• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.134-134
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• 2011

3차원 난류 부력젵의 혼합을 큰 와 모의(large-eddy simulation) 기법을 이용하여 수치모의 한다. 개발된 수치모형은 3차원 열동수역학 모형을 이용하여 부력젵의 퍼짐, 자기 보존 그리고 주변류의 연행 등을 포함하는 난류젵의 동적 특성을 분석할 수 있다. 수치해석에서 하부격자규모 (subgrid scale, SGS) 난류 응력은 부력항을 수정한 Smagorinsky 모형을 이용한다. 여과된 엔탈피 수송방정식에서 하부격자규모의 스칼라 플럭스는 상수의 SGS Prandtl 수를 가지는 단순 경사수송 가설에 근거하여 모의한다. 계산된 결과를 실험결과와 비교하며, 결과는 양호하게 일치함을 보여준다. 계산결과에 따르면 부력항의 수정이나 SGS 난류 Prandtl 수는 결과에 큰 영향을 미치지 않지만 SGS 모형 상수인 Cs 값은 부력젵 확산 예측에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.94-94
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• 2019

보의 주요한 기능은 수위 및 유량을 조절이며, 수심을 확보하거나 하상 경사를 조절하기 위하여 설치된다. 보의 설치는 평균 흐름뿐만 아니라 강한 난류 흐름을 생성한다. 보의 실용적인 측면에도 불구하고, 이러한 흐름의 교란은 보의 상류뿐만 아니라 하류에 하상 변화를 초래한다. 이는 종종 하천의 안정뿐만 아니라 보 자체의 안전에도 영향을 미친다. 보 하류의 국부 세굴은 보를 지나는 3차원 흐름 특성을 가지는 복잡한 조직구조에서 기인한다. 특히, 이러한 흐름은 보에서 발생하는 큰 박리 흐름과 이어서 나타나는 재순환 영역 및 강한 하강류로 특징지을 수 있다. 보 하류 흐름에 관한 많은 실험 및 수치모의 연구가 수행되어왔다. 그러나 실험은 보 또는 하상과 같은 벽 경계면과 수면 근처의 세밀한 흐름 특성을 파악하기 어렵다. 또한, 기존의 RANS (Reynolds averaged navier-stokes) 모형은 조직구조와 같은 3차원 흐름 특성을 파악하기에 적합하지 않다. 본 연구에서는 큰 와 수치모의 (large eddy simulation)을 이용하여 세굴공이 발달한 경우와 그렇지 않은 경우의 보 하류의 흐름 특성을 분석하였다. 보에 의해 발생한 재순환 흐름은 세굴공이 발달하면서 그 영역이 확장되며, 재순환 흐름의 하강류의 세기는 약해지는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 세굴공이 발달하면서 최대 세굴심의 위치는 재순환 흐름의 하단 끝 부분과 일치하는 것으로 나타났다.

• 대한토목학회논문집
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• 제34권3호
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• pp.833-840
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• 2014

본 연구에서는 OpenFOAM에서 제공하는 소스 코드를 이용하여 폭-수심비가 2인 직사각형 개수로 흐름에 대해 수치모의를 수행하였다. 여과된 연속 방정식과 운동량 방정식을 해석하기 위하여 큰 와 수치모의를 이용하였고, 비등방성 잔여 응력항을 산정하기 위하여 Smagorinsky 모형(1963)을 사용하였다. LES 모형을 Tominaga et al. (1989)의 폭-수심비가 2인 실험수로에 적용하고 평균흐름 및 난류량을 비교하였다. 추가로 Nezu and Rodi (1985)의 실험 결과와 Shi et al. (1999)의 LES 모의 결과와 함께 비교를 수행하였다. 비교 결과 평균흐름 및 난류량 모두 기존 실험 및 모의 결과를 잘 재현하는 것으로 확인되었다. 특히 이차흐름 분포도에서 측벽과 자유수면의 접합부에서 발생하는 내부이차흐름이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 수심방향 난류강도의 경우 측벽과 바닥벽에서 난류강도의 등치선도가 측벽과 바닥벽의 접합부 방향으로 편향되는 현상을 확인하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제52권10호
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• pp.697-706
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• 2019

