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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 CCHE2D모형의 만곡부에 대한 적용성 검토와 댐 하류 하천인 용담댐 하류하천을 대상으로 흐름특성을 분석하였다.
- 따라서 만곡부에서 발생하는 이차류, 원심력 등의 횡적 흐름을 고려할 수 있는 2차원 이상의 모형이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존 홍수위 산정에있어서 단점을 보완하고자 CCHE2D 모형을 이용하여 하천기본계획에서 이용된 HEC-RAS모형과의 결과를 비교하였다. HEC-RAS모형이 단면 평균 수위만을 결과물로 제시하는 관계로 비교를 위하여 CCHE2D 모형의 결과 역시 단면 평균수위를 이용하였다.
- 본 연구에서는 CCHE2D모형을 이용하여 Rozovskii(1961),이규환(2006)의 만곡수로실험을 통하여 모형에 대한 적용성을 검토하고, 용담댐 하류 대유리에 위치한 만곡부를 대상으로 흐름특성을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 실제하천의 만곡은 수심/하폭, 곡률반경/하폭 등의 특성변화에 따라 흐름특성의 변화가 발생한다. 이러한 다양성을 고려하기 위하여 실험수로에 대한 적용성 검토를 수행하였다. 원심력이 만곡의 흐름에 영향을 크게 미치는 급변만곡(Rozovskii, 1961) 및 실제하천과 유사한 형태를 갖는 연속만곡(이규환, 2006)의 실험결과를 CCHE2D모형의 모의결과와 비교하여 적용성 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 벽면의 조건은 Lien et al.(1999)의 비활동경계조건(No slip condition) 및 활동경계조건(slip-condition)에 대한 비교연구에서 활동경계조건이 비활동경계조건을 이용한 모의에 비하여 정확한 결과를 도출함을 제시하였으므로 본 연구에서도 활동경계조건을 적용하였다.
- CCHE2D모형의 음해법을 이용한 정상류 모의를 위하여 계산이 수렴할 수 있도록 100초 동안 0.01초 간격으로 10,000번의 계산이 수행되도록 하였다. 벽면의 조건은 Lien et al.
- 그림 5와 같이 21개×102개(가로세로)로 직선구간은 25 cm, 곡선구간은 5º 간격으로 격자구성을 하였으며,실측결과가 있는 지점과의 비교를 위하여 추가적으로 격자를 구성하였다. 각 모의결과에 대하여 실측결과가 존재하는 총 10개 단면에서 유속분포에 대하여 비교하였다.
- 난류모의를 위하여 모형에서 제시되고 있는 Mixing Length Model, Parabolic Eddy Viscosity Model, k-ε모델 중 난류점성계수의 입력에 따라 흐름특성의 변동이 심할 뿐만 아니라, Jia and Wang(2001)이 전자의 두 모델적용에 있어 제시한 와점성계수의 변수범위(1~10)에서 초과된 값에서 실측치에 근사한 결과가 나타남에 따라 전자의 두 모델을 제외하고, 난류의 흐름특성분석을 위하여 일반적으로 이용되고 있는 k-ε모델을 사용하였다. 그림 2와 같이 7개의 단면(6 m, 6.9 m, 7.4 m, 8 m, 8.6 m, 10 m, 11 m)에서 모의결과를 수위와 유속에 대한 실험결과와 비교 검토하였다.
- 그림 5와 같이 21개×102개(가로세로)로 직선구간은 25 cm, 곡선구간은 5º 간격으로 격자구성을 하였으며,실측결과가 있는 지점과의 비교를 위하여 추가적으로 격자를 구성하였다.
- 대상구간에 대한 모의를 위하여 20×450(세로×가로)로 총 25,000개의 격자를 구성하였으며, 대상구간의 길이를 고려하여 계산이 수렴하도록 0.5초 간격으로 3600초 동안 총 7200번의 계산이 수행되도록 하였다.
