[국내논문]복단면인 직선수로 내 사행 저수로의 형태에 따른 흐름특성 연구 A Study on Flow Characteristics according to Meandering Low Flow Channel Shape in the Compound Cross Section Typed Straight Channel원문보기
복단면 형태를 이루는 직선하도 내 사행하는 저수로의 형태에 따른 흐름 특성을 파악하기 위해, 국내 대표적인 하도 형태를 상정해 실내 수리모형을 실시해서 3차원 수치모의의 유효성을 확인하고, 이를 바탕으로 다른 유형의 하도 형태에 대해서도 수치모의로 검토를 실시하였다. 본 연구결과, 수리모형 실험에서 관측한 수심별 유속값을 이용하여 수치모형의 검정을 수행한 결과, 수치모의 결과와 충분히 일치하는 것으로 확인하였다. 이를 토대로, 추가적인 저수로 형태 변화에 따른 유동장에 대해 분석한 바에 따르면, 선행 연구들에서 검토된 이차류 현상이 발생하였음을 확인한 한편, 고수부지 내 유수단면적 확대에 따라 최고유속분포 지점이 이동하는 현상을 확인할 수 있었다. 궁극적으로 저수로 폭 변화가 흐름에 영향을 끼쳐 궁극적으로 하천설계에 중요한 요소인 수충부의 위치와 그 영향 정도를 파악하는 것이 필요하다고 판단된다.
복단면 형태를 이루는 직선하도 내 사행하는 저수로의 형태에 따른 흐름 특성을 파악하기 위해, 국내 대표적인 하도 형태를 상정해 실내 수리모형을 실시해서 3차원 수치모의의 유효성을 확인하고, 이를 바탕으로 다른 유형의 하도 형태에 대해서도 수치모의로 검토를 실시하였다. 본 연구결과, 수리모형 실험에서 관측한 수심별 유속값을 이용하여 수치모형의 검정을 수행한 결과, 수치모의 결과와 충분히 일치하는 것으로 확인하였다. 이를 토대로, 추가적인 저수로 형태 변화에 따른 유동장에 대해 분석한 바에 따르면, 선행 연구들에서 검토된 이차류 현상이 발생하였음을 확인한 한편, 고수부지 내 유수단면적 확대에 따라 최고유속분포 지점이 이동하는 현상을 확인할 수 있었다. 궁극적으로 저수로 폭 변화가 흐름에 영향을 끼쳐 궁극적으로 하천설계에 중요한 요소인 수충부의 위치와 그 영향 정도를 파악하는 것이 필요하다고 판단된다.
In order to examine flow characteristics according to the shape of the meandering low flow channel in the compound cross section typed straight channel, we assumed the representative channel type in Korea and confirmed the validity of the 3D numerical simulation by carrying out the hydraulic model. ...
In order to examine flow characteristics according to the shape of the meandering low flow channel in the compound cross section typed straight channel, we assumed the representative channel type in Korea and confirmed the validity of the 3D numerical simulation by carrying out the hydraulic model. Based on this study, numerical simulations were also conducted on other types of river channel. As a result of the numerical model test (using the velocity value measured by the water depth observation from the hydraulic model test), it was confirmed that the numerical simulation results are in good agreement with the numerical simulation results. As a result of analyzing the flow field according to the changes in the shape of the low flow channel, it was confirmed that the secondary flow examined in the previous studies occurred. Also, it was confirmed that the maximum flow velocity point moves according to the expansion cross sectional area of flow in high flow plain. Ultimately, it is thought that it is necessary to understand the position of the water impingement (which is an important factor in river design) and the extent of the impact because the change of the channel width affects the flow.
In order to examine flow characteristics according to the shape of the meandering low flow channel in the compound cross section typed straight channel, we assumed the representative channel type in Korea and confirmed the validity of the 3D numerical simulation by carrying out the hydraulic model. Based on this study, numerical simulations were also conducted on other types of river channel. As a result of the numerical model test (using the velocity value measured by the water depth observation from the hydraulic model test), it was confirmed that the numerical simulation results are in good agreement with the numerical simulation results. As a result of analyzing the flow field according to the changes in the shape of the low flow channel, it was confirmed that the secondary flow examined in the previous studies occurred. Also, it was confirmed that the maximum flow velocity point moves according to the expansion cross sectional area of flow in high flow plain. Ultimately, it is thought that it is necessary to understand the position of the water impingement (which is an important factor in river design) and the extent of the impact because the change of the channel width affects the flow.