다상흐름 모델링 기법과 하이브리드 난류 모델링 기법을 결합한 수치모형을 이용하여 사각형 수로에서의 중력류를 수치모의 하였다. 이 연구에서 적용한 다상흐름 해석기법은 밀도가 큰 중력류 유체, 상대적으로 밀도가 작은 주변류 유체 그리고 자유수면 위에서 흐르는 공기를 3개의 상으로 처리하며, 각 상에 대해서 분리된 흐름 지배방정식을 적용한다. 난류흐름은 벽경계 근처에서는 RANS 모드로 모의하고 벽에서 떨어진 영역에서는 LES 모드로 해석하는 하이브리드 RANS/LES 방법의 일종인 IDDES 기법을 이용하여 해석한다. 이 연구에서 적용한 모델링 기법은 중력류의 머리의 전파속도를 실험값과 일치하게 잘 예측하는 것으로 나타났다. 수치해석 결과는 아울러 낮은 레이놀즈수 난류모형을 이용한 RANS 수치모의에서 이용되는 정도의 격자해상도에서도 큰 규모의 Kelvin-Helmholtz 형식의 경계면 와의 발달과 이들 와가 지속적으로 3차원 형식의 붕괴를 거쳐 작은 난류구조로 분해되면서 난류에너지가 소산되는 현상을 성공적으로 예측함을 보여준다. 적용한 수치모의 기법은 공학적으로 접근 가능한 격자해상도에서 돌출-쪼개짐 흐름 불안정을 동반한 중력류 머리부분의 3차원 거동 특성을 잘 재현하며, 이 결과는 보다 높은 격자해상도에서 구해진 LES 결과에 상응하는 것으로 나타났다. 이 연구결과는 하이브리드 난류모델링 기법과 다상흐름 해석기법을 병합한 수치모형이 자연상태에서 복잡한 중력류의 물리적 거동을 예측하는데 공학적으로 유망한 방법임을 보여준다.

• 대한토목학회논문집
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• 제34권5호
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• pp.1435-1442
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• 2014

본 연구에서는 OpenFOAM에서 제공하는 소스코드를 이용하여 매끄러운 하상의 직사각형 개수로 흐름에 대해 수치모의를 수행하였다. 난류 해석을 위해 LES를 수행하였는데, 비등방성 잔여 응력항을 모델링하기 위해서 Germano et al. (1991)이 제시한 Dynamic Subgrid-scale 모형을 이용하였다. 조직구조를 분석하기 위하여 Lu and Willmarth (1973)가 제시한 uw 사분면기법을 이용하여 순간레이놀즈 응력이 레이놀즈 응력에 미치는 영향을 기여율과 시간비로 나누어 분석하였다. LES 모의 결과를 토대로 기존 실험 및 DNS 모의 결과와 비교하고 분석하였다. 매끈한 하상을 가진 개수로 흐름에서 완충층 이후의 구간에서 분출현상이 쓸기현상에 비해 레이놀즈 응력의 양의 생성에 기여하는 바가 크지만, 분출현상에 비해 쓸기현상의 발생빈도가 큰 것으로 확인되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.853-857
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• 2009

2차원 흐름해석 모형인 SMS(Surface-Water Modeling System)와 RAMS(River Analysis Modeling System)를 이용한 유속장 모의를 통해 Manning 조도계수와 와점성계수에 대한 민감도 분석을 수행하여 흐름특성은 Manning 조도계수에 큰 영향을 받음을 알 수 있었다. 본 연구에서는 Manning 조도계수의 변화를 통하여 실측치에 근사한 유속 분포의 모의결과를 도출하고자 현장실측을 통해 취득한 자료를 이용하여 2차원 수치모형의 모의결과와 비교하였다. 국가하천 형산강 본류 중 안강수위관측소에서 부조수위관측소 사이 약 4.3 km 의 구간을 모의구간으로 선정하였으며, $2006{\sim}2007$년에 걸쳐 취득된 현장실측자료를 바탕으로 매개변수 추정 및 모의결과와 비교하였다. 대상구간에 대한 모의결과의 정확도를 개선하기 위하여 하도의 지형특성 등을 고려하여 모의구간을 다수의 구획으로 구분한 후 수심 및 하도 평면선형을 고려한 Manning 조도계수를 차등적으로 할당하여 모의하였다. 이상의 과정을 통해 모의결과의 정확도 제고가 가능함을 관찰할 수 있었다.

