[논문]도수 롤러의 거동 분석을 위한 실험 연구

박문형; 김형석; 최서혜; 류용욱

doi:10.9765/kscoe.2018.30.6.319

문제 정의

본 연구는 도수의 롤러를 측정하기 위해 그림자기법을 적용한 영상측정기법을 적용하였다. 본 기법은 유동장 정보를 눈으로 볼 수 있게 하는 유동 가시화(flow visualization) 기술의 하나로서 유체의 이동현상(transport phenomena)을 이해하기 위한 효율적인 기법이다. 유동 가시화는 현유체 현상을 순간적으로 제시하고자하기 때문에 영상 혹은 공간적인 분포의 형태로 보여지며, 따라서 광학적 특성의 이해가 가시화의 질을 결정한다.
유속이 작은 경우에도 큰 유속 변화는 상대적으로 큰 충격량을 유발 할 수 있기 때문에 유사이동 및 에너지 소산에 중요한 요소가 될 수 있다. 본 연구에서는 도수시작점의 변동 성분으로부터 시계열을 갖는 도수시작점 분포가 특정 주기를 갖는 변동성이 있는지를 검토하기 위해 스펙트럼 분석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 도수의 롤러가 하류심의 변화에 대한 거동 특성을 검토하였다. 이는 조석단파(tidal bore)가 해수심이 상승함에 따라 도수 롤러 형태의 전면부를 형성하며 하천 유출부로 접근하는 현상을 검토하기 위함이다.
본 연구에서는 조석단파를 이해하고자 도수 롤러의 거동 분석을 수행하였으며 이를 위해 롤러의 수면 변동성을 비접촉식 측정방법인 영상기법으로 측정하였다. 조석단파가 해수면이 상승하며 발생하고 이동하므로 도수의 하류수위를 상승시키며 수면 변동성을 검토하였다.
본 연구에서는 하류심 상승에 따른 도수 롤러 주변의 수위 변화를 측정하여 그 특성을 분석하였다. 도수는 난류성이 큰 흐름으로서 변동성이 심한 거동 특성을 보여주는데 특히 도수에서 가장 큰 난류도를 나타내는 롤러가 자유수면 근처에 위치하므로 수면 변동성은 더욱 심해지는 양상을 보인다.
조석단파가 해수면이 상승하며 발생하고 이동하므로 도수의 하류수위를 상승시키며 수면 변동성을 검토하였다. 일반적인 도수 연구의 경우 롤러가 발생하기 이전의 일정수심 구간의 수심 및 유속을 이용하여 Froude 수를 결정하고 해당 조건에서 발생하는 도수를 분석하지만, 본 연구에서는 조석단파 특성을 적용하기 위해 하류수위를 점진적으로 상승시키며 발생하는 도수 롤러 주변의 수면 변동성을 검토하였다. 수면 측정을 위해 그림자기법(Shadowgraphy)을 적용한 영상기법을 적용하였으며 수면의 순간(instantaneous) 분포 및 평균 값을 분석하였다.
도수시작점의 시간적 분포는 그림에 제시된 바와 같이 어느 정도 일정한 크기의 진동 폭을 나타낸다. 평균 지점의 경우 본 연구에서는 의도적으로 하류심을 조절하여 얻었기 때문에 본 장에서는 시작점의 변동성 확인을 위한 편차를 검토하였다. Fig.

