개량형 공압식 가동보의 잠김흐름 특성 분석을 위한 실험연구 Analysis of submerged flow characteristics of the improved-pneumatic-movable weir through the laboratory experiments원문보기
본 연구에서는 개량형 공압식 가동보를 대상으로 가동보의 기립 각도변화에 따른 잠김흐름 특성을 분석하고 유량계수를 산정하였다. 실험결과, 위어마루에서 하류수면까지의 높이와 위어마루에서 상류 수면고 높이의 비($h_t/H$)에 대한 유량감소계수($Q_s/Q_1$)의 변화는 ($h_t/H$가 1에 가까울수록 감소하였다. 따라서 보 하류에서의 수심은 상류보다 작지만 보를 통과하는 흐름으로 인해 하류 유속이 빠르게 나타났으며, 유량이 증가할수록 상 하류 수위차는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 같은 유량조건인 경우 하류수두는 L/W가 클수록 크게 증가하였다. 개량형 공압식 가동보의 잠김흐름 유량계수는 가동보의 물리적 제원보다는 상류 접근흐름수두와 상 하류 흐름조건에 의하여 결정되었다.
본 연구에서는 개량형 공압식 가동보를 대상으로 가동보의 기립 각도변화에 따른 잠김흐름 특성을 분석하고 유량계수를 산정하였다. 실험결과, 위어마루에서 하류수면까지의 높이와 위어마루에서 상류 수면고 높이의 비($h_t/H$)에 대한 유량감소계수($Q_s/Q_1$)의 변화는 ($h_t/H$가 1에 가까울수록 감소하였다. 따라서 보 하류에서의 수심은 상류보다 작지만 보를 통과하는 흐름으로 인해 하류 유속이 빠르게 나타났으며, 유량이 증가할수록 상 하류 수위차는 감소하는 것으로 나타났다. 또한 같은 유량조건인 경우 하류수두는 L/W가 클수록 크게 증가하였다. 개량형 공압식 가동보의 잠김흐름 유량계수는 가동보의 물리적 제원보다는 상류 접근흐름수두와 상 하류 흐름조건에 의하여 결정되었다.
This Study calculated the Submerged Flow Characteristics and Discharge coefficient by the rising angular change of the Improved-Pneumatic-Movable. According to the result, the smaller the ratio of weir height and weir length (L/W) or the weir standing angle, the bigger of the downstream head ($...
This Study calculated the Submerged Flow Characteristics and Discharge coefficient by the rising angular change of the Improved-Pneumatic-Movable. According to the result, the smaller the ratio of weir height and weir length (L/W) or the weir standing angle, the bigger of the downstream head ($H_2$). The change of discharge reduction factor ($Q_s/Q_1$), by the hight from weir crest to downstream surface and the ratio form weir crest to upstream water height ($h_t/H$), was decreased when the $h_t/H$ closed to number 1. Although the weir water depth of the down-stream was shallower level than the up-stream, the velocity was faster then before. And the more the flow, the less the gab between the upper and lower reaches level. And when the same flow condition, the downstream head ($H_2$) was increased when the L/W was bigger. The Submerged Flow Discharge coefficient of Improved-Pneumatic-Movable weir was made by the upstream approach flow head and the upper lower stream flow condition, not by the physical data of Movable weir.
This Study calculated the Submerged Flow Characteristics and Discharge coefficient by the rising angular change of the Improved-Pneumatic-Movable. According to the result, the smaller the ratio of weir height and weir length (L/W) or the weir standing angle, the bigger of the downstream head ($H_2$). The change of discharge reduction factor ($Q_s/Q_1$), by the hight from weir crest to downstream surface and the ratio form weir crest to upstream water height ($h_t/H$), was decreased when the $h_t/H$ closed to number 1. Although the weir water depth of the down-stream was shallower level than the up-stream, the velocity was faster then before. And the more the flow, the less the gab between the upper and lower reaches level. And when the same flow condition, the downstream head ($H_2$) was increased when the L/W was bigger. The Submerged Flow Discharge coefficient of Improved-Pneumatic-Movable weir was made by the upstream approach flow head and the upper lower stream flow condition, not by the physical data of Movable weir.
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문제 정의
Villemonte (1947)는 Eq. (5)와 같이 예언위어의 잠김흐름에 대한 유량감소계수를 계산하기 위한 경험식을 제시하였으며, 본 연구에서는 개량형 공압식 가동보를 대상으로 유량감소계수를 계산하였다.