• 한국농림기상학회지
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• 제16권3호
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• pp.246-260
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• 2014

90m 고해상도 SRTM 지형자료를 장착한 WRF 수치모형을 이용하여 광릉 활엽수림 KoFlux 타워(GDK)와 침엽수림 KoFlux 타워(GCK)가 위치한 계곡 및 주변에서의 국지 대기순환을 식생-대기 이산화탄소 순환 및 미기상학적 관점에서 연구하였다. 지표 부근 온도와 바람에 대하여 모형과 관측 결과를 비교함으로써 모형의 전반적인 성능을 평가하였고, 연구 지역에 국지순환이 발생한 맑은 날(Case I)과 흐린 날(Case II) 사례를 선정하여 수치모의를 수행하고 그 결과를 정성적으로 분석하였다. 관측된 바람장은 GDK와 GCK 간에, 또 Case I과 Case II 간에 주간 및 야간 국지풍의 시작, 종료, 지속시간, 강도 등에 차이를 보였다. 모형의 수치모의 결과들은 광릉 KoFlux 타워 관측으로부터 그 가능성이 제기된 관측지 계곡의 배수류가 실제로 존재함을 증거하였다. 전반적으로 모형이 모의한 바람장은 아침의 배수류-사면활승풍 전이와 저녁의 사면활승풍 역전 등을 포함하여 계곡 및 주변에서 관측된 국지풍의 일변화를 현실적으로 모사하였다. 또한 국지풍 간 상호작용의 복잡성도 지시하였는데, 가령 주간에 광릉 관측지 계곡 내부의 서풍은 반드시 산풍인 것은 아니었으며, 종종 약한 종관규모 바람 또는 서쪽에서 불어온 해풍과 같은 보다 큰 규모의 중규모 바람 등 다른 풍계와 결합이 되어 있었다. 광릉 생태계의 에너지, 물질, 정보 흐름의 시공간적 변동을 입체적으로 이해하는데 있어서 이러한 고해상도 국지순환 수치모의 결과는 상당히 유용한 것으로 판단되며, 구축된 국지모의 시스템을 지속적으로 개선하는 노력이 향후 뒤따라야 할 것이다. 아울러, 다른 농림생태계 관측지도 모의 영역에 포함시켜 모형 결과의 활용도를 넓힐 필요가 있다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제38권5호
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• pp.365-377
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• 2005

본 연구는 수력발전시설에서 물고기의 생존과 상해를 유도하는 흐름현상을 파악하기 위한 진보된 수치해석기법의 개발을 다루고 있다. 원형 젤의 LES를 실시하여 난류젤의 전단지역에 물고기를 방류하는 실험의 결과를 수치적으로 해석하였다. 이 연구에서는 순간 LES 흐름장이 유속, 압력 그리고 와도의 강한 변동으로 특성지울 수 있으며, 이것이 물고기에게 시간평균 정상류보다 상당히 큰 추진력과 모멘트를 발휘함을 보여준다. 이 연구는 아울러 수력터빈 드래프트관에서의 부정류를 RANS/LES의 혼성모형 즉 DES를 이용하여 해석하였으며, 물고기가 드래프트관내에서 방향감각을 상실하거나 과도하게 지체하도록 할 수 있는 난류가 발생함을 보여준다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.400-400
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• 2016

