토석류 흐름의 1차원 수치모의 및 현장관측

백중철(Paik Joongcheol),박상덕(Park Sang-Deok) 대한토목학회 2009 대한토목학회 학술대회 Vol.2009 No.10

흐름방향으로 나란히 바닥에 놓인 두 개의 입방체를 통과하는 흐름의 3차원 비정상 수치해석

백중철(Paik Joongcheol),포티스 소티로폴로스(Sotiropoulos Fotis) 대한토목학회 2008 대한토목학회 학술대회 Vol.2008 No.10

친환경 횡단 수공구조물 개발을 위한 수치해석 연구

백중철(Paik, Joongcheol),후안 파블로 토로(Toro, Juan Pablo),파비안 봄바델리(Bombardelli, Fabian A) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10

수평바닥에서 고립파 전파에 의한 경계층 흐름 수치 모델링

백중철(Paik, Joongcheol),심재설(Shim, Jae-Seol) 대한토목학회 2017 대한토목학회 학술대회 Vol.2017 No.10

대각행렬화된 근사 인수분해 기법을 이용한 3차원 비압축성 점성 흐름 해석

백중철(Paik Joongcheol) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 B Vol.31 No.3B

비압축성 점성 흐름을 수치해석하기 위한 효율적인 대각행렬화된 근사 인수분해(DAF) 알고리즘을 개발하였다. 압력에 근거한 인공압축성(AC) 기법을 이용하여 3차원 정상 비압축성 Navier-Stokes 방정식을 계산한다. AC 형태로 변형된 지배방정식은 2차 정확도의 유한차분법을 이용하여 공간에 대해서 이산화하였다. 이산화된 방정식계를 2차 정확도로 분할하기 위해서 본 연구에서 개발한 DAF 기법을 적용한다. 이 연구의 목적은 이 DAF 기법의 계산상 효율성을 검토하는 것이다. 만곡부를 갖는 사각형 덕트에서 완전히 발달한 층류 흐름과 발달하는 층류흐름 그리고 공동에서의 층류흐름에 대한 DAF 기법의 해석결과를 잘 알려진 4단계 Runge-Kutta(RK4)기법에 의한 해석해와 상대적으로 비교평가 하였다. 공간에 대해서 동일한 이산화기법을 이용하므로 동일한 격자상에서 계산된 DAF기법과 RK4기법의 해는 근본적으로 통일한 반면에, 이들 두 기법의 계산상 효율성은 확연히 다른 것으로 나타났다. 본 연구에서 개발된 DAF기법은 적용한 모든 흐름 문제에 대해서 RK4기법에 비해 최소 2배 이상 적은 계산 시간만을 필요로 하는 것으로 나타났다. 이러한 DAF 기법의 계산상 효율성은 계산용량의 추가나 프로그래밍의 추가적인 복잡함이 없이 확보된다. An efficient diagonalized approximate factorization algorithm (OAF) is developed for the solution of three-dimensional incompressible viscous flows. The pressure-based, artificial compressibility (AC) method is used for calculating steady incompressible Navier-Stokes equations. The AC form of the governing equations is discretized in space using a second-order-accurate finite volume method. The present DAF method is applied to derive a second-order accurate splitting of the discrete system of equations. The primary objective of this study is to investigate the computational efficiency of the present DAF method. The solutions of the DAF method are evaluated relative to those of well-known four-stage Runge-Kutta (RK4) method for fully developed and developing laminar flows in curved square ducts and a laminar flow in a cavity. While converged solutions obtained by DAF and RK4 methods on the same computational meshes are essentially identical because of employing the same discrete schemes in space, both algorithms shows significant discrepancy in the computing efficiency. The results reveal that the DAF method requires substantially at least two times less computational time than RK4 to solve all applied flow fields. The increase in computational efficiency of the DAF methods is achieved with no increase in computational resources and coding complexity.

