[논문]TELEMAC-2D를 적용한 개수로 분류부 유량비 변화에 의한 흐름특성 분석

정대진; 장창래; 정관수

doi:10.3741/jkwra.2019.52.1.1

TELEMAC-2D를 적용한 개수로 분류부 유량비 변화에 의한 흐름특성 분석
Numerical analysis of flow characteristics at the bifurcation channel by changing of discharge ratio using TELEMAC-2D 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.1, 2019년, pp.1 - 10

정대진 (한국농어촌공사 충남지역본부) , 장창래 (한국교통대학교 토목공학과) , 정관수 (충남대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 분류부 흐름에 대한 TELEMAC-2D 2차원 수치모형의 적용성을 검증하고, 수치실험을 통한 분류유량비 계산식의 비교분석, 분류유량비 변화에 따른 분류부 흐름특성 변화를 분석하였다. 본 수치모형은 분류부 수심평균 유속분포와 수위에 대해 실내실험결과와 잘 일치하는 결과를 나타냈다. 주수로의 하류방향 관성력과 모멘트가 감소하면 분류유량비가 증가하게 되고, 분류수로에서 상대적인 고유속 분포구간은 넓어지며, 분류수로 주흐름의 역방향 유속은 감소한다. 분류유량비가 증가할수록 분류수로 내 흐름분리구역 규모는 감소하며, 흐름분리구역 규모 산정시 유선분포 작도뿐만 아니라 종방향 프루우드 수가 $Fr{\approx}0$이 되는 지점 확인으로 더 명확하게 산정할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the flow characteristics, such as velocity distributions, size and location of recirculation zone, longitudinal flow change rates, and bifurcation discharge ratio in the bifurcation channel by TELEMAC-2D, a 2D numerical model. The numerical model is validated by previous experimental results and the numerical results are in relatively good agreement with the experimental results, such as the water surface elevation and velocity distribution in the channels. As the inertial force and moment in the main channel decrease, the bifurcation discharge ratio increases, and the relative high velocity distribution becomes wider and the reverse velocity of the main stream decreases in the branch channel. As the bifurcation discharge ratio increases, the size of the recirculation zone in the branch channel decreases and it can be more clearly calculated by determining the point where the longitudinal froude number $Fr{\approx}0$ as well as drawing the distribution of the streamline distribution.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Flow patterns (Neary and Sotiropoulos, 1996)
그림 Fig. 2. Experimental set-up (Shettar and Murthy, 1996)
그림 Fig. 3. Depth-averaged velocity distribution
표 Table 1. Flow conditions for physical experiments
그림 Fig. 4. Water surface profiles
그림 Fig. 5. Measurement sections for the experiments
그림 Fig. 6. Limitations of F_2H and Q_r (Hsu et al., 2002)
표 Table 2. Flow conditions for physical experiments
표 Table 3. Flow conditions for numerical experiments
그림 Fig. 7. Comparison of discharge ratio (Q_r)
그림 Fig. 8. 2-Dimensional computed streamlines pattern
그림 Fig. 9. Contraction coefficient in the branch channel
그림 Fig. 10. Streamlines distributions
그림 Fig. 11. Depth-averaged velocity distribution
그림 Fig. 12. Froude number distributions
그림 Fig. 13. Longitudinal froude number in the branch channel

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 프랑스 연구기관인 EDF (d’Électricité de France)에서 개발한 오프소스(Open Source) 수치모형인 TELEMAC-2D에 대하여 분류부 흐름에 대한 수치모형의 적용성을 검증하고, 수치실험을 통해 분류유량비 계산을 위한 실험식과 이론식의 비교분석, 분류유량비 변화에 따른 수심 평균 유속분포와 흐름분리구역 변화, 분류수로 종방향 흐름 특성 변화를 분석하였다.

제안 방법

, 2016). 따라서 본 연구에서는 Eqs. (1)~(3)과 같이 비보존형 2차원 천수방정식을 SUPG 유한요소법으로 해석영역을 이산화하고, 난류응력과 모멘트 확산응력을 고려한 수치모의를 수행하였다. SUPG기법은 불연속적인 흐름 계산시 수치진동 발생을 방지하기 위해 소산(dissipative)성이 적용되어 있으며, 댐붕괴나 홍수량 유입과 같이 급격하게 흐름조건이 변화하는 경우나 천이류가 발생하는 경우, 충격파의 전달과 같은 흐름해석에 있어서 기존의 유한요소기법보다 안정된 해를 도출한다(Song and Seo, 2012).
본 연구에서는 Shettar and Murthy (1996)의 실내실험에 대한 수치모형의 검증결과(RUN-5)를 이용하여 Table 3과 같이 주수로 상류 유입유량(Q₁)만을 70~140% 범위 내에서 변화시키며 프루우드 수(F₁) 0.34~0.74의 흐름을 설정하여 분류유량비 변화에 대한 수치실험을 수행하였다. 상류 유입유량이 감소하면 분류수로 방향 흡입압과 횡압력경사가 주수로 하류방향 관성력보다 상대적으로 더 커지기 때문에 분류유량비는 증가하게 된다.

