본 연구는 조도보정 블록수로에서의 체적밀집도를 정의하고, 평균유속(V)과 수리반경(R)의 곱인 VR, 블록 Reynolds수($Re^*$), 항력계수($\acute{C}_D$) 및 바닥전단특성의 바닥조도계수($n_b$)를 분석하여 조도계수(n)를 산정하였다. VR과 블록Reynolds수가 증가함에 따라 조도계수가 감소하여 일정함에 수렴하는 경험적인 양상을 확인하였다. 블록Reynolds수의 증가에 따라 항력계수는 감소하여 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타났다. 블록Reynolds수가 큰 난류구간에서는 항력계수는 밀집도로 정의한 조도블록의 형상에 지배적임을 볼 수 있다. 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 상관식의 개발이 요구된다. n-VR, $\acute{C}_D-Re^*$, $n_b-\acute{C}_D$상관에 대한 관계곡선식을 제시하였다. 조도계수를 산정할 수 있는 블록Reynolds수와 체적밀집도와의 상관관계식을 제시하였다. 실험결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 조도 계수 산정식을 이용한 HEC-RAS의 수리특성 분석결과는 실험결과와 잘 일치함을 보여주어 산정한 조도계수 추정식의 적용성을 확인하였다.
본 연구는 조도보정 블록수로에서의 체적밀집도를 정의하고, 평균유속(V)과 수리반경(R)의 곱인 VR, 블록 Reynolds수($Re^*$), 항력계수($\acute{C}_D$) 및 바닥전단특성의 바닥조도계수($n_b$)를 분석하여 조도계수(n)를 산정하였다. VR과 블록Reynolds수가 증가함에 따라 조도계수가 감소하여 일정함에 수렴하는 경험적인 양상을 확인하였다. 블록Reynolds수의 증가에 따라 항력계수는 감소하여 일정한 값에 수렴하는 것으로 나타났다. 블록Reynolds수가 큰 난류구간에서는 항력계수는 밀집도로 정의한 조도블록의 형상에 지배적임을 볼 수 있다. 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 상관식의 개발이 요구된다. n-VR, $\acute{C}_D-Re^*$, $n_b-\acute{C}_D$상관에 대한 관계곡선식을 제시하였다. 조도계수를 산정할 수 있는 블록Reynolds수와 체적밀집도와의 상관관계식을 제시하였다. 실험결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 조도 계수 산정식을 이용한 HEC-RAS의 수리특성 분석결과는 실험결과와 잘 일치함을 보여주어 산정한 조도계수 추정식의 적용성을 확인하였다.
A volume density of roughness correction blocks in a channel is defined and the corresponding roughness coefficient(n) is estimated by analyzing the diverse hydraulic characteristics of VR, the product of the average velocity and the hydraulic radius, block Reynolds number ($Re^*$), drag ...
A volume density of roughness correction blocks in a channel is defined and the corresponding roughness coefficient(n) is estimated by analyzing the diverse hydraulic characteristics of VR, the product of the average velocity and the hydraulic radius, block Reynolds number ($Re^*$), drag coefficient ($\acute{C}_D$), and the roughness coefficient ($n_b$) of bottom shear. The increase of VR and block Reynolds number causes the exponential decrease of roughness coefficient converged to a constant value as expected. The drag coefficient also exponentially decreases as block Reynolds number increases as well. The drag force is governed by the block shape defined by volume density in high block Reynolds number of turbulent flow region. For more accurate estimation of roughness coefficient the use of the correlation equation of it is required by block Reynolds number and volume density. The regression equations for n-VR, $\acute{C}_D-Re^*$, and $n_b-\acute{C}_D$ are presented. The regression equations of roughness coefficient are also presented by block Reynolds number and volume density. The developed equation of roughness coefficient by block Reynolds number and volume density has practical use by confirming the coincidence between the experimental results and the results of HEC-RAS using the developed equation.
