[논문]입자법을 이용한 댐 붕괴의 수치 시뮬레이션

이병혁; 정성준; 김영훈; 박종천

입자법을 이용한 댐 붕괴의 수치 시뮬레이션
NUMERICAL SIMULATION OF DAM-BROKEN PROBLEMS USING A PARTICLE METHOD 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.13 no.1 = no.40, 2008년, pp.28 - 34

이병혁 (부산대학교 대학원 조선해양공학과) , 정성준 (부산대학교 대학원 조선해양공학과) , 김영훈 (한국조선협회 조선인력개발센터) , 박종천 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A particle method recognized as one of the gridless methods has been developed to investigate the nonlinear free-surface motions interacting to the structures. The method is more feasible and effective than convectional grid methods for solving the non-linear free-surface motion with complicated boundary shapes. The right-handed side of the governing equations for incompressible fluid, which includes gradient, viscous and external force terms, can be replaced by the particle interaction models. In the present study, the developed method is applied to the dam-broken problem on dried- and wet-floor and its adequacy will be discussed by the comparison with the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Koshizuka et al.[6]이 제안한 MPS(Moving particle semi-implicit) 법을 기초로 댐 붕괴 문제에 적용하고 개발된 방법의 타당성을 검토하는 것을 목적으로 한다. 아울러 향후 국소지역에서 지진해일의 연안 방파제에 미치는 파력 추정 문제에의 적용성에 대하여 토론하기로 한다.
[6]이 제안한 MPS(Moving particle semi-implicit) 법을 기초로 댐 붕괴 문제에 적용하고 개발된 방법의 타당성을 검토하는 것을 목적으로 한다. 아울러 향후 국소지역에서 지진해일의 연안 방파제에 미치는 파력 추정 문제에의 적용성에 대하여 토론하기로 한다. 본 연구에서 취급하는 댐 붕괴 문제는 그 자체가 자유표면 거동에 관한 여러 가지 비선형성 특성을 포함하므로 비선형 자유표면 유동을 포함하는 다양한 수치 시뮬레이션의 검증에 이용되어 왔다[5,7-9].

제안 방법

자유표면 경계조건으로 운동학적 경계조건과 동역학적 경계조건이 있다. 본 연구에서 동역학적 경계조건은 자유표면 입자의 압력을 대기압과 동일한 0의 값으로 고정하고, 운동학적 경계조건은 자유표면 입자를 직접 이동하여 만족시킨다. 두 경계조건을 만족시키기 위해서는 자유표면 입자의 탐색이 선행되어야 한다.

대상 데이터

본 시뮬레이션에서 사용된 총 입자의 개수는 16039개이며 물 기둥에 사용된 입자의 개수는 75×150이다.
본 연구는 CPU Core 2 T5600(1.83GHz), RAM DDR2 2048MB의 사양을 가진 단일 컴퓨터로 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
본 연구에 사용된 입자의 종류에는 유체 입자(Fluid particles), 벽면 입자(Wall particles) 그리고 벽 내의 가상입자(Dummy particles)이다. 벽면 입자는 유체 입자와 가상입자 사이의 입자이다.

이론/모형

비압축성 점성 유동을 시뮬레이션 하기 위해서는 구배항, 점성항 및 비압축성을 나타내는 입자간의 상호작용 모델이 필요하며, 본 연구에서는 이러한 모델들에 대하여 Koshizuka et al.[6]에 의해 제안된 MPS(Moving Particle Semi-implicit Method) 법을 도입하였으며, 이에 대한 수치적 검증은 이병혁 외[12]에 상세히 기술되어 있다.
본 논문에서는 지배방정식(Navier-Stokes)에 대한 압력구배 모델, 확산모델, 비압축성 모델, 자유표면 계산 모델의 입자간 상호작용 모델인 MPS법을 이용하여 댐 붕괴 문제에 적용하여 유용한 결과를 얻었다. 향후 본 연구는 댐 붕괴 문제를 초기조건으로 하는 국소 지진해일(Local Tsunami)의 연안 방파제에 미치는 파력 추정 문제 등에 활용 가능하다.
비압축성 점성 유체의 유동에 관한 지배방정식은 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식이다.
앞서 설명한 입자 상호작용 모델을 2차원의 댐 붕괴 문제에 적용하였다. Fig.

성능/효과

특히 비선형성 자유표면 유동의 수치 시뮬레이션의 경우에 있어서 입자를 이용한 수치 시뮬레이션 방법은 격자를 이용한 해석 방법보다 복잡한 형상의 물리 현상을 해석할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 또한 입자를 이용한 수치 시뮬레이션 방법은 완전한 라그란지(Lagrangian) 접근에 의해 이류항(Convective term) 계산을 입자의 이동으로 직접 계산하여 격자법 등의 오일러(Eulerian) 접근법에서 심각하게 유발되는 수치 확산을 줄일 수 있다.

후속연구

6의 초기 형상으로부터 1845개의 입자가 추가되었다. 본 연구에서 수행된 시뮬레이션 결과는 약 0.8초 부근까지 Sueyoshi[13]에 의한 실험결과와 자유표면 형상이 잘 일치하나 그 이후에 나타나는 유동의 난류적 거동을 표현하는 데에는 개선의 여지가 있어 보인다.
본 논문에서는 지배방정식(Navier-Stokes)에 대한 압력구배 모델, 확산모델, 비압축성 모델, 자유표면 계산 모델의 입자간 상호작용 모델인 MPS법을 이용하여 댐 붕괴 문제에 적용하여 유용한 결과를 얻었다. 향후 본 연구는 댐 붕괴 문제를 초기조건으로 하는 국소 지진해일(Local Tsunami)의 연안 방파제에 미치는 파력 추정 문제 등에 활용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MPS법에서는 어떻게 계산을 행하는가?	MPS법에서는 입자 상호작용 모델을 통해서 연속체의 이산적인 계산을 행한다. 즉, 지배방정식의 편미분 연산자에 대응하는 입자간 상호작용 모델을 만들고, 지배방정식 각각의 항과 등가인 입자 상호작용 모델로 치환하게 된다.
	종래 연속체의 수치 시뮬레이션 기술로 무엇이 널리 사용되어 왔는가?	종래 연속체의 수치 시뮬레이션 기술로는 격자를 이용하는 방법이 널리 사용되어 왔다. 하지만 복잡한 형상에 대해서는 격자 생성에 많은 어려움과 방대한 시간이 소요되며 연속적인 계면(Interface)의 대변형 문제에는 계면 추적에 대해 많은 어려움을 포함한다.
	격자를 이용하는 방법에는 어떠한 어려움이 있는가?	종래 연속체의 수치 시뮬레이션 기술로는 격자를 이용하는 방법이 널리 사용되어 왔다. 하지만 복잡한 형상에 대해서는 격자 생성에 많은 어려움과 방대한 시간이 소요되며 연속적인 계면(Interface)의 대변형 문제에는 계면 추적에 대해 많은 어려움을 포함한다. 한편 입자를 사용하는 SPH법[1], PIC법[2], PIC법의 계량인 FLIP 법[3,4], MPS법[5,6] 등은 격자생성

참고문헌 (13)

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2007, Sueyoshi. M., "Validation of a Numerical Code by a Particle Method for Violent Free-surface Problems," ISOPE, Vol.16, No.4, pp.261-267

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