효율적 수치해석을 위한 오픈소스 프로그램 기반 해석 플랫폼 구축 및 사례 연구

박찬희(Chan-Hee Park),김태현(Taehyun Kim),박의섭(Eui-Seob Park),정용복(Yong-Bok Jung),방은석(Eun-Seok Bang) 한국암반공학회 2020 터널과지하공간 Vol.30 No.6

본 연구에서는 실제 지질구조를 반영한 실규모 수치해석을 효율적으로 수행하고자 탐사 자료를 바탕으로 한 메쉬 생성, 해석수행, 결과분석을 위한 후처리의 일련의 과정을 포함한 해석 플랫폼을 구축하였다. 해석 플랫폼 구축을 위하여 연구자의 필요에 따른 코드 수정 및 다양한 수치해석 프로그램과 호환이 가능할 수 있도록 소스코드가 공개되어 있는오픈소스 프로그램을 활용하였다. 먼저 드론을 활용하여 촬영한 탐사 정보를 바탕으로 3차원 모델을 획득한 후, 오픈소스 3차원 창작 소프트웨어인 Blender를 활용하여 도메인의 메쉬 밀도를 해석 가능한 수준으로 조정하였다. 다음 단계로는 유한요소 메쉬 생성 프로그램인 Gmsh를 활용하여 도메인 내부에 사면체 기반의 메쉬를 생성하여 3차원 모델을 생성하였다. Gmsh를 통해 획득된 메쉬 정보를 수치해석 프로그램에 활용하기 위해서 메쉬 생성 규약에 적합하도록 변환하는 과정이 필요하며, 이는 Python을 통해 코드를 작성하여 수행하였다. 안정성 해석이 완료된 뒤에는 자료의 후처리 작업을 위해 시각화 및 데이터 분석 프로그램인 ParaView를 활용하여 다양한 시각화 자료를 생성하였다. 구성된 플랫폼의 활용성을 확인하기 위해 드론 탐사자료를 바탕으로 생성한 실규모 독도 모델을 대상으로 예비 안정성 분석을 성공적으로 수행하였으며, 예비해석을 통해 구축된 해석플랫폼이 향후 다양한 해석 과정에 활용될 수 있음을 확인하였다. This study constructed a new simulation platform, including mesh generation process, numerical simulation, and post-processing for results analysis based on exploration data to perform real-scale numerical analysis considering the actual geological structure efficiently. To build the simulation platform, we applied for open-source programs. The source code is open to be available for code modification according to the researcher"s needs and compatibility with various numerical simulation programs. First, a three-dimensional model(3D) is acquired based on the exploration data obtained using a drone. Then, the domain"s mesh density was adjusted to an interpretable level using Blender, the free and open-source 3D creation suite. The next step is to create a 3D numerical model by creating a tetrahedral volume mesh inside the domain using Gmsh, a finite element mesh generation program. To use the mesh information obtained through Gmsh in a numerical simulation program, a converting process to conform to the program"s mesh creation protocol is required. We applied a Python code for the procedure. After we completed the stability analysis, we have created various visualization of the study using ParaView, another open-source visualization and data analysis program. We successfully performed a preliminary stability analysis on the full-scale Dokdo model based on drone-acquired data to confirm the usefulness of the proposed platform. The proposed simulation platform in this study can be of various analysis processes in future research.

파·구조물·지반의 비선형 동적응답해석을 위한 직접수치해석기법의 개발

허동수(Hur, Dong Soo),김창훈(Kim, Chang Hoon),이광호(Lee, Kwang Ho),김도삼(Kim, Do Sam) 한국해안해양공학회 2005 한국해안해양공학회 논문집 Vol.17 No.2

