[논문]잠긴수제가 설치된 만곡수로에서의 이차류 거동 수치모의

이정섭; 박상덕; 최철희; 백중철

doi:10.3741/jkwra.2019.52.10.743

잠긴수제가 설치된 만곡수로에서의 이차류 거동 수치모의
Numerical modeling of secondary flow behavior in a meandering channel with submerged vanes 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.10, 2019년, pp.743 - 752

이정섭 (강릉원주대학교 공과대학 토목공학과) , 박상덕 (강릉원주대학교 공과대학 토목공학과) , 최철희 ((주)한국종합기술 수자원부) , 백중철 (강릉원주대학교 공과대학 토목공학과)

초록
AI-Helper

만곡수로에서의 흐름은 나선형 운동 형태의 이차류가 지배적이며, 이로 인해 일반적으로 만곡 외측을 따라 침식 현상이 발생하게 된다. 이러한 이차류를 약화시키기 위해서 보통 만곡수로 외측을 따라서 수제와 같은 수공구조물을 설치한다. 이 연구에서는 OpenFOAM 오프소스 소프트웨어를 토대로 난류 해석을 위한 하이브리드 RANS/LES 기법과 자유수면 해석을 위한 VoF기법을 이용한 3차원 수치모의를 통해서 $90^{\circ}$ 만곡수로에 설치된 잠긴수제가 후루드수가 0.43인 조건에서 이차류의 발달에 미치는 영향을 분석하였다. 시간과 공간에 대해서 2차 정확도의 유한체적법을 이용하여 수치모의를 수행하였으며, 수치해석 결과는 실험결과와 비교하여 수치모의의 정확도를 평가하였다. 잠긴수제가 설치된 경우의 수치모의 결과를 흐름방향 유속 분포와 횡방향 순환 유속벡터장을 중심으로 수리실험 관측값들과 비교할 때 수치모의 결과는 수리실험에서 관측된 주요 이차류 흐름 거동과 현상들을 대부분 양호한 정확도로 잘 재현하는 것으로 나타났다. 수치모의 결과를 비교해보면, 잠긴수제 설치로 인해서 만곡이 끝나는 단면 외측 하상부근에서의 유속은 약 평균유속의 1/3 정도 감소하는 반면에 수제 상단부에서의 전단층 발달에 따른 흐름 가속으로 자유수면 부근까지 유속이 증가하고 만곡 수충부에서는 수면 부근 유속이 약 20% 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 잠긴수제는 만곡부에서 발생하는 이차류의 강도를 약화시켜 만곡부 외측 하상의 안정에 도움이 될 것으로 판단된다. 한편, 각 잠긴수제 전면부에서 말발굽와가 그리고 후면부에서는 후류가 형성되면서 수제 구조물 주변에서 강한 국부세굴이 발생하는 것으로 나타남으로, 국부세굴을 최소화할 수 있는 수제의 형상 및 배열에 대한 추가 연구가 요구된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flow in the meandering channel is characterized by the spiral motion of secondary currents that typically cause the erosion along the outer bank. Hydraulic structures, such as spur dike and groyne, are commonly installed on the channel bottom near the outer bank to mitigate the strength of secondary currents. This study is to investigate the effects of submerged vanes installed in a $90^{\circ}$ meandering channel on the development of secondary currents through three-dimensional numerical modeling using the hybrid RANS/LES method for turbulence and the volume of fluid method, based on OpenFOAM open source toolbox, for capturing the free surface at the Froude number of 0.43. We employ the second-order-accurate finite volume methods in the space and time for the numerical modeling and compare numerical results with experimental measurements for evaluating the numerical predictions. Numerical results show that the present simulations well reproduce the experimental measurements, in terms of the time-averaged streamwise velocity and secondary velocity vector fields in the bend with submerged vanes. The computed flow fields reveal that the streamwise velocity near the bed along the outer bank at the end section of bend dramatically decrease by one third of mean velocity after the installation of vanes, which support that submerged vanes mitigate the strength of primary secondary flow and are helpful for the channel stability along the outer bank. The flow between the top of vanes and the free surface accelerates and the maximum velocity of free surface flow near the flow impingement along the outer bank increases about 20% due to the installation of submerged vanes. Numerical solutions show the formations of the horseshoe vortices at the front of vanes and the lee wakes behind the vanes, which are responsible for strong local scour around vanes. Additional study on the shapes and arrangement of vanes is required for mitigate the local scour.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Computational mesh for the flow in a 90° meandering channel with submerged vanes
그림 Fig. 2. Comparison of time-averaged streamwise velocity fields measured and computed at three selection cross-sections
그림 Fig. 3. Comparison of time-averaged, secondary velocity vector fields measured and computed at selected three cross-sections
그림 Fig. 4. Comparison of time-averaged velocity magnitude fields computed at five horizontal plans selected from near-bed to near-surface
그림 Fig. 5. Comparison of time-averaged, streamwise velocity and secondary velocity vector fields computed at two selected cross-sections
그림 Fig. 6. Comparison of time-averaged transverse velocity profiles at three selected (near inner bank, center and outer bank) locations on (a) the first (0°) and (b) the last (90°) cross-sections of the bend
그림 Fig. 7. Distributions of time-averaged velocity magnitude computed at selected cross-sections
그림 Fig. 8. Streamlines in the instantaneous flow fields computed in the meandering channel flows without and with submerged vanes

