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문제 정의
- 수제와 같이 흐름에 돌출된 형태의 구조물은 설치된 제방과 호안 부근의 유속을 감소시키거나 흐름방향과는 반대의 역류를 발생시켜 흐름을 지연시키는 효과가 있는 반면 통수능을 감소시켜 본류 흐름의 유속증가에 큰 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 수제의 설치가 수제역 및 주변 흐름의 유속변화에 미치는 영향을 파악하기 위해 LSPIV 유속측정결과로부터 수제 부근 흐름 의 유속변화를 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 수제 길이 및 투과율 등 중요한 수제 설계인자 결정시 부가적으로 고려할 필요가 있는 흐름중심선과 재순환 영역의 특성을 파악하기 위해 수리실험을 수행하였다. 각 흐름조건에 대해 흐름중심선과 재순환 영역의 변화 특성을 수제의 길이 및 투과율에 따라 검토하였다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 수제 길이 및 투과율 등 중요한 수제 설계인자 결정시 부가적으로 고려할 필요가 있는 흐름중심선과 재순환 영역의 특성을 파악하기 위해 수리실험을 수행하였다. 각 흐름조건에 대해 흐름중심선과 재순환 영역의 변화 특성을 수제의 길이 및 투과율에 따라 검토하였다.
- 수제의 특성에 따른 수제역 부 근의 흐름 변화를 파악하기 위해 수제 설계시의 주요 요소인 수제의 길이 Z과 투과율 P에 대해 수행하였다. 모든 실험에서 수심은 흐름이 수제를 월류하지 않도록 일정하게 유지하였으며, 유속의 크기를 변화시켜 흐름 조건을 설정하였다.
- 수제로 인해 수로중앙부로 유입되는 흐름으로 인해 재순환 영역이 발생하며 이러한 흐름분리영역은 흐름중심선에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 본 실험에서는 각 실험에 대해 흐름중심선의 변화와 흐름분리영역의 크기를 파악하기 위해 표면 유속장 측정결과로부터, 수제 설치벽으로부터 최대 흐름중심선 거리 Lz과 흐름분리역의 폭 Sh를 측정하고 이를 각각 흐름조건, 수제길이, 투과율에 따라 분석하였다.
- 본 연구에서는 수리실험을 통해 수제설치에 따른 수제역 및 본류역의 흐름특성을 파악하기 위해 LSPIV 기법을 이용하여 흐름장을 측정하고, 측정결과로부터 흐름조건과 수제길이 및 투과율과 같은 수제특성에 따른 흐름중심선과 흐름영역의 변화를 분석하였다. 흐름중심 선의 특성을 파악하기 위해 수제가 설치벽으로부터 흐름중심선까지의 거리 TCL과 흐름중심선의 유속 Ucl의 변화를 각 실험의 조건별로 비교분석하였으며, 흐름영역의 변화는 수제설치에 따른 흐름폭 방향 유속분포의 변화 및 흐름분리영역 폭 Sh의 변화를 비교하여 분석하였다.
- 15인 수제에 대한 흐름중심선과 흐름분리영역의 변화를 흐름조건에 따라 나타낸 것이다. 세로축은 수로 설치벽으로부터 연직방향 거리( y)를 수로폭( 3)으로 나누어 무차원화하고 가로죽은 흐름방향에 대해 수제설치지점에서 하류까지의 거리를 수제길이( I)로 나누어 무차원화하였다. Fig.
- 수제 설치에 따른 흐름장 측정실험은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 2.0 m(B) X 0.80 m(h) x 40 m(L) 의 직선 수로에서 단일수제에 대해 수행하였다. 각 실험에 대한 조건은 Table 1과 같다.
- 수제설치에 따른 흐름중심선과 흐름분리영역의 특성을 파악하기 위해 LSPIV 표면 유속장 측정결과로부터 흐름중심선의 수제 설치벽으로부터 거리(*) a과 흐름분리영역 폭(Sh)을 흐름조건, 수제길이, 투과율에 따라 분석하였다. Tcz의 크기는 Fig.
- 각 실험에 대한 조건은 Table 1과 같다. 수제의 특성에 따른 수제역 부 근의 흐름 변화를 파악하기 위해 수제 설계시의 주요 요소인 수제의 길이 Z과 투과율 P에 대해 수행하였다. 모든 실험에서 수심은 흐름이 수제를 월류하지 않도록 일정하게 유지하였으며, 유속의 크기를 변화시켜 흐름 조건을 설정하였다.
