KR101487846B1 - Method for analyzing 2D shallow water flow through assignment of wetting/drying condition using critical drying depth method - Google Patents

Method for analyzing 2D shallow water flow through assignment of wetting/drying condition using critical drying depth method Download PDF

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서일원
송창근
신재현
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서울대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for analyzing a 2D shallow water flow through the assignment of a wetting/drying condition using a critical drying depth method. The purpose of the present invention is to provide the method for analyzing the 2D shallow water flow through the assignment of the wetting/drying condition using the critical drying depth method, capable of obtaining a result with high stability by solving a divergence problem in a dry area generated in an existing model without generating a new lattice according to a boundary condition and a specific simulation method in a shallow water equation model configuration. The present invention controls a problem of a discontinuous boundary surface and prevents an abnormal water depth simulation result and a high flow in the dry area. Thereby, the present invention efficiently and stably analyzes the shallow water flow.

Description

임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법 {Method for analyzing 2D shallow water flow through assignment of wetting/drying condition using critical drying depth method}[0001] The present invention relates to a method for analyzing a two-dimensional flow stream through the provision of a drying / wetting condition using a critical drying water depth technique,

본 발명은 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천수방정식 모형 구성에 있어서 경계 조건 및 특정 모의사상에 따라 새로 격자를 생성할 필요가 없고, 기존 모델에서 주로 발생하는 마름 지역에서의 발산 문제를 해결하여 안정성이 높은 결과를 구할 수 있는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for analyzing a two-dimensional water flow through the application of a dry / wet condition using a critical declining water depth technique, and more particularly, to a method for analyzing a two- And it is possible to solve the problem of divergence in the dry area mainly occurring in the existing model and to obtain a stable result by using the critical declining water depth technique, And the like.

하천 및 하구 영역에서는 일반적으로 수심에 비해 폭이 매우 넓으므로, 종,횡방향 유속에 대하여 수심방향으로 평균한 유속장을 구하는 천수흐름 해석이 널리 이용된다. 3차원 연속방정식과 운동량방정식을 시간 적분과 수심 적분하여 얻어지는 천수방정식을 수치 모형화하여 지형자료, 경계조건 및 매개변수 등을 입력하면 수평 2차원 평면 내에서의 유속 및 수심을 구할 수 있다. 천수방정식의 해는 댐 및 교량과 같은 수리 구조물을 계획하고 설계하는데 있어서 수리학적 거동을 해석하는데 이용되며, 사행 및 난류 분포 등에 의한 침식과 퇴적의 예측에도 활용될 수 있다. 또한 천수해석 모형을 통하여 계산되는 유속장은 오염 확산 및 유사 이송 문제를 해석하기 위한 입력 자료로 활용되며, 생태모형에서는 어류 서식의 적합도를 산정하는 데에도 이용되고 있다.In river and estuary areas, the width is much wider than the depth of water. Therefore, it is widely used to find the average flow velocity field for longitudinal and transverse flow velocities. Numerical modeling of the shallow water equation obtained by integrating the three - dimensional continuity equation and the momentum equation with time integration and depth - of - field can be used to obtain the flow velocity and depth in the horizontal two - dimensional plane by inputting the terrain data, boundary conditions and parameters. The solution of the equations can be used to analyze hydraulic behavior in designing and designing hydraulic structures such as dams and bridges, and can be used to predict erosion and sedimentation due to turbulence and turbulent distribution. Also, the flow velocity field calculated by the water flow analysis model is used as input data to analyze the problem of contamination diffusion and similar transfer, and in the ecological model, it is also used to calculate the fitness of fish form.

대부분의 천수흐름 해석 모형은 구성된 격자 내의 흐름을 분석하기 때문에 지형이 복잡한 실제 하천 모의 시 수위의 시간적 변화에 따라서 하도 내외에 낮은 수심 또는 마른 구간이 발생하게 되고, 이에 따라 수치해가 불안정해지는 문제점을 내포하고 있다. 특히 우리나라는 하상계수가 높기 때문에 연중 저수위와 홍수시의 고수위의 변화 폭이 커서 장기 모의 시 수치해석의 안정성을 보장하기 위한 마름 영역 처리 기법이 필수적이다. 또한 하구 및 해안 지역에 모형을 적용할 경우, 조석의 영향으로 인한 수위의 지속적인 변화를 모의하는데 있어서 시계열에 따른 경계면 처리나 해당 지역의 수면 존재 유무가 수치 해석의 영역 구분이나 모의의 복잡성을 증가시키게 된다. 수체의 흐름이 주변 구조물 및 환경에 미치는 영향이 크기 때문에 모의 구간에서 수심의 증감에 따라 발생하는 절점의 마름/젖음 현상을 적절하게 재현하여 수심의 변화에 따라서 경계면을 정확하게 모의하는 것은 실제 하천 및 하구 흐름 해석에 있어서 매우 중요하다.Most of the river flow analysis model analyzes the flow in the constructed grid, so that low depth or dry section occurs in the inner and outer sides of the river according to the temporal change of the water level in the actual river simulation when the terrain is complicated. Thus, the numerical solution becomes unstable . Especially, Korea has high flood coefficient, so it has a large variation of flood level and high water level during flood year, so it is essential to apply a dry area treatment technique to ensure stability of numerical analysis in long - term simulation. In addition, when modeling in estuaries and coastal areas, the boundary treatment according to time series or the presence of water in the area in order to simulate the continuous change of the water level due to the influence of the tide increases the complexity of area classification or simulation of numerical analysis do. Because the flow of water body has a great influence on the surrounding structures and the environment, it is necessary to accurately reproduce the phenomenon of wicking / wetting of nodes occurring in the simulation region according to the increase or decrease of the water depth, It is very important in the flow analysis.

기존 연구에서는 이러한 현상을 반영하기 위하여 사전에 수위를 예측한 다음 둔치에 해당하는 경계선이나 섬에 해당하는 지형 격자를 미리 제거하여 모의를 수행하는 방법을 사용하거나 계산 과정에 있어서 모의 영역을 구분하는 방식, 해당 지형을 늪지대와 같은 투수층으로 해석하여 모의를 수행하는 등의 방법이 진행되어 왔다.In previous studies, to reflect this phenomenon, we used a method of predicting the water level in advance and then performing the simulation by removing the topological grid corresponding to the boundary or island corresponding to the slope, , And the method of simulating the terrain by interpreting the terrain as a permeable layer like a swamp has been carried out.

본 발명에서는 이러한 기법들의 물리적 비적합성과 수치적 불안정성을 보완하고자, 모의 초기에 생성한 격자를 그대로 유지하면서 경계선을 변형시키지 않고 바닥마찰계수(bed friction factor)와 특정 값 이하 수심인 경우 해당 절점의 유속을 0으로 부여하는 임계마름수심 기법을 제안한다. 본 제안 발명은 임계점에서 마름이 발생하여 절점에서의 플럭스가 차단되면 마름 영역에서 고유속이 발생하여 비정상적인 유속 및 수심 모의 결과가 도출되는 것을 방지하여 원활한 천수흐름 모의가 가능하다는 장점이 있다.In the present invention, in order to compensate the physical incompatibility and numerical instability of these techniques, it is necessary to maintain the lattice generated at the initial stage of the simulation without deforming the boundary line and to change the floor friction coefficient We propose a critical depth water depth method that gives the flow velocity to zero. The present invention has an advantage in that when the flux at the nodal point is blocked due to blotting at the critical point, intrinsic velocity is generated in the blotted region to prevent abnormal flow velocity and depth simulated results from being derived, thereby facilitating smooth flow of water flow.