A volume density of roughness correction blocks in a channel is defined and the corresponding roughness coefficient(n) is estimated by analyzing the diverse hydraulic characteristics of VR, the product of the average velocity and the hydraulic radius, block Reynolds number ($Re^*$), drag coefficient ($\acute{C}_D$), and the roughness coefficient ($n_b$) of bottom shear. The increase of VR and block Reynolds number causes the exponential decrease of roughness coefficient converged to a constant value as expected. The drag coefficient also exponentially decreases as block Reynolds number increases as well. The drag force is governed by the block shape defined by volume density in high block Reynolds number of turbulent flow region. For more accurate estimation of roughness coefficient the use of the correlation equation of it is required by block Reynolds number and volume density. The regression equations for n-VR, $\acute{C}_D-Re^*$, and $n_b-\acute{C}_D$ are presented. The regression equations of roughness coefficient are also presented by block Reynolds number and volume density. The developed equation of roughness coefficient by block Reynolds number and volume density has practical use by confirming the coincidence between the experimental results and the results of HEC-RAS using the developed equation.
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문제 정의
본 연구에서는 조도보정 블록수로에서의 조도계수의 특성을 분석하였다. 하상재료의 특성을 나타낼 수 있는 체적밀집도를 정의하고, 조도계수의 산정을 위한 다양한 수리특성의 분석으로는 VR, 블록Reynolds수, 항력계수 및 바닥전단 특성의 조도를 계산하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
바닥저항은 바닥면의 거칠기 보다는 하상재료의 거칠기에 지배되므로 바닥조도계수는 하상재료 거칠기 계수로 나타냈다(Fathi-Maghadam and Kouwen, 1997). 시험수로의 벽면과 바닥의 서로 다른 조도로 구성되고 단면적(A)은 벽면지배 단면적(Aw)과 바닥지배단면적(Ab)인 A = Aw + Ab이고 단면적은 수로 폭(B)과 수심(D)의 곱이고 평균유속은 수로단면에 균일하게 분포된다고 가정한다.
제안 방법
10은 수리모형에서 얻은 조도계수와 실험결과를 토대로 얻은조도계수 산정식에 의한 조도계수를 도식화한 것이다. 실험에 의한 결과와 산정식에 의한 값이 잘 일치함을 보여주어 블록 Reynolds수와 체적밀집도에 의해 산정한 조도계수의 사용성을 확인하였다.
9는 수리모형 실험에서 얻은 수심, 유속과 실험결과를 토대로 얻은 조도계수 산정식을 이용한 조도계수를 사용한 HEC-RAS 에 의한 수심, 유속의 관계를 도식화한 것이다. 실험에 의한 결과와 수치실험에 의한 결과가 잘 일치함을 보여주어 블록 Reynolds수와 체적밀집도에 의해 산정한 조도계수의 사용성을 확인하였다. Fig.
Froude수가 증가에 따른 유속의 증가와 수심의 감소로 체적밀집도는 상대적인 변화로 커졌다. 아울러 수로의 경사는 일정하게 유지하고 하류단의 웨어의 조정을 통하여 수위를 0.026m에서 0.234m까지 변경시켜 실험을 수행하였다.
상관에 대한 관계곡선식을 제시하였다. 아울러 정확한 조도계수를 산정할 수 있는 블록Reynolds 수와 체적밀집도와의 상관관계식을 제시하였다.
3). 유량은 0.01~0.035m3/s으로 각각의 case별 9가지의 유량조건과 하류단의 웨어의 조절에 의한 다양한 수심에 대해 실험을 수행하였다. 조도계수를 분석하기 위한 수리특성의 검토는 조도보정 블록수로의 블록Reynolds수 Re* = VT/ν, 유속과 동수반 경의 곱인 VR, 체적밀집도, 조도보정 블록의 항력계수 C'D 등의 변수를 이용하였다.
이러한 차원에서 조도보정용 블록을 가진 수로에서의 조도계수의 추정은 일정규모 이상의 큰 입자를 가진 산지하천의 조도계수의 정확한 산정을 위한 기초연구가 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해서 바닥구성물질의 체적과 유수의 체적에 대한 바닥구성물질의 체적밀집도를 정의하고 흐름특성과 더불어 이에 따른 조도계수와의 상관특성을 분석하였다.
