KR100593822B1 - One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method - Google Patents

One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method Download PDF

Info

Publication number
KR100593822B1
KR100593822B1 KR1020040097583A KR20040097583A KR100593822B1 KR 100593822 B1 KR100593822 B1 KR 100593822B1 KR 1020040097583 A KR1020040097583 A KR 1020040097583A KR 20040097583 A KR20040097583 A KR 20040097583A KR 100593822 B1 KR100593822 B1 KR 100593822B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
grid
distance
term
flow
flow rate
Prior art date
Application number
KR1020040097583A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20060058513A (en
Inventor
김원
Original Assignee
한국건설기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국건설기술연구원 filed Critical 한국건설기술연구원
Priority to KR1020040097583A priority Critical patent/KR100593822B1/en
Publication of KR20060058513A publication Critical patent/KR20060058513A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100593822B1 publication Critical patent/KR100593822B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10Complex mathematical operations
    • G06F17/11Complex mathematical operations for solving equations, e.g. nonlinear equations, general mathematical optimization problems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Operations Research (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Measuring Volume Flow (AREA)

Abstract

본 발명은 상류이송형 맥코막 기법에 의한 유체 흐름의 1차원 수치해석에 관한 방법으로서, 특히 하천 등에서 발생하는 다양한 형태의 흐름, 즉 불연속점 근방에서 발생하는 수치 진동의 문제로 인해 불연속적인 유체 흐름에는 적용될 수 없는 맥코막 기법을 개선하여 다양한 조건에서 발생하는 다양한 형태의 유체 흐름을 정확하게 모의할 수 있는 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법은 초기조건을 입력하여 기준 시간에 대한 상기 유체 흐름의 1차원 지배방정식의 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 흐름항과 생성항의 변수에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하는 제 1 단계와; 상기 초기조건을 이용하여 상기 기준 시간에 대해 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단의 경계조건을 연산하는 제 2 단계와; 상기 기준 시간에 대한 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 거리 격자에 대해 상기 흐름항의 상류방향의 정규 야코비안(normalized Jacobian)을 연산하는 제 3 단계와; 상기 제 1 단계에서 연산한 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값과 생성항에 상기 흐름항의 해당 거리격자에 대한 상류방향의 정규 야코비안을 적용하고 상기 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 상기 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량과 수위를 연산하는 제 4 단계와; 상기 4 단계에서 연산된 결과를 이용하여, 상기 유체 흐름의 1차원 지배방정식의 흐름항과 생성항의 변수에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하고, 상기 기준 시간에 대한 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 거리 격자에 대해 상기 흐름항의 하류방향의 정규 야코비안을 연산하는 제 5 단계와; 상기 5 단계에서 연산한 상기 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값과 상기 생성항에 상기 흐름항의 해당 거리격자에 대한 하류방향의 정규 야코비안을 적용하고 상기 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 상기 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량과 수위를 연산하는 제 6 단계와; 상기 제 4 단계에서 연산한 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량 및 수위와 상기 제 6 단계에서 연산한 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량 및 수위를 평균하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하는 제 7 단계와; 상기 2단계로 회귀하여 상기 다음 시간 격자로 이전하여 연속적으로 각 시간격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하는 제 8 단계를 포함한다.The present invention relates to a one-dimensional numerical analysis of fluid flows by the upstream McCorem technique, in particular discontinuous fluid flows due to various types of flows occurring in rivers, that is, numerical vibrations occurring near discontinuous points. The present invention relates to a one-dimensional numerical analysis method of fluid flow that can accurately simulate various types of fluid flows generated under various conditions by improving the McCormak technique that cannot be applied. In the one-dimensional numerical analysis method of the fluid flow according to the present invention, the distance between the water level, the flow rate, and the flow term and the generation term, which constitute the variable term of the one-dimensional governing equation of the fluid flow with respect to the reference time by inputting initial conditions Calculating a value for the grid; Calculating boundary conditions of an upstream end and a downstream end of the distance grating with respect to the reference time using the initial condition; Calculating a normalized Jacobian in an upstream direction of the flow term for distance grids except upstream and downstream ends of the distance grid for the reference time; Applying the normal Jacobian in the upstream direction to the corresponding distance grating of the flow term to the difference value and the generation term of the adjacent distance grid of the flow term calculated in the first step, the water level, the flow rate and the upstream end and A fourth step of calculating an upstream flow rate and level for each distance grid in the next temporal grid using boundary conditions at the downstream end; Using the result calculated in step 4, a value for each distance grating is calculated for the variables of the flow term and the generation term of the one-dimensional governing equation of the fluid flow, the upstream end of the distance grating for the reference time, and A fifth step of calculating a normal Jacobian in the downstream direction of the flow term for a distance grid excluding a downstream end; The difference value of the adjacent distance grid of the flow term calculated in step 5 and the generated Jacobian in the downstream direction with respect to the corresponding distance lattice of the flow term are applied to the generation term, and the water level, the flow rate and the upstream end constituting the variable term. And a sixth step of calculating the flow rate and water level in the downstream direction for each distance grid in the next temporal grid by using the boundary condition of the downstream stage; The flow rate and level in the upstream direction for each distance grid calculated in the fourth step and the flow rate and level in the downstream direction for each distance grid calculated in the sixth step are averaged for each distance grid in the next time grid. A seventh step of calculating the water level and the flow rate; And returning to the second step to transfer to the next time grid to continuously calculate the water level and the flow rate for each distance grid at each time grid.

Description

상류이송형 맥코막 기법에 의한 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법{ONE DIMENSIONAL NUMERICAL ANALYSIS METHOD BY UPWIND MCCORMACK SCHEME}ONE DIMENSIONAL NUMERICAL ANALYSIS METHOD BY UPWIND MCCORMACK SCHEME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수치해석 방법을 흐름도로 나타낸 도면.1 is a flowchart illustrating a numerical analysis method according to an embodiment of the present invention.

도 2는 댐 붕괴 흐름에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 수치해석 방법에 따른 해석 결과와 이론적인 해를 비교한 그래프.Figure 2 is a graph comparing the analysis results and the theoretical solution according to the numerical analysis method according to an embodiment of the present invention for the dam collapse flow.

도 3 내지 도 6은 보에서 발생하는 정상류에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 수치해석 방법에 따른 해석 결과와 이론적인 해를 비교한 그래프.3 to 6 is a graph comparing the analysis results and the theoretical solution according to the numerical analysis method according to an embodiment of the present invention for the steady flow occurring in the beam.

도 7 내지 도 10은 불균일한 하폭을 가진 경우의 정상류에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 수치해석 방법에 따른 해석 결과와 이론적인 해를 비교한 그래프.7 to 10 is a graph comparing the analysis results and the theoretical solution according to the numerical analysis method according to an embodiment of the present invention for the steady flow in the case of non-uniform lower width.

도 11은 Bellos 등의 댐붕괴 실험에 대해 본 발명의 일 실시예에 따른 수치해석 방법에 따른 해석 결과와 실측 수위를 비교한 그래프.Figure 11 is a graph comparing the analysis results and actual water level according to the numerical analysis method according to an embodiment of the present invention for the dam collapse test of Bellos et al.

본 발명은 상류이송형 맥코막 기법에 의한 유체 흐름의 1차원 수치해석에 관한 방법으로서, 특히 하천 등에서 발생하는 다양한 형태의 흐름, 즉 불연속점 근방 에서 발생하는 수치 진동의 문제로 인해 불연속적인 유체 흐름에는 적용될 수 없는 맥코막 기법을 개선하여 다양한 조건에서 발생하는 다양한 형태의 유체 흐름을 정확하게 모의할 수 있는 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a one-dimensional numerical analysis of fluid flows by the upstream McCorem technique, in particular discontinuous fluid flows due to various types of flows occurring in rivers, that is, numerical vibrations occurring near the discontinuities. The present invention relates to a one-dimensional numerical analysis method of fluid flow that can accurately simulate various types of fluid flows generated under various conditions by improving the McCormak technique that cannot be applied.

