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Riemann 해법을 이용한 1차원 개수로 수리해석 - 자연하도 적용
One-dimensional Hydraulic Modeling of Open Channel Flow Using the Riemann Approximate Solver - Application for Natural River 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.42 no.4, 2009년, pp.271 - 279  

김지성 (한국건설기술연구원 수자원.환경연구본부 하천.해안항만연구실) ,  한건연 (경북대학교 공과대학 토목공학과)

초록

본 연구는 단순한 직사각형 하도에서 발생한 댐 붕괴 및 홍수전파 등에서 만족스러운 결과를 보였던 Riemann 근사해법을 이용한 1차원 유한체적기법을 불규칙한 하도형상의 자연하도에 적용하기 위하여 새로운 기법을 개발하는 것이 목적이다. 이를 위하여 자연하천 단면을 등가의 직사각형 단면으로 변환하는 개념을 도입하였으며, 그 결과, 운동량방정식이 수정되었다. 새롭게 개발된 기법을 정확해가 존재하는 삼각형 단면하도의 댐 붕괴 흐름에 적용하고 그 결과를 비교함으로써, 기법의 정확성 및 적용성이 검증되었다. 단면의 형상 및 단면간 거리가 균일하지 않는 자연하도에 적용한 결과는 실측수위와 비교하여 홍수파의 전파 양상, 도수의 발생 위치 및 크기, 그리고 전 구간에서의 최대 수위가 잘 일치함을 나타낸다. 본 연구결과로부터 기존의 균일한 단면을 사용하여 개발된 기법들을 복잡한 수치처리과정 없이 자연하천 단면에 직접 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to develop the scheme to apply one-dimensional finite volume method (FVM) to natural river with complex geometry. In the previous study, FVM using the Riemann approximate solver was performed successfully in the various cases of dam-break, flood propagation, etc. with ...

주제어

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문제 정의

  • 1) 본 연구에서는 불규칙적인 하천 단면에서 흐름율과 생성항의 균형을 만족시키기 위하여 계산단계 마다 동일한 수리특성을 가진 등가단면을 사용함으로써 운동량방정식을 재구성하는 새로운 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 해석해가 존재하는 삼각형 단면의 댐 붕괴파에 적용하여 제안된 기법의 개념을 설명하고, 불연속적인 댐 붕괴 흐름 조건에서 모형의 적용성을 검증하였다.
  • 본 연구는 불규칙한 자연하도 흐름에서 발생되는 천이류 해석시 이전에 개발된 수치기법의 적용성을 검증하는 것이 목적이다. 선행연구(김지성과 한건연, 2008)에서는 하상과 하폭이 변화하는 직사각형 단면의 개수로에서 발생하는 다양한 천이류 해석에 개발된 기법의 적용성을 검증하였다.
  • 02m이내로 잘 재현하였으나, 저수지에 의한 단면축소의 영향이 나타나는 P8 지점 이후로는 차이를 나타내고 있다. 본 연구모형은 P8 지점에서 단면축소로 인한 수위상승을 0.01m 오차로 가장 정확히 재현하고 있으며, 저수지를 지나 단면이 확대되는 지점인 P19 지점 이후에도 다른 모형에 의한 결과보다 실측수위와 평균 0.02m 오차로 잘 일치하고 있으므로, 불규칙한 형상의 자연하도 적용을 위하여 제안된 본 연구 모형의 적용성을 확인할 수 있다. 다만 P13 지점의 경우, 계산 최대수위가 실측 최대수위보다 약간 높게 나타났으며, 이는 Fig.
  • 본 연구에서는 불규칙한 하천단면에서 발생하는 천이류에 대하여 개발한 수치모형의 계산 정확도를 검증하고자 한다. 따라서 해석해가 존재하는 삼각형 단면에서의 댐붕괴에 적용하여 제안된 기법의 정확도를 확인하고, 불규칙한 자연하천단면에서 발생하는 홍수파의 전파 현상을 재현하였다.
  • 본 연구에서는 하상과 하폭이 변하는 실제 개수로 수리모형실험에서 발생하는 다양한 형태의 천이류에 적용하기 위하여 개발된 1차원 수치모형을 불규칙한 자연 하천단면에 적용하기 위하여 운동량방정식을 수정하는 새로운 기법을 제안하였다. 그리고 마른하도로의 홍수파 전파에 적용하기 위하여 마른하도에서의 수치처리 기법을 추가하였다.
  • , 2004)를 참고하여 마른하도로 전파된 파를 포착할 수 있는 기법과 경계조건의 반영(Sanders, 2002)을 보완하고, 불규칙한 자연하도 단면에서도 적용될 수 있도록 1차원 운동량방정식을 수정하였다. 이러한 수치처리로 재현된 계산결과와 실측결과의 비교로부터 모형의 안정성과 정확성을 보여줌으로써, 복잡한 지형조건과 흐름영역에서 본 연구모형의 적용성을 검증하고자 한다. 이를 위하여 해석해가 있는 삼각형 단면에서 발생하는 댐 붕괴 해석 및 불규칙한 하천단면에서 실제 홍수파의 전파에 적용하여 실측치와 비교하였다.

