[논문]저층수 배출관에 유입된 사석의 배제 한계조건

정석일; 이승오

doi:10.21729/ksds.2019.12.1.57

[국내논문] 저층수 배출관에 유입된 사석의 배제 한계조건
Threshold Condition for Exclusion of Riprap into Bypass Pipe 원문보기

한국방재안전학회논문집 = Journal of Korean Society of Disaster and Security, v.12 no.1, 2019년, pp.57 - 66

정석일 ((주)하이드로봇테크앤리서치) , 이승오 (홍익대학교 토목공학과)

초록
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국내 중소하천에 설치된 콘트리트 보에서 발생하는 많은 문제 중에서 상류로부터 유입되는 유사가 보 직상류에 퇴적되는 문제가 심각하다. 이로 인해 하류에 유사공급이 원활치 못하게 되며, 퇴적된 유사가 오염물과 흡착될 경우, 하상 오염뿐만 아니라 하천 생태계에 치명적인 피해를 유발할 수 있다. 보 직상류의 유사 퇴적문제를 해결하는 방안 중 하상에 배사관을 매설하여 퇴적되는 유사를 하류로 배출하고 있다. 그러나 배사관에 적정크기 이상의 사석 등이 유입될 경우, 배사효율은 현격하게 낮아지므로, 이에 대한 가이드라인 내지는 한계조건 제시가 필요하다. 본 연구에서는 상하류 수위차, 사석의 직경 등을 주요변수로 선정한 후, 3차원 수치모의 결과를 활용하여 사석 배제 능력에 대한 한계 조건을 도출하였다. 상류흐름은 정류된 상태로 가정하였고, 배사관을 포함하여 상 하류간 검사체적에서 에너지 개념을 적용하여 분석을 수행하였다. 그 결과 수위차와 사석지름의 비로 나타낸 무차원 변수가 약 1.2인 경우, 배사관 내 사석의 배출유뮤를 명확히 결정할 수 있었다. 본 연구결과는 향후 점성이 높은 유사나 흡착성 유사 등의 특성을 고려한다면 배사관이 있는 고정보의 운영관리방안에 활용될 수 있을 것이라 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

One of the most serious problems with concrete small dams or barriers installed in small/median rivers is the deposit of sediments, especially, in Korea. An effective way to discharge such sediments to downstream is to construct a bypass pipe under the river bed. However, efficiency may become lowered if ripraps are entered into the bypass pipe. Therefore, in this study, we derived the threshold condition for the exclusion of ripraps from the bypass pipe using 3D numerical analysis. Upstream flow of the small dam was assumed to be stationary, and the energy concept was applied to the control volume containing the bypass pipe and its periphery. As a result, when the ratio of the water level difference between upstream and downstream to the diameter of the riprap was approximately equal to 1.2, the threshold condition for exclusion of the stones or riprap from the bypass pipe was affirmatively determined. If the characteristics of the adsorptive sediment adversely affecting the river environment in the future would be taken into account, results from this study are expected to put to practical use in the management of concrete small dam with bypass pipe system.

Keyword

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Conceptual sketch showing side view of experimental channel (Jeong and Lee, 2017)
그림 Fig. 2. Enlarged sketch of bypass pipe (Jeong and Lee, 2017)
표 Table 1. Dimensions of Bypass pipe (Jeong and Lee, 2017)
그림 Fig. 3. Experimental scene (Jeong and Lee, 2017)
그림 Fig. 4. Comparison of experiments and 3D simulations using dimensionless parameters
표 Table 2. Simulation cases for verification of FLOW-3D
그림 Fig. 5. Simulation scenes for moving of riprap in Sand-exclusion pipe
그림 Fig. 6. Threshold condition for exclusion of riprap in bypass pipe

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 해당 연구는 명확한 수리특성과 사석의 배제에 대한 한계조건은 제시하지 못한 한계가 있었다. 이에 본 연구에서는 3차원 수치모델(FLOW-3D, Flow-science Inc.)을 이용하여, Jeong and Lee(2017)가 수행하였던 실험을 재현하여 모형을 검증하고, 수치모델의 GMO(General Moving Objective) 기능을 이용하여, 상하류 수리특성에 따라 저층수 배출관 내 유입된 사석의 배출 조건을 보다 명확하게 제시하고자 한다.
본 연구에서는 이러한 실험을 FLOW-3D를 이용하여 재현하였으며, 실험과 동일한 방법으로 결과를 분석하여, FLOW3D의 사석 배제 정확성을 검토하였다. 수치해석에서 초기 사석은 유입부의 중앙에 위치시켰으며, 사석의 초기속도는 0으로 가정하였다.