유체 흐름의 수치해석을 위해 사용되는 맥코막 기법(McCormack scheme)은 2차 정확도를 가지면서도 다른 기법에 비해 단순한 형태를 지니고 있기 때문에 2차 정확도 양해형 중앙차분기법중에서 널리 사용되는 기법이다. 맥코막 기법은 락스-벤드로프(Lax-Wendroff) 기법에 기반을 두고 있는데, 락스-벤트로프 기법의 기본 개념은 중앙차분기법의 불안정성을 해소하고 시간과 공간적으로 2차 정확도를 확보하는 것이다. The McCormack scheme, which is used for the numerical analysis of fluid flow, is widely used in the second-order accuracy-understanding central difference method because it has a second-order accuracy and a simpler form than other techniques. The McCormak technique is based on the Lax-Wendroff technique. The basic concept of the Lax-Wendroff technique is to solve the instability of the central difference method and to secure second-order accuracy in time and space.

이와 같은 장점으로 인해 맥코막 기법은 1970년대부터 널리 사용되기 시작하였다. 그러나 이 기법은 다른 2차 정확도 중앙차분기법과 마찬가지로 불연속점 부근에서 발생하는 수치진동의 문제로 인해 불연속 흐름에는 적용될 수 없는 한계를 지니고 있다. 이와 같은 한계를 극복하기 위하여 제시된 방법은 인공점성항을 사용하는 것인데 이 방법 역시 대상 흐름별로 변수를 검정해야하는 단점이 있다. Because of these advantages, the McCormak technique has been widely used since the 1970s. However, this technique, like other second-accuracy central difference method, has a limitation that cannot be applied to discontinuous flow due to the problem of numerical vibration occurring near the point of discontinuity. The proposed method to overcome this limitation is to use artificial viscous terms, which also have the disadvantage of testing the variables for each target flow.

수치진동의 문제를 해결할 수 있는 또 다른 방법은 TVD(Total Variation Diminishing)와 같은 제어자를 사용하는 것이다. TVD 제어자는 추가적인 변수의 검정 없이도 비정상적인 수치진동과 불안정성을 억제할 수 있는 방법이긴 하지만, 일반적인 기법에 비해 복잡하고 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 또한 이와 같은 TVD 제어자가 생성항이 매우 강한 자연하천의 경우에 적용가능한지도 현재로서는 명확하지 않은 상황이다. 이로 인해 기존의 맥코막 기법은 그 자체가 가지고 있는 장점에도 불구하고 실제로 다양한 분야에 활용되지 못하고 있다.Another way to solve the numerical vibration problem is to use a controller such as Total Variation Diminishing (TVD). The TVD controller is a method that can suppress abnormal numerical vibration and instability without testing additional variables, but it is complicated and time-consuming compared to the general technique. It is also unclear at this time whether such a TVD controller can be applied in the case of a natural river having a very strong term. Because of this, the existing McCormack technique is not actually used in various fields despite its advantages.

따라서, 수치 진동의 문제로 인해 불연속적인 유체 흐름에는 적용될 수 없는 기존의 맥코막 기법을 개선할 필요성이 있다.Therefore, there is a need to improve the existing McCormak technique, which cannot be applied to discontinuous fluid flow due to the problem of numerical vibration.

본 발명의 목적은 하천 등에서 발생하는 다양한 형태의 흐름, 즉 불연속점 근방에서 발생하는 수치 진동의 문제로 인해 불연속적인 유체 흐름에는 적용될 수 없는 맥코막 기법을 개선하여 다양한 조건에서 발생하는 다양한 형태의 유체 흐름을 정확하게 모의할 수 있는 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법을 제공하는 것이다. Disclosure of the Invention An object of the present invention is to improve the McCormak technique, which is not applicable to discontinuous fluid flow due to various types of flows generated in rivers, that is, numerical vibration occurring near discontinuous points, and thus, various types of fluids generated under various conditions. It is to provide a one-dimensional numerical analysis method of the fluid flow that can accurately simulate the flow.

이와 같은 본 발명의 목적은, 초기조건을 입력하여 기준 시간에 대한 상기 유체 흐름의 1차원 지배방정식의 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 흐름항과 생성항의 변수에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하는 제 1 단계와; 상기 초기조건을 이용하여 상기 기준 시간에 대해 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단의 경계조건을 연산하는 제 2 단계와; 상기 기준 시간에 대한 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 거리 격자에 대해 상기 흐름항의 상류방향의 정규 야코비안(normalized Jacobian)을 연산하는 제 3 단계와; 상기 제 1 단계에서 연산한 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값과 생성항에 상기 흐름항의 해당 거리격자에 대한 상류방향의 정규 야코비안을 적용하고 상기 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 상기 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량과 수위를 연산하는 제 4 단계와; 상기 4 단계에서 연산된 결과 를 이용하여, 상기 유체 흐름의 1차원 지배방정식의 흐름항과 생성항의 변수에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하고, 상기 기준 시간에 대한 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 거리 격자에 대해 상기 흐름항의 하류방향의 정규 야코비안을 연산하는 제 5 단계와; 상기 5 단계에서 연산한 상기 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값과 상기 생성항에 상기 흐름항의 해당 거리격자에 대한 하류방향의 정규 야코비안을 적용하고 상기 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 상기 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량과 수위를 연산하는 제 6 단계와; 상기 제 4 단계에서 연산한 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량 및 수위와 상기 제 6 단계에서 연산한 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량 및 수위를 평균하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하는 제 7 단계와; 상기 2단계로 회귀하여 상기 다음 시간 격자로 이전하여 연속적으로 각 시간격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하는 제 8 단계를 포함하는 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법에 의해 달성된다.The object of the present invention is to input an initial condition and set a value for each distance grid for the variables of the water level and the flow rate and the flow term and the generation term that constitute the variable term of the one-dimensional governing equation of the fluid flow with respect to the reference time. A first step of computing; Calculating boundary conditions of an upstream end and a downstream end of the distance grating with respect to the reference time using the initial condition; Calculating a normalized Jacobian in an upstream direction of the flow term for distance grids except upstream and downstream ends of the distance grid for the reference time; Applying the normal Jacobian in the upstream direction to the corresponding distance grating of the flow term to the difference value and the generation term of the adjacent distance grid of the flow term calculated in the first step, the water level, the flow rate and the upstream end and A fourth step of calculating an upstream flow rate and level for each distance grid in the next temporal grid using boundary conditions at the downstream end; Using the result calculated in step 4, the values for each distance grating are calculated for the flow terms and the generation terms of the one-dimensional governing equations of the fluid flow, and the upstream end of the distance grating for the reference time and A fifth step of calculating a normal Jacobian in the downstream direction of the flow term for a distance grid excluding a downstream end; The difference value of the adjacent distance grid of the flow term calculated in step 5 and the generated Jacobian in the downstream direction with respect to the corresponding distance lattice of the flow term are applied to the generation term, and the water level, the flow rate and the upstream end constituting the variable term. And a sixth step of calculating the flow rate and water level in the downstream direction for each distance grid in the next temporal grid by using the boundary condition of the downstream stage; The flow rate and level in the upstream direction for each distance grid calculated in the fourth step and the flow rate and level in the downstream direction for each distance grid calculated in the sixth step are averaged for each distance grid in the next time grid. A seventh step of calculating the water level and the flow rate; And a eighth step of returning to the second step to transfer to the next time grid and continuously calculating the water level and the flow rate for each distance grid at each time grid.