한편, 종래 기술인 대한민국 공개특허 제10-2011-0130821호(2011.12.06.)는 마름/젖음 처리를 이용한 유체 흐름의 유한요소 수치해석 방법에 관한 것으로, 유체 흐름의 마름/젖음 현상을 모의하기 위하여 정확하고 정교한 유한요소 모형을 구현할 수 있는 유체 흐름의 유한요소 수치해석 방법을 제시하고 있는데, 유체 흐름의 유한요소 수치해석 방법은, 유체 흐름 영역에 격자망을 구성하는 단계, 유체 흐름의 수위 변동에 따른 마름/젖음 요소를 고려하여 격자망을 재구성하는 단계, 재구성된 격자망을 바탕으로 유체 흐름 정보를 해석하는 단계를 포함하며, 상기 유체 흐름의 유한요소 수치해석 방법에 의하면, 마른 요소가 나타나는 경우 적용 격자의 감소로 인해 방정식의 수가 줄어들게 되어 더욱 빠르게 모의할 수 있고 시간의 변화에 따른 마름/젖음 현상을 실제적으로 표현할 수 있는 효과가 있다.Meanwhile, Korean Unexamined Patent Publication No. 10-2011-0130821 (Dec. 2011) discloses a finite element numerical analysis method of a fluid flow using a roughening / wetting process. In order to simulate the flow / The finite element numerical analysis method of fluid flow that can realize precise and sophisticated finite element model is presented. The finite element numerical analysis method of fluid flow is composed of steps of constituting grid network in fluid flow region, And reconstructing the lattice network based on the reconstructed lattice network. According to the finite element numerical analysis method of the fluid flow, when a dry element appears Due to the reduction of the applied grid, the number of equations is reduced, so it can be simulated more quickly and the wrinkling / wetting phenomenon There is an effect that can be practically expressed.

그러나, 상기 종래 기술의 방법은 기존에 사용되는 마름/젖음 기법 중 요소제거기법으로 격자망 재구성을 통하여 유체 흐름 정보를 해석하는 단계가 포함되어 있으나, 본 발명은 초기에 구성한 격자를 계속 사용하면서 박막기법의 형태인 임계마름수심 기법을 사용하여 경계 면의 불연속성을 방지한다.
However, the conventional method includes a step of analyzing fluid flow information through a lattice network reconstruction by a factor elimination technique among the wiping / wetting techniques that have been used in the prior art. However, By using the critical depth water depth technique, which is a form of technique, the discontinuity of the boundary surface is prevented.

대한민국 공개특허번호 제10-2011-0130821호(공개일: 2011.12.06.), 발명의 명칭: "마름/젖음 처리를 이용한 유체 흐름의 유한요소 수치해석 방법"Korean Patent Publication No. 10-2011-0130821 (Published on Dec. 2011), entitled "Finite Element Numerical Analysis Method of Fluid Flow Using Rake / Wet Treatment"

기존의 연구들은 사전에 수위를 예측한 다음 고수부지에 해당하는 경계선이나 섬에 해당하는 지형 격자를 미리 제거하여 모의를 수행하기 때문에 유량 및 수위 등의 경계조건 변경 시 초기에 구성한 격자를 새로 재구성해야하는 단점이 있었다. 또한 수량의 이동에 따라서 질량 보존의 문제도 발생하였다. 한편 해당 지형을 늪지대와 같은 투수층으로 해석하여 모의를 수행하는 방법의 경우 천수방정식의 특성 상 바닥 마찰력 항이 발산할 우려가 크고 수심 처리에 있어서 음의 값이 발생하여 하천 모형 모의 시 해석상의 문제점이 자주 제기되었다. 특히 급격한 경사 지역과 조석 변화가 큰 지역에서는 이러한 상황이 자주 발생하여 모델 구성에 있어서 추가적인 노력이 필요하였다.Previous studies have predicted the water level in advance and then performed a simulation by removing the topographic grid corresponding to the boundary or island corresponding to the highland site. Therefore, it is necessary to newly reconstruct the grid constructed at the time of changing the boundary conditions such as flow rate and water level There were disadvantages. In addition, there was also a problem of preserving the mass according to the movement of the water quantity. On the other hand, in the method of simulating the terrain as a permeable layer like a swamp, the bottom friction term is likely to diverge due to the characteristics of the shallow water equation, and a negative value is generated in the water depth treatment, Was raised. Especially, in the case of the steep slope area and the area where the tide change was large, this situation frequently occurred and further effort was required in the model construction.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 천수방정식 모형 구성에 있어서 경계 조건 및 특정 모의사상에 따라 새로 격자를 생성할 필요가 없고, 기존 모델에서 주로 발생하는 마름 지역에서의 발산 문제를 해결하여 안정성이 높은 결과를 구할 수 있는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법을 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and method for constructing a model of a shallow water equation, in which it is not necessary to generate a new grid according to a boundary condition and a specific simulation idea, The present invention is to provide a method for analyzing a two-dimensional water flow through the application of a water / wet condition by using a critical water depth technique, which can solve the problem of divergence in a dry area and obtain high stability.

또한, 본 발명의 다른 목적은 불연속 경계면의 문제를 제어할 수 있고 마름 영역에서 고유속이 발생하거나 비정상적인 수심 모의 결과를 방지할 수 있으며, 이로 인하여 천수흐름 해석을 보다 안정적이고 효율적으로 수행할 수 있는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법을 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for controlling a problem of a discontinuous interface and capable of preventing the occurrence of an intrinsic velocity in a dry area or an abnormal depth simulation result, The present invention provides a method of analyzing a two-dimensional water flow through the application of a condition of dry / wet using a critical water depth method.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 2차원 천수흐름을 해석하기 위해 필요한 해당 지역의 바닥마찰계수(f), 난류동점성계수(υ), 조도계수(n), 지형자료, 모의 종료시간(tf), 임계마름수심(hdry) 및 경계조건(유량,수위)이 입력자료로 메인 메모리에 입력되고, 수치모의 전 중앙처리장치가 격자망 각 절점에서의 수심값을 상기 임계마름수심(hdry)과 비교하는 단계와;(A) a bottom friction coefficient (f), a turbulent tie point coefficient (v), a roughness coefficient (n), a topographic data , The simulated end time (t f ), the critical dry depth (h dry ), and the boundary condition (flow rate, water level) are input to the main memory as input data. Comparing with the critical dry depth (h dry );

(b) 상기 단계(a)에서 상기 수심값이 임계마름수심(hdry)보다 작은 절점에는 중앙처리장치가 마름현상이 발생하였다고 판단하여, 그 절점의 종방향 수심평균유속(u)과 횡방향 수심평균유속(v) 값을 0으로 부여하고 그 절점의 수심값은 임계마름수심(hdry)으로 할당하며 수심 경사항(DGT,

Figure 112014007838117-pat00001
)의 값도 0으로 부여하는 단계와;(b) the central processing unit judges that a blurring phenomenon has occurred at a node where the water depth value is smaller than the critical dry water depth (h dry ) in the step (a), and the vertical water depth average velocity (u) The value of the depth-averaged velocity (v) is given as 0, the depth value of the node is assigned as critical dry depth (h dry )
Figure 112014007838117-pat00001
) To a value of 0;

