Use of Numerical Simulation for Water Area Observation by Microwave Radar

요시다타케로,임창규,Yoshida, Takero,Rheem, Chang-Kyu The Korean Society for Marine Environment and Ener 2012 한국해양환경·에너지학회지 Vol.19 No.2

수면에서의 마이크로웨이브 후방산란 수치 시뮬레이션 기법을 개발하였다. 수치 시뮬레이션은 수조나 실해역 실험의 대체수단으로서, 수면에서의 마이크로웨이브 후방산란 과정의 이해, 마이크로웨이브 레이더를 이용한 수면 관측시스템과 관측방법의 평가에 이용된다. 이 논문에서는 다양한 수면 조건에 대한 수치 시뮬레이션의 적용 예와 수치 시뮬레이션의 유용성에 대해서 기술하였다. 적용 예로서, 고정안테나 펄스 도플러 레이더의 1) 도플러 이미지, 2) 레이더 조사폭 영향, 3) 하천 수위 관측과, 4) 합성 개구 레이더 (SAR) 의 해면 이미지를 보여준다. 해면으로부터의 마이크로웨이브 후방산란 수치 시뮬레이션을 통하여, 1) 파랑계측에 있어서 펄스 도플러 레이더의 주파수 변조 이미지가 진폭 변조 이미지에 비해서 유용함을 보였다. 2) 연속파 레이더를 이용한 파랑계측에 있어서의 레이더 해면 조사폭의 영향에 대한 Rheem[2008]의 보고와 관련해, 레이더 조사폭이 도플러 스펙트럼에 미치는 영향을 조사하여, 파랑계측에 적합한 레이더의 조사 조건을 보였다. 3) 펄스 도플러 레이더를 이용한 해면 조위관측 알고리듬을 하천의 유속과 수위 추정에 응용함에 있에서, 알고리듬의 적용성과 계측성능을 평가했다. 4) SAR 이미지 생성 메케니즘의 이해와 SAR 이미지를 이용한 해면 관측 알고리듬의 평가를 위해, 수치 시뮬레이션을 이용하여 해면의 SAR 이미지를 생성하였다. Numerical simulation technique has been developed to calculate microwave backscattering from water surface. The simulation plays a role of a substitute for experiments. Validation of the simulation was shown by comparing with experimental results. Water area observations by microwave radar have been simulated to evaluate algorithms and systems. Furthermore, the simulation can be used to understand microwave scattering mechanism on the water surface. The simulation has applied to the various methods for water area observations, and the utilizations of the simulation are introduced in this paper. In the case of fixed radar, we show following examples, 1. Radar image with a pulse Doppler radar, 2. Effect of microwave irradiation width and 3. River observation (Water level observation). In addition, another application (4.Synthetic aperture radar image) is also described. The details of the applications are as follows. 1. Radar image with a pulse Doppler radar: A new system for the sea surface observation is suggested by the simulation. A pulse Doppler radar is assumed to obtain radar images that display amplitude and frequency modulation of backscattered microwaves. The simulation results show that the radar images of the frequency modulation is useful to measure sea surface waves. 2. Effect of microwave irradiation width: It is reported (Rheem[2008]) that microwave irradiation width on the sea surface affects Doppler spectra measured by a CW (Continuous wave) Doppler radar. Therefore the relation between the microwave irradiation width and the Doppler spectra is evaluated numerically. We have shown the suitable condition for wave height estimation by a Doppler radar. 3. River observation (Water level observation): We have also evaluated algorithms to estimate water current and water level of river. The same algorithms to estimate sea surface current and sea surface level are applied to the river observation. The simulation is conducted to confirm the accuracy of the river observation by using a pulse Doppler radar. 4. Synthetic aperture radar (SAR) image: SAR images are helpful to observe the global sea surface. However, imaging mechanisms are complicated and validation of analytical algorithms by SAR images is quite difficult. In order to deal with the problems, SAR images in oceanic scenes are simulated.

