오일러 격자체계에서 유체율 함수에 기초한 경계면 추적기법의 비교

김도삼,김탁겸,신범식,이광호 한국해안,해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.1

The application of multiphase flows is increasingly being applied to analyze phenomena such as single phase flows where the fluid boundary changes continuously over time or the problem of mixing a liquid phase and a gas phase. In particular, multiphase flow models that take into account incompressible Newtonian fluids for liquid and gas are often applied to solve the problems of the free water surface such as wave fields. In general, multiphase flow models require time-based the surface tracking of each fluid's phase boundary, which determines the accuracy of the final calculation of the model. This study evaluates the advection performance of representative VOF-type boundary tracking techniques applied to various CFD numerical codes. The effectiveness of the FCT method to control the numerical flux to minimize the numerical diffusion in the conventional VOF-type boundary tracking method and advection calculation was mainly evaluated. In addition, the possibility of tracking performance of free surface using CIP method (Yabe and Aoki, 1991) was also investigated. Numerical results show that the FCT-VOF method introducing an anti-diffusive flux to precent excessive diffusion is superior to other methods under the confined conditions in this study. The results from this study are expected to be used as an important basic data in selecting free surface tracking techniques applied to various numerical codes. 자유수면을 포함하는 파동장과 같이 단상의 경계가 시간발전에 따라 지속적으로 변화하는 경우나 액상과기상이 혼합되는 문제에 있어서는 다상유동(multiphase flow) 문제를 적용하는 예가 증가하고 있다. 특히, 파동장과같은 자유수면의 문제를 취급하는데 있어서는 혼합되지 않는 액상과 기상의 비압축성 뉴턴유체를 고려한 혼상류 모델이 적용되는 경우가 많다. 일반적으로 혼상류 모델은 각상의 경계면에 대한 시간기반 거동추적이 필수적이며, 궁극적으로는 계산의 정도를 좌우한다. 본 연구는 다양한 CFD 수치해석코드에 적용되고 있는 대표적인 VOF-type의경계면 추적기법들의 이류성능을 평가하였다. 특히, 기존의 전통적인 VOF-type의 경계면 추적기법 및 이류계산에서발생하는 수치확산을 최소화하기 위해 수치유속(numerical flux)을 제어하는 F CT 법의 효용성을 평가하고, 더불어CIP 법을 활용한 자유수면 추적성능의 가능성을 고찰하였다. 그 결과, 본 연구에서 적용한 제한된 조건하에서는 수치확산 방지를 위해 수치확산방지 유속을 도입한 FCT-VOF 법이 가장 높은 경계면의 추적성능을 보였다. 본 연구에서 도출되는 결과는 다양한 수치해석코드에 적용되는 자유수면의 추적기법을 선택함에 있어서 중요한 기초자료로활용될 것으로 기대된다.