(c) 중앙처리장치가 상기 단계(a)에서의 입력자료와 상기 단계(b)에서의 종방향 수심평균유속(u) 값, 횡방향 수심평균유속(v) 값, 수심값. 수심 경사항(DGT)의 값 및 일정한 수학식에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 임의의 시간(t)일 때 격자망 각 절점에서의 종횡방향 수심평균유속(u,v)과 수심(h)을 산출하여 유속장(u,v,h)을 구하는 단계, 및(c) The central processing unit calculates the longitudinal water depth average velocity (u) value, transverse water depth average velocity (v) value, and water depth value in the step (a) (U, v) at the arbitrary time (t) by using a program in the main memory, which is a numerical model applied to the value of the water depth (DGT) (U, v, h) by calculating the water depth (h) and the water depth

(d) 중앙처리장치는 상기 단계(c)에서 산출된 격자망 각 절점에서의 수심(h) 값을 다시 임계마름수심(hdry)과 비교하여 상기 단계(c)에서 산출된 수심(h) 값이 임계마름수심(hdry)보다 작은 절점에는 종방향 수심평균유속(u)과 횡방향 수심평균유속(v) 값을 0으로 부여하고 그 절점의 수심(h) 값은 임계마름수심(hdry)으로 할당하여 임의의 시간(t)에서의 유속장(u,v,h)을 수정하는 단계로 이루어지는 것을 그 기본 특징으로 한다.(d) The central processing unit compares the value of the depth h at each node of the lattice network calculated in the step (c) with the critical depth of water (h dry ) to determine the depth h (h) value is the critical diamond depth smaller joints than (h dry) are assigned the value of the longitudinal depth of the average flow velocity (u) and the lateral depth of the average flow velocity (v) of zero and a depth (h) the value of that node is the critical diamond depth (h dry ), and correcting the flow field length (u, v, h) at an arbitrary time (t).

또한, 본 발명은 상기 단계(c)에서 종횡방향 수심평균유속(u,v)과 수심(h)을 산출하는 수학식은Further, the present invention is characterized in that in the step (c), the mathematical expression for calculating the vertical and horizontal depth-averaged flow velocities (u, v) and the depth h

Figure 112014007838117-pat00002
Figure 112014007838117-pat00002
Wow

Figure 112014007838117-pat00003
Figure 112014007838117-pat00003

(여기서, ui 및 uj는 각각 i방향 및 j방향 수심평균 유속, xi 및 xj 는 각각 i방향 및 j방향 길이, t는 시간, g는 중력가속도, H는 기준선으로부터 하상까지의 거리, h는 수심, υ는 난류동점성계수, n은 하상 및 벽면의 거칠기 정도를 나타내는 조도계수)인 것을 특징으로 한다.(Here, u i and u j are each i direction and the j direction of depth of the average flow rate, x i and x j are each i direction and the j direction of the length, t is the time, g is the acceleration of gravity, H is the distance to the charge image from the reference line , h is the depth of water, v is the turbulent kinematic constant, and n is the roughness factor representing the roughness of the bed and the wall surface).

또한, 본 발명은 중앙처리장치가 모의 종료시간(tf) 전까지 임의의 시간간격별로 상기 단계(b) 내지 상기 단계(d)를 반복하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that the central processing unit repeats the steps (b) to (d) at arbitrary time intervals before the simulation end time (t f ).

또한, 본 발명은 2차원 천수흐름을 해석하는 해당 지역의 시간 흐름에 따른 경계조건(유량,수위)의 변화가 입력자료로 메인 메모리에 입력되어 있는 경우, 임의의 시간간격별로 상기 경계조건(유량,수위)이 수정되고 경계조건(유량,수위)의 수정에 따라 상기 단계(a)에서의 수심값도 변경되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, when a change of a boundary condition (flow rate, water level) according to a time flow in a corresponding area for analyzing a two-dimensional water flow is input to the main memory as input data, And the water level in the step (a) are changed according to the modification of the boundary conditions (flow rate, water level).

이상에서 살펴본, 본 발명인 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법은 천수방정식 모형 구성에 있어서 경계 조건 및 특정 모의사상에 따라 새로 격자를 생성할 필요가 없고, 기존 모델에서 주로 발생하는 마름 지역에서의 발산 문제를 해결하여 안정성이 높은 결과를 구할 수 있으며, 또한 불연속 경계면의 문제를 제어할 수 있고 마름 영역에서 고유속이 발생하거나 비정상적인 수심 모의 결과를 방지할 수 있어, 이로 인하여 천수흐름 해석을 보다 안정적이고 효율적으로 수행할 수 있는 효과가 있다.
The method of analyzing the two-dimensional flow of water through the application of the spraying / wetting condition using the critical declining water depth method of the present invention as described above requires that a new lattice is generated according to the boundary condition and the specific simulation thought , It is possible to solve the divergence problem mainly occurring in the existing model and to obtain the high stability result and to control the problem of the discontinuous boundary surface and to prevent the occurrence of the intrinsic velocity in the dry area or the abnormal depth simulation result Therefore, it is possible to perform the analysis of the shallow water flow more stably and efficiently.

도 1 은 마름/젖음 기법의 종류를 나타낸 도면.
도 2 는 임계마름수심 기법의 개념도를 나타낸 도면.
도 3 은 임계마름수심 부여에 따른 문제점 해결 방안을 나타낸 도면.
도 4 는 임계마름수심 개념을 이용하여 마름/젖음 조건을 부여하는 방법을 나타낸 순서도.
도 5 는 선형 하상경사 영역 수치모의를 위한 경계조건을 나타낸 도면.
도 6 은 임계 마름 수심 개념에 의한 선형 하상경사 영역 수치모의 결과를 나타낸 도면.
도 7 은 원뿔형 섬 영역 모의영역 및 경계조건을 나타낸 도면.
도 8 은 임계마름수심 기법에 의한 원뿔형 섬 영역 수치모의 결과를 나타낸 도면.
도 9 는 자연하천 모의영역 및 바닥고를 나타낸 도면.
도 10 은 자연하천 모의를 위한 경계조건을 나타낸 도면.
도 11 은 자연하천에서 시간에 따른 수심 분포를 나타낸 도면.
도 12 는 임계마름수심 기법 적용에 의한 섬에서의 수심 분포 변화를 나타낸 도면.
1 is a view showing a kind of a drying / wetting technique.
Fig. 2 is a conceptual diagram of a critical declining water depth technique; Fig.
Fig. 3 is a view for solving a problem in accordance with the application of a critical declination depth. Fig.
4 is a flowchart showing a method of applying a dry / wet condition using the concept of critical dry depth.
5 is a diagram showing boundary conditions for numerical simulation of a linear bottom slope area.
Fig. 6 is a diagram showing numerical simulation results of a linear bottom slope region based on the concept of critical declining water depth. Fig.
7 shows a cone-shaped island region simulated region and a boundary condition.
FIG. 8 is a diagram showing a numerical simulation result of a cone-shaped island region by the critical declination depth method. FIG.
9 is a view showing a natural river simulation region and a bottom level.
10 is a view showing a boundary condition for simulating a natural river;
11 is a view showing a depth distribution of a natural river over time.
12 is a view showing a variation of the depth distribution in the islands by applying the critical declination depth method.

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.