- 일반적인 자연하천은 사행하천의 형태로 존재하며, 연속된 만곡의 형태로 나타나는 경우도 빈번하다. 따라서 이규환(2006)의 실험결과를 이용하여 연속만곡에 대한 CCHE2D모형의 적용성을 검토하였다. 수심에 대한 실험결과가 없는 관계로 유속 분포에 대한 비교만을 수행하였으며, 실험조건은 표 2와 같다.
- 또한 수렴을 위하여 600초간 0.01초 간격으로 60,000번의 계산이 수행되도록 하였다.
- 격자 구성시 직선부는 5×5 cm, 곡선부는 5º 간격으로 구성하였다. 또한 양측 벽면의 격자는 와의 크기에 영향을 미치는 인자로 조밀하게 구성하여 작은 와의 모의도 가능하도록 구성하여 오차를 줄일 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 건설교통부(2002)에 제시된 자료를 바탕으로 상 · 하류단의 경계조건을 설정하였다.
- 세부적으로 만곡부에서 발생할 수 있는 홍수위와 편수위에 대한 검토를 수행하였다.
- 따라서 이규환(2006)의 실험결과를 이용하여 연속만곡에 대한 CCHE2D모형의 적용성을 검토하였다. 수심에 대한 실험결과가 없는 관계로 유속 분포에 대한 비교만을 수행하였으며, 실험조건은 표 2와 같다. 그림 5와 같이 21개×102개(가로세로)로 직선구간은 25 cm, 곡선구간은 5º 간격으로 격자구성을 하였으며,실측결과가 있는 지점과의 비교를 위하여 추가적으로 격자를 구성하였다.
- 본 연구에서는 건설교통부(2002)에 제시된 자료를 바탕으로 상 · 하류단의 경계조건을 설정하였다. 용담댐 하류 8km 지점에 위치한 덤덜교의 하류 단면을 상류단으로 대상구간의 설계홍수량인 100년 빈도 홍수량(2900 m3/s)이 정류상태의 흐름으로 유지되도록 하였다. 대티교의 직상류 단면을 하류단으로 건설교통부(2002)에 제시된 설계홍수위를 바탕으로 일정한 수위(190.
- 이러한 다양성을 고려하기 위하여 실험수로에 대한 적용성 검토를 수행하였다. 원심력이 만곡의 흐름에 영향을 크게 미치는 급변만곡(Rozovskii, 1961) 및 실제하천과 유사한 형태를 갖는 연속만곡(이규환, 2006)의 실험결과를 CCHE2D모형의 모의결과와 비교하여 적용성 평가를 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 CCHE2D모형에 의한 편수위 검토를 수행하였다. 이를 위하여 편수위에 대한 실측값이 존재한다면 보다 정확한 검토를 수행할 수 있겠지만, 실측값이 존재하지 않는 관계로 모형에 의한 모의결과를 Chow(1986)에 제시된 공식들을 이용하여 비교 검토하였다. Newton의 제 2법칙을 이용해 유도된 Newton공식(식 (7)), Grashof공식(1937)(식 (8)), Woodward공식(1941)(식 (9))과 비교하여 타당성 검토를 수행하였다.
- 이상의 적용성 검토를 바탕으로 용담댐 하류 대유리에 위치한 급격한 만곡부를 대상구간으로 흐름특성을 분석하였다. 모의를 위하여 그림 8과 같이 용담댐 하류에 위치한 덤덜교에서 대티교까지 총 5.
대상 데이터
- 100년 빈도의 홍수량에 대한 모의결과, 만곡부의 상류단을중심으로 배수위가 나타났으며, 5.2.1절에서 건설교통부(2002)의 계획 홍수위 자료와 비교 분석하였다. 그림 9(a)의 만곡부에서 내측과 외측의 수위차가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 5.
