선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 만곡수로 내 수제 형 수리구조물의 설치로 인한 흐름특성의 변화를 분석하기 위하여 만곡수로에서 3차원 유속장을 측정 및 분석하였다. 특히, 수로의 만곡부에 위치한 4개의 단면에 대하여 수면에서의 종방향 유속분포 및 수심평균유속분포를 수리구조물 설치 전·후에 대해 각각 비교하고, 변화가 뚜렷한 단면에 대해서는 단면유속분포 및 유속벡터를 통해 종방향, 횡방향, 연직방향의 3차원적 분석을 하였다.
- 본 연구의 목적은 단일 만곡수로 내 만곡의 정점부에 수제 형 수리구조물 설치 시, 유속구조의 변화를 분석하는 데 있다. 중심각이 120°인 단일 만곡수로에서 3차원 초음파 유속계(Acoustic Doppler velocimeter, ADV)를 이용하여 유속을 측정하였다.
제안 방법
- Case 2의 경우, 수제 형 수리구조물 설치에 따른 흐름변화가 예상되는 S2∼S5의 4개 단면에 대해서만 측정을 실시하였다.
- Nortek사의 Vectrino-II 초음파유속계(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하여 3차원 유속을 측정하였다. Vectrino-II는 중앙으로부터 30°씩 기울어져 있는 4개의 탐침(probe)으로 구성되어 있으며 기기 중심부로부터 40 mm를 기점으로 하향 30 mm 구간(40 mm 부터 70 mm의 범위 내)에서 실험자가 설정한 간격으로 유속을 측정한다.
- 각 단면의 횡방향에 대해서는 중심(y/B=0.0 지점)을 기점으로 하여 6 cm 간격으로 좌우 48 cm까지(y/B=±0.96 지점) 측정하였으며 수심방향은 수심의 변화에 따라 3∼4 cm 간격으로 나누어, 총 65개 지점의 유속을 측정하였다.
- 13 m 3/s의 단일 유량조건에 대해 실시하였으며 상류에 위치한 단면 S7에서 측정된 유속값을 흐름단면적에 관하여 적분하여 측정된 유량값을 재검증하였다. 단면 S1이후에 위치한 수로 하단에는 포인트게이지를 설치하여 하류수위를 측정하였다. 하류수심은 0.
- 단면(S2∼S5)에서의 종방향 유속분포를 수심평균(#) 한 후 Case 1과 2에 대해 도시하여, 만곡부에 설치한 수제로 인한 흐름변화를 정량적으로 비교하였다(Fig. 5).
- (2006)의 연구에 따르면 Vectrino-II는 기기 중심부로부터 50∼55 mm 떨어진 구간에서 점 유속에 대한 가장 높은 정확도를 보이며 이를 제외한 구간에서는 이에 멀어질수록 오차가 점점 더 크게 발생한다. 따라서 본 실험에서는 정확도를 높이고자 1 mm 간격을 설정하여 총 31개의 측점 중 위에서부터 16번째 측점에 해당하는, 즉 유속계의 하단부로부터 55 mm 아래에 위치한 유속을 이용하였다. 이때, 각각의 탐침을 통해 10 MHz의 반사된 신호를 최대 100 Hz의 샘플링 주파수로 데이터를 수집한다.
- 만곡부 수제 설치 유무에 따른 두 가지의 경우에 대한 수리모형실험을 수행하였으며 수제가 설치되지 않은 경우를 Case 1, 설치된 경우를 Case 2로 표기하였다. 이와 더불어, 조도에 따른 이차류의 영향을 배제하기 위해 콘크리트 표면으로 이루어진 매끄러운 만곡수로에서 유속 측정을 수행하였다.
- 중심각이 120°인 단일 만곡수로에서 3차원 초음파 유속계(Acoustic Doppler velocimeter, ADV)를 이용하여 유속을 측정하였다. 설치 전, 선정한 단면들의 유속값을 바탕으로 3차원 흐름특성을 분석하고 이를 대조군으로 수리구조물을 만곡부 정점에 설치했을 때, 이차류의 변화를 난류특성과 연관하여 분석하고 종방향 유속벡터를 통해 흐름 방향의 변화를 알아보고자 하였다.