통상 마름/젖음 알고리즘은 도 1과 같이 크게 4가지 종류로 구분할 수 있다. 첫 번째로는 임계마름수심 기법 혹은 박막(thin film) 기법으로 측면 혹은 상하류 경계면 내부 영역을 모의영역으로 적용하여 모든 절점 및 요소들이 수치계산에 포함되도록 하는 방법이다. 일반적으로 모의 전 최소 기준 수심(임계마름수심)을 설정하여 모의 시 절점이 기준 수심 이하로 내려가는 영역은 마름으로 처리되어 얇은 막을 펼친 것처럼 처리하는 기법이다. 이 경우 요소제거(element removal) 기법에서 발생하는 수심이 갑자기 0으로 변화하는 것에 따른 경계면의 불연속 문제를 해결할 수 있다. 본 발명은 이러한 임계마름수심 기법을 개량한 것으로, 본 발명에서 임계마름수심 기법은 Eulerian방식으로 격자를 고정시키기 때문에 격자 재구성의 불편을 줄일 수 있고, 연산 영역에서 요소를 완전히 제외시키는 않기 때문에 경계면의 불연속성을 방지할 수 있다. 또한 본 발명에서는 수치 모의 이전 임계마름수심을 설정하여 수치 계산 시 특정 절점의 수심이 기준 값 이하로 내려가면 해당 절점의 수심을 임계마름수심으로 부여하고 유속을 0으로 처리한다. 또한 마름/젖음 경계면에서 발생하는 비정상파에 의한 불안정성을 차단하기 위해 마름에 해당하는 절점의 운동량 방정식의 수심 경사항을 0으로 부여하는 유동 플럭스 차단기법을 이용한다. 그리고 바닥 마찰력 항 발산 문제 해결을 위하여 바닥마찰계수를 이용한다.The normal smoothing / wetting algorithm can be classified into four types as shown in FIG. The first is to apply all the nodes and elements to the numerical calculations by applying the critical edge depth method or the thin film method as the simulated region in the side or upstream and downstream interface regions. Generally, the minimum reference depth (threshold depth) is set in the simulation, and the area where the joint point falls below the reference depth is simulated as if the thin membrane is unfolded. In this case, it is possible to solve the discontinuity problem of the interface due to sudden change of the water depth occurring in the element removal technique to zero. The present invention is an improvement of the critical declination depth method. In the present invention, since the critical declination depth method fixes the lattice by the Eulerian method, it can reduce the inconvenience of the lattice reconstruction and completely exclude the element from the computation area. Discontinuity can be prevented. Further, in the present invention, when the water depth of a specific node falls below a reference value at the time of numerical calculation by setting the critical water depth before the numerical simulation, the water depth at the node is given as a critical water depth and the flow rate is set to zero. In order to block the instability caused by the unsteady wave generated at the dry / wet interface, flow flux blocking technique is used which gives the water depth of the nodal momentum equation of the nod to zero. And floor friction coefficient is used to solve the problem of divergence of bottom friction.

두 번째 방법인 요소제거 기법에서는 모형별로 요소가 마른 상태인지 판별한 후, 모의시 그 요소를 연산 영역에서 아예 제외하는 방식이다. 흐름의 유동성을 차단시키는 위의 방식과는 달리 경계면을 계산시마다 새로 정의하여 모의를 실행한다. TELEMAC, EFDC, MIKE21 등의 모형에서 이러한 기법을 사용하였으며, 마름 구간이 확실히 정의되는 장점이 있으나, 경계면에서의 불연속 문제가 발생하여 계산에서 발산이 일어나는 확률이 증가되는 단점이 있다.The second method, the element removal method, is to determine whether the element is dry by model and then exclude the element from the computation area at the time of simulation. Unlike the above method, which intercepts the fluidity of the flow, the boundary is newly defined every time and the simulation is executed. TELEMAC, EFDC, MIKE21, etc., have used this technique and have a merit that the blinking interval is definitely defined, but there is a disadvantage in that the probability of divergence increases in the calculation due to the discontinuity problem at the interface.

세 번째 수심외삽(depth extrapolation) 기법에서는 마름/젖음이 발생하는 수면 경계면에서 젖음에 해당하는 요소에서 외삽법을 사용하여 수심을 마름에 해당하는 요소로 적용시키는 방식이다. 모의 시 우선 경계면의 위치를 구별하는 것이 중요하며 요소를 조건부 활성화를 통하여 마름 영역의 일부 구간을 마름 경계에 포함시켜 계산한다.In the third depth extrapolation technique, water depth is extrapolated from the element corresponding to the wetting at the water interface where the wetting / wetting occurs. It is important to distinguish the position of the first interface at the simulation, and the element is activated by conditional activation to include a part of the dry area in the round border.

네 번째 음수심(negative depth) 기법에서는 모의구간의 하상에 투수층이 있다는 것을 가정하고 물의 흐름이 이러한 투수층에 적용된다고 고려하는 방식이다. 이러한 기법을 사용하면 투수층의 존재로 수체 표면이 지형 자료 아래로 내려갈 수 있다고 볼 수 있어 음의 수심이 발생한다. 이러한 기법은 RMA2, RIVER-2D에서 사용하였으며, 과거 연구에서는 물의 흐름이 전 구간에 존재하기 때문에 박막기법의 한 종류로 분류되기도 하였다. 계산 후 질량 및 운동량 보존에 장점을 지니고 있으며, 늪지대 부근에서 조수를 모의하는 경우 좋은 결과를 보인다. 그러나 항상 모의구간의 하상이 일정한 투수계수를 가지는 등투과성(iso-permeability)의 특성을 가진다는 가정은 물리적으로 적합하지 않아 적용성에서 문제가 제기되고 있다.
The fourth negative depth technique assumes that there is a permeable layer at the bottom of the simulated section and considers that the water flow is applied to this permeable layer. Using this technique, the presence of a permeable layer can cause the surface of the water body to go down below the topographic data, resulting in negative water depths. This technique was used in RMA2 and RIVER-2D. In past research, water flow was classified as one kind of thin film technique because it existed all the way. It has the advantage of conservation of mass and momentum after calculation and shows good results when simulation of tide near swamp area. However, the assumption that the bottom of the simulated section always has iso-permeability, such as having a constant permeability coefficient, is physically unsuitable and poses a problem in applicability.

임계마름수심Critical water depth 기법에 의한 마름/젖음 해석 Analysis of Wrinkle / Wetting by Technique

본 발명에서 이용하는 임계마름수심 기법의 개념은 도 2와 같이 수심에 대한 특정 경계값(hdry)을 설정하여 이 경계값보다 수심이 얕은 절점이나 영역에 일괄적으로 임계마름수심(hdry)을 부여하고 해당 절점이나 영역의 유속값을 0으로 할당하여 마름/젖음 현상을 효과적으로 수치모의할 수 있는 기법이다. 따라서, 점처리 기법(point treatment), 박막기법, 또는 플럭스 저지 기법(flux blocking method)이라고 칭하기도 한다. 임계 마름 수심값의 범위는 하천이나 해안에 따라 다르지만 일반적으로 수 cm에서 수 mm 정도의 값을 입력한다.The concept of the critical declination depth method used in the present invention is to set a specific boundary value h dry for the depth of water as shown in FIG. 2, and to set the critical declination depth h dry at a node or region having a shallower depth than the boundary value And by assigning the flow velocity value of the nodal point or region to 0, it is a technique to effectively simulate the drying / wetting phenomenon. Therefore, it is also referred to as a point treatment, a thin film technique, or a flux blocking method. The range of the critical declination water depth varies depending on the river or the coast, but generally values of several centimeters to several millimeters are input.

