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문제 정의
- 본 연구에서는 표 2와 같이 유입경계조건인 수위를 변화시켜가며, 모의결과를 검토하였다. 수위는 설계 수두의 0.
- 설계한다. 즉, 예연웨어 (sharp-crested weir) 월류 수맥의 하부경계면과 일치하도록 여수로의 종단형을 설계하는 것이다. 이 경우 설계수두에 비해 실제수두가 낮은 경우에는 여수로 표면에 양압이, 실제수두가 높은 경우에는 여수로 표면에 부압이 발생한다.
- 모의 결과는 WES의 실험자료와 비교하였으며, 교각이 없는 월류형 여수로에 대한 2차원 모의결과와도 상호 비교하였다. 특히 교각이 설치된 월류형 여수로에서의 수위와 압력분포에 대한 특성을 상세히 고찰하였다. 유량, 수위 및 압력분포에 대한 모의결과, 부분적으로 WES의 실험결과와 차이가 발생하는 곳이 있으나, 대부분 그 경향이 일치하였다.
제안 방법
- 33배를 초과하지 않도록, 미 공병단의 WES는 부압이 -5m보다 하강하지 않도록 권장하고 있다 (Chow, 1959; 한국수자원학회, 2003). WES는 USBR과 기존 연구자의 실험자료 등을 이용하여 월류형 여수로의 표준형을 제안하였다. 그리고 이러한 여수로에 대해 접근수로에서의 수리학적인 조건, 교각의 유무, 교각 전면부 (pier nose)의 형상 등에 따른 흐름 거동을 실험을 통해 제시하였다.
- 세밀한 격자를 이용하여 재계산하는 경우에는 앞의 계산결과를 초기조건으로 부여하였다. 계산 결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류 운동에너지, 유입 및 유출유량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의 수렴조건을 만족하도록 초기격자에서 30초, 세밀한 격자에서 20초 동안 계산한 결과를 이용하여 분석하였다.
- WES는 USBR과 기존 연구자의 실험자료 등을 이용하여 월류형 여수로의 표준형을 제안하였다. 그리고 이러한 여수로에 대해 접근수로에서의 수리학적인 조건, 교각의 유무, 교각 전면부 (pier nose)의 형상 등에 따른 흐름 거동을 실험을 통해 제시하였다.
- 계산격자는 여수로 부근의 흐름이 급변하는 곳은 격자크기를 작게, 흐름의 변화가 완만한 곳은 격자크기를 크게 하였다. 또한 수렴속도를 빠르게 하기 위하여 처음에는 격자를 크게 하여 모의하고, 이를 초기조건으로 하여 세밀한 격자에서 최종 결과를 얻을 수 있도록 하였다. 격자의 크기와 격자망의 구성은 표 1과 같다.
- 33배 사이의 5가지 경우에 대하여 모의하였다. 또한, 교각의 영향을 검토하기 위하여, 교각이 없는 경우에 대해서는 2차원 (교각이 없는 경우는 여수로의 형상이 x-z평면의 2차원 형상이므로, 표 1에서 y 방향 격자를 1개로 구성)으로 모의하고 교각이 설치되는 경우에는 3차원으로 모의하였다.
- 해석하였다. 모의결과는 WES의 실험자료와 비교하였으며, 본 연구에서는 특히, 교각이 설치되어 있는 월류형 여수로에서의 월류수맥과 압력분포에 대한 특성을 상세히 고찰하였으며, 교각이 없는 경우인 2차원 모의결과와도 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는 WES의 표준 월류형 여수로에 교각이 설치되어 있는 경우에 대한 흐름거동을 FLOW -3D를 이용하여 해석하였다. 모의결과는 WES의 실험자료와 비교하였으며, 본 연구에서는 특히, 교각이 설치되어 있는 월류형 여수로에서의 월류수맥과 압력분포에 대한 특성을 상세히 고찰하였으며, 교각이 없는 경우인 2차원 모의결과와도 상호 비교하였다.
