KR101206368B1 - Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water - Google Patents

Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water Download PDF

Info

Publication number
KR101206368B1
KR101206368B1 KR1020110006953A KR20110006953A KR101206368B1 KR 101206368 B1 KR101206368 B1 KR 101206368B1 KR 1020110006953 A KR1020110006953 A KR 1020110006953A KR 20110006953 A KR20110006953 A KR 20110006953A KR 101206368 B1 KR101206368 B1 KR 101206368B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
boundary
condition
flow
node
depth
Prior art date
Application number
KR1020110006953A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20120085553A (en
Inventor
서일원
송창근
Original Assignee
서울대학교산학협력단
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 서울대학교산학협력단 filed Critical 서울대학교산학협력단
Priority to KR1020110006953A priority Critical patent/KR101206368B1/en
Publication of KR20120085553A publication Critical patent/KR20120085553A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101206368B1 publication Critical patent/KR101206368B1/en

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G06F17/16Matrix or vector computation, e.g. matrix-matrix or matrix-vector multiplication, matrix factorization

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Computing Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Management, Administration, Business Operations System, And Electronic Commerce (AREA)

Abstract

본 발명은 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법에 관한 것으로, (a) 중앙처리장치가 일정한 수학식들이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 일정한 수학식들을 만족하는 자연좌표계에서 경계면에서의 접선 및 법선벡터를 계산 저장하는 단계와; (b) 경계절점을 포함한 모든 절점에 0의 유속과 일정한 수심이 부여되는 정수압 초기조건이 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 설정되는 단계와; (c) 지형정보파일에서 고체경계면의 절점을 파악하여 그 경계절점과 활동길이(b)가 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 저장되는 단계와; (d) 상기 접선 및 법선벡터와 정수압 초기조건과 활동길이(b)를 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들과 일정한 수학식들이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 일정한 수학식들을 만족하는 부분활동조건 적용에 의한 경계절점에서의 유속을 산출 저장하는 단계, 및 (e) 상기의 정수압 초기조건 및 경계조건을 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들과 일정한 수학식들에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 일정한 수학식들을 만족하는 임의의 시간과 위치에서의 종횡방향 유속 및 수심을 산출 저장하는 단계로 구성됨으로써, 자연하천에서의 천수흐름을 보다 정확하게 해석할 수 있고, 정확도와 적용성 및 신뢰성이 개선된 천수흐름을 해석하는 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a method for imparting partial activity conditions to a solid boundary surface in a two-dimensional shallow water numerical modeling, wherein (a) the central processing unit is configured to satisfy certain equations by using a program in a main memory including certain equations. Calculating and storing tangent and normal vectors at the boundary plane in the coordinate system; (b) inputting, by the input device, the hydrostatic pressure initial condition to which the zero flow rate and the constant depth are given to all nodes including the boundary nodes; (c) identifying a node of a solid boundary surface in the topographic information file and storing the boundary node and the length of action (b) in the main memory by the input device; (d) The central processing unit satisfies certain equations using a program in the main memory including the input data and certain equations, using the tangent and normal vectors, the initial condition of hydrostatic pressure, and the length of activity (b) as input data. Calculating and storing the flow rate at the boundary node by applying the partial activity condition; and (e) using the initial hydrostatic pressure condition and boundary condition as input data, the central processing unit uses the finite element method for the input data and certain equations. This method consists of calculating and storing longitudinal flow velocity and depth at any time and location satisfying certain equations using a program in the numerically modeled main memory, thereby more accurately interpreting shallow water flow in natural rivers. It is possible to provide a method for analyzing the shallow water flow with improved accuracy, applicability, and reliability.

Description

2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법 {Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water}Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water}

본 발명은 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2차원 천수방정식에 유한요소모형을 적용하는 과정에서 경계면에 부분활동조건을 부여하여 자연하천에서의 천수흐름을 보다 정확하게 해석할 수 있고, 벽면에서의 경계조건을 부분활동조건으로 일반화하여 완전활동조건 및 무활조건을 아울러 적용이 가능하도록 하여 정확도와 적용성 및 신뢰성이 개선된 천수흐름을 해석하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for imparting partial activity conditions to a solid boundary surface in two-dimensional shallow water flow numerical modeling. Water flow in rivers can be more accurately analyzed, and the boundary conditions on the wall can be generalized to partial activity conditions, enabling the application of both full and inactive conditions, and improving water flow with improved accuracy, applicability and reliability. It is about how to interpret.

일반적으로 이상유체가 아닌 실제 유체의 흐름을 해석하는 경우 유체의 점성효과에 의해 마찰전단응력이 발생하게 되며 이와 같은 마찰의 영향이 미치는 영역인 경계층(boundary layer)이 존재하게 된다.In general, when analyzing the flow of a real fluid rather than an ideal fluid, friction shear stress is generated by the viscous effect of the fluid, and there is a boundary layer (boundary layer) that is an area affected by such friction.

특히, 실제 유체가 장애물 주변을 흐르는 경우 관성력에 의해 경계면 후면에서 유선이 급선회할 수 없으므로 박리(separation) 현상이 발생하게 된다. 이와 같이 유체 흐름 내에 존재하는 고체 구조물에 의해 발생하는 마찰전단응력 및 박리현상을 정확하게 예측하기 위해서는 경계면에서의 유체 운동에 대한 가정이 필요하다.In particular, when the actual fluid flows around the obstacle, separation may occur because the wireline may not turn sharply at the rear of the interface due to the inertia force. In order to accurately predict the frictional shear stress and the delamination caused by the solid structure present in the fluid flow, an assumption about the fluid motion at the interface is required.

또한, 동수역학, 수리학 및 유체역학에서 자유수면흐름(free surface flow)을 모의하고자 하는 경우 연속체 가설에 의한 물리법칙을 적용하여 유도된 질량보존방정식과 운동량보존방정식을 이용한다. 이 방정식은 일반적으로 비선형 편미분방정식으로 표현되며, 일반적인 경우 이에 대한 해석해가 존재하지 않으므로 이를 풀기 위해 컴퓨터를 이용한 수치기법이 널리 사용된다.In addition, in order to simulate free surface flow in hydrodynamics, hydraulics, and hydrodynamics, mass conservation equations and momentum conservation equations are applied by applying the laws of physics based on the continuum hypothesis. This equation is generally expressed as a nonlinear partial differential equation, and in general, there is no interpretation solution for it, so computer-based digitization is widely used to solve it.

하지만 주어진 지배방정식을 종결 짓기 위해서는 경계조건이 반드시 필요하며 특히 고체 경계면에 부여되는 경계조건은 경계면에서의 전단력 분포를 변화시키므로 흐름의 분리 정도에 매우 중요한 영향을 미치게 된다. 또한 벽면 경계조건은 난류 발생을 유발하는 불안정성의 발현에 직접적으로 연관되어 있으므로 (Niavarani와 Priezjev, 2009), 고체 경계면 근처에서의 유동장을 해석하는데 가장 중요한 인자로 작용한다. 따라서 물리적 경계면에서 유체운동에 대한 가정은 동수역학 흐름해석에 있어서 매우 중요하다.However, the boundary condition is necessary to terminate a given governing equation. Especially, the boundary condition imparted to the solid interface changes the shear force distribution at the interface and thus has a very important influence on the degree of separation of the flow. In addition, the wall boundary condition is directly related to the development of turbulence inducing turbulence (Niavarani and Priezjev, 2009), which is the most important factor in analyzing the flow field near the solid interface. Therefore, the assumption of fluid motion at the physical interface is very important in hydrodynamic flow analysis.

고체 경계면에서 유체의 유속은 법선방향과 접선방향 성분으로 구분할 수 있다. 물리적인 관점에서 유체는 고체벽을 통과할 수 없으므로 경계면에 수직인 법선방향 유속이 0인 불투수조건(impermeable condition)은 직관적으로 알 수 있다.The flow velocity of the fluid at the solid interface can be divided into normal and tangential components. From a physical point of view, the fluid cannot pass through the solid wall, so the impermeable condition of zero normal flow velocity perpendicular to the interface is intuitive.