수중투과성구조물에 의한 쇄파를 수반한 파랑변형 및 유속장 해석

김도삼,이광호,김정수 한국해안해양공학회 2002 한국해안해양공학회 논문집 Vol.14 No.2

최근, 구조물에 의한 쇄파를 수반한 다양한 파랑변형 해석법중에 자유수면의 추적기법인 VOF법을 이용한 수치해석기법이 각광을 받고 있다. 본 연구는 수중투과성구조물(잠제)에 의한 파랑변형 및 유속장의 해석을 위해 조파를 위한 line-source와 파의 재반사를 방지하기 위한 부가감쇠영역이 설치된 2차원수치파동수조에 잠제를 설치하고 구조물에 의한 파랑변형의 자유수면 추적을 위해 VOF법을 적용하였다. 2차원수치파동수조를 이용한 본 연구의 수치해석수법의 타당성 검증을 위해 수리실험을 실시하였으며 그 결과 본 수치해석결과와 잘 일치하였다. 일열잠제와 이열잠제에 대한 수치해석을 통해 잠제 주변 유속장 해석으로부터 일열잠제의 경우 배후에서 와가 발생하고 이열잠제의 경우 잠제사이와 잠제배후에서 와가 발생함을 확인하였으며 잠제의 천단상에서는 강한 비선형성분파가 발생하고 투과층내의 유속방향은 자유수면의 형상에 의해 좌우됨을 확인하였다 Among various numerical methods of wave transformations including wave breaking by structure, models using VOF(Volume Of Fluid) method to trace free surface are getting into the spotlight recently. In order to analyze wave transformations and velocity of the wave fields due to the permeable submerged breakwater(PSB), This study applied VOF method to the two-dimensional wave channel installed line-source to generate waves and added dissipation zone to offer a non-reflective boundary. Hydraulic experiments was performed to obtain the application of two-dimensional numerical wave channel. The results of numerical experiments using the two-dimensional wave channel agree well with the experimental data. It was shown that vortices are formed behind the PSB, and in case of the 2-rowed PSB they also are occurred in between PSBs, strongly non-linear waves are developed on the crown of the PSB, and the direction of velocities in porous media is determined by the shape of free surface.

압축공기주입 구조물에 의한 비선형 파랑변형 및 공기압의 변화에 관한 연구

김도삼,암전호일랑,양윤모 한국수자원학회 1993 한국수자원학회논문집 Vol.26 No.1

공기주입 부유구조물에 대한 압력변화의 비선형 특성과 파랑변형을 이론적 및 실험적으로 검토한다. 섭동법과 Green 공식에 의한 두가지 이론적 방법(방법I, II)이 잠수, 반잠수 부유구조물에 의한 파의 비선형성을 평가하기 위해서 적용된다. 더우기 부유 구조물 내의 공기압 변화를 고려하기 위하여 Boyle-Charles 법칙에 따른 단열변화를 가정하여 유도된 공기압축모델이 새로이 개발되었다. 가상경계에서 감쇠정상파를 고려한 방법 I의 이론치는 감시정상파의 Nonlinear characteristics of air pressure variation and wave transformation of a fixed air-chamber structure are discussed theoretically and experimentally. Two analytical methods(method I and II) based on the perturbation method and Green's formula are e

신형식 부방파제의 파랑제어에 관한 연구

김도삼,이광호,최낙훈,윤희면 한국해안해양공학회 2004 한국해안해양공학회 논문집 Vol.16 No.1

본 연구에서는 원전어항에서 채용하고 있는 강제 부방파제에 비해 소요재료량의 변화가 크지 않은 범위에서 전후연직판의 위치와 형식의 변화 및 수평판의 부착 유무에 따른 여러 형식의 부방파제에 의한 투과율과 반사율을 Green 함수법으로부터 계산한 결과에 기초하여, 원전어항의 강제 부방파제보다 단주기파 및 장주기파를 보다 효과적으로 제어할 수 있는 새로운 형식의 부방파제를 검토하였다. 이로부터 연직커튼판 하부에 수평판을 부착한 형태의 부방파제가 파랑제어기능이 우수한 것으로 판명되었고, 이는 원전어항 부방파제보다 파랑제어기능이 탁월하다는 것을 알 수 있었다. 또한, 본체에 부착된 전후연직판 및 수평판의 크기와 간격을 조절함으로써 적합한 투과파를 얻을 수 있다는 것도 알 수 있었다. In this study, several new types of floating breakwater are proposed according to the geometry of the vertical barrier and the existence of horizontal plate, and are compared to the steel floating breakwater adopted in Won-Jun fishing port and the performance of wave control is numerically investigated by using Green function method. From the numerical results, model attached the horizontal barrier under the vertical barrier is more efficient for reflection and transmission coefficient than the steel floating breakwater in Won-Jun fishing port. It is confirmed that the transmitted waves can be controlled efficiently by optimizing the length and distance of a vertical and horizontal barriers.

