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문제 정의
- 본 연구는 용담댐 유역에 설치된 파샬플륨의 유량측정에 대한 신뢰성을 판단하기 위하여 3차원 유한차분모형 FLOW-3D(Flow Science, 1996X 이용하여 파샬플륨내의 흐름을 해석하였다. 또한 2003년 유량측정성과로 작성된 수위-유량관계식, ISO에서 제시한 공식 및 USBR의 WMM(Water Measurement Manual, 1997)에서 제시한 공식에 의한 유량을 산정하였다.
- 본 연구에서는 파샬플륨에서의 흐름양상을 파악하기 위하여 파샬플륨 및 주변에서의 흐름형상 및 유속분포를 분석하였고 또한 유량을 산정하였다. 5피트의 동향파샬플륨을 해석대상으로 하였으며, 흐름 조건은 유출 부의 수위에 영향을 받지 않는 완전월류(free-flow) 상태로 하였다.
제안 방법
- 갈수기는 물속을 도보로 이동하면서 실시하는 회전식 유속계를 사용하였고, 홍수 기는 표면 유속을 측정하는 전자파표면 유속계를 이용하였다. 2003년 회전식 유속계에 의한 측정은 23회 실시하였고 전자파 표면 유속계에 의한 측정은 45회를 실시하여 총 68회의 유량측정을 실시하였다. 이 성과중 태풍 매미 등으로 하천단면이 크게 변화하여 홍수후의 성과 만을 회귀 분석하여 표 3의 수위-유량 관계식을 얻었다.
- 유량측정은 수위가 낮은 평 . 갈수기는 물속을 도보로 이동하면서 실시하는 회전식 유속계를 사용하였고, 홍수 기는 표면 유속을 측정하는 전자파표면 유속계를 이용하였다. 2003년 회전식 유속계에 의한 측정은 23회 실시하였고 전자파 표면 유속계에 의한 측정은 45회를 실시하여 총 68회의 유량측정을 실시하였다.
- 흐름을 해석하였다. 또한 2003년 유량측정성과로 작성된 수위-유량관계식, ISO에서 제시한 공식 및 USBR의 WMM(Water Measurement Manual, 1997)에서 제시한 공식에 의한 유량을 산정하였다. 이렇게 3차원 모형에 의한 흐름해석과 각 방법별로 산정된 유량을비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 수위-유량관계식은 2003년 홍수후의 측정성과만을 이용하여 작성된 식을 사용하여 유량을 산정하였다. 또한 FLOW-3D로 3차원 모의를 하여 각 경우에 대한 유량을 구하였다.
- 지물의 경계로 발생하는 벽면(wall)로 하여 흐름이 없는 것으로 하였다. 또한, 초기조건은 모의시간에 영향을 미치는 가장 중요한 인자로서 모의시간을 최소화하기 위하여 상하류 수위가 정상 상태에 해당하는 고정수위를 초기조건으로 하였다. 그림 7은 파샬플륨의 수치모의에 적용한 경계조건을, 그림 8은 초기조건을 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 용담댐 시험유역에 국내 최초로 설치된 동향 파샬플륨의 흐름형상, 유속분포 및 유량을 산정하였다. 특히, 동향 파샬플륨직상류 200m 지점에는 동향 수위관측소가 있고 유량측정을 수행하고 있어서, 이 지점의 유량측정성과에 의한 수위-유량곡선식으로부터 산정된 유량, 동향 파샬플륨의 FLOW-3D에 의해 산정된 유량, ISO 및 USBR의 WMM(Water Measurement Manual, 1997)의 유량공식에 의해 산정된 유량을 비교하였다.
- 있다. 본 연구에서는 파샬플륨의 관측정이 위치하고 있는 지점인 파샬플륨 상류측 끝에서 하류방향으로 1.2m 지점인 단면에서 유량을 산정하였다. 유량을 산정한 흐름 조건은 3.
- 또한 2003년 유량측정성과로 작성된 수위-유량관계식, ISO에서 제시한 공식 및 USBR의 WMM(Water Measurement Manual, 1997)에서 제시한 공식에 의한 유량을 산정하였다. 이렇게 3차원 모형에 의한 흐름해석과 각 방법별로 산정된 유량을비교하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 5피트의 동향파샬플륨을 해석대상으로 하였으며, 흐름 조건은 유출 부의 수위에 영향을 받지 않는 완전월류(free-flow) 상태로 하였다. 이를 위해, 하류 경계조건으로 사용한 수위는 상류 경계조건 수위의 50%를 적용하였다. 한편, 파샬플륨은 실험을 통하여 규격별로 완전월류가 발생하 는 한계를 잠수도(submergence ratio, HJH)로서 제 시하고 있는데 USBR은 5피트 파샬플륨의 완전월류 한 계를 잠수도 70%로 하고 있다
- 전술한 바와 같이 파샬플륨의 유량공식에 실측수위 (H疽를 적용하여 유량을 산정하였고, 파샬플륨의 수위 측정시각과 동일한 시각의 동향 수위관측소의 수위를 수위-유량관계식에 대입하여 유량을 산정하였다. 수위-유량관계식은 2003년 홍수후의 측정성과만을 이용하여 작성된 식을 사용하여 유량을 산정하였다.
