• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.45-45
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• 2015

고전전인 천수방정식을 적용한 도시침수 해석모형에서 건물의 영향을 고려한 정확한 해석을 수행하기 위해서는 고해상도 격자가 요구되며 이는 계산시간의 증가가 야기된다. 고전 천수방정식을 적용한 도시침수해석 모형의 이러한 문제점을 극복하기 위해서 본 연구에서는 도시지역에 존재하는 건물 체적에 레이놀즈 이송이론을 적용한 수정 천수방정식을 제안하고, 제안 천수방정식을 이용한 효율적인 2차원 도시침수해석 모형을 개발하였다. 도시지역의 침수 모델링을 위해 고전 천수방정식은 건물을 고려하기 위해 고해상도 격자를 사용하는 것과 달리 수정 천수방정식은 건물의 영향을 매개변수화함으로서 저해상도 격자의 사용에도 고전 천수방정식과 유사한 정확도를 얻을수 있다. 건물의 영향을 매개변수화하기 위해서는 건물로 인한 저류와 흐름방향의 변화를 지배방정식이 고려할 수 있도록 수정하였다. 즉. 수정 천수 방정식은 고전 천수방정식을 기본으로 하여 건물의 저류영향을 고려하기 위해 각 계산격자에 적용되는 체적 매개변수와 건물의 흐름방향을 고려하기 위해 흐름방향과 직각방향에 위치한 선분(격자를 구성하고 있는 경계선)에 적용되는 면적 매개변수가 추가된다. 수정 천수방정식을 검증하기 위해 개발모형을 건물이 균일하게 위치한 실험하도와 비균일하게 위치한 실험하도에 적용하고 그 결과를 고전 천수방정식을 사용한 계산결과 및 계산시간과 비교함으로서 개발모형의 정확성과 효율성을 검증하였다.

• 한국해양공학회지
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• 제17권6호
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• pp.7-15
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• 2003

A Digital Wave Tank simulation technique, based on a finite-difference method and a modified marker-and-cell (MAC) algorithm, is applied in order to investigate the characteristics of nonlinear Tsunami propagations and their interactions with a 2D sloping beach, Ohkushiri Island, and to predict maximum wove run-up around the island. The Navier-Stokes (NS) and continuity equation are governed in the computational domain, and the boundary values are updated at each time step, by a finite-difference time-marching scheme in the frame of the rectangular coordinate system. The fully nonlinear, kinematic, free-surface condition is satisfied by the modified marker-density function technique. The near shore Tsunami is assumed to be a solitary wave, and is generated from the numerical wave-maker in the developed Digital Wave Tank. The simulation results are compared with the experiments and other numerical methods, based on the shallow-water wave theory.

• 한국해양공학회:학술대회논문집
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• 한국해양공학회 2003년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.231-239
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• 2003

A Digital Wave Tank simulation technique based on a finite-difference method and a modified marker-and-cell (MAC) algorithm is applied to investigate the characteristics of nonlinear Tsunami propagations and their interactions with a 2D sloping beach and Ohkushiri island, and to predict maximum wave run-up around the island. The Navier-Stokes (NS) and continuity equation are governed in the computational domain and the boundary values updated at each time step by a finite-difference time-marching scheme in the frame of rectangular coordinate system. The fully nonlinear kinematic free-surface condition is satisfied by the modified marker-density function technique. The Nearshore Tsunami is assumed to be a solitary wave and generated from the numerical wavemaker in the developed Digital Wave Tank. The simulation results are compared with the experiments and other numerical methods based on the shallow-water wave theory.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제33권1호
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• pp.95-104
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• 2022

