2D SPH Model for Pollutant Transport

■ 연구 제목 : 

개수로 흐름에서 오염물질 거동해석을 위한 2차원 SPH 모형 개발

(eng)Two-Dimensional Smoothed Particle Hydrodynamics Model for Pollutant Transport Analysis in Open Channel Flows

 

■ 수행 기간 : 2017.09 ~ 2018.02

 

■ 요약 : 

본 연구에서는 하천 내 오염물질의 거동을 해석하고자 수평 2차원 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 모형을 개발하고 검증하였다. SPH 기법은 분자운동에서 착안된 입자기반 모델로서, 복잡한 자유수면의 흐름이나 경계조건에도 비교적 쉽게 유동을 해석할 수 있는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서 개발한 모형은 천수 방정식을 지배방정식으로 이용하여 유동장을 생성하고, 수심 평균 확산방정식을 기반으로 확산거동을 해석하는 2차원 수치모형이다. 본 연구에서는 각 입자의 유속을 산정하기 위해 Muller et al. (2003)이 제안한 다항식 커널함수 등을 2차원 형태로 변형하고 적분보간법을 이용해 각 입자의 수심과 가속도 값을 산정하였다. 또한 시간 미분 항은 Leapfrog 차분법을 이용하여 계산하였으며, 경계조건은 Monaghan (1994)이 제안한 Lennard-Jones 형태의 함수를 사용하여 경계면과 입자사이에 척력이 발생하도록 하였다. 개발된 수치모형의 검증을 위해 평균유속이 0.3m/s이며 평균수심이 10cm인 구형단면을 갖는 가상수로에 모형을 적용하여 오염물질의 확산을 모의하였다. 확산계수 및 농도가 0.01인 가상의 오염물질을 주입하고 확산거동을 모의하여 2차원 해석해와 비교∙검증한 결과, 오차율이 1% 이내 유의수준을 만족하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 제안한 모형은 여러 기작을 포함해 발전시켜, 부유사 및 유해화학물질 거동해석 등 보다 다양한 오염물질의 해석에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

 

<Methodology>

 

(a) Analytic solution (b) Numerical solution

 

<Validation with Analytic solution>

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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