• Title/Summary/Keyword: 자유수면 흐름

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Application of a Non-Hydrostatic Pressure Model with Dynamic Boundary Condition to Free Surface Flow (동역학적 경계조건을 갖는 동수압 모형의 자유수면흐름에의 적용)

  • Lee, Jin-Woo;Jeong, Woo-Chang;Cho, Yong-Sik
    • Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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    • v.10 no.1
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    • pp.103-109
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    • 2010
  • In this study, a three-dimensional non-hydrostatic pressure model based on a normalized vertical coordinate system for free surface flows is presented. To strongly couple the free surface and non-hydrostatic pressure with the momentum equations, a double predictor-corrector method is employed. The study is especially focused on implementing the dynamic boundary condition (a zero pressure condition) at the free surface with ignoring of the atmospheric pressure. It is shown that the boundary condition can be specified easily with a slight modification to existing models.

Numerical simulation of turbulent flow with Hydrodynamic Pressure Model in trench channel (트렌치 수로에서 동수압을 고려한 난류흐름해석)

  • Jang, Won-Jae;Lee, Seung-Oh;Cho, Yong-Sik
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • 2007.05a
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    • pp.1268-1271
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    • 2007
  • 트렌치 수로에서 동수압을 고려한 자유수면 흐름을 해석하고 난류 모형의 적용성을 제시하였다. 본 연구에 사용된 지배방정식으로 비정상 상태의 비압축성 유체에 대한 연속방정식과 비점성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 난류완결문제를 해결하기 위해서 $\kappa-\varepsilon$방정식을 사용하여서 난류 와점성을 구할 수 있다. 자유수면과 동수압을 고려하기 위하여 3단계로 나누어서 해석하였다. 제 1단계에서는 운동량방정식을 연직방향에 대해 음해적으로 차분하였다. 제2단계에서는 유속과 동수압 보정항으로 이루어진 식을 연속방정식에 대입하여 타원형 방정식인 동수압-포와송 방정식을 해석하여 얻어지는 유속은 질량보존법칙을 만족하게 된다. 마지막으로 자유수면과 최종유속을 보정 및 계산하였다. 본 연구에서 제시한 수치모형을 검증하기 위해서, 트렌치 수로에서 난류의 흐름에 변화를 고려하기 위해 수치모의를 하였다. 전반적으로 수치모의에 의한 결과와 실험 자료가 일치하는 경향을 보였다.

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Application of Dynamic Boundary Condition to a Non-hydrostatic Pressure Model with Free Surface Boundary (자유수면 경계조건을 갖는 동수압 모형에서의 동역학적 경계조건의 적용)

  • Lee, Jin-Woo;Jeong, Woo-Chang;Cho, Yong-Sik
    • 한국방재학회:학술대회논문집
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    • 2010.02a
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    • pp.52.1-52.1
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    • 2010
  • 본 연구에서는 자유수면 흐름을 해석할 수 있는 연직방향에 대해 좌표변환된 3차원 동수압 모형을 제시하였다. 제시한 모형은 자유수면파 동수압의 해석을 위하여, 2중 예측-수정(double predictor-corrector)방법을 적용하였다. 본 연구에서는 자유수면과 동수압을 고려하기 위하여 자유수면 보정단계와 동수압 보정단계로 나누어 정확한 동역학적 경계조건을 적용하는 방법을 제시하였고, 제시한 모형을 이용한 수치모의 결과를 검증하기 위하여 타원형 천퇴에 의한 파의 변형에 대한 수치모의를 실시하였다. 전반적으로 수치모의 결과는 실험자료와 일치하였다.

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A Non-Hydrostatic Pressure Model and its Implementation of the Dynamic Boundary Condition (동수압 모형의 동역학적 경계조건)

  • Lee, Jong Wook;Lee, Jin Woo;Cho, Yong-Sik
    • KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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    • v.28 no.6B
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    • pp.691-696
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    • 2008
  • In this paper, a three-dimensional non-hydrostatic pressure model for free surface flows using a normalized vertical coordinate system is presented. To strongly couple the free surface and non-hydrostatic pressure in the momentum equations, a double predictor-corrector method is employed. This research is especially focused on implementing the dynamic boundary condition (a zero pressure condition) at the free surface. This boundary condition can be specified accurately with a small modification to existing models. Numerical results with and without this modification clearly show that a precise implementation of the dynamic boundary condition is paramountly important.

