094-2097
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• 2007

본 연구에서는 사석경사제의 전면부에 불투과성 수중방파제를 설치하여, 불규칙파의 반사에 대한 수치모의와 수리모형실험을 수행하였다. 수치해석 모형에는 Reynolds Averaged Navier-stokes (RANS) 방정식을 지배방정식으로 사용하였고, 난류해석을 위하여 $\kappa-\varepsilon$ 방정식을 사용하였다. 자유수면변위의 정확한 예측을 위하여 VOF 기법을 적용하였다. 수리모형실험은 한양대학교 수리실험실의 조파수로에서 수행되었다. 본 연구에서는 입사파랑으로 불규칙파를 조파하였으며, Bretsch neider-Mistuyasu 스펙트럼을 목표스펙트럼으로 하여 재현하였다. 반사율의 산정에서 입사파와 반사파를 분리하기 위하여 수치모형실험에서는 3점법을 사용하였고, 수리모형실험에서는 2점법을 사용하였다. 수치모의를 통하여 예측된 반사율과 수리모형실험에서 관측한 결과는 서로 잘 일치하였다.

• 한국복합재료학회:학술대회논문집
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• 한국복합재료학회 2002년도 추계학술발표대회 논문집
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• pp.165-169
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• 2002

현재 개발 중에 있는 비파괴 검사법인 Tapping Sound Analysis 의 검증을 위해 실험으로 측정된 타격음(태핑음)과 수치해석으로 구한 타격음을 비교하였다. 손상이 없는 복합재료 구조물과 손상이 있는 복합재료 구조물을 제작하고 타격 실험을 통해 타격음과 타격력을 측정하였다. 타격음의 수치 모사를 위해 동적접촉 알고리듬을 이용한 유한요소법과 경계요소법을 이용하였다. Wavelet packet transform에 근거한 특성 추출법을 이용하여 타격음으로부터 손상 판단을 위한 특성을 추출하였다. 손상이 없는 구조물과 손상이 있는 구조물의 특성을 비교하기 위해, 특성 지수를 정의하였다. 실험 결과와 수치해석 결과의 비교를 통해 타격음 계산에 사용된 수치모델의 타당성을 밝혔다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.142-142
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• 2011

자연형 하천 복원 사업은 하천 복원 사업과 함께 친환경적 기능을 중시하는 연구가 활발하게 진행중이다. 본 연구에서는 계단형 낙차공의 평면형상의 곡선형 낙차공에서의 수리모형 실험과 수치모의를 통해 흐름 특성 및 형상을 검증하였다. 계단형 낙차공으로 수리모형 실험과 수치모의를 한 결과 복잡한 수공 구조물의 흐름 특성은 동일하게 나타났다. 본 연구에서 수리모형과 수치모형은 동일한 SCALE과 실험조건으로 하였다. 계단형 낙차공은 우측에어도가 설치되어 있어 흐름이 우측으로 많이 편향 되어 세굴심이 일어나는 것을 확인 할수 있다. 이러한 세굴 특성은 실제 자연형 하천에 적용 되었을 경우 문제점을 야기 시킬 수 있으므로 본 연구 결과를 분석하여 물받이공 산정 등에 활용될 수 있을 것이다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2007년도 학술발표회 논문집
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• pp.570-576
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• 2007

수중천퇴가 있는 지형을 통과하며 변형하는 파랑을 실험한 Vincent와 Briggs (1989)의 실험조건을 수치모의하여 파랑과 흐름의 상호작용 효과를 연구하였다. SHORECIRC 흐름모형을 결합한 파랑모형 REF/DIF 1과 SWAN, 그리고 파랑과 흐름을 동시에 수치모의 할 수 있는 FUNWAVE를 이용하여 수중천퇴상을 통과하며 변형하고 또 다시 수중천퇴상에서 발생한 쇄파에 의해 발생된 쇄파류에 의해 변형하는 규칙파를 수치모의하였다. 수중천퇴상에서 쇄파가 발생할 때 잉여파응력의 급격한 변화에 따른 강한 유사제트류가 발생하고, 이 흐름은 수중천퇴후면의 파집중현상을 방해하여 파랑을 천퇴중심축으로부터 바깥쪽으로 굴절시켜, 파고를 상대적으로 감소시키는 역할을 한다. 이러한 역학은 실험결과와 본 연구의 수치모의를 통해 확인할 수 있었고, 이는 파랑쇄파류의 파랑변형에 미치는 역할의 중요성을 확인시켜주는 것이다. 규칙파 모의에 한계가 있는 SWAN과 규칙파 특성상 강하게 나타나는 중복파의 잉여파응력계산에 한계가 있는 REF/DIF 1과 달리 FUNWAVE를 이용한 수치모의는 실험결과와 완벽히 일치하였으며, 수중천퇴 후면에 발생하는 쇄파류와 쇄파류에 의한 쌍 vortex의 발달과정을 잘 보여 주었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1256-1260
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• 2006