단일방향 섬유 복합재료 내의 초음파 전파 및 산란 현상의 해석과 시뮬레이션

이춘재,임현준 한국비파괴검사학회 2001 한국비파괴검사학회지 Vol.21 No.3

복합재료의 초음파검사는 매질의 탄성이방성으로 인해 빔스큐(beam skew)현상 등이 발생하기 때문에 등방성 재료의 검사에 비해 훨씬 어렵다. 그 동안의 많은 연구의 결과로서 이방성 재료 내 탄성파의 전파 현상에 대한 해석해법이 정립되어 있으나, 그 해석해가 매우 복잡하여 실제 문제의 해를 구하기 위해서는 수치적인 방법에 의존하여야 하는 경우가 많다. 본 연구에서는 횡등방 이방성(transversely isotropic)으로 가정할 수 있는 단일방향 섬유 복합재료 내점원에 의한 초음파 전파의 해석해를 먼저 구하고, 이러한 복합재료를 질량-스프링 모델로 모델링하여 해석해에 상응하는 수치해를 구하였다. 그 결과, 초음파의 전파에 대한 수치해와 해석해가 매우 잘 일치하는 것을 확인하였다. 동일한 수치해법을 사용하여 초음파가 복합재료의 자유표면에서 반사되는 현상과 균열에 의해 산란되는 현상에 대한 수치해도 구하였으며 그 결과를 파동역학의 관점에서 고찰하였다. 본 연구에서 그 유효성이 확인된 수치 모델은 복합재료의 초음파검사를 시뮬레이션 함에 있어 매우 유용하게 사용될 수 있을 것이다. Ultrasonic testing of composite materials is much more difficult than that of isotropic materials, because of the beam skew phenomenon caused by their elastic anisotropy. An established analytical method exists for elastic wave propagation in anisotropic media as a result of previous research efforts. Yet, due to the complexity of the analytical method, solution of real problems must resort to the numerical method. In this work, analytical solutions have first been obtained for the wavefield due to a point source in a unidirectional fiber-reinforced composite, which may be modeled as transversely isotropic. Then, the corresponding numerical solutions have been obtained using the mass-spring lattice model(MSLM). The two solutions have agreed well with each other. Other problems such as reflection from free boundaries and scattering from cracks have also been solved numerically, and the results have been investigated from the viewpoint of wave mechanics. The numerical model whose validity has been confirmed by this work will be of great use in simulating ultrasonic testing of composite materials.

복수 크레인을 이용한 침몰 선박 인양 작업에 관한 수치 시뮬레이션 연구

남보우(Bo Woo Nam),김정석(Jeong-Seok Kim),서민국(Min-Guk Seo),홍사영(Sa Young Hong),최혁진(Hyuek-Jin Choi) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5

본 연구에서는 연안에서 빈번하게 활용되는 복수 해상 크레인을 이용한 침몰 선박 인양 작업에 대한 수치 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 침몰 선박의 인양은 크게 3가지 단계, 즉 해저면으로부터 침몰선이 이탈하는 단계, 수중에서 수면까지 올려지는 단계, 수면 위로 떠올라 인양되는 단계로 구분될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 작업에 대한 수치 시뮬레이션을 위하여 각 단계별로 침몰선박에 작용하는 파도, 바람, 조류 등에 의한 다양한 환경 외력과 해저면 이탈력, 부력 변화에 대해 수치 모델을 도입하여 모사하였으며, 두 대의 해상 크레인선이 근접 배치된 상황에서의 동유체역학적 상호작용 효과를 고려한 다수 부유체 운동 모델을 적용하였다. 개발된 수치 시뮬레이션 모델은 복수 크레인 인양 작업에 대한 수조 모형시험 결과와 비교하여 검증을 수행하였으며, 다양한 조건에서의 침몰 선박 인양 작업 시뮬레이션을 수행하여 침몰선 인양력에 미치는 다양한 환경 인자에 대한 영향을 검토하였다. In this paper, numerical simulations were conducted for the lifting operation of a sunken ship using multiple offshore cranes. The lifting operation for a sinking ship can be divided into three major stages: departure from the sea floor, lifting from the seabed to the sea surface, and lifting above the sea surface in the air. In this study, various numerical models were introduced to consider the environmental forces by wave, wind and current, seabed reaction forces and buoyancy change during the lifting operations. The motions of the multiple floating crane vessels were solved based on Cummins equation considering the effect of the hydrodynamic interactions. The developed numerical code was validated by comparing the results of model test and the sensitivity studies were carried out regarding the effect of various parameters on the lifting forces.

