[논문]환형수조에서 흐름특성에 관한 실험적 연구

최인호; 김종우

doi:10.17663/jwr.2019.21.3.207

환형수조에서 흐름특성에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Flow Characteristics in the Open Annular Flume 원문보기

한국습지학회지 = Journal of wetlands research, v.21 no.3, 2019년, pp.207 - 214

최인호 (서일대학교 토목공학과) , 김종우 (서일대학교 토목공학과)

초록
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본 실험연구는 자유수면을 이루는 환형수조에서 초음파 유속계를 이용하여 흐름특성을 분석하였다. 여기서 점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 설계된 실린더의 회전에 따라 흐름이 형성되도록 하였다. 종방향 유속에 대한 내부 실린더의 영향은 이동 경계 근처에서 가장 높았고 외측 벽쪽으로는 감소했다. 종방향 저유속에서 난류 운동에너지는 바닥근처 지점에서 가장 크게 나타났지만 종방향 유속이 증가함에 따라 위쪽으로 이동하였다. 멱법칙으로 산정된 종방향 유속은 바닥 마찰길이를 고려한 대수분포형태인 로그법칙으로 예측한 값보다 실측치와 잘 일치하였다. 레이놀즈 응력 방법으로 산정한 평균마찰속도는 종방향 유속이 증가할 때 로그법칙과 멱법칙으로 계산된 값보다 작게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated the flow characteristics in an annular flume with a free water surface using the Acoustic Doppler Velocimeter(ADV) in the laboratory. The flow was driven by the rotation of the inner cylinder in a way designed not to interfere with flocculation of cohesive sediments. The effect of the inner cylinder for the longitudinal velocities showed highest near the moving boundary and decreased towards the outer wall. At the lower longitudinal velocity, there was a peak in turbulent kinetic energy near the bed, whereas it moved upward to with increasing of the velocity. The longitudinal velocities estimated using the power law were in good agreement with the measured values than the values predicted by the log-law with roughness lengths. The average friction velocities evaluated by Reynolds shear stress were smaller than the values calculated using the log-law and power law when increasing the longitudinal velocity.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic and photographs of the experimental setup.
그림 Fig. 2. Measured velocity profiles achieved (a) 0.2 cm and (b) 0.5 cm above annular flume bottom.
그림 Fig. 3. Measured velocity profiles in the annular flume at (a) u_ref = 29.3 cm/s and (b) u_ref = 71.2 cm/s. Relative depths are given by the numbers in the legend.
그림 Fig. 4. (a) Longitudinal and (b) lateral velocities in the annular flume at uref = 29.3 cm/s. Distances from the outer cylinder (in cm) along the flume cross-section are given by the numbers in the legend.
그림 Fig. 5. (a) Longitudinal and (b) lateral velocities in the annular flume at u_ref = 71.2 cm/s. Distances from the outer cylinder (in cm) along the flume cross-section are given by the numbers in the legend.
그림 Fig. 6. Longitudinal velocities at (a) 15 cm and (b) 17.5 cm from the outer wall along the flume cross-section for different wall law formulations using the averaged friction velocity.
그림 Fig. 7. Distribution of total turbulent kinetic energy along water depth in the annular flume at (a) u_ref = 29.3 cm/s and (b) u_ref = 71.2 cm/s. Distances from the outer cylinder(in cm) along the flume cross-section are given by the numbers in the legend.
그림 Fig. 8. Comparison of friction velocities evaluated by three methods.
표 Table 1. Averaged friction velocity estimated using the log-law, power law(⍺= 8.74, ß = 0.14) and Reynolds stress methods

AI 본문요약
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문제 정의

여기서 ′ ′ ′는 각각 x축, y축, z축 방향 유속변동 값이다. 본 연구는 SonTek의 초음파 유속계(ADV)를 이용하여 각 지점마다 측정된 유속 값에 대해 분석하였다.
본 연구는 점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 설계해 제작한 환형수조 내에서 흐름특성을 측정해 분석하였다. 종방향 유속, 횡방향 유속, 연직방향 유속은 초음파 유속계(ADV)를 이용하여 관측하였으며 마찰속도, 바닥전단응력, 난류 운동에너지의 분포를 검토하였다.
즉 본 연구는 이러한 단점을 보완하고자 국내에서 최초로 상부 링 대신 회전체 실린더를 설치한 환형수조를 제작하여 흐름특성을 분석하였다. 흐름은 환형수조 내 중앙에 설치된 실린더 회전으로 형성된다.