가설 설정

본 연구에서는 이러한 실험을 FLOW-3D를 이용하여 재현하였으며, 실험과 동일한 방법으로 결과를 분석하여, FLOW3D의 사석 배제 정확성을 검토하였다. 수치해석에서 초기 사석은 유입부의 중앙에 위치시켰으며, 사석의 초기속도는 0으로 가정하였다. 상류와 하류의 수위를 변화시켜 사석이 받는 소류력의 크기를 다양화하였다.
수치해석에 사용된 난류 모델은 앞서 설명한 RNG k-ε모델이었으며, 총 수치모의시간은 사석의 상태가 안정될 때까지 진행하였다. 실험에서는 축척효과(scale effect)를 최소화하기 위해 가능한 실험 수로를 실제 소하천 규모와 유사하게 제작하였지만(13.0 m(L)✕5.0 m(B)✕0.5 m(H)), 실험수로에서의 배사관 상하류의 단면 유속은 거의 발생하지 않았기 때문에, 하천 흐름의 효과는 없다는 가정 하에 저층수 배출관과 유입부 및 유출부 일부만을 재현하였다.
검증 과정의 수치해석과 동일하게 저층수 배출관의 형태는 A, B, C가 이용되었으며, 상류수심과 하류수심의 비 및 사석의 직경에 변화를 주며 수치해석을 수행하였다. 사석은 완전한 구(sphere) 형태로 유입부 중앙에 위치하였으며, 사석의 초기 속도는 0으로 가정하였다. 난류모델은 검증모의 시와 동일한 RNG k-ε모델을 적용하였다.