반면, 접선방향 유속성분의 존재 유무에 대해서는 유체역학이 태동한 초기시절부터 논쟁의 대상이었고 18세기 후반 및 19세기 초반의 유체역학자들에 의해 고체와 유체가 접촉해 있는 경계면에서 유체의 상대적 운동속도가 0이라는 무활조건(no-slip condition)이 통상적으로 수용되었다. 하지만 이 가설은 기본 물리법칙에 의해 유도된 것이 아닌 오랜 기간 동안의 암묵적 동의에 의해 통용된 것으로 최근 관측장비 및 기술의 급속한 발전에 힘입어, 고체 경계면에서 접선방향으로 0이 아닌 미약한 유속이 존재함이 밝혀졌다 (Tophøj 등, 2006; Hron 등, 2008; Daniello 등, 2009; Liu 등, 2009; Niavarani와 Priezjev, 2010).On the other hand, the existence of tangential flow rate components has been debated since the early days of hydrodynamics and the relative velocity of fluid at the interface between solid and fluid contact by fluid mechanics in the late 18th and early 19th centuries. A no-slip condition of 0 was conventionally accepted. This hypothesis, however, is not driven by basic laws of physics, but by long-term tacit agreements, and because of recent rapid advances in observational equipment and technology, there is a weak non-zero flow rate in the tangential direction at the solid interface. (Tophøj et al., 2006; Hron et al., 2008; Daniello et al., 2009; Liu et al., 2009; Niavarani and Priezjev, 2010).

실제로 마이크로 유동에서 뿐만 아니라 저점성흐름, 화학적으로 처리된 벽면을 지나는 유체의 흐름, 고전단흐름, 물리적 결함을 가진 물체가 물에 잠긴 경우의 흐름 등의 예에서 고체경계면의 접선방향 유속이 존재하게 되어 기존에 통상적으로 적용되었던 무활조건이 성립되지 않는다. 상류의 유속과 고체 경계면 주위의 유속의 차에 의해 발생하는 전단력에 의해 항력이 발생하게 되는데 유체공학의 다양한 분야에서 이 힘의 크기를 줄이기 위해 많은 노력이 기울여지고 있으며, 특히 고체경계면에 소수 코팅(hydrophobic coating)을 하게 되는 경우 경계면에서 유속이 발생하게 되어 항력이 크게 감소하게 되므로 이와 같은 항력을 감소시키기 위한 경우에도 부분활동조건을 이용하여야 정확한 해석이 가능하다.Indeed, the tangential flow velocity of the solid boundary exists not only in microflows but also in low-viscosity flows, fluid flows through chemically treated walls, high shear flows, and when submerged objects are submerged in water. As a result, inactivation conditions conventionally applied are not established. The drag is generated by the shear force caused by the difference between the upstream flow rate and the flow velocity around the solid interface. In various fields of fluid engineering, much effort is being made to reduce the magnitude of the force, especially in the solid surface In the case of hydrophobic coating, the flow velocity is generated at the interface, and the drag is greatly reduced. Therefore, even in order to reduce the drag, partial analysis can be used for accurate analysis.

하지만 기존의 국내외 2차원 천수흐름 해석 모형에서는 이러한 구조물의 경계면에 발생하는 유속의 크기를 정확하게 고려하지 않고 단순히 완전활동조건(free-slip condition)이나 무활조건을 이용하여 유체의 흐름을 해석함으로써 구조물 주위에서의 유속의 방향 및 크기, 수위의 상승 및 하강, 전단력의 분포, 항력(drag force) 및 양력(lift force)의 시간에 따른 변화 양상을 올바르게 해석하지 못하였으며 실제 자연하천에서의 흐름 거동과 차이를 보이는 문제점이 있다.
However, the existing two-dimensional water flow analysis model at home and abroad does not accurately consider the magnitude of the flow velocity at the boundary of the structure, but simply analyzes the flow of the fluid using free-slip or inactive conditions. The direction and magnitude of flow velocity in Esau, the rise and fall of the water level, the distribution of shear force, the change of drag force and lift force over time have not been correctly interpreted, and the flow behavior and difference in natural rivers There is a problem that seems.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 구조물 주위에서의 수평 2차원 유속분포(유동장, 흐름특성 등)를 정확하게 예측할 수 있는 유한요소모형을 개발하고, 이 모형에 복잡한 유속구조를 보다 정확히 해석하기 위한 부분활동조건(partial-slip condition)을 적용하는 방법을 제시하고, 완전활동조건, 부분활동조건 및 무활조건을 모두 포함할 수 있는 방법을 제안하여 정확도와 적용성 및 신뢰성이 개선된 천수흐름을 해석할 수 있는, 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법을 제공하는 데 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to develop a finite element model that can accurately predict the horizontal two-dimensional flow velocity distribution (flow field, flow characteristics, etc.) around the structure, and this model We propose a method of applying partial-slip conditions to more accurately interpret complex flow structures in the model, and propose a method that can include full, partial and inactive conditions for accuracy and application. The present invention provides a method for imparting partial activity conditions to a solid boundary surface in two-dimensional shallow water flow numerical modeling, which can analyze the shallow water flow with improved performance and reliability.

본 발명의 다른 목적은 활동길이(slip length)에 따른 구조물 주변의 유속, 수심분포 및 와도를 분석하고, 활동길이 변화에 의해 완전활동조건, 부분활동조건 및 무활조건을 모두 입력할 수 있는 방법을 제시하여 벽면경계조건의 적용에 따른 천수흐름의 차이점을 분석할 수 있는, 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법을 제공하는 데 있다.
Another object of the present invention is to analyze the flow velocity, depth distribution and vortex around the structure according to the slip length, and to input all the full, partial and inactive conditions by changing the length of activity. By presenting a method of imparting partial activity condition to solid boundary surface in 2D shallow water numerical modeling, which can analyze the difference of shallow water flow according to the application of wall boundary conditions.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 To achieve these and other advantages and in accordance with the purpose of the present invention,

(a) 중앙처리장치가 다음의 수학식들이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 다음의 수학식들, 즉,(a) The central processing unit uses a program in the main memory containing the following equations, that is,

Figure 112011005696888-pat00001
Figure 112011005696888-pat00001
Wow

Figure 112011005696888-pat00002
Figure 112011005696888-pat00002

(여기서, Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 은 각각 경계절점 C를 포함하는 요소이고, dA는 이 요소의 면적,

Figure 112012049473015-pat00003
Figure 112012049473015-pat00004
는 각각 경계절점 C에서의 형상함수
Figure 112012049473015-pat00005
의 x와 y방향으로의 편미분)을 만족하는 자연좌표계에서 경계면에서의 접선(-ny,nx) 및 법선벡터(nx,ny)를 계산 저장하는 단계와;Where I, II, and III are elements containing boundary nodes C, and dA is the area of this element,
Figure 112012049473015-pat00003
Wow
Figure 112012049473015-pat00004
Are the shape functions at boundary node C, respectively.
Figure 112012049473015-pat00005
Calculating and storing a tangent (-n y , n x ) and a normal vector (n x , n y ) at an interface in a natural coordinate system satisfying the partial differential in x and y directions of;

(b) 경계절점을 포함한 모든 절점에 0의 유속과 일정한 수심이 부여되는 정수압 초기조건이 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 설정되는 단계와;(b) inputting, by the input device, the hydrostatic pressure initial condition to which the zero flow rate and the constant depth are given to all nodes including the boundary nodes;