지금부터 단지 예시로서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments will now be described in detail with reference to the accompanying drawings as examples only.

하천에서의 일차원 지배방정식은 아래의 수학식 1과 같다.One-dimensional governing equations in rivers are shown in Equation 1 below.

Figure 112004055357104-pat00001
Figure 112004055357104-pat00001

여기서, U 는 변수항, F 는 흐름항, 그리고 S 는 생성항으로서 아래의 수학식 2 내지 수학식 4와 같이 정의된다.Where U is a variable term, F is a flow term, and S is a generation term, as defined by Equations 2 to 4 below.

Figure 112004055357104-pat00002
Figure 112004055357104-pat00002

Figure 112004055357104-pat00003
Figure 112004055357104-pat00003

Figure 112004055357104-pat00004
Figure 112004055357104-pat00004

수학식 2에서 A는 유수단면적을 나타내고, 수학식 3에서 Q(x, t)는 유량, g는 중력가속도, I1은 아래의 수학식 5와 같이 표현되는 유수단면적의 정수압력이며, S0 및 Sf는 각각 하상경사와 마찰경사를 나타낸다.In Equation 2, A represents the effective area, Q (x, t) is the flow rate, g is the gravitational acceleration, I 1 is the hydrostatic pressure of the effective area represented by Equation 5 below, S 0 And S f each represent a bottom slope and a friction slope.

Figure 112004055357104-pat00005
Figure 112004055357104-pat00005

수학식 5에서 h는 수심, β는 수심 η일 때의 수면폭으로 아래의 수학식 6과 같이 정의된다.In Equation 5, h is the depth and β is the surface width when the depth η is defined as in Equation 6 below.

Figure 112004055357104-pat00006
Figure 112004055357104-pat00006

생성항을 나타내는 수학식 4에서 I2는 하상단면의 확대와 축소로 인해 발생하는 힘을 나타내는 항으로서, 아래의 수학식 7과 같이 정의된다.In Equation 4 representing the generation term, I 2 is a term representing a force generated by the expansion and contraction of the lower cross section, and is defined as in Equation 7 below.

Figure 112004055357104-pat00007
Figure 112004055357104-pat00007

수학식 1과 같이 표현되는 유체 흐름의 1차원 지배방정식을 해석하기 위해 기존에 사용되는 유한차분법(finite difference method)에 관련된 방법 중 하나는 앞서 언급하였던 맥코막 기법이다. 이와 같은 종래의 맥코막 기법은 아래의 수학식 8 내지 수학식 10에 의해 표현된다.One of the methods related to the finite difference method, which is used to analyze the one-dimensional governing equation of the fluid flow represented by Equation 1, is the McCormak technique mentioned above. This conventional McCormack technique is represented by Equations 8 to 10 below.

Figure 112004055357104-pat00008
Figure 112004055357104-pat00008

Figure 112004055357104-pat00009
Figure 112004055357104-pat00009

Figure 112004055357104-pat00010
Figure 112004055357104-pat00010

여기서,

Figure 112004055357104-pat00011
,
Figure 112004055357104-pat00012
는 각각 거리 격자의 간격 및 시간 격자의 간격을 나타내며, n은 임의의 기준 시간 격자, n+1은 다음 시간 격자를 나타내는 것으로 n시간에 대한 값은 기지이며, n+1시간에 대한 값이 미지수가 된다. 또한, i는 임의의 기준 거리 격자, i-1은 i의 직상류 거리 격자, i+1은 i의 직하류 거리 격자를 나타낸다.here,
Figure 112004055357104-pat00011
,
Figure 112004055357104-pat00012
Denotes the interval of the distance grid and the interval of the time grid, respectively, n represents an arbitrary reference time grid, n + 1 represents the next time grid, the value for n hours is known, and the value for n + 1 hours is unknown. Becomes In addition, i represents an arbitrary reference distance grating, i-1 represents an upstream distance grating of i, and i + 1 represents an upstream distance grating of i.

이와 같이 수학식 8 내지 수학식 10에 의해 표현되는 종래의 맥코막 기법을 설명하면 다음과 같다.As described above, the conventional McCormak technique represented by Equations 8 to 10 is as follows.

수학식 8은 상류 흐름방향에 대해 흐름항 F와 생성항 S를 계산하고, 해당 지점의 수위와 유량으로 구성되는 변수항

Figure 112004055357104-pat00013
를 계산하여 다음 시간에 대한 상류방향의 유량과 수위를 계산하게 된다. Equation (8) calculates the flow term F and the generation term S for the upstream flow direction, and consists of a variable term consisting of the water level and the flow rate at the point.
Figure 112004055357104-pat00013
Calculate the upstream flow rate and level for the next time.

수학식 9는 수학식 8에 의해 연산된 다음 시간에 대한 상류방향의 유량과 수위를 바탕으로 하여 하류 흐름방향에 대해 흐름항

Figure 112004055357104-pat00014
와 생성항
Figure 112004055357104-pat00015
를 계산하고, 해당지점의 수위와 유량으로 구성되는 변수항
Figure 112004055357104-pat00016
를 계산하여 다음 시간에 대한 하류방향의 수위와 유량을 계산하게 된다.Equation 9 is a flow term for the downstream flow direction based on the upstream flow rate and level for the next time calculated by Equation 8
Figure 112004055357104-pat00014
And generating term
Figure 112004055357104-pat00015
Is a variable term consisting of the water level and the flow rate at the point.
Figure 112004055357104-pat00016
We calculate the water level and the flow rate in the downstream direction for next time.

수학식 10은 앞서 설명한 수학식 8 및 수학식 9에 의해 계산된 변수항을 평균하여 최종적으로 다음 시간의 각 거리 격자에 해당하는 변수항인

Figure 112004055357104-pat00017
를 구성하는 수위와 유량을 계산하게 된다.Equation 10 is an average of the variable terms calculated by Equation 8 and Equation 9 described above, and finally is a variable term corresponding to each distance grid of the next time.
Figure 112004055357104-pat00017
It will calculate the water level and the flow rate constituting.

그러나, 이와 같은 기존의 맥코막 기법은, 앞서 언급하였듯이, 불연속점 근방에서 발생하는 수치 진동의 문제로 인해 불연속적인 유체 흐름에는 적용할 수 없 는 근본적인 한계점을 안고 있다.However, the conventional McCormack technique, as mentioned above, has a fundamental limitation that cannot be applied to discontinuous fluid flow due to the problem of numerical vibration occurring near the discontinuous point.

이에 본 발명의 발명자는 2차 정확도와 단순성의 장점을 갖고는 있지만 앞서 설명한 수치 진동의 문제점을 안고 있는 기존의 맥코막 기법을 개선하기 위하여 종래의 맥코막 기법에 상류이송기법을 접목시켜 상류이송형 맥코막 기법을 창안하였다.The inventors of the present invention have the advantages of secondary accuracy and simplicity, but in order to improve the conventional McCormack technique, which has the problems of numerical vibration described above, the upstream transfer type is incorporated by combining the conventional McCormack technique with the upstream transfer technique. McCormack technique was created.

본 발명의 발명자가 창안한 상류이송형 맥코막 기법은 아래의 수학식 11 내지 수학식 13으로 표현된다.The upstream McCormak technique created by the inventor of the present invention is represented by Equations 11 to 13 below.