조도계수를 분석하기 위한 수리특성의 검토는 조도보정 블록수로의 블록Reynolds수 Re* = VT/ν, 유속과 동수반 경의 곱인 VR, 체적밀집도, 조도보정 블록의 항력계수 C'D 등의 변수를 이용하였다.
조도보정 블록에 의한 조도계수를 산정하기 위하여 개수로 모형 실험을 수행하였다. 실험 장치는 가변 경사식으로 유량을 공급하는 고수조와 저수조의 각각 저수용량은 2m3 이고, 6.
조도보정 블록을 가진 수로에서의 조도계수의 추정을 위하여 하상에 석고모형을 이용하여 조도블록을 재현하였다. 조도계수는 조도블록의 밀집도를 정의하여 Manning 식을 이용하여 산정하였다.
본 연구에서는 조도보정 블록수로에서의 조도계수의 특성을 분석하였다. 하상재료의 특성을 나타낼 수 있는 체적밀집도를 정의하고, 조도계수의 산정을 위한 다양한 수리특성의 분석으로는 VR, 블록Reynolds수, 항력계수 및 바닥전단 특성의 조도를 계산하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
조도보정 블록에 의한 조도계수를 산정하기 위하여 개수로 모형 실험을 수행하였다. 실험 장치는 가변 경사식으로 유량을 공급하는 고수조와 저수조의 각각 저수용량은 2m3 이고, 6.75m3 이다. 유량공급은 60Hz, 11kW의 원심력 펌프로 최대유량 2,800l/min 을 양수할 수 있고, 수로의 길이는 12m, 폭 및 높이는 0.
데이터처리
실험 유량 0.01~0.035m3/s의 범위에서 얻어진 조도계수와 실험 결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의해 산정한 조도 계수의 값을 비교분석하였다. 실험에서 얻은 조도계수와 그에 따른 수위, 유속의 관계를 상관관계식에서 얻은 조도계수를 이용하여 HEC-RAS모형에 의한 수위와 유속의 비교는 잘 일치함을 확인하였다(Table 4).
이론/모형
조도보정 블록을 가진 수로에서의 조도계수의 추정을 위하여 하상에 석고모형을 이용하여 조도블록을 재현하였다. 조도계수는 조도블록의 밀집도를 정의하여 Manning 식을 이용하여 산정하였다. 밀집도는 Wu et al.
조도보정 블록을 가진 수로에서의 조도계수의 추정은 Manning 공식을 이용하였고, 조도보정 블록은 Fig. 2와 같이 0.04m×0.04m, 0.04m×0.08m, 0.04m×0.12m 총 3cases의 원기둥 모형을 제작하였다.
성능/효과
1) 평균유속 V와 수리반경 R의 곱인 VR의 값이 증가함에 따라 바닥마찰의 조도계수가 감소하여 일정함에 수렴하는 경험적인 양상을 확인하였다. 실험결과 조도블록의 높이가 큼에 따른 밀집도가 큰 경우에 조도계수가 크게 나타났다.
2) 블록Reynold수가 증가할수록 조도블록의 항력계수가 감소하여 일정값에 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 블록 Reynold 수가 커지는 난류영역에서는 조도계수의 감소로 나타난 예와 같이 항력계수 역시 감소함으로 나타났다.
3) 항력이 커질수록 바닥전단특성의 조도가 커짐을 확인하였다. 또한 체적밀집도가 커짐에 따라 바닥전단특성의 조도가 커짐을알 수 있었다.
4) 흐름특성이 같은 블록Reynolds수를 가지는 실험조건에 대해 체적밀집도에 따른 조도계수를 분석한 결과, 즉 흐름특성이 같은 조건에서 조도계수는 체적밀집도에 따라 증가함을 보여준다. 조도계수는 수리특성에 크게 지배될 뿐만 아니라 체적밀집 도에 지배됨을 확인하였다.
