합류부는 유량의 변화, 흐름방향의 전환으로 순환흐름의 분리구역의 발생에 의한 통수단면의 축소에 의한 통수능의 저하와 이에 따른 배수의 영향이 야기된다. 지류와 본류와의 유량비와 합류각을 달리하면서 실험한 결과를 이용하여 분리구역의 특성을 규명하였다. 분리구역의 정의는 유함수를 이용하여 그 값이 0(영)인 유선을 분리구역으로 정의하여 그 길이와 폭을 본류 하천폭으로 나눈 무차원 길이비와 무차원 폭비로 하였고, 유선에 의한 분리구역의 연구결과가 기존의 실험들과 비교적 잘 맞는 것으로 나타났다. 작은 유량비와 합류각 30도에서는 분리구역이 나타나지 않아서 유량비와 합류각에 의한 분리구역의 출현경계식을 만들었다. 분리구역에 대한 고찰로 합류각, 유량비, 그리고 본류 하류에서의 Froude수에 의한 분리구역의 무차원 길이비와 폭비에 대한 기존의 실험식을 수정하였고, 수굴계수와 형상지수의 수리적 특성을 분석하였다. 일반적으로 유량비와 합류각이 커질수록 분리구역이 크게 나타났다. 합류부를 전후한 상하류 구간에서 수면의 추적에서 유량비와 합류각이 커질수록 배수위의 영향이 크게 나타났고, 합류부가 접하는 내측보다 외측의 배수영향이 크게 나타났다. 하류부 유량에 의해 등류수심을 산정하여 합류가 시작되는 점에서부터 하류의 등류수심에 이르는 곳까지의 거리를 $X_l$로 보고 합류각과 유량비와 단면폭 및 수축계수간의 상관관계식을 산출하였다. 유량비와 합류각에 따른 수로내의 배수위에 의한 최대수위와 분리구역에서의 최소수심과의 비를 분석하였다.
합류부는 유량의 변화, 흐름방향의 전환으로 순환흐름의 분리구역의 발생에 의한 통수단면의 축소에 의한 통수능의 저하와 이에 따른 배수의 영향이 야기된다. 지류와 본류와의 유량비와 합류각을 달리하면서 실험한 결과를 이용하여 분리구역의 특성을 규명하였다. 분리구역의 정의는 유함수를 이용하여 그 값이 0(영)인 유선을 분리구역으로 정의하여 그 길이와 폭을 본류 하천폭으로 나눈 무차원 길이비와 무차원 폭비로 하였고, 유선에 의한 분리구역의 연구결과가 기존의 실험들과 비교적 잘 맞는 것으로 나타났다. 작은 유량비와 합류각 30도에서는 분리구역이 나타나지 않아서 유량비와 합류각에 의한 분리구역의 출현경계식을 만들었다. 분리구역에 대한 고찰로 합류각, 유량비, 그리고 본류 하류에서의 Froude수에 의한 분리구역의 무차원 길이비와 폭비에 대한 기존의 실험식을 수정하였고, 수굴계수와 형상지수의 수리적 특성을 분석하였다. 일반적으로 유량비와 합류각이 커질수록 분리구역이 크게 나타났다. 합류부를 전후한 상하류 구간에서 수면의 추적에서 유량비와 합류각이 커질수록 배수위의 영향이 크게 나타났고, 합류부가 접하는 내측보다 외측의 배수영향이 크게 나타났다. 하류부 유량에 의해 등류수심을 산정하여 합류가 시작되는 점에서부터 하류의 등류수심에 이르는 곳까지의 거리를 $X_l$로 보고 합류각과 유량비와 단면폭 및 수축계수간의 상관관계식을 산출하였다. 유량비와 합류각에 따른 수로내의 배수위에 의한 최대수위와 분리구역에서의 최소수심과의 비를 분석하였다.
Flow separation of recirculation zone by increasing of flow and change of its direction at confluence results in backwater due to conveyance reduction. The hydraulic characteristics of flow separation are analysed by experimental results of flow ratios of tributary and main streams and approaching a...