Figure 112004055357104-pat00018
Figure 112004055357104-pat00018

Figure 112004055357104-pat00019
Figure 112004055357104-pat00019

Figure 112004055357104-pat00020
Figure 112004055357104-pat00020

수학식 11 및 수학식 12에서

Figure 112004055357104-pat00021
는 수학식 1의 흐름항
Figure 112004055357104-pat00022
의 상류방향 및 하류방향의 정규 야코비안(normalized Jacobian)을 나타내며, 아래의 수학식 14에 의해 정의된다.In Equation 11 and Equation 12
Figure 112004055357104-pat00021
Is the flow term of Equation 1
Figure 112004055357104-pat00022
The normalized Jacobian in the upstream and downstream directions of is defined by Equation 14 below.

Figure 112004055357104-pat00023
Figure 112004055357104-pat00023

여기서,

Figure 112004055357104-pat00024
는 유사전환행렬,
Figure 112004055357104-pat00025
Figure 112004055357104-pat00026
의 역행렬을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00027
는 정규화된 고유값으로 아래의 수학식 15에 의해 정의된다.here,
Figure 112004055357104-pat00024
Is the variation matrix,
Figure 112004055357104-pat00025
silver
Figure 112004055357104-pat00026
Represents the inverse of,
Figure 112004055357104-pat00027
Is a normalized eigenvalue and is defined by Equation 15 below.

Figure 112004055357104-pat00028
Figure 112004055357104-pat00028

수학식 15에서 sgn은 부호함수(sign function)를 나타내며, 또한

Figure 112004055357104-pat00029
는 아래의 수학식 16에 의해 정의되는 수학식 1의 흐름항
Figure 112004055357104-pat00030
의 야코비안의 고유값이다.In Equation 15, sgn represents a sign function, and
Figure 112004055357104-pat00029
Is the flow term of Equation 1 defined by Equation 16 below
Figure 112004055357104-pat00030
Eigenvalue of Jacobian of.

Figure 112004055357104-pat00031
Figure 112004055357104-pat00032
,
Figure 112004055357104-pat00031
Figure 112004055357104-pat00032
,

수학식 16에서 u는 유속, c는 파속을 나타내며,

Figure 112004055357104-pat00033
의 관계가 성립한다.In Equation 16, u represents a flow rate, c represents a wave velocity,
Figure 112004055357104-pat00033
The relationship is established.

수학식 11 내지 수학식 13에서,

Figure 112004055357104-pat00034
,
Figure 112004055357104-pat00035
는 각각 거리 격자의 간격 및 시간 격자의 간격을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00036
은 초기조건에 의해 연산되는 기준 시간 격자에서의 해당 거리 격자의 수위와 유량을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00037
Figure 112004055357104-pat00038
는 각각 초기조건 에 의해 연산되는 기준 시간 격자에서의 해당 거리 격자와 기준 시간 격자에서의 해당 거리 격자의 직상류 거리 격자에서의 흐름항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00039
는 초기조건에 의해 연산되는 해당 거리 격자에서의 생성항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00040
는 기준 시간에서의 해당 거리 격자에서의 상류방향의 정규 야코비안을 나타낸다.In Equations 11 to 13,
Figure 112004055357104-pat00034
,
Figure 112004055357104-pat00035
Represents the spacing of the distance grid and the spacing of the time grid, respectively.
Figure 112004055357104-pat00036
Represents the level and flow rate of the distance grid in the reference time grid computed by the initial conditions,
Figure 112004055357104-pat00037
And
Figure 112004055357104-pat00038
Denotes the flow term in the distance grids upstream of the distance grids in the reference time grid and the distance grids in the reference time grid, respectively, computed by the initial conditions,
Figure 112004055357104-pat00039
Denotes the generation term in the corresponding distance grid computed by the initial conditions,
Figure 112004055357104-pat00040
Denotes the normal Jacobian upstream in the distance grid at the reference time.

또한,

Figure 112004055357104-pat00041
Figure 112004055357104-pat00042
는 각각 하류방향의 수위와 유량을 기초로 연산되는 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자의 직하류 거리 격자와 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자의 흐름항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00043
는 하류방향의 수위와 유량을 기초로 연산되는 해당 거리 격자에서의 생성항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00044
는 기준 시간에서의 해당 거리 격자에서의 하류방향의 정규 야코비안을 나타낸다.Also,
Figure 112004055357104-pat00041
And
Figure 112004055357104-pat00042
Represents the flow term of the distance grid directly downstream of the corresponding distance grid at the next time grid of the reference time grid and the corresponding distance grid at the next time grid of the reference time grid, respectively calculated based on the water level and flow rate in the downstream direction,
Figure 112004055357104-pat00043
Represents the product term in the distance grid calculated based on the downstream water level and flow rate,
Figure 112004055357104-pat00044
Denotes the normal Jacobian downstream of the corresponding distance grid at the reference time.

수학식 11의

Figure 112004055357104-pat00045
는 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자에 대한 상류방향의 수위와 유량을 나타내며, 수학식 12의
Figure 112004055357104-pat00046
는 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자에 대한 하류방향의 수위와 유량을 나타내고, 수학식 13의
Figure 112004055357104-pat00047
은 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자에 대한 상류방향의 수위 및 유량과, 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자에 대한 하류방향의 수위와 유량의 평균에 의해 연산되는 최종적인 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 해당 거리 격자에 대한 수위 및 유량을 나타낸다.Of Equation 11
Figure 112004055357104-pat00045
Is the upstream water level and flow rate for the distance grid in the next time grid of the reference time grid,
Figure 112004055357104-pat00046
Is the downstream water level and flow rate for the distance grid in the next time grid of the reference time grid,
Figure 112004055357104-pat00047
Is calculated by the average of the upstream water level and flow rate for that distance grid in the next time grid of the reference time grid, and the downstream water level and flow rate for the corresponding distance grid in the next time grid of the reference time grid. Level and flow rate for the distance grid in the next time grid of a typical reference time grid.

이제 도 1 및 수학식 11 내지 수학식 13을 참조하여, 본 발명에 따른 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법을 설명하면 다음과 같다.Referring now to Figures 1 and 11 to 13, the one-dimensional numerical analysis method of the fluid flow according to the present invention will be described.

도 1에 표시된 단계 10에서 초기자료, 경계자료, 조도계수, 하천단면 및 시간간격 등의 초기조건을 입력하여 기준 시간에 대한 유체 흐름의 변수항을 구성하는 수위 및 유량(

Figure 112004055357104-pat00048
)과 흐름항과 생성항의 변수(
Figure 112004055357104-pat00049
,
Figure 112004055357104-pat00050
)에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산한다.In step 10 shown in FIG. 1, initial conditions such as initial data, boundary data, roughness coefficient, stream section, and time interval are inputted to form a water level and a flow rate constituting a variable term of a fluid flow with respect to a reference time.
Figure 112004055357104-pat00048
) And the variables in the flow and creation terms (
Figure 112004055357104-pat00049
,
Figure 112004055357104-pat00050
For each distance grid.

여기서, 초기자료는 기준 시간의 기지값을 의미하며, 경계자료는 계산하고자 하는 다음 시간의 양 끝단에서의 자료를 의미한다. 조도계수는 하천의 거칠기를 나타내고, 하천단면은 하천의 물리적 형상을 나타낸다.Here, the initial data means the known value of the reference time, and the boundary data means the data at both ends of the next time to be calculated. The roughness coefficient represents the roughness of the stream, and the river cross section represents the physical shape of the river.

단계 11에서는 위의 초기조건을 이용하여 기준 시간에 대한 거리 격자의 상류단 및 하류단의 경계조건을 연산한다.In step 11, the boundary conditions of the upstream and downstream ends of the distance grid with respect to the reference time are calculated using the above initial conditions.