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 연구에서는 90° 만곡수로에 설치된 잠긴수제의 형상과 배열에 따른 이차류의 변화와 하상변동을 분석하기 위한 수리실험 중 후루드수(Froude number) Fr = 0.43의 조건에서 유속 분포 자료가 확보된 대표 실험 조건에서의 흐름을 DES 기법을 이용하여 수치적으로 재현하고 수제 주변의 상세한 흐름 특성을 규명한다.
이 연구에서는 수제 설치 전후의 지형자료에 대해서 수치모의를 수행하였다. 잠긴수제 설치 후 실험에서 계측된 하상지형과 수제설치 형상자료를 이용하여 생성한 3차원 수치해석 격자를 도시하면 Fig.
2 and 3에서 보인 3개 단면에서만 유속분포를 계측하였다. 이들 2개 그림에서 보인 양호한 수치모의 결과에 근거해서, 여기부터는 잠긴수제 설치 전후의 수치모의 결과를 비교 분석하여 잠긴수제가 만곡부에서 발생하는 이차류의 거동에 미치는 영향을 평가하고자 한다.

제안 방법

43의 조건에서 유속 분포 자료가 확보된 대표 실험 조건에서의 흐름을 DES 기법을 이용하여 수치적으로 재현하고 수제 주변의 상세한 흐름 특성을 규명한다. DES 수치모의 결과를 기존 실험값과 비교하여 모형의 적용성을 평가한다. 잠긴수제의 설치에 따른 이차류 거동 변화 그리고 만곡 외측을 따라 바닥 및 수면부근에서 발생하는 유속 분포의 변화에 대한 상세한 3차원 수치해석 결과를 제시하고, 하상 안정화를 위한 잠긴수제의 성능을 분석한다.
수치모의를 통해 구한 만곡부내 3차원 유속분포와 계산된 유선 자료를 이용하여 잠긴수제 전면에서의 말발굽와 그리고 후면에서의 후류 발달을 보여주었다. 구조물 주변에서 이러한 강한 와류의 발달은 수리실험에서 관측된 잠긴수제 주변 국부세굴의 원인으로 볼 수 있다.
수리실험 관측값에서는 ADV (acoustic Doppler velocimeter)의 측정범위 제한 때문에 수로 양 측벽으로부터 3 cm 그리고 수면으로부터 7 cm 아래까지는 실험값이 존재하지 않는다. 수치모의에서는 앞서 언급했듯이 흐름이 완전히 발달한 후 5분간 계산한 수치해를 평균하여 시간평균 유속장을 계산하였으며, 이 결과를 수리실험자료와 비교하여 수치모의의 정확도를 평가한다.
3 mm이며, 수치모의에서 하상조도의 영향은 바닥에서의 계산된 마찰유속과 평균조고(roughness height)에 근거해서 바닥에서의 난류점성을 조정하는 벽함수 경계조건을 적용하여 고려하였다. 유입부 경계조건으로는 유량을 설정하였고, 사전모의(preliminary simulation)를 통해서 구한 하류단에서의 단면평균유속을 이용하여 하류단 수위를 설정하였다. 이 연구에서는 계산영역 전체에서 흐름이 완전 발달할 때까지 12분동안 모의를 수행하여 통계학적으로 흐름이 평형상태에 도달한 후, 5분간 수치모의를 수행하여 구한 수치해를 이용하여 시간평균(time- averaged) 유속장(flow fields)과 난류량(turbulence quantities)을 계산하였다.