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문제 정의
기존의 연구의 경우 동일 단면에서 유량, 조도, 수위변화에 따른 흐름현상을 검토하였다. 그러나 본 연구에서는 유량, 조도 및 수위가 일정할 경우 하천 횡단면 형상 변화에 따른 흐름현상 변화를 검토하였다. 이와 같은 이유는 하천 횡단면 형상이 홍수발생시 수충부에 미치는 영향을 검토하기 위해서이다.
본 연구는 복단면 형태를 이루는 직선하도 내 사행하는 저수로의 형태에 따른 흐름의 특성을 파악하는 데 있었다. 이를 분석하는 방법으로써 우리나라 실정을 대표할 수 있는 형태를 상정해 실내 수리모형을 실시하였고, 이를 바탕으로 3차원 수치모의를 통해 검증하였다.
기존 연구동향에서 하천 내 수충부에서 호안 또는 하안 저면부를 보호하기 위해서 호안 보호공법 또는 수제 등을 설치하는 연구들이 수행되어 왔다, 그러나 본 연구에서는 유수단면적 변화에 따른 유속변화를 검토하여 수충부에 분포하는 유속 변화 현상을 검토하였다. 이에 만곡부가 교호적으로 위치한 사행하천 내에서 지배유량 이상 유량조건에서 하류 수위변화에 따른 수충부에서 유속변화를 검토하는데 있다. 수충부에서 유속현상을 검토하기 위해 수리모형실험과 수치모형실험을 수행하였으며, 특히 3차원 수치모형실험을 이용하여 국내 하천형상과 유사한 하천단면형상 변화에 따른 유속분포 현화를 검토하였다.
수리모형실험의 경우 다양한 안들에 대한 검토를 수행하기 위해서는 많은 비용과 시간이 소요된다. 이에 하천흐름 특성을 잘 재현할 수 있는 3차원 수치모형의 적용성을 검토하기 위해서 수리모형실험을 수행하였다. 본 연구에서 사행하천 내 흐름특성을 파악하기 위해 만곡 실험수로를 설계하는데 설계된 사행하천의 만곡도는 1.
그러나 본 연구에서는 유량, 조도 및 수위가 일정할 경우 하천 횡단면 형상 변화에 따른 흐름현상 변화를 검토하였다. 이와 같은 이유는 하천 횡단면 형상이 홍수발생시 수충부에 미치는 영향을 검토하기 위해서이다.
제안 방법
(2) 사행하천의 특징을 지우는 이차류는 수심적분 2차원모형으로는 재현하는데 한계가 있어 3차원 수치모형을 이용하였다. 수리모형 실험에서 관측한 수심별 유속값을 이용하여 수치모형의 검정을 수행한 결과, 수치모의 결과는 충분히 일치하는 것으로 확인할 수 있었다.
(3) (2)에서 검증해 확인한 바를 토대로, 복다면 형태의직선수로 내 사행 수로의 추가 변화에 따른 유동장에 대해 3차원 수치모형을 적용해 검토하였다. 선행 연구들에서 검토된 이차류 현상이 발생하였음을 확인한 한편, 고수부지 내 유수단면적 확대에 따라 최고유속분포 지점이 이동하는 현상을 확인할 수 있었다.
그림 3과 같이 수로모형실험과 동일한 규모에 대하여 3차원 모형을 구성하였다. 경계조건으로는 상류 유량조건, 하류 수위조건을 적용하였으며, 바닥과 좌우안에 벽면은 벽(wall) 경계조건을 사용하여 비활동 조건(no-slip condition)을 적용하였다. 격자는 0.
기존 연구동향에서 하천 내 수충부에서 호안 또는 하안 저면부를 보호하기 위해서 호안 보호공법 또는 수제 등을 설치하는 연구들이 수행되어 왔다, 그러나 본 연구에서는 유수단면적 변화에 따른 유속변화를 검토하여 수충부에 분포하는 유속 변화 현상을 검토하였다. 이에 만곡부가 교호적으로 위치한 사행하천 내에서 지배유량 이상 유량조건에서 하류 수위변화에 따른 수충부에서 유속변화를 검토하는데 있다.
본 연구에서는 사행수로에 대한 3차원 수치모의를 위해 FLOW-3D를 이용하여 분석하였으며, 수치모의 프로그램, 조건 및 격자망 구성은 다음과 같다. FLOW-3D 모형에서 사용하는 지배방정식은 직교좌표계(x, y, z)에서의 다음과 같은 RANS(Reynlds Averaged Navier Stokes)이다(Flow Science, Inc.