마름/젖음 현상이 발생하는 지표수의 흐름거동을 해석하기 위한 2차원 천수방정식 중 운동량 방정식은 다음의 수학식 1과 같고, 연속방정식은 다음의 수학식 2와 같다.The momentum equation in the two-dimensional shear water equation for analyzing the flow behavior of the surface water where the wrinkling / wetting phenomenon occurs is represented by the following Equation 1, and the continuity equation is expressed by Equation 2 below.

Figure 112014007838117-pat00004
Figure 112014007838117-pat00004

Figure 112014007838117-pat00005
Figure 112014007838117-pat00005

여기서, ui 및 uj는 각각 i방향 및 j방향 수심평균 유속, xi 및 xj 는 각각 i방향 및 j방향 길이, t는 시간, g는 중력가속도, H는 기준선으로부터 하상까지의 거리, h는 수심, υ는 난류동점성계수, n은 하상 및 벽면의 거칠기 정도를 나타내는 조도계수를 의미한다.
Here, u i and u j are the i-direction and j-direction depth averaged flow velocities, x i and x j are respectively the i and j direction lengths, t is time, g is gravitational acceleration, H is distance from baseline to bed, h is the depth of water, v is the turbulent kinematic constant, and n is the roughness factor representing the roughness of the bed and wall.

참고로, 상기 수학식 1과 2는 tensor notation 방식으로 표기한 것으로, 벡터와의 관련성을 설명하기 위하여 차원을 제외한 식으로 표현한 것이다.For reference, the equations (1) and (2) are expressed by a tensor notation method and are expressed by expressions excluding dimensions in order to explain the relation with vectors.

상기 수학식 1의 우변의 마지막 항은 바닥 마찰력에 관한 항으로 수심 변수(h)가 분모에 포함되어 있어, 수 mm의 얕은 임계마름수심 값이 입력되는 경우 지수에 의해 영향이 가중되므로 바닥 마찰력 항이 다른 항에 비해 지나치게 커지게 되어 해가 발산할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 바닥마찰계수

Figure 112014007838117-pat00006
를 도입한 다음의 수학식 3과 같은 운동량 방정식을 적용한다.The last term of the right side of Equation (1) is a term relating to the bottom friction. Since the depth variable (h) is included in the denominator and the shallow critical depth water depth value of several millimeters is input, It becomes too large compared to the other term, and the solution can be diverted. Therefore, in the present invention,
Figure 112014007838117-pat00006
And the momentum equations of Equation (3) below are applied.

Figure 112014007838117-pat00007
Figure 112014007838117-pat00007

위에서 언급한 임계마름수심 개념과 바닥마찰계수를 도입한 운동량 방정식을 이용하여 마름/젖음 현상을 모의하는 경우 도 3과 같이 물리적으로는 마름이 발생하여 물이 존재하지 않는 영역에 강제적으로 임계마름 수심을 부여하여 수치계산을 수행하므로 마름/젖음의 경계면에서 수심 경사항(DGT,

Figure 112014007838117-pat00008
)의 급격한 변화에 의해 가상의 파가 형성되어 비정상적인 유속 및 수심 결과가 나타나게 된다. 따라서 본 발명에서는 마름이 발생한 절점 및 영역의 수심 경사항을 0의 값으로 구속하는 조건을 추가적으로 부여한다.When simulating the phenomenon of dryness / wetting by using the above-mentioned threshold water depth concept and the momentum equation incorporating the bottom friction coefficient, as shown in FIG. 3, the water is physically blotted and forced to the critical water depth region (DGT, DGT, and DGT) at the boundary of the wet /
Figure 112014007838117-pat00008
), A virtual wave is formed, resulting in an abnormal flow velocity and a water depth result. Therefore, in the present invention, a condition for restricting the depth of the nodal point and the area where the nodule is formed to a value of 0 is additionally given.

한편, 천수방정식은 자연하천의 수평방향 흐름을 표현하는 편미분방정식으로 특정 경계조건 및 흐름조건에서는 해석해를 가지지만 해석해를 이용한 흐름 거동 해석은 매우 제한적이다. 따라서 근사적인 해를 구하기 위해 다양한 수치해석 기법이 존재하는데, 그 중 유한요소법은 삼각형이나 사각형을 조합한 비정형격자망(unstructured grid)의 채택이 자유롭기 때문에 흐름경계가 복잡한 하천에서 상대적인 장점이 있다. 또한 지형 적응형 격자(adaptive mesh)를 사용하여 격자의 크기나 절점수, 해의 정확도 등을 최적화할 수 있는 장점이 있다. 또한 다양한 노이만(Neumann) 경계조건에 매우 직접적이고 용이하게 적용할 수 있으며 탄탄한 수학적 기반을 근거로 한 수치기법이므로 오차, 수렴, 해의 정확도 등에 관한 수학적 분석이 가능한 장점도 있다. 따라서 본 발명에서는 하천, 해안 등 자연수체에서 발생하는 천수흐름을 정확하고 효과적으로 해석하기 위해 유한요소모형을 천수방정식에 적용하여 해석하는 방법을 채택하기로 한다.On the other hand, the Chuncheon equation is a partial differential equation expressing the horizontal flow of a natural river. It has analytical solution under specific boundary condition and flow condition, but analysis of flow behavior using analytical solution is very limited. Therefore, there are various numerical methods to obtain approximate solutions. Among them, the finite element method is relatively advantageous in a complex stream boundary because the adoption of an unstructured grid combining a triangle or a square is free. In addition, using the adaptive mesh, it is possible to optimize the grid size, segment score, and solution accuracy. In addition, it is very straightforward and easy to apply to various Neumann boundary conditions, and it is a numerical technique based on a solid mathematical foundation. Therefore, it is also possible to perform mathematical analysis on error, convergence, and solution accuracy. Accordingly, in the present invention, a method of interpreting a finite element model by applying it to a shallow water equation will be adopted in order to accurately and effectively analyze the water flow generated in a natural water body such as a river or a coast.

이상의 2차원 동수역학 흐름해석 모형에서 마름/젖음 현상을 효과적으로 모의하기 위한 기법을 정리하여 순서도로 나타내면 도 4와 같다. 천수방정식을 이용하여 마름/젖음 현상을 해석하기 위해 바닥마찰계수 (f)를 포함한 매개변수, 모의 종료 시간(tf) 및 임계마름수심(hdry) 등의 모의조건을 입력하고, 해당 천수흐름 문제를 해석하기 위한 초기조건과 경계조건을 할당한다. 각 절점에서의 수심값이 임계마름 수심(hdry)보다 작은 경우 마름이 발생하였다고 간주하고, 그 절점의 종방향 유속(u)과 횡방향 유속(v) 값을 0으로 부여하며, 수심값을 hdry로 입력하고 수심 경사항(DGT)의 값도 0으로 할당한다. 마름/젖음 현상을 해석하기 위한 선형 대수 방정식을 구성하여 시간 t에서의 각 절점에서 종횡방향 유속(u,v) 및 수심(h)을 계산하고 모든 절점(NODES)에서의 흐름장을 구한 후 다시 각 절점에서의 수심값을 임계마름 수심과 비교하여 시간 t에서의 흐름장을 수정하고 이를 출력하여 모의 종료시간(tf) 전까지 동일한 방법을 반복하여 특정 시간에서의 유속장을 구하는 구조이다.FIG. 4 is a flow chart showing a method for effectively simulating the drying / wetting phenomenon in the above two-dimensional hydrodynamic flow analysis model. Enter the simulated conditions, such parameters including the ground friction coefficient (f) for using a shallow water equations to interpret the diamond / wetting phenomenon variables, simulation end time (t f) and the critical diamond depth (h dry), and the shallow water flow Assign initial and boundary conditions to interpret the problem. If the water depth at each node is smaller than the critical dry depth (h dry ), it is assumed that dryness has occurred and the vertical flow velocity (u) and transverse flow velocity (v) h dry and the value of the water depth (DGT) is also assigned as 0. (U, v) and depth (h) at each node at time t, calculate the flow field at all nodes (NODES), and then calculate the flow field The water depth at each node is compared with the critical depth of water and the flow field at time t is corrected and output, and the flow rate field at a specific time is obtained by repeating the same method until the simulation end time (t f ).