Flow separation of recirculation zone by increasing of flow and change of its direction at confluence results in backwater due to conveyance reduction. The hydraulic characteristics of flow separation are analysed by experimental results of flow ratios of tributary and main streams and approaching angles. The boundary of flow separation by dimensionless length and width is defined by the streamline of zero and this definition agrees well to the existing investigation. Because flow separation doesn't appear in small flow ratio and approaching angle of $30^{\circ}$, the equation of flow separation with flow ratio and approaching angle is provided. In flow separation consideration and comparing with previous results, the existing equations of dimensionless length and width ratios by function of approaching angle, flow ratio, and downstream Froude number are modified and also contraction coefficient and shape factor are analysed. Dimensionless length and width ratios are proportional to the flow ratio and approaching angle. In analysis of water surface profiles, the backwater effects are proportional to the flow ratio and approaching angle and the magnitude at outside wall is greater than that of inside wall of main stream. The length, $X_l$ from the beginning of confluence to downstream of uniform flow, where the depth is equal to uniform depth, is characterized by width of stream, flow ratio, approaching angle, and contraction coefficient. The ratios between maximum water depth by backwater and minimum depth at separation are analysed.
Flow separation of recirculation zone by increasing of flow and change of its direction at confluence results in backwater due to conveyance reduction. The hydraulic characteristics of flow separation are analysed by experimental results of flow ratios of tributary and main streams and approaching angles. The boundary of flow separation by dimensionless length and width is defined by the streamline of zero and this definition agrees well to the existing investigation. Because flow separation doesn't appear in small flow ratio and approaching angle of $30^{\circ}$, the equation of flow separation with flow ratio and approaching angle is provided. In flow separation consideration and comparing with previous results, the existing equations of dimensionless length and width ratios by function of approaching angle, flow ratio, and downstream Froude number are modified and also contraction coefficient and shape factor are analysed. Dimensionless length and width ratios are proportional to the flow ratio and approaching angle. In analysis of water surface profiles, the backwater effects are proportional to the flow ratio and approaching angle and the magnitude at outside wall is greater than that of inside wall of main stream. The length, $X_l$ from the beginning of confluence to downstream of uniform flow, where the depth is equal to uniform depth, is characterized by width of stream, flow ratio, approaching angle, and contraction coefficient. The ratios between maximum water depth by backwater and minimum depth at separation are analysed.
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가설 설정
된다. 본류의 운동량보다 지류의 운동량이 상대적으로 큰 경우 수면 변화가 크고 지류의 운동량이 적을경우 수면변화의 차이가 작을 것이다. 이는 합류 후의 유량과 지류의 유량 비가 커질수록 흐름의 운동량이 커져 순환영역도 커짐과 동시에 수면변화도 커진다는 것을 의미한다.
제안 방법
- 분리구역에 대한 고찰로 합류 각, 유량 비, 그리고 본류 하류에서의 Froude 수에 의한 분리구역 의무차원 길이비와 폭 비에 대한 기존의 실험식을 수정하였다.
- 유량 비와 합류 각에 따른 분리구역의 형상을 나타내는 형상지수, B/L、의' 값과 이들의 상관성을 분석하였다. 같은 분리구역을 나타내는 등고선을 합류 각과 유량비를 통해서 추정이 가능한 도표를 작성하여 분리구역의 같은 무 차원 거리 비에서 유량 비와 합류각의 반비례 성을 나타냈다.
- 하류부 유량에 의해 등류수심을 산정하여 합류가 시작되는 점 (b)에서부터 하류의 등류수심에 이르는 곳까지의 거리를 耳로 보고 합류각과 유량 비와 단면폭 및 수축계 수간의 상관관계식을 산출하였다. 아울러 유량 비와 합류 각에 따른 수로 내의 배수위에 의한 최대수위와 분리구역에서의 최소수심과의 비를 분석하였다.
그림 2에서의 유입 지류의 하안( e)점에서 유선이 벽면과 만나는 선을 연결하는 구간을 분리구역으로 간주하여 이를 하류 Froude 수, 유량 비 그리고 합류 각과의 관계를 분석하였다. Gurram 등(1997)은 실험을 통하여 분리구역의 무차원 길이 비, Ls/B 와 무차원 폭비, B/B의 관계식을 다음 식 (4) 및 (5) 와같이 구하였다.
