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- 4에서 Case I에 대해서는 수로 ①과 ④ 그리고 Case II에 대해서는 ②과 ③)의 하부경계에는 수위나 유량조건에 관계없이 흐름상태에 따라 유출상태를 반영하는 개경계조건(open boundary condition)을 부여하였다. 또한, 수로바닥과 벽면에서의 조건은 smooth wall로 가정하였다. 총 모의시간은 정상상태에 도달되기 위해 충분한 시간으로 60초로 하였으며, 모의시간간격은 0.
제안 방법
- 본 연구에서 적용된 모형의 검증을 위해 수리모형실험의 Case I과 II에서 적용된 4가지 유입유량에 대해 비정상 상태 조건으로 모의를 수행하였다. 구축된 수로는 수리모형실험에서와 마찬가지로 경사가 없는 평탄한 수로로 가정하였으며, 격자시스템은 153,304개의 절점과 621,634개의 셀로 이루어져 있으며, 경계조건으로 두 개의 유입수로(Fig. 4에서 Case I에 대해서는 수로 ①과 ② 그리고 Case II에 대해서는 ①과 ④)의 상부경계에는 유입경계조건을 부여하였으며, 두 개의 유출수로(Fig. 4에서 Case I에 대해서는 수로 ①과 ④ 그리고 Case II에 대해서는 ②과 ③)의 하부경계에는 수위나 유량조건에 관계없이 흐름상태에 따라 유출상태를 반영하는 개경계조건(open boundary condition)을 부여하였다. 또한, 수로바닥과 벽면에서의 조건은 smooth wall로 가정하였다.
- 이러한 현상을 비디오 촬영 등을 통해 합류부 내 및 주변에서의 흐름이 시간에 따라 변화되는 양상을 실제로 확인하려고 하였으나 장비의 부재로 인해 흐름이 안정화 된 이후 목측(目測)으로만 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 Case I과 II에 대한 수리모형실험을 결과를 비정상 수치모의를 통해 확인하였으며, 이에 대한 결과는 3절에 기술하였다.
- 2(b)는 모형에서의 전반적인 물 순환과정을 나타낸 것으로 각각의 수로 끝단에 연결된 수조와 수조 사이에 유량공급을 위한 펌프와 유량조절을 위한 전자유량계를 설치하였다. 또한 유입 수로와 연결된 각각의 수조 내에 흐름의 교란을 최소화하기 위해 다공판을 설치하였다.
- (2008)은 경사진 네 개의 수로가 서로 직각으로 연결된 합류부 근처 및 내에서의 사류 특성에 대한 실험적 및 수치적 연구를 수행하였으며, 유입 수로에서 발생하는 정상도수 그리고 교차로 내에 발생하는 경사도수의 위치에 따라 흐름형태를 다섯 가지(Type I, II-1, II-2, II-3 그리고 III)로 구분하였다. 또한 천수방정식과 2차 정확도를 가진 MUSCL 기법에 근거한 2차원 유한체적모형인 Rubar 20 (Paquier, 1995; Mignot, 2005)에 의한 수로 합류부 근처 및 내에서의 모의결과를 실험 결과와의 비교를 통해 그 적용성을 검증하였다.
- 14)를 이용하여 수치모의를 수행하였다. 모의된 결과는 수리실험결과와 비교를 통해 적용성을 검증하였으며, 다양한 유입유량조건에 따른 수로 합류부에서의 흐름특성에 대한 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서 두 개의 유입수로로 유입되는 유량 차이를 1배(유량비 1), 2배(유량비 2) 그리고 3배(유량비 3)로 하여 수리모형실험을 수행하였으나 유량비 1과 2에 대해 수심측정 결과를 비교하였을 때 명확하게 뚜렷한 차이가 발생하지 않아 본 논문에서는 유량비 1과 3에 대한 결과를 비교·분석하였다.
- 본 연구에서 적용된 모형의 검증을 위해 수리모형실험의 Case I과 II에서 적용된 4가지 유입유량에 대해 비정상 상태 조건으로 모의를 수행하였다. 구축된 수로는 수리모형실험에서와 마찬가지로 경사가 없는 평탄한 수로로 가정하였으며, 격자시스템은 153,304개의 절점과 621,634개의 셀로 이루어져 있으며, 경계조건으로 두 개의 유입수로(Fig.