제안 방법

Fig. 4(a)는 기준속도(uref) 29.3 cm/s 조건과 외측 벽으로부터 6개 지점(5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm)에서 종방향 유속을 측정하였다. 또한 동일한 지점에서 각각 횡
1). ADV는 유속에 대해 가장 높은 정확도를 센서 끝단 중심부로부터 5 cm 떨어진 지점에서 보이므로 이를 고려하였다. ADV는 외측 벽으로부터 횡방향 50 ∼ 300 mm까지 이동할 수 있으며, 연직방향 측정 범위를 수로바닥으로부터 2 ∼ 140 mm 구간으로 설정하였다.
난류 운동에너지(TKE=0.5( ))는 유속변동(fluctuation of velocity)으로 산정하여 분석하였다.
3 cm/s 조건과 외측 벽으로부터 6개 지점(5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm)에서 종방향 유속을 측정하였다. 또한 동일한 지점에서 각각 횡
방향 유속을 측정하였다. 외측 벽과 내측 벽 실린더 지점에서 종방향 유속은 약간 차이점을 볼 수 있었다.
종방향 유속은 로그법칙 형태인 대수분포식과 멱함수에 따른 산정 값과 비교하였다. 마찰속도는 로그법칙과 멱법칙을 사용하여 바닥전단응력을 산정하였고 레이놀즈 전단응력방법과 비교하였다.
본 연구는 점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 설계해 제작한 환형수조 내에서 흐름특성을 측정해 분석하였다. 종방향 유속, 횡방향 유속, 연직방향 유속은 초음파 유속계(ADV)를 이용하여 관측하였으며 마찰속도, 바닥전단응력, 난류 운동에너지의 분포를 검토하였다. 종방향 유속은 등가조고 변화에 따른 대수분포식(로그법칙)과 지수와 계수에 따른 멱함수로 산정한 값과 비교하였다.
종방향 유속, 횡방향 유속, 연직방향 유속은 초음파 유속계(ADV)를 이용하여 관측하였으며 마찰속도, 바닥전단응력, 난류 운동에너지의 분포를 검토하였다. 종방향 유속은 등가조고 변화에 따른 대수분포식(로그법칙)과 지수와 계수에 따른 멱함수로 산정한 값과 비교하였다. 마찰속도와 바닥전단응력은 로그법칙, 멱법칙, 레이놀즈 전단응력방법을 이용하여 산정하였다.
초음파 유속계(ADV)를 이용하여 종방향 유속, 횡방향 유속, 연직방향 유속, 난류 운동에너지, 바닥 전단응력 등을 분석하였다. 종방향 유속은 로그법칙 형태인 대수분포식과 멱함수에 따른 산정 값과 비교하였다. 마찰속도는 로그법칙과 멱법칙을 사용하여 바닥전단응력을 산정하였고 레이놀즈 전단응력방법과 비교하였다.
6은 바닥 마찰길이(y0)를 고려한 대수분포 식 (2)와 멱함수에 따른 예측된 종방향 유속과 실측 종방향 유속을 비교한 그래프이다. 종방향 유속은 외측 벽으로부터 횡방향 15 cm와 17.5 cm 지점에서 측정하였다. 종방향 유속은 거친 벽 (rough wall)의 등가조고( ks)가 1 mm와 2.
환형수조의 수심(h)은 200 mm이다. 종방향 유속은 외측 벽으로부터 횡방향 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm 지점에서 측정하였다.
흐름은 환형수조 내 중앙에 설치된 실린더 회전으로 형성된다. 초음파 유속계(ADV)를 이용하여 종방향 유속, 횡방향 유속, 연직방향 유속, 난류 운동에너지, 바닥 전단응력 등을 분석하였다. 종방향 유속은 로그법칙 형태인 대수분포식과 멱함수에 따른 산정 값과 비교하였다.