- 용담댐 하류 8km 지점에 위치한 덤덜교의 하류 단면을 상류단으로 대상구간의 설계홍수량인 100년 빈도 홍수량(2900 m3/s)이 정류상태의 흐름으로 유지되도록 하였다. 대티교의 직상류 단면을 하류단으로 건설교통부(2002)에 제시된 설계홍수위를 바탕으로 일정한 수위(190.1 m)가 유지되도록 하였다. HEC-RAS모형을 이용하여 검토를 수행한 기존 하천기본계획과의 결과 비교를위하여 구간의 조도계수를 0.
- 이상의 적용성 검토를 바탕으로 용담댐 하류 대유리에 위치한 급격한 만곡부를 대상구간으로 흐름특성을 분석하였다. 모의를 위하여 그림 8과 같이 용담댐 하류에 위치한 덤덜교에서 대티교까지 총 5.1 km구간에 대하여 격자를 구성하여 모의를 수행하였다. 5.
- 본 연구의 대상구간은 만곡의 특성을 잘 나타내고 있을 뿐만 아니라, 댐의 방류량에 의하여 많은 영향을 받을 수 있는 지역이다. 특히, 한국수자원공사(2009)에 홍수범람의 피해가 우려되는 지역으로 평가한 바 있어 정확한 수리적 평가가 요구되는 지역이다.
- 흐름특성변화 모의를 수행하기 위하여 그림 8에 제시된 단면과 같이 배수효과를 분석하기 위한 만곡부 상류에 2개의 단면, 만곡부의 효과를 고려하기 위한 만곡부의 4개의 단면, 만곡의 영향이 종료되는 지점의 현상을 분석하기 위한 만곡부 종점부근의 2개의 단면을 선정하였다(상류단에서 2.15 km, 2.36 km, 2.57 km, 2.76 km, 2.96 km, 3.13 km, 3.34 km, 3.54 km에 위치한 지점).
데이터처리
- 따라서 본 연구에서는 기존 홍수위 산정에있어서 단점을 보완하고자 CCHE2D 모형을 이용하여 하천기본계획에서 이용된 HEC-RAS모형과의 결과를 비교하였다. HEC-RAS모형이 단면 평균 수위만을 결과물로 제시하는 관계로 비교를 위하여 CCHE2D 모형의 결과 역시 단면 평균수위를 이용하였다.
- 그림 6에서는 이규환(2006)의 실험을 통하여 제시된 실측유속자료(observed)와 CCHE2D모형을 이용하여 모의된 유속결과(simulated)를 단면별로 비교하였다. 그림 6을 통하여 실험결과와 모의결과가 유사한 분포형상을 나타냈으나, 다소 오차가 발생함을 확인할 수 있었다.
이론/모형
- 1 m)가 유지되도록 하였다. HEC-RAS모형을 이용하여 검토를 수행한 기존 하천기본계획과의 결과 비교를위하여 구간의 조도계수를 0.035로 일괄 적용하였으며, 난류모형은 적용성 검토부분에서 검토가 이루어진 모형을 이용하였다.
- 이를 위하여 편수위에 대한 실측값이 존재한다면 보다 정확한 검토를 수행할 수 있겠지만, 실측값이 존재하지 않는 관계로 모형에 의한 모의결과를 Chow(1986)에 제시된 공식들을 이용하여 비교 검토하였다. Newton의 제 2법칙을 이용해 유도된 Newton공식(식 (7)), Grashof공식(1937)(식 (8)), Woodward공식(1941)(식 (9))과 비교하여 타당성 검토를 수행하였다.
- 난류모의를 위하여 모형에서 제시되고 있는 Mixing Length Model, Parabolic Eddy Viscosity Model, k-ε모델 중 난류점성계수의 입력에 따라 흐름특성의 변동이 심할 뿐만 아니라, Jia and Wang(2001)이 전자의 두 모델적용에 있어 제시한 와점성계수의 변수범위(1~10)에서 초과된 값에서 실측치에 근사한 결과가 나타남에 따라 전자의 두 모델을 제외하고, 난류의 흐름특성분석을 위하여 일반적으로 이용되고 있는 k-ε모델을 사용하였다.