제안 방법

(1)과 같이 수면 위 공간의 색밝기의 평균보다 큰 경우를 수위로 결정하였으며 실험안 별 화상 특성을 고려한 계수 α를 반영하여 수위를 결정하였다.
면광은 일정한 세기의 LED 칩으로 패널에 등간격으로 배열하였으며, 면광을 균등하게 발생시키기 위해 전면에 흰색 불투명 아크릴판을 위치시켰다. 광원 신호의 입출력이 가능하도록 동기화 시스템을 설치하여 조도를 조절할 수 있도록 하였다. 이 연구에 사용된 LED는 점멸신호에 대한 발광의 반응이 빨라 짧은 시간에 두화상을 녹화해야하는 영상유속기법에 적합하며 LED 기술의 발달로 빛의 세기가 강해져 기포밀도가 높은 다상흐름에도 적용이 가능하다.
영상기법은 PIV 기법과 같이 유속측정으로도 사용이 가능하여 일반적으로 고속카메라 기능으로 측정되나 본 연구에서 대상으로하는 수위 변동성은 초당 100장 이하의 데이터로 충분하여 고속측정 기능을 사용하지 않고 50장의 취득률로 측정하였다. 다만, 화상에 저장된 흐름의 잔상을 최소화하여 선명한 수위를 얻기 위하여 카메라의 노출속도를 조절하였으며, 광원 세기와 상호적으로 조절하여 잔상을 최소화하고 충분한 밝기를 갖는 화상을 취득하도록 하였다. 면광은 일정한 세기의 LED 칩으로 패널에 등간격으로 배열하였으며, 면광을 균등하게 발생시키기 위해 전면에 흰색 불투명 아크릴판을 위치시켰다.
다만, 화상에 저장된 흐름의 잔상을 최소화하여 선명한 수위를 얻기 위하여 카메라의 노출속도를 조절하였으며, 광원 세기와 상호적으로 조절하여 잔상을 최소화하고 충분한 밝기를 갖는 화상을 취득하도록 하였다. 면광은 일정한 세기의 LED 칩으로 패널에 등간격으로 배열하였으며, 면광을 균등하게 발생시키기 위해 전면에 흰색 불투명 아크릴판을 위치시켰다. 광원 신호의 입출력이 가능하도록 동기화 시스템을 설치하여 조도를 조절할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 앙상블 평균 방식으로 수위 파형을 유도하였기 때문에 이 때 근거로 사용된 순간 파형에서 도수의 시작점을 시계열 변화를 분석하였다. Fig.
3면에서 광학적 측정이 가능하도록 수로의 양면과 바닥면이 강화 유리로 제작되었다. 수로의 유량공급은 순환식으로 이루어지고 이를 위해 상류에 유량공급수조와 하류에 유출수조를 설치하였다. 펌프를 이용한 수로 순환의 최대 가동 유량은 0.
본 실험에 사용된 CCD 카메라는 1028 × 1024 픽셀의 해상도와 8 bit의 분해능을 가지고 있으며 고속카메라 기능을 포함하고 있다. 영상기법은 PIV 기법과 같이 유속측정으로도 사용이 가능하여 일반적으로 고속카메라 기능으로 측정되나 본 연구에서 대상으로하는 수위 변동성은 초당 100장 이하의 데이터로 충분하여 고속측정 기능을 사용하지 않고 50장의 취득률로 측정하였다. 다만, 화상에 저장된 흐름의 잔상을 최소화하여 선명한 수위를 얻기 위하여 카메라의 노출속도를 조절하였으며, 광원 세기와 상호적으로 조절하여 잔상을 최소화하고 충분한 밝기를 갖는 화상을 취득하도록 하였다.
4는 도수 화상에 본 기법을 적용하여 얻은 수위를 도시하여 나타내었다. 이와 같은 방법으로 그림자 기법을 적용하여 얻은 화상으로부터 각 픽셀에 해당하는 위치정보를 반영하여 수위를 결정하였다.
본 연구에서는 조석단파를 이해하고자 도수 롤러의 거동 분석을 수행하였으며 이를 위해 롤러의 수면 변동성을 비접촉식 측정방법인 영상기법으로 측정하였다. 조석단파가 해수면이 상승하며 발생하고 이동하므로 도수의 하류수위를 상승시키며 수면 변동성을 검토하였다. 일반적인 도수 연구의 경우 롤러가 발생하기 이전의 일정수심 구간의 수심 및 유속을 이용하여 Froude 수를 결정하고 해당 조건에서 발생하는 도수를 분석하지만, 본 연구에서는 조석단파 특성을 적용하기 위해 하류수위를 점진적으로 상승시키며 발생하는 도수 롤러 주변의 수면 변동성을 검토하였다.
측정된 화상을 Digitalizing하여 모든 픽셀의 밝기를 수치화하여 이를 바탕으로 수위를 결정하였다. 영상으로부터 수위를 결정하는 방안은 수로 벽면의 유체가 대부분 측정이 되지만 수위의 경우 Wall effect는 미미한 것으로 확인되었다.
하류수위가 상승하면서 도수의 위치는 하류에서 상류 쪽으로 점진적으로 이동하였으며, 하류 수위를 일정하게 고정한 후 도수가 일정한 구간에서 거동한 이후 측정하였다. 하류 조건은 총 5개로 변화하였으며 각 하류 조건에 대한 롤러의 수위를 측정하였다. 실험조건은 Table 1에 제시되었다.
본 연구의 Froude 수는 조석단파 조건에 비해 다소 큰 편이나 롤러의 거동을 명확히 확인하기 위해 큰 Froude 수를 대상으로 하였다. 하류수위가 상승하면서 도수의 위치는 하류에서 상류 쪽으로 점진적으로 이동하였으며, 하류 수위를 일정하게 고정한 후 도수가 일정한 구간에서 거동한 이후 측정하였다. 하류 조건은 총 5개로 변화하였으며 각 하류 조건에 대한 롤러의 수위를 측정하였다.