대상 데이터

아크릴판으로 제작된 환형수조 높이(H)는 600 mm, 두께는 8 mm, 직경(D1)은 1,100 mm이다. 본 연구에서 환형수조의 수심(h)은 200 mm이다.
유속분포를 고려하여 각 지점마다 16 Hz의 주파수로 샘플링을 하여 약 200 ∼ 500 개의 유속측정 값을 수집하였다.

이론/모형

종방향 유속은 등가조고 변화에 따른 대수분포식(로그법칙)과 지수와 계수에 따른 멱함수로 산정한 값과 비교하였다. 마찰속도와 바닥전단응력은 로그법칙, 멱법칙, 레이놀즈 전단응력방법을 이용하여 산정하였다. 따라서 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
5 cm 지점에서 측정하였다. 종방향 유속은 거친 벽 (rough wall)의 등가조고( ks)가 1 mm와 2.5 mm일 때와 매끄러운 벽(smooth wall) 조건에서 대수분포(로그법칙)를 사용하여 산정하였다. 경계레이놀즈수∗ ∙  는 2 ∼ 25 범위

성능/효과

(1) 회전체 실린더 영향은 환형수조 저면에서 기준속도가 증가함에도 불구하고 종방향 유속에 대해 크지 않았다. 하지만 수심비와 유속이 증가하면 내부 실린더 영향은 이동 경계 근처에서 가장 높았고 외측 벽쪽으로 감소했다.
(2) 횡방향 흐름이 환형수조 바닥에서 외측 벽으로부터 내측벽 실린더 회전체 방향으로 형성되었다가 수면으로 갈수록 방향이 바뀌는 2차 순환류(secondary flow)가 형성됨을 볼 수 있다. 유속이 증가함에 따라 2차 순환류는 증가하였다.
(3) 난류 운동에너지는 저유속이면 바닥근처 지점에서 가장 크게 나타났지만 유속이 증가함에 따라 위쪽으로 이동하였다. ⍺와 ß값과 평균마찰속도를 고려하여 멱함수로 산정된 종방향 유속이 바닥 마찰길이를 고려한 로그법칙으로 예측한 값보다 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
(4) 평균마찰속도는 로그법칙, 멱법칙, 레이놀즈 응력 방법에 의해 분석하였으며, 레이놀즈 전단응력 방법으로 산정된 마찰속도 값은 저유속에서 부분적으로 작게 나타났지만 평균값은 비슷하게 산정되었다. 그러나 유속이 증가할 때 로그법칙은 레이놀즈 전단응력 방법에 의해 계산된 값보다 크게 나타남을 알 수 있었다.
3 cm/s 상황에서는 종방향 유속에 대한 외측 벽과 내측 실린더 영향이 미미하지만(Fig. 3(a)), 기준속도(uref) 71.2 cm/s 조건에서 종방향 유속은 수심비(z/h) 0.01(z = 2 mm)과 0.025(z = 5 mm) 지점을 제외하고 내측 실린더의 영향을 받는 것을 볼 수 있다(Fig. 3(b)).
⍺와 ß값과 평균마찰속도를 고려하여 멱함수로 산정된 종방향 유속이 바닥 마찰길이를 고려한 로그법칙으로 예측한 값보다 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