(c) 지형정보파일에서 고체경계면의 절점을 파악하여 그 경계절점과 활동길이(b)가 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 저장되는 단계와;(c) identifying a node of a solid boundary surface in the topographic information file and storing the boundary node and the length of action (b) in the main memory by the input device;

(d) 상기 접선 및 법선벡터와 정수압 초기조건과 활동길이(b)를 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들과 다음의 수학식들이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 다음의 수학식들, 즉,(d) The central processing unit uses the program in the main memory including the input data and the following equations using the tangent and normal vectors, the hydrostatic initial conditions and the active length as input data. , In other words,

Figure 112011005696888-pat00006
Figure 112011005696888-pat00006
Wow

Figure 112011005696888-pat00007
Figure 112011005696888-pat00007

(여기서, b는 활동길이, nx와 ny는 각각 경계면에서의 법선방향 단위벡터의 x방향 성분과 y방향 성분, u1 과 u2 는 각각 종횡방향 유속)을 만족하는 부분활동조건 적용에 의한 경계절점에서의 유속(us1,us2)을 산출 저장하는 단계, 및(Where b is the active length, n x and n y are the x- and y-direction components of the normal unit vector at the interface, respectively, u 1 and u 2 are the longitudinal and horizontal flow rates respectively). Calculating and storing the flow rates u s1 and u s2 at the boundary node by the edge node, and

(e) 상기의 정수압 초기조건 및 경계조건(상류단 유속, 하류단 수심, 경계절점에서의 유속)을 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들(정수압 초기조건 및 경계조건)과 다음의 수학식들에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 다음의 수학식들, 즉,(e) Using the initial hydrostatic pressure condition and boundary condition (upstream flow velocity, downstream depth, flow velocity at boundary node), the central processing unit inputs the input data (initial hydrostatic pressure condition and boundary condition) and The finite element method is applied to the equations so that the following equations, i.e.

Figure 112011005696888-pat00008
,
Figure 112011005696888-pat00008
,

Figure 112011005696888-pat00009
Figure 112011005696888-pat00009
Wow

Figure 112011005696888-pat00010
Figure 112011005696888-pat00010

(여기서, h 는 수심, u1 과 u2 는 각각 종횡방향 수심평균 유속, g 는 중력가속도, n 은 하상 및 벽면의 거칠기 정도를 나타내는 조도계수, H 는 기준선으로부터 하상까지의 거리, νT 는 와점성계수)을 만족하는 임의의 시간과 위치에서의 종횡방향 유속(경계절점 제외) 및 수심(경계절점 포함)을 산출 저장하는 단계로 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 기본 특징으로 한다.(Where, h is the water depth, u 1 and u 2 are respectively the vertical and horizontal directions depth mean velocity, g is the distance, ν T of the acceleration of gravity, n is the number of roughness indicating the roughness degree of the bed and the wall, to the charge image H is from the reference line is Comprising a step of calculating and storing longitudinal flow velocity (excluding boundary node) and water depth (including boundary node) at any time and location satisfying the eddy viscosity.

또한, 본 발명은 상기 단계(e)에서 산출된 결과의 변화량(△u1, △u2, △h)이 허용범위인 10-5보다 크면 구해진 유동장(종횡방향 유속과 수심)을 반영하여 다시 부분활동조건을 계산하여 경계조건에 반영하기 위해 상기 단계(d)와 단계(e)의 과정이 재수행되어 허용범위보다 작게 될 때까지 반복하여 수렴된 유속장(u1,u2,h)을 얻는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 한다.
In addition, the present invention again reflects the calculated flow field (vertical flow velocity and depth) obtained when the change amount Δu 1 , Δu 2 , Δh of the result calculated in step (e) is larger than the allowable range of 10 −5. In order to calculate the partial activity condition and reflect the boundary condition, the flow fields converged repeatedly (u 1 , u 2 , h) until the process of steps (d) and (e) are re-run and smaller than the allowable range. It characterized in that it further comprises the step of obtaining.

기존의 국내외 2차원 천수흐름 해석 모형에서는 구조물의 경계면에 발생하는 유속을 무시하고 완전활동조건(free-slip condition)이나 무활조건(no-slip condition)을 이용하여 유체의 흐름을 해석하여 구조물 근처에서의 유속의 방향 및 크기, 수위의 상승 및 하강, 전단력의 분포, 항력 및 양력의 시간에 따른 변화 양상을 올바르게 해석하지 못하여 실제 자연하천에서의 흐름 거동과 차이를 나타냈다. 하지만 이상에서 살펴본, 본 발명인 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법은 2차원 천수방정식에 유한요소모형을 적용하는 과정에서 경계면에 부분활동조건을 부여하여 자연하천에서의 천수흐름을 보다 정확하게 해석할 수 있고, 벽면에서의 경계조건을 부분활동조건으로 일반화하여 완전활동조건 및 무활조건을 아울러 적용이 가능하도록 하여 정확도와 적용성 및 신뢰성이 개선된 천수흐름을 해석하는 방법을 제공할 수 있는 효과가 있다.
In the existing domestic and foreign two-dimensional water flow analysis model, the fluid flow is analyzed near the structure by using the free-slip condition or the no-slip condition, ignoring the flow velocity generated at the boundary of the structure. The direction and magnitude of flow velocity, the rise and fall of the water level, the distribution of shear force, and the change of the drag and lift over time were not interpreted correctly, resulting in differences in the flow behavior in natural rivers. However, in the above-described two-dimensional shallow water flow numerical modeling, the method of imparting partial activity conditions to the solid boundary surface is applied to the boundary surface in the process of applying the finite element model to the two-dimensional shallow water equation. The method of analyzing the shallow water flow with improved accuracy, applicability and reliability by analyzing the shallow water flow more accurately and generalizing the boundary condition on the wall as a partial activity condition so that it is possible to apply both the full and inactive conditions. There is an effect that can provide.

도 1 은 본 발명에 따른 부분활동조건 적용을 위한 수치모의 흐름도를 나타낸 도면.
도 2 는 형상함수 정의를 위한 불연속 경계면과 법선 단위벡터를 나타낸 도면.
도 3 은 활동길이(b)와 경계면에서의 유속 성분을 나타낸 도면.
도 4 는 부분활동조건 적용을 위한 유한요소 격자망을 나타낸 도면.
도 5 는 활동길이에 따른 유속장 비교(좌: b=∞, 우:b=0.0)를 나타낸 도면.
도 6 은 다양한 활동조건에 따른 구조물 근처에서의 종방향 유속분포를 나타낸 도면.
도 7 은 부분활동조건에 따른 구조물 근처에서의 횡방향 유속분포를 나타낸 도면.
도 8 은 구조물 후면에서 유속성분의 시간에 따른 변화양상을 나타낸 도면.
도 9 는 구조물 후면에서 와도의 시간에 따른 변화양상을 나타낸 도면.
도 10 은 와도 분포 비교(실선:b=0.0, 점선:b=3.0mm)를 나타낸 도면.
도 11 은 구조물 경계면에서의 유속분포를 나타낸 도면.
도 12 는 구조물 경계면에서의 수심분포를 나타낸 도면.
1 is a diagram illustrating a numerical simulation flow chart for applying partial activity conditions in accordance with the present invention.
2 is a diagram illustrating discrete boundary planes and normal unit vectors for defining a shape function.
3 shows the flow rate component at the active length (b) and the interface.
4 shows a finite element grid for applying partial activity conditions.
5 is a view showing a flow field comparison (left: b = ∞, right: b = 0.0) according to the activity length.
6 is a view showing a longitudinal flow rate distribution in the vicinity of a structure according to various activity conditions.
7 is a diagram showing a lateral flow velocity distribution near a structure according to partial activity conditions.
8 is a view showing the change pattern of the flow rate component in the back of the structure over time.
9 is a view showing the change pattern with time of eddy at the rear of the structure.
10 is a diagram showing a eddy distribution comparison (solid line: b = 0.0, dotted line: b = 3.0 mm).
11 shows the flow rate distribution at the boundary of a structure.
12 shows the water distribution at the boundary of the structure.