특히 합류부 하류에서의 지류의 유입에 의한 유량의 변화와 흐름 방향의 전환으로 순환흐름의 분리구역의 발생에 의한 통수 단면의 축소는 통 수능의 저하와 이에 따른 배수의 영향이 야기된다. 따라서 지류와 본류와의 유량비와 합류 각을 달리하면서 실험한 결과를 이용하여 분리구역의 특성을 규명하였다.
모 형수로의 합류부에서의 특성 변화를 알아보기 위하여 투명아크릴을 이용하여 그림 1과 같은 합류부 실험 장치를 설치하였다. 모 형수로의 실험에 적용된 수로의 길이는 445cm, 본류 수로의 폭 40cm, 지류 수로의 폭 32cm, 수로의 높이 40cm로 설치하였다.
크기 때문에 해석하기가 어렵다. 본 연구에서는 이와 같은 점을 고려하여 수리실험 자료의 분석을 통해 유량 비와 지류의 합류 각에 따른 합류부의 부근의 유속과 수심의 형태뿐 아니라 유선 형태를 파악하여 분리구간의 거리와 폭을 구하고 그에 따른 배수효과 현상을 분석하였다.
이는 합류 후의 유량과 지류의 유량 비가 커질수록 흐름의 운동량이 커져 순환영역도 커짐과 동시에 수면변화도 커진다는 것을 의미한다. 본 연구에서는 합류부의 수면 변화를 알아보고 합류부 부근의 분리구역과 배수위 영향을 알아보기 위해 합류가 되어지는 내측 a - h와 외측 i - 1의 종단면에서의 수위 값을 읽어 그림 9에서와 같이 비교해 보았다. 합류 각과 유량 비가 클수록 배수 위의 영향이 크게 나타남을 보여준다.
44, 합류 각이 90도일 때의 유선 형태를 표현한 것이다. 본류에 합류하는 지류의 하안지점 (e)에서 유함수의 상대적 크기가 영인 선을 분리구역으로 하여 eg 구간을 분리구역의 길이, mn 구간을 분리구역의 폭으로 설정하였다. 아울러 분리구역의 수축계수의 산정은 no 구간의 길이를 mo 구간의 길이로 나눈 값으로 정의 하였다.
아울러 유량 비와 합류 각에 따른 수로 내의 배수위에 의한 최대수위와 분리구역에서의 최소수심과의 비를 분석하였다.
수심 및 유속은 본류 수로의 경우 수로의 횡 방향은 합류부의 내측과 외측 벽면에서 1cm 떨어진 점과 중앙 부분에서 측정하였으며 종방향으로는 본류 수로의 상. 하류를 20cm간격으로 측정하고 합류점 근처는 종방향 및 횡방향 10cm 간격으로 유속을 측정하였다.
횡 유입에 의한 합류부에서의 분리구역의 구분과 그 크기를 분석하기 위하여 유함수를 이용한 유선을 분석하였다. 유속분포를 이용하여 유함수 (Stream Function), 寸에 의한 유선의 형태를 파악하기 위해 아래와 같은 식을 적용하였다.
대상 데이터
설치하였다. 모 형수로의 실험에 적용된 수로의 길이는 445cm, 본류 수로의 폭 40cm, 지류 수로의 폭 32cm, 수로의 높이 40cm로 설치하였다. 합류부는 지류의 합류 각이 30도일 때 거리 228cm~ 295cm에서 지류가 합류되어지고, 합류각이 90도일 때는 263cm~295cm, 합류 각 45~75도는 30도와 90도 사이의 거리에서 지류가 합류되어진다(박용섭, 2003).
이론/모형
분리구역 무차원 폭 비와 길이비를 Gurram 등 (1997)의 식과 비교를 실시하였다. 무차원 폭 비의 경우는 식 (4) 와 같이 Gurram 등(1997)의 식과는 다른 식 (6) 의 형태로 나타났고, 무차원 길이비는 Gurram 등(1997)의 식과 같게 나타났다.