- Case 2의 경우, 수제 형 수리구조물 설치에 따른 흐름변화가 예상되는 S2∼S5의 4개 단면에 대해서만 측정을 실시하였다. 실험은 0.13 m 3/s의 단일 유량조건에 대해 실시하였으며 상류에 위치한 단면 S7에서 측정된 유속값을 흐름단면적에 관하여 적분하여 측정된 유량값을 재검증하였다. 단면 S1이후에 위치한 수로 하단에는 포인트게이지를 설치하여 하류수위를 측정하였다.
- 여러 선행 연구들에서 조도의 변화에 따른 이차류의 변화에 대하여 분석하였다. Tominaga et al.
- 8에 나타내었다. 유속값은 전체평균유속(U=0.53 m/s)으로 나누어 무차원화하였다. Figs.
- 유속계의 샘플링 주파수를 100 Hz로 설정하여 5분간 약 30,000개의 유속 데이터를 각 지점에서 취득하였고, 수충부에 해당하는 사면흐름(단면의 양 끝단)에 대해서는 와류 및 이차류의 영향을 고려하여 약 6∼7분간 자료를 수집하였다.
- 만곡부 수제 설치 유무에 따른 두 가지의 경우에 대한 수리모형실험을 수행하였으며 수제가 설치되지 않은 경우를 Case 1, 설치된 경우를 Case 2로 표기하였다. 이와 더불어, 조도에 따른 이차류의 영향을 배제하기 위해 콘크리트 표면으로 이루어진 매끄러운 만곡수로에서 유속 측정을 수행하였다. 수리구조물은 Fig.
- 중심각이 120°인 단일 만곡수로에서 3차원 초음파 유속계(Acoustic Doppler velocimeter, ADV)를 이용하여 유속을 측정하였다.
- 이러한 현상은 수면유속 뿐만 아니라 수심평균 유속 값의 비교를 통해서도 확인 할 수 있었으며 수충부에 해당하는 사면(S3) 양측에 작용하는 수심평균 유속 값이 10∼15% 감소하였고, 수충부 이전 단면(S4)에서는 14∼20%까지 감소하였다. 최대 종방향 유속이 주수로로 이동하면서(Fig. 5) 단면 내 횡방향 및 연직방향 유속의 연직분포도 함께 변화하였다(Figs. 6 and 7). 또한 수리구조물 설치로 인해 변화된 회전 셀로 인해 S4에서 전단층을 형성하게 되며 내측 제방에서는 퇴적을, 외측 제방에서는 침식을 방지할 수 있다.
- 특히, 수로의 만곡부에 위치한 4개의 단면에 대하여 수면에서의 종방향 유속분포 및 수심평균유속분포를 수리구조물 설치 전·후에 대해 각각 비교하고, 변화가 뚜렷한 단면에 대해서는 단면유속분포 및 유속벡터를 통해 종방향, 횡방향, 연직방향의 3차원적 분석을 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 실험 수로는 한국건설기술연구원에 위치한 전체 하폭 2.3 m, 흐름 방향 길이 24.4 m, 수로 경사 2%인 콘크리트 만곡수로이다. 주 흐름방향에 수직인 단면은 저변 폭 0.
- 실험 측정 단면은 Case1을 기준으로 상·하류 직선부에 각각 1 단면, 만곡부에 5 단면을 선정하였으며, 하류 단면부터 시작하여 S1∼S7로 명명하였다.
- 따라서 본 실험에서는 정확도를 높이고자 1 mm 간격을 설정하여 총 31개의 측점 중 위에서부터 16번째 측점에 해당하는, 즉 유속계의 하단부로부터 55 mm 아래에 위치한 유속을 이용하였다. 이때, 각각의 탐침을 통해 10 MHz의 반사된 신호를 최대 100 Hz의 샘플링 주파수로 데이터를 수집한다. Vectrino-II는 4개의 탐침을 통해 흐름방향, 하폭방향, 수심방향의 유속 데이터인 u, v, w 값을 측정하는데, 특히 수심방향에 대해서는 w1과 w2의 서로 독립적인 두 가지 유속을 측정하여 난류 측정에 정확도를 높일 수 있다는 장점을 갖는다(Blanckaert and Lemmin, 2006).
