불투과 잠제 전면에서 파랑 작용 하의 세굴 해석을 위한 수치모델의 개발

허동수(Hur,Dong-Soo),전호성(Jeon,Ho-Seong) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 B Vol.31 No.5B

본 연구에서는 잠제 주변의 세굴 및 퇴적현상을 수치적으로 모의하기 위해 기존의 수치 파동 모델에 모래입자의 거동 해석을 위한 lagrangian 입자 모델을 결합한 새로운 수치모델을 개발하였다. 수치 피동 모델로서는 파랑에 의한 해저지반 내의 모래입자의 이동과 유동화 해석을 위해 투수성 매체 내부의 유체저항(관성저항, 층류저항 및 난류저항)을 고려할 수 있는 수치모델에 LES 난류모델을 도입한 수치해석기법(허와 최, 2008)을 이용하였다. 또한, 모래입자의 이동해석을 위한 lagrangian 입자 모델로서는 많은 개개의 입자들의 동적해석에 탁월한 개별요소법(Cundall and Strack, 1979)을 적용하였다. 개발된 해석기법을 이용하여 불투과 잠제 전면의 세굴에 대한 수치시뮬레이션을 실시한 후, 기존의 수리모형실험과 정성적으로 비교하면서 그 적용성을 검토하였다. In this study, the coupled-numerical model has been newly developed to investigate numerically scouring and deposition around a coastal structure like a submerged breakwater using a numerical wave model and a lagrangian particle model for sand transport. As a numerical wave model, LES-WASS-2D (Hur and Choi, 2008) is adopted. The model is able to consider the flow through a porous midium with inertial, laminar and turbulent resistance term and determine the eddy viscosity with LES turbulence model. Distinct element method (Cundall and Strack, 1979), which is able to apply to many dynamical analysis of particulate media, as a lagrangian particle model for sand transport is newly coupled to the numerical wave model. The numerical simulation has been carried out to examine the scour problem in front of an impermeable submerged breakwater using the newly coupled-numerical model. The numerical results has been compared qualitatively with an existing experimental data and then its applicability has been discussed.

천해에 적용가능한 태풍 해일-조석-파랑 수치모델 개발 1. 해수유동 모델의 정확성 검토

천제호(Chun, Je-Ho),안경모(Ahn, Kyung-Mo),윤종태(Yoon, Jong-Tae) 한국해안해양공학회 2009 한국해안해양공학회 논문집 Vol.21 No.1

본 논문에서는 천해에 적용 가능한 동적결합형 태풍 해일-조석-파랑 수치모델의 개발과 개발된 모델의 정확성을 검증하였다. 태풍 해일과 조석 수치모델은 POM (Princeton Ocean Model)을 기반으로 하였으며, 풍파 파랑 수치모델은 WAM (Wave Model)을 기반으로 천해에 적용할 수 있도록 수정하여 두 모델을 동적으로 결합하였다. 연속된 두 개의 논문 중에 첫 번째 논문인 본 논문에서는 해일과 조석을 수치 모의하는 해수유동 부분의 수치모의의 안정성과 정확성을 검증하였다. 수치모의의 안정성과 정확성 향상을 위하여 기존의 POM 모델의 난류 수치모델 부분과 연직속도 계산 알고리즘을 수정 보완하였다. 수정된 POM 모델의 정확성과 수치적 안정성 검증을 위하여 해석해와 실 해역에서 측정된 관측결과와 비교하였으며, 수정된 POM 모델이 기존의 POM 모델보다 수치계산의 안정성과 정확성이 개선되었음을 확인할 수 있었다. This paper presents the development of dynamically combined Typhoon generated surge-tide-wave numerical model which is applicable to shallow water. The newly developed model is based on both POM (Princeton Ocean Model) for the surge and tide and WAM (WAve Model) for wind-generated waves, but is modified to be applicable to shallow water. In this paper which is the first paper of the two in a sequence, we verified the accuracy and numerical stability of the hydrodynamic part of the model which is responsible for the simulation of Typhoon generated surge and tide. In order to improve the accuracy and numerical stability of the combined model, we modified algorithms responsible for turbulent modeling as well as vertical velocity computation routine of POM. Verification of the model performance had been conducted by comparing numerical simulation results with analytic solutions as well as data obtained from field measurement. The modified POM is shown to be more accurate and numerically stable compare to the existing POM.

