[논문]낙차공이 있는 복단면 수로에서 사주거동의 수치분석

김기정; 장창래

doi:10.17820/eri.2016.3.1.014

낙차공이 있는 복단면 수로에서 사주거동의 수치분석
Numerical Analysis of the Behavior of Bars in a Compound Channel with a Drop Structure 원문보기

Ecology and resilient infrastructure, v.3 no.1, 2016년, pp.14 - 21

김기정 (한국교통대학교 토목공학과) , 장창래 (한국교통대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 복단면 하도에서 낙차공을 고려하여 하도 변화와 사주의 거동 특성을 분석하였다. 교호사주에 의하여 흐름이 분리되며, 사주의 선단부에서 흐름이 집중되고 수충부가 형성되었다. 낙차공에 의하여 흐름은 하도 전체에 균등하게 분산되었으며, 낙차공 하류에서는 흐름이 집중되고 하상고가 낮아졌다. 그러나 사주의 형상은 낙차공 상류의 영향을 받아 교호사주의 형상을 유지되었다. 하폭 대 수심이 증가하면서 교호사주, 중앙사주, 복렬사주가 형성되었으며, 사주의 수가 증가하였다. 낙차공에 의하여 흐름이 집중되어 낙차공 상류에서 사주길이보다 낙차공 하류에서 사주길이가 더 짧게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the behavior of sediment bars in a compound channel with a drop structure. Flow was separated into side banks by alternate bars, and flow was concentrated into the downstream of bar fronts. The bed downstream of a drop structure degradated due to the concentrated flow from it. Bar shapes were kept by the influence of their shapes upstream. Alternate bars, central bars, and multiple bars were developed as the width to depth ratio increased, and the number of bars increased. The bar in the downstream of a drop structure decreased in length due to the concentration of flow and its disturbance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

도시를 관통하는 하도에서 하천복원을 하면서 저수로 폭 대 수심의 비가 상대적으로 크고, 하상유지공이 설치되어 있으며, 이에 대한 사주의 거동과 하도 변화를 파악하는 것은 중요다. 따라서 복단면 하도에서 저수로 폭의 증가에 따른 낙차공에 의한 사주의 발생과 거동을 수치실험을 통하여 검토하였다. 수리조건은 Kuroki and Kishi (1984)가 제시한 사주의 영역구분에 의해서 결정하였다.

제안 방법

하류단 수면 조건은 등류조건을 적용하였으며 실험 및 모의시간은 5,400 초를 적용하였다. 계산격자는 종횡비가 1:3이 되도록 구성하였으며, 상류단 흐름과 하류단 흐름을 반복적으로 계산해 주는 조건인 주기경계조건을 사용하였다.
그러나 낙차공을 고려한 하도변화를 예측한 연구는 매우 적다. 따라서 본 연구에서는 2차원 수치모형인 Nays2D 모형을 이용하여 기존 실험자료 Ikeda and McEwan (2009)와 비교하여 수치모형의 적용성을 검토하였고, 수치모의을 통하여 낙차공 상하류에서 교호사주, 중앙사주, 복렬사주의 거동과 변화를 분석하였다.
본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 복단면 하도에서 낙차공을 고려하여 하도의 변화와 사주의 거동을 특성을 실내실험결과와 비교하였다. 또한 수치실험을 통하여 낙차공 상하류에서 교호사주, 중앙사주, 복렬사주의 거동과 변화를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
하류단 조건은 등류수심을 적용하였으며 실험 및 수치모의 시간은 동적 평형상태가 충분히 지속될 수 있도록 18,000 초를 적용하였다. 또한, 상류단 흐름과 하류단 흐름을 동일시하여 반복적으로 계산해 주는 주기경계조건을 사용하였다.
무차원 소류력 (τ*)과 Bi0.2/H의 관계를 통하여 교호사주가 발생할 조건, 중앙사주가 발생할 조건, 복렬사주가 발생할 조건에 대하여 수치모의를 수행하였다 (Fig. 5).
본 수치모형의 적용성을 검토하기 위하여, 복단면으로 만들어진 직선수로에서 교호사주가 발생하는 조건으로 Ikeda and McEwan (2009)에 의해서 수행된 실내실험 결과와 수치모의 결과를 비교 검증하였다. 실내실험에 적용한 수리학적 조건으로 수로길이 (L)는 10.
본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 복단면 하도에서 낙차공을 고려하여 하도의 변화와 사주의 거동을 특성을 실내실험결과와 비교하였다. 또한 수치실험을 통하여 낙차공 상하류에서 교호사주, 중앙사주, 복렬사주의 거동과 변화를 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
하류단 수면 조건은 등류조건을 적용하였으며 실험 및 모의시간은 5,400 초를 적용하였다. 계산격자는 종횡비가 1:3이 되도록 구성하였으며, 상류단 흐름과 하류단 흐름을 반복적으로 계산해 주는 조건인 주기경계조건을 사용하였다.
유사이송 공식은 Ashida and Michiue (1972) 공식을 사용하여 계산하였다. 하류단 조건은 등류수심을 적용하였으며 실험 및 수치모의 시간은 동적 평형상태가 충분히 지속될 수 있도록 18,000 초를 적용하였다. 또한, 상류단 흐름과 하류단 흐름을 동일시하여 반복적으로 계산해 주는 주기경계조건을 사용하였다.

대상 데이터

01이다. 하상경사 (i)는 1/60이며, 평균입경 (d_m)이 0.2 mm 균일사를 사용하였다.

이론/모형

Nays2D 모형에서는 난류에 대한 문제를 해결하기 위하여 zero 방정식을 적용하였다. 하상마찰속도와 수심 지배적 운동량 이송을 고려한 와동점성계수 ν_t는 다음과 같다.
2011). 본 모형은 직교좌표계를 변환하여 형상이 복잡한 하천에도 적용할 수 있도록 일반곡률좌표계 (General curvilinear coordinate system)를 사용하였다. 수리구조물을 포함한 2차원 흐름특성을 계산하고, 하상변동을 모의할 수 있다.
따라서 복단면 하도에서 저수로 폭의 증가에 따른 낙차공에 의한 사주의 발생과 거동을 수치실험을 통하여 검토하였다. 수리조건은 Kuroki and Kishi (1984)가 제시한 사주의 영역구분에 의해서 결정하였다. 무차원 소류력 (τ_*)과 Bi^0.
#와 #는 ξ와 η방향에 대한 단위폭당 소류사량이며, J는 Jacobian 이다. 유사량은 Ashida and Michiue (1972)의 공식으로 계산하였으며, 다음과 같다.
수치실험을 위한 자세한 수리학적 조건은 Table 1과 같다. 유사이송 공식은 Ashida and Michiue (1972) 공식을 사용하여 계산하였다. 하류단 조건은 등류수심을 적용하였으며 실험 및 수치모의 시간은 동적 평형상태가 충분히 지속될 수 있도록 18,000 초를 적용하였다.

성능/효과

1) 수치모형은 복단면 하도에서 교호사주의 발달과 이동 특성을 잘 모의하였다. 교호사주에 의하여 흐름은 좌안과 우안으로 분리되며, 사주의 선단부에서 흐름이 집중되고 수충부가 형성되었다.
2) 하폭 대 수심이 증가하면서 교호사주, 중앙사주, 복렬사주가 형성되었으며, 사주의 수가 증가하였다. 낙차공에 의하여 흐름이 집중되고 교란되기 때문에 사주의 수는 낙차공 상류에서보다 하류에서 많이 발생하였다.
3) 낙차공에 의하여 흐름이 집중되어 낙차공 상류에서 사주길이보다 낙차공 하류에서 사주길이가 더 짧게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	낙차공을 설치하는 이유는?	경사가 급한 중소하천이나 본류와 지류가 만나는 합류부에서 하상경사를 완화시키고 하도의 형상을 유지하며 하도안정화를 유지하기 위하여 낙차공을 설치한다. 특히, 도시를 통과하여 흐르는 경사가 급한 중소하천에서 친수공간을 확보하고 하천공간을 활용하기 위하여 복단면 하도로 복원하며 안정하도를 유지하기 위하여 낙차공이 많이 설치되었다.
	사주(sediment bars)는 어떤 문제를 야기하는가?	사주 (sediment bars)는 하천에서 흐름과 유사의 상호작용에 의해 발생하게 되며, 하안 침식과 저수로 변화를 일으켜 치수적인 문제를 야기하고 있다. 사주의 형상과 거동은 일반적으로 무차원소류력과 하폭 대 수심의 비에 의해 결정되며, 하폭 대 수심의 비가 작을 경우에 횡단면에 하나의 사주가 발달하고 교호사주가 형성된다.
	하폭 대 수심의 비가 큰 경우 발생하는 사주의 형상은 어떠한가?	사주의 형상과 거동은 일반적으로 무차원소류력과 하폭 대 수심의 비에 의해 결정되며, 하폭 대 수심의 비가 작을 경우에 횡단면에 하나의 사주가 발달하고 교호사주가 형성된다. 하폭 대 수심의 비가 큰 경우에는 횡단면에 여러 개의 사주가 발달하는 복렬사주가 형성된다. Ikeda et al.

참고문헌 (9)

Ashida, K. and Michiue, M. 1972. Study on hydraulic resistance and bed-load transport rate in alluvial streams. Journal of Civil Engineering, Japan Society of Civil Engineers 206: 59-69. (in Japanese)
Blondeaux, P. and Seminara, G. 1985. A unified bar-bend theory of river meanders. Journal of Fluid Mechanics 157: 449-470.

상세보기
Ikeda, S. and McEan, I.K. 2009. Flow and Sediment Transport in Compound Channels: The Experience of Japanese and UK Research. International Association of Hydraulic Engineering and Research, IAHR, CRC Press, New York, USA.
Ikeda, S., Parker, G. and Sawai, K. 1981. Bend theory of river meanders. Part 1. Linear development. Journal of Fluid Mechanics 112: 363-337.

상세보기
Jang, C.-L. 2013. Dynamic characteristics of multiple bars in the channels with erodible banks. Journal of Korea Water Resources Research 46: 25-34. (in Korean)
Jang, C.-L. and Shimizu, Y. 2005. Numerical simulations of the behavior of alternate bars with different bank strength. Journal of Hydraulic Research 43: 596-612.

상세보기
Kuroki, M. and Kishi, T. 1984. Regime criteria on bars and braides in alluvial straight channels. Proceedings of Japan Society of Civil Engineers 342: 87-96. (in Japanese)
Shimizu, Y., Fujita, M. and Hirano, M. 1999. Calculation of flow and bed deformation in compound channel with a series of vertical drop spillways. Annual Journal of Hydraulic Engineering, Japan Society of Civil Engineers 43: 683-688. (in Japanese).

상세보기
Shimizu, Y. Takuyam, I. Michihiro and H. Toshiki, I. 2011. Nays2D Solver Manual of iRIC Software.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증