가설 설정

  • 계산된 Riemann 변수 #와 경계격자에 입력된 유량으로부터 미지의 수심이 계산될 수 있다. 이 경우, 짧은 계산시간 간격 상에서 수면폭은 변화가 없는 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
홍수 해석 실무에 적용되고 있는 범용프로그램들은 어떤 방정식이 사용되고 있는가? 홍수 해석 실무에 적용되고 있는 범용프로그램들은 일반적으로 운동량방정식 대신에 동역학파 방정식이 사용되고 있다. 이는 보존 특성을 만족할 수 있는 생성항의 수치처리가 매우 어렵기 때문이다.
홍수 해석 실무에 적용되고 있는 범용프로그램들에 동역학파 방정식이 사용되고 있는 이유는? 홍수 해석 실무에 적용되고 있는 범용프로그램들은 일반적으로 운동량방정식 대신에 동역학파 방정식이 사용되고 있다. 이는 보존 특성을 만족할 수 있는 생성항의 수치처리가 매우 어렵기 때문이다. 최근 운동량 방정식을 사용하여 보존 특성을 만족할 수 있는 기법이 개발되고 있으나, 대부분 단순하고 균일한 하도에서 적용이 가능한 기법으로 불규칙한 실제하도에서 적용이 어렵다.
마른 하도로 전파되는 파의 포착능력에 있어 Riemann 해법이 가지는 장점은? 마른 하도로 전파되는 파의 포착능력에 있어 Riemann 해법은 물리적으로 타당하며 정확한 해를 제공하므로 수치해석 모형에 활용하기에 매우 큰 장점을 가진다. Toro(2001)와 Kim et al.
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참고문헌 (15)

  1. 김지성, 한건연 (2008). 'Riemann 해법을 이용한 1차원개수로 수리해석 I:모형개발.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제41권 제8호, pp. 761-772 

  2. 김원, 한건연, 우효섭, 최규현 (2005a). '상류이송기법에서의 새로운 생성항 처리 기법.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제38권 제2호, pp. 155-166 

  3. 김원, 한건연, 우효섭 (2005b). '일차원 상류이송형모형의 자연하도에 대한 적용.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제38권 제5호, pp. 333-343 

  4. 김원, 한건연 (2005). '상류이송형 McCormack 기법의 개발.' 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제38권 제9호, pp. 727-736 

  5. 이정규, 김태관 (2003). '댐붕괴 문제의 해석에 관한 TVD-McCormack 기법의 적용.' 한국수자원학회논문집, 한국수자원학회, 제36권 제3호, pp. 365-374 

  6. Cunge, J.A., Holly, I.M., and Verwey, A. (1980). Practical Aspects of Computational Hydraulics, Pitman Advanced Pub., London 

  7. Harten, A. (1983). 'High Resolution Schemes for Hyperbolic Conservation Laws.' Journal of Computational Physics, Vol. 49, No.3, pp. 357-393 

  8. Kim, D.H., Cho, Y.S. and Kim, W.G. (2004). 'Weighted Averaged Flux-Type Scheme for Sallow-Water Equations with Fractional Step Method.' Journal of Engineering Mechanics, Vol. 130, No. 2, pp. 152-160 

  9. Sanders, B.F. (2002). 'Non-reflecting Boundary Flux Function for Finite Volume Shallow-water Models.' Advanced in Water Resources, Vol. 25, pp. 195-202 

  10. Soares Frazao, S., Morris, M. and Zech, Y. (2000). CADAM Project CD-ROM, Produced by Hydraulics Division, Civil Engrg. Dept., Univ. Catholique de Louvain, Belgium 

  11. Testa, G. (ed.) (1999). 3rd CADAM Meeting Proceedings, Milan, Italy, 6/7 May 

  12. Toro, E.F. (2001). Shock-Capturing Methods for Free-Surface Shallow Flows, John Wiley & Sons 

  13. Ying, X., Khan, A.A. and Wang, S.S.Y. (2004). 'Upwind Conservative Scheme for the Saint Venant Equations.' Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 130, No. 10, pp. 977-987 

  14. Zanuttigh, B., and Lamberti, A. (2002). 'Exact Riemann Solution and Weighted Average Flux Method for Power-law Channel Section.' International Journal of Computational Fluid Dynamics, Vol. 16, No. 3, pp. 155-169 

  15. Zhou, J.G., Causon, D.M., Mingham, C.G. and Ingram, D.M. (2001). 'The Surface Gradient Method for the Treatment of Source Terms in the Shallow-Water Equations.' Journal of Computational Physics, pp. 1-25 

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