이론/모형
- 하지만 이상화된 이차류 모델이 아닌 실측 단면에서 주 흐름 방향을 정의하는 것이 쉽지 않으며 Johannesson and Parker (1989)의 연구에서는 주수로 흐름을 하천의 중심축 방향으로 정의하고 그 방향에 대한 수직단면에서의 유속성분을 이차류로 정의하였다. 따라서 본 연구에서는 Johannesson and Parker (1989)가 정의한 수직단면에서의 유속성분을 이차류로 정의하여 결과를 분석하였다.
성능/효과
- Figs. 8(a) and 8(b)의 비교를 통하여 알 수 있듯이, 수제의 설치로 인해 양측 사면에서 유속의 크기가 평균유속의 60% 정도로 급격히 감소하였음을 확인할 수 있다. 한편, 유속벡터를 통해 횡방향 및 연직방향 유속을 비교하였을 때, Case 1의 경우 단면 전반에 걸쳐 하상 근처에서 좌안(내측)방향으로 강하게 발생하는 횡방향 흐름이 Case 2에서는 그 크기가 감소하고 방향도 주수로의 우측을 기준으로 분리되는 것을 확인 할 수 있다.
- (2006)은 Odgaard (1986) 및 Chang (1988)의 제안을 기반으로 직사각형 단면의 매끈한 사행수로에서 이차류 거동을 해석하기 위한 새로운 방정식을 수립하고 조도의 변화에 따른 2차류 구조의 변화에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과, 조도가 낮을 경우 이차류가 만곡이 끝나는 단면까지 꾸준히 증가하고 있는 반면, 조도계수가 클 경우 만곡의 정점부에서 이차류의 최대치에 도달한 것을 알 수 있었다. 또한, Kim (2007)은 180° 실험수로의 모든 단면에 지름 2 mm 여과사를 부착한 거친 수로와 아크릴로 제작된 매끈한 수로에서의 이차류를 분석하였다.
- 매끈한 수로에서는 이차류의 최대 유속이 90°단면에서 발생한 반면 거친 수로에서는 60° 단면에서 최대 이차류 유속이 관측되었다. 또한, 유속의 크기는 거친 수로에서의 유속이 매끈한 수로에서의 유속에 비해 높게 관측되었다.
- 이전의 연구(Shiono and Muto, 1998; Kim, 2007)에서 최대 이차류 속력은 유출부 단면에서 발생하며 그 크기는 종방향유속의 약 10∼20% 정도라고 보고된 바가 있다. 본 연구에서는 Case 1과 Case 2 모두 유출부인 S2에서 최대 이차류 속력이 발생했으며 이는 기존의 연구들과 일치하는 것을 보여준다.
- 수리구조물의 설치 후(Case 2), S5는 줄어든 흐름단면적으로 인해 전반적으로 유속이 증가하였지만 만곡부 정점을 지난 단면 S4에서 수심평균유속분포가 변화하였음을 확인할 수 있었다. 주수로의 최대 유속이 약 13% 증가 하였고 최대유속 발생지점이 중심부로 이동하였으며, 사면에서의 유속은 최대 20% 감소함을 볼 수 있다.
- 주수로의 최대 유속이 약 13% 증가 하였고 최대유속 발생지점이 중심부로 이동하였으며, 사면에서의 유속은 최대 20% 감소함을 볼 수 있다. 수제 설치로 인한 후류효과는 S5 이후, 흐름 변화의 영향이 점점 줄어드는데, S3의 수심평균유속 변화는 외측(우안)에서만 나타났으며 우안에서의 평균유속이 Case 1과 비교하여 최대 약 15%정도 감소하였음을 확인할 수 있었다. 이후 도시한 S2에서 흐름의 변화가 미미한데, 이는 수제 설치로 인한 후류효과가 S2까지 미치지 않음을 의미한다.
- 실험을 통해, 만곡수로에서 흐름이 진행됨에 따라 발생하는 단면 내 최대 종방향 유속의 크기 및 위치가 수리구조물의 설치로 인해 3차원적인 특성을 갖고 변화하는 것을 확인하였으며, 결과적으로 수충부에 해당하는 사면의 침식 방지 및 보호를 유도 할 수 있지만 주수로의 단면 중심부에서 유속의 증가로 인한 하상에서 세굴 가능성을 예측할 수 있었다.
- 이러한 현상은 수면유속 뿐만 아니라 수심평균 유속 값의 비교를 통해서도 확인 할 수 있었으며 수충부에 해당하는 사면(S3) 양측에 작용하는 수심평균 유속 값이 10∼15% 감소하였고, 수충부 이전 단면(S4)에서는 14∼20%까지 감소하였다.
- Demuren and Rodi (1986)는 이전에 연구한 만곡수로 실험에 대해 수치모의를 수행하여 그 결과를 비교하였다. 이를 통해 하상의 조도계수가 높은 경우, 이차류의 강도가 증가하고 이차류 구조에 변화를 일으킨다는 것을 관찰하였다. Baek et al.
- 이후 수제를 설치하여 만곡부 내 단면에 대한 흐름 양상의 변화를 분석한 결과, 수충부에 해당하는 사면의 양측에 작용하는 종방향 흐름의 크기가 감소하고 단면 내 최대 유속발생지점이 주수로 쪽으로 이동하는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 수면유속 뿐만 아니라 수심평균 유속 값의 비교를 통해서도 확인 할 수 있었으며 수충부에 해당하는 사면(S3) 양측에 작용하는 수심평균 유속 값이 10∼15% 감소하였고, 수충부 이전 단면(S4)에서는 14∼20%까지 감소하였다.
- 수리구조물의 설치 후(Case 2), S5는 줄어든 흐름단면적으로 인해 전반적으로 유속이 증가하였지만 만곡부 정점을 지난 단면 S4에서 수심평균유속분포가 변화하였음을 확인할 수 있었다. 주수로의 최대 유속이 약 13% 증가 하였고 최대유속 발생지점이 중심부로 이동하였으며, 사면에서의 유속은 최대 20% 감소함을 볼 수 있다. 수제 설치로 인한 후류효과는 S5 이후, 흐름 변화의 영향이 점점 줄어드는데, S3의 수심평균유속 변화는 외측(우안)에서만 나타났으며 우안에서의 평균유속이 Case 1과 비교하여 최대 약 15%정도 감소하였음을 확인할 수 있었다.
- 한편, 유속벡터를 통해 횡방향 및 연직방향 유속을 비교하였을 때, Case 1의 경우 단면 전반에 걸쳐 하상 근처에서 좌안(내측)방향으로 강하게 발생하는 횡방향 흐름이 Case 2에서는 그 크기가 감소하고 방향도 주수로의 우측을 기준으로 분리되는 것을 확인 할 수 있다. 즉, 수제의 설치로 인해 만곡수로 내 종방향 유속분포는 물론 횡방향 및 연직방향 유속의 연직분포의 변화가 발생되었음을 확인할 수 있다. 이러한 변화를 종합적으로 살펴보았을 때, 이동상 조건에서 수제 설치 시 외측 제방 영역의 세굴 감소 및 하천유심선의 단면 중앙부 이동을 예측할 수 있다.
- 국외의 연구사례를 살펴보면, Duan (2009)은 직선수로에서 측정된 3차원 평균 유속과 레이놀즈 전단응력의 분석을 통해 수제 주변에서의 흐름을 관찰하였다. 해당 연구에서는 시간평균한 레이놀즈 전단응력 분포값이 국부세굴과 세굴심을 판단하기에 효과적인 인자임을 입증하였다. Yossef and de Vriend (2010)는 월류 조건에 따른 수제역에서의 2차원 흐름을 분석하고 혼합층(mixing layer) 길이의 주요 인자에 대한 연구를 수행하였다.
후속연구
- Kang and Sotiropoulos (2011)의 연구에서 밝혀진 바와 같이, 외안 회전류는 이동상 조건에서 외측 하상 및 제방구간의 세굴 및 침식 저감과 밀접한 연관이 있으며 이로부터 만곡수로 정점에 설치된 수제는 외안 회전류를 발생시킴으로써 하천 외측의 침식을 저감하는 역할을 함을 알 수 있다. 이는 추후 이동상 실험을 수행하여 확인할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.