Micro hydropower is a readily available renewable energy source that can be harvested utilizing hydrokinetic turbines from shallow water canals, irrigation and industrial channel flows, and run-off river stream flows. These sources generally have low head (<1 m) and low velocity which makes it difficult to harvest energy using conventional turbines. A horizontal-axis screw turbine was designed and numerically tested to extract power from such low-head water sources. The 3-bladed screw-type turbine is placed horizontally perpendicular to the incoming flow, partially submerged in a narrow water channel at no-head condition. The turbine hydraulic performances were studied using Computational Fluid Dynamics models. Turbine design parameters such as the shroud diameter, the hub-to-shroud ratios, and the submerged depths were obtained through a steady-state parametric study. The resulting turbine configuration was then tested by solving the unsteady multiphase free-surface equations mimicking an actual open channel flow scenario. The turbine performance in the shallow channel were studied for various Tip Speed Ratios (TSR). The highest power coefficient was obtained at a TSR of 0.3. The turbine was then scaled-up to test its performance on a real site condition at a head of 0.3 m. The highest power coefficient obtained was 0.18. Several losses were observed in the 3-bladed turbine design and to minimize losses, the number of blades were increased to five. The power coefficient improved by 236% for a 5-bladed screw turbine. The fluid losses were minimized by increasing the blade surface area submerged in water. The turbine performance was increased by 74.4% after dipping the turbine to a bottom wall clearance of 30 cm from 60 cm. The final output of the novel horizontal-axis screw turbine showed a 2.83 kW power output at a power coefficient of 0.63. The turbine is expected to produce 18,744 kWh/year of electricity. The design feasibility test of the turbine showed promising results to harvest energy from small hydropower sources.

• 한국수자원학회논문집
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• 제38권4호
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• pp.259-269
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• 2005

본 연구에서는 제방의 월류 및 붕괴에 따른 홍수파가 제내지로 전파되는 경우의 물리적인 특성을 고려하여 하천에 대한 홍수류 해석은 Preissmann 기법을 적용하였으며, 제내지에서의 범람해석을 위해 2차원 모형을 적용하여 해석할 수 있도록 구성하였고, 이들 두 모형이 상호 작용할 수 있는 하도-제내지 연결부 수치해석 모형을 개발하였다. 본 모형에서는 잠수효과의 해석을 위한 관련방정식을 도입하여 제내지에서의 수위 상승에 따른 하천으로부터의 월류량을 정확하게 계산할 수 있도록 구성하였다. 본 연구모형을 2002년 9월 낙동강 유역 실제 제방붕괴의 경우에 적용하여 제내지에서의 2차원 범람양상을 유속분포와 범람수심에 대해서 주요 시간대별로 계산하여 도시하였으며 모의결과는 당시의 실측자료 및 홍수범람범위와 잘 일치되는 것으로 나타났다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제14권2호
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• pp.116-127
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• 2002

대부분의 지진해일에 대한 수치모의는 천수방정식을 지배방정식으로 하고 leap-frog 유한차분기법을 주로 적용한다. 이 기법은 격자간격을 적절히 선정하면 분산효과를 옳게 고려할 수 있으나, 수심이 변하는 경우 전 계산영역에서 분산효과를 모두 만족시킬 수는 없다. 본 연구에서는 균일한 격자와 계산시간간격을 사용하면서도 수심이 완만하게 변하는 지형상을 전파하는 지진해일의 국부적인 분산관계를 만족시키기 위해 기존의 2차원 완 변수심상 분산보정 유한차분기법을 개선하고, 이 수치모형의 현장 적용성을 검증하기 위해 1983년 동해중부 지진해일을 검조기록이 있는 동해안의 속초, 묵호, 포항 그리고 울산항에 대하여 수치모의하였다. 또한 1983년 지진해일에 대해 각 항만에서 측정된 검조기록과 수치모의에 의해 계산된 값을 비교 분석하여 수치모형의 정밀도를 평가하였다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제15권2호
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• pp.108-115
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• 2003

천수방정식에 기초한 ADCIRC 유한요소모형을 이용하여 지진해일 전파를 수치모의할 때 분산효과를 고려하기 위한 두 가지 일차원 분산보정기법을 개발하였다. 첫 번째 방법은 음해법으로, 각 시간단계의 공간미분항에 부여되는 가중치를 조정함으로써 분산보정을 수행한다. 두 번째는 양해법으로, 유한요소의 크기를 조정하여 분산을 고려한다. 새로운 기법을 이용하여 계산한 수치해와 파의 분산효과를 고려한 해석해의 비교를 통해 본 연구에서 제안한 분산보정기법의 타당성을 확인하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제43권1호
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• pp.105-117
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• 2010