- 그럼에도 불구하고 하천관련 각종 계획을 수립하고, 홍수로 인한 피해를 예측하기 위해서는 보다 근사한 결과 값을 제시할 수 있는 모형에 대한 연구가 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 CCHE2D모형에 의한 편수위 검토를 수행하였다. 이를 위하여 편수위에 대한 실측값이 존재한다면 보다 정확한 검토를 수행할 수 있겠지만, 실측값이 존재하지 않는 관계로 모형에 의한 모의결과를 Chow(1986)에 제시된 공식들을 이용하여 비교 검토하였다.
성능/효과
- 1) Rozovskii(1961)의 실험결과와 비교하여 수위에 대한백분율 오차의 최대값은 4.9%로 비교적 정확한 결과를 도출하였으며, 외측 출구부근을 제외한 나머지 단면의유속분포 경향 역시 대체적으로 잘 표현하는 것으로 나타났다.
- 3) 실제하천에 대한 만곡부의 유속분포와 소류력 분포에 대한 모의결과, 유속과 소류력이 국부적으로 높게 나타나는 현상이 있었다.
- )에 민감하게 반응하였다. 각 공식을 이용한 평가결과 CCHE2D모형의 결과에 2.96 km지점을 제외한 나머지 지점에서는 근사한 결과를 도출하였다. 또한 흐름 상태에 따라 편수위의 규모가 달라질 수 있음을 제시한 Chow(1986)와 같이 계산결과에서 역시 Froude수가 증가에 따라 편수위가 증가하는 경향을 보였다.
- 둘째, 난류모의를 위하여 모형에 적용된 k-ε모델은 수식의 경험 정수 값이 고레이놀즈흐름에 적용되는 값과 같다.
- 따라서 CCHE2D모형은 2차원 모형으로서, 상대적으로 정확한 결과를 도출함을 확인할 수 있다.
- 또한 유속분포를 분석하는데 있어서는 2차원 모형이며, 모형에 포함된 난류모델의 한계성으로 인하여 부분적으로 이차류 및 벽면의 효과가 크게 발생하는 급변 만곡부 출구와 같은 지점에 대해서는 유속분포의 경향성을 예측하는데 있어서는 다소 오차가 발생함을 확인하였으나, 대체적으로 만곡의 유속분포 경향성에 대해서는 비교적 정확한 모의를 수행하는 것으로 판단된다.
후속연구
- Rozovskii(1961)는 다양한 실험자료와 실제하천자료를 이용하여 만곡의 흐름특성에 대한 연구를 수행하였으나, 자연하천에 대해서 하폭에 비하여 수심이 낮은 형태의 하천에 대한 접근이 이루어져 홍수기 수심 증가시 바닥의 마찰의 영향이 줄어드는 현상에 대한 고려를 하지 못하였기 때문에 실제하천에서 최대유속이 최심선에 따라 발생함을 제시하였다. 그러나 실질적으로 만곡에서는 하폭과 수심의 비가 다양하게 나타날 수 있으므로 실제하천의 만곡부 흐름특성에 대한 추가적인 검토가 필요하다.
- 따라서 자연하천 만곡부의 홍수위 설정 및 제방고 설정 등에 있어 유용하게 이용될 수 있으며, 홍수 발생시 위험지역을 선정하는 것에도 유용하게 이용될 수 있으리라 판단된다.
- 3) 실제하천에 대한 만곡부의 유속분포와 소류력 분포에 대한 모의결과, 유속과 소류력이 국부적으로 높게 나타나는 현상이 있었다. 이러한 현상에 대하여 3차원적 흐름에 대한 기존의 연구와 연계하여 영향성을 평가한다면, 실제 설계업무에 있어 유용하게 이용되리라 판단된다.
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