- 유입부 유속 의 측정은 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter, Nortek AS)를 사용하였으며 샘플링 회수를 25 Hz로 측정하였다 수제역 및 수제 주변의 흐름장을 측정하기 위해서 Fig. 4
- 25이다. 투과수제는 길이가 0.3 m 인 수제에 대해 투과율 P를 각각 20 %, 40 % 로 설정하였다. 여기서 P는 Fig.
- 본 연구에서는 수리실험을 통해 수제설치에 따른 수제역 및 본류역의 흐름특성을 파악하기 위해 LSPIV 기법을 이용하여 흐름장을 측정하고, 측정결과로부터 흐름조건과 수제길이 및 투과율과 같은 수제특성에 따른 흐름중심선과 흐름영역의 변화를 분석하였다. 흐름중심 선의 특성을 파악하기 위해 수제가 설치벽으로부터 흐름중심선까지의 거리 TCL과 흐름중심선의 유속 Ucl의 변화를 각 실험의 조건별로 비교분석하였으며, 흐름영역의 변화는 수제설치에 따른 흐름폭 방향 유속분포의 변화 및 흐름분리영역 폭 Sh의 변화를 비교하여 분석하였다. 실험 및 분석결과에 의한 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 4(a) 에서 보는 바와 같이 전체 흐름장을 동시에 측정할 수 있는 LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 이용하였다. 흐름장 촬영은 디지털 캠코더 (DCR-PC350, Sony Co.)를 사용하였으며, 부유 입자로는 popped rice를 이용하였다. 영상왜곡 보정 등의 기본적인 영상처리 및 분석 소프트웨어로는 CACTUS 3.
이론/모형
- 유입부 유속 의 측정은 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter, Nortek AS)를 사용하였으며 샘플링 회수를 25 Hz로 측정하였다 수제역 및 수제 주변의 흐름장을 측정하기 위해서 Fig. 4(a) 에서 보는 바와 같이 전체 흐름장을 동시에 측정할 수 있는 LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 이용하였다. 흐름장 촬영은 디지털 캠코더 (DCR-PC350, Sony Co.
- LSPIV 기법을 이용한 각 실험조건에 대해 수제역과 수제주변 흐름에 대한 표면 유속장을 측정하였으며, 측정결과는 Fig. 5에서 보는 바와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 수제 설치로 인해 선단부에서 흐름분리가 발생하는데, 수제 선단부에서 일정각을 이루면서 강한 흐름이 본류역(수로 중앙)으로 유입되고 수제하류부에서 분리된 흐름이 와류를 형성하며 하류로 흘러간다.
성능/효과
- 넷째, 수제설치에 따른 본류영역의 유속증가는 불투과수제의 경우 ;A=0.10~0.25 범위에서 평균유속의 1.3 배에서 2배 이상 증가하는 것으로 나타났으며 투과수제의 경우에는 투과율이 증가함에 따라 감소하여 투과율이 40 %이상인 경우에는 본류 유속의 최대 10 % 이 내의 유속증가를 보이는 것으로 나타났으며 투과율 20 % 경우에도 최대 30 %를 넘지 않는 것으로 나타났다.
- 다섯째, 본류영역에서 흐름방향에 대해 최대유속이 발생하는 측선은 수제로부터 수제길이의 5~6 배 하류 에서 발생하는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 수제의 길이 및 투과율 등의 수제형태 그리고 흐름조건과는 상관없이 일정한 것으로 나타났다. 또한 불투과수제의 경우 제방 및 저수호안에 영향을 미치는 수제역내 재순환 흐름의 최대 유속은 이와 동일한 단면에서 발생하는 것으로 나타났다.
- 둘째, 흐름분리영역 폭(Sh)은 수제길이가 l/B=0.10- 0.25 범위에서 증가함에 따라 수로 폭의 20 %에서 최대 50 %에 이르는 것으로 나타났으며 투과율에 대해서는 반비례하는 것으로 나타났다. Froude 수에 대한 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
- 11(c) and 11(d)에서 보는 바와 같이 투과율이 40 % 이상 증가함에 따라 투과수제를 통과하는 흐름으로 인해 이러한 경향은 뚜렷하지 않은 것으로 나타났다. 따라서 강하게 역류하는 재순환 흐름으로부터 제방 및 저수호안의 침식을 방지 하기 위해 불투과 수제를 군수제로 설치할 경우 제방 및 저수호안의 상태를 고려하여 수제간격을 수제길이의 6 배 이내로 하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 12(b) and 12(c)에서 보는 바와 같이 수제길이가 증가함에 따라 이 증가하지만 투과율이 증가할수록 그 증가정도는 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 수제 설계시 수제의 길이가 기존의 연구에서 제시하고 있는 최대 수제길이 범위인 20-25 % 를 넘지 않는다 하더라도 불투과수제의 길이에 의한 본 류영역의 유속증가를 고려하여야 하며, 수로폭에 비해 수제의 길이를 크게 할 필요가 있을 때에는 적절한 투 과율의 투과수제를 고려해야 할 것으로 판단된다.
