KR101170500B1

KR101170500B1 - 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101170500B1
Application number: KR1020110006387A
Authority: KR
Inventors: 홍기원
Original assignee: 주식회사 에스티아이씨앤디
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: KR20120085012A

Abstract

본 발명은 정수장 설계를 위한 정수장 수치해석 시스템 및 정수장 수치해석 방법을 공개한다. 본 발명의 수치해석 시스템을 이용하면, 사용자는 간편하게 3차원적으로 설계하고자 하는 정수장 구조물을 모델링하고, 모델링된 데이터를 직접 이용하여 실시간으로 정수장에 흐르는 물에 대한 수치 해석을 통해서 설계의 적합성을 검증할 수 있다. 특히, 본 발명은 복수의 구조물이 파이프를 통해서 서로 연결된 정수장의 수치해석에 적합하도록, 사용자의 입력에 따라서 2차원 평면상에 구조물의 바닥면을 스케치하고, 사용자가 입력한 높이까지 바닥면을 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 형성한 후, 사용자가 설정한 벽면 두께에 대응하는 offset 값에 따라서 물 수용 공간을 스케치하고, 사용자의 명령에 따라서 3차원 입체 구조물의 스케치된 내부를 제거하여 물 수용 공간을 형성한 후, 3차원 입체 구조물의 벽면에 사용자가 스케치한 유입구 및 유출구를 제거함으로써, 간편하게 정수장의 3차원 입체 구조물을 모델링할 수 있고, 모델링된 구조물의 정보를 직접 수치 해석에 이용함으로써, 사용자는 간편하게 정수장에 최적화된 환경에서 간편하게 구조물 모델링 및 수치해석을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명은 수치해석 결과를 이용하여 자동으로 정수장 성능 검증에 필수적인 정수장의 유출부 유량, 추적자의 농도 및 변화량, 유속분포, 추적자의 시간별 농도 및 변화량, 물의 이동 스트림라인 등에 대한 수치해석 데이터를 포함한 보고서를 별도의 데이터 가공 공정을 수행하지 않고서 자동으로 생성할 수 있다.

Description

자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템 및 방법{Numerical analysis system and method for purification plant capable of producing the report automatically}

본 발명은 수치해석 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 3차원적으로 정수장 구조물을 모델링하고, 모델링된 정수장 구조물에서의 물의 유동에 대한 수치해석을 수행한 후, 자동으로 정수장에 최적화된 보고서를 자동으로 생성할 수 있는 정수장 수치해석 방법 및 시스템에 관한 것이다.

정보통신 기술의 발달과 함께 전통적인 종이 위에 설계도를 그려서 구조물을 설계하는 방식은 CAD와 같은 컴퓨터를 이용하는 설계방식으로 변화되었고, 현재의 대부분의 구조물 설계는 2차원 또는 3차원 CAD 프로그램을 컴퓨터에서 실행시켜 수행되고 있다.

특히, 정수장을 설계하는 과정의 경우를 예를 들면, 정수장은 착수정, 분배수로, 응집지, 침전지, 여과지, 정수지 등의 구조물들이 순차적으로 파이프에 의해서 연결되어 있고, 정수 대상인 원수는 먼저 착수정으로 유입된 후, 분배수로, 응집지, 침전지, 여과지, 및 정수지로 순차적으로 흐르는 과정에서 불순물 등이 제거되고, 소독 약품과 혼합되고, 여과되어, 정수지에 수용된 후, 각 가정으로 공급된다.

이렇듯, 정수장은 복수의 구조물이 파이프를 통해서 복잡하게 연결된 구조로 형성되고, 정수장의 설계시에는 각각의 구조물을 CAD로 사람이 일일이 선을 그리고 선들을 연결하여 구조물을 설계해야 하므로, 정수장 구조물 설계에 많은 시간이 소요되는 문제점이 존재한다.

또한, 정수장은 단순히 물을 흘려보내는 구조가 아니라, 물이 흐르면서 소독약품이 물과 잘 섞여야 하고, 물속의 불순물들이 제거되어야 하므로, 실제로 구조물 내에서 이러한 효과가 발생하는지 여부는 구조물의 설계가 완성된 후, 설계정보를 일반적인 수치 해석 프로그램에 대입하여, 실제로 정수가 제대로 이루어지는지 여부 등을 검증해야 한다.

그러나, 종래에는 정수장에 최적화된 수치해석 시스템이 존재하지 않으므로, 설계된 정수장에 대해서 수치 해석을 하기 위해서는, 정수장 설계에 이용된 각각의 설계정보를 일반적으로 상용화된 수치해석 프로그램에 일일이 대입해야 하고, 특히, 정수장에서 일반적으로 이용되는 구조물의 조건들에 대해서 일일이 수치해석 프로그램을 커스터마이징해야 하는 불편함이 존재하였다.

또한, 종래에 정수장의 수치 해석에 이용되었던 수치 해석 프로그램은 수치 해석 결과를 수치 데이터들로 구성된 파일 형식으로 출력하므로, 사용자들이 이러한 수치 데이터를 이용하여 의미있는 정보를 얻기 위해서는, 수치 데이터들을 조합하거나 연산을 수행하는 등의 별도의 수치 데이터 가공 작업을 수행하여, 표를 작성하고 그래프를 생성하는 등의 부가 작업이 필요한 불편함이 존재하였다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 정수장 설계시에 반드시 수행해야하는 수치해석 프로그램을 이용한 정수장의 성능 검증에 있어서, 정수장에 최적화된 유저 인터페이스 환경 및 정수장에 최적화된 수치해석 모듈이 탑재된 수치해석 시스템 및 수치해석 방법을 제공하여, CAD 등의 설계 프로그램으로 수행된 설계값을 일일이 사용자가 손으로 입력하지 않고도, 사용자로 하여금 간편한 키보드 및 마우스 조작만으로 설계하고자 하는 정수장 구조물을 모델링하고, 모델링된 정보를 이용하여 직접 성능 검증을 수행할 수 있을뿐만 아니라, 수치 해석 결과를 자동으로 가공하여 정수장의 성능 검증에 용이한 정수장에 최적화된 보고서를 생성하는, 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치 해석 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템은, 사용자의 입력값에 따라서 정수장 구조물의 바닥면을 스케치하고, 바닥면을 사용자가 입력한 높이로 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 생성하며, 상기 3차원 입체 구조물 내부에 물 수용 공간을 형성하는 구조물 모델링부; 상기 물 수용 공간에 수용된 물의 외형을 나타내는 해석 모델을 생성하는 해석 모델 생성부; 물의 유동의 해석에 필요한 해석 조건을 사용자로부터 입력받아 설정하는 해석 조건 설정부; 상기 해석 모델을 복수의 메쉬들로 분할하는 메쉬 생성부; 상기 해석 조건을 적용하여 상기 메쉬들의 각 노드에 대해서 수치해석을 수행하는 해석부; 및 상기 해석부에서 출력된 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여, 상기 정수장 구조물의 유출구에서의 유량을 계산하여 출력하고, 상기 정수장 구조물 내부의 해석 모델에서의 유속의 분포를 이미지로 출력하는 자동 보고서 생성부를 포함한다.

또한, 상기 자동 보고서 생성부는, 상기 해석부에서 출력된 각 노드의 x축 방향 속도, y축 방향 속도, 및 z축 방향 속도를 이용하여 각 노드에서의 속도의 크기를 계산하고, 속도의 크기에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 유속의 분포 이미지를 컬러 및 그레이 레벨로 출력할 수 있다.