하천 복개나 하상 도로 등 교각이 밀집된 군교각은 홍수시에 큰 수위 상승을 유발할 수 있다. 이런 군교각에 의한 배수위 효과를 분석하기 위해 다양한 경우에 대한 실험과 2차원 수치 모의를 수행하였다. 수리 실험은 수치 모형의 정확도를 검증하기 위해 수행되었으며, 다양한 종류의 교각 배치 경우에 대해서는 수치 모의를 위주로 분석하였다. 수리 모형 실험을 통하여 2차원 수치 모형인 RMA-2의 신뢰성에 대해 검토한 결과 이 모형은 교각에 의한 수위 상승 효과를 상당한 정확도로 모의할 수 있음을 알 수 있었다. 군교각에 의한 수위상승 인자를 흐름 횡단면 교각 수, 흐름 방향의 교각 간격, 흐름방향의 교각 수로 선정하여 이들 변수들을 조합하여 다양한 경우에 대하여 수리 실험과 수치 모의를 병행하였다. 단일 횡단면의 교각 수 증가에 따른 배수위 상승은 횡단면의 차단율 증가에 따라 선형적으로 증가한다. 그러다가 차단율이 어느 정도 이상에 이르면 수위 상승이 매우 급격히 증가하는 경향을 보인다. 또한 흐름방향 교각 수 증가에 따라 배수위는 선형적으로 증가함을 알 수 있는데, 이는 교각에 의한 상호 간섭 및 중첩에 의한 것으로 생각된다. 흐름방향 교각 간격을 증가시켜도 배수위 상승이 크게 증가하였으나, 교각의 지름의 약 9배 (9D) 이상 떨어진 다음부터는 배수위 상승량이 감소하는 것을 알 수 있다. 이런 점에서 볼 때, 군교각은 교각 지름의 9배 정도 떨어진 경우 배수위 상승 효과가 중첩되지 않음을 알 수 있었다.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2003년도 봄 학술발표회 논문집
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• pp.884-891
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• 2003

이 논문는 지오신텍스 보강토 구조물의 보강 메카니즘을 수치계산을 통해 규명하고자 하는 목적으로 쓰여졌다. 이 연구에서는 보강 메카니즘은 전단에 의한 다짐토의 체적 팽창(부의 다일렌탄시)을 지오신텍티스에 의해 구속 억제하는 과정에서 생성되는 효과로 간주하고 있다. 보강 메카니즘의 규명을 위해 1992년 일본 Kanazawa에서 실시된 실모형 실험과 실내 실험 결과를 이용하였으며. 수치계산에서는 다짐토의 다일렌탄시 특성을 표현 가능한 탄소성 구성모델을 이용하여 유한요소(FEM)을 이용하고 있다. 수치 계산에 의해 실모형, 실험 실내실험 결과를 비교 분석하였다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제7권1호
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• pp.33-45
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• 1995

본 논문은 강 등(1994)에 의해 개발된 선형 Galerkin-FEM 모형에 이송항을 추가하여 비선형 Galerkin-FEM 수치모형을 개발하는데 목적이 있다. 이송항의 수치계산은 기존 선형모형의 각 절점별 유속결과를 이용하여 계산하였으며 개발된 모형은 기존의 비선형모형(Owen, 1980; Davies, 1980)보다 수치계산시간의 절약을 도모할 수 있어 효율적이다(Lardner and Song, 1992). 비선형항의 효과를 검토하기 위하여 두가지 수치실험을 수행하였다. 수행한 수치실험은 장방형 영역에서의 취송류실험과 일정유속이 개방경계에서 주어지고 모형영역 중간에 도유제가 있는 경우에 과류형성에 대한 수치실험을 수행하였다. 수치실험 결과 취송류실험의 경우 이송항에 의한 비선형 효과가 적었으며 과류형성 실험인 경우 이송항에 의한 비선형 효과가 크게 나타났고 Stelling(1984)의 연구 결과와 유사하게 재현되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2023년도 학술발표회
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• pp.294-294
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• 2023