- 본 연구에서는 교각이 설치된 WES의 표준 월류형 여수로에 대한 동수역학적인 흐름거동을 F* LOW-3D 이용하여 해석하였다. 모의 결과는 WES의 실험자료와 비교하였으며, 교각이 없는 월류형 여수로에 대한 2차원 모의결과와도 상호 비교하였다.
- 계산 결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류 운동에너지, 유입 및 유출유량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의 수렴조건을 만족하도록 초기격자에서 30초, 세밀한 격자에서 20초 동안 계산한 결과를 이용하여 분석하였다.
- 이상의 검토결과 여수로 표면의 조도가 여수로에서의 흐름거동에 큰 영향을 미치지 않고 있음을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 여수로, 교각 및 접근수로 표면의 상당조도를 0.5mm로 고정시키고 계산을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 여수로의 설계수두, Hv는 10.0 m를 사용하였으며 P/Hd는 1.5를 사용하였다. 계산격자는 여수로 부근의 흐름이 급변하는 곳은 격자크기를 작게, 흐름의 변화가 완만한 곳은 격자크기를 크게 하였다.
- 05 mm의 값을 가진다. 여기에서는 비교적 매끄러운 콘크리트 표면의 상당 조도에 해당하는 0.5 mm를 사용하였다.
데이터처리
- 해석하였다. 모의 결과는 WES의 실험자료와 비교하였으며, 교각이 없는 월류형 여수로에 대한 2차원 모의결과와도 상호 비교하였다. 특히 교각이 설치된 월류형 여수로에서의 수위와 압력분포에 대한 특성을 상세히 고찰하였다.
이론/모형
- 물과 공기의 경계인 자유수면을 모델링하기 위하여 VOF (volume of fluid)함수를 정의하는데, 함수의 값이 1인 경우는 검사체적에 물이 가득한 상태를 의미하고 함수의 값이 0인 경우는 검사체적에 물이 없는 경우를 의미하고 자유수면에서는 함수의 값이。과 1사이의 값을 가진다. 난류모형은 k -€난류모델을 사용하였다. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자 계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR (fractional area and volume obstacle representation)기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근 방법으로 해석된다.
- 지배방정식의 차분식은 운동방정식의 압력항과 연속방정식의 유속항을 제외하면 모두 양해법으로 차분된다. 연속방정식을 만족하도록 압력 항을 계산하기 위해서는 SOR(successive over relaxation)법과 SADKspecial alternating-direction line implicit) 법을 사용할 수 있다. 계산절차는 (1) 운동방정식을 양해법으로 풀어서 각 방향의 유속을 계산 (2) 연속방정식을 만족하도록 운동방정식의 압력과 유속을 반복 계산 (3) 자유수면, 난류특성을 계산하는 순서로 이루어진다.
- 난류모형은 k -€난류모델을 사용하였다. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자 계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR (fractional area and volume obstacle representation)기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근 방법으로 해석된다. 지배방정식의 차분식은 운동방정식의 압력항과 연속방정식의 유속항을 제외하면 모두 양해법으로 차분된다.
성능/효과
- 김남일 (2003), 이길성과 이종현 (2003)은 FLOW- 3D 모형을 이용하여, 여수로의 수리모형실험시 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡에 대해 검토하였다. 검토결고!", 대축척에서의 유량 및 유속이 소축척에서의 값보다 일반적으로 크게 나타남을 보였다. 또한 수치모형실험을 통해 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡을 최소화하면서 가장 경제적인 수리모형의 축척비를 도출할 수 있음을 보였다.
- 1) 교각 전면부 상류의 국부적인 수위상승으로 인한파랑이 하류로 진행하면서 여수로 중앙부의 수위는 증가시키고, 여수로 측면부에서의 수위는 감소시킨다.
- 2) 수두가 여수로의 설계수두보다 높은 경우 부압이발생하는데, 부압은 웨어마루 상류 여수로 표면에서 발생하기 시작하여 웨어마루를 지나 하류로 이동하면서 연직방향으로 확산하며 그 절대 크기는 감소하는 현상을 보인다.