또한, 상기 자동 보고서 생성부는 상기 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여, 유출부 또는 사용자가 지정한 위치에서의 시간의 변화에 따른 추적자 농도 및 추적자 농도의 변화량을 출력하고, 시간의 변화에 따른 상기 해석 모델 전체에서의 추적자 농도를, 변화되는 시간 구간마다 추적자 농도 이미지로 출력할 수 있다.

또한, 상기 자동 보고서 생성부는, 추적자 농도에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 각 노드의 추적자 농도를 컬러 및 그레이 레벨로 출력할 수 있다.

또한, 상기 자동 보고서 생성부는, 유출구에서의 유량을 계산해서 출력하고, 시간에 따른 추적자 농도 및 변화량을 출력하는 해석 결과 출력부; 상기 해석부에서 출력된 수치해석 데이터 및 해석 결과 출력부에서 계산된 유출구에서의 유량, 및 추적자 농도 및 변화량을 사전에 정의된 단위로 환산하여 출력하는 환산 결과 출력부; 및 상기 수치해석 데이터를 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 해석 모델 내에서의 유속 분포, 각 시간 구간별 추적자 농도 분포, 및 스트림라인을 도식화하여 출력하는 이미지 정보 출력부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 구조물 모델링부는, 사용자로부터 상기 3차원 입체 구조물의 벽 두께에 대응되는 offset 값을 입력받아, 상기 3차원 입체 구조물의 외면으로부터 내부로 상기 offset값에 대응되는 위치에 상기 물 수용 공간을 정의하는 스케치를 수행하고, 사용자의 명령에 따라서 상기 스케치 내부를 제거하여 상기 물 수용 공간을 형성할 수 있다.

또한, 상기 해석 조건은, 상기 구조물로 유입되는 물의 온도를 나타내는 온도 조건, 정수장에 투입되는 소독약품의 전파 과정에 대한 해석에 필요한 트레이서의 농도 및 투입량을 나타내는 트레이서 조건, 상기 3차원 입체 구조물 내에서 이물질들이 퍼저나가는 과정을 해석하기 위해서 필요한 입자의 크기 및 개수를 나타내는 플록 조건, 응집기의 날개의 개수, 회전 속도, 중심축의 위치, 및 축의 방향을 나타내는 응집기 조건, 물에 포함된 불순물들을 걸러내는 다공성벽의 위치 및 투과율을 나타내는 다공성벽 조건, 및 물이 구조물내에서 머무는 시간을 길게하기 위해서 설치되는 배플의 위치 및 면적을 나타내는 배플 조건 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

한편, 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 방법은, (a) 정수장 수치해석 시스템이, 사용자의 입력값에 따라서 정수장 구조물의 바닥면을 스케치하고, 바닥면을 사용자가 입력한 높이로 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 생성하며, 상기 3차원 입체 구조물 내부에 물 수용 공간을 형성하는 단계; (b) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 상기 물 수용 공간에 수용된 물의 외형을 나타내는 해석 모델을 생성하는 단계; (c) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 물의 유동의 해석에 필요한 해석 조건을 사용자로부터 입력받아 해석 조건을 설정하는 단계; (d) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 상기 해석 모델을 복수의 메쉬들로 분할하는 단계; (e) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 상기 해석 모델에 대해서 상기 해석 조건을 적용하여 상기 메쉬들의 각 노드에 대해서 물의 유동에 대한 수치해석을 수행하여 수치해석 데이터를 생성하는 단계; 및 (f) 상기 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여, 상기 정수장 구조물의 유출구에서의 유량을 계산하여 출력하고, 상기 정수장 구조물 내부의 해석 모델에서의 유속의 분포를 이미지로 출력하는 자동 보고서 생성 단계를 포함한다.

또한, 상기 (f) 단계는, 상기 각 노드의 수치해석 데이터에 포함된 각 노드의 x축 방향 속도, y축 방향 속도, 및 z축 방향 속도를 이용하여 각 노드에서의 속도의 크기를 계산하고, 속도의 크기에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 유속의 분포 이미지를 컬러 및 그레이 레벨로 출력할 수 있다.

또한, 상기 (f) 단계는, 상기 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여, 유출부 또는 사용자가 지정한 위치에서의 시간의 변화에 따른 추적자 농도 및 추적자 농도의 변화량을 출력하고, 시간의 변화에 따른 상기 해석 모델 전체에서의 추적자 농도를, 변화되는 시간 구간마다 추적자 농도 이미지로 출력할 수 있다.

또한, 상기 (f) 단계는, 추적자 농도에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 각 노드의 추적자 농도를 컬러 및 그레이 레벨로 출력할 수 있다.

또한, 상기 (f) 단계는, 유출구에서의 유량을 계산해서 출력하고, 시간에 따른 추적자 농도 및 변화량을 출력하는 해석 결과 출력 단계; 상기 해석부에서 출력된 수치해석 데이터 및 해석 결과 출력부에서 계산된 유출구에서의 유량, 및 추적자 농도 및 변화량을 사전에 정의된 단위로 환산하여 출력하는 환산 결과 출력 단계; 및 상기 해석 데이터를 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 해석 모델 내에서의 유속 분포, 각 시간 구간별 추적자 농도 분포, 및 스트림라인을 도식화하여 출력하는 이미지 정보 출력 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (a) 단계는, 사용자로부터 상기 3차원 입체 구조물의 벽 두께에 대응되는 offset 값을 입력받아, 상기 3차원 입체 구조물의 외면으로부터 내부로 상기 offset값에 대응되는 위치에 상기 물 수용 공간을 정의하는 스케치를 수행하고, 사용자의 명령에 따라서 상기 스케치 내부를 제거하여 상기 물 수용 공간을 형성할 수 있다.

또한, 상기 (a) 단계 내지 상기 (e) 단계에서, 상기 정수장 수치해석 시스템은 사용자의 조작에 따라서 렌더링 카메라의 이동, 회전, 줌 기능을 제공하여, 상기 3차원 입체 구조물 및 상기 해석 모델을 사용자에게 표시하는 방향을 변경하고, 확대 및 축소하여 표시하며, 상기 3차원 입체 구조물 및 상기 해석 모델을 단독으로 표시하거나 상기 3차원 입체 구조물과 상기 해석 모델을 함께 중첩시켜 표시할 수 있다.

본 발명은 정수장이라는 특수한 구조물에 최적화된 수치해석 시스템 및 방법을 제공한다.

본 발명의 수치해석 시스템을 이용하면, 사용자는 간편하게 3차원적으로 설계하고자 하는 정수장 구조물을 모델링하고, 모델링된 데이터를 직접 이용하여 실시간으로 정수장에 흐르는 물에 대한 수치 해석을 통해서 설계의 적합성을 검증할 수 있다.

특히, 본 발명은 복수의 구조물이 파이프를 통해서 서로 연결된 정수장의 수치해석에 적합하도록, 사용자의 입력에 따라서 2차원 평면상에 구조물의 바닥면을 스케치하고, 사용자가 입력한 높이까지 바닥면을 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 형성한 후, 사용자가 설정한 벽면 두께에 대응하는 offset 값에 따라서 물 수용 공간을 스케치하고, 사용자의 명령에 따라서 3차원 입체 구조물의 스케치된 내부를 제거하여 물 수용 공간을 형성한 후, 3차원 입체 구조물의 벽면에 사용자가 스케치한 유입구 및 유출구를 제거함으로써, 간편하게 정수장의 3차원 입체 구조물을 모델링할 수 있고, 모델링된 구조물의 정보를 직접 수치 해석에 이용함으로써, 사용자는 간편하게 정수장에 최적화된 환경에서 간편하게 구조물 모델링 및 수치해석을 수행할 수 있다.