3차원 전표면온도 수치시뮬레이션에 의한 판상형 및 탑상형 아파트의 여름철 옥외 열환경 평가

윤성환(Yoon Seong-Hwan),정선영(Jeong Seon-Yeong) 대한건축학회 2008 대한건축학회논문집 Vol.24 No.10

The purpose of this study is to analyze and evaluate the characteristics of outdoor thermal environment in summer and heat island potential of flat-type apartment houses and tower-type apartment houses using numerical simulation of all-surface-temperature of 3-dimension. On the base of August 5th, the hottest day of Seoul, after inputting a building condition on CAD, we calculated Mean Radiant Temperature and Heat Island Potential for two kind of apartments by the surface temperature. The result of MRT indicated that the tower-type apartment houses were better outdoor thermal comfort and HIP indicated the flat-type apartment houses 1.3℃ more highly tower-type apartment houses. Specially HIP of two apartments appears from 09:00 in 13:00 the temperature highly above of 9℃ and not only in the day but also in the night. Then it suggests that we needs countermeasure method for urban heat island in concrete apartment houses of typical residential types of urban.

유선시뮬레이션 조력 앙상블칼만필터를 이용한 히스토리매칭의 수치안정성 개선

정승필,최종근 한국자원공학회 2009 한국자원공학회지 Vol.46 No.4

History-matching is essential to estimate reserves and improve hydrocarbon recovery. Ensemble Kalman Filter (EnKF) has been highlighted as a history-matching technique due to its advantages such as applicabilities and stochastic analyses. However, conventional EnKF shows numerical instabilities, which are overshooting and filter divergence problems. To overcome these problems, streamline assisted EnKF (SL EnKF), which updates effective zones selectively, is developed. Whereas the standard EnKF produces stable results only in cases of large ensemble size and small number of updates, the SL EnKF gives stable results and overcomes the typical two problems. The SL EnKF proposed in this research improves numerical stability of the EnKF, so it can be applied to the stochastic history-matching. 저류층 히스토리매칭은 매장량을 예측하고 생산량을 최적화하기 위해 필수적이다. 히스토리매칭을 위한 역산모델링의 한 기법으로서 적용성이 뛰어나고 추계학적인 분석이 가능한 앙상블칼만필터가 널리 사용되고 있다. 그러나 기존의 앙상블칼만필터는 앙상블크기와 교정회수에 민감하여 오버슈팅, 필터발산 문제를 나타내었다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 유선시뮬레이션을 이용하여 영향구역을 찾아내고 선택적으로 교정을 실시하는 유선시뮬레이션 조력 앙상블칼만필터를 개발하였다. 기존 방법은 앙상블크기가 작거나 교정회수가 많아지면 수치적으로 불안정하였지만 제안된 방법은 앙상블크기와 교정회수에 상관없이 안정적인 히스토리매칭 결과를 도출하였다. 이 연구는 앙상블칼만필터 기법의 수치적 안정성을 제고함으로써 효율적인 추계학적 히스토리매칭을 가능하게 하였다.

