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[국내논문] 테일러-갤러킨 유한요소법에 의한 하도추적 모형의 적용 -홍수시 하천 유량 모의-
Application of Channel Routing Model by Taylor-Galerkin Finite Element Method -Modeling of Flow in Flood- 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.11 no.1, 2011년, pp.404 - 410  

이해균 (단국대학교 천안캠퍼스 토목환경공학과)

초록
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1차원 개수로 부정류의 수치 해석을 위하여 Taylor-Galerkin 기법의 유한요소법을 St. Venant 방정식의 차분에 적용하였다. 단일 수로에서 수문의 닫힘에 의한 배수문제와 3개 이상 하도가 만나는 합류점을 포함하는 수지상(dendritic) 하천 네트워크에 적용하고 그 결과를 기존에 제시된 유한차분법, 유한요소법 등의 수치기법과 비교하였으며 매우 잘 일치함을 확인하였다. 본 연구에서 적용한 기법은 연속방정식과 운동량방정식을 순차적으로 해석해 나가기 때문에 적용이 간편하며, 최종적으로 삼대각 행렬과 합류점의 적합조건을 위한 최소한의 요소를 포함하기 때문에 삼대각 행렬의 연산 방법을 적용할 수 있어 계산 측면에서 빠르고 안정적이다. 또한, 행렬의 저장을 위한 메모리 측면에서 경제적이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For the simulation of one-dimensional unsteady flow, the Taylor-Galerkin finite element method was adopted to the discretization of the Saint Venant equation. The model was applied to the backwater problem in a single channel and the flood routing in dendritic channel networks. The numerical solutio...

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  • [그림 1]에서 Q, A의 아래첨자 중에서 첫 번째 첨자는 수로의 번호를, 두 번째 첨자는 수로내의 절점 번호이며, 연속방정식 행렬의 b는 하천의 폭을 나타낸다. 경계조건으로서 수로 1,2 에 대해서는 유입수문곡선(Q1,1, Q2,1)을 수로 3에 대해서는 하류의 수위(A3,3)를 경계조건으로 가정하였다. 운동량방정식과 연속방정식의 해를 순차적으로 구해 나간다면, 삼대각 행렬 (tridiagonal matrix)의 주대각선과 위/아래 대각선을 제외한 행렬의 0이 아닌 나머지 요소는 모두 합류점 조건에 의한 것이라는 것을 확인할 수 있다.
  • 013이다. 초기조건으로 유량은 126 m3/s, 수심은 5.79 m 로 가정하였다. 두가지 방법 모두에서 하천을 50개의 같은 크기 격자로 나누어졌으며 (Δx = 100 m), 시간간격은 CFL 조건에 부합하도록 조정되었다.
  • 두가지 방법 모두에서 하천을 50개의 같은 크기 격자로 나누어졌으며 (Δx = 100 m), 시간간격은 CFL 조건에 부합하도록 조정되었다. t = 0 sec 에 하류 단의 수문을 닫는 것으로 가정하였다. 수문을 닫음으로 인하여 배수(backwater)가 발생하는 것을 추정할 수 있으며, [그림 3]은 t = 500 sec 와 t = 1,000 sec일 때의 수면형(water surface profile)을 보인 것이다.
  • 43 m 로 고정되어 있다. 초기조건으로 수로 1, 2에 대해서는 수심, h = 1.43 m, 유량, Q = 50 m3/s 의 등류 흐름을 가정하였다. 수로 3의 경우 초기조건으로 동일한 수심에 100 m3/s 의 유량을 가정하였다.
  • 43 m, 유량, Q = 50 m3/s 의 등류 흐름을 가정하였다. 수로 3의 경우 초기조건으로 동일한 수심에 100 m3/s 의 유량을 가정하였다. [그림 5]는 수로 3의 합류점으로부터 4,000 m 거리 지점([그림 4])의 시간 경과에 따른 유량과 수심을 보인 것으로서, Zhang (2005)의 유한요소법 및 프라이스만 유한차분법에 의한 결과와 같이 비교한 것이다.
  • 전체 네트워크는 모두 8개의 직사각형 단면을 갖는 수로로 구성되며, 각 하천의 경사, 폭, Manning 계수, 초기 유량, 길이 등 수리학적 특성은 [표 1]에 정리한 바와 같다. 지류인 수로 1, 2, 4, 5, 7의 유입 유량은 14.165 m3/s에서 시작하여 5시간 후에 최고치인 65.158 m3/s에 이르고 다시 선형적으로 감소하여 10시간 후에는 14.165 m3/s를 계속 유지하는 것으로 가정하였으며, 이를 경계조건으로 적용하였다. 그림 7은 수로 8의 하단에서 유량을 계산한 결과를 Zhang(2005)의 유한차분법 및 유한요소법에 의한 결과와 비교한 것이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하도추적에 많이 사용되는 방정식은? 하도추적은 상류의 유입수문곡선으로부터 하류 수로의 특정지점에서 유량과 수위를 구하는 것으로 정의할 수 있으며, 이러한 목적으로 1차원 천수방정식이 많이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 Taylor -Galerkin 기법을 이용하여 1차원 하천에 대한 흐름 추적모형을 적용하였다.
하도추적은 어떻게 정의할 수 있는가? 하도추적은 상류의 유입수문곡선으로부터 하류 수로의 특정지점에서 유량과 수위를 구하는 것으로 정의할 수 있으며, 이러한 목적으로 1차원 천수방정식이 많이 사용되어 왔다. 본 연구에서는 Taylor -Galerkin 기법을 이용하여 1차원 하천에 대한 흐름 추적모형을 적용하였다.
전산유체역학(CFD)이나 계산수리학 분야의 연구에 유한요소법이 적용된 예시는? 전산유체역학(CFD)이나 계산수리학 분야의 연구에는 유한차분법과 유한체적법이 주로 사용되어 왔으나 최근 유한요소법의 적용도 늘어나고 있다. 표준적인 Galerkin 기법(Standard Gaerkin method)이 가진 비감쇠 특성으로 인하여 천수방정식에 대한 유한요소법의 적용은 쉽지 않은 것으로 알려져 왔지만, Katopodes(1984)가 Petrov-Galerkin 기법을 적용한 이래로 Hicks 와 Steffler(1992)가 SU/PG (Streamline Upwind/Petrov-Galerkin) 기법을 적용한 예가 있다. Donea(1984)가 이송방정식에 대하여 처음 제안한 Taylor–Galerkin 기법은 Peraire 등(1986), Katopodes와 Wu(1986) 등의 연구자에 의하여 천수방정식에 적용된 사례가 있으며, 국내에서도 한건연 등(2004a,b)이 수치안정성 측면에서 비교 연구를 수행한 바 있다.
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참고문헌 (12)