- 본 연구에서는 네 개의 수로가 비대칭으로 연결된 합류부 내 및 주위에서의 홍수흐름 특성에 대해 수리모형실험과 3차원 유동해석모형인 ANSYS CFX(ver. 14)를 이용하여 수치모의를 수행하였다. 모의된 결과는 수리실험결과와 비교를 통해 적용성을 검증하였으며, 다양한 유입유량조건에 따른 수로 합류부에서의 흐름특성에 대한 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 수로가 비대칭으로 연결된 합류부 및 주위에서의 유입유량의 변화에 따른 홍수흐름 특성에 대한 수리모형실험 그리고 수치모의 및 비교분석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수로 및 합류부의 높이는 조절나사를 이용하여 수로를 경사가 없는 수평상태를 유지할 수 있도록 하였으며, 유량조절밸브와 전자유량계를 이용하여 유량을 조절한 후 수로 내에 물을 유입시킨다. 이후 흐름이 안정화가 될 때부터(약 50초 이후) Fig.
- 유입유량의 증가에 따른 합류부 및 주위에서의 수심변화 양상을 분석하기 위해 수로 내로 유입되는 유량의 차이를 6배(유량비 6)로 설정하여(Case I-3과 Case II-3) 수치적으로 모의된 결과에 대해 Case I-1, 2와 II-1, 2의 결과와 비교 분석을 수행하였다. 수치적 모의결과만을 이용하여 비교·분석을 한 이유는 수리모형실험에 사용된 전자 유량계의 유량조절능력이 최대 450 l/min로 인해 유량비 6에 대해 실험을 수행하지 못했기 때문이다.
- 이러한 현상을 비디오 촬영 등을 통해 합류부 내 및 주변에서의 흐름이 시간에 따라 변화되는 양상을 실제로 확인하려고 하였으나 장비의 부재로 인해 흐름이 안정화 된 이후 목측(目測)으로만 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 Case I과 II에 대한 수리모형실험을 결과를 비정상 수치모의를 통해 확인하였으며, 이에 대한 결과는 3절에 기술하였다.
- 또한, 수로바닥과 벽면에서의 조건은 smooth wall로 가정하였다. 총 모의시간은 정상상태에 도달되기 위해 충분한 시간으로 60초로 하였으며, 모의시간간격은 0.01초로 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 적용된 수치모형은 1990년대 초반 영국원자력공사(UKAEA)와 캐나다의 ASC(Advance Science Computing)의 TASCflow로부터 개발되어 CFX-4와 CFX-TASCflow를 기반으로 발전된 3차원 유동 모의 및 해석모형인 ANSYS CFX 모형이다. 본 모형은 뛰어난 유동해석 기능과 사용자편의 위주의Workbench 환경이 결합되어 GUI 환경에서 작업하기 편리한 강력한 수치모형으로 빠르고 정확한 해석결과를 제공하는 것으로 알려져 있다.
- 본 연구에서는 다양한 난류모형 중 standard k - ε 모형을 적용하여 모의를 수행하였다.
성능/효과
- 1) 유입유량 변화에 따른 합류부와 합류부와 연결된 수로에서의 수심분포에 대한 수리모형실험 결과와 수치모의 결과는 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 2) 합류부와 연결된 네 개의 수로 중 물이 유입되는 두개 수로 방향(Case I과 II)에 따라 합류부에서의 수심분포의 양상은 달라진다. 두 개의 수로에 동일한 유량이 유입될 경우 수평방향의 수로 즉 수로 ①과 ③에서는 합류부로 유입되는 즉시 수심이 감소되는 경향을 나타내었으나(Case I) 두 개의 수로 중 하나의 수로에서 유입유량이 증가됨에 따라 합류 전 수심이 그대로 유지되며, 합류부 통과 직전 수심이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다(Case II).
- 3) 수로 ②과 ④에서는 두 개의 수로에 동일한 유량이 유입될 경우 합류부에 유입 직후부터 수심이 급격히 감소되며, 합류부 통과 직후부터 유입유량의 증가에 따라 수심이 급격히 증가되어 상대적으로 점차적으로 규모가 큰 도수현상이 발행되었다(Case I). 특히 Case I-3의 경우 도수가 두 번 발생하는 것으로 나타났다.