즉, 우선 2차원 천수흐름을 해석하기 위해 필요한 해당 지역의 바닥마찰계수(f), 난류동점성계수(υ), 조도계수(n), 지형자료, 모의 종료시간(tf), 임계마름수심(hdry) 및 경계조건(유량,수위)이 입력자료로 메인 메모리에 입력되고, 수치모의 전 중앙처리장치가 격자망 각 절점에서의 수심값을 상기 임계마름수심(hdry)과 비교하게 된다(a 단계).First, the bottom friction coefficient (f), the turbulent tie point coefficient (υ), the roughness coefficient (n), the topographic data, the simulation end time (t f ) (h dry ) and boundary conditions (flow rate, water level) are inputted into the main memory as input data, and the central processing unit of the numerical simulation compares the water depth value at the grid node to the critical water depth (h dry ) (step a).

다음으로, 상기 단계(a)에서 상기 수심값이 임계마름수심(hdry)보다 작은 절점에는 중앙처리장치가 마름현상이 발생하였다고 판단하여, 그 절점의 종방향 수심평균유속(u)과 횡방향 수심평균유속(v) 값을 0으로 부여하고 그 절점의 수심값은 임계마름수심(hdry)으로 할당하며 수심 경사항(DGT,

Figure 112014007838117-pat00009
)의 값도 0으로 부여하게 된다(b 단계).Next, in the step (a), it is determined that a central phenomenon occurs in the node where the water depth value is less than the critical dry depth (h dry ), and the vertical direction water depth average velocity (u) The value of the depth-averaged velocity (v) is given as 0, the depth value of the node is assigned as critical dry depth (h dry )
Figure 112014007838117-pat00009
) Is also given as 0 (step b).

그 다음으로, 중앙처리장치가 상기 단계(a)에서의 입력자료와 상기 단계(b)에서의 종방향 수심평균유속(u) 값, 횡방향 수심평균유속(v) 값, 수심값. 수심 경사항(DGT)의 값 및 상기 수학식 1과 2에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 임의의 시간(t)일 때 격자망 각 절점에서의 종횡방향 수심평균유속(u,v)과 수심(h)을 산출하여 유속장(u,v,h)을 구하게 된다(c 단계).Next, the central processing unit determines the input data in step (a) and the value of the longitudinal direction average velocity (u), transverse direction average velocity (v) in the step (b) (DGT) and the finite element method are applied to the above equations (1) and (2), and at the arbitrary time (t) using a program in the main memory, which is numerically modeled, the vertical and horizontal depth- u, v) and the water depth (h) are calculated to obtain the flow field length (u, v, h) (step c).

마지막으로, 중앙처리장치는 상기 단계(c)에서 산출된 격자망 각 절점에서의 수심(h) 값을 다시 임계마름수심(hdry)과 비교하여 상기 단계(c)에서 산출된 수심(h) 값이 임계마름수심(hdry)보다 작은 절점에는 종방향 수심평균유속(u)과 횡방향 수심평균유속(v) 값을 0으로 부여하고 그 절점의 수심(h) 값은 임계마름수심(hdry)으로 할당하여 임의의 시간(t)에서의 유속장(u,v,h)을 수정하게 된다(d 단계).Finally, the central processing unit compares the value of the depth h at each node of the lattice network calculated in the step (c) with the critical depth of water depth (h dry ) to calculate the depth h (h) value is the critical diamond depth smaller joints than (h dry) are assigned the value of the longitudinal depth of the average flow velocity (u) and the lateral depth of the average flow velocity (v) of zero and a depth (h) the value of that node is the critical diamond depth (h dry ) to correct the flow field length (u, v, h) at an arbitrary time (t) (step d).

여기서, 상기 과정의 단계들의 수행과 수치모형은 최종적으로 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 직접 알고리즘을 코딩한 프로그램이고, 이러한 프로그램은 상기 수학식 1과 2가 포함되면서 컴퓨터의 메인 메모리 내에 저장되어 컴퓨터의 중앙처리장치가 입력장치에 의해 메인 메모리에 입력된 입력자료들과 상기 프로그램을 이용하여 임의의 시간과 위치에서의 유속장(u,v,h)을 산출하게 되는 것이다.Here, the execution of the steps of the process and the numerical model are programs in which algorithms are directly coded through a programming language to be finally executed by a computer, and these programs are stored in the main memory of the computer including the equations (1) and The central processing unit of the computer calculates the flow field (u, v, h) at an arbitrary time and position by using the input data input to the main memory by the input device and the program.

또한, 중앙처리장치가 모의 종료시간(tf) 전까지 임의의 시간간격별로 상기 단계(b) 내지 상기 단계(d)를 반복하는 단계가 추가될 수 있는데, 여기서도, 이러한 과정의 수행은 이를 컴퓨터로 수행하기 위해 프로그램 언어를 통해 직접 알고리즘을 코딩한 프로그램에 의해 이루어지게 된다.Also, it the CPU is before simulation end time (t f) a step of repeating by a random time interval between the steps (b) to the step (d) can be added, and here too, the performance of this process it to a computer This is done by a program that directly codes the algorithm through the programming language to perform.

더불어, 2차원 천수흐름을 해석하는 해당 지역의 시간 흐름에 따른 경계조건(유량,수위)의 변화가 입력자료로 메인 메모리에 입력되어 있는 경우, 임의의 시간간격별로 상기 경계조건(유량,수위)이 수정되고 경계조건(유량,수위)의 수정에 따라 상기 단계(a)에서의 수심값도 변경된다.
In addition, when the boundary conditions (flow rate, water level) are input to the main memory as the input data, the boundary condition (flow rate, water level) And the water depth value in the step (a) is also changed according to the modification of the boundary condition (flow rate, water level).

마름/젖음 해석모형의 적용Applying the Wrinkle / Wetting Analysis Model

본 발명에서 개발한 임계마름수심 기법에 의한 마름/젖음 해석 모형을 다음의 3가지 영역에 적용하여 인공하도, 가상 2차원 영역 및 섬을 포함하는 자연하천에서의 모의성능을 분석하였다.
The simulation / wetting analysis model developed by the present invention was applied to the following three areas to analyze simulation performance in natural rivers including artificial underground, virtual two dimensional area and islands.