유입부 경계조건으로는 유량을 설정하였고, 사전모의(preliminary simulation)를 통해서 구한 하류단에서의 단면평균유속을 이용하여 하류단 수위를 설정하였다. 이 연구에서는 계산영역 전체에서 흐름이 완전 발달할 때까지 12분동안 모의를 수행하여 통계학적으로 흐름이 평형상태에 도달한 후, 5분간 수치모의를 수행하여 구한 수치해를 이용하여 시간평균(time- averaged) 유속장(flow fields)과 난류량(turbulence quantities)을 계산하였다.
잠긴수제 설치에 따른 이차류의 변화를 보기 위해서 만곡 시점(0°)와 만곡종점(90°) 단면에서의 시간평균 흐름방향 유속분포와 이차류 유속벡터의 분포를 Fig. 5에서 비교하였다.
7×10⁶개이다. 잠긴수제 흐름의 경우 총 30개의 수제에서 발생하는 흐름분리와 전단층(shear layers)의 발달 그리고 수제 전면에서의 말발굽와(horseshoe vortices)와 구조물 뒷면에서의 후류(wakes)의 발생을 정확하게 재현하기 위해서 잠긴 수제 주변으로 구조물 벽면으로부터의 흐름분리로 인한 와생성(vortex shedding)과 와구조(vortical structures)를 LES 모드에서 해석할 수 있는 고해상도(high resolution) 수치격자를 구성하였다.
DES 수치모의 결과를 기존 실험값과 비교하여 모형의 적용성을 평가한다. 잠긴수제의 설치에 따른 이차류 거동 변화 그리고 만곡 외측을 따라 바닥 및 수면부근에서 발생하는 유속 분포의 변화에 대한 상세한 3차원 수치해석 결과를 제시하고, 하상 안정화를 위한 잠긴수제의 성능을 분석한다.
하이브리드 RANS/LES 기법과 자유수면 해석을 위한 VoF기법을 이용한 3차원 수치모의를 통해서 90° 만곡수로에 설치된 잠긴수제가 이차류의 발달에 미치는 영향을 Fr가 0.43 인 조건에서 분석하였다.

대상 데이터

수치모의 대상 수로는 Park et al. (2019)이 실험을 수행한 총 길이 24 m 폭 1.45 m 높이 1 m의 90°만곡수로이며, 모의대상 흐름의 유량 Q는 163.8 L/s이고, 평균하상경사는 1/300, 단면평균유속 Um = 0.59 m/s과 평균수심 H = 0.191에 근거한 레이놀즈수 Re는 약 109,400다.
실험에서 사용한 하상재료의 평균입경은 3.3 mm이며, 수치모의에서 하상조도의 영향은 바닥에서의 계산된 마찰유속과 평균조고(roughness height)에 근거해서 바닥에서의 난류점성을 조정하는 벽함수 경계조건을 적용하여 고려하였다. 유입부 경계조건으로는 유량을 설정하였고, 사전모의(preliminary simulation)를 통해서 구한 하류단에서의 단면평균유속을 이용하여 하류단 수위를 설정하였다.

