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문제 정의
- 본 연구에서는 3차원 수치모의를 통해 사다리꼴단면의 광정횡월류위어에서의 흐름특성을 해석하였다. 횡월류위어를 통해 분기되는 유량으로 인해 본류흐름은 통수단면이 급확되는 효과와 비슷하게 상류흐름에서는 점차 수위가 상승하고, 흐름은 3차원적으로 변하게 된다.
제안 방법
- 4는 초기조건을 도시한 것이다. 계산결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류운동에너지, 유입 및 유출유량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의 수렴조건을 만족하도록 200초 동안 계산한 결과를 이용하여 분석하였다.
- 찾아보기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 3 차원 수치모형인 F1OW-3D를 이용하여 사다리꼴단면의 광정횡월류위어에서의 유량계수와 흐름특성을 해석하였다. 횡월류위어를 통해 분기되는 유량으로 인해본류흐름은 통수단면이 점차 확대되는 효과가 발생하여 수위가 점차 상승하고, 흐름은 3차원적으로 변하게 된다.
- 모의구간의 상부면은 대칭경계조건을 부여하였으나, 경계면과 물 사이에는 대기압의 공기층이 존재하고 있어, 물의 흐름은 경계조건의 영향을 받지 않는다. 본 연구에서는 Table 2와 같이 하도 의상류에서 유입하는 유량을 고정하고 하류수위를 변화시키며 모의결과를 검토하였다. 하류경계의 수위가 낮을수록 수면경사가 급해지면서 본류의 푸르드수는 증가할 것으로 추정된다.
- 계산결과의 수렴여부는 흐름의 운동에너지, 난류운동에너지, 유입 및 유출유량의 수렴여부를 이용하여 판단하였다. 본 연구에서는 이상의 수렴조건을 만족하도록 200초 동안 계산한 결과를 이용하여 분석하였다.
- 본 연구의 경계조건으로 상류는 유량조건, 하류는 수위조건을 부여하였다. 상류에서 유입하는 유량을 일정하게 고정하고 수위를 변화시키며 수면경사로 인해 흐름조건이 변동되도록 하였다.
- 수리실험에서 본류 하도에 공급하는 유량은 벤튜리미터를 이용하여 측정하였으며 횡월류 유량은 귀환수로 전면에서 삼각위어를 이용하여 측정하였다. 상기 실험에서는 본류 흐름의 푸르드수에따른 횡월류 유량과 횡월류 유량의 규모에 따른 본류흐름의 교란에 대해 분석하였다.
- 상류에서 유입하는 유량을 일정하게 고정하고 수위를 변화시키며 수면경사로 인해 흐름조건이 변동되도록 하였다. 상류경계조건으로 높이 0.25m의 사다리꼴단면(본류 하도의 단면)의 암거를 통해 일정유량이 계산영역으로 유입되도록 하였다. 즉, 일정한 유량에 대해 하류 수위조건에 따라 다양한 푸르드수를 가진 본류 흐름이 발생하도록 하였다.
- 부여하였다. 상류에서 유입하는 유량을 일정하게 고정하고 수위를 변화시키며 수면경사로 인해 흐름조건이 변동되도록 하였다. 상류경계조건으로 높이 0.
- 2의 #를 기준으로 통수단면적과 평균유속을 산정하여 계산한 결과이다. 수리실험에서 본류 하도에 공급하는 유량은 벤튜리미터를 이용하여 측정하였으며 횡월류 유량은 귀환수로 전면에서 삼각위어를 이용하여 측정하였다. 상기 실험에서는 본류 흐름의 푸르드수에따른 횡월류 유량과 횡월류 유량의 규모에 따른 본류흐름의 교란에 대해 분석하였다.
- 25m의 사다리꼴단면(본류 하도의 단면)의 암거를 통해 일정유량이 계산영역으로 유입되도록 하였다. 즉, 일정한 유량에 대해 하류 수위조건에 따라 다양한 푸르드수를 가진 본류 흐름이 발생하도록 하였다. 상류경계에서의 수위는 일정한 유량을 공급하기 위하여 경계에서만 고정하였으며, 상류경계를 통과한 흐름은 유량과 하류경계에 의해 모의조건별로 모형에서 계산되어 진다.
- (El-Khashab and Smith, 1976; Lee and Holley, 2002). 흐름의 재순환영역과 관련된 연구는 재순환영역의 발생여부에 관한 정성적인 관측수준에 머무르고 있는데, 본 연구에서는 횡월류위어를 통해 분기되는 유량의 규모에 따른 재순환영역의 크기 양상 등 3차원적인 흐름특성을 해석하였다.
대상 데이터
- 격자망은 위어 부근의 흐름이 급변하는 곳에서는 격자크기를 작게, 흐름의 변화가 완만한 곳에서는 격자크기를 크게 구성하였다. 격자망은 70, 720개의 격자로 구성하였다.
- 이는 Lee and Holley(2002)의 수리실험에서 사용한 수로의 제원과 동일하다. 모의를 위한 좌표체계는 위어마루(weir crest)의 중앙부를 평 면좌표계의 원점으로, 하천의 바닥을 연직좌표의 원점으로 선정하였다. 수로의 전체길이는 25m이며, 그 중앙부에 Fig.
- 모의결과는 유속의 전체적인분포, 특히 단면에서의 최대유속이 횡월류위어측으로 편향되는 경향과 횡월류위어 대안측의 재순환영역을 잘 재현하고 있다. 비교는 실험에서의 상류 유입유량인 0.1731#와 월류유량비인 54%와 가장 가까운 조건인 Case U25D22의 모의결과를 이용하였다. Fig.
- 모의를 위한 좌표체계는 위어마루(weir crest)의 중앙부를 평 면좌표계의 원점으로, 하천의 바닥을 연직좌표의 원점으로 선정하였다. 수로의 전체길이는 25m이며, 그 중앙부에 Fig. 3과 같은 광정횡월류위어가 위치하고 있다. 본류 제방의 제외지 측 경사는 1:4의 완경사이다.
이론/모형
- 함수의 값이 0과 1사이의 값을 가진다. 난류모형은 K-e난류모델을 사용하였다. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR(fractional area and volume obstacle representation)기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근방법으로 해석된다.
- 난류모형은 K-e난류모델을 사용하였다. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며 특히, FAVOR(fractional area and volume obstacle representation)기법을 사용함으로써 유한체적법의 접근방법으로 해석된다.
성능/효과
- 1. 3차원 수치모의 결과, 광정횡월류위어에서의 흐름특성 즉, 월류유량비, 유량계수, 재순환영역, 단면에서의 이차류, 수위분포를 대체로 잘 재현할 수 있는 것으로 나타났다.
- 2. 하천 본류의 푸르드수가 증가함에 따라 월류유량비와 횡월류 유량계수가 감소하는 경향을 보인다. 그리고 유량계수는 월류수두의 영향이 크므로 수위측정 위치 및 측정의 정확도에 각별히 주의해야 할 것으로 사료된다.
- 3. 수치모의 결과는 단면에서 최대유속이 횡월류위어 측으로 편향되는 경향과 횡월류위어 대안측의 재순환영역을 잘 재현하고 있으며, 횡월류 유량이 증가하면서 월류부 하류의 주흐름구간은 축소되며 횡월류위어의 대안측에 형성되는 재순환영역의 크기가 증가하는 양상을 보인다.
- 4. 횡월류유량이 증가함에 따라 횡월류위어 직하류에서 횡월류위어측으로 유도되는 흐름이 강하게 발생하며 하류로 진행하면서 제방으로 인한 흐름단으로 인해 이차류가 발생하는데, 특히 횡월류유량이 증가할수록 횡월류위어의 대안측으로 강한저층류가 발생하고 있다.
- 5. 횡월류위어측에서의 주흐름방향 수위분포는 위어시점부에서 급격히 하강하여 점차 증가하다 위어종점부에서 급격히 상승했다 하강하는 양상을 보인다. 위어 종점부에서 수위가 급히 상승하는 원인은 위어의 종점부가 흐름의 장애물로 작용하기 때문이다.
- 횡월류위어를 통해 분기되는 유량으로 인해 본류흐름은 통수단면이 급확되는 효과와 비슷하게 상류흐름에서는 점차 수위가 상승하고, 흐름은 3차원적으로 변하게 된다. 또한 횡월류위어가 설치되는 곳의 대안에서는횡월류 유량의 규모에 따라 흐름의 재순환영역이 발생함을 확인하였다. 본 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
후속연구
- 환경 변화에 관한 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 광정횡월류위어는위어의 종점부가 흐름의 장애물로 작용하면서 국부적인 수위상승과 흐름교란을 야기하므로 이의 정량적인 평가 및 수위상승과 흐름교란을 최소화하는 구조 형식에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다
- 본 연구는 천변저류지나 분기수로 계획시 참조할 수 있을 것이며, 향후 수리실험 연구와 병행하여 본류흐름조건에 따른 평면과 단면에서의 재순환영역의 정량적인크기, 제방의 안정성 및 하천생태 . 환경 변화에 관한 연구가 수행되어야 할 것이다.
- 횡월류유량이 증가함에 따라 횡월류위어 직하류(x=200 cm 지점)에서 횡월류위어측으로 유도되는 흐름이 강하게 발생하고 있으며 하류로 진행하면서 제방으로 인한 흐름차단으로 인해 이차류가 발생하고 있음을 알 수 있다. 월류유량과 수심에 따라 와류의 발생위치, 크기 및 방향에 차이가 발생하고 있는데 이의 정량적인 분석은 향후 수리실험과 함께 지속적인 연구가 이루어져야 할 것으로 사료된다. 다만 공통적인 현상으로 횡월류유량이 증가할수록 횡월류위어의 대안측으로 강한 저층류가 발생하는데, 이는 제방의 안정성과 하천생태 .
- 횡월류위어의 수위-유량관계에서 #를 사용한 경우에는 #를 사용하는 경우보다 작은 값의 그리고 푸르드수에 대한 기울기가 다소 완만한 형태를 가지는 유량계수의 패턴을 보이고 있어 유량계산시 보다 안정한 값을 얻을 수 있을 것으로 사료된다. 유량계수는 특히 수위의 영향이 크므로, 향후 횡월류 관련 연구시 수위측정 위치 및 측정 정확도에 관심을 가져야 할 것으로 사료된다.
- 횡월류위어측에서의 수위는 위어 시점부에서 급격히 하강하여 점차 증가하다 위어 종점부에서 급격히 상승했다 하강하는 형상을 보이는데, 위어 종점부에서 수위가 급히 상승하는 원인은 위어의 종점부가 흐름의 장애물로 작용하기 때문이다. 향후 수위상승의 정량적인 평가 및 수위상승을 억제하는 구조 형식에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 수로단면 중앙과 횡월류위어 대안측에서의 수위는 상대적으로 큰 변동양상을 보이지 않는다.
- 환경 문제와 연결된 중요한 문제라 사료된다. 향후 저류지를 활용하는 치수계획이 일반화 될 것으로 기대되는바, 이에 대한 실험과 모델링 연구를 바탕으로 흐름구조의 정량적인 분석 및 하천생태 . 환경에 미치는 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
- 향후 저류지를 활용하는 치수계획이 일반화 될 것으로 기대되는바, 이에 대한 실험과 모델링 연구를 바탕으로 흐름구조의 정량적인 분석 및 하천생태 . 환경에 미치는 연구가 지속적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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