수치 시뮬레이션을 통한 평판내 파이프라인 주위의 점성유동 연구

곽승현(Seung-Hyun Kwag) 한국항해항만학회 2003 한국항해항만학회지 Vol.27 No.5

평행한 벽 사이에 원형배관(circular pipeline)을 놓고 그 주위의 유동특성에 대한 수치연구를 수행하였다. 비압축성 유체를 가지고, Navier-Stokes 방정식을 풀었고 3차 풍상(upwind) 차분의 수치해법을 이용하였다. 한쪽 벽과의 거리가 매우 작아질때, 볼텍스 떨어짐이 상당히 억압되는데 이것은 벽 경계와의 상호 박리 작용 때문으로 간주된다. 본 연구는 레이놀드 수의 변함과 물체가 벽에 접근함에 따른 볼텍스 떨어짐의 특성을 규명하는데 있다. 원형배관 후류와 평행벽내 유기된 박리의 상호작용을 집중적으로 다루며 서로 다른 조건에서 박리와 와역학(vorticity dynamics)의 특성을 해석하였다. Numerical study was made on the flow characteristics around a circular pipeline between parallel walls. The incompressible Navier-Stokes equations were solved by using a third-order upwind differential scheme. When the distance near a wall is small enough, the vortex shedding is almost completely suppressed because of the interaction with the wall boundary layer separation. This study aims to clarify the characteristics of the vortex shedding regime as the body approaches a wall as Reynolds number varies. The feature of separated vorticity dynamics is analyzed at different conditions with particular attention to the interaction between the pipeline wake and the induced separation on the plane walls.

수치해석 및 현장계측을 통한 차량주행조건에 따른 BWIM 신호 변화 분석

이정휘,Lee, Jung-Whee 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.1

Bridge Weigh-in-Motion(BWIM) 시스템은 중량의 차량이 정상적으로 교량을 주행하는 상태에서 측정된 교량의 응답을 분석하여 교량을 통과한 차량의 중량을 산출하는 시스템으로, 현재 관심지역을 통행하는 차량의 하중분포를 파악하고 이로 부터 도로교의 설계 및 해석을 위한 설계 활하중 모델의 개발이나 교량의 잔존 수명의 예측을 위한 피로하중모델 등의 개발에 활용될 수 있다. 이러한 BWIM 시스템의 개발을 위해 필수적으로 수행되어야 하는 것이 다양한 하중조건에 대한 실물차량 주행시험이다. 이 논문에서는 BWIM 시스템의 개발을 위해 필수적이지만 비용 및 시간이 많이 소요되는 실차량 주행시험을 보완할 수 있는 수치해석 기법을 사용하여 차량동특성 및 주행조건의 변화에 대한 교량응답의 변화를 관찰하고자 하였다. 수치해석의 적절성을 검증하기 위하여 실물차량 주행시험이 수행된 동일한 경우에 대하여 차량주행 시뮬레이션을 수행하였으며, 실측결과와 유사한 해석결과를 얻을 수 있었다. 수치해석에서 고려한 변수는 차량의 주행속도, 차량의 고유진동수, 진입부의 단차크기, 횡방향 주행위치 등이며, 이들 변수의 변화에 대한 교량의 응답의 변화를 분석한 결과, 정확한 BWIM 시스템의 개발을 위해 횡방향 주행위치와 차량 고유진동수의 영향이 고려되어야 함을 확인하였다. 수치시뮬레이션 기법을 사용하여 다양한 조건에 대한 주행데이터를 적은 비용으로 생성할 수 있으므로, 최소한의 실차량 주행시험과 병행하여 다양한 하중조건에 대한 BWIM 알고리즘의 검증이 가능할 것으로 생각된다. 또한 신경망기법을 사용하는 BWIM 시스템의 경우에는 학습자료의 생성에 활용하여 신경망기법을 활용할 때 어려운 점 중 하나인 충분한 양의 신뢰성있는 학습자료 확보에 기여할 수 있을 것으로 생각된다. Bridge Weigh-in-Motion(BWIM) system calculates a travelling vehicle's weight without interruption of traffic flow by analyzing the signals that are acquired from various sensors installed in the bridge. BWIM system or data accumulated from the BWIM system can be utilized to development of updated live load model for highway bridge design, fatigue load model for estimation of remaining life of bridges, etc. Field test with moving trucks including various load cases should be performed to guarantee successful development of precise BWIM system. In this paper, a numerical simulation technique is adopted as an alternative or supplement to the vehicle traveling test that is indispensible but expensive in time and budget. The constructed numerical model is validated by comparison experimentally measured signal with numerically generated signal. Also vehicles with various dynamic characteristics and travelling conditions are considered in numerical simulation to investigate the variation of bridge responses. Considered parameters in the numerical study are vehicle velocity, natural frequency of the vehicle, height of entry bump, and lateral position of the vehicle. By analyzing the results, it is revealed that the lateral position and natural frequency of the vehicle should be considered to increase precision of developing BWIM system. Since generation of vehicle travelling signal by the numerical simulation technique costs much less than field test, a large number of test parameters can effectively be considered to validate the developed BWIM algorithm. Also, when artificial neural network technique is applied, voluminous data set required for training and testing of the neural network can be prepared by numerical generation. Consequently, proposed numerical simulation technique may contribute to improve precision and performance of BWIM systems.