이론/모형

하이브리드 RANS/LES기법은 벽에서 떨어진 영역에서는 LES 모드로 난류 흐름을 해석하고 경계층의 아래 부분에 해당하는 벽근처 영역에서는 LRN (low Reynolds number)-난류모형인 k-w SST (shear stress transport) 모형(Menter, 1994)에 근거해서 RANS 기법으로 해석하는 것이다. IDDES 모형은 다소 복잡한 조합(blending) 및 차폐(shielding) 함수들을 이용하여 DDES (delayed detached eddy simulation) 모드와 WMLES (wall-modeled LES) 모드를 이용하여 계산을 수행한다. 여기서 DDES 기법은 k-wSST 모형에 근거를 둔 DES (detached eddy simulation) 모형 (Strelets, 2001)을 Spalart et al.
운동량방정식의 이송항은 수치분산(numerical diffusion)을 최소화하기 위해서 중앙차분(central differencing)과 2차 정확도 상향차분(second-order upwind differencing)을 기법을 혼합한 LUST (Linear Upwind Stabilised Transport)기법으로 이산화하였다. VoF 지배방정식의 이송항에 대해서는 van Leer 제한자(limiter)를 이용한 TVD 기법을 적용하였다. 나머지 모든 도함수는 중앙차분기법을 이용하여 이산화하였다.
VoF 지배방정식의 이송항에 대해서는 van Leer 제한자(limiter)를 이용한 TVD 기법을 적용하였다. 나머지 모든 도함수는 중앙차분기법을 이용하여 이산화하였다. 모든 벽면에 대해서는 비활(no-slip) 경계조건을 설정하였다.
난류흐름 해석을 위해서 이 연구에서는 하이브리드 RANS/LES 모형의 일종으로 높은 레이놀즈수 흐름에 대해서 공학적으로 유연하고 합리적으로 해석을 수행할 수 있는 IDDES(improved delayed detached eddy simulation) (Shur et al., 2008)를 적용한다. 하이브리드 RANS/LES기법은 벽에서 떨어진 영역에서는 LES 모드로 난류 흐름을 해석하고 경계층의 아래 부분에 해당하는 벽근처 영역에서는 LRN (low Reynolds number)-난류모형인 k-w SST (shear stress transport) 모형(Menter, 1994)에 근거해서 RANS 기법으로 해석하는 것이다.
물-공기 유체의 경계면은 2상 VoF (two-phase volume of fluid)기법으로 추적하였다. 자유수면의 위치는 인공표면 압축항을 포함하는 이송방정식을 해석하여 구한 부피분할 (volume fraction) α값으로 결정된다.
수리실험(Park et al., 2019)에서는 설치된 잠긴수제 주변 단면에서의 유속분포를 계측하기 위해 초음파 유속계(모델:16 MHz MicroADV)를 이용하였다. 유속 분포는 상류단으로부터 9.
수치모의는 오픈소스 CFD (computational fluid dynamics) 소프트웨어인 OpenFOAM 툴박스(OpenFOAM, 2018)에서 ‘interFoam’을 이용하여 수행하였다.
43 인 조건에서 분석하였다. 수치모의를 위해 OpenFOAM 오픈 소스 툴박스를 이용하였다. 잠긴수제가 설치된 경우의 수치 모의 결과를 흐름방향 유속 분포와 횡방향 순환 유속벡터장을 중심으로 수리실험 관측값들과 비교할 때 수치모의 결과는 수리실험에서 관측된 주요 이차류 흐름 거동과 현상들을 대부분 우수한 정확도로 잘 재현하는 것으로 나타났다.
IDDES 모형은 다소 복잡한 조합(blending) 및 차폐(shielding) 함수들을 이용하여 DDES (delayed detached eddy simulation) 모드와 WMLES (wall-modeled LES) 모드를 이용하여 계산을 수행한다. 여기서 DDES 기법은 k-wSST 모형에 근거를 둔 DES (detached eddy simulation) 모형 (Strelets, 2001)을 Spalart et al. (2006)가 개발한 일명 차폐함 수를 이용하여 재구성한 것이다. WMLES 모형은 벽으로 둘러싸인 흐름에 대한 전통적인 LES 모형의 강한 레이놀즈수 종속성(dependency)을 줄이기 위해서 개발된 모형이다.
지배방정식에서 모든 시간항은 2차 정확도의 후방차분(backward difference)기법을 사용하여 계산하였다. 운동량방정식의 이송항은 수치분산(numerical diffusion)을 최소화하기 위해서 중앙차분(central differencing)과 2차 정확도 상향차분(second-order upwind differencing)을 기법을 혼합한 LUST (Linear Upwind Stabilised Transport)기법으로 이산화하였다. VoF 지배방정식의 이송항에 대해서는 van Leer 제한자(limiter)를 이용한 TVD 기법을 적용하였다.
수치모의는 오픈소스 CFD (computational fluid dynamics) 소프트웨어인 OpenFOAM 툴박스(OpenFOAM, 2018)에서 ‘interFoam’을 이용하여 수행하였다. 지배방정식에서 모든 시간항은 2차 정확도의 후방차분(backward difference)기법을 사용하여 계산하였다. 운동량방정식의 이송항은 수치분산(numerical diffusion)을 최소화하기 위해서 중앙차분(central differencing)과 2차 정확도 상향차분(second-order upwind differencing)을 기법을 혼합한 LUST (Linear Upwind Stabilised Transport)기법으로 이산화하였다.
흐름에 대한 지배방정식은 비정상, 비압축성 레이놀즈-평균 나비어-스톡스(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS) 방정식이다. 연속방정식과 운동량방정식은 다음과 같이 표현된다.