파랑하중하의 지반내 간극수압의 정확한 평가는 연안구조물에서 지반의 안정성을 검토하는데 중요한 요소이다. 파·구조물 지반의 상호간섭에 대한 대부분의 기존 수치모델은 파동장과 지반부를 분리하여 해석하는 Hybrid기법을 적용하고 있기 때문에, 보다 고정도로 이들의 상호간섭을 모의하기 위해서는 파랑하중하에서 파·구조물·지반을 일체화한 수치모델의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 투과층의 다양한 기하학적인 형태에 따라 층류저항까지 고려한 모델화 된 유체저항을 도입하여 파 구조물 지반의 비선형동적응답을 해석하기 위한 직접수치해석기법을 새롭게 제안하였다 직접수치해석기법은 Hybrid기법과는 달리 유체와 다공질매체의 접합면에서 특별한 경계조건을 필요로 하지 않는다. 파·구조물·지반의 상호간섭에 대해 기존의 수리실험결과와 본 연구의 계산결과를 비교함으로써 좋은 일치성을 확인할 수 있었다. 따라서 새롭게 제안된 본 수치기법은 파 구조물 지반의 비선형동적응답을 평가하는 유용한 기법으로 판단된다. Accurate estimation of the wave-induced pore water pressure in the seabed is key factor in studying the stability of the seabed in the vicinity of coastal structure. Most of the existing numerical models for wave structure seabed interaction have been linked through applying hybrid numerical technique which is analysis method separating the wave field and seabed regime. Therefore, it is necessary to develope a numerical model f3r simulating accurately wave·structure· seabed interaction under wave loadings by the single domain approach for wave field and seabed regime together. In this study, direct numerical simulation is newly proposed. In this model, modeled fluid drag has been used to detect the hydraulic properties according to the varied geometrical shape inside the porous media by considering the turbulence resistance as well as laminar resistance. Contrary to hybrid numerical technique, direct numerical simulation avoids the explicit formulation of the boundary conditions at the fluid/porous media interface. A good agreement has been obtained by the comparison between existed experimental results by hydraulic model test and direct numerical simulation results far wave ·structure·seabed interaction. Therefore, the newly proposed numerical model is a powerful tool for estimating the nonlinear dynamic responses among a structure, its seabed foundation and water waves.

항공기용 고압 터빈의 정상 및 비정상 수치해석

김진욱,민준호,조이상,강영석,조진수 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

고압 가스터빈의 노즐 베인과 로터 블레이드에서는 충격파와 2 차 유동이 발생하여 정확한 유동을 예측하기 어렵다. 특히 2 차 유동은 가스터빈 전체의 효율의 손실을 줄 수 있는 복잡한 유동이다. 본 연구에서는 복잡한 2 차 유동을 예측하기 위하여 정상 및 비정상 수치해석을 수행하였다. RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)와 URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes)방정식을 사용하여 정상 및 비정상 상태 수치해석을 수행하였다. 노즐 영역과 로터 영역의 연결을 위하여 정상해석에서는 Frozen Rotor 기법을 비정상해석에서는 Transient Rotor stator 기법을 사용하였다. 고압 터빈의 정상 및 비정상 상태 수치해석 연구를 통하여 2 차 유동 발생을 예측하고, 이를 토대로 더 효율적인 노즐 베인과 로터 블레이드의 설계에 도움을 줄 수 있다. In a gas turbine engine, the vane and blade of the high pressure turbine are exposed to exceptionally complicate flow, because of the so-called the secondary flow phenomenon. This introduces the pressure and temperature gradients in the turbine rotor blade, which an unresolved phenomenon. In order to minimize the secondary flow loss in the turbine rotor blade redesign process steady and unsteady CFD analysis for the nozzle and the rotor blade passage of the axial flow turbine has been investigated. The governing equations are the RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes) equations and the turbulent model is k-ω based SST(Shear Stress Transport) model for the better numerical simulation of the flow separations and shear stresses near the wall. This study has allowed a deeper analysis of the unsteady flow characteristics data.