구성모델에 따른 연약지반 영역에서의 철도 노반 침하 특성

김규화,오동욱,짠하미,최봉혁,정혁상 한국철도학회 2024 한국철도학회논문집 Vol.27 No.2

This study, using the constitutive model of numerical analysis, quantitatively analyzed the settlement characteristics of railway roadbeds constructed on soft ground and presented the most appropriate constitutive model for clay conditions . The M.C. Model is a representative ground configuration model derived from the L.E. Model and can be used for carbon materials; the S.S.C. Model can simulate the creep compaction of materials and is suitable for soft ground. Soft ground settlement is caused by a combination of factors, including ground properties, grade, and groundwater level. Although each cause of subsidence has been studied through a single numerical model, there is still a lack of comparative analysis research for these numerical models under identical conditions. Therefore, this study analyzed the effects of the numerical model on the residual and instantaneous settlement characteristics of soft ground. As a result of the analysis, both the M.C. and S.S.C. models showed cases that exceeded the allowable residual settlement standard, but the M.C. model showed a tendency in which residual settlement did not increase even when train load was repeated. Therefore, the M.C. Model was used to analyze the behavior of sandy soil, and it is judged to be an inappropriate model for predicting soft ground.

초고해상도 둥지격자 수치모델을 이용한 울릉도-독도 해역 해양순환 모의

김대혁(Daehyuk Kim),신홍렬(Hong-Ryeol Shin),최민범(Min-bum Choi),최영진(Young-Jin Choi),최병주(Byoung-Ju Choi),서광호(Gwang-Ho Seo),권석재(Seok-Jae Kwon),강분순(Boonsoon Kang) 한국해안해양공학회 2020 한국해안해양공학회 논문집 Vol.32 No.6

지역해양수치모델(ROMS)을 이용하여 동해 및 울릉도-독도 해역의 해양순환을 모의하였다. 동해 3 km 격자 수치모델과 HYCOM 9 km 격자 자료를 사용하여 울릉도 1 km 격자 수치모델, 울릉도-독도 300 m 격자 수치모델들을 서로 단방향 둥지격자화 기법으로 구축하였다. 그 과정에서 상위모델과는 다른 수심 자료 및 내·외삽 방법에 의해 나타날 수 있는 개방 경계자료의 왜곡에 대한 보정방법을 제시하였다. 구축한 시스템을 이용하여, 2018년 울릉도-독도 지역에서 수평해상도가 300 m인 초고해상도 해양순환 모의 결과를 산출하였다. 초고해상도 수치모델은 같은 조건임에도 불구하고 초기장 및 개방 경계자료에 따라 서로 다른 특징이 나타났다. 따라서 수치모델 결과를 인공위성 고도계 자료로 추정한 유속 자료 및 국립수산과학원의 수온 관측자료를 사용하여 비교 검증하였다. 검증결과 HYCOM 자료를 경계장으로 사용한 둥지격자기법 결과는 1km 격자모델 보다 300 m 격자모델 결과에서 RMSE, Mean Bias, Pattern Correlation, Vector Correlation이 전반적으로 향상되었다. 그러나 동해 3 km 수치모델을 사용한 결과에서는 1 km 모델의 결과가 300 m 결과보다 우수하게 나타났다. 수온 수직단면도에서는 수평해상도가 고해상도 일수록, 등온선의 골과 마루의 수직구조가 뚜렷해지는 경향이 나타났다. 또한 울릉도-독도 300 m 모델은 상위모델에서 재현되지 않았던 섬의 지형 효과에 따른 카르만 와열이 나타났다. The ocean circulation was simulated in the East Sea and Ulleungdo-Dokdo region using ROMS (Regional Ocean Modeling System) model. By adopting the East Sea 3 km model and the HYCOM 9 km data, Ulleungdo 1 km model and Ulleungdo-Dokdo 300 m model were constructed with one-way grid nesting method. During the model development, a correction method was proposed for the distortion of the open boundary data which may be caused by the bathymetry data difference between the mother and child models and the interpolation/extrapolation method. Using this model, a super-high resolution ocean circulation with a horizontal resolution of 300 m near the Ulleungdo and Dokdo region was simulated for year 2018. In spite of applying the same conditions except for the initial and boundary data, the numerical models result indicated significantly different characteristics in the study area. Therefore, these results were compared and verified by using the surface current data estimated by satellites altimeter data and temperature data from NIFS (National Institute of Fisheries Science). They suggest that in general, the improvement of the one-way grid nesting with the HYCOM data on RMSE, Mean Bias, Pattern correlation and Vector correlation is greater in 300 m model than in the 1 km model. However, the nesting results of using East Sea 3 km model showed that simulations of the 1 km model were better than 300 m model. The models better resolved distinct ridge/trough structures of isotherms in the vertical sections of water temperature when using the higher horizontal resolution. Furthermore, Karman vortex street was simulated in Ulleungdo-Dokdo 300 m model due to the terrain effect of th islands that was not shown in the Ulleungdo 1 km model.