대상 데이터

따라서, 본 연구에서는 수치실험을 통해 산출된 분류유량비와 과거 선행연구자들이 제안한 공식을 비교분석하였다. 비교대상 공식으로는 90° 분류각을 가진 직사각형 단면 동일수로 폭 개수로에서 수로경사가 없는 조건에 대해 연구한 Rao and Sridharan (1967), Ramamurthy et al. (1990), Hsu et al. (2002)의 제안 식을 선정하였다.

이론/모형

본 연구에서는 Shettar and Murthy (1996)의 90° 분류흐름 실내실험 결과와 이 실험결과를 이용한 Lai (2010)의 2차원 수치모의 결과를 이용하여 수치모형을 검증하였다. 실험수로는 폭이 0.
본 연구에서는 분류부에서의 흐름분리구역 특성을 분석하기 위하여 Shettar and Murthy (1996), Lai (2010)의 연구결과와 비교하여 흐름분리구역 규모의 계산 결과를 비교하여 분석하였다. Fig.

성능/효과

1) TELEMAC-2D는 주수로에서 분류구간 전후에서 수면 저하와 상승, 분류수로 입구 주변 편수위 분포를 실내실험 결과와 RMSE 오차가 0.071 cm로 매우 양호한 모의가 가능하다. 또한 수심평균 유속분포뿐만 아니라, 분류수로의 좌측벽 흐름분리구역에서 주흐름의 역방향 유속크기를 실내실험결과와 잘 일치하였다.
3) 주수로의 상류유입유량이 감소하면(RUN-9), 주수로 하류방향 관성력과 모멘트가 감소하여 분류유량비가 증가하게 되고, 분류수로 내에서 상대적으로 고유속 분포구간이 넓어지며, 분류수로 주흐름의 역방향 유속과 주수로 하류의 유속은 감소한다. 반면 상류 유입량이 증가하면(RUN-1), 분류유량비가 감소되고, 분류수로 우측벽면 주위로 흐름이 가중되어 최대유속이 발생하며, 분류수로 좌측벽면 주위로 흐름분리구역의 규모 증가와 주흐름의 역방향 유속 성분이 가장 크게 나타난다.
4) 분류유량비가 증가할수록 분류수로 내 흐름분리구역 폭과 길이는 감소하며, 분류수로에서 유속성분의 평면분포를 이용한 유선작도뿐만 아니라, 종방향 프루우드 수가 F_r≈0이 되는 지점 확인을 통해 흐름분리구역의 규모를 더 명확하게 산정할 수 있다.

후속연구

하지만, 실무적으로 관개수로, 하천에서 수로바닥 경사 고려 필요시와 하류단에서 임의로 분류부 흐름을 조절하는 경우는 이 공식을 적용할 수 없다. 따라서, 분류유량비 공식을 단일식으로 일반화하기 위하여 다양한 흐름조건에 대해서 적용할 수 있도록 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분류흐름이란?	분류흐름(Flow bifurcation)은 혈관, 망상하천과 하중도, 관개수로, 상하수도 등에서 매우 광범위하고 일반적으로 나타나는 흐름의 일부이며, 수자원시스템의 구성 및 관리에 영향을 미치는 중요한 요소이다. 특히 개수로 분류부에서는 분류흐름의 불안정성, 분류되는 두 하도로 홍수배제 유량배분, 분류부 주변 토사퇴적 등 다양한 문제가 발생하며(Schielen et al.
	TELEMAC-2D의 장단점은?	TELEMAC-2D는 유한요소법과 유한체적법을 선택하여 적용할 수 있는 장점이 있지만, 유한체적기법 적용시 측벽효과(sidewall effect)를 무시할 수 없는 흐름에서는 이를 고려한 계산이 이루어지지 못하는 한계가 있다(Jung et al., 2016).
	TELEMAC-2D 2차원 수치모형의 상류 유입유량이 감소하면 나타나는 현상은?	본 수치모형은 분류부 수심평균 유속분포와 수위에 대해 실내실험결과와 잘 일치하는 결과를 나타냈다. 주수로의 하류방향 관성력과 모멘트가 감소하면 분류유량비가 증가하게 되고, 분류수로에서 상대적인 고유속 분포구간은 넓어지며, 분류수로 주흐름의 역방향 유속은 감소한다. 분류유량비가 증가할수록 분류수로 내 흐름분리구역 규모는 감소하며, 흐름분리구역 규모 산정시 유선분포 작도뿐만 아니라 종방향 프루우드 수가 $Fr{\approx}0$이 되는 지점 확인으로 더 명확하게 산정할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

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].

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