선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이러한 한계를 극복하고자 최근 계산시간을 단축시키며 정확도 높은 계산을 위해 비정수압(non-hydrostatic) 가정을 이용한 수치모형들이 개발되었으며 그 활용 범위가 넓어지고 있다. 본 연구에서는 다공성 매체 내부를 통과하는 흐름에 대한 비정수압 수치모형인 SWASH 모형의 정확도를 확인하고 다공성 구조물과 파랑의 상호작용에 대해 적용성을 검토하였다.
제안 방법
- 이다. 고립파가 계산 영역 내로 잘 전파되는지 확인하고자 동일한 계산격자를 이용해 다공성 구조물이 없는 상태로 수치실험을 수행하였다. 다음 Fig.
- 본 연구는 VARANS 방정식을 지배방정식으로 하는 비정 수압 수치모형인 SWASH를 이용하여, 다공성 구조물을 통과하는 댐 붕괴 흐름에 대해 검증하고, 수치모형에 적합한 항력 계수를 산정하였다. 또한 본 연구에서 산정한 항력 계수를 이용해 다공성 구조물과 파랑의 상호작용을 확인하였다. 그 결과 다공성 구조물 전면에서 파의 입사 및 반사를 잘 재현하는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구는 VARANS 방정식을 지배방정식으로 하는 비정 수압 수치모형인 SWASH를 이용하여, 다공성 구조물을 통과하는 댐 붕괴 흐름에 대해 검증하고, 수치모형에 적합한 항력 계수를 산정하였다. 또한 본 연구에서 산정한 항력 계수를 이용해 다공성 구조물과 파랑의 상호작용을 확인하였다.
- 앞서 언급한 낮은 오차를 주는 특정 대역에서 한가지의 α = 2500, β = 1.0를 선택해 수치실험을 수행하고 그 결과를 수리모형실험과 비교하였다.
- 전체 계산 영역에 대해 Δx = Δy = 0.004 m의 조밀한 격자망을 구성하고 연직방향으로는 10개의 층으로 나누어 수치실험을 수행하였다.
- 항력계수는 α =100, 200, 400, 800, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000], β =0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5, 4.0]의 조합을 이용하였으며, 항력계수의 조합에 따른 수치실험과 수리모형실험 사이의 오차를 식(15)에 따라 계산하였다.
대상 데이터
- 015 m이다. 입사파의 조건은 수심 0.4 m, 파고 0.09 m의 고립파를 이용하였다. 또한 수조 전체에 15개의 위치에서 시간에 따른 수면변위를 관측하였으며 관측 위치는 다음 Table 1과 같다
데이터처리
- (2014)이 수행한 수치실험(3차원 전산유체해석 프로그램인 OPENFOAM을 이용; VOF 기법을 적용한 VARANS 방정식에 k-ε 난류 모형 사용) 결과도 함께 비교하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 SWASH 수치모형에 적합한 항력 계수(α, β)를 찾기 위해 Liu et al.(1999)의 수리모형실험을 이용하여 항력계수에 따른 오차 범위를 산정하였다. 항력계수는 α =100, 200, 400, 800, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000], β =0.
- 다공성 구조물과 파랑의 상호작용에 대한 적용성을 검토를 위해 Lara et al.(2012)에 의해 수행된 고립파(solitary wave)를 이용한 수리모형실험을 재현하였다. 다음 Fig.
- RANS 방정식을 지배방정식으로 하는 SWASH 수치모형은 불규칙한 수심 변화 고려와 자유수면 변위의 정확한 계산을 위해 연직 방향으로 총 수심에 대한 각 층의 상대적인 비로 층을 나누는 σ-좌표계(Phillips, 1957)를 적용해 RANS 방정식을 계산한다.
- 0로 동일하다. 본 연구에서는 Shin and Yoon(2017)의 Relaxation 조파기법을 이용해 고립파를 조파하였으며 이완영역 내에 부가되는 매 시간 단계의 수면변위는 Wang(1993)의 식을 이용하였다. 고립파의 파형은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 k-ε 난류 모형을 이용하여 난류흐름을 해석하였다.
- 여러 연구자들에 의해 저항계수에 대한 다양한 관계식이 제안되었다. 본 연구에서는 van Gent(1994)가 제안한 식을 이용하였으며 각 계수는 다음과 같이 산정된다.
성능/효과
- 국내의 경우 Jung(2014)은 VARANS 방정식의 수치모형을 이용해 다공성 구조물을 통과하는 댐 붕괴 파의 전파특성에 대한 연구를 수행하였다. VARANS 방정식의 수치모형의 경우 다공성 구조물 내부 및 외부에서의 수심분포가 수리모형 실험 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 또한 Lee et al.