수치해석을 이용한 선굴착 스크류말뚝의 거동 연구

이충원(Lee, Chung-Won) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.3

타입말뚝공법은 소음과 진동을 발생시켜 민원에 의해 그 사용이 점점 제한되고 있다. 한편, 이러한 공법의 대체재로서의 매입말뚝공법 또한 최종적인 경타 과정이 없이는 지지력의 확보가 어려운 약점을 지닌다. 본 연구에서는 이러한 문제의 개선을 위해 개발된 선굴착 스크류말뚝의 거동을 3차원 수치해석을 통해 검토하였다. 해석 결과, 하중-침하량 곡선과 극한하중이 현장 시험 결과와 양호한 일치성을 보여 수치해석적으로 스크류말뚝의 거동 예측이 가능하였다. 또한 본 공법의 성립을 위한 시멘트 밀크의 중요성이 확인되었으며 스크류말뚝의 주변 지반에 대한 영향 범위는 통상적인 매입말뚝보다 큰 것으로 나타났다. 그러나 하중전이 분포의 정확한 모사를 위해서는 다수의 현장시험을 통해 지반조건에 따른 시멘트 밀크의 침투 특성을 고찰할 필요가 있다고 사료된다. Pile driving method produces noise and vibration and is getting difficult to use because of a civil appeal. Meanwhile, auger-drilled pile method as a substitute also has a weakness that pile bearing capacity is not ensured without a slight driving. In this study, the behavior of the prebored screw pile developed for improvement of abovementioned problems was examined through the three-dimensional numerical simulation. From the simulation result, load-displacement curve and ultimate load were a good agreement with those of field test. Hence, the behavior of the prebored screw pile could be predicted. In addition, the importance of the cement milk on this prebored screw pile method was confirmed, and the influence area to the ground of screw pile was larger than that of general auger-drilled pile. However, to simulate the load transfer distribution accurately, the infiltration characteristics of a cement milk with ground condition have to be examined through the field tests.

수치해석 및 시험을 통한 소형 쌍동선의 종경사 및 저항 연구

김정은,오우준,홍춘범,김도정 해양환경안전학회 2018 해양환경안전학회지 Vol.24 No.5

소형선박 설계에 있어 항주에 따른 설계 종경사 결정은 선체저항 뿐만 아니라 항주 안정성에 많은 영향을 주고 있다. 이는 초기 설계 시 선박의 무게중심 결정을 시작으로 대부분 결정된다. 본 연구는 소형 쌍동선박에 대해 수치해석을 통한 수직방향 무게중심 변화에 따른 종경사 영향을 확인하고, 이를 모형시험에서 결과를 검토하였다. 다양한 수직방향 무게중심 변화에 따른 모형시험 검토는 이뤄지지 못했지만, 향후 신조 소형선박 초기설계시 보다 나은 종경사 자세를 고려한 수직방향 무게중심 위치 제시를 목적으로 연구를 수행하였다. 수치해석 결과의 검증을 위하여 모형시험과 자세 비교를 수행하였다. 무게중심의 변화에 따른 종경사 각도 및 저항성능의 변화가 연구되었다. In Designing a Small Ship, the Design of the Trim for Sailing has a great influence on the Stability of the Ship as well as Resistance. The Center of Gravity of a Ship is mostly determined during Initial Design. This Study confirms the Effect of Trim on changes in Vertical Center of Gravity by Numerical Analysis for a Small Catamaran. The Results were examined in a Model test. However, No Model tests were conducted while varying the changes in Vertical Center of Gravity. Nonetheless, Investigation was completed for the Purpose of presenting Vertical Center of Gravity results according to plans for the Trim during Initial Design of a Small Ship. In order to verify the Results of Numerical Analysis, a Comparison with Experimental results was carried out. Alternation of Trim angle and Resistance performance according to changes in the Center of Gravity were studied.

공극 구조의 X-ray microCT 영상화를 이용한 사질토 투수계수 수치적 산정기법

백승훈,정재욱,홍정욱,김영철,이정민,권태혁 한국방재학회 2019 한국방재학회논문집 Vol.19 No.4

Accurate estimation of the permeability of soils plays a major role in many geotechnical engineering practices. Advances in X-ray computed microtomography (X-ray microCT) have facilitated the direct use of high-resolution images for numerical simulation. In this study, a sand column was prepared and its pore-scale images were acquired using X-ray microCT scanning. The resulting images were converted into a finite volume mesh format using Python-based code for computational fluid dynamics. A Navier-Stokes equation was used to solve the flow in the constructed pore structure, and the permeability was computed based on Darcy's law. The computed permeability showed fairly good agreement with the measured value with 26% error. Further improvement in mesh generation technique is necessary because of the insufficient resolution near walls and grain contacts. However, this study suggests the feasibility of using X-ray CT imaging for numerical computation of permeability and the relevant transport properties of porous media. 다양한 공학 분야에서 다공 매질의 투수계수를 정확하게 예측하는 것은 중요한 사안이다. 최근 X-ray computed tomography (CT) 장비의 발전은 고해상도의 이미지를 해상도 손실 없이 그대로 수치해석에 사용하는 것을 가능하게 했다. 본 연구에서는X-ray microCT 이미징을 통해 사질토 시료의 공극구조의 고해상도 이미지를 획득한 후, 유한체적법 유체흐름해석에 사용할수있도록 Python 기반 코드를 이용하여 격자 형식의 메쉬를 생성하였다. 이 메쉬에서 Navier-Stockes 방정식을 CFD코드를 이용하여수치해석적으로 해석하고, 투수계수를 계산하였다. 수치적으로 계산된 투수계수 결과는 실험결과에 비슷한 값을 보였으며, 26%의 오차를 나타내었다. 유체 벽경계부근에서 높은 해상도의 격자를 구현하지 못하는 한계로 인해, 입력압력조건에 따라다른 투수계수가 계산됨을 확인하였다. 본 연구에서는 X-ray CT이미징을 통해 수치적으로 다공매질의 투수계수, 투과율등의 물성을 도출할 수 있다는 가능성을 입증한 연구로써 의의가 있다고 판단된다.