자연하천에서 다양한 목적으로 설치된 수공구조물을 볼 수 있으며 대표적으로 교량의 교각을 들 수 있다. 교각 주위에서 발생하는 국부세굴은 교량붕괴의 가장 큰 원인이므로 이에 대한 연구는 필수적이다. 수리실험 또는 수치모형을 이용하여 교각주변의 국부세굴에 관한 많은 연구들이 수행되었지만 세굴인자의 특성 및 메커니즘에 대한 연구는 여전히 부족하다. 본 연구에서는 LES(large-eddy simulation)에 유사이송 및 하상변동 모형과 결합하여 2개의 원형교각 주변의 흐름 및 세굴을 수치모의 하였다. LES와 유사이송 및 하상변동 모형의 결합은 난류의 영향을 직접 모형에 고려할 수 있기 때문에 교각 주변에서 발생하는 말굽형 와 구조와 같은 복잡한 흐름에 의한 영향이 반영된다. 계산영역은 흐름방향으로 10 m, 횡 방향으로 2.4 m로 하였고, 지름(D) 0.16 m를 가지는 원형교각을 유입부로부터 2.4 m 떨어진 위치에 배치하였다. 이때 두 개 교각사이의 각은 $0^{\circ}{\sim90^{\circ}$이고 원형교각 사이의 거리는 5D로 하였다. 수치모의에 사용된 조건은 이전의 수리실험(Khosronejad et al., 2012)을 참고하여 접근평균유속은 0.25 m/s, 수심은 0.15m를 사용하였다. 수치모의는 원형교각 주변의 최대세굴심이 평형상태에 이를 때 까지 수행하였다. 접근각도 변화에 따른 원형교각 주변의 세굴과정 및 특성을 분석하였으며 최대 세굴심 결과를 Hannah(1978)의 수리실험결과와 비교하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.302-307
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• 2009

물리적인 조류제어 기술에 해당하는 수류 차단막(이후 차단막)은 유입하천의 수류를 차단 또는 우회시켜 영양염류가 저수지의 유광층으로 공급되는 것을 차단하고 본류 수역으로의 조류 확산을 방지하는 기능이 있어 일본에서는 저수지 녹조제어 대책으로 자주 활용된 바 있다. 그러나 이러한 차단막은 국내 저수지와 같이 홍수시 유입 유속이 크고 수위변동이 심한 환경에서는 설치효과가 검증되지 않아 현장적용에 앞서 수치모의를 통한 효과 검증이 선행되어야 하며, 최적 규모와 위치 선정도 필요하다. 본 연구에서는 수위변동이 심한 국내 저수지 특성을 고려하여 차단막이 수위변화에 따라 상하로 이동할 수 있도록 기존 CE-QUAL-W2(이후W2) 모델의 알고리즘을 수정하고, 대청호에서 다양한 수리 수문조건에서 차단막의 기작과 효과를 예측하기 위해 가뭄년(2001년)과 평수년(2004, 2006년)을 대상으로 각각 모델을 적용하였다. 차단막 설치 예정지점은 소옥천 하류(7 m 깊이)와 댐으로부터 각각 14.9 km, 27.4 km 상류에 위치한 회남대교 아래 지점(10 m 깊이)과 대정리(10 m 깊이)로 가정하고, 모의 시나리오는 차단막을 설치하지 않은 경우(S-1), 소옥천 하류에 단독으로 설치한 경우(S-2), 소옥천과 대정리에 설치한 경우(S-3), 모든 지점에 설치한 경우(S-4)를 비교하였다. 차단막 설치에 따른 수문년 및 계절별 수질개선 효과(S-1에 대한 S-4 농도 저감 비)를 비교한 결과, 대청호에서 녹조문제가 가장 심각했던 2001년 6월$^{\sim}$8월 기간 동안 차단막은 봄-여름에 걸쳐 모든 비교 지점(회남, 댐, 추동, 문의수역)에서 Chl-a 농도를 최저(문의수역) 30%에서 최고(회남수역) 70% 정도 저감하는 효과를나타냈다. 평수년인 2004년과 2006년에는 강우사상에 따라 차단막 설치에 따른 Chl-a의 농도 저감 효과가 지점별로 다르게 나타났으며, 큰 강우사상이 6월, 7월, 8월에 걸쳐 골고루 발생한 2004년에 비해 7월 한 달 동안 집중된 2006년에 설치효과가 크게 나타났다. 수역별로 차단막의 설치효과를 비교해 보면, 유입수의 영향을 직접 받는 회남수역과 추동수역이 댐 앞과 문의수역에 비해 차단막 설치에 따른 Chl-a 농도의 저감 효과가 큰 것으로 나타났다. 그러나, 큰 홍수가 유입할 때 차단막 상류부에 집적된 조류의 일부가 수류의 포획(Entrainment) 기작에 의해 저수지 내부로 유입되는 것으로 확인되어 차단막 효과를 극대화하기 위해서는 홍수 전 차단막 상류부에 집적된 조류의 처리대책이 필요할 것으로 판단된다.