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적응적 메쉬세분화기법과 분할격자기법을 이용한 극한 도시홍수 실험 모의
안현욱,유순영 한국수자원학회 2011 한국수자원학회논문집 Vol.44 No.7
적응적 메쉬세분화기법과 분할격자기법을 적용한 2차원 천수방정식모형을 활용하여 구조물을 고려한 극한 홍수 실험을 모의하였다. 본 연구에 사용된모형은 두 격자생성 기법을함께 사용함으로서 복잡한 경계를보다 적은 격자로 효율적으로 표현하는 것이 가능하며, 동적 적응 메쉬세분화기법을 사용하여 흐름이 빠르게 변하는 영역에서 정확도를 유지하면서도 효율적으로 계산하는 것이 가능하다. HLLC 리만근사해법과 MUSCL 기법을 적용하여 시공간상에서 2차정도를 유지하며 Two-dimensional shallow water model based on the cut cell and the adaptive mesh refinement techniques is presented in this paper. These two mesh generation methods are combined to facilitate modeling of complex geometries. By using dynamically adaptive me
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적응적 분할격자 기반 2차원 침수해석모형 K-Flood의 개발
안현욱,정안철,김연수,노준우 한국수자원학회 2018 한국수자원학회논문집 Vol.51 No.10
An adaptive cut-cell grid based 2D inundation analysis model, K-Flood, is developed in this study. Cut cell grid method divides a grid into a flow area and a non-flow area depending the characteristics of the flows. With adaptive mesh refinement technique cut cell method can represent complex flow area using relatively small number of cells. In recent years, the urban inundation modeling using high resolution and fine quality data is increasing to achieve more accurate flood analysis or flood forecasting. K-Flood has potential to simulate such complex urban inundation using efficient grid generation technique. A finite volume numerical scheme of second order accuracy for space and time was applied. For verification of K-Flood, 1) shockwave reflex simulation by circular cylinder, 2) urban flood experiment simulation, 3) Malpasset dam collapse simulation are performed and the results are compared with observed data and previous simulation results. 본 연구에서는 적응적 분할격자기반 2차원 침수해석모형 K-Flood를 개발하였다. 분할격자기법은 흐름 특성을 기반으로 격자를 분할하여 흐름영역과 비흐름영역으로 구분하는 격자생성기법이며, 분할격자기법과 격자세분화기법을 동시에 활용하면 매우 적은 수의 격자로 복잡한 형상의 흐름영역을 표현할 수 있어 효율적인 모의가 가능하다. 특히 최근 도시홍수에 대해 매우 정밀한 해상도의 자료와 격자를 이용하여 보다 정확한 침수해석 또는 예보를 하고자 하는 시도가 늘어나고 있으며, K-Flood는 이러한 복잡한 흐름영역의 계산 시 적응적 분할격자를 활용하여 효율적인 격자생성이 가능하다. 공간 및 시간에 대해 2차 정확도의 유한체적 수치해법이 적용되었다. K-Flood의 검증을 위해 2차원 침수해석모형의 검증에 널리 사용되고 있는 1) 원형 실린더에 의한 충격파 반사 모의, 2) 도시홍수실험 모의, 3) Malpasset 댐붕괴 모의를 수행하였다. 모든 모의에서 관측자료 및 과거의 모의결과와 비교하여 성공적으로 K-Flood의 성능을 검증하였다.
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안현욱 ( Hyunuk An ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-
국내의 토석류는 대부분 강우로 인해 촉발되며, 기후변화로 인해 점점 더 극한강우가 늘어날 전망으로 토석류의 빈도도 증가할 것으로 예상되고 있다. 국내의 경우 토석류가 발생할 수 있는 산지지역이 서울, 부산, 대구 등 대도시 또는 주거지인근에 분포하고 있는 경우가 많아 재산피해 뿐만 아니라 인명피해도 발생할 수 있으므로 토석류에 대한 지속적인 연구개발이 필요하다. 토석류 모형의 해석격자는 모형의 정확도에 큰 영향을 미치며 특히 직교격자는 건물 및 구조물의 표현에 한계가 존재하나 현재 구축된 대부분의 토석류 수치모형은 직교격자기반으로 구축되었다. 일반적으로 FDM 기반의 수치모형은 직교격자를 사용하며, 이러한 모형은 모형을 구축하기 쉽다는 장점이 있는 반면, 복잡한 지형을 표현하기 어려우며, 계산효율이 떨어지는 단점 존재한다. FEM 또는 FVM 기반의 수치모형은 삼각형 격자를 사용할 수 있으며, 이러한 경우 복잡한 지형을 효율적으로 표현할 수 있으나 지형이 복잡해질수록 격자 생성에 많은 시간과 노력이 필요하다는 단점이 있다. 직교격자와 삼각형 격자의 장단점을 고려하여 직교격자상에서 보다 효율적으로 격자생성을 하는 적응적 메쉬세분화기법(adaptive mesh refinement method)과 분할격자기법(cut cell method)이 존재한다. 1990년대 주목받기 시작하여 2000년대 이르러 천수방정식에 적용되기 시작한 이 방법은 고정 확도 수치기법들을 비교적 용이하게 모형에 적용할 수 있는 직교격자의 장점을 가지면서, 비구조격자 및 구조곡선격자와 비교하여 복잡한 지형의 격자를 쉽게 생성가능하다. 또한 모의 중에 격자를 재구성하여 정밀한 해상도가 필요한 영역만을 고해상도로 표현하는 동적 적응적 메쉬세분화기법을 활용하여 매우 효율적인 계산이 가능하다. 본 연구에서는 이러한 적응적 메쉬세분화기법을 도입하여 효율적이며 정확한 적응적격자를 기반으로 한 토석류 수치모형을 개발하고자 한다.
