• Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers
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• v.31 no.5
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• pp.320-333
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• 2019

In this study, a physics-based 3D morphology model for the estimation of an erosion rate of nourished beach is newly proposed. As a hydrodynamic module, IHFOAM toolbox having its roots on the OpenFoam is used. On the other hand, the morphology model comprised a transport equation for suspended sediment, and Exner type equation derived from the viewpoint of sediment budget with the bed load being taken to accounted. In doing so, the incipient motion of sediment is determined based on the Shields Diagram, while the bottom suspended sediment concentration, the bed load transport rate is figured out using the bottom shearing stress directly calculated from the numerically simulated flow field rather than the conventional quadratic law and frictional coefficient. In order to verify the proposed morphology model, we numerically simulate the nonlinear shoaling, breaking over the uniform beach of 1/m slope, and its ensuing morphology change. Numerical results show that the partially skewed, and asymmetric bottom shearing stresses can be successfully simulated. It was shown that sediments suspended and eroded at the foreshore by wave breaking are gradually drifted toward a shore and accumulated in the process of up-rush, which eventually leads to the formation of swash bar. It is also worth mentioning that the breaker bar formed by the sediments dragged by the back-wash flow which commences at the pinnacle of up-rush as the back-wash flow gets weakened due to the increased depth was successfully duplicated in the numerical simulation.

• Ecology and Resilient Infrastructure
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• v.2 no.4
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• pp.317-323
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• 2015

This study investigated the impact of the morphological change on a physical fish habitat in the downstream reach of a dam using long-term mobile bed simulation. The quasi-steady model was used for hydraulic simulation and the habitat suitability index model was applied for physical habitat simulation. For simulating long-term morphological change of the stream bed, The Exner equation was used. Sorting of bed material was also considered. The results of simulation showed that erosion and armoring process occurred in a reach downstream of the dam and change of physical habitat for Zacco platypus followed. These results indicate that channel morphology and substrate conditions effected the physical habitat for considering long-term investigation.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.64-64
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• 2016

하천은 인간에게 용수의 이용 및 하천호안의 휴식처로써의 이용을 통해 직접적인 영향을 주고, 하천구조물의 심미적 영향, 랜드마크로써의 역할을 통해 간접적인 영향을 준다. 또한, 하천은 하천생태계에 서식하는 동 식물에게 영향을 준다. 그러나 하천유사로 인해 통수능이 감소하고, 하천구조물 주변에 침식을 야기할 뿐만 아니라, 댐과 저수지에 유사의 퇴적으로 저수용량의 감소시킨다. 그러므로 이를 예측하는 것은 경제적, 환경적으로 중요하다. 하상변동의 모의를 위해 기존의 2차원 모형은 만곡흐름에서 유동의 helical flow를 고려하지 않아 예측이 부정확하였다. 본 연구에서는 천수방정식을 이용한 하상변동 수치모의에 helical flow의 영향을 고려하였다. 하천과 같은 천수영역에서의 흐름 및 하상변동을 해석하기 위하여 수심평균 된 Navier-Stokes equations인 천수방정식을 이용하였다. 지배방정식은 곡선 좌표계에서 유한체적법으로 차분하였고, 비엇갈림격자를 사용하였다. 지배방정식의 닫힘 문제를 해결하기위해 0-방정식 난류모형을 사용하였고, "time marching" 기법의 적용을 위해 계산단계분할 방법을 이용하였다. 비엇갈림격자의 사용으로 인해 검사체적의 면에서의 유속이 필요하여 pressure-velocity coupling을 사용하여 유속의 진동을 줄였다. 또한, 만곡부의 helical flow를 모의하기위해 helical flow intensity model을 도입하였다. 앞에서 계산한 흐름을 바탕으로 유사량 산정공식과 Exner 방정식을 이용하여 하상변동을 모의하였다. 흐름의 검증, helical flow의 영향에 대한 확인, 하상변동의 적용을 위해 선행연구의 실험이 사용되었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.414-418
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• 2005