연안역에서 고파랑과 폭풍해일을 고려한 침수해석

김도삼,김지민,이광호,이성대 한국해양공학회 2007 韓國海洋工學會誌 Vol.21 No.2

In general, coastal damage is mostly occurred by the action of complex factors, like severe water waves. If the maximum storm surge height combines with high tide, severe water waves will overflow coastal structures. Consequently, it can be the cause of lost lives and severe property damage. In this study, using the numerical model, the storm surge was simulated to examine its fluctuation characteristics at the coast in front of Noksan industrial complex, Korea. Moreover, the shallow water wave is estimated by applying wind field, design water level considering storm surge height for typhoon Maemi to SWAN model. Under the condition of shallow water wave, obtained by the SWAN model, the wave overtopping rate for the dike in front of Noksan industrial complex is calculated a hydraulic model test. Finally, based on the calculated wave-overtopping rate, the inundation regime for Noksan industrial complex was predicted. And, numerically predicted inundation regimes and depths are compared with results in a field survey, and the results agree fairly well. Therefore, the inundation modelthis study is a useful tool for predicting inundation regime, due to the coastal flood of severe water wave.1. 서 론우리나라 남해안의 연안역은 태풍의 진로상에 위치하여 거의 매년 태풍으로 인한 막대한 연안재해를 입어왔으며, 1959년도의 14호 태풍 Sarah, 1987년도의 5호 태풍 Thelma 및 2003년도의 14호 태풍 Maemi는 연안역에 엄청난 물적 및 인적피해를 초래한 남해안의 대표적인 태풍이다. 최근에, 지구온난화 및 변화된 해양환경의 영향으로 고파랑을 동반한 태풍 및 그로 인한 폭풍해일로 연안재해가 빈번히 발생되고 있으며, 특히 지구온난화 등에 의한 해수온도의 상승으로 향후 그의 발생빈도가 더욱 증가할 것으로 예측되며, 더불어 재해규모도 증대될 것으로 예상되고 있다.태풍에 의한 피해로 일반적으로 고파랑, 폭풍해일과 강풍에 의한 연안구조물과 가옥 등의 피해 및 폭우와 더불어 발생하는 폭풍해일에 의한 해수면상승으로 인한 배후역의 침수피해를 주로 들 수 있다. 여기서, 해안범람은 조석, 폭풍해일, 지진

2차원잠수계류부체와 2차Stokes파와의 비선형간섭에 관한 연구

김도삼,Kim, D. S. 한국항해항만학회 1996 韓國港灣學會誌 Vol.10 No.1

2차의 섭동법과 경계요소법에 기초한 시간영역해석법은 불규칙파의 파동장에 있어서 파-구조물의 비선형간섭을 해석할 수 있는 해석법이지만. 파와 구조물의 운동이 정상상태에 도달하기까지 시간스텝으로 계산을 수행하여야 하므로 계산시간이 매우 길어지고, 각 성분파와 그에 의한 운동요소를 평가하는 것이 어렵다. 반면에 주파수영역해석법은 계산시간이 짧고, 각 성분요소들의 변화특성을 쉽게 판단할 수 있지만, 불규칙파동장으로의 적용이 현실적으로 어렵다는 단점을 가진다. 본 연구에서는 잠제 등에 대해서 전개되어 있는 주파수영역해석법을 임의형상의 부체 구조물에 대해 새롭게 수식의 전개를 수행하고, 압축공기주입 부체구조물에 적용하여 실험 및 이론해석결과로부터 그의 타당성을 확인한다. 이 때 압축공기의 거동은 Boyle법칙을 사용하여 평가한다.