(1) 선형 하상경사 영역(1) Linear bed slope area

도 6과 같이 하상고가 0부터 10까지 선형으로 변화하는 영역에 초기조건을 마름으로 부여하였다. 이 후 x=25,000 m 지점의 수위가 도 5와 같이 6시간 동안에는 상승하고 이후에는 대칭적으로 하강하는 조건을 입력하여 모의영역에 마름 및 젖음 현상이 12시간 동안 순차적으로 나타나도록 모의 조건을 구성하였다. 모의영역의 길이와 수심 변동폭을 고려하여 임계마름 수심은 hdry=5 cm로 설정하였으며, tf=12 hr, f=0.01로 모의조건 및 매개변수를 입력하였다. 도 4의 알고리즘을 적용하여 수치모의 한 결과 도 6과 같이 1.2 hr 후에는 상승하는 자유 수면 조건에 따라 젖음 영역이 5 km 까지 나타났다. 3 hr에는 7 m까지 상승하는 수위조건에 의해 젖음 영역이 15 km까지 나타났으며, 만조 시인 6 hr에는 전 영역에 젖음이 나타났다. 이후 하강하는 경계조건으로 다시 젖음 현상이 발생하였고, 모의 종료 시간인 tf=12 hr에는 간조 조건에 의해 대부분의 영역이 마름 상태로 전환되었으며, 본 발명에서 제시한 수치모의 알고리즘이 마름 현상과 젖음 현상을 잘 재현하고 있음을 확인하였다.As shown in Fig. 6, the initial condition was given to the area where the elevation of the bed elevation changes linearly from 0 to 10. After that, the water level at x = 25,000 m is raised for 6 hours as shown in Fig. 5, and then symmetrically lowered, and the simulation conditions are set so that the drying and wetting phenomenon appears sequentially for 12 hours in the simulation region . Considering the length of the simulated area and the variation range of the depth of water, the critical depth of water was set to h dry = 5 cm, and simulated conditions and parameters were entered as t f = 12 hr, f = 0.01. As a result of the numerical simulation using the algorithm of FIG. 4, as shown in FIG. 6, the wetting area was up to 5 km according to the rising free surface condition after 1.2 hr. At 3 hr, the wetting area was up to 15 km due to the rising water level up to 7 m. After that, the wetting phenomenon occurred again with the falling boundary condition. In the simulation end time t f = 12 hr, most of the area was changed to the dry state by the low water condition. It is confirmed that the phenomenon is reproduced well.

(2) 원뿔형 섬 영역(2) Conical island region

도 7과 같이 바닥고가 El. 0 m부터 El. 0.5 m까지 변화하는 원뿔형 섬 영역을 구축하고 수위가 El. 0.6 m부터 El. 0.3 m까지 하강하도록 경계조건을 입력하여 모의 시작 후 200 초부터 원뿔형 섬의 일부 구간에서 마름이 발생되도록 수치모의 조건을 구성하였다. 가상 수로의 크기와 수심 변동폭을 고려하여 임계마름수심은 hdry=1 cm로 설정하였으며, tf=1,000 sec., f=0.01로 모의조건 및 매개변수를 입력하였다. 도 8은 시간에 따른 수심분포를 도시한 것으로 마름이 발생한 영역은 여백으로 나타내었다. 도 8(a)와 같이 t=440 sec.에서는 수위조건이 El. 0.4 m 이하로 부여되어 원뿔형 섬의 최정점을 포함하는 방사형 영역에 마름이 발생하였음을 알 수 있고, 도 8(b)에서는 수위조건이 El. 0.3 m까지 낮아져서 보다 넓은 영역에서 마름이 발생하였음을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명에서 제시한 바닥마찰계수를 도입한 운동량방정식과 임계마름 수심개념 및 수심경사항 구속조건을 활용한 마름/젖음 해석 기법이 2차원 모의영역에서의 마름 현상을 잘 모의하고 있음을 알 수 있다.As shown in Fig. 0 m to El. Conical island areas varying up to 0.5 m are constructed and the water level is changed to El. From 0.6 m to El. Numerical simulation conditions were set up so that the blinking occurs in some sections of the conical islands from 200 seconds after the start of simulation. Considering the size of the imaginary channel and the variation of the depth of water, the critical depth of water was set to h dry = 1 cm, and the simulated conditions and parameters were entered as t f = 1,000 sec., F = 0.01. FIG. 8 shows the distribution of the depth of water according to the time, and the region where the blotting occurs is shown as a margin. As shown in Fig. 8 (a), at t = 440 sec. And the radial area including the highest point of the cone-shaped island is given by 0.4 m or less. In FIG. 8 (b), the water level condition is El. And it was found that the blistering occurred in a wider area. Therefore, it is understood that the blurring / wetting analysis technique utilizing the floor friction coefficient introduced in the present invention and the momentum equation based on the critical declining water depth concept and the water depth constraint well simulate the blotting phenomenon in the two-dimensional simulation region .

(3) 자연하천(3) Natural rivers

본 발명에서 제시한 임계 마름 수심 개념에 의한 마름/젖음 해석 기법이 섬을 포한한 자연하천에서 잘 적용되는지 검토하기 위하여 도 9와 같이 한강 중랑천 합류부와 안양천 합류부 구간을 선정하여 수치모의를 수행하였다. 모의구간에 위치한 3개의 하중도(노들섬, 밤섬, 선유도)를 포함하여 하천 바닥고가 El. -9 m부터 El. +4 m까지 변하는 지형 파일을 구성하였다. 도 10과 같이 경계조건으로는 중랑천 합류부에 초당 약 3,800 ton부터 6,600 ton의 유량이 유입되고, 이에 따라 안양천 합류부의 수위는 El. 4.5 m부터 El. 5.4 m 까지 변화되는 사상을 입력하였다. 따라서, 경계조건과 하상 바닥고 조건에 의해 안양천 합류부 경계에 부여된 수위가 El. 4.9 m보다 낮아지는 12시간 부터 마름현상이 3개의 섬에서 나타나도록 하였다. 자연하천의 수심 변동폭을 고려하여 임계마름 수심은 hdry=5 cm로 설정하였으며, tf=16 hr, f=0.05로 모의조건 및 매개변수를 입력하였다.In order to examine whether the spraying / wetting analysis technique based on the critical declining water depth concept proposed in the present invention is well applied to natural rivers including islands, numerical simulations are carried out by selecting the section of the Han River Jungnangcheon confluence part and the Anyangcheon confluence part as shown in FIG. Respectively. The river floor height including the three load diagrams (Nodle Island, Bam Island, -9 m to El. The topographic file was varied up to +4 m. As shown in FIG. 10, the flow rate of about 3,800 to 6,600 tons per second flows into the confluence of Jungnangcheon in the boundary conditions. From 4.5 m to El. 5.4 m. Therefore, the water level at the boundaries of the Anyang Stream merged by the boundary conditions and bed bottom condition is El. From 12 hours lower than 4.9 m, blotting phenomenon appeared in three islands. Considering the variation of the depth of the natural river, the critical dry depth was set to h dry = 5 cm, and simulated conditions and parameters were entered at t f = 16 hr, f = 0.05.