⍺와 ß값은 종방향 유속 5 cm/s 이하에서 각각 7과 0.13(이점쇄선), 5 ∼ 20 cm/s 범위 내에서 각각 9와 0.14(일점쇄선), 20 cm/s 이상에서 각각 22와 0.04(굵은 점선) 조건일때 실측치와 잘 일치하였다(Fig. 6).
3(b)). 각 지점 유속은 내측 실린더에 접하는 이동 경계 근처에서 가장 높고 외측 벽으로 갈수록 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은
(4) 평균마찰속도는 로그법칙, 멱법칙, 레이놀즈 응력 방법에 의해 분석하였으며, 레이놀즈 전단응력 방법으로 산정된 마찰속도 값은 저유속에서 부분적으로 작게 나타났지만 평균값은 비슷하게 산정되었다. 그러나 유속이 증가할 때 로그법칙은 레이놀즈 전단응력 방법에 의해 계산된 값보다 크게 나타남을 알 수 있었다. 따라서 본 연구는 기존의 환형수조 상부 링 대신 회전체 실린더에 의해 흐름을 발생시킬 수 있음을 증명하였다.
그러나 유속이 증가할 때 로그법칙은 레이놀즈 전단응력 방법에 의해 계산된 값보다 크게 나타남을 알 수 있었다. 따라서 본 연구는 기존의 환형수조 상부 링 대신 회전체 실린더에 의해 흐름을 발생시킬 수 있음을 증명하였다. 점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 제작된 환형수조는 자유수면이 제약받지 않기 때문에 수조 내 측정 장치를 설치할 수 있으며 유속결정시 실린더 근처 지점의 값을 제외한다면 점착성 유사의 퇴적거동, 침식, 침강, 이송, 확산 등의 분석에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
또한 종방향 유속은 ⍺와 ß의 값을 적용하여 멱함수로 산정하였다. 멱함수로 산정된 종방향 유속은 바닥 마찰길이를 고려한 대수법칙으로 예측한 값보다 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다. ⍺와 ß값은 종방향 유속 5 cm/s 이하에서 각각 7과 0.
25 지점으로 변화하는 경향을 보인다. 유속이 증가함에 따라 점성보다 관성이 흐름을 지배함을 알 수 있었다.
즉 로그법칙(log-law)과 멱법칙으로 산정한 마찰속도 값이 레이놀즈 전단응력 방법에 의해 산정한 값보다 높게 나타냈다. 마찰속도는 환형수조 바닥에 인접한 구간에서 점성력으로 인해 급격히 감소하는 경향을 보인다.
2 cm/s 조건과 외벽으로부터 5cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm, 25 cm, 30 cm 지점에서 종방향 유속과 횡방향 유속을 나타낸다. 증간된 종방향 유속은 내측벽 실린더 마찰력에 영향을 받으며, 실린더 내측 벽에 가까울수록 그 영향이 증가하였다(Fig. 5(a)).
하지만 유속이 증가한 S7, S8, S9에서 로그법칙은 레이놀즈 전단응력 방법에 의해 계산된 값보다 20 ∼ 41%정도 크게 나타남을 볼 수 있었다.