대상 데이터

본 실험에 사용된 CCD 카메라는 1028 × 1024 픽셀의 해상도와 8 bit의 분해능을 가지고 있으며 고속카메라 기능을 포함하고 있다.
3이었으며 하류 수문을 조절하여 하류 수위가 일정하게 상승하도록 하였다. 본 연구의 Froude 수는 조석단파 조건에 비해 다소 큰 편이나 롤러의 거동을 명확히 확인하기 위해 큰 Froude 수를 대상으로 하였다. 하류수위가 상승하면서 도수의 위치는 하류에서 상류 쪽으로 점진적으로 이동하였으며, 하류 수위를 일정하게 고정한 후 도수가 일정한 구간에서 거동한 이후 측정하였다.
본 연구의 수리실험은 길이 10 m, 폭 0.3 m, 높이 0.4 m의 크기를 갖는 개수로에서 수행되었다. 3면에서 광학적 측정이 가능하도록 수로의 양면과 바닥면이 강화 유리로 제작되었다.
수로의 유량공급은 순환식으로 이루어지고 이를 위해 상류에 유량공급수조와 하류에 유출수조를 설치하였다. 펌프를 이용한 수로 순환의 최대 가동 유량은 0.007 m³/s이며, 수위는 하류의 월류형 수문으로 조절된다(Fig. 1).

데이터처리

평균 지점의 경우 본 연구에서는 의도적으로 하류심을 조절하여 얻었기 때문에 본 장에서는 시작점의 변동성 확인을 위한 편차를 검토하였다. Fig. 10은 Fig. 9에 제시된 시계열의 시작점 분포를 시간평균 개념을 바탕으로 한 평균제곱근편차(root mean square error, RMSE)를 계산하여 나타내었다. Fig.
하류심이 상승하여 상류로 이동하는 도수의 전면부를 검토하기 위해 그림자 기법을 적용한 영상기법을 이용하여 순간 수위분포를 측정하고 분석하였다. 순간 수위분포의 통계적 해석을 위해 앙상블 평균 개념의 평균 방식을 적용하여 도수 전면부 파형을 산정하고 비교 분석하였다. 일반적인 시간평균에 비해 앙상블평균에 의해 얻어진 전면부는 경사도가 큰 파형 결과를 제시하였으며 전면부 파형은 하류심이 커지면서(상류쪽으로 접근하면서) 완만해지는 양상을 나타내었다.

이론/모형

본 연구는 도수의 롤러를 측정하기 위해 그림자기법을 적용한 영상측정기법을 적용하였다. 본 기법은 유동장 정보를 눈으로 볼 수 있게 하는 유동 가시화(flow visualization) 기술의 하나로서 유체의 이동현상(transport phenomena)을 이해하기 위한 효율적인 기법이다.
일반적인 도수 연구의 경우 롤러가 발생하기 이전의 일정수심 구간의 수심 및 유속을 이용하여 Froude 수를 결정하고 해당 조건에서 발생하는 도수를 분석하지만, 본 연구에서는 조석단파 특성을 적용하기 위해 하류수위를 점진적으로 상승시키며 발생하는 도수 롤러 주변의 수면 변동성을 검토하였다. 수면 측정을 위해 그림자기법(Shadowgraphy)을 적용한 영상기법을 적용하였으며 수면의 순간(instantaneous) 분포 및 평균 값을 분석하였다.
이는 조석단파(tidal bore)가 해수심이 상승함에 따라 도수 롤러 형태의 전면부를 형성하며 하천 유출부로 접근하는 현상을 검토하기 위함이다. 하류심이 상승하여 상류로 이동하는 도수의 전면부를 검토하기 위해 그림자 기법을 적용한 영상기법을 이용하여 순간 수위분포를 측정하고 분석하였다. 순간 수위분포의 통계적 해석을 위해 앙상블 평균 개념의 평균 방식을 적용하여 도수 전면부 파형을 산정하고 비교 분석하였다.