Fr = 7.3의 정상도수 큰와모의

백중철,김병주,Paik, Joongcheol,Kim, Byungjoo 한국수자원학회 2023 한국수자원학회논문집 Vol.56 No.-

보와 저낙차 댐과 같은 하천횡단구조물을 통과하는 흐름은 도수 현상을 동반하는 급변류가 지배적이다. 구조물 하류에서 도수로 인한 유속과 수면의 강한 비정상성은 수공구조물의 안정에 영향을 줄 수 있다. 특히, 높은 Froude 수 조건에서 발생하는 정상도수는 공기연행이 현저하게 발생하여 흐름 특성은 더욱 복잡해진다. 이 연구에서는 Froude 7.3 조건에서 발생하는 정상도수를 모의하기 위해서 큰와모의 기법과 하이브리드 VoF 기법을 이용한 수치모의를 수행하였다. 수치모의 결과는 구조물 하류 바닥면에서 계측된 순간최대압력과 시간평균압력 분포를 유사하게 재현하는 것으로 나타났다. 단, 구조물 직하류에서의 순간최소압력 분포는 대상으로 하는 실험 계측값과 반대의 양상을 보이지만, 유사한 다른 시험과는 같은 양상을 보임으로써 본 연구에서 수행한 수치모의는 합리적으로 압력변동을 예측하는 것으로 판단된다. 도수 중앙부에서의 연직방향 유속분포와 공기농도분포는 유사한 조건의 실험 결과들과 자기상사성을 보이면서 양호하게 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 큰와모의 기법과 하이브리드 VoF 기법이 높은 Froude 수 조건에서 강한 공기연행을 동반하는 도수현상을 양호하게 재현할 수 있음을 보여준다. The flow passing through river-crossing structures such as weirs and low-fall dams is dominated by rapidly varied flow including hydraulic jump. The intense unsteadiness of flow velocity and free surface profile affects the stability of such hydraulic structures. In particular, the steady hydraulic jump generated at high Froude number conditions includes remarkably air entrainment, making the flow characteristics more complicated. In this study, a large-eddy simulation was performed for turbulence effect and the hybrid VoF technique to simulate the steady hydraulic jump at the Froude number of 7.3 and the Reynolds number of 15,700. The results of the numerical simulation showed that the instantaneous maximum pressure and time-average pressure distribution calculated on the bottom surface downstream of the structure could be reasonably well reproduced being in good agreement with the experimental values. However, the instantaneous minimum pressure distribution in the direct downstream of the structure shows the opposite pattern to the target experimental measurement value. However, the numerical simulation performed in this study is considered to reasonably predict the minimum pressure distributions observed in various experiments conducted at similar conditions. The vertical distributions of flow velocity and air concentration computed in the center of the hydraulic jump were found to be in good agreement with the experimental results measured under similar conditions, showing self-similarity. These results show that the large eddy simulation and hybrid VoF techniques applied in this study can reproduce the hydraulic jump with strong air entrainment and the resulting intense free surface and pressure fluctuations at high Froude number conditions.

사각형 광정위어를 통과하는 자유수면 흐름 수치모의

백중철,이남주,Paik, Joongcheol,Lee, Nam Joo 한국수자원학회 2015 한국수자원학회논문집 Vol.48 No.4

표준 k-${\varepsilon}$, RNG k-${\omega}$ 그리고 k-${\omega}$ SST 난류 모형과 VOF (volume of fluid)기법을 이용하여 사각형 광정위어를 통과하는 난류 흐름의 수면 변화와 유속분포를 수치모의 하였다. 지배방정식은 2차 정확도의 유한체적기법을 이용하여 해석하였으며, 두 개의 서로 다른 격자해상도에서 계산을 수행하여 수치해석 결과의 격자 민감도를 분석하였다. 계산 결과를 Kirkgoz et al. (2008)의 실험 결과 그리고 Moss (1972) 및 Zachoval et al. (2012) 무차원화된 실험값과 비교 분석하여 적용한 수치모형의 정확도를 평가하였다. 수치모의 결과는 사각형 개수로에 설치된 광정위어 흐름의 실험결과들을 합리적으로 예측하고 있으면 적용한 난류모형에 따라서 두 개의 주요 흐름분리 영역에서 계산 결과에 차이가 있는 것으로 나타났다. 표준 k-${\varepsilon}$ 모형은 이들 두 개의 흐름분리영역의 크기를 과소산정하고 있으며, k-${\omega}$ SST 모형은 위어 전면부에서 발생하는 흐름분리 영역을 다소 과대 산정하는 것으로 나타났다. RNG k-${\varepsilon}$ 모형은 전반적으로 양호하게 두 흐름분리 영역을 예측하는 한편, k-${\omega}$ SST 모형은 위어 상류부 모서리에서 발생하는 박리거품의 발생 형태를 가장 잘 예측하는 것으로 나타났다. Numerical simulations of free surface flow over a broad-crested rectangular weir are conducted by using the volume of fraction (VOF) method and three different turbulence models, the k-${\varepsilon}$, RNG k-${\omega}$ and k-${\omega}$ SST models. The governing equations are solved by a second-order accurate finite volume method and the grid sensitivity study of solutions is carried out. The numerical results are evaluated by comparing the solutions with experimental and numerical results of Kirkgoz et al. (2008) and some non-dimensionalized experimental results obtained by Moss (1972) and Zachoval et al. (2012). The results show that the present numerical model can reasonably reproduce the experimental results, while three turbulent models yield different numerical predictions of two distinct zones of flow separation, the first zone is in front of the upstream edge of the weir and the second is created immediately behind the upstream edge of the weir where the flow is separated to form the separation bubble. The standard k-${\varepsilon}$ model appears to significantly underestimate the size of both separation zones and the k-${\omega}$ SST model slightly over-estimates the first separation zone in front of the weir. The RNG k-${\varepsilon}$ model predicts both separation zones in overall good agreement with the experimental measurement, while the k-${\omega}$ SST model yields the best numerical prediction of separation bubble at the upstream edge of the weir.