그리고 나서, 단계 12에서는 수학식 14 내지 수학식 16을 이용하여 기준 시간에 대한 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 각 거리 격자에 대한 흐름항의 상류방향의 정규 야코비안(

Figure 112004055357104-pat00051
)을 연산한다.Then, in step 12, using the equations (14) to (16), the normal Jacobian in the upstream direction of the flow term for each distance grid except for the upstream and downstream ends of the distance grid for the reference time (
Figure 112004055357104-pat00051
) Is calculated.

단계 13에서는 수학식 11을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량과 수위를 연산한다. 구체적으로 설명하면, 단계 10에서 연산한 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값(

Figure 112004055357104-pat00052
)과 생성항(
Figure 112004055357104-pat00053
)에 단계 12에서 연산한 해당 거리격자에 대한 상류방향의 정규 야코비안(
Figure 112004055357104-pat00054
)을 적용하고, 단계 10에서 연산한 기준 시간 격자의 해당 거리 격자에서의 수위 및 유량(
Figure 112004055357104-pat00055
)과 단계 11에서 연산한 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 상류방형의 유량과 수위(
Figure 112004055357104-pat00056
)를 연산한다.In step 13, the flow rate and level in the upstream direction for each distance grid in the next time grid are calculated using Equation 11. Specifically, the difference value of the adjacent distance grid of the flow term calculated in step 10 (
Figure 112004055357104-pat00052
) And the creation term (
Figure 112004055357104-pat00053
), The upstream normal Jacobian (
Figure 112004055357104-pat00054
) And the water level and flow rate at the corresponding distance grid of the reference time grid calculated in step 10.
Figure 112004055357104-pat00055
) And the upstream flow and water level for each distance grid in the next temporal grid, using the boundary conditions of the upstream and downstream ends computed in step 11).
Figure 112004055357104-pat00056
) Is calculated.

도 1을 참조하면 당업자는 이와 같이 설명된 내용이 거리 격자를 나타내는 i값을 한 단계씩 증분시켜 단계 12 및 단계 13의 루틴을 반복하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.Referring to FIG. 1, a person skilled in the art will understand that the above description repeats the routines of steps 12 and 13 by incrementing by one step the i value representing the distance grid.

단계 14에서는 단계 13에서 연산된 결과(

Figure 112004055357104-pat00057
)를 이용하여 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 흐름항과 생성항의 변수(
Figure 112004055357104-pat00058
,
Figure 112004055357104-pat00059
)에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하고, 수학식 14 내지 수학식 16을 참조하여 기준 시간에 대한 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 거리 격자에 대해 흐름항의 하류방향의 정규 야코비안(
Figure 112004055357104-pat00060
)을 연산한다.In step 14, the result calculated in step 13
Figure 112004055357104-pat00057
), The variables in the flow term and the generation term in the
Figure 112004055357104-pat00058
,
Figure 112004055357104-pat00059
For each distance grid, calculate a value for each distance grid, and refer to Equations 14 to 16, and for the distance grids excluding the upstream and downstream ends of the distance grid for the reference time,
Figure 112004055357104-pat00060
) Is calculated.

단계 15에서는 수학식 12를 이용하여 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서 의 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량과 수위를 연산한다. 구체적으로 설명하면, 단계 14에서 연산한 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값(

Figure 112004055357104-pat00061
)과 생성항(
Figure 112004055357104-pat00062
)에 단계 14에서 연산한 해당 거리격자에 대한 하류방향의 정규 야코비안(
Figure 112004055357104-pat00063
)을 적용하고, 단계 10에서 연산한 기준 시간 격자의 해당 거리 격자에서의 수위 및 유량(
Figure 112004055357104-pat00064
)과 단계 11에서 연산한 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량과 수위(
Figure 112004055357104-pat00065
)를 연산한다.In step 15, the flow rate and level in the downstream direction for each distance grid in the next time grid of the reference time grid are calculated using Equation 12. Specifically, the difference value of the adjacent distance grid of the flow term calculated in step 14 (
Figure 112004055357104-pat00061
) And the creation term (
Figure 112004055357104-pat00062
), The normal Jacobian downstream of the corresponding distance grating computed in step 14
Figure 112004055357104-pat00063
) And the water level and flow rate at the corresponding distance grid of the reference time grid calculated in step 10.
Figure 112004055357104-pat00064
) And the downstream flow and water level for each distance grid in the next temporal grid, using the boundary conditions of the upstream and downstream ends computed in step 11).
Figure 112004055357104-pat00065
) Is calculated.

또한, 도 1을 참조하면 당업자는 이와 같이 설명된 내용이 거리 격자를 나타내는 i값을 한 단계씩 증분시켜 단계 14 및 단계 15의 루틴을 반복하는 것임을 이해할 수 있을 것이다.Further, referring to FIG. 1, a person skilled in the art will understand that the above description repeats the routines of steps 14 and 15 by incrementing by one step the i value representing the distance grid.

단계 16 및 17에서는 수학식 13을 적용하여, 단계 13에서 연산한 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량 및 수위(

Figure 112004055357104-pat00066
)와 단계 15에서 연산한 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량 및 수위(
Figure 112004055357104-pat00067
)를 평균하여 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량(
Figure 112004055357104-pat00068
)을 연산한다.In steps 16 and 17, equation (13) is applied to the flow rate and water level in the upstream direction for each distance grid calculated in step 13 (
Figure 112004055357104-pat00066
) And the downstream flow and level for each distance grid computed in step 15 (
Figure 112004055357104-pat00067
) And the water level and flow rate (for each distance grid in the next time grid of the reference time grid)
Figure 112004055357104-pat00068
) Is calculated.

아울러 단계 17 이후에는 다시 단계 11로 회귀하여 다음 시간 격자로 이전하 여 단계 11 내지 단계 17의 루틴을 반복하여 각 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하게 된다.In addition, after step 17, the flow returns to step 11, transfers to the next time grid, and repeats the routine of steps 11 to 17 to calculate the water level and the flow rate for each distance grid in each time grid.

그리고, 모든 연산 과정이 완료되면 단계 11 내지 단계 17의 루틴을 빠져나와 단계 18에서 모든 연산이 종료된다.When all the calculation processes are completed, the routine exits the steps 11 to 17, and all operations are completed in step 18.

본 발명의 발명자는 이와 같은 본 발명에 따른 수치해석 방법의 효율성을 검증하기 위하여 본 발명에 따른 수치해석 방법을 다양한 유체 흐름에 적용하여 보았다.The inventor of the present invention has applied the numerical method according to the present invention to various fluid flows in order to verify the efficiency of the numerical method according to the present invention.

1. 댐 붕괴 흐름1. Dam collapse flow

본 발명에 따른 수치해석 방법을 마찰이 없는 수평 하도에서 발생하는 댐 붕괴 흐름의 해석에 적용하였다. 전체 하도의 길이는 2000m이고 중간에 댐이 위치하고 있는 것으로 설정하였다. 초기 수위로 댐의 상류부는 10m, 하류부는 5m로 수위를 설정하였다. 거리 격자 간격은 6.25m이고 시간 격자 간격은 0.4초로 설정하였다.The numerical analysis method according to the present invention was applied to the analysis of dam collapse flow occurring in a horizontal unloaded frictionless road. The total channel length was 2000m and the dam was set in the middle. The initial level was set at 10m upstream and 5m downstream. The distance grating spacing was set to 6.25 m and the time grating spacing was set to 0.4 seconds.