혼성방파제에 작용하는 비선형파압에 관한 여구

김도삼,기성태,홍승호,이귀섭 대한토목학회 1998 대한토목학회 학술발표회 논문집 Vol.1998 No.3

압축공기주입 구조물에 의한 비선형 파랑변형 및 공기압의 변화에 관한 연구

김도삼,암전호일랑,양윤모,Kim, Do-Sam,Yang, Yun-Mo 한국수자원학회 1993 물과 미래(한국수자원학회지) Vol.26 No.1

공기주입 부유구조물에 대한 압력변화의 비선형 특성과 파랑변형을 이론적 및 실험적으로 검토한다. 섭동법과 Green 공식에 의한 두가지 이론적 방법(방법I, II)이 잠수, 반잠수 부유구조물에 의한 파의 비선형성을 평가하기 위해서 적용된다. 더우기 부유 구조물 내의 공기압 변화를 고려하기 위하여 Boyle-Charles 법칙에 따른 단열변화를 가정하여 유도된 공기압축모델이 새로이 개발되었다. 가상경계에서 감쇠정상파를 고려한 방법 I의 이론치는 감시정상파의 영향이 미치지 않는 가상 연직경계면을 같는 방법 II의 값과 잘 일치한다. 두 이론에 의한 이론치는 실험치와 잘 일치함을 보여준다. Nonlinear characteristics of air pressure variation and wave transformation of a fixed air-chamber structure are discussed theoretically and experimentally. Two analytical methods(method I and II) based on the perturbation method and Green's formula are employed in order to evaluate nonlinearities by the submerged and semi-submerged air-chamber structure. Moreover, an air compression model is newly developed to estimate the dynamic air pressure in the air-chamber inside the structure, assuming the Boyle-Charles's law with adiabatic process in the air pressure variation. Theoretical values of the method I considering evanescent mode waves at an fictious boundary, are in good agreement with those of method II employing the fictious boundary which is not affected by evanescent mode waves. Both theoretical values are shown to agree well with experimental values.

경사입사파동장에 있어서 투과성 방파제에 의한 파랑변형에 관한 연구

김도삼,윤덕영,조두행,정성호 대한토목학회 1998 대한토목학회 학술발표회 논문집 Vol.1998 No.3

말뚝계류된 부방파제의 공간파랑제어 및 동적거동에 관한 연구

김도삼,윤희면 한국해안해양공학회 2002 한국해안해양공학회 논문집 Vol.14 No.3

해수교환이 우수하고, 조차에 따라 상·하로 자유롭게 운동하며, 연약지반과 대수심역에도 설치될 수 있다는 것을 일반적인 부방파제의 주요한 특징으로 들 수 있다. 본 연구는 말뚝계류된 부방파제에 의한 3차원파랑제어와 동적인 거동을 경계적분법과 고유함수전개법을 병용하는 수치해석법으로부터 논의한다. 여기서, 말뚝계류시스템은 연직운동만이 허용되고 다른 운동성분들은 모두 구속되며, 체인계류시스템보다도 파랑에너지의 흡수가 많은 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 말뚝계류에 있어서 말뚝과 본체인 폰툰과의 사이에 작용하는 마찰력과 같은 저항력은 고려되지 않는다. 수치해석결과에 따르면 부방파제의 홀수와 폭의 변화는 파랑제어에 큰 영향을 미치고, 입사파의 주기가 길면 부방파제를 통한 전달파가 크다는 것을 알 수 있다. 그리고, 부방파제의 연직운동은 단주기파에서 크게 나타난다. In general, the salient features of the floating breakwater have excellent regulation of sea-water keeping the marine always clean, up and down free movement with the incoming and outgoing tides, capable of being installed without considering the geological condition of sea-bed at any water depth. This study discusses the three dimensional wave transformation of the floating breakwater moored by piers, and its dynamic response numerically. Numerical method is based on the boundary integral method and eigenfunction expansion method. It is known that pier mooring system has higher absorption of wave energy than the chain mooring system. Pier mooring system permit only vertical motion (heaving motion) of floating breakwater, other motions restricted. It is assumed in the present study that a resistant force as friction between piers and floating pontoon is not applied far the vertical motion of the floating breakwater. According to the numerical results, draft and width of the floating breakwater affect on the wave transformations greatly, and incident wave of long period is well transmitted to the rear of the floating breakwater, And the vertical motion come to be large for the short wave period.