• Wind and Structures
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• 제37권4호
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• pp.255-274
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• 2023

The aim of this paper is to enhance the accuracy of predicting time-averaged external surface pressures on low-rise buildings by utilizing Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. To achieve this, benchmark studies of the Silsoe cube and the Texas Tech University (TTU) experimental building are employed for comparison with simulation results. The paper is structured into three main sections. In the initial part, an appropriate domain size is selected based on the precision of mean pressure coefficients on the windward face of the cube, utilizing Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) turbulence models. Subsequently, recommendations regarding the optimal computational domain size for an isolated building are provided based on revised findings. Moving on to the second part, the Silsoe cube model is examined within a horizontally homogeneous computational domain using more accurate turbulence models, such as Large Eddy Simulation (LES) and hybrid RANS-LES models. For computational efficiency, transient simulation settings are employed, building upon previous studies by the authors at the Windstorm Impact, Science, and Engineering (WISE) Lab, Louisiana State University (LSU). An optimal meshing strategy is determined for LES based on a grid convergence study. Three hybrid RANS-LES cases are investigated to achieve desired enhancements in the distribution of mean pressure coefficients on the Silsoe cube. In the final part, a 1:10 scale model of the TTU building is studied, incorporating the insights gained from the second part. The generated flow characteristics, including vertical profiles of mean velocity, turbulence intensity, and velocity spectra (small and large eddies), exhibit good agreement with full-scale (TTU) measurements. The results indicate promising roof pressures achieved through the careful consideration of meshing strategy, time step, domain size, inflow turbulence, near-wall treatment, and turbulence models. Moreover, this paper demonstrates an improvement in mean roof pressures compared to other state-of-the-art studies, thus highlighting the significance of CFD simulations in building aerodynamics.

• Nuclear Engineering and Technology
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• 제55권10호
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• pp.3874-3897
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• 2023

A high-fidelity computational fluid dynamics (CFD) analysis was performed using the Large Eddy Simulation (LES) model for the lower plenum of the High-Temperature Test Facility (HTTF), a ¼ scale test facility of the modular high temperature gas-cooled reactor (MHTGR) managed by Oregon State University. In most next-generation nuclear reactors, thermal stress due to thermal striping is one of the risks to be curiously considered. This is also true for HTGRs, especially since the exhaust helium gas temperature is high. In order to evaluate these risks and performance, organizations in the United States led by the OECD NEA are conducting a thermal hydraulic code benchmark for HTGR, and the test facility used for this benchmark is HTTF. HTTF can perform experiments in both normal and accident situations and provide high-quality experimental data. However, it is difficult to provide sufficient data for benchmarking through experiments, and there is a problem with the reliability of CFD analysis results based on Reynolds-averaged Navier-Stokes to analyze thermal hydraulic behavior without verification. To solve this problem, high-fidelity 3-D CFD analysis was performed using the LES model for HTTF. It was also verified that the LES model can properly simulate this jet mixing phenomenon via a unit cell test that provides experimental information. As a result of CFD analysis, the lower the dependency of the sub-grid scale model, the closer to the actual analysis result. In the case of unit cell test CFD analysis and HTTF CFD analysis, the volume-averaged sub-grid scale model dependency was calculated to be 13.0% and 9.16%, respectively. As a result of HTTF analysis, quantitative data of the fluid inside the HTTF lower plenum was provided in this paper. As a result of qualitative analysis, the temperature was highest at the center of the lower plenum, while the temperature fluctuation was highest near the edge of the lower plenum wall. The power spectral density of temperature was analyzed via fast Fourier transform (FFT) for specific points on the center and side of the lower plenum. FFT results did not reveal specific frequency-dominant temperature fluctuations in the center part. It was confirmed that the temperature power spectral density (PSD) at the top increased from the center to the wake. The vortex was visualized using the well-known scalar Q-criterion, and as a result, the closer to the outlet duct, the greater the influence of the mainstream, so that the inflow jet vortex was dissipated and mixed at the top of the lower plenum. Additionally, FFT analysis was performed on the support structure near the corner of the lower plenum with large temperature fluctuations, and as a result, it was confirmed that the temperature fluctuation of the flow did not have a significant effect near the corner wall. In addition, the vortices generated from the lower plenum to the outlet duct were identified in this paper. It is considered that the quantitative and qualitative results presented in this paper will serve as reference data for the benchmark.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• 제8권4호
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• pp.165-178
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• 2021