도 2는 위와 같은 설정값을 토대로 해석해(analytical solution), 기존의 맥코막 기법, 본 발명에 따른 수치해석 방법을 서로 비교한 것을 그래프로 나타낸 것이다. 굵은 실선(Analytical solution)은 해석해를 나타내고, 가는 실선(upwind McCormack)은 본 발명의 방법을 이용한 결과이며, 점선(McCormack)은 기존 방법을 이용한 결과를 나타낸 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이 기존의 맥코막 기법의 경우 불연속점 부근에서 강한 수치 진동을 보이고 있으나 본 발명에 따른 방법의 경우 수치 진동이 없이 해석해와 근사하게 나타남을 알 수 있다.Figure 2 is a graphical analysis of the analysis (analytical solution) based on the above set values, the conventional McCormack technique, a comparison between the numerical analysis method according to the present invention. The thick solid line (Analytical solution) represents the analysis solution, the thin solid line (upwind McCormack) is the result using the method of the present invention, the dotted line (McCormack) is the result using the existing method. As shown in FIG. 2, the conventional McCormak technique shows a strong numerical vibration in the vicinity of the discontinuous point, but in the case of the method according to the present invention, it can be seen that it is approximated to the analysis solution without the numerical vibration.

2. 보에서 나타나는 정상류2. Steady Flow in Beams

보에서 발생하는 정상류 흐름을 모의하기 위해 수학식 17과 같은 형태로 보를 설정하였다. In order to simulate the steady flow occurring in the beam, the beam is set in the form of Equation 17.

Figure 112004055357104-pat00069
Figure 112004055357104-pat00069

이와 같은 하도는 댐 붕괴파 해석 워크삽(Goutal and Maurel, 1997)에서 제시된 것으로 에너지 방정식에 의해 해석해의 계산이 가능하기 때문에 수치 모형의 검증에 일반적으로 사용되는 방법이다. 계산을 위한 거리 간격은 0.25m로 설정하였으며 상류경계조건으로 0.18m3/sec의 유량, 하류경계조건으로 0.33m의 수위가 설정되었다. 초기조건으로는 전구간에서 0.18m3/sec의 유량과 0.5m의 수위가 주어졌다.These plots are presented in the Dam Collapse Wave Worksheet (Goutal and Maurel, 1997) and are commonly used to verify numerical models because they can be calculated using energy equations. The distance interval for the calculation was set to 0.25m, the flow rate of 0.18m 3 / sec for the upstream boundary conditions and the water level of 0.33m for the downstream boundary conditions. Initial conditions were given at a flow rate of 0.18 m 3 / sec and a water level of 0.5 m in all sections.

도 3은 계산 시작 후 13초 일 때의 수위를 비교한 것으로 점선으로 표시한 기존의 맥코막 기법이 큰 수치 진동을 보이는 반면, "o"로 표시한 본 발명의 수치해석 방법의 경우 안정되게 수렴되어 가고 있음을 알 수 있다. 기존의 맥코막 기법의 경우 이와 같은 수치 진동으로 인해 더 이상의 계산이 불가능하여 해석해에 수렴하는 것이 불가능하였지만, 본 발명에 따른 수치해석 방법의 경우에는 수치 진동 없이 해석해에 잘 수렴하는 것을 도 4를 통해 확인할 수 있다. Figure 3 is a comparison of the water level at 13 seconds after the start of the calculation, while the conventional McCormak technique shows a large numerical oscillation with a dotted line, while the numerical analysis method of the present invention indicated by "o" converged stably You can see that it is going. In the case of the conventional McCormak technique, it is impossible to converge to an analysis solution because it is impossible to calculate further due to such numerical vibration, but the numerical analysis method according to the present invention converges well to the analysis solution without numerical vibration through FIG. 4. You can check it.

도 5 및 도 6은 유량에 대해 기존의 맥코막 기법과 본 발명에 따른 수치해석 방법을 비교한 것이다. 도 5는 계산 시작 후 13초 일 때의 유량을 비교한 것이고, 도 6은 최종 수렴된 유량을 나타낸 것이다. 유량 역시 수위와 동일한 결과를 나타냄을 알 수 있다. 즉, 기존의 맥코막 기법은 수치 진동의 문제로 계산이 불가능하였지만, 본 발명에 따른 수치해석 방법은 해석해에 잘 수렴함을 알 수 있다.5 and 6 is a comparison of the conventional McCormack technique and the numerical analysis method according to the present invention with respect to the flow rate. Figure 5 compares the flow rate at 13 seconds after the start of the calculation, Figure 6 shows the final converged flow rate. The flow rate also shows the same result as the water level. That is, the conventional McCormak technique cannot calculate due to the problem of numerical vibration, but it can be seen that the numerical method according to the present invention converges well to the analysis solution.

3. 불균일한 하폭을 가진 경우의 정상류3. Steady flow when having uneven lower width

하폭이 변화하는 하도에서 발생하는 불연속 흐름에 대한 검증을 위해 아래 수학식 18과 같이 하폭이 변화하는 500m 길이의 하도를 가정하였다.In order to verify the discontinuous flow occurring in the lower road where the width is changed, a lower road of 500m length is assumed as shown in Equation 18 below.

Figure 112004055357104-pat00070
Figure 112004055357104-pat00070

초기조건으로 2m의 수위, 20m3/sec의 유량을 설정하였고, 상류경계조건으로 20m3/sec의 유량, 하류경계조건으로는 1.775m의 수위를 설정하였다.The initial condition was set to 2m water level and 20m 3 / sec flow rate, the upstream boundary condition was set to 20m 3 / sec flow rate and the downstream boundary condition was set to 1.775m water level.

도 7은 계산 시작 후 320초 일 때의 수위를 나타낸 것으로 점선으로 나타낸 기존의 맥코막 기법이 큰 수치 진동을 보이는 반면, "o"로 표시한 본 발명에 따른 수치해석 방법은 안정되게 수렴되어 가고 있음을 알 수 있다. 도 8은 최종 수렴된 수위를 나타낸 것으로서, 기존의 맥코막 기법은 수치 진동에 의해 수렴 자체가 이루어지지 않았지만, 본 발명에 따른 수치해석 방법은 해석해와 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다. 7 shows the water level at 320 seconds after the start of the calculation, while the conventional McCormack technique, which is represented by a dotted line, shows a large numerical vibration, while the numerical analysis method according to the present invention indicated by "o" is stably converged. It can be seen that. 8 shows the final convergent water level, the conventional McCormak technique does not converge itself by numerical vibration, but it can be seen that the numerical analysis method according to the present invention is almost identical to the analytical solution.

도 9 및 도 10은 유량에 관한 결과를 나타낸 것으로서, 도 9는 계산 시작 후 320초 일 때의 유량의 변화를 나타내고, 도 10은 최종 수렴된 결과를 나타낸 것이 다.9 and 10 show the results of the flow rate, FIG. 9 shows the change of the flow rate when 320 seconds after the start of the calculation, and FIG. 10 shows the final converged result.

4. Bellos 등의 댐붕괴 실험4. Damos collapse experiments such as Bellos

Bellos 등은 1992년 하폭이 변화하는 직사각형 하도에 대한 댐 붕괴 실험을 실시한 바 있다. 대상 하도는 길이 22m의 수평 하도로서 중간 부분에서 하폭이 변화한다. 초기 수위는 댐 상류부에서 0.25m, 댐 하류부에서 0.101m로 주어졌으며, 조도계수는 0.016으로 주어졌다. 거리 격자 간격은 0.5m이고 시간 격자 간격은 0.001초이다.Bellos et al conducted a dam collapse test in 1992 on a rectangular sewer with varying width. The target underpass is a horizontal underpass of 22m in length with a lower width in the middle. The initial water level was given as 0.25m upstream of the dam and 0.101m downstream of the dam, and the roughness coefficient was given as 0.016. The distance grid spacing is 0.5m and the time grid spacing is 0.001 seconds.