제안 방법

달랑베르의 원리(d’Alembert’s principle)를 응용한 이론적인 접근을 통해 계수를 도출하고, 수리실험을 통하여 계수의 범위를 산정하였다.
달랑베르의 원리(d’Alembert’s principle)를 응용한 이론적인 접근을 통해 계수를 도출하고, 수리실험을 통하여 계수의 범위를 산정하였다. 그 결과 배제 구간, 비배제 구간 및 확률적 배제구간을 도출하였다. 그러나 해당 연구는 명확한 수리특성과 사석의 배제에 대한 한계조건은 제시하지 못한 한계가 있었다.
낮은 레이놀즈 수의 유동이나 벽 근처의 유동에서는 표준 k-ε모델과 유사하지만, 빠르게 회전되고 변형되는 흐름에서는 표준 k-ε모델에 비하여 더욱 높은 응답성을 보이기 때문에(Chung, 2003), 수치해석의 효율성 등을 고려하여 이 난류 모델을 선택하였다. 이러한 조건에서 FLOW-3D 내의 모듈인 GMO(General Moving Objects)를 이용하여 저층수 배출관 내에 유입된 사석의 이동을 수치해석 하였다. 이 모듈이 활성화 되면, 물체와 유체는 동역학적으로 연결되며, 서로간에 상호영향을 준다.
저층수 배출관 내 유입된 사석의 유동을 수치해석하기에 앞서 결정된 3차원 수치모델의 정확성을 확인하였다. 관련 연구에 대한 3차원 수치해석 결과가 없기 때문에, 본 연구에서는 Jeong and Lee(2017)의 저층수 배출관 사석 배출 실험을 그대로 수치모의를 수행하였으며, 도출된 결과를 실험결과와 비교하는 방법으로 FLOW-3D의 사석 배제 능력에 대한 검증을 수행하였다.
저층수 배출관 내 유입된 사석의 유동을 수치해석하기에 앞서 결정된 3차원 수치모델의 정확성을 확인하였다. 관련 연구에 대한 3차원 수치해석 결과가 없기 때문에, 본 연구에서는 Jeong and Lee(2017)의 저층수 배출관 사석 배출 실험을 그대로 수치모의를 수행하였으며, 도출된 결과를 실험결과와 비교하는 방법으로 FLOW-3D의 사석 배제 능력에 대한 검증을 수행하였다. Figs.
수치해석에서 초기 사석은 유입부의 중앙에 위치시켰으며, 사석의 초기속도는 0으로 가정하였다. 상류와 하류의 수위를 변화시켜 사석이 받는 소류력의 크기를 다양화하였다. 실험에서 제시된 관의 형태인 Type A, B, C를 모두 재현하였고, 사석의 크기를 변화시켰다.
상류와 하류의 수위를 변화시켜 사석이 받는 소류력의 크기를 다양화하였다. 실험에서 제시된 관의 형태인 Type A, B, C를 모두 재현하였고, 사석의 크기를 변화시켰다. 총45 가지 경우에 대해 수치해석을 수행하였으며, 상세한 조건은 Table 2에 정리하였다.
실험(Jeong and Lee, 2016; Jeong and Lee, 2017)에서는 상류와 하류의 수심비의 변화가 상대적으로 크지 않았으며, 난류 등의 변동성분 등으로 인하여 명확한 한계조건을 제시하는 것이 불가능하였기 때문에, 확률적 배제구간에 대한 정확한 조건을 도출하지 못하였다. 이에 현장 적용성 향상을 위하여 조건을 더욱 다양화 시키고, 간단한 형태의 명확한 사석 배제 한계조건을 제시하는 것은 중요한 과정이라 판단하여, 확률적 배제구간에 대한 수치해석을 수행하였다. 검증 과정의 수치해석과 동일하게 저층수 배출관의 형태는 A, B, C가 이용되었으며, 상류수심과 하류수심의 비 및 사석의 직경에 변화를 주며 수치해석을 수행하였다.
초기 유입부에 위치한 사석의 위치에너지(potential energy, Ep)와 사석의 최대 운동에너지(ER)를 이용하였으며, 사석의 지름은 Bukingum-π 차원해석 방법을 통하여 상하류 수위차이(H)에 의하여 무차원를 시켰으며, 이를 주요 지배 인자로 결정하여 분석을 수행하였다.
이에 현장 적용성 향상을 위하여 조건을 더욱 다양화 시키고, 간단한 형태의 명확한 사석 배제 한계조건을 제시하는 것은 중요한 과정이라 판단하여, 확률적 배제구간에 대한 수치해석을 수행하였다. 검증 과정의 수치해석과 동일하게 저층수 배출관의 형태는 A, B, C가 이용되었으며, 상류수심과 하류수심의 비 및 사석의 직경에 변화를 주며 수치해석을 수행하였다. 사석은 완전한 구(sphere) 형태로 유입부 중앙에 위치하였으며, 사석의 초기 속도는 0으로 가정하였다.
난류모델은 검증모의 시와 동일한 RNG k-ε모델을 적용하였다. 수치해석의 시간적 효율성을 위하여 4개의 저층수 배출관을 동시에 모의하고자, 단일 관과 4개의 관다발을 동일한 경계조건으로 수치해석을 수행하여 관의 상호 간섭이 없는 최적의 거리를 도출하였으며, 이 결과를 이용하여 Fig. 5와 같이 지형 및 경계조건을 수립하여 모델링하고, 수치해석을 수행하였다.
사석배제에 대한 한계조건을 보다 간단한 형태로 제시하기 위하여 에너지 개념을 도입하였다. 초기 유입부에 위치한 사석의 위치에너지(potential energy, E_p)와 사석의 최대 운동에너지(E 본 연구에서는 Jeong and Lee(2017)가 실험을 통하여 도출하였던 확률적 배제구간에 대한 심화된 연구를 수치해석을 통해 수행하였다. 모델의 검증을 위해 Jeong and Lee(2017)의 실험조건과 분석 방법을 그대로 재현하여, 본 연구에서 선택한 3차원 수치모델(FLOW-3D)의 사석배제에 대한 정확도를 검토하였고, 신뢰할 수 있는 결과를 보여주었다.
본 연구에서는 Jeong and Lee(2017)가 실험을 통하여 도출하였던 확률적 배제구간에 대한 심화된 연구를 수치해석을 통해 수행하였다. 모델의 검증을 위해 Jeong and Lee(2017)의 실험조건과 분석 방법을 그대로 재현하여, 본 연구에서 선택한 3차원 수치모델(FLOW-3D)의 사석배제에 대한 정확도를 검토하였고, 신뢰할 수 있는 결과를 보여주었다. 확률적 배제구간에 대해 상류와 하류의 수위 조건 및 사석의 크기를 다양화하여 수치해석을 수행하였고, 에너지 개념을 도입하여 결과를 분석하였다.
모델의 검증을 위해 Jeong and Lee(2017)의 실험조건과 분석 방법을 그대로 재현하여, 본 연구에서 선택한 3차원 수치모델(FLOW-3D)의 사석배제에 대한 정확도를 검토하였고, 신뢰할 수 있는 결과를 보여주었다. 확률적 배제구간에 대해 상류와 하류의 수위 조건 및 사석의 크기를 다양화하여 수치해석을 수행하였고, 에너지 개념을 도입하여 결과를 분석하였다. 그 결과 사석이 갖는 최대 운동에너지와 초기 사석의 위치에너지가 거의 일치할 때, 사석은 배제 되었으며, 이때의 조건은 수위차이와 사석직경에 대한 비(∆H/D_p)가 약 1.