성능/효과

Fig. 5(a)의 평균은 일반적인 기법이지만 도수가 종방향으로 진동이 심하여 도수 수위의 평균값이 완만해지는 경향을 보인다. 단파의 경우, 전면의 경사 또한 중요한 의미를 갖기 때문에 도수시작점을 기준으로 평균하는 방법으로 얻은 결과를 Fig.
일반적인 시간평균에 비해 앙상블평균에 의해 얻어진 전면부는 경사도가 큰 파형 결과를 제시하였으며 전면부 파형은 하류심이 커지면서(상류쪽으로 접근하면서) 완만해지는 양상을 나타내었다. 또한 도수시작점의 시간적 분포를 통계적으로 분석한 결과는 도수가 상류쪽으로 접근하면서 도수시작점의 변동성이 감소하는 것을 보여주었다. 하류심이 낮아지면서 도수 및 그 하류영역의 유속은 증가할 수 있기 때문에 이로 인한 난류도 증가도 그 원인으로 유추해 볼 수 있다.
9의 시계열의 스펙트럼 분포 결과이다. 약 0.4Hz 주파수 대에서 가장 큰 에너지를 보였으나 noise가 크고 두 번째 크기의 에너지와 큰 차이가 없어 유의미한 특정 주파수를 얻을 수 없었다. 다른 실험안에서도 스펙트럼 분석의 결과가 유사하여 특징적인 주파수대의 주기적 변동성을 보여주지 않았다.
측정된 화상을 Digitalizing하여 모든 픽셀의 밝기를 수치화하여 이를 바탕으로 수위를 결정하였다. 영상으로부터 수위를 결정하는 방안은 수로 벽면의 유체가 대부분 측정이 되지만 수위의 경우 Wall effect는 미미한 것으로 확인되었다. 화상에서 수위를 측정하는 기준은 화상 전체의 평균밝기와 기포영역의 밝기를 상대적으로 확인하여 수위를 찾아내었는데 Eq.
순간 수위분포의 통계적 해석을 위해 앙상블 평균 개념의 평균 방식을 적용하여 도수 전면부 파형을 산정하고 비교 분석하였다. 일반적인 시간평균에 비해 앙상블평균에 의해 얻어진 전면부는 경사도가 큰 파형 결과를 제시하였으며 전면부 파형은 하류심이 커지면서(상류쪽으로 접근하면서) 완만해지는 양상을 나타내었다. 또한 도수시작점의 시간적 분포를 통계적으로 분석한 결과는 도수가 상류쪽으로 접근하면서 도수시작점의 변동성이 감소하는 것을 보여주었다.
특히, 도수시작점을 일치시켜 앙상블평균으로 얻은 평균 수위의 경우 일반적인 방식의 평균 수위 분포에 비해 전면 경사가 큰 것으로 나타난다. 즉, 평균을 구하는 방식에 따라 평균 분포가 다르다는 것으로서 본 연구에서는 진동성이 큰 도수의 전면부, 롤러가 위치하는 구간에서 상대적으로 진동이 크다는 것을 알 수 있으며, 평균 성분을 구하는데 이와 같은 위상(phase)을 고려한 해석의 필요성을 보여준다. 단파(bore)의 특성은 해수면이 상승하며 도수와 같이 단파 전면부가 하천 방향으로 전진하기 때문에 단파의 전면부 특성은 일반 도수에 비해 중요한 의미를 갖는다.