U.K. 지구시스템모델 UM의 리눅스 클러스터 설치와 성능 평가

윤대옥,송형규,박성수 한국지구과학회 2022 한국지구과학회지 Vol.43 No.6

The state-of-the-art Earth system model as a virtual Earth is required for studies of current and future climate change or climate crises. This complex numerical model can account for almost all human activities and natural phenomena affecting the atmosphere of Earth. The Unified Model (UM) from the United Kingdom Meteorological Office (UK Met Office) is among the best Earth system models as a scientific tool for studying the atmosphere. However, owing to the expansive numerical integration cost and substantial output size required to maintain the UM, individual research groups have had to rely only on supercomputers. The limitations of computer resources, especially the computer environment being blocked from outside network connections, reduce the efficiency and effectiveness of conducting research using the model, as well as improving the component codes. Therefore, this study has presented detailed guidance for installing a new version of the UM on high-performance parallel computers (Linux clusters) owned by individual researchers, which would help researchers to easily work with the UM. The numerical integration performance of the UM on Linux clusters was also evaluated for two different model resolutions, namely N96L85 (1.875o ×1.25o with 85 vertical levels up to 85 km) and N48L70 (3.75o ×2.5o with 70 vertical levels up to 80 km). The one-month integration times using 256 cores for the AMIP and CMIP simulations of N96L85 resolution were 169 and 205 min, respectively. The one-month integration time for an N48L70 AMIP run using 252 cores was 33 min. Simulated results on 2-m surface temperature and precipitation intensity were compared with ERA5 re-analysis data. The spatial distributions of the simulated results were qualitatively compared to those of ERA5 in terms of spatial distribution, despite the quantitative differences caused by different resolutions and atmosphere-ocean coupling. In conclusion, this study has confirmed that UM can be successfully installed and used in high-performance Linux clusters 지구 대기에 영향을 주는 거의 모든 인간활동과 자연현상을 수치적으로 담아내는 지구시스템모델은 기후 위기 의 시대에 활용될 가장 진보한 과학적 도구이다. 특히 우리나라 기상청이 도입한 지구시스템모델인 Unified Model (UM)은 지구 대기 연구의 과학적 도구로써 매우 활용성이 높다. 하지만 UM은 수치 적분과 자료 저장에 방대한 자원 이 필요하여 개별 연구자들은 최근까지도 기상청 슈퍼컴퓨터에만 UM을 가동하는 상황이다. 외부와 차단된 기상청 슈 퍼컴퓨터만을 이용하여 모델 연구를 수행하는 것은 UM을 이용한 모형 개선과 수치 실험의 원활한 수행에 있어 효율성이 떨어진다. 본 연구는 이러한 한계점을 극복할 수 있도록 개별 연구자가 보유한 고성능 병렬 컴퓨터(리눅스 클러스터)에서 최신 버전 UM을 원활하게 설치하여 활용할 수 있도록 UM 시스템 환경 구축 과정과 UM 모델 설치 과정을 구체적으로 제시하였다. 또한 UM이 성공적으로 설치된 리눅스 클러스터 상에서 N96L85과 N48L70의 두 가지 모형 해상도에 대하여 UM 가동 성능을 평가하였다. 256코어를 사용하였을 때, 수평으로 1.875o×1.25o(위도×경도)와 수직으로약 85 km까지 85층 해상도를 가진 N96L85 해상도에 대한 UM의 AMIP과 CMIP 타입 한 달 적분 실험은 각각 169분과 205분이 소요되었다. 저해상도인 3.75o×2.5o와 70층 N48L70 해상도에 대해 AMIP 한달 적분은 252코어를 사용하여33분이 소요되는 적분 성능을 보였다. 또한 적분을 위해 사용된 코어의 개수에 비례하여 적분 성능이 향상되었다. 성능평가 외에 29년 간의 장기 적분을 수행하여 과거 지상 2-m 온도와 강수 강도를 ERA5 재분석자료와 비교하였고, 해상도에 따른 차이도 정성적으로 살펴보았다. 재분석자료와 비교할 때, 공간 분포가 유사하였고, 해상도와 대기-해양 접합에 따라 모의 결과에서 차이가 나타났다. 본 연구를 통해 슈퍼컴퓨터가 아닌 개별 연구자의 고성능 리눅스 클러스터상에서도 UM이 성공적으로 구동됨을 확인하였다.