- 25의 범위 내에서 Tcl이 수 로 폭의 55~75 %에까지 미치는 것으로 나타났다. 또한 Fig. 8에서 보는 바와 같이 투과율이 증가함에 따라 Ll은 감소하는 것으로 나타났으며, 40 % 투과율 수제의 경우에도 수로 폭의 50 % 이상 미치는 것을 알 수 있다.
- 다섯째, 본류영역에서 흐름방향에 대해 최대유속이 발생하는 측선은 수제로부터 수제길이의 5~6 배 하류 에서 발생하는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 수제의 길이 및 투과율 등의 수제형태 그리고 흐름조건과는 상관없이 일정한 것으로 나타났다. 또한 불투과수제의 경우 제방 및 저수호안에 영향을 미치는 수제역내 재순환 흐름의 최대 유속은 이와 동일한 단면에서 발생하는 것으로 나타났다.
- 또한 실험결과로부터 수제 설치에 따른 흐름방향에 대한 유속변화를 파악할 수 있는데, Fig. 11에서 보는 바와 같이 흐름방향에 대해 최대유속이 발생하는 측선 은 수제로부터 수제길이의 5~6 배 하류에서 발생하는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 수제의 길이 및 투 과율 등의 수제형태 그리고 흐름조건과는 상관없이 일정한 것으로 나타났다. 본류영역의 유속증가는 상대적으로 수제 내 흐름분리영역에서 재순환흐름의 유속을 증가시키는데, Fig.
- 마지막으로, 본류영역의 유속증가를 나타내는 흐름중 심선의 유속 UCL의 증가는 불투과수제의 경우 Z/B이 0.1()~0.25에 따라 평균유속의 1.4 배에서 최대 1.9 배까지 증가하며, 투과율이 증가할수록 증가정도는 점차 감소하여 수제길이가 z/&=0.25인 경우 1.3 배 이하를 넘지 않는 것으로 나타났다.
- 불 투과수제의 길이를 결정하는데 있어서 흐름집중과 세굴 심, 제방보호 길이를 고려하여 기존 연구의 대부분이 적정 수제길이를 25 % 이내로 제안하고 있다(FHWA 1984; Nwachukwu and Rajaratnam, 1980; Salikov, 1987). 본 실험결과의 경우 통수능 감소에 의한 본류영역의 유속증가를 감안하면 본류영역의 최대유속이 평균 유속의 2 배가 넘지 않기 위해서는 수제길이는 수로 폭의 20 % 이내로 설정하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
- 11에서 보는 바와 같이 흐름방향에 대해 최대유속이 발생하는 측선 은 수제로부터 수제길이의 5~6 배 하류에서 발생하는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 수제의 길이 및 투 과율 등의 수제형태 그리고 흐름조건과는 상관없이 일정한 것으로 나타났다. 본류영역의 유속증가는 상대적으로 수제 내 흐름분리영역에서 재순환흐름의 유속을 증가시키는데, Fig. 11에서는 보는 바와 같이 최대유속 이 발생하는 수제길이의 5~6 배 하류 단면의 수제역 내에서 최대 유속의 역류가 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 불투과수제의 경우 매우 뚜렷하게 나타난 반면, 투과수제의 경우에는 Figs.
- 셋째, Sh의 크기는 수제길이 Z에 따라 일정한 변화를 보이는데, 불투과수제의 경우 鼐는 수제길이의 1.9~2.4 배에 해당하는 것으로 나타났으며, 투과수제의 경우 20 %, 40 % 투과율에 대해 각각 1.6~1.8, 1.3~ 1.5의 값을 보여 투과율이 증가함에 따라 흐름분리영역의 폭이 감소하는 것으로 나타났다.
- 첫째, TCL의 크기는 수제설치가 본류영역에 미치는 영향의 정도를 의미하는 것으로 불투과 수제의 경우 일반적인 수제의 길이 ^=0.10-0.25 범위에서 수로 폭의 최대 75 %까지 이르는 것으로 나타났으며 투과수제의 경우에도 50 % 이상 미치는 것으로 나타났다.
- 투과수제의 경우 흐름이 수제를 투과하기 때문에 본 류 흐름의 유속의 증가 정도는 투과율이 증가함에 따라 감소하게 되는데, 투과율이 40 %이상인 경우에는 본류 유속의 최대 10 % 이내의 유속증가를 보이는 것으로 나타났으며 투과율 20 % 경우에도 최대 30 %를 넘지 않는 것으로 나타났다.
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