후속연구

공식에서 α(= 0.06)와 β(= 1.0)는 회귀분석에서 얻는 계수로서 향후 다양한 Froude 수에 대한 실험 결과를 추가할 경우 이를 상수에서 조건에 부합하는 계수를 얻을 수 있을 것이다.
다른 실험안에서도 스펙트럼 분석의 결과가 유사하여 특징적인 주파수대의 주기적 변동성을 보여주지 않았다. 다만, 스펙트럼 분석을 위한 실험 표본수가 부족했을 수 있으므로 측정시간을 확대한 결과로부터 추가적인 분석이 필요하다.
흐름의 특성상 특징적인 양상은 유속분포와 함께 검토할 때 더욱 원리적인 해석이 가능할 것이므로 이에 대한 유속을 포함하는 후속 연구가 필요하다. 또한 다양한 Froude 수에 대한 경우를 추가 분석하여 흐름 강도에 따른 파형 변화를 포함한 거동연구를 수행한다면 더욱 일반적인 경험식을 유도할 수 있을 것이다.
다만, 시간에 따른 도수시작점의 변동성을 스펙트럼 분석으로부터 특정 주기를 분석하였으나 특정적인 주파수대가 없었으며, 하류심 변동에 따른 일정한 양상도 나타나지 않았다. 본 연구의 결과는 영상기법을 적용하여 순간적인 수위 분포를 얻어 통계적으로 그 양상을 검토한 결과로서 하류심 변화에 따른 도수 롤러 거동 특성은 유사한 거동을 보이는 조석단파를 해석하는데 도움을 줄 것으로 기대한다. 흐름의 특성상 특징적인 양상은 유속분포와 함께 검토할 때 더욱 원리적인 해석이 가능할 것이므로 이에 대한 유속을 포함하는 후속 연구가 필요하다.
광원 신호의 입출력이 가능하도록 동기화 시스템을 설치하여 조도를 조절할 수 있도록 하였다. 이 연구에 사용된 LED는 점멸신호에 대한 발광의 반응이 빨라 짧은 시간에 두화상을 녹화해야하는 영상유속기법에 적합하며 LED 기술의 발달로 빛의 세기가 강해져 기포밀도가 높은 다상흐름에도 적용이 가능하다. Fig.
난류도 상대적으로 변동성과 상응하는 것으로 알려져 있는 바 Reynolds 수가 상대적으로 작을 것으로 예상되는 작은 하류심의 경우에서 공간적 변동성이 크다는 것은 다른 인자의 영향, 혹은 공간적으로 일정한 파형을 갖을 수 있음을 의미한다. 이는 개수로에서 sill에 의해 발생하는 wave type flow처럼 수심에 따라 일정한 공간적 분포의 파형을 갖는 경우가 있으므로 이에 대한 추가적인 분석이 필요하다.
본 연구의 결과는 영상기법을 적용하여 순간적인 수위 분포를 얻어 통계적으로 그 양상을 검토한 결과로서 하류심 변화에 따른 도수 롤러 거동 특성은 유사한 거동을 보이는 조석단파를 해석하는데 도움을 줄 것으로 기대한다. 흐름의 특성상 특징적인 양상은 유속분포와 함께 검토할 때 더욱 원리적인 해석이 가능할 것이므로 이에 대한 유속을 포함하는 후속 연구가 필요하다. 또한 다양한 Froude 수에 대한 경우를 추가 분석하여 흐름 강도에 따른 파형 변화를 포함한 거동연구를 수행한다면 더욱 일반적인 경험식을 유도할 수 있을 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	조석단파는 언제 발생하는가?	강한 난류성 흐름은 에너지소산 및 저면의 유사 이동에 큰 영향을 주며, 또한 연행된 기포로 인해 다상흐름으로 변하면서 난류상호작용이 증폭된다. 조석단파는 조석의 창조시 해수면이 상승하면서 발생하는데 이때 발생하는 롤러에 대한 이해는 난류흐름에 중요한 열쇠이며, 롤러가 형성된 후의 조석단파는 이동하는 도수로서 해석이 가능할 수 있다(Leng and Chanson, 2015). Chanson(2012)의 연구에서는 도수와 조석단파의 파형을 비교하며 그 유사성을 제시하였다.
	롤러(roller)는 무엇인가	이때 조석파의 전면부는 전파방향의 역방향으로 진행하는 하천흐름에 의해 역순환하는 와류부를 갖는다. 흐름 강도에 따라 역순환 와류부는 기포를 연행하기도 하는데 이를 롤러(roller)라 하며 도수(hydraulic jump)와 유사한 형태를 보인다(Peregrine and Svendsen, 1978). 도수의 롤러는 큰 운동에너지에 의해 발생함에 따라 난류도가 큰 흐름의 양상을 나타낸다.
	그림자기법을 적용한 영상측정기법의 효과는?	본 연구는 도수의 롤러를 측정하기 위해 그림자기법을 적용한 영상측정기법을 적용하였다. 본 기법은 유동장 정보를 눈으로 볼 수 있게 하는 유동 가시화(flow visualization) 기술의 하나로서 유체의 이동현상(transport phenomena)을 이해하기 위한 효율적인 기법이다. 유동 가시화는 현유체 현상을 순간적으로 제시하고자하기 때문에 영상 혹은 공간적인 분포의 형태로 보여지며, 따라서 광학적 특성의 이해가 가시화의 질을 결정한다.

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