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문제 정의
- 설계한다. 즉, 예연웨어 (sharp-crested weir) 월류 수맥의 하부경계면과 일치하도록 여수로의 종단형을 설계하는 것이다. 이 경우 설계수두에 비해 실제 수두가 낮은 경우에는 여수로 표면에 양압이, 실제 수두가 높은 경우에는 여수로 표면에 부압이 발생한다.
- 본 연구에서는 표 2와 같이 수문의 개방고와 저수지의 수위를 변화시켜가며, 28가지 조건에 대해 모의결과를 검토하였다.
제안 방법
- 연구가 미미한 상태에 머물러 있다. 본 연구에서는 USAGE (1998)의 표준 월류형 여수로에 테인터수문이설치되어 있는 경우, 수문을 부분 개방하는 경우에 대한 흐름거동을 FLOW-3D를 이용하여 해석하였다. 모의결과는 USACE (19&)의 자료와 비교하였으며, 특히 수문 개방도에 따른 유량계수, 여수로 바닥면 및 수문에 작용하는 압력분포의 해석에 주안점을 두었다.
- 본 연구에서는 USAGE (1998)의 표준 월류형 여수로에 테인터수문이설치되어 있는 경우, 수문을 부분 개방하는 경우에 대한 흐름거동을 FLOW-3D를 이용하여 해석하였다. 모의결과는 USACE (19&)의 자료와 비교하였으며, 특히 수문 개방도에 따른 유량계수, 여수로 바닥면 및 수문에 작용하는 압력분포의 해석에 주안점을 두었다.
- 본 연구에서는 USAGE (1998)의 표준 월류형 여수로에 테인터수문이설치되어 있는 경우, 수문을 부분 개방하는 경우에 대한 흐름거동을 FLOW-3D를 이용하여 해석하였다. 모의결과는 USACE (19&)의 자료와 비교하였으며, 특히 수문 개방도에 따른 유량계수, 여수로 바닥면 및 수문에 작용하는 압력분포의 해석에 주안점을 두었다.
- 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.
- 모의구간의 상부면은 대칭경계조건을 부여하였으나, 경계면과 물 사이에는 대기압의 공기층이 존재하고 있어, 물의 흐름은 경계조건의 영향을 받지 않는다. 여수로와 테인터수문을 포함한 벽면에서는 무활 경계조건을 부여하였으며, 벽면에서의 난류경계치를 산정하기 위해서는 벽함수를 사용하였다. 윤용남 (2002)에 의하면 콘크리트 표면의 상당조도는 표면처리 여부에 따라 0.
- 05 mm의 값을 가진다. 본 연구에서는 접근수로와 여수로에 대해서 비교적 매끄러운 콘크리트 표면의 상당조도에 해당하는 0.5 mm를 사용하였으며, 테인터수문에 대해서는 0.05 mm의 상당조도를 이용하였다.
- 세밀한 격자를 이용하여 재계산하는 경우에는 앞의 계산 결과를 초기조건으로 부여하였다. 계산결과의 수렴 여부는 흐름의 운동에너지, 난류운동에너지, 유입 및 유출 유량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의 수렴조건을 만족하도록 초기격자에서 200초, 세밀한 격자에서 20초 동안 계산한 결과를 이용하여 분석하였다.
- 계산결과의 수렴 여부는 흐름의 운동에너지, 난류운동에너지, 유입 및 유출 유량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의 수렴조건을 만족하도록 초기격자에서 200초, 세밀한 격자에서 20초 동안 계산한 결과를 이용하여 분석하였다.
- PMF 방류를 제외한 대부분의 경우에 수문은 완전 개방이 아닌 부분 개방 상태로 운영되기 때문에 홍수량의 안정적인 배제 및 수자원의 효율적인 관리를 위해서는 수문의 개방고 및 개방도에 따른 수리학적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 USACE (1988)의 표준 월류형 여수로 에테인 터 수문이 설치되어 있는 경우, 수문을 부분 개방하는 경우에 대한 흐름거동을 FLOW-3D를 이용하여 해석하였다. 특히 수문 개방도에 따른 유량계수, 여수로 바닥 면 및 수문에 작용하는 압력분포의 해석에 주안점을 두었다.
- 723의 범위를 가지는 것으로 나타났는데, 기존 실험 결과와 비교할 때 대체로 합리적인 값인 것으로 판단된다. 이러한 모의결과를 바탕으로 완전 월류 유량을 이용하여 수문을 부분 개방한 경우의 월류 유량을 산정할 수 있는 식 ⑹과 ⑺을 제안하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 여수로의 설계수두, Hd는 10.0 m를 사용하였으며 P/Hd는 1.5를 사용하였다. 계산격자는 여수로 부근의 흐름이 급변하는 곳은 격자크기를 작게, 흐름의 변화가 완만한 곳은 격자크기를 크게 하였다.
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 0 과 1사이의 값을 가진다. 난류모형은 RNG k -€난류모델을 사용하였다 (Yaktiot, 1992). 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성 시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR (fractional area and volume obstacle representation) 기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근방법으로 해석된다.
- 난류모형은 RNG k -€난류모델을 사용하였다 (Yaktiot, 1992). 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성 시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR (fractional area and volume obstacle representation) 기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근방법으로 해석된다. 지배방정식의 차분식은 운동방정식의 압력 항과 연속방정식의 유속항을 제외하면 모두 양해법으로 차분된다.