- 및 유량을 산정하였다. 특히, 동향 파샬플륨직상류 200m 지점에는 동향 수위관측소가 있고 유량측정을 수행하고 있어서, 이 지점의 유량측정성과에 의한 수위-유량곡선식으로부터 산정된 유량, 동향 파샬플륨의 FLOW-3D에 의해 산정된 유량, ISO 및 USBR의 WMM(Water Measurement Manual, 1997)의 유량공식에 의해 산정된 유량을 비교하였다.
- 주어져야 한다. 파샬플륨 직상류의 준설로 인하여 상류에 큰 저수지가 있는 상태와 유사한 안정된 곳으로부터 경계조건이 시작하는 것으로 하여 상류면 (Xmin) 에는 상류의 고정수두를 하류면 (XmaQ 에는 하류의 고정수두를 입력하였으며 상 (Zmax), 좌안 ( Kmax ), 우안( ¥min)은 마찰이 작용하지 않는 구조로 하였고 하( 2„而)는 지형 . 지물의 경계로 발생하는 벽면(wall)로 하여 흐름이 없는 것으로 하였다.
- 파샬플륨을 중심으로 더 길은 좌안 보의 길이를 우안 보의 길이와 같도록 해석영역을 한정함으로써 수치해석 시간과 격자의 크기를 줄였다. 해석영역은 파샬플륨으로부터 상류 10m, 하류 14.
- 파샬플륨의 흐름형상 및 유속분포를 분석하기 위하여 표 1의 경계조건을 FL0W-3D에 적용하였다. 경계조건으로 입력된 고정 수위는 표 1에서 관측된 수위에 파샬플륨의 기초깊이 0.
대상 데이터
- 분석하였고 또한 유량을 산정하였다. 5피트의 동향파샬플륨을 해석대상으로 하였으며, 흐름 조건은 유출 부의 수위에 영향을 받지 않는 완전월류(free-flow) 상태로 하였다. 이를 위해, 하류 경계조건으로 사용한 수위는 상류 경계조건 수위의 50%를 적용하였다.
- 대상영역은 상, 흐K바닥), 좌안, 우안, 상류, 하류 등 6 개의 경계면이 형성되는데 모든 경계면에 대하여 경계조건이 주어져야 한다. 파샬플륨 직상류의 준설로 인하여 상류에 큰 저수지가 있는 상태와 유사한 안정된 곳으로부터 경계조건이 시작하는 것으로 하여 상류면 (Xmin) 에는 상류의 고정수두를 하류면 (XmaQ 에는 하류의 고정수두를 입력하였으며 상 (Zmax), 좌안 ( Kmax ), 우안( ¥min)은 마찰이 작용하지 않는 구조로 하였고 하( 2„而)는 지형 .
- 5m, 좌 . 우안 보의 길이 10.5m로 격자는 그림 6과 같이 흐름 방향(X) 60개, 흐름의 횡방향(Y) 59개, 높이 방향(Z) 15개로 분할하여 총 53, 100개의 격자를 구성하였다.
- 유체는 비압축성으로 밀도를 물의 밀도(l, 000k&W) 를 사용하였고 점성계수는 0.001Pa・s를 적용하였으며 중력가속도는 Z방향의 역방향으로 9.8%을 사용하였다. 그리고 동향 파샬플륨의 재질은 스테인레스로서 표면이 매우 매끄럽고 또한 흐름이 중력과 관성력에 의해 지배되기 때문에 조도계수는 적용하지 않았다.
데이터처리
- 2003년 회전식 유속계에 의한 측정은 23회 실시하였고 전자파 표면 유속계에 의한 측정은 45회를 실시하여 총 68회의 유량측정을 실시하였다. 이 성과중 태풍 매미 등으로 하천단면이 크게 변화하여 홍수후의 성과 만을 회귀 분석하여 표 3의 수위-유량 관계식을 얻었다. 유량은 표 1의 파샬플륨 수위 관측시 동향 수위관측소의 수위자료를 수위-유량관계식에 적용하여 산정하였다.