또한, 본 발명은 수치해석 결과를 이용하여 자동으로 정수장 성능 검증에 필수적인 정수장의 유출부 유량, 추적자의 농도 및 변화량, 유속분포, 추적자의 시간별 농도 및 변화량, 물의 이동 스트림라인 등에 대한 해석 정보를 포함한 보고서를 별도의 데이터 가공 공정을 수행하지 않고서 자동으로 생성할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정수장 설계를 위한 수치해석 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다.
도 1b는 도 1a 에 도시된 자동 보고서 생성부의 세부 구성을 도시하는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 구조물 모델링부(110)가 3차원적으로 정수장 구조물을 생성하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 구조물 모델링부(110)에서 정수장의 분배수로를 형성하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 모델링된 구조물 및 구조물에 따라서 생성된 해석 모델을 함께 도시하는 도면이다.
도 5는 각 해석 조건에 대응되는 정수장 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 생성부(140)에서 메쉬를 자동으로 생성하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 방법을 설명하는 전체 흐름도이다.
도 8은 도 7의 제 S710 단계의 상세 흐름도이다.
도 9는 도 7의 제 S750 단계의 상세 흐름도이다.
도 10은 도 7에 도시된 제 S760 단계를 상세하게 설명하는 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 해석부(150)에서 출력되는 해석 데이터의 일예를 도시한 도면이다.
도 12a 내지 도 12m는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 자동 보고서 생성부(170)에서 출력되는 보고서의 일예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.

도 1a 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템의 전체 구성을 도시하는 블록도이다. 도 1a를 참조하여 본 발명의 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템의 기능에 대해서 설명한다.

도 1a를 참조하면, 본 발명의 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템(100; 이하 "정수장 수치해석 시스템"이라고 칭함)은 컴퓨터에 정수장 수치해석 프로그램이 설치되어 구성되고, 컴퓨터는 마우스 및 키보드 등을 포함하는 입력 장치(200)와 연결되고, 모니터로 구현되는 표시 장치(300)와 연결된다.

또한, 정수장 수치해석 시스템(100)은 구조물 모델링부(110), 해석모델 생성부(120), 해석조건 설정부(130), 메쉬 생성부(140), 해석부(150), 뷰생성부(160), 및 자동 보고서 생성부(170)를 포함하여 구성되고, 구조물 모델링부(110)는 평면 스케치부(112) 및 입체 모델 생성부(114)를 포함한다.

먼저, 구조물 모델링부(110)는 표시 장치(300)를 통해서 사용자에게 정수장 구조물을 모델링할 수 있는 설계 화면을 제공하고, 사용자가 설계 화면에서 입력 장치(200)를 통해서 입력하는 바에 따라서, 정수장을 구성하는 착수정, 분배수로, 응집지, 침전지, 여과지, 정수지 등의 구조물들을 3차원으로 모델링하여 설계한다. 구조물 모델링부(110)는 상술한 바와 같이, 2차원 평면에 구조물을 구성하는 라인을 스케치하는 평면 스케치부(112) 및 평면 스케치부(112)에서 스케치된 라인을 3차원으로 돌출시키거나 잘라내어 3차원 구조물을 형성하는 입체 모델 생성부(114)를 포함한다. 다만, 평면 스케치부(112)와 입체 모델 생성부(114)는 구조물 모델링부(110)의 기능을 효과적으로 설명하기 위해서 개념적으로 구분한 것에 불과함을 주의해야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 구조물 모델링부(110)가 3차원적으로 정수장 구조물을 생성하는 과정을 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 구조물 모델링부(110)의 평면 스케치부(112)는 먼저 사용자의 입력에 따라서 정수장 구조물의 바닥면을 2차원 평면상에 스케치한다. 평면 스케치부(112)는 사용자로부터 두 지점의 위치를 연결하여 선을 생성할 수 있고, 사용자가 입력한 세 점의 위치를 이용하여 도 2의 (a) 에 도시된 바와 같이 사각형의 바닥면을 2차원 평면상에 스케치할 수 있다. 또한, 평면 스케치부(112)는 중심 좌표와 반지름값을 입력받아 원형의 바닥면을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 두 점과 곡률을 입력받아 곡선을 스케치할 수 있다.

구조물의 바닥면이 완성되면, 입체 모델 생성부(114)는 사용자가 입력한 높이값에 따라서 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 2차원 평면으로 표시된 바닥면을 사용자가 입력한 높이까지 돌출시켜 3차원 입체를 생성한다. 사용자는 마우스를 이용하여 바닥면을 위쪽으로 드래그함으로써 실시간으로 높이값을 조절하면서 입체 모델 생성부(114)로 높이값을 입력할 수 있다.

그 후, 사용자는 물이 수용될 공간(물 수용 공간)을 형성하기 위해서 3차원 구조물의 윗면에 물이 수용될 공간을 스케치한다. 이 때, 평면 스케치부(112)는 사용자로부터 구조물의 벽면의 두께에 대응되는, 구조물의 옆면으로부터 내부로의 일정한 간격("offset" 이라 정의함)을 입력받아, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 물 수용 공간이 형성될 영역을 스케치(21)한다.

사용자가 offset으로 설정된 3차원 구조물의 물 수용 공간 내부를 제거하도록 명령("cutout"으로 정의함)을 입력하면, 입체 모델 생성부(114)는 도 2의 (d)에 표시된 바와 같이, offset으로 스케치된 내부 영역을 제거하여 물 수용 공간을 형성한다.

그 후, 사용자는 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 일 벽면 또는 밑 바닥면에 격벽의 위치를 평면 스케치부(112)를 이용하여 스케치(22)하고, 도 2의 (f)에 도시된 바와 같이, 스케치된 격벽의 길이를 입체 모델 생성부(114)로 입력함으로서 격벽을 길이 방향 또는 높이 방향으로 돌출시켜 입체적으로 생성한다. 바닥면을 생성하는 방식과 동일하게, 사용자는 벽면에 표시된 격벽의 스케치를 드래그함으로써 실시간으로 격벽의 길이를 조절하면서 입력할 수 있다. 또한, 도 2의 (f)에 도시된 예에서는 격벽이 한쪽 벽면과 접합되고 반대면은 개방된 구조로 격벽을 생성하는 예를 도시하였으나, 다공성벽과 같이 투과성이 있는 벽면을 생성하는 경우에는 서로 마주보는 양 측 벽면을 연결하는 격벽을 생성할 수도 있으며, 구조물에 격벽이 존재하지 않는 경우에는 도 2의 (e) 및 (f) 단계는 수행되지 않을 수 있다.

격벽이 완성되면, 정수장 수치해석 시스템(100)은 사용자의 입력에 따라서 유입구 및 유출구를 생성한다. 사용자가 도 2의 (g)에 도시된 바와 같이, 일 벽면에 중심점과 반지름값을 입력하면 평면 스케치부(112)는 벽면에 원형의 유입구 및 유출구를 스케치하고, 사용자가 cutout 명령을 입력하면 입체 모델 생성부(114)는 벽면에 스케치된 영역을 제거하여 유입구 및 유출구를 형성한다. 상술한 예에서는 격벽이 먼저 생성된 후 유입구 및 유출구가 생성되는 것으로 설명하였으나, 유입구 및 유출구를 먼저 생성한 후, 격벽을 생성하는 것도 가능함은 물론이다.

도 3은 본 발명의 구조물 모델링부(110)에서 정수장의 분배수로를 형성하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 3을 더 참조하여, 도 2에 도시된 것과 다른 구조물을 생성하는 과정을 설명하면, 도 2와 동일하게, 구조물 모델링부(110)는 사용자의 입력에 따라서 구조물의 바닥면을 스케치하고(도 3의 (a)참조), 마우스등을 통해서 사용자로부터 높이값을 입력받아 바닥면을 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 생성한다(도 3의 (b)참조).