수치 시뮬레이션을 이용한 기포장막의 거동 및 주변 유동장 분석

장성철(Sung-Chul Jang),이상협(Sang-Hyub Lee),윤한삼(Han-Sam Yoon) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.5

본 연구는 수중에서 방출되는 기포의 선 공급원에 의하여 생성되는 기포장막의 거동 현상과 기포장막 외부 흐름에 대한 유체의 거동을 해석하기 위하여 수치해석 시뮬레이션을 활용한 연구를 수행하였다. 지배방정식은 질량, 운동량 및 부력 보존방정식을 적용하여 공기의 압축성과 상승하는 기포와 물 사이의 속도 차를 해석하는 방법으로 부력 방정식을 적용하였다. 수치해석 시뮬레이션 결과는 선행 연구자들의 실험 데이터와 비교하여 모델의 유효성에 대한 검증을 수행하였다. 실험 데이터와의 비교는 본 연구에 적용된 모델이 기포장막의 거동을 잘 예측하고 혼입계수 및 수평 흐름장에서의 기포 확산 비율의 추정치를 잘 산출하였으며 기포장막 외부 흐름의 재현에서도 유의미한 결과를 도출하였다. In order to analyze the behavior of the bubble curtain generated by the air source discharged from underwater and fluid behavior of the external flow of the bubble curtain, this study using the numerical simulation was performed. The governing equation is a method of analyzing the compressibility of air and the difference in velocity between rising bubbles and water by applying the equations for conservation of mass, momentum, and buoyancy, and is used as the buoyancy equation. The numerical analysis simulation results were compared with the experimental data of previous researchers to verify the validity of the model. The comparison with the experimental data showed that the model applied in this study predicted the behavior of the bubble envelope well, calculated well the estimates of the entrainment coefficient and the bubble diffusion rate, and also derived significant results in the prediction of the flow outside the bubble envelope.

RC슬래브와 연성충격체의 충돌시뮬레이션 영향인자 분석

정철헌,이정휘,김상윤,이재하,Chung, Chul-Hun,Lee, Jung-Whee,Kim, Sang-Yun,Lee, Jae-Ha 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.6

본 논문에서는 외연적 수치해석기법을 사용한 RC슬래브와 연성충격체의 충돌시뮬레이션 수행시 결과에 영향을 미칠 수 있는 영향인자들에 대한 변수연구를 수행하여 각 인자들이 해석결과에 미치는 영향을 고찰하였다. 수치시뮬레이션은 1970~1980년대에 독일에서 원자력발전소의 항공기충돌 설계와 관련하여 수행한 다수의 시험 중 하나인 Meppen test에 대하여 수행하였으며, 총 21case의 실험 중 II/4 실험의 경우를 대상으로 하였다. 수치해석에 사용한 software는 LSTC사의 LS-DYNA이며, 변수연구에서 고려한 인자로는 콘크리트와 강재의 재료모델, strain rate 효과, 지점조건의 모델링 방법 등이다. 이러한 인자들에 대한 적절한 고려를 통해 보다 정확한 시뮬레이션 결과를 얻을 수 있으며, 특히 콘크리트 재료모델의 경우 해석결과에 미치는 영향이 가장 크므로 각 모델별 특징을 사전에 인지하고 해석케이스에 적절한 재료모델을 선택하는 것이 중요할 것으로 판단된다. This study investigates influencing factors on numerical crash simulation between RC slab and soft projectile using explicit dynamic method. Considered experimental test is the MEPPEN II/4 test, which has been conducted at the end of the years 70' in Germany as one of the numerous experimental test related to design of nuclear power plants. LS-DYNA software is adopted for numerical study, and influencing factors such as constitutive model of concrete, strain rate effect of steel and concrete, support modeling method, etc. are investigated. More reasonable simulation results can be achieved through appropriate consideration of these factors, especially of constitutive model of concrete material since this factor affects most among the investigated factors.