유속측정은 마그네틱 유속계 (ACM 100-D)를 이용하여 유속을 측정하였고 수심은 포인트 게이지를 이용하여 측정하였다. 수심 및 유속은 본류 수로의 경우 수로의 횡 방향은 합류부의 내측과 외측 벽면에서 1cm 떨어진 점과 중앙 부분에서 측정하였으며 종방향으로는 본류 수로의 상.
성능/효과
따라서 제시하는 식과 도표를 통해서 합류 지점의 불리한 수리특성인 분리구역의 특성을 유량 비, 합류 각, 하류 Froude 수 등의 관계로 정리하여 설계에 쉽게 응용할 수 있도록 하였다.
그림 4와 5에서 보듯이 같은 유량비에서 합류 각이 커질수록 분리구역의 무차원거리비 및 폭 비가 커짐을 볼 수 있다. 분리구역의 무차원 길이비는 합류 각이 커질수록 점차 커짐을 보여주고, 분리구역의 무차원 폭 비는 합류 각이 45도일 때는 다소 크게 나타났으나, 합류 각도가 커짐에 따라 증가함을 보였다. 분리구역을 삼각형으로 가정한 분리구역의 면적은 합류 각의 증가에 따라 커짐을 보여준다.
정의하여 계산하였다. 수리모형실험 계측자료의 제한으로 횡유입되는 지류에서의 유속이 없는 관계로 유량의 공급에 의한 유선이 없게 되었고, 분리구역에서의 유선은 유속이 정체되어 정수압으로 전환되는정체점 (f와 g 점: stagnation point) 로 유량의 source/sink의 형태로 표현되었다. 아울러 McGuirk.
Gurram 등(1997)은 실험을 통하여 분리구역의 무차원 길이 비, Ls/B 와 무차원 폭비, B/B의 관계식을 다음 식 (4) 및 (5) 와같이 구하였다. 아울러 이들의 값은 하류 Froude수, 유량비 그리고 합류 각이 커지면 커질수록 크게 나타났다.
크게 나타났다. 유량 비와 합류 각에 따른 합류부 하류에서의 통수 능력의 저하를 표현한 수축계수를 분석하여 이들 값이 커지면 수축계수가 작아짐을 보였다.
거리비를 나타내고 있다. 유량비가 증가함에 따라 분리구역 거리가 증가하는 것을 볼 수 있고, 그 기울기도 합류각에 상관없이 거의 비슷하게 나타났다. 합류각이 적을 때는 합류 각간에 분리구역 거리 차가 크고 합류각이 점차 증가하면서 합류각간에 분리 구역 거리 차가 좁아지는 것을 볼 수 있어 이 역시 상관성을 가지는 것을 알 수 있다.
참고문헌 (11)
김성훈 (2004). 횡유입에 의한 홍수 수리특성에 관한 연구. 상지대학교 석사논문
박용섭 (2003). 합류부에서 유량 및 접근각도 변화 따른 수리학 특성 분석. 인천대학교 박사논문
윤태훈, 정의택, 박종석 (1998). 2차원 수치모형에 의한 합류흐름 해석. 대한토목학회논문집, 제 31 권, 제 5호, p. 529-538
최계운, 김영규, 윤용진 (2003) . 합류부에서 유량비에 따른 하상변동. 대한토목학회 2003년 정기 학술대회 논문집, pp. 2437-2441
Best, J.L. and Reid, I. (1984). Separation Zone at Open-Channel Junction. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE,Vol. 110, No. 11, pp. 1588-1594
McGuirk, J.J. and Rodi, W. (1978). A Depth averaged Mathematical Model for the Near Field of Side Discharge into Open-channel Flow. J. of Fluid Mechanics, Vol. 86, Part 4, pp. 761-781
Modi, P. N., Ariel, P. D., and Dandekar, M. M. (1981) . Conformal Mapping for Channel Junction Flow. Journal of Hydraulic Division, ASCE, Vol. 107, No. HY12, pp. 1713-1733
Ramamurthy, A.S. (1997). Combining Flows In 90 Junctions of Rectangular Closed Conduits. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 123, No. 11, pp. 1012-1019
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