그 후, 정수장 수치해석 시스템(100)은 사용자의 입력에 따라서 3차원 구조물의 위면에 분배수로의 형상대로 스케치를 수행하고(도 3의 (c) 및 (d) 참조), 사용자로부터 cutout 명령을 입력받으면 스케치 내부를 제거하여 물이 수용될 공간을 생성한다(도 3의 (e)참조).

그 후, 정수장 수치해석 시스템(100)은 분배수로의 유입구를 도 3의 (f)와 같이 구조물의 일 벽면에 스케치하고, 분배수로의 유출구를 도 3의 (g)와 같이 구조물의 일 벽면에 스케치한 후, 사용자로부터 cutout 명령을 입력받아, 도 3의 (h)에 도시된 바와 같이 스케치된 유입구(31) 및 유출구(32)를 제거하여 분배수로의 3차원 입체 구조를 완성한다.

다시 도 1a를 참조하면, 구조물의 모델링이 완료되면, 해석모델 생성부(120)는 구조물 모델링부(110)에서 생성된 구조물로부터 해석의 대상의 되는 해석 모델(물 모양)을 생성한다. 해석 모델이란, 구조물에 수용됨으로써 형성되는 물의 외형을 지칭하는 것으로서, 해석 모델의 외형은 모델링된 구조물의 내면의 모양과 일치한다.

해석 모델을 생성하는 방식은 다양하게 적용이 가능한데, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해석모델 생성부(120)는 Boolean 연산을 이용하여 모델링된 구조물로부터 해석 모델을 생성한다.

Boolean 연산은 모델링 모델의 바닥면과 동일한 형태의 바닥면과 높이를 같은 3차원 유체 모델을 구조물 모델과 합친 후(Union:3차원 객체 합치기), 해석 모델의 높이를 설정하고 합쳐진 모델과 구조물 모델의 차집합은 계산하여(Subtract:빼기), 교차 부분인 유체 모형을 남기고(Intersect:교차부분 남기기), 교차 부분을 새로운 객체로 생성(Interference)하는 일련의 과정으로서, Boolean 연산 자체는 3차원 그래픽스에서 널리 이용되는 개념이므로 구체적인 설명은 생략한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 모델링된 구조물 및 구조물에 따라서 생성된 해석 모델을 함께 도시하는 도면이다. 도 4를 참조하면, (a) 에는 도 3에서 생성한 분배수로의 구조물을 도시하였고, (b)에는 분배수로 구조물의 윤곽과 해석 모델을 함께 도시하였으며, (c)에는 해석 모델(물 모양)만을 도시하였다.

다시 도 1a를 참조하면, 해석 모델이 완성되면, 해석조건 설정부(130)는 사용자로부터 해석에 필요한 조건들을 입력받는다. 해석에 필요한 조건들은 필수 조건과 선택 조건으로 구분되고, 필수 조건은 물의 유동을 해석하기 위해서 반드시 필요한 조건이고, 선택 조건은 물의 유동에 대한 해석과 더불어 물의 온도 변화, 정수장에서 물에 혼입되는 소독약품의 전파 경로, 불순물 제거 정도 등을 해석하기 위해서 필요한 조건이다.

각 해석 조건에 대응되는 정수장 구조를 도시한 도 5를 더 참조하여 필수 조건 및 선택 조건을 설명한다.

먼저, 필수 조건을 살펴보면, 필수 조건은 유입 조건, 유출 조건, 벽면 조건, 및 대칭 조건으로 구성된다. 유입 조건이란 해당 구조물의 유입구(도 5의 (a)참고; 501)로 유입되는 물에 대한 조건으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용자는 유입 조건으로 하루에 해당 구조물로 유입되는 물의 양을 입력하게 되고, 후술하는 해석부(150)는 유입되는 물의 양을 유입구(도 5의 (a)참고; 501)의 면적으로 나누어서 시간당 유입되는 물의 양과 유속을 계산하여 물의 흐름을 해석하게 된다.

유출 조건은 해당 구조물의 유출구(도 5의 (a)참고; 502)와 연결된 다른 구조물상의 물의 높이를 나타내는 조건으로서, 사용자가 유출 조건으로서 유출구(도 5의 (a)참고; 502)에 연결된 다른 구조물의 물의 높이를 입력하면, 후술하는 해석부(150)는 유출구의 면적을 고려하여 유출구의 압력을 계산하여 해석을 수행하게 된다.

벽면 조건은 구조물과 물이 닿는 부분을 설정하는 것으로서, 해석 모델에서 벽면으로 설정된 면에 대해서, 후술하는 해석부(150)는 벽면으로 인식하여 해석을 수행한다.

대칭 조건은 수면을 설정하는 것으로서, 해석 모델에서 수면인 면을 설정하면, 후술하는 해석부(150)는 해당 면이 수면임을 인식하여 해석을 수행하게 된다.

한편, 선택 조건에 대해서 설명하면, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 선택조건은 온도조건, 트레이서(추적자) 조건, 플록(입자 거동) 조건, 응집기 조건, 다공성벽 조건, 배플 조건 등을 포함할 수 있다. 각각에 대해서 간략하게 설명하면 다음과 같다.

온도조건은 정수장 구조물을 흘러감에 따라서 변하는 물의 온도를 해석하고자 하는 경우에 입력하는 조건으로서, 유입 조건에 추가하여 유입되는 물의 온도를 설정하는 것이다. 온도 조건 설정시에 구조물 내의 물의 온도와 구조물로 유입되는 물의 온도를 설정하면 물의 흐름에 따라서 변화되는 물의 온도를 해석할 수 있다.

트레이서(추적자) 조건은 정수장에 투입되는 소독약품 등이 물에서 전파되는 과정에 대한 해석을 수행하기 위해서 설정하는 것으로서, 유입 조건 설정시에 구조물로 유입되는 물과 함께 유입되는 트레이서의 농도 및 투입량을 설정하면, 후술하는 해석부(150)에서 물의 흐름에 따른 트레이서의 농도 변화 및 이동 경로를 해석할 수 있다.

플록(입자 거동) 조건은 구조물 내에서 이물질(입자)들이 퍼져나가는 과정을 해석하기 위해서 설정하는 것으로서, 유입 조건 설정시에 입자의 크기(직경) 및 개수를 설정한다.

응집기 조건은 응집기(도 5의 (b)참조;503)의 날개의 개수, 회전 속도, 중심축의 위치, 및 축의 방향 등을 설정하는 것이다. 일반적으로 정수장에서 물에 포함된 불순물 알갱이들을 제거하기 위해서, 물에 황산알루미늄과 같은 약품들을 넣어 물속의 불순물 입자들에 달라붙어 침전되도록 함으로써 불순물 알갱이들을 제거한다. 이 때, 황산알루미늄과 같은 약품이 알갱이들과 보다 원활하게 결합하여 침전되도록 물속에 날개가 포함된 구조물을 회전시키게 되는데, 이 때, 회전되는 구조물을 응집기라고 칭하고, 해석 조건에서 상술한 바와 같은, 응집기의 날개의 개수, 회전 속도, 중심축의 위치, 및 축의 방향 등을 설정함으로써, 응집기의 회전이 물의 흐름에 미치는 영향을 해석할 수 있다.

다공성벽 조건은 구조물의 중간에 형성된 다공성벽(도 5의 (c)참조;504)의 위치, 투과율, x방향 투과율, y방향 투과율, z방향 투과율 등을 설정하는 것으로서, 후술하는 해석부(150)는 투과율에 따라서 물의 흐름을 해석한다. 다공성벽은 내부에 작은 구멍들이 형성된 벽면으로서 물이 벽면에 형성된 구멍들을 통해서 다공성벽을 통과하면서 불순물들이 걸러진다.