- 3) 웨어마루 상류에서는 여수로 측면부의 유속이 중앙부에 비해 크고, 웨어마루 하류에서는 여수로 중앙부의 유속이 크게 나타난다. 그리고 여수로 표면 부근의 유선을 추적한 결과, 웨어마루 상류에서는 여수로 측면부의 유선이 중앙부의 유선보다 곡률반경이 작고, 웨어마루 하류에서는 거의 동일한 곡률반경을 보이고 있다.
- 유량, 수위 및 압력분포에 대한 모의결과, 부분적으로 WES의 실험결과와 차이가 발생하는 곳이 있으나, 대부분 그 경향이 일치하였다. 따라서 기존 댐 및 신규 댐 여수로의 수리학적 안정성과 기능성을 평가할 때, FLOW-3D가 효과적으로 이용될 수 있음이 확인되었다. 또한 수치모델링은 전 모델링 범위의 유속과 압력분포를 구할 수 있기 때문에, 수리모형실험에 비해 흐름거동을 구체적으로 해석하고 시각화할 수 있는 장점이 있다.
- 검토결고!", 대축척에서의 유량 및 유속이 소축척에서의 값보다 일반적으로 크게 나타남을 보였다. 또한 수치모형실험을 통해 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡을 최소화하면서 가장 경제적인 수리모형의 축척비를 도출할 수 있음을 보였다. 김영한 등 (2003)은 FLUENT 모형을 이용하여 여수로 등 방류구조물에서의 수리현상을 모의한 바 있다.
- Olsen과 Kjellesvig (1998)은 여수로에서의 흐름을 해석하기 위하여 RANS와 난류모델을 지배방정식으로 하여 수치모의 하였다. 수면변위와 유량계수에 대한 적절한 수치모의 결과는 여수로에서의 흐름을 해석하는 데에 수치모형이 효과적으로 이용될 수 있음을 보여주는 것이었다. Savage 등 (2001)과 Ho 등 (2001)은 RANS를 지배방정식으로 하는 상업용 전산유체역학 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 월류형 여수로의 수면 변위와 압력분포를 계산하였다.
- 06%의 오차를 보이고 있다. 이상의 검토결과 여수로 표면의 조도가 여수로에서의 흐름거동에 큰 영향을 미치지 않고 있음을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 여수로, 교각 및 접근수로 표면의 상당조도를 0.
- Savage 등 (2001)과 Ho 등 (2001)은 RANS를 지배방정식으로 하는 상업용 전산유체역학 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 월류형 여수로의 수면 변위와 압력분포를 계산하였다. 특히, 여수로의 설계 수두에서 벗어난 저수지 수위에 대한 여수로에서의 흐름 해석 시, 수치모형을 이용하는 것이 경제성과 정확성의 측면에서 합리적인 검토방법이 될 수 있음을 보여주었다. 김남일 (2003), 이길성과 이종현 (2003)은 FLOW- 3D 모형을 이용하여, 여수로의 수리모형실험시 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡에 대해 검토하였다.
후속연구
- 이 경우 여수로에서의 동수역학적인 흐름거동을 파악하는 데에 수치모형실험은 효율적으로 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 신규 댐의 계획시에도 수리모형실험의 상호 보완적인 검토를 위해 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 수치모델링은 전 모델링 범위의 유속과 압력분포를 구할 수 있기 때문에, 수리모형실험에 비해 흐름거동을 구체적으로 해석하고 시각화할 수 있는 장점이 있다. 하지만 지배방정식으로 RANS 를 사용하는 수치모형은 난류로 인한 국부적인 흐름 및 압력 변동 등은 계산할 수 없기 때문에, 해석하고자 하는 구체적인 문제에 따라 현장관측, 수리모형실험, 수치모형실험을 상호 보완적으로 사용해야 할 것이다.
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