상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

RMA-2, Telemac-2D, River2D 등 기존의 대부분 국내외 상용모형에서는 내부 경계인 하천구조물과 외부 경계인 측벽에서의 경계조건을 완전활동조건(free-slip condition)으로 가정하여 흐름장을 계산하였다. 그러나 실제로 고체 경계면에서는 마찰력에 의해 흐름이 미약하게 존재하는 부분활동조건이 물리적으로 타당하다.Most existing domestic and foreign commercial models such as RMA-2, Telemac-2D, and River2D calculated flow fields assuming a free-slip condition as the boundary condition at the river structure as the inner boundary and the side wall as the outer boundary. In practice, however, it is physically valid for partial activity conditions where the flow is weak due to friction at the solid interface.

따라서, 본 발명에서는 부분활동조건을 이용하여 2차원 천수흐름을 해석하는 방법을 제시하기 위해 다음의 수학식 1 내지 수학식 3과 같은 지배방정식을 이용한다.Therefore, the present invention uses a governing equation such as Equation 1 to Equation 3 below to present a method for analyzing two-dimensional shallow water flow using partial activity conditions.

Figure 112011005696888-pat00011
Figure 112011005696888-pat00011

Figure 112011005696888-pat00012
Figure 112011005696888-pat00012

Figure 112011005696888-pat00013
Figure 112011005696888-pat00013

여기서, h 는 수심, u1 과 u2 는 각각 종횡방향 수심평균 유속, g 는 중력가속도, n 은 하상 및 벽면의 거칠기 정도를 나타내는 조도계수, H 는 기준선으로부터 하상까지의 거리, νT 는 와점성계수를 나타낸다. 본 발명에서는 질량보존방정식인 상기 수학식 1은 갈러킨(Galerkin)법, 운동량보존방정식인 수학식 2와 수학식 3은 SU/PG 기법으로 이산화(discretization)하였다.
Where h is depth, u 1 and u 2 are longitudinal depth mean velocity, g is gravitational acceleration, n is roughness coefficient representing roughness of bed and wall, H is distance from baseline to ν T Indicates the viscosity coefficient. In the present invention, the equation 1, which is a mass conservation equation, is discretized by the Galerkin method, the equations 2 and 3, which are momentum conservation equations, by the SU / PG method.

불규칙 경계면의 고려 및 벽면 경계조건Consideration of irregular boundary and wall boundary condition

하천 및 수로에서 흐름해석을 하는 경우 벽면 경계조건은 좌안과 우안 및 내부 구조물에 적용된다. 유한요소모형에서는 내부 및 외부 경계에서의 유속성분을 접선방향과 법선 방향으로 구분하여 계산한다. 도 2와 같은 지형의 경우 경계절점 C점에서의 유속성분을 구하기 위해서는, 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같이 경계절점 C를 포함하는 요소의 형상함수(shape function)를 고려하여 경계면에서의 법선방향 단위벡터의 x방향 성분(nx)과 y방향 성분(ny)을 우선 계산한다.For flow analysis in rivers and waterways, wall boundary conditions apply to the left eye, right eye, and internal structures. In the finite element model, the velocity components at the inner and outer boundaries are calculated by dividing them into tangential and normal directions. In the case of the terrain as shown in FIG. 2, in order to obtain the flow velocity component at the boundary node C point, the shape function of the element including the boundary node C as shown in Equations 4 and 5 is considered The x-direction component (n x ) and the y-direction component (n y ) of the normal unit vector are first calculated.

Figure 112011005696888-pat00014
Figure 112011005696888-pat00014

Figure 112011005696888-pat00015
Figure 112011005696888-pat00015

여기서, Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 은 각각 경계절점 C를 포함하는 요소(도2 참조)이고, dA는 이 요소의 면적,

Figure 112012049473015-pat00016
Figure 112012049473015-pat00017
는 각각 경계절점 C에서의 형상함수
Figure 112012049473015-pat00018
의 x와 y방향으로의 편미분을 의미한다.Where I, II and III are elements (see Fig. 2) each containing boundary node C, and dA is the area of this element,
Figure 112012049473015-pat00016
Wow
Figure 112012049473015-pat00017
Are the shape functions at boundary node C, respectively.
Figure 112012049473015-pat00018
Means the partial derivative in the x and y directions.

이를 이용하면 경계절점 C점에서의 직교좌표계 상의 유속 (u1 ,u2) 과 회전좌표계 상의 유속 (un ,ut)을 다음의 수학식 6 및 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.Using this, the flow velocity (u 1 , u 2 ) and the flow velocity (u n , u t ) in the Cartesian coordinate system at the boundary node C can be expressed as in Equations 6 and 7 below.

Figure 112011005696888-pat00019
Figure 112011005696888-pat00019

Figure 112011005696888-pat00020
Figure 112011005696888-pat00020

여기서, un 은 법선방향 유속, ut 은 접선방향 유속이다.Where u n Is the normal flow rate, u t Is the tangential flow rate.

따라서 벽면에서의 접선방향 유속이 존재하는 활동조건을 이용하는 경우 상기 수학식 6에서 un = 0 이 부여되며 벽면에서의 접선 및 법선방향 유속이 모두 0인 무활조건을 적용하는 경우에는 ut = un = 0 을 적용한다. 부분활동조건은 다음에서 상술된 방법에 의해 부여된다.
Therefore, in the case of using the active condition in which the tangential flow velocity on the wall exists, u n in Equation 6 = 0 if the grant is applied to both the tangential and the normal direction of flow rates 0 muhwal condition of the wall is u = u t n = 0 is applied. Partial activity conditions are imparted by the methods detailed below.

천수흐름해석을Water Flow Analysis 위한 컴퓨터 모형에서 부분활동조건을 적용하는 방법 Of subactivities in computer models

상기에서 기술한 바와 같이, 고체 경계면에서 접선방향으로 0이 아닌 미약한 유속이 존재함이 밝혀졌는데 이와 같은 고체면에서의 접선방향의 유속은 부분활동조건으로 기술된다. 이 조건은 접선방향 유속

Figure 112011005696888-pat00021
성분은 접선점성응력(tangential viscous stress) 및 활동길이(b)에 비례한다는 것으로 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.As described above, it has been found that there is a nonzero tangential flow rate in the tangential direction at the solid interface, where the tangential flow rate at this solid surface is described as partial activity conditions. This condition is the tangential flow rate
Figure 112011005696888-pat00021
The component is proportional to the tangential viscous stress and the length of activity (b) and can be expressed as in Equation 8 below.

Figure 112011005696888-pat00022
Figure 112011005696888-pat00022

여기서,

Figure 112011005696888-pat00023
Figure 112011005696888-pat00024
는 경계면에서 수직 및 평행한 단위벡터 (도 3 참조), νT 는 동점성계수,
Figure 112011005696888-pat00025
는 고체경계면에서의 직교좌표계 방향 유속, b 는 도 3과 같이 경계면에서부터 수직인 방향으로 외삽에 의해 0이 되는 유속이 존재하는 지점까지의 거리로 정의되는 활동길이이다. 접선점성응력(
Figure 112011005696888-pat00026
)은 다음의 수학식 9와 같이 정의된다.here,
Figure 112011005696888-pat00023
Wow
Figure 112011005696888-pat00024
Is the unit vector vertical and parallel at the interface (see Fig. 3), ν T is the kinematic viscosity,
Figure 112011005696888-pat00025
Is the flow velocity in the Cartesian coordinate system direction at the solid boundary surface, and b is the action length defined as the distance from the boundary surface to the point where the flow velocity becomes zero by extrapolation in the vertical direction. Tangential Viscous Stress
Figure 112011005696888-pat00026
) Is defined as in Equation 9 below.