이론/모형
- 발생되므로 난류모델을 적용했다. 난류의 가장중요한 특징인 도수, 흐름분리 현상 등이 발생하는 수로의 감세흐름 및 혼합흐름을 모의하기 위해 RNG 모형을 사용했다. 이 난류모형은 거의 모든 흐름조건에 만족하는 크고 작은 레이놀즈 수를 제공한다.
- 또한 제트, 비산 등과 같은 복잡한 자유표면 운동 해석을 위하여 VOF(Volume of Fluid) 기법(Hirt and Nichols, 1981)을 이용한다. 일반적인 해석단계로는 해석영역을 작은 격자로 나누는 것으로 시작하여 각 격자에 대해 주어진 조건에 따른 속도, 압력 등의 인자를 계산하게 된다.
- 수위-유량관계식은 2003년 홍수후의 측정성과만을 이용하여 작성된 식을 사용하여 유량을 산정하였다. 또한 FLOW-3D로 3차원 모의를 하여 각 경우에 대한 유량을 구하였다.
- 일반적인 해석단계로는 해석영역을 작은 격자로 나누는 것으로 시작하여 각 격자에 대해 주어진 조건에 따른 속도, 압력 등의 인자를 계산하게 된다. 압력항은 SOR(Successive Over Relaxation) 방법이나 SADKSpecial Alternating Dir ection line Implicit) 방법을 사용하여 계산한다. 계산과정은 식 (2a) ~ (2c)를 사용하여 유속과 압력을 구하고, 자유표면 흐름인 경우에는 식 (3)을 사용하여 유체표면의 위치를 계산하게 된다.
- 각 방향 유속이며, Ax Ay< Az는 각 방향요소면적이다. 운동량 방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 아래 식과 같다
- 이 성과중 태풍 매미 등으로 하천단면이 크게 변화하여 홍수후의 성과 만을 회귀 분석하여 표 3의 수위-유량 관계식을 얻었다. 유량은 표 1의 파샬플륨 수위 관측시 동향 수위관측소의 수위자료를 수위-유량관계식에 적용하여 산정하였다. 적용한 동향 수위관측소의 수위자료는 표 4와 같다.
- 파샬플륨은 수로내에서 도수가 발생하는 시설물로서 난류가 발생되므로 난류모델을 적용했다. 난류의 가장중요한 특징인 도수, 흐름분리 현상 등이 발생하는 수로의 감세흐름 및 혼합흐름을 모의하기 위해 RNG 모형을 사용했다.
성능/효과
- (1) ISO 유량공식에 의해 산정된 유량은 USBR의 공식에 의한 유량과 거의 동일하였고, FLOW-3D 모형에 의한 유량보다는 9%정도 작게 나타났으며, 수위-유량관계식에 의한 유량보다는 16% 정도 크게 나타나 당해연도의 많은 유량측정 성과와 훙수 이후 자료만으로 작성되었음에도 불구하고 가장 부정확한 값을 나타냈다.
- (2) 수위-유량관계식에 의한 유량이 가장 부정확한 이유는 측정자, 측정방법 등에 따라 달라지는 유량측정 성과와 수위-유량관계식의 불확실성에 기인하는 것으로 판단된다.
- 6% 작은 값을 나타냈다. USBR 공식에 의한 유량은 ISO 공식에 의한 유량과 거의 동일한 유량값을 보였으나, FLOW-3D로 산정된 유량은 ISO공식에 의한 유량보다 약 9% 크게 나타났다.
- 2003년 홍수이후 평 . 갈수량 측정성과를 이용하여작성된 수위-유량관계식에 의한 유량은 ISO공식에 의한 유량보다 약 16.6% 작은 값을 나타냈다. USBR 공식에 의한 유량은 ISO 공식에 의한 유량과 거의 동일한 유량값을 보였으나, FLOW-3D로 산정된 유량은 ISO공식에 의한 유량보다 약 9% 크게 나타났다.
후속연구
- (4) 본 연구에서는 파샬플륨의 재질이 스테인레스로 매끈하여 조도(roughness height)를 고려하지 않았으나, 조도계수를 반영할 경우 ISO 공식에 의한 유량과 더 근접할 것으로 예상되며, 또한 수위 -유량관계식에 의한 유량과의 비교 보다 실측 유량과의 비교가 더욱 정확한 평가가 될 것으로 판단된다.
- ⑶ FLOW-3D 모형은 구조물 설계시 취약부분, 고려해야 하는 부분 등의 흐름형상 및 유속분포를 상세하게 파악할 수 있을 것으로 판단된다.
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