도 11은 댐의 하류부의 특정 지점에 대한 계산 수위와 실측 수위를 나타낸 것으로서, 점선으로 표시한 기존의 맥코막 기법은 큰 수치 진동을 보이고 있지만, 실선으로 나타낸 본 발명에 따른 수치해석 방법에 따른 결과는 "o"로 표시한 실측 수위와 거의 일치함을 알 수 있다.11 shows the calculated water level and the measured water level for a specific point downstream of the dam. Although the conventional McCormak technique shows a large numerical vibration, the result of the numerical analysis method according to the present invention shown in solid line is shown. It can be seen that is almost identical to the measured water level indicated by "o".

이제까지 제시한 것처럼 본 발명의 발명자는 다양한 유체 흐름에 대해 본 발명에 따른 수치해석 방법을 적용한 결과 기존의 방법에 비해 본 발명이 탁월한 효과를 갖고 있음을 확인할 수 있었다.As suggested so far, the inventors of the present invention, as a result of applying the numerical method according to the present invention for various fluid flows, were able to confirm that the present invention has an excellent effect compared to the conventional method.

지금까지 본 발명에 관한 바람직한 실시예가 설명되었다. 그러나, 이제까지 설명된 바람직한 실시예는 단지 예시로서만 받아들여야 한다. 즉, 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 다양한 변형을 도출해 낼 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적인 권리 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 해석되어야 한다.So far, a preferred embodiment of the present invention has been described. However, the preferred embodiments described so far should only be taken as examples. That is, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to derive various modifications with reference to the preferred embodiment of the present invention. Accordingly, the technical scope of the present invention should be interpreted only by the appended claims.

본 발명은 하천 등에서 발생하는 다양한 형태의 흐름, 즉 불연속점 근방에서 발생하는 수치 진동의 문제로 인해 불연속적인 유체 흐름에는 적용될 수 없는 맥코막 기법을 개선하여 다양한 조건에서 발생하는 다양한 형태의 유체 흐름을 정확하게 모의할 수 있는 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법을 제공하는 등의 효과가 있다. The present invention improves the McCormak technique, which cannot be applied to discontinuous fluid flow due to various types of flows generated in rivers, that is, numerical vibration occurring near the discontinuous point, and thus, various types of fluid flows generated under various conditions. It is effective in providing a one-dimensional numerical analysis method of fluid flow which can be accurately simulated.

Claims (3)

유체 흐름의 1차원 수치해석 방법으로서,As a one-dimensional numerical method of fluid flow, 초기조건을 입력하여 기준 시간에 대한 상기 유체 흐름의 1차원 지배방정식의 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 흐름항과 생성항의 변수에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하는 제 1 단계와,A first step of inputting an initial condition and calculating values for each distance grid for the variables of the water level and the flow rate and the flow term and the generating term that constitute the variable term of the one-dimensional governing equation of the fluid flow with respect to the reference time; 상기 초기조건을 이용하여 상기 기준 시간에 대해 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단의 경계조건을 연산하는 제 2 단계와,A second step of calculating boundary conditions of an upstream end and a downstream end of the distance grating with respect to the reference time using the initial condition; 상기 기준 시간에 대한 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 각각의 거리 격자에 대해 상기 흐름항의 상류방향의 정규 야코비안(normalized Jacobian)을 연산하는 제 3 단계와,Calculating a normalized Jacobian in an upstream direction of the flow term for each distance grid except for the upstream and downstream ends of the distance grid with respect to the reference time; 상기 제 1 단계에서 연산한 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값과 생성항에 상기 흐름항의 해당 거리격자에 대한 상류방향의 정규 야코비안을 적용하고 상기 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 상기 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량과 수위를 연산하는 제 4 단계와,Applying the normal Jacobian in the upstream direction to the corresponding distance grating of the flow term to the difference value and the generation term of the adjacent distance grid of the flow term calculated in the first step, the water level, the flow rate and the upstream end and A fourth step of calculating the upstream flow rate and water level for each distance grid in the next temporal grid by using the downstream boundary condition; 상기 4 단계에서 연산된 결과를 이용하여, 상기 유체 흐름의 1차원 지배방정식의 흐름항과 생성항의 변수에 대해 각 거리 격자에 대한 값을 연산하고, 상기 기준 시간에 대한 상기 거리 격자의 상류단 및 하류단을 제외한 거리 격자에 대해 상기 흐름항의 하류방향의 정규 야코비안을 연산하는 제 5 단계와,Using the result calculated in step 4, a value for each distance grating is calculated for the variables of the flow term and the generation term of the one-dimensional governing equation of the fluid flow, the upstream end of the distance grating for the reference time, and A fifth step of calculating a normal Jacobian in the downstream direction of the flow term for a distance grid except for a downstream end, 상기 5 단계에서 연산한 상기 흐름항의 인접 거리 격자의 차분값과 상기 생성항에 상기 흐름항의 해당 거리격자에 대한 하류방향의 정규 야코비안을 적용하고 상기 변수항을 구성하는 수위 및 유량과 상기 상류단 및 하류단의 경계조건을 이용하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량과 수위를 연산하는 제 6 단계와,The difference value of the adjacent distance grid of the flow term calculated in step 5 and the generated Jacobian in the downstream direction with respect to the corresponding distance lattice of the flow term are applied to the generation term, and the water level, the flow rate and the upstream end constituting the variable term. And a sixth step of calculating the flow rate and the water level in the downstream direction for each distance grid in the next temporal grid by using the boundary condition of the downstream stage; 상기 제 4 단계에서 연산한 각 거리 격자에 대한 상류방향의 유량 및 수위와 상기 제 6 단계에서 연산한 각 거리 격자에 대한 하류방향의 유량 및 수위를 평균하여 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하는 제 7 단계와,The flow rate and level in the upstream direction for each distance grid calculated in the fourth step and the flow rate and level in the downstream direction for each distance grid calculated in the sixth step are averaged for each distance grid in the next time grid. A seventh step of calculating the water level and the flow rate, 상기 2단계로 회귀하여 상기 다음 시간 격자로 이전하여 연속적으로 각 시간격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량을 연산하는 제 8 단계를 포함하는,And an eighth step of returning to the second step to transfer to the next time grid to continuously calculate the water level and the flow rate for each distance grid at each time grid. 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법.One-dimensional numerical method of fluid flow. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 제 4 단계에서 상기 상류방향의 유량과 수위
Figure 112004055357104-pat00071
Figure 112004055357104-pat00072
에 의해 연산되고, 상기 제 7 단계에서 상기 하류방향의 수위와 유량
Figure 112004055357104-pat00073
Figure 112004055357104-pat00074
에 의해 연산되고,
Flow rate and water level in the upstream direction in the fourth step
Figure 112004055357104-pat00071
Is
Figure 112004055357104-pat00072
Calculated in the step 7 and the water level and the flow rate in the downstream direction
Figure 112004055357104-pat00073
silver
Figure 112004055357104-pat00074
Is computed by
여기서,
Figure 112004055357104-pat00075
,
Figure 112004055357104-pat00076
는 각각 거리 격자의 간격 및 시간 격자의 간격을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00077
은 상기 초기조건에 의해 연산되는 기준 시간 격자에서의 해당 거리 격자의 수위와 유량을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00078
Figure 112004055357104-pat00079
는 각각 상기 초기조건에 의해 연산되는 기준 시간 격자에서의 해당 거리 격자와 상기 기준 시간 격자에서의 상기 해당 거리 격자의 직상류 거리 격자에서의 흐름항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00080
는 상기 초기조건에 의해 연산되는 해당 거리 격자에서의 생성항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00081
는 상기 기준 시간에서의 해당 거리 격자에서의 상류방향의 정규 야코비안을 나타내고,
here,
Figure 112004055357104-pat00075
,
Figure 112004055357104-pat00076
Represents the spacing of the distance grid and the spacing of the time grid, respectively.
Figure 112004055357104-pat00077
Denotes the water level and the flow rate of the corresponding distance grid in the reference time grid calculated by the initial conditions,
Figure 112004055357104-pat00078
And
Figure 112004055357104-pat00079
Denote a flow term in the distance grid in the reference time grid and the upstream distance grid of the distance grid in the reference time grid respectively calculated by the initial conditions,
Figure 112004055357104-pat00080
Represents the generation term in the distance grid calculated by the initial condition,
Figure 112004055357104-pat00081
Denotes the normal Jacobian in the upstream direction in the distance grid at the reference time,
또한,
Figure 112004055357104-pat00082
Figure 112004055357104-pat00083
는 각각 상기 하류방향의 수위와 유량을 기초로 연산되는 상기 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 상기 해당 거리 격자의 직하류 거리 격자와 상기 기준 시간 격자의 다음 시간 격자에서의 상기 해당 거리 격자의 흐름항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00084
는 상기 하류방향의 수위와 유량을 기초로 연산되는 해당 거리 격자에서의 생성항을 나타내며,
Figure 112004055357104-pat00085
는 상기 기준 시간에서의 해당 거리 격자에서의 하류방향의 정규 야코비안을 나타내는 것을 특징으로 하 는,
Also,
Figure 112004055357104-pat00082
And
Figure 112004055357104-pat00083
Is a flow of the distance grid directly downstream of the corresponding distance grid in the next time grid of the reference time grid and the corresponding distance grid in the next time grid of the reference time grid, respectively calculated based on the downstream water level and flow rate. Term,
Figure 112004055357104-pat00084
Denotes the generation term in the distance grid calculated based on the downstream water level and flow rate,
Figure 112004055357104-pat00085
Is a normal Jacobian in the downstream direction in the distance grid at the reference time,
유체 흐름의 1차원 수치해석 방법.One-dimensional numerical method of fluid flow.
제 2항에 있어서, 상기 7 단계에서의 상기 기준 시간의 다음 시간 격자에서의 각 거리 격자에 대한 수위와 유량
Figure 112004055357104-pat00086
Figure 112004055357104-pat00087
에 의해 연산되는 것을 특징으로 하는, 유체 흐름의 1차원 수치해석 방법.
The water level and the flow rate for each distance grid in the next time grid of the reference time in the seventh step.
Figure 112004055357104-pat00086
silver
Figure 112004055357104-pat00087
The method of one-dimensional numerical analysis of fluid flow, characterized in that it is calculated by.
KR1020040097583A 2004-11-25 2004-11-25 One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method KR100593822B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040097583A KR100593822B1 (en) 2004-11-25 2004-11-25 One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040097583A KR100593822B1 (en) 2004-11-25 2004-11-25 One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060058513A KR20060058513A (en) 2006-05-30
KR100593822B1 true KR100593822B1 (en) 2006-06-28