본 연구는 유목의 생성 및 퇴적과 쓰나미 흐름을 수치모형을 활용하여 실험하였다. 이를 위해 2차원 수심적분흐름모형과 유목동역학모형을 사용하였다. 연구지역은 일본 센다이(Sendai)해안가로서 관측자료(Inagaki et al. 2012)를 이용하여 시뮬레이션 결과와 유목의 퇴적패턴을 비교검증하였다. 본 연구를 위해 흐름의 항력으로 인해 유목이 발생하는 단순화된 모형이 개발되었다. 또한 유목 발생량을 고려하기 위해 Google Earth를 활용하여 연구지역의 퇴적된 유목 수를 추정하였으며 그 결과, 해안숲의 30만 그루의 나무으로부터 13000개 이상의 유목이 발생하여 내륙으로 이송되는 수치모의를 수행하였다. 이 수치실험 결과는 Inagaki et al. (2012)의 관측데이터와 유사하였다. 또한, 유목의 발생과 퇴적 패턴의 재현성은 종방향 퇴적패턴에서 높은 상관성을 나타냈다. 추후에는 목재의 크기, 경계 조건, 격자 크기와 같은 유목 매개변수에 대한 민감도 분석을 구축하여 유목의 이동패턴을 분석할 필요가 있을 것으로 판단된다. 이러한 모델링은 물의 흐름과 유목에 따른 재해예측에 유용한 방법론이 될 것으로 기대된다.

• 대한환경공학회지
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• 제22권7호
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• pp.1331-1343
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• 2000

GIS와 USLE를 접목해서 토양유실량을 산정하는 방법론을 개발하여 동해안의 소규모 하천인 강릉 사천천에 적용하였다. GIS를 이용해서 유역의 수계도를 작성하고, 유로추적, 유역면적의 결정 등의 공간분석을 효과적으로 수행할 수 있었다. 토양도와 토지이용도를 이용해서 유역내 토양과 토지이용정보를 일정한 크기의 그리드별로 입력하였고, 공간분석 결과도 그리드별로 저장하였다. 이들 정보에 기초하여 USLE의 각종 인자에 대한 주제도를 생성하였고, 각각의 주제도를 중첩하여 토양유실량을 산출하였다. 이와 같이 GIS를 활용함으로서 지역별로 토지이용 형태별로 토양유실량의 정도를 효과적으로 평가할 수 있었다. 사천천 유역 전체의 평균 토양유실량은 약 1.36ton/ha/yr로 나타났으며, 임야지에서는 0.15ton/ha/yr, 밭에서는 27.04ton/ha/yr, 논에서는 0.78ton/ha/yr로 산출되었다. 밭은 전체유역면적의 약 4.4%인 $2.4km^2$를 차지하는데 밭에서의 총토양유실량은 약 6561ton/yr로 전체 유실량의 84.9%를 차지하고 있어서 면적에 비해 토양유실량이 많다. 산림지역의 토양침식량은 적은 편에 속하나, 밭에서는 경작지에 대한 토양유실 허용치 11.2ton/ha/yr와 비교하면 밭에서의 토양침식에 대한 대비가 필요함을 알 수 있다. 사천천 하류부에서 98년 7월 24일~28일, 98년 9월 29일~10월 1일 2회의 집중호우시에 유출량과 수질을 실측 조사한 결과, 유출량이 증가함에 따라 SS, TN, TP의 오염물질 농도가 높아지고, 유출오염부하량도 증가하는 경향을 보였다. 따라서 토양유실이 많은 홍수기에 인과 질소의 영양물질의 유출량이 큰 것으로 나타났다. 사천천 유역에서 년간 발생되는 오염부하량 중에서 SS는 21%, TN은 39%, TP는 약 19%가 본 연구에서 조사한 2회의 강우동안에 유출되었다. 따라서 우리 나라의 하천에서는 여름의 홍수기에 단기간에 많은 양의 오염물질이 집중적으로 유출되는 것을 알 수 있다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제18권3호
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• pp.122-126
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• 2017