사행수로 내 흐름현상을 분석하기 위해 상류 유량조건은 0.0223 m3/s, 하류 수심조건은 0.345 m(Case 1)와 0.290 m(Case 2), 수로 경사는 S0=0.0014에 대하여 그림 2에서 표기된 지점에서 전자기식 유속계와 디지털 초음파 수위계를 이용하여 수심별 유속을 관측하였다. 관측된 유속값을 이용하여 3차원 수치모형 검정을 수행하였다.
이에 만곡부가 교호적으로 위치한 사행하천 내에서 지배유량 이상 유량조건에서 하류 수위변화에 따른 수충부에서 유속변화를 검토하는데 있다. 수충부에서 유속현상을 검토하기 위해 수리모형실험과 수치모형실험을 수행하였으며, 특히 3차원 수치모형실험을 이용하여 국내 하천형상과 유사한 하천단면형상 변화에 따른 유속분포 현화를 검토하였다.
유량검정을 위한 유량공급은 펌프(HES 150-200)를 사용하여 일정한 유량이 공급될 수 있도록하였으며, 유량공급의 안정성을 분석하기 위하여 실시한삼각형 웨어의 검정 실험은 월류수위 0.098∼0.199 m까지 증가시키며 실험을 수행하였다.
본 연구는 복단면 형태를 이루는 직선하도 내 사행하는 저수로의 형태에 따른 흐름의 특성을 파악하는 데 있었다. 이를 분석하는 방법으로써 우리나라 실정을 대표할 수 있는 형태를 상정해 실내 수리모형을 실시하였고, 이를 바탕으로 3차원 수치모의를 통해 검증하였다. 입증된 3차원 수치모의의 유효성을 바탕으로 다른 유형의 하도 형태에 대해서도 수치모의로 검토를 실시하였다.
이를 분석하는 방법으로써 우리나라 실정을 대표할 수 있는 형태를 상정해 실내 수리모형을 실시하였고, 이를 바탕으로 3차원 수치모의를 통해 검증하였다. 입증된 3차원 수치모의의 유효성을 바탕으로 다른 유형의 하도 형태에 대해서도 수치모의로 검토를 실시하였다. 이의 결과를 요약· 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
경계조건으로는 상류 유량조건, 하류 수위조건을 적용하였으며, 바닥과 좌우안에 벽면은 벽(wall) 경계조건을 사용하여 비활동 조건(no-slip condition)을 적용하였다. 격자는 0.02 m 간격의 구조적 격자를 1,890,000개 부여하였다(그림 4 참조). 조도계수는 자갈과 풀들이 있는 하천에 적용하는 0.
본 연구에서 사행하천 내 흐름특성을 파악하기 위해 만곡 실험수로를 설계하는데 설계된 사행하천의 만곡도는 1.039로 낮은 만곡(1.0 ∼ 1.3)에 속한다.
3)에 속한다. 사행하천의 수리학적 특성 파악을 위한 왜곡모형은 수로 길이는 10.0 m이고 하폭은 1.2 m로 제작하였으며, 고수부의 높이는 0.17 m, 저수로 폭은 0.5 m로 제작하였으며, 수리모형실험 장치는 그림 1과 같다. 유량검정을 위한 유량공급은 펌프(HES 150-200)를 사용하여 일정한 유량이 공급될 수 있도록하였으며, 유량공급의 안정성을 분석하기 위하여 실시한삼각형 웨어의 검정 실험은 월류수위 0.
데이터처리
0014에 대하여 그림 2에서 표기된 지점에서 전자기식 유속계와 디지털 초음파 수위계를 이용하여 수심별 유속을 관측하였다. 관측된 유속값을 이용하여 3차원 수치모형 검정을 수행하였다.
본 연구에서는 상하류 흐름조건에 따른 복단면 사행하천에서 복잡한 3차원 흐름특성을 재현하기 위해서 RNG k-∊ 모형을 적용하였다.
수치기법은 유한차분법(FDM, Finite Difference Method)이며, 유한차분법의 단점을 보완한 FAVOR(Factional Area/Volume Obstacle Representation Method)을 사용하여 유한체적법(FVM, Finite Volume Method) 형식을 취하고 있다. 자유수면 및 밀도차가 큰 흐름을 재현하기 위해서 VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하고 있으며, 난류해석을 위해서 Prandtl의 혼합거리 모형, 1-방정식 모형, 2-방정식 모형인 k-∊ 모형, RNG k-∊ 모형, LES 모형 등 5가지를 적용할 수 있다. RNG k-∊ 모형은 k-∊ 모형에 비해 수치모의 시간은 길지만, 복잡한 난류 흐름을 보다 정확하게 모의할 수 있으며, 위어 및 여수로와 같은 전단 흐름에 대한 수치모의에 적합하다고 알려져 있다(Bruce 등, 2004).