이론/모형

본 연구에서는 저층수 배출관의 사석배제 수치해석을 위하여 3차원 상용 수치해석 프로그램인 FLOW-3D(ver. 11.1)를 이용하였다. FLOW-3D는 미국 Flow-science에서 개발한 프로그램으로 국내외적으로 자유 수면을 갖는 3차원 흐름 해석에 많이 사용되는 수치모델이다.
FLOW-3D는 난류흐름을 해석하는 경우에 RANS 방정식 모형에 혼합거리(mixing length) 모형, 표준 k-ε모형, RNG(Renormalization Group) k-ε모형 등 다양한 난류모형을 결합하여 사용하거나, LES(Large Eddy Simulation) 기법을 사용한다(Lee et al., 2007; Choi et al., 2008).
낮은 레이놀즈 수의 유동이나 벽 근처의 유동에서는 표준 k-ε모델과 유사하지만, 빠르게 회전되고 변형되는 흐름에서는 표준 k-ε모델에 비하여 더욱 높은 응답성을 보이기 때문에(Chung, 2003), 수치해석의 효율성 등을 고려하여 이 난류 모델을 선택하였다.
본 연구에서는 일반적으로 광범위한 조건에 적용 가능한 RNG k-ε 난류 모형을 수치해석에 적용하였다.
여기서 f는 점성력(N), G는 체적력(N)을 나타낸다. 자유수면은 VOF(Volume of Fluid)법을 사용하여 모의가 된다. VOF는 수표면의 위치를 특정하는 방식으로 계산 격자 내를 이동하는 명확한 계면을 추적하는 알고리즘 등으로 구성된다.
VOF는 수표면의 위치를 특정하는 방식으로 계산 격자 내를 이동하는 명확한 계면을 추적하는 알고리즘 등으로 구성된다. 또한 기하형상은 장애물에 의해 차단된 각 요소의 표면적 점유율 및 볼륨 점유율을 계산하여 격자에 정의하는 기법인 FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation)을 사용한다. FLOW-3D는 난류흐름을 해석하는 경우에 RANS 방정식 모형에 혼합거리(mixing length) 모형, 표준 k-ε모형, RNG(Renormalization Group) k-ε모형 등 다양한 난류모형을 결합하여 사용하거나, LES(Large Eddy Simulation) 기법을 사용한다(Lee et al.
수치해석에 사용된 난류 모델은 앞서 설명한 RNG k-ε모델이었으며, 총 수치모의시간은 사석의 상태가 안정될 때까지 진행하였다.
이러한 결과는 본 연구에서 선택한 3차원 수치해석 프로그램인 FLOW-3D가 저층수 배출관 내의 사석 거동을 비교적 정확하게 모의할 수 있음을 나타낸다고 판단된다. 따라서 이후에 수행되는 한계조건 도출에 대한 수치해석에도 FLOW-3D가 사용되었다.
난류모델은 검증모의 시와 동일한 RNG k-ε모델을 적용하였다.