도 11은 안양천 합류부에 입력된 수위 경계 조건이 가장 큰 값과 작은 값을 가지는 5 hr 및 16 hr이 지난 후의 수심 분포를 나타낸 것이다. 모의 시작 5 hr 이후에는 도 11(a)와 같이 3개의 섬에서의 수심이 약 50 cm 정도로 나타나고 전 모의영역이 임계마름수심보다 높은 수심을 가지게 되어 젖음 현상이 나타났다. 하지만 수위가 지속적으로 감소하여 El. 4.5 m까지 저하된 16 hr에서는 도 11(b)와 같이 3개의 섬에 마름 현상이 발생하여 임계마름 수심에 해당하는 5 cm의 수심이 나타났다. 이상의 모의결과는 3개의 섬에서의 시간에 따른 수심 분포를 도시한 도 12에서 보다 분명하게 확인할 수 있다.
11 shows the distribution of water depths after 5 hr and 16 hr with the largest and smallest water level boundary conditions input at the confluence part of Anyang Stream. After 5 hr of simulation, as shown in FIG. 11 (a), the water depths in the three islands are about 50 cm and the entire simulation region has a higher water depth than the critical water depth. However, the water level has been steadily decreasing. At 16 hr lowered to 4.5 m, three islands were blotted as shown in Fig. 11 (b), resulting in a depth of 5 cm corresponding to the critical depth of water. The simulation results above can be more clearly seen in FIG. 12, which shows the distribution of water depths over time in three islands.

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 the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. You will be able to make various changes without departing.

Claims (4)

(a) 2차원 천수흐름을 해석하기 위해 필요한 해당 지역의 바닥마찰계수(f), 난류동점성계수(υ), 조도계수(n), 지형자료, 모의 종료시간(tf), 임계마름수심(hdry) 및 경계조건(유량,수위)이 입력자료로 메인 메모리에 입력되고, 수치모의 전 중앙처리장치가 격자망 각 절점에서의 수심값을 상기 임계마름수심(hdry)과 비교하는 단계와;
(b) 상기 단계(a)에서 상기 수심값이 임계마름수심(hdry)보다 작은 절점에는 중앙처리장치가 마름현상이 발생하였다고 판단하여, 그 절점의 종방향 수심평균유속(u)과 횡방향 수심평균유속(v) 값을 0으로 부여하고 그 절점의 수심값은 임계마름수심(hdry)으로 할당하며 수심 경사항(DGT,
Figure 112014007838117-pat00010
)의 값도 0으로 부여하는 단계와;
(c) 중앙처리장치가 상기 단계(a)에서의 입력자료와 상기 단계(b)에서의 종방향 수심평균유속(u) 값, 횡방향 수심평균유속(v) 값, 수심값. 수심 경사항(DGT)의 값 및 일정한 수학식에 유한요소법이 적용되어 수치모형화된 메인 메모리 내의 프로그램을 이용해 임의의 시간(t)일 때 격자망 각 절점에서의 종횡방향 수심평균유속(u,v)과 수심(h)을 산출하여 유속장(u,v,h)을 구하는 단계, 및
(d) 중앙처리장치는 상기 단계(c)에서 산출된 격자망 각 절점에서의 수심(h) 값을 다시 임계마름수심(hdry)과 비교하여 상기 단계(c)에서 산출된 수심(h) 값이 임계마름수심(hdry)보다 작은 절점에는 종방향 수심평균유속(u)과 횡방향 수심평균유속(v) 값을 0으로 부여하고 그 절점의 수심(h) 값은 임계마름수심(hdry)으로 할당하여 임의의 시간(t)에서의 유속장(u,v,h)을 수정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법.
(a) the floor friction coefficient (f), the turbulent tie point coefficient (v), the roughness coefficient (n), the terrain data, the simulated end time (t f ) (h dry ) and boundary condition (flow rate, water level) are input to the main memory as input data, and the whole central processing unit of the numerical simulation compares the water depth value at each grid node with the critical water depth (h dry ) Wow;
(b) the central processing unit judges that a blurring phenomenon has occurred at a node where the water depth value is smaller than the critical dry water depth (h dry ) in the step (a), and the vertical water depth average velocity (u) The value of the depth-averaged velocity (v) is given as 0, the depth value of the node is assigned as critical dry depth (h dry )
Figure 112014007838117-pat00010
) To a value of 0;
(c) The central processing unit calculates the longitudinal water depth average velocity (u) value, transverse depth water velocity (v) value, and water depth value in the step (a) (U, v) at the arbitrary time (t) by using a program in the main memory, which is a numerical model applied to the value of the water depth (DGT) (U, v, h) by calculating the water depth (h) and the water depth
(d) The central processing unit compares the value of the depth h at each node of the lattice network calculated in the step (c) with the critical depth of water (h dry ) to determine the depth h (h) value is the critical diamond depth smaller joints than (h dry) are assigned the value of the longitudinal depth of the average flow velocity (u) and the lateral depth of the average flow velocity (v) of zero and a depth (h) the value of that node is the critical diamond depth (h dry) assigned to chapter flow rate at any time (t) (u, v, h) a through grant of using the critical diamond depth techniques, characterized in that comprising the step of modifying diamond / wet conditions, the two-dimensional How to interpret the flow of water.
제 1 항에 있어서,
상기 단계(c)에서 종횡방향 수심평균유속(u,v)과 수심(h)을 산출하는 수학식은
Figure 112014007838117-pat00011

Figure 112014007838117-pat00012

(여기서, ui 및 uj는 각각 i방향 및 j방향 수심평균 유속, xi 및 xj 는 각각 i방향 및 j방향 길이, t는 시간, g는 중력가속도, H는 기준선으로부터 하상까지의 거리, h는 수심, υ는 난류동점성계수, n은 하상 및 벽면의 거칠기 정도를 나타내는 조도계수)인 것을 특징으로 하는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법.
The method according to claim 1,
In the step (c), the mathematical expression for calculating the vertical and horizontal depth-averaged flow velocities (u, v) and the depth of water (h)
Figure 112014007838117-pat00011
Wow
Figure 112014007838117-pat00012

(Here, u i and u j are each i direction and the j direction of depth of the average flow rate, x i and x j are each i direction and the j direction of the length, t is the time, g is the acceleration of gravity, H is the distance to the charge image from the reference line , h is the depth of water, v is the turbulent kinematic constant, and n is the roughness coefficient representing the degree of roughness of the bed and the wall surface.) By using the critical depth water depth technique, Lt; / RTI >
제 1 항에 있어서,
(e) 중앙처리장치가 모의 종료시간(tf) 전까지 임의의 시간간격별로 상기 단계(b) 내지 상기 단계(d)를 반복하는 단계가 추가되는 것을 특징으로 하는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법.
The method according to claim 1,
(b) repeating the steps (b) to (d) at arbitrary time intervals before the central processing unit completes the simulation end time (t f ). A method of interpreting a two-dimensional flow of water through the application of spin / wet conditions.
제 3 항에 있어서,
2차원 천수흐름을 해석하는 해당 지역의 시간 흐름에 따른 경계조건(유량,수위)의 변화가 입력자료로 메인 메모리에 입력되어 있는 경우, 임의의 시간간격별로 상기 경계조건(유량,수위)이 수정되고 경계조건(유량,수위)의 수정에 따라 상기 단계(a)에서의 수심값도 변경되는 것을 특징으로 하는, 임계마름수심 기법을 이용하여 마름/젖음 조건의 부여를 통해 2차원 천수흐름을 해석하는 방법.
The method of claim 3,
When the change of the boundary condition (flow rate, water level) according to the time flow in the region interpreting the two-dimensional water flow is input to the main memory as the input data, the boundary condition (flow rate, And the water depth value in the step (a) is also changed according to the modification of the boundary conditions (flow rate, water level), and the two-dimensional water flow is analyzed through the application of the water / wet condition by using the critical water depth method How to.
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