- 2) 합류부와 연결된 네 개의 수로 중 물이 유입되는 두개 수로 방향(Case I과 II)에 따라 합류부에서의 수심분포의 양상은 달라진다. 두 개의 수로에 동일한 유량이 유입될 경우 수평방향의 수로 즉 수로 ①과 ③에서는 합류부로 유입되는 즉시 수심이 감소되는 경향을 나타내었으나(Case I) 두 개의 수로 중 하나의 수로에서 유입유량이 증가됨에 따라 합류 전 수심이 그대로 유지되며, 합류부 통과 직전 수심이 급격히 감소하는 경향을 나타내었다(Case II). Case I 의 경우 합류부를 통과한 직후 수심이 급격히 상승하는 도수현상이 뚜렷하게 발생하였으나 Case II의 경우 점차적으로 수심이 증가하면서 상대적으로 작은 규모의 도수가 발생되었다.
- 그러나 합류부에서의 수심분포는 Case I-1과는 매우 다른 양상을 나타내었다. 두 수로를 통해 물이 합류부 내로 유입된 이후 수심은 감소되지 않고 유입전 수심을 유지하는 것으로 나타났다. 합류부에 유입된 물은 수로 ②와 ③이 접하는 지점(●)에 도달될 때 분리 되어 각각의 수로로 이동한다.
- 또한 수로 및 합류부에서의 흐름은 B-B’ 축을 따라 대칭인 양상을 나타내며, Case I-2의 경우 상대적으로 큰 유량의 수로에서 보다 빠르게 물이 합류부에 도달한 후 연결된 수로로 계속 이동하는 것을 확인할 수 있으며, 10초 이후부터 작은 유량의 수로에서 배수위 현상이 발생되는 것을 볼 수 있다.
- 를 비교한 것이다. 비교결과 각각의 유입유량조건에서 본 연구에서 모의된 유량과 측정된 유량은 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- Table 7은 Case I과 II에 대해 수로 ①과 ③ 그리고 수로 ④와 ②에서의 최대수심과 최소수심을 비교한 것이다. 비교결과 수로 ①과 ③에 대해 최대수심은 Case I-2와 I-3의 경우 Case I-1에 비해각각약 2배 그리고 3배 증가되었으며, Case II의 경우도 거의 동일한 비율로 증가하였다. 수로 ④과 ②에 대해 최대수심은 Case I-2와 I-3의 경우 Case I-1에 비해 각각 약 1.
- 9 and 10은 Case I과 II에 대해 합류부를 중심으로 네 개의 수로 중심선을 따라 공간적으로 변화되는 수심의 측정된 결과와 모의된 결과를 비교한 것이다(모의시간 60 초일 때). 비교결과 전반적으로 모의된 수심의 공간적 분포는 측정된 수심의 공간적 분포와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. Case I의 경우와 Case II의 경우에 있어 수심분포의 큰 차이점은 수로 ①에서 수로 ③으로 흐름이 진행해 갈 때 Case I에서는 합류부 내에서 수심이 급격히 감소하다가 합류부를 통과한 후 도수형태와 같이 급격한 수심상승이 발생된다.
- (8)에서 (10)과같은L1(절대평균오차), L2(평균제곱근오차) 그리고L∞(최대오차)의 세 가지 오차공식을 이용하여 산정하였으며, 산정된 결과는 Table 5에 제시되어있다. 산정결과 세 가지 오차공식 모두에서 매우 작은 값을 나타내므로 본 연구에서 적용된 수치모형은 측정결과에 비교적 잘 일치하는 것으로 볼 수 있다.
- 전반적으로 Case I과 II에 대한 수리모형실험 결과와 수치모의실험 결과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구에서 제시된 45°로 비대칭 연결구조의 수로 합류부에서의 홍수흐름에 대한 수리모형실험 및 수치모의 결과는 도시지역 홍수방재대책 수립과 같은 활용성 측면에서 매우 제한된 경우에 해당되는 것으로 이를 보완하기 위해서는 보다 다양한 각도로 연결되어 있을 경우에 대해서도 수리모형실험 및 수치적 분석이 필요하다. 현재 연결각도 22.
- 또한 실제 도시지역 내 도로망과 같이 대칭 및 비대칭 연결이 혼재된 경우에 대해 홍수흐름에 대한 결과를 도출할 필요가 있다. 이를 위해 향후 본 논문의 서론에 제시된 Fig. 1(a)와 같은 도시지역을 선정하여 대칭과 비대칭 연결구조를 가진 도로망에서의 홍수흐름에 대한 모의 및 분석을 수행할 예정이다.
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