3차원 공간정보 기반의 가상 시뮬레이션을 통한 피해정보 구현

조명흠,서정택,이철용,박영진,Cho. Myeong-Heum,Seo. Jung-Taek,Lee. Chol-Young,Park. Young-Jin 한국방재학회 2011 한국방재학회논문집 Vol.11 No.5

최근 기상이변으로 인하여 대규모의 자연재해 발생빈도가 높아지고 있다. 그 중 특히, 여름철 태풍이나 국지성 집중호우 등에 의한 풍수해 피해가 증가하고 있다. 이러한 자연재해의 효과적인 예방 대비 대응 복구를 위해 GIS, IT, 원격탐사 등 공간정보와 첨단기술을 활용한 재해정보체계 구축과 활용에 대한 니즈가 증가되고 있다. 또한, 기존의 재난관리시스템이 갖는 2차원적 GIS의 한계점과 복합적인 재난대응에 대한 다양한 요구의 충족에 대한 필요성이 대두되고 있다. 관련하여 본 연구에서는 고해상도 공간영상과 현장조사를 통한 피해정보를 DB화하여 기존의 2차원 재해정보의 한계를 뛰어넘는 3차원 재해정보표출에 대해 검토하였다. 연구대상지역으로는 2008년 7월 말 집중호우로 인해 큰 피해를 입은 경상북도 봉화군 춘양면 서벽리 일대를 선정하였으며, 관련 피해현황을 파악하여 `2008년도 자연재난조사 및 복구계획수립 지침`의 피해공종별로 구분 정리 하였다. 또한, 1/25,000 수치지형도 중 등고선과 표고점을 추출하여 수치표고모델을 생성하였으며, 생성된 수치표고모델의 속성 값 중 높이값을 이용하여 피해지역의 3차원 재해시뮬레이션을 제작하였다. 이는 2차원 보다 정확하고 효과적인 시각적 표출이 가능하게 하며 실제로, 재해에 대한 사실적 묘사를 통하여 시민으로 하여금 경각심을 고취시키고 정책 결정자들로 하여금 관련 업무에 있어 의사결정에 도움이 클 것으로 판단된다. Recently, large-scale natural disasters have frequently hit our life from extreme climate change. Especially summer typhoons and regional downpours have caused more flooding damage than ever before. To effectively prevent the natural disasters, it is required to establish an emergent information system making use of spatial and geographical information and the state-of-the art technologies such as GIS, IT and Remote Sensing. In addition, it is necessary to overcome the limits of the existing two-dimensional GIS and to respond to various, complex demands from users. Accordingly, this study was aimed at making Database about damage information with the use of high-definition spatial images and field investigations, and thereby at expressing three-dimensional information on the damage beyond the existing two-dimensional information. This study had been conducted on the region at Seobyeok-ri, Bonghwa-gun, Gyeongsangbuk-do, which suffered a massive damage caused by downpour at the end of July, 2008. Based on the investigation, this study explored the status of relevant damage, and divided the damage according to the `2008 Guidelines on the investigation of natural disasters and the establishment of restoration planning.` In addition, it extracted contour lines and elevation points from a 1/5,000 digital topographic map to create a digital elevation model (DEM), and with the use of the height values in the DEM, it produced a three-dimensional disaster simulation of the damaged region. Therefore, it is determined to allow the public to raise awareness on the disaster due to its realistic description and to help policy makers make a decision on relevant issues.