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Development of Hydrodynamic Pressure Model for Free Surface Flow (자유수면흐름에 적용가능한 동수압 모형의 개발)

  • Lee, Jin-Woo;Cho, Yong-Sik
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • 2011.05a
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    • pp.64-68
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    • 2011
  • 본 연구에서는 일반 좌표계를 사용함으로써 자유수면이 매시간 변화하는 계산격자를 구성해야하는 문제점을 해결하였고, 또한 유한차분법의 단점인 지형변화의 적용성을 보완할 수 있었다. 자유수면과 동수압을 고려하기 위하여 계산단계를 3단계(정수압 계산단계, 동수압 보정단계, 자유수면 보정단계)로 나누어 해석하였고, 개발된 수치모형을 이용하여 실험값이 존재하는 수중방파제를 지나는 비선형파의 전파문제에 대해 수치모의를 실시하였다. 전반적으로 수치모의에 의한 결과는 실험값과 일치하는 경향을 나타내었다.

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Application of Hermite-Collocation Method for Unsteady Flow Analysis (부정류 해석을 위한 Hermite-Collocation 기법의 적용)

  • Han, Geon-Yeon;Lee, Eul-Rae;Park, Jae-Hong
    • Journal of Korea Water Resources Association
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    • v.32 no.3
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    • pp.237-246
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    • 1999
  • A finite element model is studied to simulate unsteady free surface flow based on dynamic wave equation and collocation method. The collocation method is used in conjunction with Hermite polynomials, and resulting matrix equations are solved by skyline method. The model is verified by applying to hydraulic jump, nonlinear disturbance propagation and dam-break flow in a horizontal frictionless channel. The computed results are compared with those by Bubnov-Galerkin and Petrov-Galerkin methods. It is also applied to the North Han River to simulate the floodwave propagation. The computed results have good agreements with those of DWOPER model in terms of discharge hydrographs. The suggested model has proven to be one of the promising scheme for simulating the gradually and rapidly varied unsteady flow in open channels.

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Experimental Investigations on Air Entrainment Through an Air Vent Installed on a Gated Conduit of a Reservoir (저수지 취수시설의 공기관을 통한 공기연행에 대한 실험적 연구)

  • Kang, Min Goo;Park, Young Jin;Kim, Ji Seong
    • KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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    • v.33 no.1
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    • pp.149-155
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    • 2013
  • In this study, factors that affect the air entrainment within a closed conduit by air drawn in through an air vent are investigated using a hydraulic scale model, which represents a gated circular conduit system connected to the intake tower of an irrigation reservoir. In addition, using data obtained during the hydraulic experiments, experimental equations are developed to estimate the amount of air drawn in through the air vent. In case of pressurized flow conditions downstream of hydraulic jumps, the relationships between $\frac{Q_a}{Q_w}$ and $Fr_g-1$ of the data form a experimental equation, $\frac{Q_a}{Q_w}=0.0304(Fr_g-1)^{1.0622}$; in case of free surface flow conditions, $\frac{Q_a}{Q_w}=0.0271(Fr_g-1)^{1.8205}$. Comparing two data sets observed under the two flow regimes with the results of previous researchers, patterns of the data sets are similar to the results estimated using the equations presented previously, and this indicates that the quality of the data obtained during the hydraulic experiments is ensured. In addition, it is revealed that air entrainment phenomena in the regions close to air vents are affected by the characteristics of supercritical flows downstream of gates. Finally, it is concluded that the equation developed for pressurized flow conditions can be applied to design of air vents.

Numerical Modeling of Free Surface Flow over a Broad-Crested Rectangular Weir (사각형 광정위어를 통과하는 자유수면 흐름 수치모의)