배플 조건은 배플(도 5의 (d)참조;505)의 위치 및 면적을 설정하는 것으로서, 배플이란 투과율과 두께가 없는 벽면으로서 실제로는 철판 등으로 구현된다. 배플을 설치하는 이유는 구조물의 중간에 배플을 설치함으로써 물의 흐름을 조절하고, 물이 구조물내에 머무르는 시간을 길게 함으로써 소독약품이 보다 물과 잘 혼합되고, 침전이 잘 발생하도록 하기 위함이다.

해석조건 설정부(130)에서 해석 조건 설정을 완료하면, 메쉬 생성부(140)는 해석 모델의 메쉬(mesh)를 생성한다. 메쉬는 해석 모델 전체를 작은 단위로 분할하는 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 해석 모델을 4면체의 삼각뿔 형태의 메쉬로 분할하였고, 후술하는 해석부(150)는 각 메쉬의 정점인 노드들에서 물의 흐름에 대한 해석을 수행함으로써, 전체 해석 모델의 물의 흐름에 대한 해석을 수행한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메쉬 생성부(140)에서 메쉬를 자동으로 생성하는 과정을 설명하는 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 메쉬 생성부(140)는 사용자로부터 메쉬 크기에 대한 설정값을 입력받아 메쉬를 생성하는데, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 메쉬의 크기를 크게 설정하는 경우에는 해석할 노드의 수가 줄어들어 신속한 해석 결과를 얻을 수 있는 대신에 해석 결과의 정확성이 떨어지고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 메쉬의 크기를 작게 설정하는 경우에는 해석할 노드의 수가 증가하여 해석 시간이 많이 소요되는 단점이 있는 반면, 정확한 해석이 가능한 장점이 있다.

다시 도 1a를 참조하면, 뷰생성부(160)는 상술한 구조물 모델링부(110), 해석모델 생성부(120), 해석조건 설정부(130) 및 메쉬 생성부(140)와 연동되어 구조물 모델 및 해석 모델의 다양한 모습을 사용자에게 표시한다.

뷰생성부(160)는 일반적인 3차원 그래픽스 프로그램과 마찬가지로 렌더링 카메라의 이동, 회전, 줌 기능을 수행하여 구조물 모델 및 해석 모델을 바라보는 방향(즉, 사용자에게 구조물 모델 및 해석 모델을 표시하는 방향)을 변경하고 구조물 모델 및 해석 모델을 확대/축소할 수 있으며, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 구조물 모델만을 표시하거나, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 구조물 모델 및 해석 모델을 동시에 표시하거나, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 해석 모델만을 표시할 수도 있다.

해석부(150)는 해석모델 생성부(120)에서 생성된 해석모델에 대해서 해석조건 설정부(130)에서 설정된 해석 조건들을 적용하여, 메쉬 생성부(140)에서 생성된 메쉬들의 각 노드에 대해서 수학적 계산을 수행한다. 해석부(150)에서 수행되는 해석 연산 과정은 도 9에 도시된 바와 같이, 일반적인 수치 해석 프로그램들에서 수행되는 과정과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 해석부(150)에서 출력되는 해석 데이터의 일예를 도시한 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 해석부(150)에서, 출력되는 데이터는 해석 시간 단위 구간(1110; 도 11에 도시된 예에서는 21개의 시간 구간에 대해서 해석 데이터를 생성함)이 제일 먼저 출력되고, 그 아래에 도시된 바와 같이, 해석 모델을 분할한 각 메쉬의 각 노드 번호(1120)가 출력되며, 각 노드들에서 계산된 x축 방향 속도, y축 방향 속도, z축 방향 속도, 물의 밀도, 압력, 난류운동에너지, 난류소사, 온도, 추적자 농도가 첫 번째 열부터 9번째 열까지 차례로 출력된다(1130).

자동 보고서 생성부(170)는 해석부(150)에서 생성된 해석 결과를 사용자가 직관적으로 인식할 수 있도록, 도 12a 내지 도 12m에 도시된 바와 같이 해석 데이터를 가공하여 표와 그래프 등으로 생성하여 표시 장치(300)로 출력한다. 도 12a 내지 도 12m에 본 발명의 바람직한 실시예에 따라서 자동 보고서 생성부(170)에서 출력되는 보고서의 일예를 도시하였다.

도 1b는 도 1a 에 도시된 자동 보고서 생성부의 세부 구성을 도시하는 블록도이다. 도 1b 및 도 12a 내지 도 12m을 더 참조하여, 자동 보고서 생성부(170)에 대해서 보다 상세하게 설명한다.

자동 보고서 생성부(170)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 시스템 정보 출력부(171), 해석 조건 정보 출력부(172), 해석 실행 정보 출력부(173), 해석 결과 출력부(174), 환산 결과 출력부(175), 및 이미지 정보 출력부(176)를 포함하여 구성된다.

또한, 해석 결과 출력부(174)는 유량 계산부(174-1) 및 추적자 농도 계산부(174-2)를 포함하여 구성되고, 이미지 정보 출력부(176)는 유속 분포 계산부(176-1), 추적자 분포 계산부(176-2), 및 스트림라인 계산부(176-3)를 포함하여 구성된다.

먼저, 시스템 정보 출력부(171)는 수치 해석을 수행한 프로그램명, 수치해석을 수행한 일자, 및 수치 해석 대상이 되는 정수장명을 출력한다.

해석 조건 정보 출력부(172)는 해석정보로서, 해석이 수행된 컴퓨터의 Hostname, CPU명, OS명, 해석에 사용되는 디렉토리명, 해석 파일명, 추가적인 참조 설명을 출력한다. 또한, 해석 조건 정보 출력부(172)는 해석 격자에 관하여 총 노드의 수 및 총 메쉬의 수를 출력하고, 초기조건에 관하여 해석된 물 모델의 수위를 출력하며, 경계조건으로서 유입된 유량 및 유출구의 수위를 출력하고, 물성치로서 유체 온도, 유체 밀도 및 유체 점성을 출력한다.

해석 실행 정보 출력부(173)는 수치 해석 실행시 발생된 메시지, 수치 해석을 실행하여 생성된 수치 해석 데이터 파일명, 해석 실행 시간, 해석 종료 시간 및 총 해석에 사용된 시간을 출력한다.

해석 결과 출력부(174)의 유량 계산부(174-1)는 각 유출구에서의 유량을 계산하여 출력하고, 추적자 농도 계산부(174-2)는 유출구 또는 사용자가 지정한 위치에서의 시간에 따른 추적자 농도 및 변화량을 출력한다.

상술한 바와 같이, 해석부(150)에서 출력된 데이터는 각 노드들에서의 유속 정보 등을 포함하므로, 유출구에서의 유량을 출력하기 위해서는 유출구를 구성하는 메쉬의 각 노드들의 정보를 이용하여 유량을 계산해야 한다.

이를 위해서, 유량 계산부(174-1)는 먼저 유출구를 구성하는 각 메쉬의 각 노드들의 정보를 이용하여 각 격자면(삼각형면)에 수직하는 크기가 1로 정규화된 벡터를 구하고, 해당 격자면의 무게 중심의 속도 벡터를 구한 후, 양 벡터의 내적을 구하여 격자의 면적과 곱함으로써 해당 격자면을 통해서 출력되는 유량을 구할 수 있고, 유출구를 구성하는 격자면의 유량을 합하면 해당 유출구를 통해서 유출되는 유량을 구할 수 있으며, 유출구가 복수개인 경우에는, 각 유출구의 유량을 합산하면 전체 유량을 구할 수 있다.