수리모형과 수치해석을 통한 만곡부 하천의 수리학적 특성 비교 고찰

서동일,최한규 강원대학교 산업기술연구소 2007 産業技術硏究 Vol.27 No.A

This study, regarding curved channel, was performed to compare and analyze hydraulic characteristics and the speed of water and water level for left bank and right bank through hydraulic model experiments and numerical analysis. Real channels that had characteristics of curved channel were selected as objectives. In order to easily operate one and two dimensional numerical analysis and comparison for total 2.4Km model channel, measuring point was set up as 200m. HEC-RAS model was applied as one dimensional numerical analysis program and SMS model was used as two dimensional numerical analysis program. In respect of speed of water, the average speed of water for right bank recorded 8.33m/s in a model experiment and 3.08m/s, 8.57m/s were average speed of water for right bank in one dimensional and two dimensional numerical analysis. The average speed of water of two dimensional numerical analysis was quite similar to that of model experiments. Also, as for water level, maximum observational errors between one and two dimensional numerical analysis for right and left bank of model experiments were 0.66m, 0.84m and 0.28m, 0.48m for each. It was found that two dimensional numerical analysis had a similar result to hydraulic model experiments. Accordingly, from the result of this study, two dimensional numerical analysis should be used rather than one dimensional numerical analysis, when numerical analysis for curved channel is conducted.

지반굴착 시 Mohr-Coulomb 모델 적합성에 관한 수치해석적 분석

이종현 ( Jonghyun Lee ),진현식 ( Hyunsik Jin ),안준상 ( Joonsang An ),백용 ( Yong Baek ),윤형석 ( Hyeongsuk Yoon ) 대한지질공학회 2020 지질공학 Vol.30 No.1

본 연구에서는 국내 지반굴착에 의한 지반거동 수치해석 평가 시 주로 사용되고 있는 Mohr-Coulomb 모델의 한계점을 분석하고, 실제 지반굴착 거동에 잘 부합되는 Hyperbolic 모델과 수치해석 결과를 비교하였다. 최근 국내에서 Mohr-Coulomb 모델 사용 시 지반굴착면이 실제보다 과다하게 융기되는 현상을 제어하기 위해서 특별한 경계조건을 임의대로 부과해서 해결하는 경향이 있다. 이러한 결과는 굴착면의 융기량의 크기만 제어할 뿐 지반거동이 실제와 왜곡되어 나타나는 문제점을 내포하고 있다. 본 연구에서 Hyperbolic 모델(Hardening Soil model)을 사용한 결과와 Mohr-Coulomb 모델을 사용한 결과를 비교하여, Hyperbolic 모델이 굴착 지반 융기량 및 실제 지반의 응력-변형거동에 더 잘 부합됨을 확인하였다. The Mohr-Coulomb model is mainly used in evaluating the behavior of the ground in numerical analyses of domestic ground excavation. This study analyzes its limitations and compares its numerical results with the hyperbolic model, a model that closely follows actual ground behavior during excavation. Recent applications of the Mohr-Coulomb model in Korea have tended to impose arbitrary special boundary conditions to control the problem of excessive heaving of the ground excavation surface. This adjustment only controls the size of the heaving of the excavation surface, implying that the ground behavior is distorted from the actual behavior. This study compares results from the hyperbolic model (hardening soil model) and the Mohr-Coulomb model, and confirms that the hyperbolic model provides both a more-suitable solution to the problem of heaving during excavation and the actual stress-strain behavior. In numerical analyses of ground excavation, the hyperbolic model is expected to give results consistent with the actual ground behavior.