본 연구에서 개량형 공압식 가동보의 유량계수에 영향을 미치는 무차원 변수를 분석하기 위해 실내실험을 실시하였다. Eq.
본 연구에서는 실내실험을 통하여 개량형 공압식 가동보를 대상으로 보의 기립각도변화에 따른 잠김흐름 특성을 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
(2007)는 잠김흐름을 규명하기 위하여 중첩원리(Superposition principle)를 적용하였다. 잠김흐름 유량(Qs, m3/s)은 선형결합으로 상류 타관두(H, driving head)와 관련된 유량(Q1, m3/s)과 하류 타관두(ht)와 관련된 유량(Q2, m3/s)의 차이와 동일하고, 양방향 흐름에 대해서 유량계수가 일정하다고 가정한 것이다. Villemonte (1947)는 Eq.
제안 방법
(1)을 이용하여 계산된 유량과 Eq. (7)에 의해 접근흐름을 고려한 측정된 유량 비교를 통하여 측정된 유량계수에 대한 정확도를 검증하였다. 여기서, yc는 위어 마루를 통과하는 월류수심(m)이며, point gauge로 측정하였다.
(1994)에서 분석된 국내 중·소하천의 하상경사와 국내 하천정비기본계획 등 관련자료 조사를 통하여 가장 대표적인 하상경사인 1/500, 1/750, 1/1000과 1/2000로 4가지 조건을 선정하였으며, 가동보 기립각도를 4가지(완전도복인 8, 15, 20, 30°)로 구분하여 실험하였다. Lee et al. (2014)에서와 같이 보에 의하여 발생하는 배수(backwater)의 영향과 하류단에서 수면형 유지 등을 고려하여 잠김흐름 특성 분석을 위한 가동보의 기립각도를 결정하였으며, 가동보의 설치지점은 하류에서 1/3지점으로 하였다. 본 연구에서 사용된 개량형 공압식 가동보 모형의 조건 및 제원은 Table 1과 같다.
따라서, 본 연구에서는 실내실험을 이용하여 국내 중·소하천에 가장 많이 설치되어 있는 개량형 공압식 가동보(Improved-Pneumatic-Movable weir, IPM weir)를 이용하여 각도변화에 따른 다양한 잠김흐름을 재현하면서 가동보의 유량계수를 산정하고 흐름특성을 분석하였다.
14는 위어마루에서 하류수면까지의 높이와 위어마루에서 상류수면까지의 높이의 비(ht/H)에 대한 유량감소계수(Qs/Q1)의 변화를 보여주고 있다. 또한 Villemonte(1947)와 Tullis et al. (2007)의 결과와 비교하였다. Qs/Q1는 Villemonte(1947), Tullis (2007)와 Felvey (2003)에 의해서 잠김흐름 특성에 대한 주요 영향변수로 분석하였다.
또한 유량의 변화에 따라 상류 2 m, 하류 1 m 간격으로 ±0.1 mm의 정밀도를 가지는 point gauge를 이용하여 수위를 측정하였다.
본 연구에서는 개량형 공압식 가동보(IPM weir)에 대한 H1/h1=f(H2/h1)관계식을 제시하였다.
수로경사는 Woo et al. (1994)에서 분석된 국내 중·소하천의 하상경사와 국내 하천정비기본계획 등 관련자료 조사를 통하여 가장 대표적인 하상경사인 1/500, 1/750, 1/1000과 1/2000로 4가지 조건을 선정하였으며, 가동보 기립각도를 4가지(완전도복인 8, 15, 20, 30°)로 구분하여 실험하였다.
실험 방법은 보의 기립각도 또는 위어높이와 위어길이의 비(L/W)에 따라 분석하였다. 유량은 하류단 수조에서 상류 단 고수조로 연결된 유량공급배관의 밸브 조절을 통해 0.
흐름은 정류상태를 유지하기 위하여 고수조에 정류판을 설치하였으며, 5분 동안 흐름을 안정적으로 공급할 수 있는 상태에서 실험을 실시하였다. 실험의 정확성 및 신뢰성을 확보하기 위하여 각 실험을 3회 이상 반복하여 오차범위를 최소화 하였다.
(2007)는 Labyrinth 위어와 예언위어의 잠김흐름 특성을 규명하기 위하여 H1/h1=f(H2/h1)의 관계를 분석하였다. 여기서, 유량은 자유흐름 상태에 대해 결정된 상류수위 측정과 상류수두를 계산하여 h1을 결정하였으며, 잠김흐름조건일 때 상류 및 하류수두인 H1과 H2에 대하여 측정하였다. 같은 유량조건인 경우 하류수두는 L/W가 클수록 크게 증가하였다.
유량계수 산정식을 제시하기 위하여 차원해석에서 선정된 주요영향변수를 통하여 흐름특성 분석을 실시하였으며, 가동보의 기립각도에 따른 변화와 상·하류흐름과 관계된 H1/W, ξ, Fr1, Fr2, ∆y/y2, yc/y2, yc/y1등의 변수들을 독립변수로 고려하였다.
잠김흐름에 대한 실험은 다양한 유량 및 가동보의 기립각도의 변화에 대해 수행하였다. Fig.
하류단 수위는 수로의 하류단에서 수면형 유지를 위하여 설치한 sluice gate를 이용하여 등류수심 조건을 유지하였다. 흐름은 정류상태를 유지하기 위하여 고수조에 정류판을 설치하였으며, 5분 동안 흐름을 안정적으로 공급할 수 있는 상태에서 실험을 실시하였다. 실험의 정확성 및 신뢰성을 확보하기 위하여 각 실험을 3회 이상 반복하여 오차범위를 최소화 하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 수리모형 실험장치의 제원은 Lee et al. (2014)이 개량형 공압식 가동보의 자유흐름 특성 분석을 위하여 이용한 길이 10 m, 폭 0.6 m, 높이 0.5 m인 가변형 경사 수로를 이용하였다. 실험장치의 제원은 Lee et al.
이론/모형
(2007)의 결과와 비교하였다. Qs/Q1는 Villemonte(1947), Tullis (2007)와 Felvey (2003)에 의해서 잠김흐름 특성에 대한 주요 영향변수로 분석하였다. 본 연구에서 ht/H는 0.
다양한 실험조건에 대해 잠김흐름 특성을 분석하기 위하여 Lee et al. (2014)와 같이 Froude 상사법칙에 따라 흐름에 영향을 주는 주요 매개변수를 고려하였다. 직사각형 위어의 일반적인 유량공식은 다음 Eq.
(2014)이 단순 회귀분석의 한계점 보완과 다양한 현장여건 및 설계조건에 대해 정량적인 잠김흐름 유량계수 산정을 위하여 채택한 다중회귀 분석을 이용하였다. 다중회귀 분석은 범용적으로 널리 사용되고 있는 통계패키지 R을 이용하였다. 유량계수 산정식을 제시하기 위하여 차원해석에서 선정된 주요영향변수를 통하여 흐름특성 분석을 실시하였으며, 가동보의 기립각도에 따른 변화와 상·하류흐름과 관계된 H1/W, ξ, Fr1, Fr2, ∆y/y2, yc/y2, yc/y1등의 변수들을 독립변수로 고려하였다.
본 연구에서는 H/W<5 조건에 만족하므로, Henderson (1966)의 유량계수식을 이용하였다.
본 연구에서는 상·하류수심에 대한 영향인자를 고려하기 위해 Lee et al. (2014)과 같이 차원해석을 적용하였으며, 차원해석은 Buckingham의 π정리에 의하여 수행하였다.
본 연구에서는 잠김흐름에 대한 유량계수 산정은 Lee et al. (2014)이 단순 회귀분석의 한계점 보완과 다양한 현장여건 및 설계조건에 대해 정량적인 잠김흐름 유량계수 산정을 위하여 채택한 다중회귀 분석을 이용하였다. 다중회귀 분석은 범용적으로 널리 사용되고 있는 통계패키지 R을 이용하였다.
유량계수 Cd는 Henderson (1966)의 경험계수식을 이용하였다.
성능/효과
1. 잠김흐름 유량계수(Cd)에 대한 주요 무차원 변수의 영향을 분석한 결과, 상류 흐름의 영향을 받는 인자인 Fr1, 상대위어길이(ξ), 전수두비(H1/W), 상류수심과 위어마루를 월류하는 수심의 비(yc/y1)가 증가하면 비례 관계로 증가하였다.
2. 잠김흐름 특성은 위어마루에서 하류수면까지의 높이와 위어마루에서 상류수면까지의 높이의 비(ht/H)에 대한 유량감소계수(Qs/Q1)의 변화에서 ht/H가 1에 가까울수록 Qs/Q1가 감소하였다.
3. 보 하류에서의 수심은 상류보다 작지만 보를 통과하는 흐름으로 인해 하류 유속이 빠르게 나타났으며, 유량이 증가할수록 상·하류 수위차는 감소하는 것으로 나타났다.
4. 주요 영향변수를 고려하여 다중회귀분석에 의한 유량계 수산정식을 도출하였으며, 개량형 공압식 가동보의 잠김흐름에 대한 유량계수는 Fr1≤0.455인 상류흐름 조건이 상류일 때, 완전월류흐름 특성과 달리 가동보의 물리적 제원보다는 상류 접근흐름수두와 상·하류 흐름조건에 의하여 결정되는 것으로 나타났다.
10은 하류 Froude number (Fr2)에 따른 Cd의 변화를 보여주고 있다. L/W가 증가함에 따라 Cd가 증가하는 경향을 보이며, Fr2가 증가할수록 Cd는 증가하였다. 흐름범위는 0.
9는 상류수심과 위어마루를 월류하는 수심의 비(yc/y1)에 따른 Cd의 변화를 보여주고 있다. L/W가 증가함에 따라 Cd가 증가하는 경향을 보이며, yc/y1가 증가할수록 Cd는 증가하였다. 흐름범위는 0.
11은 상류 Froude number (Fr1)에 따른 상·하류 수위차와 하류수심의 비(∆y/y2)의 변화를 보여주고 있다. 가동보가 완전도복 조건이 아닌 L/W=2.16, 3.29, 4.32에서는 L/W가 증가함에 따라 ∆y/y2는 증가하는 경향을 보였으며, 완전도복 조건인 L/W=9.40에서는 L/W=4.32조건보다 ∆y/y2는 감소하였다. 이것은 가동보가 완전 도복으로 수로의 연속성이 확보되면서 상·하류 수위차가 줄어들고, 유량조건에 따라 유속의 증가가 비례하기 때문으로 판단된다.
따라서 Fr2와 Fr1가 증가할수록 상·하류 수위차는 줄어드는 것을 확인하였다.
Qs/Q1는 Villemonte(1947), Tullis (2007)와 Felvey (2003)에 의해서 잠김흐름 특성에 대한 주요 영향변수로 분석하였다. 본 연구에서 ht/H는 0.83이하인 조건에서 실험을 수행하였으며 ht/H가 1에 가까울수록 유량감소계수가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 또한 동일한 ht/H에서 Villemonte (1947)와 Tullis et al.
후속연구
본 연구는 ht/H≦0.83인 조건에서 잠김흐름 특성을 분석한 것으로 향후 유량범위에 대한 실험조건을 다양하게 한다면 상·하류 수위조건과 가동보의 기립각도에 의한 영향 등 보다 구체적인 잠김흐름 특성을 제시할 수 있을 것으로 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
개량형 공압식 가동보의 잠김흐름 특성은 무엇의 영향을 받았는가?
개량형 공압식 가동보의 잠김흐름 특성은 상류 접근흐름 수두의 영향을 받으며, Lee et al. (2014)에서 완전월류흐름 조건과 달리, 상·하류 수심에 의한 영향을 받는 것으로 나타났다.
하천에서 수리구조물에 의한 홍수피해 방지를 위해 중요한 것은?
하천에서 수리구조물에 의하여 홍수피해 방지를 위해서는 흐름에 대한 정확한 수리학적 분석과 예측이 중요하다. 중·소 하천에서는 교량이나 보와 같은 하천을 횡단하는 수리구조물이 많이 건설되어 있으며, 하천에 설치되어 있는 수리구조물 중에서 가동보는 보의 높이를 조절하여 수위조절과 용수공급, 하천의 연속성 등 하천 환경을 개선하기 위하여 설치한다.
가동보가 설치된 하천의 정확한 수리학적 해석이 필요한 이유는?
그러나 가동보가 설치된 하천의 흐름은 매우 복잡한 양상을 나타내며, 수위, 유속, 유량 등 흐름 전반에 걸쳐 큰 영향을 미치게 된다. 이러한 영향은 하천의 흐름특성을 지배하기 때문에 보다 정확한 수리학적 해석이 필요하다. 특히, 우리나라 강우 특성상 홍수기에는 보의 높이보다 수위가 높아지게 되어 잠김흐름(Submerged flow)이 발생할 수도 있으며, 운영상 가동보를 도복시키는 경우가 있다.
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