성능/효과

, 2000). 결론적으로 하천 횡단구조물물의 건설은 하천의 이수 및 치수적인 관점에서는 많은 이점을 주지만, 이에 반해 하천 환경의 유지관리 및 생태계 보존 측면에서는 부작용을 유발시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 고무보(rubber weir) 및 수문 개폐 방식을 갖는 가동보가 관심을 받고 있으나, 기 설치된 다수의 고정보를 대체하기에는 경제적으로 효율성이 떨어질 수 있다.
4 는 Jeong and Lee(2016)와 동일한 방법으로 수치해석 결과를 분석하였을 때, 얻어진 그래프이며, 실험 결과의 회귀곡선과 수치해석 결과를 겹친(overlap)것이다. 실험결과와 수치해석 결과는 R²가 약 0.87로 유사한 경향성을 나타내었으며, 배제구간, 비배제구간 및 확률적배제구간의 구분 또한 수리실험과 수치해석에서 큰 유사성을 보였다. 이러한 결과는 본 연구에서 선택한 3차원 수치해석 프로그램인 FLOW-3D가 저층수 배출관 내의 사석 거동을 비교적 정확하게 모의할 수 있음을 나타낸다고 판단된다.
87로 유사한 경향성을 나타내었으며, 배제구간, 비배제구간 및 확률적배제구간의 구분 또한 수리실험과 수치해석에서 큰 유사성을 보였다. 이러한 결과는 본 연구에서 선택한 3차원 수치해석 프로그램인 FLOW-3D가 저층수 배출관 내의 사석 거동을 비교적 정확하게 모의할 수 있음을 나타낸다고 판단된다. 따라서 이후에 수행되는 한계조건 도출에 대한 수치해석에도 FLOW-3D가 사용되었다.
3333px;">R)를 이용하였으며, 사석의 지름은 Bukingum-π 차원해석 방법을 통하여 상하류 수위차이(H)에 의하여 무차원를 시켰으며, 이를 주요 지배 인자로 결정하여 분석을 수행하였다. 그 결과 사석의 최대 에너지가 초기 위치에너지와 동일할 때(E_R/E_P=1)까지 사석이 배출되지 않음을 확인하였으며, 이를 통해 사석의 에너지가 위치에너지보다 일정값 이상 커질 때, 사석의 배제가 시작된다고 판단하였다. 따라서, Fig.
확률적 배제구간에 대해 상류와 하류의 수위 조건 및 사석의 크기를 다양화하여 수치해석을 수행하였고, 에너지 개념을 도입하여 결과를 분석하였다. 그 결과 사석이 갖는 최대 운동에너지와 초기 사석의 위치에너지가 거의 일치할 때, 사석은 배제 되었으며, 이때의 조건은 수위차이와 사석직경에 대한 비(∆H/D_p)가 약 1.2일 경우인 것으로 확인되었다. 이는 하천의 흐름이 없다는 가정을 하였기 때문에, 본 연구 결과는 사석 직경의 1.

후속연구

본 연구에서 주어진 저층수 배출관의 elbow 형태(30 ≤ θ ≤ 60)는 동일하지 않기 때문에, 단일 값이 도출되었다는 것은 이러한 형태적인 차이가 사석 배제에 큰 영향을 줄 수 없다는 의미이기도 하다. 이러한 적용성 및 사용성이 용이한 형태의 한계조건은 실무적인 관점에서 배사관이 있는 고정보의 운영에 큰 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다. 다만 본 연구에서는 사석의 초기속도를 0으로 가정하였기 때문에, 실제 사석의 배제 조건과 수치해석으로 제시된 조건이 다를 가능성이 있다.
그러나 이는 상대적으로 보수적인 결과를 도출하기 때문에, 이를 참고한 설계나 관리 시 큰 문제는 발생하지 않을 것으로 생각된다. 향후 본 연구에서 고려되지 않은 저층수 배출관의 직경 및 길이변화를 포함할 것이며, 유사와 사석이 동시에 배제될 경우 상호간의 간섭효과 여부를 확인하는 연구를 추가하여, 본 연구결과의 활용성을 향상시키고자 한다.

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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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