6) 실험결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 조도 계수 산정식을 이용한 HEC-RAS의 수리특성 분석결과는 실험에 의한 결과와 잘 일치함을 보여주어 개발한 조도계수 산정식의 적용성을 확인하였다.
7에서는 체적밀집도가 커짐에 따라 조도계수는 감소하는 것으로 나타났으나, 이는 앞서 지적한 바와 같이 체적밀집도 보다는 수리특성인 블록Reynolds수가 보다 지배 적인 이유이다. 따라서 조도계수는 블록Reynolds수와 체적밀집도 와의 상관관계식의 사용이 정확한 조도계수를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
흐름특성이 같은 조건에서 조도계수의 변화는 체적밀집도에 따라 증가함을 보여준다. 따라서 조도계수는 수리특성에 크게 지배될 뿐만 아니라 체적밀집도에 지배됨을 확인하였다. 따라서 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 흐름특성을 나타나는 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 상관식의 개발이 요구된다.
98로 높은 상관성이 있다. 따라서 조도계수는 수리특성을 나타내는 블록Reynolds수와 체적밀집도와의 상관관계식의 사용이 정확한 조도계수를 산정할수 있을 것으로 판단된다. Fig.
또한 체적밀집도가 커짐에 따라 바닥전단특성의 조도가 커짐을알 수 있었다. 따라서 조도계수는 이를 지배하는 항력계수와의 상관은 물론 체적밀집도와의 상관이 있음을 확인하였다.
3) 항력이 커질수록 바닥전단특성의 조도가 커짐을 확인하였다. 또한 체적밀집도가 커짐에 따라 바닥전단특성의 조도가 커짐을알 수 있었다. 따라서 조도계수는 이를 지배하는 항력계수와의 상관은 물론 체적밀집도와의 상관이 있음을 확인하였다.
6은 바닥전단특성의 조도계수와 항력계수와의 관계를 나타내며, 항력이 커질수록 바닥전단특성의 조도계수가 커짐을 확인하였다. 또한 체적밀집도가 커짐에 따라 바닥전단특성의 조도계수가 커짐을 볼 수 있었다. 따라서 조도계수를 지배하는 항력계수와의 상관은 물론 체적밀집도 역시 조도계수를 지배함을 보여준다.
상관에 대한 관계곡선식이다. 먼저, n- VR의 관계곡선식 Case별 결정계수가 높은 상관성을 보여주며 조도계수와 VR의 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 전체적인 실험에 대한 관계곡선식은 결정계수가 떨어지는 것을 확인하였다.
99의 높은 상관을 보였다. 바닥전단특성의 조도계 수와 항력계수는 밀접한 관련이 있음을 확인할 수 있었다.
1) 평균유속 V와 수리반경 R의 곱인 VR의 값이 증가함에 따라 바닥마찰의 조도계수가 감소하여 일정함에 수렴하는 경험적인 양상을 확인하였다. 실험결과 조도블록의 높이가 큼에 따른 밀집도가 큰 경우에 조도계수가 크게 나타났다. 따라서 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 체적밀집도를 고려할 필요가 있다.
035m3/s의 범위에서 얻어진 조도계수와 실험 결과를 토대로 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의해 산정한 조도 계수의 값을 비교분석하였다. 실험에서 얻은 조도계수와 그에 따른 수위, 유속의 관계를 상관관계식에서 얻은 조도계수를 이용하여 HEC-RAS모형에 의한 수위와 유속의 비교는 잘 일치함을 확인하였다(Table 4).
03정도로 나타났다. 실험의 결과 조도블록의 높이가 큼에 따른 체적 밀집도가큰 경우에 조도계수가 크게 나타났다. 따라서 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 체적 밀집도를 고려할 필요가 있다.