Figure 112011005696888-pat00027
Figure 112011005696888-pat00027

경계면을 관통하는 유속이 존재하지 않는다는 불투수조건을 부여하기 위해 다음의 수학식 10을 이용한다.Equation 10 is used to impart an impermeable condition that no flow rate penetrates the interface.

Figure 112011005696888-pat00028
Figure 112011005696888-pat00028

상기 수학식 8과 수학식 10은 다음의 수학식 11과 수학식 12와 같이 풀어서 쓸 수 있다.Equations 8 and 10 can be solved and written as in Equations 11 and 12 below.

Figure 112011005696888-pat00029
Figure 112011005696888-pat00029

Figure 112011005696888-pat00030
Figure 112011005696888-pat00030

상기 수학식 11과 수학식 12에 각각 ny 와 nx 를 곱하고

Figure 112011005696888-pat00031
조건을 이용하여 이 두 식을 더하면 경계면에서의 x-방향 접선유속성분(us1)은 다음의 수학식 13과 같이 표현된다.Multiply n y and n x by Equations 11 and 12, respectively.
Figure 112011005696888-pat00031
Adding these two equations using the condition, the x-direction tangential velocity component u s1 at the interface is expressed by Equation 13 below.

Figure 112011005696888-pat00032
Figure 112011005696888-pat00032

마찬가지로, 경계면에서의 y-방향 접선유속성분(us2)은 다음의 수학식 14와 같이 표현된다.Similarly, the y-direction tangential flow rate component u s2 at the interface is expressed by Equation 14 below.

Figure 112011005696888-pat00033
Figure 112011005696888-pat00033

활동길이(b)가 클수록 경계면에서의 마찰력은 작아지며 경계면에서 더 큰 유속이 나타난다. 완전활동조건과 무활조건은 부분활동조건의 특수한 경우로 활동길이가 0인 경우 무활조건, 활동길이가 무한대인 경우에는 완전활동조건이 된다. 일반적인 CFD 모델링에서 측벽에는 완전활동조건이 부여되며, 다른 경계면에는 무활조건이나 부분활동조건이 할당된다. 이는 측벽에 무활조건을 입력하게 되면 벽면에 위치한 절점과 인접한 내부 절점 사이에 특이성(singularity)이 발생하게 되고 급격한 유동 변화가 생기며 흐름이 지나치게 왜곡되기 때문이다.The larger the active length (b), the smaller the frictional force at the interface and the greater the flow velocity at the interface. Full activity conditions and inactive conditions are special cases of partial activity conditions. When activity length is 0, it becomes inactive condition and when activity length is infinite, it becomes full activity condition. In general CFD modeling, sidewalls are assigned full activity conditions, while other interfaces are assigned inactive or partial activity conditions. This is because when the inactive condition is input to the side wall, singularity is generated between the node located on the wall and the adjacent internal node, a sudden flow change occurs and the flow is excessively distorted.

한편, 상기의 경계조건과 부분활동조건을 이용하여 도 1에 도시된 바와 같이 부분활동조건의 적용을 위한 수치모의의 과정을 살펴보면 다음과 같다.On the other hand, the numerical simulation process for applying the partial activity conditions as shown in Figure 1 using the boundary conditions and the partial activity conditions as follows.

우선, 중앙처리장치가 등매개변수요소(iso-parametric element)에 의해 좌표축을 자연좌표계(natural coordinates)로 변형하고 경계면에서의 접선(-ny,nx) 및 법선벡터(nx,ny)를 상기 수학식 4와 수학식 5이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 계산 저장한다. 여기서 자연좌표계로의 변형은 이를 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 직접 알고리즘을 코딩한 프로그램에 의해 이루어진다(S10).First, the central processing unit transforms the coordinate axes into natural coordinates by means of iso-parametric elements, and then tangents (-n y , n x ) and normal vectors (n x , n y ) at the interface. ) Is calculated and stored using a program in the main memory including Equations (4) and (5). In this case, the transformation to the natural coordinate system is performed by a program coding an algorithm directly through a programming language in order to perform this by a computer (S10).

다음으로, 경계절점을 포함한 모든 절점에 0의 유속과 일정한 수심이 부여되는 정수압 초기조건(hydrostatic initial condition)이 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 설정된다(S20).Next, a hydrostatic initial condition in which all the nodes including the boundary node are given a flow rate of zero and a constant depth is input to the main memory by the input device (S20).

그 다음으로, 지형정보파일에서 고체경계면의 절점을 파악하여 그 경계절점과 활동길이(b)가 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 저장된다(S30).Next, the node of the solid boundary surface is identified from the topographic information file, and the boundary node and the action length (b) are input and stored in the main memory by the input device (S30).

그 다음으로, 상기 접선 및 법선벡터와 정수압 초기조건과 활동길이(b)를 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 수학식 13과 수학식 14가 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 부분활동조건 적용에 의한 경계절점에서의 유속을 할당 저장한다(S40).Next, the central processing unit uses the program in the main memory including the equations (13) and (14) to apply the partial activity condition using the tangent and normal vectors, the hydrostatic initial conditions and the active length (b) as input data. Allocating and storing the flow rate at the boundary node (S40).

그 다음으로, 경계조건이 할당된 절점은 구속된 자유도(degree of freedom)에 의해 기지의 값(경계절점에서의 유속; us1, us2)을 가지므로 지배방정식의 풀이과정에서 제외되고 인접 절점의 하중벡터(load vector)를 변형시키는 역할을 한다. 따라서, 상기의 정수압 초기조건 및 경계조건(상류단 유속, 하류단 수심, 경계절점에서의 유속)을 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들(정수압 초기조건 및 경계조건)과 지배방정식인 상기 수학식 1 내지 수학식 3에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 수학식 1 내지 수학식 3을 만족하는 임의의 시간과 위치에서의 종횡방향 유속(경계절점 제외) 및 수심(경계절점 포함)을 산출하게 된다(S50). 참고로, 상기 수치모형은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어(Fortran 등)를 통해 직접 알고리즘을 코딩한 프로그램이다.Next, the node to which the boundary condition is assigned has a known value (flow velocity at the boundary node; u s1 , u s2 ) by the degree of freedom constrained, so it is excluded from the solution of the governing equation and adjacent. It modifies the load vector of the node. Therefore, the central processing unit uses the initial hydrostatic pressure conditions and boundary conditions (upstream flow velocity, downstream depth, flow velocity at the boundary node) as input data, and the central processing unit determines the input data (initial hydrostatic pressure condition and boundary conditions) and the governing equation. The longitudinal flow velocity (excluding boundary node) and depth at any time and location satisfying Equations 1 to 3 using a program in a numerically modeled main memory by applying the finite element method to Equations 1 to 3 above. (Including the boundary node) is calculated (S50). For reference, the numerical model is a program in which an algorithm is directly coded through a programming language (Fortran, etc.) to be finally executed by a computer.

마지막으로, 이 결과의 변화량(△u1, △u2, △h)이 허용범위 (바람직하게는 10-5)보다 크면 구해진 유동장(종횡방향 유속과 수심)을 반영하여 다시 부분활동조건을 계산하여 경계조건에 반영하기 위해 상기 S40 단계와 S50 단계의 과정이 재수행되어 허용범위보다 작게 될 때까지 반복하여 수렴된 유속장(u1,u2,h)을 얻게 된다.
Finally, if the amount of change (Δu 1 , Δu 2 , Δh) of this result is larger than the allowable range (preferably 10 -5 ), the partial activity condition is calculated again to reflect the calculated flow field (vertical flow velocity and depth). In order to reflect the boundary condition, the flow fields (u 1 , u 2 , h) are repeatedly obtained until the processes of steps S40 and S50 are performed again and smaller than the allowable range.