  1. 한건연, 백창현, 박경옥, "SU/PG 기법에 의한 하천흐름의 유한요소 해석 - I. 이론 및 수치안정성 해석". 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제24권, 제IIIB호, pp.183-192, 2004a. 

  2. 한건연, 박경옥, 백창현. "SU/PG 기법에 의한 하천흐름의 유한요소 해석 - II. 적용". 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제24권, 제IIIB호, pp.193-199, 2004b. 

  3. Chaudhry, M.H. Open-Channel Flow, Springer, 2007. 

  4. G. W. Choi and A. Molinas, "Simultaneous solution algorithm for channel network modeling.” Water Resource Research, Vol.29, pp.321-328, 1993. 

  5. J. A. Cunge, F. M. Holly, Jr. and A. Verwey, Practical Aspects of Computational River Hydraulics. Pitman Press, 1980. 

  6. J. Donea, "A Taylor-Galerkin method for convective transport problems," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol.20. pp.101-120, 1984. 

  7. F. E. Hicks and P. M. Steffler, "A Characteristic-Dissipative-Galerkin scheme for open channel flow" Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.118, No.2, pp.337-352, 1992. 

  8. T. J. R. Hughes, The Finite Element Method: Linear Static and Dynamic Finite Element Analysis. Dover Publications, 2000. 

  9. N. Katopodes, "Two-dimensional surges and shocks in open channels". Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.110, No.6, pp.794-812, 1984. 

  10. N. Katopodes and C. T. Wu, "Explicit computation of discontinuous channel flow," Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 

  11. J. Peraire, O. C. Zienkiewicz, and K. Morgan, "Shallow water problems: a general explicit formulation," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol.22, pp.547?574, 1986. 

  12. Y. Zhang, “Simulation of open channel network flows using finite element approach,” Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol.10, pp.467-478, 2005. 

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