  • Paik, Joongcheol;Lee, Nam Joo
    • Journal of Korea Water Resources Association
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    • v.48 no.4
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    • pp.281-290
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    • 2015
  • Numerical simulations of free surface flow over a broad-crested rectangular weir are conducted by using the volume of fraction (VOF) method and three different turbulence models, the k-${\varepsilon}$, RNG k-${\omega}$ and k-${\omega}$ SST models. The governing equations are solved by a second-order accurate finite volume method and the grid sensitivity study of solutions is carried out. The numerical results are evaluated by comparing the solutions with experimental and numerical results of Kirkgoz et al. (2008) and some non-dimensionalized experimental results obtained by Moss (1972) and Zachoval et al. (2012). The results show that the present numerical model can reasonably reproduce the experimental results, while three turbulent models yield different numerical predictions of two distinct zones of flow separation, the first zone is in front of the upstream edge of the weir and the second is created immediately behind the upstream edge of the weir where the flow is separated to form the separation bubble. The standard k-${\varepsilon}$ model appears to significantly underestimate the size of both separation zones and the k-${\omega}$ SST model slightly over-estimates the first separation zone in front of the weir. The RNG k-${\varepsilon}$ model predicts both separation zones in overall good agreement with the experimental measurement, while the k-${\omega}$ SST model yields the best numerical prediction of separation bubble at the upstream edge of the weir.

An Experimental Study on Flow Characteristics Around Culvert According to Blocked Area (차단면적 변화에 따른 암거주변 흐름특성 실험연구)

  • Kim, Sung Joong;Yeo, Hong Koo;Kang, Jun Gu;Jung, Do Joon
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • 2016.05a
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    • pp.467-467
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    • 2016
  • 암거는 일반적으로 용수나 배수용의 수로가 도로, 철도, 제방 등의 아래에 매설 된 수로를 지칭한다. 이러한 암거는 산업발전으로 사회기반시설의 신설 및 확충, 재정비 등으로 많이 활용되고 있다. 최근 들어 기후로 인한 재해가 급증하면서 이러한 시설물에 대한 안정성 및 관리에 대한 관심이 높아지고 있는 것이 현실이다. 특히 소하천은 집수면적 및 유로연장이 짧고 하상경사가 급하기 때문에 홍수에 취약하다. 즉, 빨라진 유속으로 인해 구조물 주변의 세굴에 의한 유실, 토사유출로 인한 하상퇴적, 부유물로 인한 차단으로 인해 통수에 지장을 받아 피해가 발생하게 된다. 이러한 암거시설물 피해는 2차 피해로 이어질 수 있으며 사회기반시설 파괴로 도시기능이 마비되고 인근 주변지역에 침수로 인한 재산 및 인명피해까지 발생시킬 수 있는 피해 잠재능력을 보유하고 있다. 그러나 피해에 대한 예방대책은 유지관리를 통해 지속적으로 관리하는 것이 대부분의 지침 등에 소개된 내용들이다. 본 연구에서는 암거를 대상으로 암거의 폐색으로 인해 암거주변에서 변화되는 흐름특성을 축소모형을 통해 검토하고자 하였다. 암거 축소모형실험은 1.5m 폭을 갖는 직선수로에서 수행하였으며, 암거모형은 도로암거표준도(2008)를 참조하여 $3m{\times}3m$ 수로암거를 대상으로 1/10 축소모형을 제작하였다. 암거유입부 퇴적으로 인한 암거의 차단률(차단면적/암거단면적)은 차단이 발생하지 않는 0% 조건에서부터 10%, 20%, 30%, 40%, 50% 조건에 대해 실험을 수행하였다. 실험결과 차단에 따른 암거 상류단의 수위는 차단이 없는 암거의 경우에 비해 차단율이 높아질수록 암거유입부 수위는 20.4% ~ 82.7% 상승하는 것으로 나타났다. 암거의 차단률이 40% 이상일 경우 높아진 수위로 인해 암거통로의 윗상면부까지 다다르고 있으며 50%일 경우 암거를 통과하는 흐름이 자유수면흐름이 아닌 오리피스 흐름이 발생하는 것으로 나타났다. 암거유입부 차단으로 인한 암거주변의 최대유속은 암거 직하류부에서 주로 발생하여 암거 유출부에서의 최대유속은 차단율이 증가할수록 선형적으로 증가하는 것으로 나타났으며 암거 유출부에서의 유속은 차단전의 조건(0%) 대비 4.2% ~ 35.5% 까지 상승하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 토대로 고려하였을 때 대부분 산지부에서 설치되는 암거의 경우 유속이 불가피하게 증가하게 됨으로 유속에 따른 유속조절방안(차단 및 우회시설) 및 세굴대책을 세워야 할 것으로 판단된다.

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