보나 댐에 설치된 배수관이나 지하에 매설된 상하수도관과 같이 물을 운반하기 위한 관로 뿐만 아니라 유류를 운송하는 관, LPG와 같은 기체를 운송하는 관처럼 유체를 운송할 때 다양한 관로를 사용한다. 그 중 사용범위나 제작에 대한 용이성 등에 의해서 원형관이 주로 사용된다. 따라서 위와 같은 원형관 내의 관수로 흐름분포에 대한 연구는 아주 중요하며 필요하다. 원형관 내 흐름분포는 관에 연결된 펌프 혹은 수조나 저수지의 수위에 의한 관내 압력에 의해 지배되어지며, 관 내부 표면의 거칠기나 관의 꺾인 정도 등 다양한 요인에 영향을 받는다. 본 연구에서는 일반적인 실험결과를 도출하기 위하여 직선의 원형관을 대상으로 실험과 수치모의를 동시에 수행한다. 실험은 높이 3m, 길이 4.5m, 폭 1.5m 수조의 바닥에서부터 0.45m 위에 위치한 1.8m 길이의 아크릴 재질의 원형관이 설치된 수조에서 진행되었으며, 수치모의 또한 동일한 규모에서 수행되었다. 수조의 수위를 변화시켜 여러가지 레이놀즈 수에 따른 관 내 흐름의 변화에 대하여 분석하는 것이 목적이며, 실험결과와 수치모의 계산결과 간의 비교검증을 통해 분석한다. 이 연구에서는 난류의 영향을 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)와 LES(large eddy simulation)을 혼합한 형태인 Hybrid RANS/LES 모형 중 하나인 DES(detacged-eddy simulation)기법을 이용하여 해석함으로써, 빠른 유속으로 인한 관 내의 강한 와(eddy)에 대한 효과를 예측하는데 한계가 있는 RANS 모형과 벽면근처에서의 흐름 해석을 위해 굉장히 높은 격자해상도가 요구되어 계산적 비용 측면에서 효율이 떨어지는 LES 모형의 한계를 극복하고자 한다. DES 모형은 벽에서 떨어진 와에 대하여 LES로 직접해석하고, 벽 근처에서의 흐름에 대해선 난류모형을 통해 모델링함으로써 벽 근처 계산격자와 계산량을 줄이면서 LES와 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 실험결과와 수치모의 계산결과 사이의 비교검증을 통하여 관 내 흐름에 대한 수치모의의 적용성을 평가하고 실험에서 측정하기 어려운 난류강도와 압력변동의 상세한 특성을 수치모의를 통해 분석함으로서 관 내 흐름특성에 대하여 자세히 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
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• pp.1711-1715
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• 2006

최근 급격한 도시화는 홍수량 증가 및 갈수 시 하천의 건천화 등 유역의 유출특성 변화를 가져왔다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하는 방안 중 하나인 투수성 포장의 유역 내 수문학적 효과를 분석하였다. 이를 위해 투수성 포장을 이용한 수리모형 실험 및 수치모형(SWMM)을 병행하여 수행하였다. 연구에 사용한 수치모형은 기존 도시유출 모형인 SWMM(Storm Water Management Model) 모형에 투수성 포장의 수문학적 효과를 고려할 수 있도록 수정된 모형이며, 수리모형 실험 결과를 토대로 수치모형의 중요 매개변수를 추정하였다. 또한 실험에 의해 관측된 지표 및 지하수 유출량과 수치모형에 의해 산출된 자료를 비교.분석하여 수정된 SWMM 모형의 유용성을 평가하였다. 강우강도가 65 mm/hr, 90 mm/hr, 95 mm/hr인 강우를 4시간씩 공급하는 경우에 대한 3가지 수리모형 실험을 수행하였다. 수리모형실험 결과 강우강도는 지표면 유출의 크기에 직접적인 영향을 미치고 있었으며 지하수 유출량은 강우강도 보다는 지하수위 조건에 더 큰 영향을 받는 것으로 분석되었다. 수리모형 실험결과 및 수치모형 모의결과를 비교 분석한 결과, 토양 함수량 및 지하수위 변동 특성은 초기에서 정상상태로 전이되는 부분과 강우 정지 후 감소되는 부분에서 수리모형 실험과 다른 양상을 보였다. 지하수위는 실험 시 발생하는 공기층의 포집이 많은 영향을 미치고 있음을 알 수 있었고, 함수량 변화에 있어서는 수치모형(SWMM)의 모의 결과가 과도하게 감소하는 특성을 보여 주고 있었다. 즉, 유출량의 특성은 비슷한 양상을 보이고 있으나 지하수위 변화 및 토양 내 함수량 변화 예측에 있어서는 그 정확도가 떨어지는 것으로 평가되었다. 그러나 본 연구결과를 통하여 투수성 포장과 지하수에 관련된 매개변수의 집적과 분석결과는 현장기술 적용 시 매개변수의 유용한 선택과 도시유역의 물 순환 건전화 대안기술 적용에 효과적인 방법론을 제시할 수 있을 것으로 사료된다.