부분활동조건을 적용한 흐름 해석Flow analysis applying partial activity conditions

본 발명에서는 벽면에서의 접선방향 유속이 존재하는 완전활동조건, 부분활동조건, 그리고 벽면에서 유속이 없는 무활조건에 따른 내부 구조물 주변에서의 유속, 수위 및 와도 분포를 해석하기 위해 다음의 표 1과 같은 수치모의 조건을 구성하였다.In the present invention, in order to analyze the flow velocity, water level, and vortex distribution around the internal structure according to the fully active condition, the partial activity condition, and the inactive condition without the flow velocity on the wall, The same numerical simulation conditions were constructed.

Figure 112011005696888-pat00034
Figure 112011005696888-pat00034

수로의 폭과 길이는 각각 2m와 4m이며 구조물 직경(D) 0.22 m, 상류단 유속(u) 0.1 m/s, 하류단 수심(h) 0.5 m, 조도계수 0.012 m-1/3?s, 관성력과 점성력의 비율로 정의되는 무차원수인 Re수는 100인 조건을 구성하였다. 경계면에서의 유속의 크기는 활동길이(b)로 결정되어 b = ∞ 인 경우에는 완전활동조건, b = 0.0 인 경우에는 무활조건, 이외의 값인 경우 부분활동조건을 의미하며, 총 5개의 활동길이를 고려하였다. 수치모의를 위한 격자망은 도 4와 같이 1,912개의 절점과 1,835개의 삼각 및 사각 요소망으로 구성하였으며 부분활동조건을 보다 정확히 재현하기 위해 벽면 근처에서는 조밀한 격자를 구성하였다.The channel width and length are 2m and 4m, respectively, with the diameter of the structure (D) 0.22 m, the upstream flow velocity (u ) 0.1 m / s, the downstream depth (h ) 0.5 m, the coarseness coefficient 0.012 m -1/3 ? The Re number, a dimensionless number defined by the ratio of s, the inertia force and the viscous force, constituted a condition of 100. The magnitude of the velocity at the interface is determined by the length of action (b), which means full activity conditions for b = ∞, inactive conditions for b = 0.0, and partial activity conditions for other values. Considered. The grid for numerical simulation is composed of 1,912 nodes and 1,835 triangular and rectangular meshes as shown in FIG. 4, and a dense grid is constructed near the wall to reproduce the partial activity conditions more accurately.

표 1의 수치모의 조건에 의해 계산된 유속장을 도 5에 도시하였다. 도 5는 완전활동조건과 무활조건으로 설정된 활동길이에 따른 유속장의 변화양상을 제시하기 위한 것이다. 도 5(a)는 유속벡터도를 나타낸 것으로 b = ∞ (완전활동조건)의 경우 구조물 후면에 전면부와 동일한 크기의 유속이 나타났으며 하류단에서는 균등흐름(uniform flow)이 두드러졌다. 그러나 b = 0.0 (무활조건)의 경우 구조물 후면부에서는 무활조건에 의한 흐름의 분리 현상이 잘 나타났다. 이는 구조물 부근에서의 등유속도를 도시한 도 5(b)에서 더욱 잘 확인할 수 있다. 최대유속의 발생위치 및 크기가 활동길이에 따라 큰 차이를 보였다. 등수심도 모의결과를 도 5(c)에 수록하였다. b = ∞ 의 경우 구조물 전면과 후면에서의 수위의 강하 및 상승이 나타나지 않았고 전반적으로 평행한 수위분포만이 관찰되었다. 이에 반해 b = 0.0 의 경우 무활조건에 의한 교각 주위에서의 흐름의 분리현상이 b = ∞ 에 비해 더욱 두드러졌으며 구조물 전면부에서 수위가 상승하는 선수파(bow wave)와 구조물 측면에서의 수위의 강하 및 상승이 잘 관찰되었다. 한편 교각 후면에서는 후류의 영향으로 수위강하가 잘 나타났다. 도 5(d)는 구조물 근처에서의 유선분포를 도시한 것으로 b = ∞ 의 경우 교각 후면에서 관성력에 의한 흐름방향 유속이 두드러지게 나타났으나, b = 0.0 의 경우 무활조건에 의해 교각 후면에서 와가 형성되고 후류현상이 두드러지게 나타났다.The flow field calculated by the numerical simulation conditions of Table 1 is shown in FIG. 5. 5 is to show the change pattern of the velocity field according to the active length set to the complete and inactive conditions. FIG. 5 (a) shows the velocity vector diagram, and in the case of b = ∞ (completely active condition), the flow velocity of the same size as that of the front portion appeared at the rear of the structure, and the uniform flow was prominent at the downstream end. However, in the case of b = 0.0 (inactive condition), the separation of flow due to inactive condition was well seen in the rear part of the structure. This can be seen better in Figure 5 (b) showing the kerosene velocity in the vicinity of the structure. The location and size of the maximum flow rate showed a big difference according to the length of activity. The simulation results of the uniform depth are shown in FIG. 5 (c). For b = ∞, there was no drop and rise in the water level at the front and rear of the structure, and only parallel levels were observed. On the other hand, in case of b = 0.0, the separation of the flow around the piers due to inactive condition is more pronounced than b = ∞, and the bow wave which rises at the front of the structure and the drop of the water level at the side of the structure And rise was well observed. On the other hand, the water drop was well behind the bridge. FIG. 5 (d) shows the streamline distribution near the structure. In the case of b = ∞, the flow velocity of the inertia force in the rear side of the pier was remarkable, but in the case of b = 0.0 It was formed and the wake phenomenon was prominent.

도 6과 7은 부분활동조건인 b=4.0 mm를 적용한 경우와 무활 및 완전활동조건을 적용한 경우의 시간평균된 유속 결과를 비교한 것이다. 도 6은 종방향 등유속도를 나타낸 것으로 구조물 둘레를 따라 할당된 유속구속조건에 의해 b=0.0과 4.0 mm인 경우에 흐름의 분리현상이 발생하였다. 반면, b = ∞ 의 경우 경계층에서의 분리가 발생하지 않으므로 구조물 후면에서의 유속감소가 발생하지 않았다. 무활조건의 경우에 비해 b=4.0 mm인 경우 종방향 유속경사가 더 크게 나타났다. b = ∞ 의 경우 다른 두 경우에 비해 약 50% 큰 최대 유속이 발생하였다. 도 7은 횡방향 등유속도를 나타낸 것으로 b=4.0 mm를 입력한 경우 구조물 중심으로부터 약 4D 떨어진 위치에서 횡방향 유속이 반전되었다. 이에 반해 b = ∞ 의 경우 구조물의 중심에 관해 대칭인 횡방향 유속이 나타났다.6 and 7 compare the results of time averaged flow rates when the partial activity condition b = 4.0 mm is applied and the inactivity and full activity condition are applied. FIG. 6 shows longitudinal kerosene velocity and flow separation occurred at b = 0.0 and 4.0 mm due to the velocity constraint condition assigned along the structure perimeter. On the other hand, in case of b = ∞, separation does not occur at the boundary layer, so there is no decrease in flow rate at the back of the structure. In the case of b = 4.0 mm, the longitudinal flow slope was larger than in the inactive condition. For b = ∞, the maximum flow rate was about 50% greater than for the other two cases. Figure 7 shows the transverse kerosene velocity and when b = 4.0 mm, the transverse velocity was reversed at a position about 4D away from the center of the structure. On the contrary, for b = ∞, lateral flow velocity is symmetric about the center of the structure.