이수의 유동 특성 분석을 위한 고체-액체 2상 유동의 전산유체역학적 유효성 검토

최용석,박재현,배재환,이봉희,김정환 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.5

본 연구에서는 이수의 유동 특성을 분석하기 위한 기초 연구로서 상용 코드인 ANSYS CFX 14.5를 이용하여 고체-액체 2상 유동 에 대한 수치해석적 연구를 수행하였다. 고체-액체 2상 유동 현상을 모사하기 위해서 균질류 모델과 분리류 모델을 사용하였다. 분리류 모델에서는 Gidaspow의 항력모델을 적용하였으며, 고체 입자에 운동 이론 모델을 적용하였다. 기존의 실험 결과를 기반으로 본 연구에서 사용한 수치해석 모델의 유효성을 검토하였으며, 수치해석은 직경 54.9 mm, 길이 3 m의 수평관에서 체적 분율 0.1~0.5, 속도 1~5 m/s 범위에서 수행되었다. 그리고 압력강하와 고체 입자의 체적 분율 분포를 확인하였으며, 압력강하는 균질류 모델과 분리류 모델이 각각 MAE 17.04%, 8.98 % 이내에서 실험결과를 잘 예측하였다. 관의 하부에서 높은 체적 분율이 나타나며, 상부로 갈수록 체적 분율은 감소하였다. 그리고 속도가 증가할수록 높이 변화에 따른 체적 분율 분포의 변화는 감소하였으며, 수치해석 결과는 이러한 유동 특성을 잘 예측하였다. In this study, numerical analysis of solid-liquid two-phase flow was conducted as a preliminary step to analyze the flow characteristics of drilling fluid using the commercial CFD code, ANSYS CFX 14.5. The homogeneous model and separated flow model were used to simulate solid-liquid two-phase flow phenomena. In the separated flow model, Gidaspow's drag force model was applied with the kinetic theory model was applied for solid particles. The validity of the numerical model used in this study was verified based on the published experimental results. Numerical analysis was carried out for volume fractions of 0.1 to 0.5 and velocities of 1 to 5 m/s in a horizontal tube with a diameter of 54.9 mm and a length of 3 m. The Pressure drop and volume fraction distribution of solid particles were confirmed. The pressure drop was predicted using the homogeneous model and separated flow model within the MAE of 17.04 % and 8.98 %, respectively. A high volume fraction was observed in the lower part of the tube, and the volume fraction decreased toward the upper part. As velocity increased, variations in volume fraction distribution at varying heights were decreased, and the numerical results predicted these flow characteristics well.

EFDC 수치모델 생성을 위한 GUI프로그램 개발

박재형(Jaehyung Park),전용호(Yongho Jeon) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