- 또한 본 연구에서 산정한 항력 계수를 이용해 다공성 구조물과 파랑의 상호작용을 확인하였다. 그 결과 다공성 구조물 전면에서 파의 입사 및 반사를 잘 재현하는 것을 확인할 수 있다. 다공성 구조물을 통과하는 투과 및 회절파의 경우 그 크기는 수리모형 실험결과와 비교적잘 일치하고 있으나 도착시간에서는 차이가 있는 것으로 확인되었다.
- SWASH 수치모형의 계산결과는 전반적으로 수리모형 실험과 잘 일치하는 것으로 보인다. 다공성 구조물과 조파 영역 사이에 위치한 관측점 1과 2를 보면 수치실험을 통해 재현한 고립파의 파형과 파고가 수리모형 실험 결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 또한 다공성 구조물에 가까운 위치의 관측점 3과 4를 보면 수치실험이 다공성 구조물 전면에서의 고립파의 입사 및 반사를 잘 재현하는 것을 확인할 수 있다.
- CPU 타임(CPU time)은 한 컴퓨터 프로그램이 CPU를 차지하여 일을 한 시간의 양을 의미한다. 따라서 이러한 비교로부터 VARANS 방정식을 계산하는데 있어 SWASH 수치모형이 3차원 다공성 유동 모델(OPENFOAM)보다 효율적이라는 것을 확인할 수 있다.
- 다공성 구조물을 통과하는 투과 및 회절파의 경우 그 크기는 수리모형 실험결과와 비교적잘 일치하고 있으나 도착시간에서는 차이가 있는 것으로 확인되었다. 또한 SWASH 수치모형이 기존의 VOF 기법을 이용한 방법과 유사한 정확도를 가지며 계산시간의 이점이 있다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 SWASH 수치모형은 σ-좌표계의 도입으로 인한 근본적인 제약이 있어 구조물 전면부에서의 급격한 쇄파나 자유수면의 불연속 등을 정확하게 고려하기 어렵다.
- 또한 항력 계수 α와 β의 유일한 한가지의 조합이 최소 오차를 주지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
- 관측점 6, 7, 8, 12를 보면 다공성 구조물을 통과하는 투과 및 회절파를 확인할 수 있다. 수치실험 결과 투과 및 회절파의 크기는 수리모형 실험결과와 비교적 잘 일치하고 있으나 투과 및 회절파의 도착시간에서는 조금 차이가 있는 것으로 보인다. 파의 도착시간 지연은 재 반사로 인한 반사파의 경우 더 크게 나타나고 있으나 반사파의 크기나 파형은 수리실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 확인된다.
- 수치실험과 수리모형실험 사이에 차이는 존재하지만, 전반적으로 수리모형실험 결과와 유사하며 α = 500, β = 2.0인 경우와는 다르게 흐름이 강하게 발생하는 초기 단계(0.8초 이전) 이후 다공성 구조물 내부의 흐름과 다공성 구조물 통과 이후에 나타나는 도수현상을 잘 재현하는 것을 확인할 수 있다.
- 먼 거리를 전파 한 이후에도 고립파의 파형이 잘 유지되는 것을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 Relaxation 조파기법을 이용한 고립파의 조파방법은 고립파의 파형을 재현하기에 충분하다고 판단된다.
- (2002)은 투과성 구조물의 사면상의 처오름 특성에 대한 수리모형실험을 수행하고 Kobayashi and Wurjanto(1992)에 의해 개발된 천수방정식 기반의 수치모형을 이용해 결과를 비교하였다. 천수방정식 기반의 수치모형의 경우 투과성 구조물의 사면상의 처오름 높이를 과소평가하는 경향이 있는 것으로 나타났다. Yoon et al.
- 수치실험 결과 투과 및 회절파의 크기는 수리모형 실험결과와 비교적 잘 일치하고 있으나 투과 및 회절파의 도착시간에서는 조금 차이가 있는 것으로 보인다. 파의 도착시간 지연은 재 반사로 인한 반사파의 경우 더 크게 나타나고 있으나 반사파의 크기나 파형은 수리실험 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 확인된다. 앞서 언급한 수리모형실험 결과와의 차이는 Higuera et al.
후속연구
- 또한 SWASH 수치모형을 폭 넓게 활용하기 위해서는 Jensen et al.(2014)이 수행한 연구와 같이 모든 흐름 조건(층류, 천이류, 난류)에 대해 적용 가능한 항력계수 산정을 위한 연구가 추가로 필요하다고 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.