태양열 에너지를 이용하여 단순한 형태의 공기가열식 집열기를 이용하여 공기를 가열하고 이를 활용하여 생활공간의 난방문제를 해결하기 위한 장치를 개발하는데 목적을 두고 진행되고 있다. 현 시점에서 연구는 모델로 개발한 공기가열식 태양열에너지 집열기의 크기 변화에 따른 가용한 에너지의 량을 이론적으로 산출해 보고 이를 통해 개발 시스템의 가능성을 판단하고자 한다. 본 연구에서는 공기가열식 태양열 집열기의 공기가열성능을 판단하기 위하여, 특정 크기의 태양열 집열기에 일정한 일사량을 투하하였을 때, 모델 집열기 내부에서의 열전달 특성변화와 이를 통해 생산되는 공기의 온도($^{\circ}C$)와 생산량(kg/h)을, 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 범용 열유동해석(CFD) 프로그램인 영국 CHAM사의 PHOENICS(1)를 이용하여, 분석한 결과를 구하였다. 분석한 결과에서 알 수 있듯이 집열기의 크기가 ($1.2m{\times}1.1m{\times}0.19m$)의 집열기에서 알루미늄으로 제작하는 내경 0.1m의 공기 가열관을 이용하여 가열할 수 있는 공기의 온도는 약 $40.5^{\circ}C$이며 이때 생산되는 공기의 생산량은 약 $161m^3/h$으로 산출되었다. 본 모델장치는 충분히 태양의 열에너지를 이용하여 실내공간의 온도를 인간이 활동하기에 적합한 활동의 환경을 유지하는데 활용할 수 있다고 판단된다.

• 대한공간정보학회지
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• 제16권1호
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• pp.23-32
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• 2008

최근 기상이변에 따른 국지성 돌발 홍수의 빈번한 발생으로 인해 레이더 등을 이용한 초단기 강수예보의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구는 시공간 분포를 적절하게 표현할 수 있는 레이더 강우시계열자료와 GIS기반의 분포형모형을 연계하여 국내 댐유역에 적용해 봄으로써, 분포형모형의 홍수유출시 현업에서의 적용가능성을 검증하였다. 본 연구에서 사용한 물리적기반의 분포형모형으로는 $Vflo^{TM}$모형을 이용하였으며, 금강권역의 용담댐유역($930km^2$)을 시험유역으로 적용하였다. 입력강우로는 2005년 8월 국지성호우사상, 2007년 태풍 "에위니아"와 "빌리스"를 대상으로하여, 진도레이더로 부터 레이더강우 전처리프로그램인 K-RainVieux를 이용하여 모형의 격자해상도에 맞는 분포형 강우를 생성하여 지역편차보정한 결과 누적강수총량은 2%내외, 편이(bias)값은 $0.886{\sim}0.908$로서 양호한 결과를 보여주었다. GIS수문매개변수를 DEM, 토지피복도, 토양도 등의 기본GIS자료들로 부터 추출, 물리적기반의 분포형모형($Vflo^{TM}$)의 매개변수로 사용하였으며, 3가지 강우사상에 대한 다첨두수문곡선 모의결과 총유출량 및 첨두유량 오차가 20%미만으로 나타나 실무에서의 사용시 홍수량 예측에 충분한 적용성이 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구의 성과는 향후 돌발홍수에 대응한 실시간 단기 강우유출예측시스템을 구축하기위한 기반이 될 것으로 기대된다.