후속연구

하지만 본 연구에서 제작된 환형수조는 점착성 유사의 거동해석을 위해 수심변화에 따른 흐름특성(유속, 난류 운동에너지, 전단응력)과 부유 미립자에 영향을 줄 수 있는 2차 순환류 영향에 대한 연구가 이루어질 필요가 있다고 본다. 또한 하천과 항만 등의 하상변동과 준설, 수질오염 등에 영향을 주는 점착성 유사의 퇴적과 침식에 관한 정량적인 해석기법에 대해 지속적인 연구가 요구된다.
따라서 본 연구는 기존의 환형수조 상부 링 대신 회전체 실린더에 의해 흐름을 발생시킬 수 있음을 증명하였다. 점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 제작된 환형수조는 자유수면이 제약받지 않기 때문에 수조 내 측정 장치를 설치할 수 있으며 유속결정시 실린더 근처 지점의 값을 제외한다면 점착성 유사의 퇴적거동, 침식, 침강, 이송, 확산 등의 분석에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서 제작된 환형수조는 점착성 유사의 거동해석을 위해 수심변화에 따른 흐름특성(유속, 난류 운동에너지, 전단응력)과 부유 미립자에 영향을 줄 수 있는 2차 순환류 영향에 대한 연구가 이루어질 필요가 있다고 본다.
점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 제작된 환형수조는 자유수면이 제약받지 않기 때문에 수조 내 측정 장치를 설치할 수 있으며 유속결정시 실린더 근처 지점의 값을 제외한다면 점착성 유사의 퇴적거동, 침식, 침강, 이송, 확산 등의 분석에 유용하게 활용될 수 있을 것이다. 하지만 본 연구에서 제작된 환형수조는 점착성 유사의 거동해석을 위해 수심변화에 따른 흐름특성(유속, 난류 운동에너지, 전단응력)과 부유 미립자에 영향을 줄 수 있는 2차 순환류 영향에 대한 연구가 이루어질 필요가 있다고 본다. 또한 하천과 항만 등의 하상변동과 준설, 수질오염 등에 영향을 주는 점착성 유사의 퇴적과 침식에 관한 정량적인 해석기법에 대해 지속적인 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	난류 흐름의 바닥전단응력을 산정하는 방법은?	난류 흐름의 바닥전단응력을 산정하는 방법은 레이놀즈 전단응력(Reynolds shear stress) 방법, 대수법칙, 멱법칙 등이 있다. 레이놀즈 전단응력 연직분포를 고려한 바닥전단응력(bed shear stress)은 다음 식 (6)과 같이 추정할 수 있다(Duan, 2009).
	점착성 유사의 응집을 방해하지 않도록 설계해 제작한 환형수조 내에서 흐름특성을 측정해 분석한 실험결과는?	(1) 회전체 실린더 영향은 환형수조 저면에서 기준속도가 증가함에도 불구하고 종방향 유속에 대해 크지 않았다. 하지만 수심비와 유속이 증가하면 내부 실린더 영향은 이동 경계 근처에서 가장 높았고 외측 벽쪽으로 감소했다. 즉 마찰력 영향은 수심비와 유속이 증가하게 되면 실린더 회전체 근처에서 증가하였다. 종방향 유속 결정시 실린더 근처 지점 값은 제외할 필요가 있을 것으로 판단된다. (2) 횡방향 흐름이 환형수조 바닥에서 외측 벽으로부터 내측벽 실린더 회전체 방향으로 형성되었다가 수면으로 갈수록 방향이 바뀌는 2차 순환류(secondary flow)가 형성됨을 볼 수 있다. 유속이 증가함에 따라 2차 순환류는 증가하였다. 이와같은 2차 순환류가 점착성 유사의 침식, 응집, 퇴적물의 이동 역학에 미치는 영향 정도에 관한 연구가 요구된다. (3) 난류 운동에너지는 저유속이면 바닥근처 지점에서 가장 크게 나타났지만 유속이 증가함에 따라 위쪽으로 이동하였다. ⍺와 ß값과 평균마찰속도를 고려하여 멱함수로 산정된 종방향 유속이 바닥 마찰길이를 고려한 로그법칙으로 예측한 값보다 실측치와 잘 일치하는 것으로 나타났다. (4) 평균마찰속도는 로그법칙, 멱법칙, 레이놀즈 응력 방법에 의해 분석하였으며, 레이놀즈 전단응력 방법으로 산정된 마찰속도 값은 저유속에서 부분적으로 작게 나타났지만 평균값은 비슷하게 산정되었다. 그러나 유속이 증가할 때 로그법칙은 레이놀즈 전단응력 방법에 의해 계산된 값보다 크게 나타남을 알 수 있었다.
	점착성 유사의 특징은?	지난 수십 년 동안 많은 학자들은 점착성 유사의 침식, 이송과 퇴적 현상을 다양한 방법으로 연구하였다. 점착성 유사는 이온성분을 띠므로 시공간적으로 미세 입자간의 결합상태인 플럭(floc) 또는 응집이 일어나며, 난류에 의해 쉽게 분리된다

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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