- 지배방정식의 차분식은 운동방정식의 압력 항과 연속방정식의 유속항을 제외하면 모두 양해법으로 차분된다. 연속방정식을 만족하도록 압력 항을 계산하기 위해서는 SOR(successive over relaxation) 법고} SADI (special 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.
- 비교를 위하여 식 (2)와 (3)의 결과를 함께 정리하였다. 그림 2에서 유량계수, q를 산정하기 위해서는。를 구해야 하는더], 이는 USACE (1988)에서 표준형 여수로에 대해 제시하고 있는 방법을 이용하였다. 그림 2에서 /? 가 100。이상인 경우에는 외삽이 필요한데, 본 연구에서는 기존 연구자들이 유량계수의 상한치로 주로 제안하고 있는 0.
- 그림 5는 표 3의 모의결과를 이용하여, 식 (6) 과 ⑺을 도시한 것이다. 그림 5에서 완전 월류 유량은 김대근 등 (2004)에서 기 수행된 모의결과를 이용하였다. 그림 5에서 &와 &는 각각 1.
성능/효과
- Olsen과 Kjellesvig (1998) 은여수로에서의 흐름을 해석하기 위하여 RANS와 k-e 난류모델을 지배방정식으로 하여 수치모의 하였다. 수면 변위와 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 수면변위와 압력분포를 계산하였다.
- Savage 등 (2001)과 Ho 등 (2001)은 RANS를 지배방정식으로 하는 상업용 전산유체역학 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 월류형 여수로의 수면변위와 압력분포를 계산하였다. 특히, 여수로의 설계수두에서 벗어난 저수지 수위에 대한 여수로에서의 흐름 해석시, 수치모형을 이용하는 것이 경제성과 정확성의 측면에서 합리적인 검토 방법이 될 수 있음을 보여주었다. 김남일 (2003)은 FLOW-3D 모형을 이용하여, 여수로의 수리모형실험시 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡에 대해 검토하였다.
- 김남일 (2003)은 FLOW-3D 모형을 이용하여, 여수로의 수리모형실험시 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡에 대해 검토하였다. 검토결과, 대축척에서의 유량 및 유속이 소축척에서의 값보다 일반적으로 크게 나타남을 보였다. 또한 수치모형실험을 통해 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡을 최소화 하면서 가장 경제적인 수리모형의 축척비를 도출할 수 있음을 보였다.
- 검토결과, 대축척에서의 유량 및 유속이 소축척에서의 값보다 일반적으로 크게 나타남을 보였다. 또한 수치모형실험을 통해 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡을 최소화 하면서 가장 경제적인 수리모형의 축척비를 도출할 수 있음을 보였다. 김영한 등 (2003)은 FLUENT 모형을 이용하여 여수로 등 방류구조물에서의 수리현상을 모의한바 있다.
- 수문의 개방고가 일정한 경우, 저수지의 수위가 증가할수록 (수문의 개방도가 감소할수록) HpgM 은 증가하는 경향을 보인다. 그리고 동일한 개방도에 대해 수문의 개방 고가 높을수록 수문에 작용하는 HpgM 은 증가하는 것으로 분석되었다.
- 1) 모의결과, 유량계수는 모의조건 및 월류유량 산정 방법에 따라 차이가 있으나 약 0.685에서 0.723의 범위를 가지는 것으로 나타났는데, 기존 실험 결과와 비교할 때 대체로 합리적인 값인 것으로 판단된다. 이러한 모의결과를 바탕으로 완전 월류 유량을 이용하여 수문을 부분 개방한 경우의 월류 유량을 산정할 수 있는 식 ⑹과 ⑺을 제안하였다.
- 2) 여수로면에 작용하는 무차원 압려 Hp는 수문 하류에서는 수문의 개방고와 무관한 분포를 보이나 수문 상류에서는 수문의 개방고에 영향을 받는 것으로 분석되었다. 동일한 수문 개방고에 대해 수문의 개방도가 감소할수록 그리고 동일한 개방도에 대해 수문의 개방고가 높을수록 여수로면에 부압이 크게 발생하는 것으로 분석되었다.
- 분석되었다. 동일한 수문 개방고에 대해 수문의 개방도가 감소할수록 그리고 동일한 개방도에 대해 수문의 개방고가 높을수록 여수로면에 부압이 크게 발생하는 것으로 분석되었다. 하지만이 경우에 발생하는 부압은 수문을 완전 개방한 경우에 발생하는 부압을 초과하지 않는 것으로 나타났다.
- 3) 수문에 작용하는 압력은 자유수면에서 Z = 0.4 부근까지 정수압분포를 보이며, Z = 0.15-0.2 부근에서 최대 압력이 발생한다. 여기서부터 압력은 급격히 감소하여 수문 하단부에서 대기압이 발생한다.
- 여기서부터 압력은 급격히 감소하여 수문 하단부에서 대기압이 발생한다. 동일한 수문 개방고에 대해 수문의 개방도가 감소할수록 그리고 동일한 개방도에 대해 수문의 개방고가 높을수록 무차원 압력수두의 최대값, HpgM 은 증가하는 것으로 분석되었다.
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