A finite element model is developed for the numerical simulation of bed elevation change in a curved channel. The SU/PG (Streamline-Upwind/Petrov-Galerkin) method is used to solve 2D shallow water equations and the BG (Bubnov-Galerkin) method is used for the Exner equation. For the time derivative terms, the Crank-Nicolson scheme is used. The developed model is a decoupled model in a sense that the bed elevation does not change simultaneously with the flow during the computational time step. The total load formula with is used for the sediment transport model. The slip conditions are described along the lateral boundaries. The effects of gravity force due to geometry change and the secondary flows in a curved channel are considered in the model. For the verification, the model is applied to two laboratory experiments. The first is $140^{\circ}$ bended channel data at Delft Hydraulics Laboratory and the second is $140^{\circ}$ bended channel data at Laboratory of Fluid Mechanics of the Delft University of Technology. The finite element grid is constructed with linear quadrilateral elements. It is found that the computed results are in good agreement with measured data, showing a point bar at the inner bank and a pool at the outer bank.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2006.05a
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• pp.588-593
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• 2006

자연하천은 일반적으로 만곡수로나 사행수로 형태를 보이고 있으며, 직선수로에서와 달리 원심력에 기인한 이차류 영향을 받게 된다. 이차류에 의해서 수면에서는 만곡부 바깥쪽으로, 하상에서는 만곡부 안쪽으로의 흐름특성을 보이게 된다. 만곡부 안쪽으로 가해지는 하상 전단응력에 기인하여 하상에서의 입자가 만곡부 안쪽으로 이송되며, 결과적으로 만곡부 안쪽에는 점사주가, 바깥쪽에는 소(pool)가 생성된다. 또한 지형경사의 생성으로 입자에 가해지는 중력효과도 변화된다. 따라서 이와 같은 자연하천의 흐름과 하상변동을 수치모의 하기 위해서는 만곡부 이차류 특성을 고려한 모형이 필요하다. 본 연구에서는 수심 적분된 흐름방정식과 하상토 보존방정식 (Exner equation)을 이용한 하상변동을 위한 비연계 수치모형을 위해서 하상토 보존방정식의 유한요소 알고리즘을 개발하였다. 하상토 보존방정식은 흐름 특성에 따른 평형 유사량의 공간변화율을 이용하여 일정 기간 동안의 하상 변화량을 계산한다. 이 때 이차류에 의한 하상 전단응력의 편각 및 지형경사 변화에 따른 실제 입자의 이송방향을 보정하여 평형 유사량이 계산된다. 이러한 보정식을 적용시키기 위해서는 유속성분의 공간변화량 및 지형경사의 공간성분이 필요하다. 유한요소법은 연속성 변수를 이산화시켜 근사해를 구하는 수치기법의 일종이기 때문에, 요소망이 불규칙적으로 구성되었을 경우 임의의 절점에서 연속성을 지닌 변수의 공간변화율을 계산하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 평형 유사량 계산 시에 절점이 아닌 요소 내부에서 평형 유사량을 계산하는, 하상토 보존방정식의 새로운 유한요소 알고리즘을 개발하고, 새로운 알고리즘을 적용시킨 수치모형의 검증을 행하였다. 경계조건 알고리즘의 검증으로 위해서 Soni 등 (1980)이 행한 상류 유입 유사량에 따른 하상변동을 수치 모의하고 실험치와 비교하였으며, Sutmuller와 Glerum (1980)이 수행한 만곡수로에서의 하상변동을 모의하고 실험과 비교하였다. 새로운 알고리즘을 적용시킨 하상토 보존방정식의 유한요소 수치모형의 결과는 매우 안정적이며, 실험과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 본 수치모델은 현재 균일한 입자의 하상토만을 고려하므로, 입자분급이나 하상 장갑화 현상 등은 무시한다.