추적자 농도 계산부(174-2)는 유출구 또는 지정된 위치의 시간에 따른 농도 및 농도 변화량을 계산하여 사용자에게 출력한다. 유출구의 농도를 계산하는 방식을 예를 들면, 추적자 농도 계산부(174-2)는 유출구를 구성하는 각 격자의 노드들에서의 추적자의 농도를 이용하여 해당 격자의 무게 중심에서의 추적자의 농도를 계산하고, 해당 격자면(삼각형면)의 넓이를 계산한다. 그 후, 유출구를 구성하는 다수의 격자에 대해서, 무게 중심에서의 농도와 해당 격자의 넓이를 곱한값을 합산한다. 이렇게 합산된 값을 유출구를 구성하는 다수의 격자들의 넓이를 합산한 값으로 나누면 유출구에서의 농도를 구할 수 있다.

환산 결과 출력부(175)는 해석 데이터 및 상술한 바와 같이 계산된 유출구 유량 및 추적자 농도 등을, 정수장에서의 하루 처리유량, 물의 정수장 체류 시간, 입구에서 투입된 추적자의 10%가 유출구로 빠져나가는 시간, 입구에서 투입된 추적자 90%가 정수장 구조물 내부에 머루르는 시간, 소독제 접촉시간*잔류소독제 농도로 계산되는 소독능 등과 같은, 소정의 단위로 환산하여 출력한다.

이미지 정보 출력부(176)는 유속 분포 출력부(176-1), 추적자 분포 출력부(176-2), 및 스트림라인 출력부(176-3)를 포함하여 구성되고, 해석 데이터를 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 유속 분포, 각 시간 구간별 추적자 농도 분포 및 스트림라인을 도식화하여 출력한다. 이미지 정보 출력부(176)는 해석 데이터를 다양한 방식으로 가공하여 도식화하여 출력이 가능한데, 본 발명에서는 가장 대표적인 예들만 설명한다.

먼저, 유속 분포 출력부(176-1)는 각 노드에서의 정상상태의 유속을 계산하여 3차원 및 2차원적으로 표시하여 출력한다. 이 때, 각 노드의 유속에 따라서 컬러를 부여하여 사용자로 하여금 컬러의 변화로 유속의 변화를 인지할 수 있도록 한다.

해석부(150)에서 출력되는 각 노드에 대한 해석 데이터는 도 11을 참조하여 설명한 바와 같이, 첫 번째 내지 세 번째 열에 각 노드에서의 x 방향의 속도(x라 칭함), y 방향의 속도(y라 칭함), z 방향의 속도(z라 칭함)를 포함한다. 따라서, 각 노드에서의 속도의 크기는

로 계산되고, 유속 분포 출력부(176-1)는 각 노드들에 대해서 속도의 크기를 계산한다.

또한, 유속 분포 출력부(176-1)는 각 노드들의 속도의 최대값과 최소값 사이를 복수의 구간들로 분할하고, 각 분할 구간에 대해서 컬러를 각각 할당하여, 각 노드들에 대해서 속도값에 대응되는 컬러를 대응시켜 사용자에게 표시한다.

도 12b 및 도 12h 를 참조하면, 정상 상태의 유속 분포에 대해서 3차원적으로 컬러 및 그레이 레벨로 도시하였고, 2차원적으로 각각 컬러 및 그레이 레벨로 도시하였다. 도면을 참조하면, 유속은 유입구와 유출구에서 빠른 반면, 구조물 내부에서는 느리게 진행되는 것을 확인할 수 있다.

한편, 추적자 분포 출력부(176-2)는 해석부(150)에서 출력되는 해석 데이터의 각 노드의 추적자 농도값을 이용하여 시간의 변화에 따른 각 노드에서의 추적자 농도의 변화를 표시한다.

도 11을 다시 참조하면, 상술한 바와 같이, 해석부(150)는 복수의 시간 간격으로 각 시간에 각 노드에서의 추적자 농도를 해석 데이터에 포함시켜 출력한다. 따라서, 추적자 분포 출력부(176-2)는 농도값의 최대값과 최소값 사이를 복수의 구간으로 분할하고, 각 농도 구간에 대해서 서로 다른 컬러를 할당하며, 각 시간 구간에서의 각 노드의 추적자 농도에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여 표시함으로써, 사용자로 하여금 직관적으로 농도의 전파 과정과, 농도의 크기를 알 수 있도록 한다.

도 12b 내지 도 12g 에, 복수의 시간 구간 각각에서, 각 노드에서의 추적자 농도를 3차원적으로 컬러 및 그레이 레벨로 표시한 그래프를 도시하였다. 또한, 도 12h 내지 도 12m에, 복수의 시간 구간 각각에서, 각 노드에서의 추적자 농도를 2차원적으로 컬러 및 그레이 레벨로 표시한 그래프를 도시하였다.

도면을 참조하면, 도 12b 내지 도 12g 및 도 12h 내지 도 12m 에 도시된 예에서, 추적자 농도가 높을수록 빨간색으로 표시되고, 추적자 농도가 낮을수록 파란색으로 표시되며, 유입구를 통해서 추적자가 유입됨에 따라서, 유입구 부근에는 추적자 농도가 급격하게 높아지고, 시간이 경과됨에 따라서 점차 유출구쪽으로도 농도가 높아짐을 확인할 수 있다.

스트림라인 출력부(176-3)는 해석 모델 내의 모든 노드에서의 유속 벡터에 접하는 가상의 선을 생성하여 3차원적 및 2차원적으로 컬러 레벨 및 그레이 레벨로 출력한다. 도 12g 에 도시된 바와 같이, 유입구로부터 유출구로 스트림라인이 연결되어 형성된 것을 알 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 정수장 수치해석 시스템(100)의 구성에 대해서 설명하였다. 이하에서는, 본 발명의 정수장 수치해석 시스템(100)에서 수행되는 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 방법에 대해서 설명한다. 다만, 이하에서 설명될 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 방법의 각 단계에서 수행되는 기능은 정수장 수치해석 시스템(100)에서 수행되는 기능과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하고 전체적인 흐름을 중심으로 설명한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 방법을 설명하는 전체 흐름도이고, 도 8은 도 7의 제 S710 단계의 상세 흐름도이며, 도 9는 도 7의 제 S750 단계의 상세 흐름도이다.

먼저, 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 정수장 수치해석 시스템(100)이 구동되어 정수장 수치해석 프로세스가 시작되면, 정수장 수치해석 시스템(100)은 사용자의 입력에 따라서 정수장 구조물을 생성하고 변경하여 정수장 구조물을 완성한다(S710).

도 8을 더 참조하여 제 S710 단계를 설명하면, 도 2 및 도 3을 참조하여 상술한 바와 같이, 정수장 수치해석 시스템(100)은 구조물을 모델링하여 생성하기 위해서, 사용자가 입력값에 따라서 구조물의 바닥면을 스케치하고(S711), 바닥면으로부터 사용자가 입력한 높이만큼 스케치된 바닥면을 3차원 입체로 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 형성하고(S712), 사용자의 입력값(offset)에 따라서 3차원 입체 구조물의 윗면에 물이 수용되는 공간을 스케치한다(S713).

그 후, 사용자가 입력한 cutoff 명령에 따라서 제 S713 단계에서 스케치된 공간의 내부를 제거하여 물이 수용되는 공간을 형성하고(S714), 물이 수용되는 구조물 내부의 격벽을 스케치하고 3차원 입체로 돌출시켜 격벽을 형성한 후(S715), 구조물의 유입구 및 유출구를 스케치한 후, 그 내면을 제거(cutoff)하여 구조물의 유입구 및 유출구를 형성함으로써, 구조물의 모델링을 완료한다(S716).