본 연구에서는 Environmental Fluid Dynamics Code(EFDC) 모델의 전처리를 위한 일련의 과정들을 통합하여 보다 효율적으로 EFDC 모델을 수행할 수 있는 GUI 프로그램인 Coastal Analysis Support(CAS) 프로그램을 제안하고자 한다. EFDC 모델은 3차원 해수유동, 부유사 확산 및 지형변화 예측 등의 수치 모의 시 널리 사용되고 있는 프로그램이다. EFDC 모델을 생성하기 위해서는 수치해도 확인 및 보정, 격자 생성, 경계조건 입력 등의 작업이 필수적이다. 그러나 상기 작업들을 편리하게 수행하기 위한 소프트웨어 프로그램들은 각각 독립적으로 존재하거나 전무한 실정이다. 따라서 모델 전처리를 위해 여러 프로그램을 사용해야하고, 중간에 문제가 생기면 되돌아가서 다시 이전의 작업을 반복해야하는 단점이 있다. 또한, 프로그램에 따라 시각화를 제공하지 않는 경우 EFDC 모델의 계산 처리 시 방해요인을 즉각적으로 파악하기 어려운 한계가 있다. 이에 작업들을 통합하여 수행하고, 작업 중인 내용을 시각화하여 효과적으로 확인하기 위하여 CAS 프로그램을 개발하였다. In this study, we propose Coastal Analysis Support (CAS), a GUI program that integrates the pre-process of generating Environmental Fluid Dynamics Code (EFDC) model more efficiently and economically. EFDC model is widely used in numerical simulations such as 3D hydrodynamic, suspended sediment diffusion and topographic change. In order to generate EFDC model, numerical map confirmation and correction, grid generation, and boundary condition setting are required. However, each software program to perform these tasks is independent or does not exist. Therefore, it has the disadvantage of using multiple programs to generate a single model and having to go back and repeat the previous work if there is a problem in the middle. In addition, if visualization is not provided in the program, it is difficult to immediately grasp the obstacle factors in the computational processing of the EFDC model. CAS program was developed to integrate these work, visualize the present data, and effectively verify it.

수치모형을 이용한 고리형 수위-유량 관계 분석

김지성(Kim Ji Sung),김원(Kim Won),김동구(Kim Dong Gu),김치영(Kim Chi Young) 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 B Vol.29 No.1B

본 연구에서는 일반적으로 유량 자료의 생산을 위해 널리 사용되는 수위-유량관계의 고리형 특성 분석과 수치모형에 의해 이를 재현하는 것을 목적으로 하고 있다. 팔당대교 등 3개 지점의 연속적인 수위와 유량자료를 분석한 결과 여러 사상에서 매우 강한 고리형 특성이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 기존 단일 수위-유량관계가 많은 오차를 포함할 수 있다는 것을 나타낸다고 할 수 있다. 한강 본류부에 일차원 수치모형을 이용하여 다양한 홍수사상에 적용하고, 그 결과를 실측 수위와 비교하여 검증하였다. 특히 2007년 홍수사상의 경우, 한강대교에 설치된 ADVM을 이용한 연속적인 유량측정 자료와 비교하여 수치모형에 의한 간접유량 산정의 적용성을 검증하였다. 검증된 수치해석 결과로부터 주요지점의 수위-유량관계를 작성한 결과 실측치와 유사한 형태를 구할 수 있었는데, 적절히 보정되고 검증된 수치모형을 이용하면 고리형 특성이 매우 강한 수위-유량관계의 재현이 가능함을 분석하였다. 본 연구 결과는 기존 단일 수위-유량관계의 오차 분석과 수치모형을 이용한 고리형 수위-유량관계 개발에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. This study is focused on the analysis of loop characteristics of stage-discharge relation which is widely used for the production of discharge data and the simulation of loop stage-discharge relation using the numerical model. Analysis of consecutive stage and discharge data at 3 points revealed that loop of stage-discharge relationship is very strong. This means that the existing single stage-discharge relation may include large amount of error. Various flood events are simulated in mainstream of Han river with one-dimensional numerical model. The calculated stage data are compared with measured data. Especially continuous field-flow measurements concurrently collected with an Acoustic Doppler Velocity Meter (ADVM) on Hangang bridge in the case of 2007 flood event are used to verify the model applicability of estimating flows in open channels. This comparison shows that numerical model is an accurate and reliable alternative for making the real stage-discharge relation. Simulation of stage-discharge relation by a numerical model at Paldang and Hangang bridge showed good agreements with measured one, so it may be possible to generate real loop stage-discharge relation with properly calibrated and verified numerical model. It can be concluded that results of this study can contribute to error analysis of conventional single stage-dis-charge relation and development of loop stage-discharge relation with numerical model.