식생수로에서의 조도계수의 분석으로 Ree and Palmer (1949)는 식생의 높이가 수심에 비해서 작을 경우 식생사이의 흐름(intermediate flow)의 지체정도(retardance class)를 평균유속(V)과 수리반경(R)의 곱에 의한 VR관계를 도표를 통해서 제시하였다. 이 실험은 주로 수중의 식생에 대해 실험한 것으로 지체정도는 VR의 값이 커질수록 감소함을 보였다. 이는 VR이 커질수록 식생의 구부러짐이 커지면서 잠수도가 증가함에 있는 것으로 간주된다.
먼저, n- VR의 관계곡선식 Case별 결정계수가 높은 상관성을 보여주며 조도계수와 VR의 밀접한 관련이 있음을 확인하였다. 전체적인 실험에 대한 관계곡선식은 결정계수가 떨어지는 것을 확인하였다. 따라서 보다 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 체적 밀집도를 고려할 필요가 있음을 보여준다.
흐름특성이 같은 조건에서 조도계수의 변화는 체적밀집도에 따라 증가함을 보여준다. 따라서 조도계수는 수리특성에 크게 지배될 뿐만 아니라 체적밀집도에 지배됨을 확인하였다. 따라서 정확한 조도계수의 산정을 위해서는 흐름특성을 나타나는 블록Reynolds수와 체적밀집도에 의한 상관식의 개발이 요구된다.
후속연구
이러한 차원에서 조도보정용 블록을 가진 수로에서의 조도계수의 추정은 일정규모 이상의 큰 입자를 가진 산지하천의 조도계수의 정확한 산정을 위한 기초연구가 가능할 것으로 판단된다. 이를 위해서 바닥구성물질의 체적과 유수의 체적에 대한 바닥구성물질의 체적밀집도를 정의하고 흐름특성과 더불어 이에 따른 조도계수와의 상관특성을 분석하였다.
(2010)의 연구가 있다. 이와 같은 연구배경에 의해서 토석류 유입하천에서의 흐름 저항의 산정을 식생에 의한 흐름 산정 기법을 이용하여 제시할 필요가 있을 것으로 평가된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 하천에서의 홍수위를 결정할 때 가장 중요한 변수중의 하나는 무엇인가?
국내 하천에서의 홍수위를 결정할 때 가장 중요한 변수중의 하나는 Manning 조도계수로서 이에 의한 많은 연구가 진행되어 왔다. 수리학적 모형의 사용에 따른 중요한 고려사항 중 하나는 정확한 조도계수의 입력이며, 적절하지 않은 조도계수의 사용은 계산결과에 많은 오차를 가져온다.
조도계수를 결정짓는 인자들은 무엇이 있는가?
조도계수는 유량, 하상재료, 하천의 만곡, 수로바닥의 형상, 단면형상의 변화, 하상과 제방비탈면에서의 식생상태 등의 매우 복합적인 인자들에 의해 결정된다. 조도를 지배하는 마찰저항은 흐름과 수로바닥 재료의 경계면에서 발생한다.
조도계수의 보정이 필요한 이유는 무엇인가?
국내 하천에서의 홍수위를 결정할 때 가장 중요한 변수중의 하나는 Manning 조도계수로서 이에 의한 많은 연구가 진행되어 왔다. 수리학적 모형의 사용에 따른 중요한 고려사항 중 하나는 정확한 조도계수의 입력이며, 적절하지 않은 조도계수의 사용은 계산결과에 많은 오차를 가져온다. 하천 설계에서 조도계수의 결정은 보통 부등류 모형에 의한 방법, NCALC 모형(Jarret and Petsch, 1985)에 의한 방법, 하상재료에 의한 방법이 있으며, 이렇게 결정된 조도계수는 유량과 하천구간에 상관없는 단일 값인 경우가 대부분 이다. 이는 유량과 하상의 구성재료에 따른 조도계수의 변화를 고려하지 않고 전체 하천구간에 대해 일정한 조도계수를 사용하고 있어 실제 하천의 설계 시 과다 또는 과소 설계의 원인이 될 수있다. 이에 따라 실제 하천의 설계 시에 사용되는 조도계수의 보정이 필요한 실정이다.
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