FLO-2D 모형을 이용한 우면산 토석류 유동 수치모의

김승은,백중철,김경석,Kim, Seungeun,Paik, Joongcheol,Kim, Kyung Suk 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.3

2011년 7월 27일 우면산 유역에서 일련의 토석류가 발생하여 많은 인명과 재산 피해를 야기했다. 이러한 토석류 피해를 저감하기 위해서는 토석류가 어떻게 이동하고 퇴적되어 하류부에 피해를 주는지를 예측할 수 있는 기술이 필요하다. 이 연구에서는 우면산 토석류에 대해서 FLO-2D 수치모형을 적용하여, 모형의 성능을 평가하고, 이들 토석류의 유동 매개변수를 분석하였다. 우면산 북측사면에서 발생한 토석류의 현장 관측자료와 FLO-2D 모의 결과 분석을 통해서 역산된 우면산 토석류의 대표 항복응력은 1,022 Pa 그리고 대표 동점성은 652 $Pa{\cdot}s$ 인 것으로 나타났다. 선정된 매개변수를 이용하여 우면산 토석류의 퇴적영역을 산정한 결과, 래미안 유역의 경우 63 - 85% 정확도의 피해유역을 재현됨으로서 FLO-2D 모형은 피해유역 산정에 적합한 것으로 나타났다. 하지만, FLO-2D 모형이 침식물질과 우수의 연행작용을 고려할 수 없는 고유의 한계 때문에 연행작용이 현저한 래미안 및 신동아 유역 토석류의 유하속도는 과소평가하는 것으로 나타났다. 유하부에서 침식에 의한 연행작용이 활발하지 않은 형촌마을 유역 토석류는 수로와 저수지 상부 부근에서의 퇴적을 우수한 정확도로 모의되었다. 민감도 분석 결과 유사체적농도와 바닥조도계수 모두 토석류의 흐름두께와 유속 모두에 상당한 영향을 미치는 것으로 나났으므로, 이들 매개변수의 선정에 신중해야 함을 보여주었다. Multiple debris flows occurred on July 27, 2012 in Mt. Umyeon, which resulted in 16 casualties and severe property demage. Accurate reproducing of the propagation and deposition of debris flow is essential for mitigating these disasters. Through applying FLO-2D model to these debris flows and comparing the results with field observations, we seek to evaluate the performance of the model and to analyse the rheological model parameters. Representative yield stress and dynamic viscosity back-calculated for the debris flows in the northern side of Mt. Umyeon are 1022 Pa and 652 $Pa{\cdot}s$, respectively. Numerical results obtained using these parameters reveal that deposition areas of debris flows in Raemian and Shindong-A regions are well reproduced in 63-85% agreement with the field observations. However, the propagation velocities of the flows are significantly underestimated, which is attributable to the inherent limitations of the model that can't take the entrainment of bed material and surface water into account. The debris flow deposition computed in Hyeongchon region where the entrainment is not significant appears to be in very good agreement with the field observation. The sensitivity study of the numerical results on model parameters shows that both sediment volume concentration and roughness coefficient significantly affect the flow thickness and velocity, which underscores the importance of careful selection of these model parameters in FLO-2D modeling.

난류 경계층의 RANS 모의를 위한 벽함수

유동근(Yoo, Dong Geun),백중철(Paik, Joongcheol) 대한토목학회 2018 대한토목학회 학술대회 Vol.2018 No.10

SPH 기법을 이용한 잠제 주변 흐름 수치모의

최두영(Dooyoung Choi),백중철(Jungcheol Paik),신문섭(Mun Seop Sin) 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.6