성능/효과
(1) 사행 저수로 내 전자기식 유속계와 디지털 초음파 수위계를 이용하여 수심별 유속을 측정한 결과, 유심선은 사행수로에서 유입부 안쪽 부근에서 발생한 후 흐름이 하류방향으로 진행됨에 따라서 유출부 바깥쪽 부근에서 교호적으로 발생하였다. 또한, 하류 낮은 수심 경계조건 탓에 유수단면적 축소 때문에 유속이 증가하였고, 만곡부 정점(돌출부)보다는 만곡의 영향에 의해 유심부가 급격히 변하하는 하안 부근이 수충부가 생성되는 것이 관측되었다.
(b)와 (c)를 비교한 결과, (c)의 경우가 일반 중소하천 이상에서 볼 수 있는 하천횡단면도로 이차류 경향도 (b)와 비교하여 저감되면서, 빠른 유속이 자유수면 쪽으로 이동되는 현상을 보여주고 있다. 고수부지 내 유수단면적 확대로 인해 최고유속분포 지점이 이동하였으며, 수충부에 미치는 영향도 감소된 것으로 분석되었다. (d)의 경우는 (c)의 저수로 호안 높이를 두배로 증가시킨 경우에 대하여 유동해석을 수행한 것으로 (c)는 빠른 유속이 자유수면에서 분포하였으나, (d)의 경우는 자유수면 아래 우안쪽으로 치우치는 현상이 발생하였다.
Baek 등(2006)은 Chang (1988)의 제안을 기반으로 직사각형 단면의 매끈한 사행수로에서 흐름현상 및 이차류 거동을 해석하기 위해 조도 변화에 따른 이차류 구조의 변화에 관한 연구를 수행하였다. 그결과, 조도계수가 낮을경우 이차류가 만곡이 끝나는 단면까지 꾸준히 증가하고있는 반면, 조도계수가 클 경우 만곡의 정점부에서 이차류의 최대치에 도달한다고 제안하였다. 또한, Kim(2007)은180° 실험수로의 모든 단면에 지름 2 mm 여과사를 부착한 거친 수로와 아크릴로 제작된 매끈한 수로에서 흐름 및이차류를 분석하였다.
매끈한 수로에서는 이차류의 최대 유속이 90°단면에서 발생한 반면거친 수로에서는 60° 단면에서 최대 이차류 유속이 관측되었다. 또한, 유속의 크기는거친 수로에서의 유속이 매끈한 수로에서의 유속에 비해높게 관측되었다. Son 등(2010)은 남강댐 하류 하천에 3차원 수치모형을 적용하여 유속, 수위 및 이차류 현상을 파악하였다.
(1) 사행 저수로 내 전자기식 유속계와 디지털 초음파 수위계를 이용하여 수심별 유속을 측정한 결과, 유심선은 사행수로에서 유입부 안쪽 부근에서 발생한 후 흐름이 하류방향으로 진행됨에 따라서 유출부 바깥쪽 부근에서 교호적으로 발생하였다. 또한, 하류 낮은 수심 경계조건 탓에 유수단면적 축소 때문에 유속이 증가하였고, 만곡부 정점(돌출부)보다는 만곡의 영향에 의해 유심부가 급격히 변하하는 하안 부근이 수충부가 생성되는 것이 관측되었다.
본 연구결과에서 복단면 직선수로 내 사행하는 저수로 형태에서 고수부지 유수단면적이 최대유속 발생지점을 변화시킬 수 있다는 점을 명확히 확인하고 이를 3차원 수치모의로도 재현할 수 있는 것으로 판단되었다. 본 결과를 바탕으로 향후 하천설계와 유지관리에서 핵심 요소인 수충부에 대한 다양한 기술적 검토와 대책 수립이 가능하다는 점을 시사한다.
(3) (2)에서 검증해 확인한 바를 토대로, 복다면 형태의직선수로 내 사행 수로의 추가 변화에 따른 유동장에 대해 3차원 수치모형을 적용해 검토하였다. 선행 연구들에서 검토된 이차류 현상이 발생하였음을 확인한 한편, 고수부지 내 유수단면적 확대에 따라 최고유속분포 지점이 이동하는 현상을 확인할 수 있었다. 이에 따라서 저수로 폭 변화가 흐름에 영향을 끼쳐 궁극적으로 하천설계에 중요한 요소인 수충부의 위치와 그 영향 정도를 파악하는 것이 필요하다는 결론을 도출하게 되었다.