구조물 후면 (D, 0), (2D, 0) 및 (3D, 0)의 3점에서의 시간에 따른 종횡방향 유속성분의 변화양상을 도 8에 도시하였다. 종방향 유속분포를 나타낸 도 8(a)의 경우, 3가지 두드러진 특징이 나타났다. 점선과 실선으로 표시된 (D, 0)점에서는 역흐름이 모든 시간에 걸쳐 나타났다. 속이 찬 동그라미와 빈 동그라미로 표현된 (2D, 0)점에서는 정방향 및 역방향 흐름이 교차하며 나타났다. 속이 찬 삼각형과 빈 삼각형으로 표현된 (3D, 0)점에서는 유속의 증감이 있지만 하류방향으로 향하는 흐름이 관찰되었다. 한편 b=0.0 및 4.0 mm의 활동길이 변화에 따라 진폭의 크기 및 주기가 다름을 확인할 수 있었다. 반면, 횡방향 유속분포의 경우 (도 8(b)) 와류진동(vortex shedding)에 의한 대칭적인 와의 형성에 의해 y축에 대칭인 유속분포가 두드러졌다.8 shows the change in the longitudinal flow velocity component with time at three points on the back surface of the structure (D, 0), (2D, 0) and (3D, 0). In the case of Fig. 8 (a) showing the longitudinal flow rate distribution, three prominent features appeared. At the point (D, 0) indicated by the dashed line and the solid line, the reverse flow appeared over all time. At the point (2D, 0) represented by the solid circle and the empty circle, the forward and reverse flows appeared alternately. At the point (3D, 0), represented by a solid triangle and an empty triangle, there was an increase and decrease in flow velocity, but a downstream flow was observed. On the other hand, the amplitude and period of amplitude were different according to the change of the active length of b = 0.0 and 4.0 mm. On the other hand, in the case of the transverse flow rate distribution (Fig. 8 (b)), the flow rate distribution symmetrical on the y-axis was prominent by the formation of symmetrical vortices by vortex shedding.

구조물 후면에서 와도의 시간에 따른 변화양상을 도 9에 도시하였다. 이 도면에서도 유속의 변동과 비슷한 특성이 나타났다. 도 10은 특정한 두 시간(tu/D=138.6, 142.0)에서의 와도의 순간포착그림(snapshot)을 수록한 것이다. 구조물 하류의 상부와 하부에서 와도가 교대로 발달함을 알 수 있으며 실선으로 표시된 무활조건과 점선으로 표현된 부분활동조건에 의한 와도분포를 비교해보면 위상차와 진폭차가 발생함을 알 수 있다.The change pattern with time of eddy at the back of the structure is shown in FIG. 9. In this figure, the characteristics similar to the fluctuations of the flow velocity were shown. FIG. 10 contains snapshots of vortices at two specific times (tu /D=138.6, 142.0). It can be seen that the vortices alternately develop in the upper and lower parts downstream of the structure, and the phase difference and the amplitude difference occur when comparing the eddy distribution by the inactive condition indicated by the solid line and the partial activity condition indicated by the dotted line.

구조물 경계면에서의 종횡방향 유속분포를 도 11에 도시하였다. 완전활동조건을 부여한 경우 종방향 최대 및 최소유속은 구조물의 어깨부분과 후면에서 나타났으며 횡방향 최대유속과 최소유속은 각각 45˚와 315˚의 위치에서 나타났다. 하지만, 부분활동조건을 부여한 경우 전단층의 분리현상에 의해 완전히 다른 유속분포가 발생했다. b=2.0 mm와 4.0 mm인 경우 최대 유속은 상류단 유속의 크기에 10 % 및 20 % 에 해당하였으며 최대유속의 발생위치도 완전활동조건에 비해 구조물 전면부 방향으로 20˚와 12˚ 이동하였다. 구조물 경계면에서의 수심분포를 도 12에 수록하였다. 유체의 흐름이 구조물에 의해 막히게 되므로 구조물 전면에서는 선수파(bow-wave)가 발생하여 수위가 상승하다가 측면을 따라 하강하게 되며 θ=90˚인 어깨부위에서 수위가 가장 낮게 나타났다. 이후 후면으로 접근하면서 수위는 다시 상승하였다. 무활조건과 부분활동조건에 의한 수위 차이는 크지 않았으나, 완전활동조건의 경우 구조물 후면에서 하류단 수심에 비해 큰 수심이 발생하여 물리적으로 적합하지 않은 수위분포를 도출하였다. 이상의 수치모의 결과 기존의 국내외 천수흐름 해석을 위한 상용모형에서 일반적으로 적용하는 완전활동조건을 부여한 경우 구조물 근처에서의 유속의 방향 및 크기, 수위의 상승 및 하강, 전단력의 분포, 항력 및 양력의 시간에 따른 변화 양상을 올바르게 해석하지 못하여 실제 자연하천에서의 흐름 거동과 차이를 나타내므로, 고체경계면에서 유체의 흐름 정도를 조절할 수 있는 부분활동조건을 부여하는 경우 보다 정확한 해석이 가능한 것으로 판단된다.The longitudinal flow velocity distribution at the interface of the structure is shown in FIG. 11. In the case of full activity conditions, longitudinal maximum and minimum flow rates were found at the shoulder and back of the structure, and transverse maximum and minimum flow rates were at 45 ° and 315 °, respectively. However, under partial activity conditions, a completely different flow velocity distribution occurred due to the separation of the shear layer. In the case of b = 2.0 mm and 4.0 mm, the maximum flow rates corresponded to 10% and 20% of the upstream flow velocity, and the location of the maximum flow rate also moved 20˚ and 12˚ toward the front of the structure compared to the full activity conditions. The depth distribution at the interface of the structure is shown in FIG. 12. Since the flow of fluid is blocked by the structure, bow-wave occurs in the front of the structure, and the water level rises and then descends along the side, and the water level is the lowest at the shoulder where θ = 90 °. After approaching the rear, the water level rose again. Although the difference in water level by inactive condition and partial activity condition was not large, in the case of full activity condition, the water depth was larger than the downstream depth at the rear of the structure, resulting in physically unsuitable water level distribution. As a result of the above numerical simulation, when the full activity conditions generally applied in the existing commercial models for domestic and foreign water flow analysis are given, the direction and magnitude of flow velocity, the rise and fall of the water level, the distribution of shear force, the drag and lift time in the vicinity of the structure Because of the inability to correctly interpret the change pattern, the flow behavior in the natural river is different from the current flow. Therefore, it can be interpreted more precisely if the partial activity conditions that control the flow of the fluid at the solid boundary are given.

상기에서는 본 발명에 대한 특정의 바람직한 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 요지를 벗어남이 없이 다양하게 변경시킬 수 있을 것이다.
While specific preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and a person skilled in the art to which the present invention pertains has the technical gist of the present invention. Various changes can be made without departing.

Claims (2)

(a) 중앙처리장치가 다음의 수학식들이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 다음의 수학식들, 즉,
Figure 112012049473015-pat00035

Figure 112012049473015-pat00036

(여기서, Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 은 각각 경계절점 C를 포함하는 요소이고, dA는 이 요소의 면적,
Figure 112012049473015-pat00037
Figure 112012049473015-pat00038
는 각각 경계절점 C에서의 형상함수
Figure 112012049473015-pat00039
의 x와 y방향으로의 편미분)을 만족하는 자연좌표계에서 경계면에서의 접선(-ny,nx) 및 법선벡터(nx,ny)를 계산 저장하는 단계와;
(b) 경계절점을 포함한 모든 절점에 0의 유속과 일정한 수심이 부여되는 정수압 초기조건이 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 설정되는 단계와;
(c) 지형정보파일에서 고체경계면의 절점을 파악하여 그 경계절점과 활동길이(b)가 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력 저장되는 단계와;
(d) 상기 접선 및 법선벡터와 정수압 초기조건과 활동길이(b)를 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들과 다음의 수학식들이 포함된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 다음의 수학식들, 즉,
Figure 112012049473015-pat00040

