[논문]3차원 수치모의를 이용한 배수갑문의 방류능력 개선효과 분석

김남일; 김대근; 이길성; 김달선

doi:10.3741/jkwra.2005.38.3.189

문제 정의

물받이 끝과 원지반의 연결부 사면의 각도가 방류량에 미치는 영향을 검토해 보았다. 계획안의 사면각인 1:1을 1:5의 완경사로 변화시켜 방류량을 산정하고 이를 표 3에 정리하였다.
발전방식으로단류식 창조발전이 적용되었다. 본 연구에서는 시화호조력발전 건설사업 기본계획(한국수자원공사, 2002)에서 제시하고 있는 배수갑문 계획안(이하 계획안)의 방류능력과 유황을 검토하고, 이를 개선할 수 있는 방안을 도출하였다.
유입구측 물받이길이를 변화시키며 방류량에 미치는 영향을 검토하였다. 유출부측 물받이 길이는 앞의 검토 결과를 바탕으로 70 m로 고정하였다.
본 연구에서는 도류벽, 배수문, 물받이 등 방조제 배수갑문의 형상과 배치가 방류량에 미치는 영향을 상용 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 정량적으로 해석하였다. 이를 통해 배수갑문의 방류능력과 유황을 개선할 수 있는 방안을 도출하였다.

제안 방법

경계조건으로 시화호의 내수위와 외해의 수위를 입력하였으며, 시화호와 외해를 Multi Block으로 나누어두 지역의 수위차에 의해 흐름이 발생하도록 하였다. 본 연구에서는 시화호와 외해의 수위차가 1.
초기조건으로 시화호와 외해의 초기 수위는 각각의 경계조건과 동일하며, 다른 종속변수는 0의 값을 사용하였다. 계산결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류운동에너지, 유입 및 유출유량의 수렴 여부를 이용하여 판단하였다.
계획된 구조물이다. 계획안에서 6번 배수문이 1 번 배수문에 비해 방류량이 작은 이유는 이 연결구조물로 인한 흐름의 간섭이 영향을 미치고 있는 것으로 판단되어 연결구조물을 제거하고 유황을 검토하였다. 그림 10은 연결구조물이 있는 경우와 없는 경우의 연결구조물 주변의 유황을 각각 도시한 것이다.
중요하다. 계획안에서는 방조제 끝의 직선형 옹벽이 배수문의 도류벽 역할을 수행하고 있는데(그림 2 참조), 본 연구에서는 이 도류벽의 접근각도를 변화시키며 방류량을 산정해 보았다. 배수문 측의 도류벽 뿐만 아니라 수차구조물 측의 도류벽도 같은 방식으로 변형하여 대칭성을 유지하였다.
유입부측 물받이길이는 30 이로 고정시키고 유출부측 물받이길이를 변화시키며 방류량에 미치는 영향을 검토하였다. 단, 주변지형의 영향 및 수류의 간섭이 방류량에 미치는 영향을 배제하기 위하여 배수문 1기만을 재현하여 결과를 분석하였다. 표 1은 유출부측 물받이 길이별 방류량을 정리한 것이다.
통상 방조제 배수갑문의 방류능력은 위어공식 또는 오리피스 공식을 이용하여 산정하는데, 이 경우 지형특성, 배수갑문 형상에 따른 흐름의 간섭현상, 유입부와 유출부의 형상 등이 방류량에 미치는 영향을 고려하지 못한다. 본 연구에서는 도류벽, 배수문, 물받이 등 방조제 배수갑문의 형상과 배치가 방류량에 미치는 영향을 상용 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 정량적으로 해석하였다. 이를 통해 배수갑문의 방류능력과 유황을 개선할 수 있는 방안을 도출하였다.
앞의 검토결과를 바탕으로 유입부측의 물받이길이는 30 m, 유출부측의 물받이길이는 70 m로 결정하고 전체지형에 대한 수치모의를 수행하였다. 표 3은 각 배 수문별 방류량을 정리한 것이다.
본 연구에서는 배수문의 형상은 물론 내 . 외해의 지형 및 기타 구조물들의 정확한 제원을 입력자료로 사용함으로써, 지형의 영향이나 유입부, 유출부 및 관 내부의 유동양상, 지형에 따른 영향을 파악할 수 있도록 하였다. 그림 2 는 시화조력발전소의 평면도이고, 그림 3은 배수 구조물의 단면도를 도시한 것이다.
유입부측 물받이길이는 30 이로 고정시키고 유출부측 물받이길이를 변화시키며 방류량에 미치는 영향을 검토하였다. 단, 주변지형의 영향 및 수류의 간섭이 방류량에 미치는 영향을 배제하기 위하여 배수문 1기만을 재현하여 결과를 분석하였다.

대상 데이터

계산영역 은 조력발전소를 중심으로 주흐름방향을 X 축, 그 직각방향을 y축으로 설정하였으며 각각 1050 m, 1116 이의 범위에 대해 모의하였다. 계산격자는 구조물 부근의 흐름이 급변하는 곳은 격자크기를 작게, 흐름의 변화가 완만한 곳은 격자크기를 크게 하였다.
본 연구의 적용대상은 시화방조제의 조력발전소로 유역의 전경은 그림 1과 같다. 시화 방조제는 경기도 시흥시 정왕동에 위치한 오이도와 안산시 대부동 방아머리를 연결하는 길이 12.
전경은 그림 1과 같다. 시화 방조제는 경기도 시흥시 정왕동에 위치한 오이도와 안산시 대부동 방아머리를 연결하는 길이 12.7 km의 방조제로써 1987년 6 월에 착공하여 1994년 2월에 완공되었다.