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안현욱(An Hyunuk),유순영(Yu Soonyoung) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 B Vol.32 No.2B
천수방정식의 수치모형에 MLP(Multi-dimensional Limiting Process)기법을 적용한 후 수치모의를 통해 MLP의 수치진동 제어 성능을 검증하였다. MLP기법은 2,3차원에서 기존의 TVD 제어자(limiter)들보다 안정적이며 정확한 수치모의를 가능하게 한다. 다차원에서 정확하고 안정적이니 수치모의가 가능하도록 개발된 MLP기법은 압축성 유체를 표현하는 2,3차원 오일러 방정식에 적용되어 기종의 제어자들에 비해 그 뛰어난 성능이 검증된 바 있다. 하지만 천수방정식에 적용된 예는 없으며, 이데 본 연구는 천수방정식에 MLP를 적용하고 천수방정식 수치모형 검증에 주로 사용되는 수치모의를 통해 MLP의 진동 제어 성능을 검증하였다. 모의 결과, MLP는 2차원 천수방정식에 있었어도 기존의 제어자들과 비교하여 수치진동을 보다 잘 제어하는 것으로 판단된다. MLP사용으로 인해 불연속면 근처에서 정확도가 향상되었고 수치진동이 발생하지 않아 보다 안정적인 모의가 하게 되었다. MLP(Multi-dimensional Limiting Process)is implemented to simulate shallow water flows, and its performance over conventional TVD limiters in multidimensional flows is verified through several numerical simulation. MLP was developed to control oscillations for multi-dimensional compressible flows and proved to improve accuracy, efficiency and robustness in compressible flows. In this study, we applies MLP to modeling shallow water equations(SWEs)given that the SWEs are amenable to be solved using the large range of numerical methods developed to deal with compressible flows and MLP has been yet used for SWEs. Simulation results through the benchmark tests show that MLP has favorable features such as numerical oscillation control and convergence behaviors comparable to the conventional limiters. Both numerical accuracy and stability are improved in multi-dimensional discontinuous flows.
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안현욱 ( Hyunuk An ),노재경 ( Jaekyoung Noh ) 한국농공학회 2015 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2015 No.-
과학기술의 급격한 발전에도 불구하고, 이상기후는 최근 들어 더욱 예측하기 어려운 방향으로 진행되고 있으며, 이로 인한 가뭄 및 홍수 등 수재해의 강도 및 빈도는 뚜렷하게 증가하고 있는 추세이다. 도시유역에서 발생하는 홍수는 배수지체로 인한 내수침수가 대부분이며 이러한 현상을 해석하기 위해서는 우수관망현상과 범람현상을 동시에 해석하여야 한다. 국내에서는 우수관망 모형인 SWMM과 범람해석모형인 FLUMEN을 같이 사용하거나, 두 해석 모듈이 모두 포함된 XP-SWMM이 주로 도시홍수 모의에 활용되고 있다. 본 연구에서는 적응적 격자와 분할격자 기법을 사용하여 범람모형을 개선하고자 하였다. 도시지역의 홍수범람양상은 복잡한 지형과 건물들로 인해 매우 복잡하며 이러한 현상은 일반적으로 도시홍수 모의에서는 무시되고 있다. 건물의 영향을 고려한 격자생성 및 지형처리기법들이 소개되었으나 전처리의 및 격자생성의 어려움으로 인해 손쉽게 활용되기 어렵다는 한계가 존재한다. 본 연구에서는 적응적 격자분할 기법과 분할격자기법을 활용해 폴리곤 또는 폴리라인으로 구성된 다수의 건물이 격자상에 반영될 수 있도록 모듈을 개발하였다. 2011년 사당에서 발생한 도시홍수를 대상으로 모의를 수행하였고 사당유역의 18000여 건물을 격자상에 반영하였다. 이러한 상세한 모형화가 도시홍수범람양상에 얼마나 영향을 미치는 지 분석하였다.
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안현욱 ( Hyunuk An ) 한국농공학회 2016 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2016 No.-
산사태 발생 예측은 재해를 예방하고 대처하기 위한 가장 근본적이며 효과적인 방법이나, 급격한 과학기술의 발전에도 불구하고 아직 산사태의 발생 장소와 시기를 예측하는 것은 매우 어려운 상태이다. 산사태 발생 예측 기법은 크게 경험론적 지수기법, 통계적 해석기법, 물리적 해석기법으로 나뉠 수 있다. 이 세 방법은 각기 장단점이 있으나 일반적으로 후자로 갈수록 많은 데이터가 요구되고, 해석에 시간이 필요하며, 보다 신뢰할만한 결과를 도출할 수 있다. 경험론적 지수기법과 통계적 해석기법에 관한 다수의 연구가 수행되었으나 이 두 방법론은 산사태의 발생 시점과 연속적인 강우량 또는 강우강도의 관계를 정량적으로 분석하기 힘든 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 무한사면안정모형과 토양수분침투 모형을 결합한 시변 사면안정모형들이 활용되기 시작하였다. 본 연구에서는 지형의 영향을 반영하고 장기간 사면안정예측을 위해, 준3차원 토양수분모형과 무한사면안정해석 모형을 결합한 시변 사면안정해석모형 TiVaSS(Time-varient Slope Stability Model)를 개발하였다. 그리고 이를 원활히 활용할 수 있도록 Qt 라이브러리를 기반으로 GUI를 개발하였다. Windows 시스템에서 동작하도록 하였고 데이터의 1차원 및 2차원 가시화 기능을 추가하였다. 개발한 모형은 2011년 우면산 산사태에 적용하여 검증하였다.
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