Figure 112012049473015-pat00041

(여기서, b는 활동길이, nx와 ny는 각각 경계면에서의 법선방향 단위벡터의 x방향 성분과 y방향 성분, u1 과 u2 는 각각 종횡방향 유속)을 만족하는 부분활동조건 적용에 의한 경계절점에서의 유속(us1,us2)을 산출 저장하는 단계, 및
(e) 상기의 정수압 초기조건 및 경계조건(상류단 유속, 하류단 수심, 경계절점에서의 유속)을 입력자료로 하여 중앙처리장치가 상기 입력자료들(정수압 초기조건 및 경계조건)과 다음의 수학식들에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 다음의 수학식들, 즉,
Figure 112012049473015-pat00042
,
Figure 112012049473015-pat00043

Figure 112012049473015-pat00044

(여기서, h 는 수심, u1 과 u2 는 각각 종횡방향 수심평균 유속, g 는 중력가속도, n 은 하상 및 벽면의 거칠기 정도를 나타내는 조도계수, H 는 기준선으로부터 하상까지의 거리, νT 는 와점성계수)을 만족하는 임의의 시간과 위치에서의 종횡방향 유속(경계절점 제외) 및 수심(경계절점 포함)을 산출 저장하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법.
(a) The central processing unit uses a program in the main memory containing the following equations, that is,
Figure 112012049473015-pat00035
Wow
Figure 112012049473015-pat00036

Where I, II, and III are elements containing boundary nodes C, and dA is the area of this element,
Figure 112012049473015-pat00037
Wow
Figure 112012049473015-pat00038
Are the shape functions at boundary node C, respectively.
Figure 112012049473015-pat00039
Calculating and storing a tangent (-n y , n x ) and a normal vector (n x , n y ) at an interface in a natural coordinate system satisfying the partial differential in x and y directions of;
(b) inputting, by the input device, the hydrostatic pressure initial condition to which the zero flow rate and the constant depth are given to all nodes including the boundary nodes;
(c) identifying a node of a solid boundary surface in the topographic information file and storing the boundary node and the length of action (b) in the main memory by the input device;
(d) The central processing unit uses the program in the main memory including the input data and the following equations using the tangent and normal vectors, the hydrostatic initial conditions and the active length as input data. , In other words,
Figure 112012049473015-pat00040
Wow
Figure 112012049473015-pat00041

(Where b is the active length, n x and n y are the x- and y-direction components of the normal unit vector at the interface, respectively, u 1 and u 2 are the longitudinal and horizontal flow rates respectively). Calculating and storing the flow rates u s1 and u s2 at the boundary node by the edge node, and
(e) Using the initial hydrostatic pressure condition and boundary condition (upstream flow velocity, downstream depth, flow velocity at boundary node), the central processing unit inputs the input data (initial hydrostatic pressure condition and boundary condition) and The finite element method is applied to the equations so that the following equations, i.e.
Figure 112012049473015-pat00042
,
Figure 112012049473015-pat00043
Wow
Figure 112012049473015-pat00044

(Where, h is the water depth, u 1 and u 2 are respectively the vertical and horizontal directions depth mean velocity, g is the distance, ν T of the acceleration of gravity, n is the number of roughness indicating the roughness degree of the bed and the wall, to the charge image H is from the reference line is Computing and storing longitudinal flow velocity (excluding boundary node) and water depth (including boundary node) at any time and location satisfying the eddy viscosity, and solid boundary surface in 2D shallow water numerical modeling. How to assign partial activity conditions to.
제 1 항에 있어서,
상기 단계(e)에서 산출된 결과의 변화량(△u1, △u2, △h)이 허용범위인 10-5보다 크면 구해진 유동장(종횡방향 유속과 수심)을 반영하여 다시 부분활동조건을 계산하여 경계조건에 반영하기 위해 상기 단계(d)와 단계(e)의 과정이 재수행되어 허용범위보다 작게 될 때까지 반복하여 수렴된 유속장(u1,u2,h)을 얻는 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 2차원 천수흐름 수치모델링에서 고체경계면에 부분활동조건을 부여하는 방법.
The method of claim 1,
If the amount of change Δu 1 , Δu 2 , Δh of the result calculated in step (e) is larger than the allowable range of 10 −5 , the partial activity condition is calculated by reflecting the calculated flow field (vertical flow velocity and depth). In order to reflect the boundary condition, the steps of (d) and (e) are repeated to obtain a converged flow field (u 1 , u 2 , h) until the process becomes smaller than the allowable range. A method for imparting partial activity conditions to a solid boundary surface in a two-dimensional shallow water numerical modeling, characterized in that it is included as.
KR1020110006953A 2011-01-24 2011-01-24 Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water KR101206368B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110006953A KR101206368B1 (en) 2011-01-24 2011-01-24 Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020110006953A KR101206368B1 (en) 2011-01-24 2011-01-24 Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20120085553A KR20120085553A (en) 2012-08-01
KR101206368B1 true KR101206368B1 (en) 2012-11-29

Family

ID=46871768

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020110006953A KR101206368B1 (en) 2011-01-24 2011-01-24 Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101206368B1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101487846B1 (en) * 2014-01-24 2015-02-02 서울대학교산학협력단 Method for analyzing 2D shallow water flow through assignment of wetting/drying condition using critical drying depth method
KR102114721B1 (en) * 2020-02-12 2020-05-25 서울대학교산학협력단 Methodology on tidal energy assessment using Linear Momentum Actuator Disc Theory in shallow flows

Also Published As

Publication number Publication date
KR20120085553A (en) 2012-08-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Tafuni et al. A versatile algorithm for the treatment of open boundary conditions in Smoothed particle hydrodynamics GPU models
Zainali et al. Numerical investigation of Newtonian and non-Newtonian multiphase flows using ISPH method
Barcarolo et al. Adaptive particle refinement and derefinement applied to the smoothed particle hydrodynamics method
Portela et al. Eulerian–Lagrangian DNS/LES of particle–turbulence interactions in wall‐bounded flows
Edwards et al. Detailed water with coarse grids: Combining surface meshes and adaptive discontinuous galerkin
Kraft et al. Large eddy simulation of sediment deformation in a turbulent flow by means of level-set method
Bergmann et al. An accurate cartesian method for incompressible flows with moving boundaries
Amouzgar et al. Computationally efficient tsunami modeling on graphics processing units (GPUs)
Gotoh et al. Computational wave dynamics for innovative design of coastal structures
Matsushita et al. Gas-liquid two-phase flows simulation based on weakly compressible scheme with interface-adapted AMR method
KR101206368B1 (en) Method of assignment of partial slip condition at solid boundaries in numerical modeling of two-dimensional shallow water
JPWO2014045416A1 (en) Simulation program, simulation method, and simulation apparatus
KR101106548B1 (en) Method for analyzing shallow water flow using the two-dimensional river flow model with tensor-type eddy viscosity
Xie et al. Numerical and experimental study on the hydrodynamics of a three-dimensional flapping caudal fin in ground effect
Kasiteropoulou et al. Numerical modelling and analysis of turbulent flow in an open channel with submerged vegetation
Shibata et al. Boundary conditions for simulating Karman vortices using the MPS method
Aghaee-Shalmani et al. Large eddy simulation of flow around semi-conical piers vertically mounted on the bed
Hino et al. A numerical solution method for nonlinear shallow water waves (first report)
Kamath et al. Comparison of 2D and 3D simulations of an OWC device in different configurations
Khrabry et al. Numerical study of 2d and 3d separation phenomena in the dam-break flow interacting with a triangular obstacle
Peng Lattice Boltzmann simulations of environmental flow problems in shallow water flows
Lin Assessment of the Smoothed Particle Hydrodynamics method for Nuclear Thermal-Hydraulic Applications.
Ye et al. An adaptive artificial viscosity for the displacement shallow water wave equation
Bradford Nonhydrostatic model for free surface flow interaction with structures
Go et al. A geometric multigrid accelerated incompressible flow simulation over complex geometries

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151028

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160219

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20171023

Year of fee payment: 6