다시 도 7을 참조하면, 구조물의 모델링이 완료되면, 정수장 수치해석 시스템(100)은 해석의 대상이되는 물의 해석 모델을 생성한다(S720). 물의 해석 모델은 Boolean 연산을 이용하여 구조물 모델로부터 생성됨은 상술한 바와 같고, 물의 해석 모델의 외형은 구조물 모델에서 물이 수용되는 공간의 내면의 형상과 동일하게 형성된다.

물의 해석 모델이 완성되면, 정수장 수치해석 시스템(100)은 사용자로부터 해석 조건을 입력받아 설정한다(S730). 해석 조건은 상술한 바와 같이, 필수 조건과 선택 조건으로 구분되고, 필수 조건은 물의 유동을 해석하기 위해서 반드시 필요한 조건이고, 선택 조건은 물의 유동에 대한 해석과 더불어 물의 온도 변화, 정수장에서 물에 혼입되는 약품의 전파 경로 등을 해석하기 위해서 필요한 조건이다. 필수 조건은 유입 조건, 유출 조건, 벽면 조건, 및 대칭 조건으로 구성되고, 선택조건은 온도조건, 트레이서(추적자) 조건, 플록(입자 거동) 조건, 응집기 조건, 다공성벽 조건, 배플 조건 등을 포함할 수 있다. 각각의 조건에 대한 내용은 상술하였으므로, 구체적인 설명은 생략한다.

해석 조건들이 설정된 후, 정수장 수치해석 시스템(100)은 사용자로부터 메쉬의 크기등에 대한 설정값을 입력받고, 설정값에 따라서 해석 모델내에 복수의 메쉬를 생성하여 해석 모델을 메쉬 단위로 분할한다(S740). 메쉬를 생성하는 과정에 대해서는 도 6을 참조하여 상술하였으므로 구체적인 설명은 생략한다.

그 후, 정수장 수치해석 시스템(100)은 해석 조건과 해석 모델에 설정된 메쉬 정보를 이용하여 물의 유동 및 해석 조건에서 설정된 온도 변화, 화학약품의 농도 변화 등에 대한 해석을 수행한다(S750). 도 9에 제 S750 단계에서 수행되는 해석 과정을 도시하였다. 제 S750 단계에서 수행되는 해석 과정은 기존의 수치 해석 프로그램 등에서 수행되는 해석 과정과 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.

해석 모델에 대해서 수치 해석이 완료되어 해석 데이터가 생성되면, 정수장 수치해석 시스템(100)은 생성된 해석 결과를 사용자가 직관적으로 인식할 수 있도록, 도 12에 도시된 바와 같이 해석 데이터를 가공하여 표와 그래프 등으로 생성하여 표시 장치(300)로 출력한다(S760).

도 10은 도 7에 도시된 S760 단계를 상세하게 설명하는 흐름도이다.

도 10을 참조하여 자동으로 보고서를 생성하는 과정을 설명한다. 다만, 각 단계에서 수행되는 기능들은 도 1b를 참조하여 설명한 자동 보고서 생성부(170)의 기능과 동일하므로, 여기서는 전체적인 자동 보고서 생성 흐름에 대해서만 설명한다.

먼저, 정수장 수치해석 시스템(100)은 수치 해석을 수행한 프로그램명, 수치해석을 수행한 일자, 및 수치 해석 대상이 되는 정수장명을 포함하는 시스템 정보를 출력한다(S761).

그 후, 정수장 수치해석 시스템(100)은 해석이 수행된 컴퓨터의 Hostname, CPU명, OS명, 해석에 사용되는 디렉토리명, 해석 파일명, 추가적인 참조 설명, 해석 격자의 총 노드의 수 및 총 격자의 수를 출력하고, 초기조건에 관하여 해석된 물 모델의 수위를 출력하며, 경계조건으로서 유입된 유량 및 유출구의 수위를 출력하고, 물성치로서 유체 온도, 유체 밀도 및 유체 점성을 해석 조건 정보로서 출력한다.

또한, 정수장 수치해석 시스템(100)은 수치 해석 실행시 발생된 메시지, 수치 해석을 실행하여 생성된 수치 해석 데이터 파일명, 해석 실행 시간, 해석 종료 시간 및 총 해석에 사용된 시간을 해석 실행 정보로서 출력한다.

그 후, 정수장 수치해석 시스템(100)은 각 유출구에서의 유량을 계산하여 출력하고(S764-1), 시간에 따른 추적자 농도 및 변화량을 출력한다(S764-2).

정수장 수치해석 시스템(100)은 해결 데이터 및 상술한 바와 같이 계산된 유출구 유량 및 추적자 농도 등을 정수장에서의 하루 처리유량, 물의 정수장 체류 시간 등과 같은 소정의 단위로 환산하여 출력한다(S765).

마지막으로, 정수장 수치해석 시스템(100)은 해석 데이터를 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 도식화하여 출력한다(S766). 제 S766단계에서는 해석 데이터를 다양한 방식으로 가공하여 도식화하여 출력이 가능한데, 본 발명에서는 가장 대표적인 예들만 설명한다.

먼저, 정수장 수치해석 시스템(100)은 각 노드에서의 정상상태의 유속을 계산하여 3차원 및 2차원적으로 표시하여 출력한다(S766-1). 이 때, 각 노드의 유속에 따라서 컬러를 부여하여 사용자로 하여금 색의 변화로 유속의 변화를 인지할 수 있도록 함은 상술한 바와 같아.

또한, 정수장 수치해석 시스템(100)은 해석 데이터의 각 노드의 추적자 농도값을 이용하여 시간의 변화에 따른 각 노드에서의 추적자 농도의 변화를 표시한다(S766-2).

또한, 정수장 수치해석 시스템(100)은 해석 모델 내의 모든 노드에서의 유속 벡터에 접하는 가상의 선을 생성하여 3차원적 및 2차원적으로 컬러 레벨 및 그레이 레벨로 출력한다(S766-3).

한편, 본 발명의 정수장 설계를 위한 정수장 수치해석 방법은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 자동 보고서 생성 기능을 구비한 정수장 수치해석 시스템
110 구조물 모델링부
112 평면 스케치부
114 입체 모델 생성부
120 해석모델 생성부
130 해석조건 생성부
140 메쉬 생성부
150 해석부
160 뷰생성부
170 자동 보고서 생성부
171 시스템 정보 출력부
172 해석 조건 정보 출력부
173 해석 실행 정보 출력부
174 해석 결과 출력부
174-1 유량 계산부
174-2 추적자 농도 계산부
175 환산 결과 출력부
176 이미지 정보 출력부
176-1 유속 분포 계산부
176-2 추적자 분포 계산부
176-3 스트림라인 계산부
200 입력 장치
300 표시 장치