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. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되는 FAVOR (Fractional Area and Volume Obstacle Representation)기법이 사용된다. 이에 대한 자세한 설명은 관련 매뉴얼과 기존 국내, 외 연구자들의 연구를 참조할 수 있다(Flow Science, 2003; 김남일, 2003; 김대근 등, 2004).

성능/효과

1) 유출부측과 유입부측 물받이길이를 증가시킴에 따라 방류량이 증가하는데, 유출부측의 물받이 길이가 유입부측 물받이길이에 비해 방류량에 미치는 영향이 더 큰 것으로 나타났다. 유출부측의 물받이 길이를 계획안 30 이에서 70 m로 연장함에 따라 전체 방류량은 계획안에 비해 약 10 % 증가하는 것으로 나타났다.
2) 물받이 끝과 원지반의 연결부 사면경사를 계획안 1:1에서 1:5의 완경사로 변화시킴에 따라 전체 방류량은 계획안에 비해 약 2 % 증가하는 것으로 나타났다.
3) 배수문과 수차구조물 사이의 유선형 연결구조물을 제거함에 따라 전체 방류량은 계획안에 비해 약 3% 증가하는 것으로 나타났다.
4) 도류벽의 접근각도를 계획안에 비해 10° 감소시키거나 증가시킴에 따라 전체 방류량은 계획안에 비해 약 5 % 감소 또는 증가하는 것으로 나타났다. 본 연구는 배수갑문의 설계시 방류능력 개선을 위해서는 수리학적 검토가 필요하며 수치모형실험이 수리모형실험과 더불어 유용한 해석도구로 이용될 수 있음을 보인 것으로, 이후 관련 구조물의 설계시 참고자료로 이용 가능할 것으로 사료된다.
김남일(2003) 은 FLOW-3D 모형을 이용하여, 여수로의 수리모형실험 시 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡에 대해 검토하였다. 검토결과, 대축척에서의 유량 및 유속이 소축척에서의 값보다 일반적으로 크게 나타남을 보였다. 김영한 등(2003)은 FLUENT 모형을 이용하여 여수로 등 방류구조물에서의 수리현상을 모의한 바 있다.
이러한 수치모의는 비용과 시간의 제한이 있는 경우 또는 모든 대안을 수리모형실험을 통해 검토하는 것이 어려운 경우, 설계자에게 수리모형실험의 좋은 대안으로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 시화조력발전소를 대상으로 배수갑문의 방류능력 개선에 3차원 수치모의가 효과적으로 적용될 수 있음을 보였다. 본 연구에서 도출한 주요 결론은 다음과 같다.
Olsen과 KjeUesvig (1998)은 여수로에서의 흐름을 해석하기 위하여 RANS와 — € 난류모델을 지배방정식으로 하여 수치 모의 하였다. 수면변위와 유량계수에 대한 적절한 수치 모의 결과는 여수로에서의 흐름을 해석하는 데에 수치모형이 효과적으로 이용될 수 있음을 보여주었다. Savage 등(2001)과 Ho 등(2001)은 RANS를 지배방정식으로 하는 상업용 전산유체역학 프로그램인 FLOW- 3D를 이용하여 월류형 여수로의 수면변위와 압력분포를 계산하였다.
더 큰 것으로 나타났다. 유출부측의 물받이 길이를 계획안 30 이에서 70 m로 연장함에 따라 전체 방류량은 계획안에 비해 약 10 % 증가하는 것으로 나타났다.
표 3은 각 배 수문별 방류량을 정리한 것이다. 전체적으로 계획안에 비해 방류량이 증가하고 있으며 특히, 4, 5번 배수문에 서의 방류량이 크게 증가하였음을 알 수 있다. 전체 방류량의 관점에서 계획안에 비해 약 10 % 정도 방류량이 증가하였는데, 이는 유출부측 물받이길이가 증가하면서전체적으로 유황이 개선되었기 때문이다.
이로 인해 6번 배수문의 방류량이 증가할 것으로 예측되는데 이는 표 4에서 확인할 수 있다. 전체적으로 약 3 % 정도의 방류량이 증가하는데 6번 배수문은 약 8 % 정도 방류량이 증가하였다.
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 검토방법이 될 수 있음을 보여주었다. 김남일(2003) 은 FLOW-3D 모형을 이용하여, 여수로의 수리모형실험 시 모형의 축척으로 인한 결과의 왜곡에 대해 검토하였다.

후속연구

나타났다. 본 연구는 배수갑문의 설계시 방류능력 개선을 위해서는 수리학적 검토가 필요하며 수치모형실험이 수리모형실험과 더불어 유용한 해석도구로 이용될 수 있음을 보인 것으로, 이후 관련 구조물의 설계시 참고자료로 이용 가능할 것으로 사료된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

3차원 수치모의를 이용한 배수갑문의 방류능력 개선효과 분석
Analysis of the Discharge Capacity Improvement of a Lock Gate by Using 3-Dimensional Numerical Simulation 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

3차원 수치모의를 이용한 배수갑문의 방류능력 개선효과 분석 Analysis of the Discharge Capacity Improvement of a Lock Gate by Using 3-Dimensional Numerical Simulation 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김대근 (21) 이길성 (108)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

3차원 수치모의를 이용한 배수갑문의 방류능력 개선효과 분석
Analysis of the Discharge Capacity Improvement of a Lock Gate by Using 3-Dimensional Numerical Simulation 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper