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문제 정의
- 분리구역은 지금까지 여러 방법으로 그 특성이 정의되어왔지만, 그 중 분리구역의 가장 두드러지는 특성은 앞서 언급한 유속의 감소 및 이차류의 발생으로 특징되어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 지류로 유입되는 흐름의 평균유속의 60%이하의 흐름을 분리구역으로 정의하여 그 특성을 알아보도록 하였다. 수치모의 결과에 의해 계산되어진 분리구역은 하폭에 대해 무차원화한 길이 및 하폭의 크기로써 산정하였다.
- 본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 분류흐름에서 발생하는 분리구역의 특성을 분석하였으며 분리구역의 발생을 제한하기 위한 지형을 제안하였다.
- 본 연구에서는 분류흐름에 대한 수치모의를 이용하여 유량비 변화에 따른 분리구역의 크기관계 및 형상지수를 제시하였다. 또한, 지형변화를 통해 분리구역의 발생을 줄일 수 있는 방법을 제시하여 그 결과를 비교하였다.
제안 방법
- 그의 논문에서는 Froude수가 0.75보다 작은 경우, 유량비와 Froude수의 변화에 따른 상·하류에서의 수위비 관계를 제시하였다.
- 각각의 지형은 그림 7과 같이 분류지점에서 분리구역이 발생하는 좌측의 모서리 부분을 곡선과 대각선으로 완만하게 만들어 유수의 흐름이 더 원활해질 수 있도록 만들었다. 또한, 모서리 부분에서부터 본류와 지류부분의 길이 M만큼 변형시켜 하폭(B)에 대해 무차원화한 0.05B에서부터 0.5B까지 0.05B의 간격으로 변화시켜가며 수치모의를 실시하였다.
- 692로 조절하여 수치모의를 실시하였다. 또한, 본류에서의 유입량 조절 및 본류 하류부와 지류 하류부에서의 위어를 이용한 수위조절을 통해 유량비 변화에 따른 분류 흐름부에서의 흐름특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 분류흐름에 대한 수치모의를 이용하여 유량비 변화에 따른 분리구역의 크기관계 및 형상지수를 제시하였다. 또한, 지형변화를 통해 분리구역의 발생을 줄일 수 있는 방법을 제시하여 그 결과를 비교하였다.
- 0 m에 하폭은 본류 수로의 하폭과 같다. 본류수로의 상류 및 하류에는 각각 하폭의 4배의 길이에 위치한 지점에서 평균유속 및 수위를 측정하여 실험값과 수치모의 결과를 비교하였다. 그림 2에서는 실험에 사용된 제원을 나타내고 있으며, 여기에서 상류부에서의 유입량은 Qu, 본류부의 유출량은 Qd, 지류부에서의 유출량은 Qb로 나타내었으며 유량비를 나타내는 Qr은 본류 유입량에 대한 유출량의 비(Qd / Qu)로 나타내었다.
- 분류흐름에서 2가지 지형의 제안을 통해 분리구역의 크기가 감소하는 효과를 각각 비교분석하였다. 각각의 지형은 그림 7과 같이 분류지점에서 분리구역이 발생하는 좌측의 모서리 부분을 곡선과 대각선으로 완만하게 만들어 유수의 흐름이 더 원활해질 수 있도록 만들었다.
- 그림 6에서는 분리구역의 길이에 대한 하폭비를 나타내는 형상지수(Shape factor)를 합류흐름에서 발생하는 분리구역의 형상지수와 비교해 보았다. 분류흐름에서와 마찬가지로 합류흐름에서도 분리구역은 발생하게 되는데 Best 등(1984)과 윤태훈 등(1998)의 실험과 수치모의 결과를 통해 형상지수 값을 비교하였다. 그래프를 비교해보면 유량비에 따라 분리구역의 하폭 및 길이는 일정하게 증가하게 되는 반면, 형상지수의 값은 유량비가 변화해도 0.
- 분리구역의 발생을 저감할 수 있는 지형을 분류지점의 좌측 모서리 부분을 각각 곡선화 및 대각선화하여 제안하였다. 수정된 M의 크기가 0.
- 그림 2에서는 실험에 사용된 제원을 나타내고 있으며, 여기에서 상류부에서의 유입량은 Qu, 본류부의 유출량은 Qd, 지류부에서의 유출량은 Qb로 나타내었으며 유량비를 나타내는 Qr은 본류 유입량에 대한 유출량의 비(Qd / Qu)로 나타내었다. 상류부에서의 유입량은 0.00463~0.00537 m3/s의 범위로 유량비를 0.409에서 0.692로 조절하여 수치모의를 실시하였다. 또한, 본류에서의 유입량 조절 및 본류 하류부와 지류 하류부에서의 위어를 이용한 수위조절을 통해 유량비 변화에 따른 분류 흐름부에서의 흐름특성을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 지류로 유입되는 흐름의 평균유속의 60%이하의 흐름을 분리구역으로 정의하여 그 특성을 알아보도록 하였다. 수치모의 결과에 의해 계산되어진 분리구역은 하폭에 대해 무차원화한 길이 및 하폭의 크기로써 산정하였다. 그림 4에서는 Hsu 등(2002)의 실험에서 구한 분리구역의 하폭크기를 본 수치모의 결과와 비교해 본 것이다.
- 수치모의는 유량비(Qr)가 0.604인 경우와 0.409인 두 가지 경우에서 실시하여 분리구역의 저감효과 및 지류부에서의 통수능 변화를 알아보았다. 그림 8에서는 무차원화한 길이 M에 따라 지류로 유입되는 유량의 변화를 알아보았는데, 두개의 지형에서는 0.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Hsu 등(2002)의 실험데이터를 참조하여 수치모의를 실시하였다. 본류 수로는 총 길이 12 m에 하폭 14.7 m인 직선수로이며, 지류 수로는 길이 4.0 m에 하폭은 본류 수로의 하폭과 같다. 본류수로의 상류 및 하류에는 각각 하폭의 4배의 길이에 위치한 지점에서 평균유속 및 수위를 측정하여 실험값과 수치모의 결과를 비교하였다.
데이터처리
- 분류흐름에서의 유량비 변화에 따른 유속 및 수위에 대한 수치모의값을 Hsu 등(2002)의 실험값과 비교하였다. 그림 3은 상류부 AB지점에서의 수위와 하류부 CD지점에서의 수위값을 각각 비교한 것이다.
이론/모형
- RMA2는 2차원 수심 평균한 유한요소 수리동역학적 수치모델로서 상류(sub-critical) 및 자유수면 흐름의 수위와 수평 방향의 2차원 유속 성분을 계산한다. 마찰력은 Manning 방정식의 조도계수나 Chezy 방정식의 평균유속계수로 계산되며 정상류 뿐만 아니라 부정류에서도 모의가 가능하다. 모형의 지배방정식은 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식을 수심 적분한 식으로서 다음과 같다.
- 수치기법으로는 가중잔차 Galerkin법을 사용하며 해를 구하기 위해서 완전 음해법을 사용한다. 반복 계산법으로는 각 시간단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 반복법을 사용하여 계산한다.
- 본 연구에서는 Hsu 등(2002)의 실험데이터를 참조하여 수치모의를 실시하였다. 본류 수로는 총 길이 12 m에 하폭 14.
- 는 풍속을 나타낸다. 수치기법으로는 가중잔차 Galerkin법을 사용하며 해를 구하기 위해서 완전 음해법을 사용한다. 반복 계산법으로는 각 시간단계에서의 비선형 연립방정식을 Newton-Raphson 반복법을 사용하여 계산한다.
성능/효과
- 1B를 초과할 경우에는 곡선인 지형에서 분리구역의 크기가 급격하게 감소함을 알 수 있었다. 결국 분리구역이 제거되는 효율이 클수록 지류로 유입되는 유량의 증가속도는 크다는 것을 알 수 있었는데 대각선 지형에서 효율이 더 우세함을 판단할 수 있다.
- 분류흐름에서와 마찬가지로 합류흐름에서도 분리구역은 발생하게 되는데 Best 등(1984)과 윤태훈 등(1998)의 실험과 수치모의 결과를 통해 형상지수 값을 비교하였다. 그래프를 비교해보면 유량비에 따라 분리구역의 하폭 및 길이는 일정하게 증가하게 되는 반면, 형상지수의 값은 유량비가 변화해도 0.1 ~ 0.3의 범위를 벗어나지 않는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 분리구역의 하폭과 길이는 일정한 비율로 증가함을 알 수 있었다.
- 1B를 초과할 경우에서는 곡선화한 지형에서 분리구역이 감소하는 효율이 더 크다는 것을 알 수 있었다. 또한, M의 크기에 따른 유량변화 및 분리구역의 크기변화를 분석해 보면 분리구역이 감소되는 속도가 클수록 지류로 유입되는 유량의 증가속도는 더욱 빨라짐을 알 수 있었다.
- 분류흐름에서 발생하는 분리구역의 특성을 분석해 본 결과, 본류에서의 유입량에 대한 유출량의 유량비가 커짐에 따라 지류에서 발생하는 분리구역의 길이 및 하폭의 크기는 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 분리구역이 나타내는 형상지수는 대체로 0.1~0.3의 타원형의 모양이 나타남을 알 수 있었으며 이러한 특성은 합류흐름에서 발생할 수 있는 분리구역의 특성과 비슷하게 나타났다.
- 분류흐름에서 발생하는 분리구역의 특성을 분석해 본 결과, 본류에서의 유입량에 대한 유출량의 유량비가 커짐에 따라 지류에서 발생하는 분리구역의 길이 및 하폭의 크기는 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 분리구역이 나타내는 형상지수는 대체로 0.
- 분리구역의 발생을 저감할 수 있는 지형을 분류지점의 좌측 모서리 부분을 각각 곡선화 및 대각선화하여 제안하였다. 수정된 M의 크기가 0.1B이하인 경우는 대각선의 지형에서 분리구역의 크기가 더욱 빨리 줄어든다는 것을 알 수 있었으나, 0.1B를 초과할 경우에서는 곡선화한 지형에서 분리구역이 감소하는 효율이 더 크다는 것을 알 수 있었다. 또한, M의 크기에 따른 유량변화 및 분리구역의 크기변화를 분석해 보면 분리구역이 감소되는 속도가 클수록 지류로 유입되는 유량의 증가속도는 더욱 빨라짐을 알 수 있었다.
- 3의 범위를 벗어나지 않는 것을 알 수 있었다. 이를 통해 분리구역의 하폭과 길이는 일정한 비율로 증가함을 알 수 있었다.
- 그림 5에서는 유량비 변화에 따른 분리구역의 하폭(B) 및 길이변화(L) 값을 나타내었으며 유량비가 증가함에 따라 분리구역의 하폭과 길이는 선형에 가깝게 증가함을 알 수 있었다. 즉, 지류로 유입되는 유량에 비해 본류로 흐르는 유량의 유량비가 커짐으로 분리구역의 크기는 증가함을 알 수 있었다. 그림 6에서는 분리구역의 길이에 대한 하폭비를 나타내는 형상지수(Shape factor)를 합류흐름에서 발생하는 분리구역의 형상지수와 비교해 보았다.
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