Family

ID=37153579

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040097583A KR100593822B1 (en) 2004-11-25 2004-11-25 One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100593822B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101135307B1 (en) 2010-07-30 2012-04-12 경북대학교 산학협력단 Method for Calculating Conservation Variable and Numerical Analysis Method of 2-dimentional Fluid Flow using the Same
KR101170500B1 (en) 2011-01-21 2012-08-01 주식회사 에스티아이씨앤디 Numerical analysis system and method for purification plant capable of producing the report automatically

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020039901A (en) * 2000-11-22 2002-05-30 전미숙 Agent-based multi-processing analysis, automatic design, and engineering management information system and method thereof
WO2002059800A2 (en) 2000-12-12 2002-08-01 Aea Technology Plc Computational fluid dynamics software
JP2002312342A (en) 2001-04-11 2002-10-25 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> Fluid motion analyzing device and method, and recording medium
KR20050052707A (en) * 2003-12-01 2005-06-07 강문구 A real-time simulation and rendering method for fluid effects using mesh-free simulation technique

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20020039901A (en) * 2000-11-22 2002-05-30 전미숙 Agent-based multi-processing analysis, automatic design, and engineering management information system and method thereof
WO2002059800A2 (en) 2000-12-12 2002-08-01 Aea Technology Plc Computational fluid dynamics software
JP2002312342A (en) 2001-04-11 2002-10-25 Nippon Hoso Kyokai <Nhk> Fluid motion analyzing device and method, and recording medium
KR20050052707A (en) * 2003-12-01 2005-06-07 강문구 A real-time simulation and rendering method for fluid effects using mesh-free simulation technique

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101135307B1 (en) 2010-07-30 2012-04-12 경북대학교 산학협력단 Method for Calculating Conservation Variable and Numerical Analysis Method of 2-dimentional Fluid Flow using the Same
KR101170500B1 (en) 2011-01-21 2012-08-01 주식회사 에스티아이씨앤디 Numerical analysis system and method for purification plant capable of producing the report automatically

Also Published As

Publication number Publication date
KR20060058513A (en) 2006-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Garcia et al. Numerical solution of the St. Venant equations with the MacCormack finite‐difference scheme
Jia et al. Numerical model for channel flow and morphological change studies
Ying et al. Upwind conservative scheme for the Saint Venant equations
Liang et al. A boundary-fitted numerical model for flood routing with shock-capturing capability
Saleh et al. Minimizing the hydraulic side effects of weirs construction by using labyrinth weirs
Ouahsine et al. Numerical study of coastal sandbar migration, by hydro-morphodynamical coupling
Kesserwani et al. Application of a second‐order runge–kutta discontinuous galerkin scheme for the shallow water equations with source terms
Horritt Development of physically based meshes for two‐dimensional models of meandering channel flow
Rezazadeh et al. Three-dimensional simulation of flow over sharp-crested weirs using volume of fluid method
Crossley et al. Local time stepping for modeling open channel flows
KR100593822B1 (en) One-Dimensional Numerical Analysis of Fluid Flows by the Upstream McCorem Method
Qasim Laboratory and HEC-RAS simulations of a single-step weir
Song et al. Physically based sand slide method in scour models based on slope-limited diffusion
Bora et al. A semi-coupled model for morphological flow simulation in river bend
Almawla et al. Modelling the effects of hydraulic force on strain in hydraulic structures using ANN (Haditha dam in Iraq as a case study)
Olyaie et al. A laboratory investigation on the potential of computational intelligence approaches to estimate the discharge coefficient of piano key weir
Medina-Rodríguez et al. Propagation of linear long water waves on a cycloidal breakwater
Kuiry et al. A high-resolution shallow water model using unstructured quadrilateral grids
Chau et al. A microcomputer model for flood prediction with applications
KR100593819B1 (en) 1-D Numerical Method of Discontinuous Fluid Flow
Triki et al. Finite element method for capturing hydraulic jump in open channel
Leon et al. Toward reduction of uncertainty in complex multireservoir river systems
Castro-Orgaz et al. Application of high-level Green–Naghdi theory to sill-controlled flows
Satyaprasad et al. A shock-capturing meshless method for solving the one-dimensional Saint-Venant equations on a highly variable topography
Fulford Computational technique and performance of Transient Inundation Model for Rivers--2 Dimensional (TRIM2RD): a depth-averaged two-dimensional flow model

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120604

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130605

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee