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문제 정의
- 본 연구에서는 수제 모형이 설치된 수로에서 수제로 인해 발생하는 상하류의 흐름 변화를 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 직선 수로의 오른쪽 벽면에 수면으로 돌출되는 구조의 수제 모형을 부착하고, 3차원 초음파 유속계를 이용하여 각 지점에서 x, y, z 방향에 대한 시간평균유속과 요동유속을 각각 측정하였다.
- 난류 특성을 나타내는 레이놀즈 응력은 레이놀즈 연직응력(Reynolds normal stresses)과 레이놀즈 전단응력(Reynolds shear stresses)으로 구분된다. 본 연구에서는 접근 단면의 단면 평균유속을 이용하여 무차원화 하여 각 무차원 레이놀즈 응력의 변화 양상을 검토하였다. Fig.
- 기존 연구들의 대부분이 수제에 인접한 구간에서 발생하는 최대 바닥 전단응력의 크기 및 발생 위치에 연구의 초점을 맞추었다. 이에 반해, 본 연구는 수제 하류부의 충분한 구간에 대해 바닥 전단응력의 변화를 검토함으로써 수제 설치로 인한 바닥 전단응력 변화가 지속되는 범위 및 변화 양상을 살펴보고, 이를 통해 수로 전반에 걸쳐 세굴에 취약한 구간을 유추해 볼 수 있다.
제안 방법
- 1에 나타내었다. Vectrino-Ⅱ ADV는 기기 끝단 중심부로부터 5.0~5.5 cm 떨어진 지점의 유속에 대해 가장 높은 정확도를 보이는 것으로 알려져 있으므로(Rusello et al., 2006), 이를 고려하여 연직방향 측정 범위를 수로 바닥으로부터 0.005~0.14 m 구간으로 설정하였다. 유속 분포를 고려하여 각 지점마다 5~10분 동안 100 Hz의 주파수로 샘플링을 하여 약 3만~6만 개의 유속 측정값을 수집하였다.
- 각 지점에서 5~10분 간 측정된 순간유속을 시간에 대해 평균하여 시간평균유속을 산정하였다. 시간평균유속은 접근 단면의 단면평균유속(U)을 이용하여 무차원화 하였으며, x, y, z 좌표는 각각 수제 길이(L:), 수로 너비(B), 접근 단면의 평균 수위(h)를 이용하여 무차원화 하였다.
- 시간평균유속은 접근 단면의 단면평균유속(U)을 이용하여 무차원화 하였으며, x, y, z 좌표는 각각 수제 길이(L:), 수로 너비(B), 접근 단면의 평균 수위(h)를 이용하여 무차원화 하였다. 각 측정 지점의 무차원 시간평균유속을 이용해 수제 설치로 인한 유속 및 유향의 변화를 관찰하였다. z=1cm, 5cm, 14cm에 해당하는 3개의 x-y 평면에 대한 흐름 방향의 무차원 시간평균유속(#)과 유선 분포는 Fig.
- 난류 운동에너지(k=0.5(u'2+υ'2+ω'2))는 요동유속으로 산정한 운동에너지를 접근 단면의 평균유속을 이용하여 무차원화하여 분석하였다.
- 유속 측정값을 이용하여 수제 주변 뿐 아니라 수제의 영향이 미미해지는 하류부 지점까지 망라한 유속 및 난류 특성 변화를 분석하였다. 또한, Froude 수(Fr)가 다른 두 가지 흐름에 대하여 각각 유속 측정을 시행하여 Froude 수가 다른 조건에서 수제 상하류 흐름 양상을 비교 분석하였다.
- 본 실험에서는 Froude 수를 조절하여 Fr=0.100과 Fr=0.185인두 가지 경우의 흐름 조건에 대하여 각각 유속을 측정하였으며, 실험 조건은 Table 1과 같다. 유속 측정은 수제 모형이 설치되 지점을 기준으로 상류 측으로 1.
- 시간평균유속은 접근 단면의 단면평균유속(U)을 이용하여 무차원화 하였으며, x, y, z 좌표는 각각 수제 길이(L:), 수로 너비(B), 접근 단면의 평균 수위(h)를 이용하여 무차원화 하였다.
- 이를 통해 수제 하류에서 발생하는 재순환 흐름 및 수제 설치로 인한 난류 특성을 검토하고, 바닥 세굴과 직접적으로 연관된 바닥 전단응력의 변화 양상 등을 확인하였다. 유량 조건을 변화시켜 Froude 수가 다른 두 가지 경우에 대하여 각각 유속 측정값의 분석 결과를 비교하여 Froude 수의 차이에 의한 흐름 특성의 차이도 함께 검토하였다.
- 이를 고려하여 본 연구에서는 하류부 유속 측정 구간을 충분히 길게 선정하여 수제 주변부 뿐 아니라 하류부까지 충분한 구간에 대한 3차원 유속을 수집하였다. 유속 측정값을 이용하여 수제 주변 뿐 아니라 수제의 영향이 미미해지는 하류부 지점까지 망라한 유속 및 난류 특성 변화를 분석하였다. 또한, Froude 수(Fr)가 다른 두 가지 흐름에 대하여 각각 유속 측정을 시행하여 Froude 수가 다른 조건에서 수제 상하류 흐름 양상을 비교 분석하였다.
- (2014)는 실험을 통해 설치 간격에 따라 변하는 수제 주변과 수제역 내 흐름을 분석하여 상향 수제에 대한 적정 설치 간격을 제시하였다. 이들 연구는 수제 설치 조건을 달리 하면서 ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) 유속계와 LSPIV (Large Scale Particle Image Velocimetry) 기법을 이용해 수제 주위의 흐름에 대한 유속을 측정하고, 이를 이용하여 수제 선단의 유속과 수제 하류부에서 나타나는 재순환 영역의 범위 등을 제시하는데 초점을 두었다. Lee et al.
- 그러나 구조물 설치로 인한 흐름의 변화는 하류로 갈수록 그 크기가 줄어들지만 상당히 멀리 떨어진 구간까지 지속적으로 하도에 영향을 미친다. 이를 고려하여 본 연구에서는 하류부 유속 측정 구간을 충분히 길게 선정하여 수제 주변부 뿐 아니라 하류부까지 충분한 구간에 대한 3차원 유속을 수집하였다. 유속 측정값을 이용하여 수제 주변 뿐 아니라 수제의 영향이 미미해지는 하류부 지점까지 망라한 유속 및 난류 특성 변화를 분석하였다.
- 수제 하류부에서는 흐름의 특성이 변화하면서 레이놀즈 전단응력의 연직 분포 양상이 복잡해지고 수면 측과 바닥 측의 경향성이 상이하게 나타나는 경우도 많았다. 이를 고려하여 주로 바닥으로부터 0.02~0.05m에 해당하는 구간의 레이놀즈 전단응력 연직 분포를 참고하여 바닥 전단응력을 추정하였다. # 와 #의 연직 분포를 통해 #와 # 를 각각 산정한 후, # 으로 바닥 전단응력을 산정하였으며, #으로 바닥 전단응력을 무차원화 하였다.
- 측정된 유속 성분을 이용하여 수제 상하류의 시간평균유속, 레이놀즈 응력, 난류 운동에너지 및 바닥 전단응력의 크기와 공간적인 변화 양상을 검토하였다. 이를 통해 수제 하류에서 발생하는 재순환 흐름 및 수제 설치로 인한 난류 특성을 검토하고, 바닥 세굴과 직접적으로 연관된 바닥 전단응력의 변화 양상 등을 확인하였다. 유량 조건을 변화시켜 Froude 수가 다른 두 가지 경우에 대하여 각각 유속 측정값의 분석 결과를 비교하여 Froude 수의 차이에 의한 흐름 특성의 차이도 함께 검토하였다.
- Dey and Barbhuiya (2005)은 수로에 한 쪽 측면에 사각형 장애물을 수직으로 설치하고 세굴 전·후에 발생하는 난류를 분석하였다. 이를 통해 흐름의 박리현상과 난류 운동에너지 분포를 분석하고, 레이놀즈 응력을 이용하여 바닥 전단응력을 산정하였다. Duan (2009)은 ADV를 이용하여 고정상의 개수로에 설치된 수제 모형 주변의 3차원 유속을 측정하여 시간평균유속, 레이놀즈 응력, 난류 운동에너지 및 바닥 전단응력의 분포를 검토하였다.
- 직선 수로의 오른쪽 벽면에 수면으로 돌출되는 구조의 수제 모형을 부착하고, 3차원 초음파 유속계를 이용하여 각 지점에서 x, y, z 방향에 대한 시간평균유속과 요동유속을 각각 측정하였다.
- 직선 수로의 오른쪽 벽면에 수면으로 돌출되는 구조의 수제 모형을 부착하고, 3차원 초음파 유속계를 이용하여 각 지점에서 x, y, z 방향에 대한 시간평균유속과 요동유속을 각각 측정하였다. 측정된 유속 성분을 이용하여 수제 상하류의 시간평균유속, 레이놀즈 응력, 난류 운동에너지 및 바닥 전단응력의 크기와 공간적인 변화 양상을 검토하였다. 이를 통해 수제 하류에서 발생하는 재순환 흐름 및 수제 설치로 인한 난류 특성을 검토하고, 바닥 세굴과 직접적으로 연관된 바닥 전단응력의 변화 양상 등을 확인하였다.
대상 데이터
- y축 방향으로는 y=0.05~0.85m 구간에서 12개 지점(단, x=0.07~1.00m구간은 15개 지점), z축 방향으로는 z=0.005~0.14m 구간에서 7개 지점을 유속 측정 지점으로 채택하여 총 1,946개 지점을 대상으로 유속을 측정하였다.
- 본 실험은 길이 18 m, 폭 0.9 m의 실험용 개수로에서 진행되었다. 수제 모형은 두께 4 cm, 길이 30 cm, 높이 40 cm의 아크릴판으로 제작하였으며, 실험 시 물에 잠기지 않도록 설치하였다.
- 9 m의 실험용 개수로에서 진행되었다. 수제 모형은 두께 4 cm, 길이 30 cm, 높이 40 cm의 아크릴판으로 제작하였으며, 실험 시 물에 잠기지 않도록 설치하였다. 수제 모형은 수로 하류 끝단으로부터 9 m 상류 지점에 설치하였다.
- 14 m 구간으로 설정하였다. 유속 분포를 고려하여 각 지점마다 5~10분 동안 100 Hz의 주파수로 샘플링을 하여 약 3만~6만 개의 유속 측정값을 수집하였다. 이 때, ADV로 유속 측정 시 발생하는 노이즈는 Parshes et al.
- 유속 측정에 이용된 초음파 유속계는 Nortek사의 Vectrino-Ⅱ 초음파 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter)이며, 수로에 수제 모형과 유속계가 설치된 모습은 Fig. 1에 나타내었다. Vectrino-Ⅱ ADV는 기기 끝단 중심부로부터 5.
- 185인두 가지 경우의 흐름 조건에 대하여 각각 유속을 측정하였으며, 실험 조건은 Table 1과 같다. 유속 측정은 수제 모형이 설치되 지점을 기준으로 상류 측으로 1.0 m, 하류 측으로 6.0 m 구간에서 총 23개 단면을 대상으로 이루어졌다. 수로에 수제 모형이 고정된 지점의 바닥 측 중심 부분을 기준 원점(0, 0, 0)으로 지정하고 Fig.
데이터처리
- 2에 나타내었다. 측정된 각 유속 성분 값은 수제 모형 설치 지점으로부터 1.0 m 상류 측의 단면 평균유속을 이용하여 무차원화 하였다.
이론/모형
- 유속 분포를 고려하여 각 지점마다 5~10분 동안 100 Hz의 주파수로 샘플링을 하여 약 3만~6만 개의 유속 측정값을 수집하였다. 이 때, ADV로 유속 측정 시 발생하는 노이즈는 Parshes et al. (2010)이 제안한 방법으로 제거하여 분석에 사용한 유속 측정값의 정확도와 신뢰도를 높였다.
- 그러나 흐름이 수제에 접근하여 통과하는 과정에서 복잡하게 변하면 로그 법칙에 적합한 u/u~y+분포를 찾을 수 없어진다. 이를 고려하여 본 연구에서는 Duan (2009)이 이용한 레이놀즈 전단응력의 연직 분포를 이용한 바닥 전단응력 산정 방법을 이용하였다.
성능/효과
- 9는 Froude 수의 변화에 따라 각 단면의 최대 무차원 난류 운동에너지를 비교한 그래프이다. Froude 수가 달라도 최대 무차원 난류 운동에너지의 값과 변화 양상은 유사하였으나, z=0.05h와 z=0.65h에서 일관되게 case2의 최대 무차원 난류 운동에너지가 약간 크게 나타났다. 또한, 수제 인접 부근에서 무차원 난류 운동에너지의 변화가 크게 발생하는 것을 볼 수 있다.
- 무차원 레이놀즈 연직응력은 수제를 통과하면서 급격히 증가했다가 하류로 갈수록 그 크기는 작아지고 변화 범위는 넓어졌다. 또한, 최대값 발생 위치가 재순환 영역 측으로 이동하는 것을 확인할 수 있었다. 수제 직하류부 근처에서 발생하는 최대 무차원 레이놀즈 연직응력은 Froude 수가 큰 case2에서 다소 크게 나타났다.
- 접근 단면에서 레이놀즈 전단응력을 이용하는 방법과 로그 법칙을 이용하는 방법으로 바닥 전단응력을 산정하여 비교한 결과는 Table 2와 같다. 로그 법칙을 이용하여 산정한 값이 레이놀즈 전단응력의 연직 분포를 이용하여 산정한 값보다 대부분 크게 나타났으나 그 차이는 비교적 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 그러나 흐름이 수제에 접근하여 통과하는 과정에서 복잡하게 변하면 로그 법칙에 적합한 u/u~y+분포를 찾을 수 없어진다.
- 무차원 시간평균유속을 이용한 유선의 형상을 통해 수제 하류부에서 시계 방향으로 회전하는 재순환 흐름을 확인할 수 있었다. 수로 바닥에 가까울수록 재순환 흐름의 회전 중심은 수제에 가까운 상류 쪽으로 이동하면서 회전 반경이 작아지는 것을 확인할 수 있었으며, Froude 수와 재순환 흐름 형상의 상관관계는 미미함을 알 수 있었다.
- 무차원 시간평균유속을 이용한 유선의 형상을 통해 수제 하류부에서 시계 방향으로 회전하는 재순환 흐름을 확인할 수 있었다. 수로 바닥에 가까울수록 재순환 흐름의 회전 중심은 수제에 가까운 상류 쪽으로 이동하면서 회전 반경이 작아지는 것을 확인할 수 있었으며, Froude 수와 재순환 흐름 형상의 상관관계는 미미함을 알 수 있었다. 바닥에 가까울수록 재순환 흐름의 회전 반경이 작아지는 이유는 바닥에 가까울수록 바닥 마찰로 인해 주흐름 방향의 유속이 작아져 수제 가까이에서 유속 벡터가 y방향으로 굴절되기 때문인 것으로 추정되나 더욱 정확한 원인 파악을 위해서는 다양한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 수제 하류부에서 주흐름 영역 측의 유선 분포 형태를 보면, case1보다 case2에서 더 긴 구간에 대해 대안 측 벽면을 향하는 υ>0의 흐름이 유지되는 것을 볼 수 있으며, 바닥에 가까울수록 이 차이가 더 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- 세굴 현상과 밀접한 관계가 있는 바닥 전단응력은 case1과 case2 모두 수제 선단부에서 최대값이 발생하였다. 수제에 접한 직상류 지점과 수제 선단부, 수제 선단의 직하류부에서 무차원 바닥 전단응력이 크게 나타났다. 무차원 바닥 전단응력의 최대값은 Froude 수가 큰 case2에서 다소 크게 나타났지만 Froude 수에 따른 무차원 바닥 전단응력 값의 변화 양상은 유사하게 나타났다.
- 7에서는 각 단면의 최대 무차원 레이놀즈 전단응력의 크기를 비교하였다. 최대 무차원 레이놀즈 전단응력은 case1과 case2에서 전반적으로 비슷하나, case2에서 약간 크게 나타났다. 바닥에 가까울수록 수제의 인접 지점에 최대 전단응력이 집중되는 경향을 확인할 수 있다.
- Duan (2009)은 ADV를 이용하여 고정상의 개수로에 설치된 수제 모형 주변의 3차원 유속을 측정하여 시간평균유속, 레이놀즈 응력, 난류 운동에너지 및 바닥 전단응력의 분포를 검토하였다. 측정 결과를 토대로 수제 하류부에서 발생하는 주흐름과 재순환 흐름의 특성을 분석하고 수제 주변에서 발생하는 최대 바닥 전단응력이 유입부의 평균 바닥 전단응력보다 약 3배 정도 더 크다는 것을 밝혀냈다. Koken and Constantinescu (2008)은 고정상의 직선수로에 설치된 직사각형 수제 모형에 대하여 LSPIV 실험과 LES 모델을 이용한 수치해석을 시행하여 수제 주위에서 발생하는 와도(vorticity)의 구조와 바닥 전단응력 분포와 관계를 분석하고 세굴이 발생하는 과정을 규명하고자 했다.
후속연구
- 이런 한계로 인해 수제가 여러 장점을 가진 하천 구조물임에도 국내 하천에서는 제한적으로만 이용되어 왔다. 다양하고 객관적인 연구를 통해 자료와 기준이 보완된다면 구조적 안정성 및 구조물의 효용성 판단에 대한 근거로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 향후 다양한 Froude 수의 흐름을 추가로 검토한다면 Froude 수와 수제 주변에서 발생하는 난류 특성 변화 사이의 일반적인 관계로 결론으로 확장시킬 수 있을 것이다. 또한, 수제 길이나 설치 각도 및 배열 등의 여러 인자를 고려한 연구가 추가로 이루어지면 수제 및 이와 유사한 하천 구조물이 흐름에 미치는 영향을 밝혀낼 수 있을 것이며 수제 설계에 필요한 기술 축적에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
- 구조적으로 안전한 수제의 설계와 시공을 위해서는 난류의 특성 및 수제 선단과 직하류부에 바닥 전단응력이 집중되는 현상을 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한, 웅덩이 유발을 통해 하천 생태 조건 향상을 도모하기 위해 수제를 이용하는 경우에도 난류의 특성을 고려하면 적절한 구조물의 효과와 효용 범위를 예측할 수 있을 것이다.
- 수로 바닥에 가까울수록 재순환 흐름의 회전 중심은 수제에 가까운 상류 쪽으로 이동하면서 회전 반경이 작아지는 것을 확인할 수 있었으며, Froude 수와 재순환 흐름 형상의 상관관계는 미미함을 알 수 있었다. 바닥에 가까울수록 재순환 흐름의 회전 반경이 작아지는 이유는 바닥에 가까울수록 바닥 마찰로 인해 주흐름 방향의 유속이 작아져 수제 가까이에서 유속 벡터가 y방향으로 굴절되기 때문인 것으로 추정되나 더욱 정확한 원인 파악을 위해서는 다양한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 Froude 수가 다른 두 가지 경우의 흐름만 검토 대상으로 한정하여 Froude 수에 따른 난류 특성의 일반적인 변화 경향을 예측하기에는 한계가 있다. 향후 다양한 Froude 수의 흐름을 추가로 검토한다면 Froude 수와 수제 주변에서 발생하는 난류 특성 변화 사이의 일반적인 관계로 결론으로 확장시킬 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 Froude 수가 다른 두 가지 경우의 흐름만 검토 대상으로 한정하여 Froude 수에 따른 난류 특성의 일반적인 변화 경향을 예측하기에는 한계가 있다. 향후 다양한 Froude 수의 흐름을 추가로 검토한다면 Froude 수와 수제 주변에서 발생하는 난류 특성 변화 사이의 일반적인 관계로 결론으로 확장시킬 수 있을 것이다. 또한, 수제 길이나 설치 각도 및 배열 등의 여러 인자를 고려한 연구가 추가로 이루어지면 수제 및 이와 유사한 하천 구조물이 흐름에 미치는 영향을 밝혀낼 수 있을 것이며 수제 설계에 필요한 기술 축적에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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