Claims

사용자의 입력값에 따라서 정수장 구조물의 바닥면을 스케치하고, 바닥면을 사용자가 입력한 높이로 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 생성하며, 상기 3차원 입체 구조물 내부에 물 수용 공간을 형성하는 구조물 모델링부;
상기 물 수용 공간에 수용된 물의 외형을 나타내는 해석 모델을 생성하는 해석 모델 생성부;
물의 유동의 해석에 필요한 해석 조건을 사용자로부터 입력받아 설정하는 해석 조건 설정부;
상기 해석 모델을 복수의 메쉬들로 분할하는 메쉬 생성부;
상기 해석 조건을 적용하여 상기 메쉬들의 각 노드에 대해서 수치해석을 수행하는 해석부; 및
상기 해석부에서 출력된 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여, 상기 정수장 구조물의 유출구에서의 유량을 계산하여 출력하고, 상기 정수장 구조물 내부의 해석 모델에서의 유속의 분포를 이미지로 출력하는 자동 보고서 생성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 자동 보고서 생성부는
상기 해석부에서 출력된 각 노드의 x축 방향 속도, y축 방향 속도, 및 z축 방향 속도를 이용하여 각 노드에서의 속도의 크기를 계산하고, 속도의 크기에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 유속의 분포 이미지를 컬러 및 그레이 레벨로 출력하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 자동 보고서 생성부는 상기 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여,
유출부 또는 사용자가 지정한 위치에서의 시간의 변화에 따른 추적자 농도 및 추적자 농도의 변화량을 출력하고,
시간의 변화에 따른 상기 해석 모델 전체에서의 추적자 농도를, 변화되는 시간 구간마다 추적자 농도 이미지로 출력하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 자동 보고서 생성부는
추적자 농도에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 각 노드의 추적자 농도를 컬러 및 그레이 레벨로 출력하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
제 4 항에 있어서, 상기 자동 보고서 생성부는
유출구에서의 유량을 계산해서 출력하고, 시간에 따른 추적자 농도 및 변화량을 출력하는 해석 결과 출력부;
상기 해석부에서 출력된 수치해석 데이터 및 해석 결과 출력부에서 계산된 유출구에서의 유량, 및 추적자 농도 및 변화량을 사전에 정의된 단위로 환산하여 출력하는 환산 결과 출력부; 및
상기 수치해석 데이터를 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 해석 모델 내에서의 유속 분포, 각 시간 구간별 추적자 농도 분포, 및 스트림라인을 도식화하여 출력하는 이미지 정보 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 구조물 모델링부는
사용자로부터 상기 3차원 입체 구조물의 벽 두께에 대응되는 offset 값을 입력받아, 상기 3차원 입체 구조물의 외면으로부터 내부로 상기 offset값에 대응되는 위치에 상기 물 수용 공간을 정의하는 스케치를 수행하고, 사용자의 명령에 따라서 상기 스케치 내부를 제거하여 상기 물 수용 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 해석 조건은
상기 구조물로 유입되는 물의 온도를 나타내는 온도 조건,
정수장에 투입되는 소독약품의 전파 과정에 대한 해석에 필요한 트레이서의 농도 및 투입량을 나타내는 트레이서 조건,
상기 3차원 입체 구조물 내에서 이물질들이 퍼저나가는 과정을 해석하기 위해서 필요한 입자의 크기 및 개수를 나타내는 플록 조건,
응집기의 날개의 개수, 회전 속도, 중심축의 위치, 및 축의 방향을 나타내는 응집기 조건,
물에 포함된 불순물들을 걸러내는 다공성벽의 위치 및 투과율을 나타내는 다공성벽 조건, 및
물이 구조물내에서 머무는 시간을 길게하기 위해서 설치되는 배플의 위치 및 면적을 나타내는 배플 조건 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 시스템.
(a) 정수장 수치해석 시스템이, 사용자의 입력값에 따라서 정수장 구조물의 바닥면을 스케치하고, 바닥면을 사용자가 입력한 높이로 돌출시켜 3차원 입체 구조물을 생성하며, 상기 3차원 입체 구조물 내부에 물 수용 공간을 형성하는 단계;
(b) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 상기 물 수용 공간에 수용된 물의 외형을 나타내는 해석 모델을 생성하는 단계;
(c) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 물의 유동의 해석에 필요한 해석 조건을 사용자로부터 입력받아 해석 조건을 설정하는 단계;
(d) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 상기 해석 모델을 복수의 메쉬들로 분할하는 단계;
(e) 상기 정수장 수치해석 시스템이, 상기 해석 모델에 대해서 상기 해석 조건을 적용하여 상기 메쉬들의 각 노드에 대해서 물의 유동에 대한 수치해석을 수행하여 수치해석 데이터를 생성하는 단계; 및
(f) 상기 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여, 상기 정수장 구조물의 유출구에서의 유량을 계산하여 출력하고, 상기 정수장 구조물 내부의 해석 모델에서의 유속의 분포를 이미지로 출력하는 자동 보고서 생성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 (f) 단계는
상기 각 노드의 수치해석 데이터에 포함된 각 노드의 x축 방향 속도, y축 방향 속도, 및 z축 방향 속도를 이용하여 각 노드에서의 속도의 크기를 계산하고, 속도의 크기에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 유속의 분포 이미지를 컬러 및 그레이 레벨로 출력하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 (f) 단계는
상기 각 노드의 수치해석 데이터를 이용하여,
유출부 또는 사용자가 지정한 위치에서의 시간의 변화에 따른 추적자 농도 및 추적자 농도의 변화량을 출력하고,
시간의 변화에 따른 상기 해석 모델 전체에서의 추적자 농도를, 변화되는 시간 구간마다 추적자 농도 이미지로 출력하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 (f) 단계는
추적자 농도에 따라서 각 노드에 컬러를 할당하여, 해석 모델 전체에서의 각 노드의 추적자 농도를 컬러 및 그레이 레벨로 출력하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 11 항에 있어서, 상기 (f) 단계는
유출구에서의 유량을 계산해서 출력하고, 시간에 따른 추적자 농도 및 변화량을 출력하는 해석 결과 출력 단계;
상기 해석부에서 출력된 수치해석 데이터 및 해석 결과 출력부에서 계산된 유출구에서의 유량, 및 추적자 농도 및 변화량을 사전에 정의된 단위로 환산하여 출력하는 환산 결과 출력 단계; 및
상기 해석 데이터를 사용자가 직관적으로 파악할 수 있도록 해석 모델 내에서의 유속 분포, 각 시간 구간별 추적자 농도 분포, 및 스트림라인을 도식화하여 출력하는 이미지 정보 출력 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 (a) 단계는
사용자로부터 상기 3차원 입체 구조물의 벽 두께에 대응되는 offset 값을 입력받아, 상기 3차원 입체 구조물의 외면으로부터 내부로 상기 offset값에 대응되는 위치에 상기 물 수용 공간을 정의하는 스케치를 수행하고, 사용자의 명령에 따라서 상기 스케치 내부를 제거하여 상기 물 수용 공간을 형성하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 해석 조건은
상기 구조물로 유입되는 물의 온도를 나타내는 온도 조건,
정수장에 투입되는 소독약품의 전파 과정에 대한 해석에 필요한 트레이서의 농도 및 투입량을 나타내는 트레이서 조건,
상기 3차원 입체 구조물 내에서 이물질들이 퍼저나가는 과정을 해석하기 위해서 필요한 입자의 크기 및 개수를 나타내는 플록 조건,
응집기의 날개의 개수, 회전 속도, 중심축의 위치, 및 축의 방향을 나타내는 응집기 조건,
물에 포함된 불순물들을 걸러내는 다공성벽의 위치 및 투과율을 나타내는 다공성벽 조건, 및
물이 구조물내에서 머무는 시간을 길게하기 위해서 설치되는 배플의 위치 및 면적을 나타내는 배플 조건 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (a) 단계 내지 상기 (e) 단계에서, 상기 정수장 수치해석 시스템은 사용자의 조작에 따라서 렌더링 카메라의 이동, 회전, 줌 기능을 제공하여, 상기 3차원 입체 구조물 및 상기 해석 모델을 사용자에게 표시하는 방향을 변경하고, 확대 및 축소하여 표시하며, 상기 3차원 입체 구조물 및 상기 해석 모델을 단독으로 표시하거나 상기 3차원 입체 구조물과 상기 해석 모델을 함께 중첩시켜 표시하는 것을 특징으로 하는 정수장 수치해석 방법.
제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항의 정수장 수치해석 방법을 컴퓨터에서 판독할 수 있고, 실행 가능한 프로그램 코드로 기록한 기록 매체.