전산유체역학을 이용한 항공기 프로펠러 공력특성 연구

조규철(Kyuchul Cho),김효진(Hyojin Kim),박일주(Il-Ju Park),장성복(Sungbok Jang) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.11

본 연구는 고효율 복합재 프로펠러를 개발하기 위하여, 항공기 프로펠러 효율 특성 해석을 수행하였다. 비선형 수치해석을 이용하여 프로펠러의 공력 특성을 분석하고, 풍동 실험결과와 비교 분석하였다. 유동해석코드는 비선형 유동방정식인 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stocks)를 수치해석화한 코드를 사용하였다. 해석 결과, 수치해석을 통하여 얻어진 프로펠러의 추력 및 출력계수는 실험결과와 비교하여 다소 높게 분석되었으며, 추력과 출력의 비로부터 계산된 프로펠러 효율은 실험결과와 잘 부합하는 것으로 확인하였다. The analysis of aerodynamic characteristics for aircraft propellers is studied to develop high efficiency composite propellers. It is to verify the accuracy and reliability of predicting the efficiency characteristics of aircraft propellers by applying nonlinear numerical analysis. The numerical simulation method incorporated the CFD code, which is based on RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks) equation. The study includes a comparative analysis between the numerical simulation results and the wind tunnel test results of the full-scale aircraft propeller. The comparison shows that thrust and power coefficients of the propeller calculated by nonlinear numerical analysis are higher than those based on the results generated from the wind tunnel test. The efficiency of the propeller calculated by numerical analysis matches closely to the efficiency based on the wind tunnel test results. The verification results are analyzed, then, will be used in optimizing the design and manufacture of the subject aircraft propeller studied.

지형정보의 해상도와 해석격자 차이에 의한 토석류 해석 비교 결과 분석

김남균(Namgyun Kim),전병희(Byonghee Jun) 한국방재학회 2023 한국방재학회논문집 Vol.23 No.2

본 연구에서는 2020년 8월 전라남도 곡성군 오산면 선세리에서 발생한 토석류에 대하여 지형의 해상도와 격자크기에 따른 수치해석의 결과 차이를 비교 분석하였다. 연구지역에서의 사진측량을 통해 0.03 m 간격의 고해상도 지형정보를 구축하였고, 이에 대한 비교군으로 1:5000 수치지형도의 등고선으로부터 상대적으로 저해상도의 지형정보를 이용하였다. 지형정보는 각각 1 m, 5 m, 10 m 해상도를 갖는 격자로써 지형정보를 구축하였고, 생성된 지형정보에 대하여 토석류 시뮬레이션을 위한 해석 격자의 크기를 지형정보와 동일하게 1 m, 5 m, 10 m로 설정하여 분석하였다. 지형정보 구축을 위한 격자의 해상도 차이에 따른 수치모델의 결과는 큰 차이는 없었지만 드론 사진측량을 통해 구축한 고해상도 지형정보를 사용하였을 경우 실제 토석류의 상황과 유사하게 해석되었다. 또한, 시뮬레이션을 위한 해석격자의 크기가 10 m일 때, 실제와 가장 유사하게 모의가 되었다. 토석류 수치모델을 이용하여 위험지역을 예상하고자 할 때, 지형, 지질, 강우와 같은 실제 정보를 반영하는 것이 매우 중요하지만, 기술적인 변수인 격자의 크기도 중요하며, 유역의 크기나 연구지역의 상황에 따라 최적의 격자크기를 결정할 필요가 있다. In this study, a comparative analysis was conducted for the debris flow that occurred in Gokseong-gun, Jeollanam-do, in August 2020, using the difference between the resolution of topographic information and grid size. High-resolution topographic information (0.03 m) was established through photogrammetry. For comparison, the low-resolution topographic information was obtained from the contour lines of the 1:5000 digital map. The topographic information was depicted as a grid, with resolutions of 1, 5, and 10 m, and analyzed by setting the simulation grid size to 1, 5, and 10 m. According to the topographic resolution, no significant difference was obtained in the numerical simulation results, when high-resolution topographic information from UAV photogrammetry was used, and the analysis was similar to the actual debris flow. Additionally, when the size of the analysis grid for the simulation was 10 m, the simulation was very similar to the actual debris-flow situation. For predicting a risk area using a debris-flow model, it is very important to reflect actual information, such as topography, geology, and rainfall; technical parameters, such as the grid size, are also important. Moreover, determining the optimal grid size by considering the conditions of the study area, such as the basin area, is necessary.