(2) 사행하천의 특징을 지우는 이차류는 수심적분 2차원모형으로는 재현하는데 한계가 있어 3차원 수치모형을 이용하였다. 수리모형 실험에서 관측한 수심별 유속값을 이용하여 수치모형의 검정을 수행한 결과, 수치모의 결과는 충분히 일치하는 것으로 확인할 수 있었다.
그림 6에서 기호들은 수리모형 관측값이며, 선들은 수치모의 결과값이다. 수리모형실험과 수치모의 결과값을 비교 분석한 결과, 잘 일치함을 보여주고 있다. 만곡부에서 흐름특성에 대하여 Callander (1978)는 만곡부 유입부 안쪽벽 부근과 유출부 바깥쪽벽 부근에서 최대 종방향 유속이 발생한다고 제안하였다.
6 지점에서 유동현상을 분석하였다. 유동현상을 분석한 결과, 6개 단면 수로 횡단면 형상 변화에 대하여 저수로 내에서 이차류가 형성되는 것으로 분석되었다. 그림 8(a)와 (b)는 고수부지 제방 경사에 따른 유동현상 변화로 통수단면적이 축소된 (b) 경우가 최대유속이 다소 증가하였으며, 1.
후속연구
본 연구결과에서 복단면 직선수로 내 사행하는 저수로 형태에서 고수부지 유수단면적이 최대유속 발생지점을 변화시킬 수 있다는 점을 명확히 확인하고 이를 3차원 수치모의로도 재현할 수 있는 것으로 판단되었다. 본 결과를 바탕으로 향후 하천설계와 유지관리에서 핵심 요소인 수충부에 대한 다양한 기술적 검토와 대책 수립이 가능하다는 점을 시사한다.
선행 연구들에서 검토된 이차류 현상이 발생하였음을 확인한 한편, 고수부지 내 유수단면적 확대에 따라 최고유속분포 지점이 이동하는 현상을 확인할 수 있었다. 이에 따라서 저수로 폭 변화가 흐름에 영향을 끼쳐 궁극적으로 하천설계에 중요한 요소인 수충부의 위치와 그 영향 정도를 파악하는 것이 필요하다는 결론을 도출하게 되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천을 구성하는 하상, 하천단면 형상은 무엇에 의해 퇴적과 침식이 발생하는가?
하천을 구성하는 하상, 하천단면 형상 등은 유수의 영향에 의해 퇴적과 침식이 끊임없이 발생한다. 대부분의 하천은 만곡부가 교호적으로 발생하는 사행하천으로 원심력과 횡단하상형상, 사행하폭 등의 다양한 인자로 인해 하천 지형의 변형과 유사 이동에 영향을 미친다.
유량, 조도 및 수위가 일정할 경우 하천 횡단면 형상 변화에 따른 흐름현상 변화를 검토한 이유는?
그러나 본 연구에서는 유량, 조도 및 수위가 일정할 경우 하천 횡단면 형상 변화에 따른 흐름현상 변화를 검토하였다. 이와 같은 이유는 하천 횡단면 형상이 홍수발생시 수충부에 미치는 영향을 검토하기 위해서이다.
하천형상의 영향으로 인해 유속이 상대적으로 상승하는 구간은 무엇인가?
대부분의 하천은 만곡부가 교호적으로 발생하는 사행하천으로 원심력과 횡단하상형상, 사행하폭 등의 다양한 인자로 인해 하천 지형의 변형과 유사 이동에 영향을 미친다. 이와 같이 하천형상의 영향으로 인해 유속이 상대적으로 상승하는 구간을 수충부라 하며, 제방 유실 등의 사고에 대비하여 수충부를 보호하고 안전하게 유지 관리하는 것은 매우 중요한 요소이다(Wormleaton 등, 2005, Lee 등, 2015). 특히, Kim 등(2015)은 만곡부에서는 흐름이 집중되어 수충부가 형성됨으로써 흐름의 강도가 증가하고 호안의 안정성이 급격히 저하되어 제방붕괴로 이어지므로 이에 대한 연구가 필요하다고 제안하였으며, 이에 만곡수로 내의 호안 안정성에 대하여 사석규모에 대한 연구를 수행하였다.
참고문헌 (15)
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