초기수위해석을 이용한 2차원 유한요소모형의 개선

• 영문명: Improvement of 2-D Finite Element Model Using Analysis of Initial Water Surface Elevation
• 발행기관: 한국방재학회
• 저자명: 김상호 오현욱 최승용 한건연 Kim, Sang Ho Oh, Hyeon Wuk Choi, Seung Yong Han, Kun Yeun
• 간행물 정보: 『2. 한국방재학회 논문집』12권6호, 267~274쪽, 전체 8쪽
• 주제분류: 공학 > 기타공학
• 파일형태: PDF
• 발행일자: 2012.12.31

국문 초록

2차원 유한요소모형을 수행하기 위해서는 경계조건과 함께 대상구간에 대한 초기수위를 지정하여야 한다. 일반적으로 2차원 모형을 수행하기 위해 하상의 모든 지형고보다 높으면서 하류단 경계수위와 일치하지 않는 비현실적인 초기수위를 사용하게 되며, 이는 모형의 안정적인 모의를 어렵게 한다. 본 논문에서는 2차원 모형의 초기수위가 고정값이 아니라 실제 하상경사로 인해 발생하는 하천의 수위를 사용하여 2차원 유한요소모형에 자동 적용되도록 하였다. 이를 위해 2차원 요소망으로부터 1차원 동수역학 해석을 수행할 수 있는 하상자료를 자동으로 추출하는 알고리듬을 개발하였고, 2차원 모형 내에서 모의된 1차원 부정부등류 해석 결과가 2차원 모형의 전체구간에 대한 초기수위로 적용될 수 있도록 2차원 유한요소모형을 개선함으로써 모형의 정확도를 향상시키고자 하였다. 개선된 모형의 적용성을 검토하기 위해서 급격한 경사를 가지는 직사각형 하도, 완경사-급경사하도 그리고 급경사-완경사 하도와 같은 가상하도 및 한강 본류구간에 대해 흐름해석을 실시하였다. 그 결과 기존의 2차원 유한요소모형의 결과보다 1차원 흐름해석 결과를 초기수위로 이용한 모형의 결과가 보다 안정적으로 해에 수렴하고 있는 것을 확인함으로써 물리적인 초기 수위값의 부여로 인한 수치계산의 안전성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.

영문 초록

Initial condition of water surface elevation with boundary condition is required to simulate two-dimensional finite element model. In general, in order to perform two-dimensional finite element model, unrealistic initial water surface elevation which is above all-terrain bed elevation and unmatched downstream boundary condition is used, which will make it difficult to perform stably. In this study, the water surface elevation caused by the actual river bed rather than a fixed value is applied automatically as the initial condition of a two-dimensional finite element model. The algorithm to automatically extract river cross section for simulation of one-dimensional hydraulic analysis from a two-dimensional element mesh is developed. And the accuracy of two-dimensional model tried to upgrade by improving the two-dimensional finite element model, which used the results of one-dimensional non-uniform analysis as the initial condition of two-dimensional model. To examine the applicability of an improved model, the model was applied to the rectangular channel with a rapid slope, mild-steep slopes channel, steep-mild slopes channel and Han River. The results of the model, which the initial water surface elevation of one-dimensional flow analysis is used, were more stably converged than those of existing model and the stability of numerical computation was improved by using physical initial water surface elevation.

키워드

유한요소모형 초기조건 초기수위 2차원 요소망 Finite element model Initial condition Initial water surface elevation 2D mesh