군말뚝기초 반복수평재하실험에 대한 3차원 수치해석

진영지,김태훈 한국방재학회 2014 한국방재학회논문집 Vol.14 No.4

It is critical to predict the behaviors of between the group-pile foundations and superstructures during large magnitude of earthquakes. In this research, 3D numerical analysis of real-scale group-pile foundation subjected to horizontal cyclic loading is conducted by usingDBLEAVES. In numerical analysis, nonlinear behaviors of between ground and piles are predicted through cyclic mobility model andaxial force dependent model(AFD model), respectively. This research is objected to prove availability of the analysis method by comparingnumerical results and field test results. 지진발생시 군말뚝기초와 상부구조물이 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있어, 지진시 말뚝기초의 역학적 거동을 파악하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 9개의 파일로 구성된 실물 크기 군말뚝기초의 반복수평하중재하실험 결과를 대상으로 수치해석 프로그램인DBLEAVES를 이용하여 3차원의 유한요소해석을 수행하였다. 지반은 cyclic mobility 모델로, 말뚝은 AFD 모델을 이용하여 계산하였으며, 수치해석 결과를 실험결과와 비교함으로써 해석방법의 유용성을 검토하는데 본 연구의 목적이 있다.

잠제 주변의 파고분포 및 흐름이 3차원 특성 : PART Ⅰ - 해빈이 없을 경우

허동수(Hur Dong-Soo),이우동(Lee Woo-Dong) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 B Vol.27 No.6B

본 연구에서는 잠제 주변의 파고분포 및 흐름의 3차원 특성을 파악하기 위하여, 투과성 구조물 내부의 3차원적인 유체저항(관성저항, 층류저항, 난류저항)을 고려함과 동시에 난류모델로서 Large Eddy Simulation 기법을 도입한 새로운 3차원 수치해석기법을 제안하였다. 먼저 투과성 잠제에 대한 기존의 3차원 수리모형 실험치와 본 연구의 계산치를 비교ㆍ검토하여 제안된 3-D 수치모델의 타당성 및 유효성을 확인한 후, 2기의 잠제가 설치된 수치파동수조를 이용하여 수치시뮬레이션을 실시하였다. 이러한 수치계산결과를 이용하여 천단수심 및 입사파의 주기가 잠제 주변의 3차원 흐름특성에 미치는 영향에 관하여 검토하였으며, 또한 잠제 천단상의 쇄파점 분포, 잠제 주변의 파고 분포 및 wave set-up에 대해서도 논의하였다. This study investigates numerically 3-D flow characteristics and wave height distribution around permeable submerged breakwaters. At first, the 3-D numerical model, which is able to consider the flow through a porous medium with inertial, laminar and turbulent resistance terms and determine the eddy viscosity with the sub-grid scale turbulence model, is newly proposed. The numerical model is validated in 3-D wave field by comparing with existing experimental data for wave transformation around permeable submerged breakwaters. And then, using the numerical results the 3-D flow characteristics around submerged breakwaters are examined in relation to wave period and crown depth. Moreover, the wave height distribution and wave set-up around them are also discussed as well the distribution of wave breaking points over the crest.