본 논문은 2차원 천수방정식을 해석하기 위해 새롭고 간단한 MUSCL 재구성법을 제안하였다. 수정 MUSCL 기법은 보존변수의 재구성을 위해 계산격자와 인접격자의 보존변수 차에 대해 각 경계면에 균일하게 분배하는 기존 방법 대신 면적가중비를 사용하였으며, 이 방법은 정형격자 뿐만 아니라 비정형 격자의 사용에도 보존변수의 물리적 재구성이 가능하다. 또한, 본 연구에서는 비구조적 격자의 적용이 가능한 차원비분리 기법을 적용하였으며, 수정 MUSCL 기법의 사용으로 발생할 수 있는 수치진동을 제어하기 위해 TVD 기법의 경사제한자를 사용하였다. 하상경사항의 정확하고 효율적인 수치 처리를 위해 수정 MUSCL 기법을 수면경사법과 연계하였다. 제안한 기법을 적용한 유한체적모형을 건물의 영향을 고려한 댐 붕괴 해석 및 Bellos의 댐 붕괴 실험에 적용하고, 적용결과를 실험실 자료 및 기존 연구자의 계산결과와 비교하여 개발모형을 검증하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제29권5B호
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• pp.429-439
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• 2009

댐 붕괴로 인한 극한홍수가 발생하였을 경우, 홍수경보에 대한 대응시간은 일반적인 홍수의 경우보다 훨씬 짧다. 수치모형은 홍수파의 전파양상을 예측하고, 범람지역, 홍수파 도달시간 그리고 침수심 등에 관한 정보를 제공하는데 있어 강력한 도구가 될 수 있다. 그러나 댐 붕괴로 인한 홍수파의 전파는 불연속 흐름이나 마른하도의 전파를 포함하고 있으므로, 수학적으로 표현하기 어려운 경우가 많다. 그럼에도 불구하고 최근에 유한체적기법을 이용하여 댐 붕괴로 인한 홍수범람을 모의하기 위한 수치모형의 개발이 많이 이루어졌다. 유한체적기법은 적분보존형 방정식을 기본으로 하고 있으므로, 불연속 흐름이나 충격파의 해석에 용이하다. 따라서, 본 연구에서는 2차원 보존형 천수방정식의 해석을 위해 유한체적기법과 Riemann 근사해법을 이용한 수치모형을 개발하였다. 그리고 예측단계와 수정단계에서 연속방정식과 운동량 방정식의 보존변수 재구성을 위해 수면경사법과 연계한 MUSCL 기법을 적용하여 시간과 공간에서 2차정확도를 얻었다. 개발한 유한체적모형을 2차원 부분적 댐 붕괴 해석 및 삼각형 융기를 가진 하도에 대한 댐 붕괴 해석에 적용하고, 적용결과를 실험자료 및 기존 연구자의 계산결과와 비교하여 개발모형을 검증하였다.

• Ocean and Polar Research
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• 제30권4호
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• pp.453-466
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• 2008

In order to examine the generation mechanism of long ocean waves along the west coast of Korea and to understand the amplification process of the long ocean waves, sea level, atmospheric pressure and wind data observed every minute from 2007 March 29 to 2007 April 1 were analyzed and onedimensional numerical ocean model experiments were performed. An atmospheric pressure jump propagated southeastward from Backryungdo to Yeonggwang along the west coast of Korea with speed of $13{\sim}27\;m/s$ between 2007 March 30 23:00 and 2007 April 1 1:30. Average magnitude of pressure jump was 4.2 hPa. As a moving atmospheric jump propagated from north to south along the coast, long ocean waves were generated and the sea level abnormally rose or fell at Anheung, Kunsan, Wido and Yeonggwang. Average amplitude of sea level rise (or fall) was about 113.6 cm. In a one-dimensional numerical ocean model, nonlinear shallow water equations were numerically integrated and a moving atmospheric pressure jump with traveling speed of 24 m/s was used as an external force. While the atmospheric pressure jump travels over 60 m depth ocean, a long ocean wave is generated. Because the propagation speed of the atmospheric jump is almost equal to that of the long ocean wave, Proudman resonance occurs and the long ocean wave amplifies. As the atmospheric pressure jump moves into the coastal area shallower than 60 m, the speed of the long ocean wave decreases and Proudman resonance effect decreases. However, the amplitude of the long ocean wave increases and wave length becomes shorter because of shoaling effect. When the long ocean wave hits the land boundary, amplitude of the long ocean wave drastically amplifies due to reflection. Data analysis and numerical experiments suggest that the southeastward propagation of an atmospheric pressure jump over the shallow ocean, which is a necessary condition for Proudaman resonance, generated the long ocean waves along the west coast of Korea on 2007 March 31 and the ocean waves amplified due to shoaling effect in the coastal area and reflection at the shore.