성능/효과

수로 중앙지점에서의 횡방향 유속분포는 잠긴수제 설치에 민감하지 않은 것으로 나타났다. 결론적으로 보면, 잠긴수제는 만곡부 외측에서 발생하는 이차류에 기인한 바닥 부근에서의 큰 횡방향 유속을 극적으로 감소시키는 것으로 나타났다.
14U_m 정도 증가하면서 이차류가 강화되는 것으로 나타났다. 관심을 갖는 만곡외측에서의 횡방향 유속은 수제설치로 인해서 바닥부근에서 횡방향 유속의 거의 발생하지 않으며, 중앙 수심 이상의 횡방향 유속은 방향이 반대로 변하는 것으로 나타났다. 수로 중앙지점에서의 횡방향 유속분포는 잠긴수제 설치에 민감하지 않은 것으로 나타났다.
첫번째 단면에서 수로 중앙에서 만곡 외측 부분에 시계방향으로 회전 하는 이차 순환류(secondary circulation flow)가 실험에서 관측되었으며, 수치모의도 유사한 형태의 순환류를 잘 재현하고 있다. 두번째 단면에서 실험값은 순환류의 중심이 수로 중앙쪽으로 이동한 반면에서 수치모의 결과는 수로 우안쪽에 머물러 있는 것으로 나타났다. 한편, 만곡외측 하상 근처에서 발생하는 상대적으로 작은 규모의 이차류에 대해서는 수치모의 결과가 실험값과 양호하게 일치하고 있다.
만곡부 외측 제방 부근을 따라 계산된 유속분포를 보면 15° 단면 이하부터 수면 부근 유속이 잠긴수제 설치로 인해 일관되게 증가하는 반면에 바닥 부근에서의 유속은 감소하는 것으로 나타났다.
만곡부 종점에서의 횡방향 유속분포를 보면 만곡 내측의 경우 잠긴수제 설치로 인해 횡방향 유속이 약 0.14U_m 정도 증가하면서 이차류가 강화되는 것으로 나타났다. 관심을 갖는 만곡외측에서의 횡방향 유속은 수제설치로 인해서 바닥부근에서 횡방향 유속의 거의 발생하지 않으며, 중앙 수심 이상의 횡방향 유속은 방향이 반대로 변하는 것으로 나타났다.
만곡시점(0°) 단면에서보면, 내측 제방부 근에서 바닥부근 유속은 변화가 없는 반면에 수면부근에서는 수제설치로 인해 최대 횡방향 유속지점이 약 0.13h 만큼 바닥부근으로 이동하며 최대 유속의 크기는 약 0.07Um 감소하는 것으로 나타났다.
4와 같다. 수로 바닥 부근 수평면(z = 0.7 m)에서 보면 잠긴수제 설치 이전에 비해 설치 후의 유속 크기가 수제를 중심으로 전반적으로 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 만곡외측 바닥 부근에 서의 유속 저감은 유사 이송의 감소(세굴 감소)를 유도한다고 볼 수 있다.
43으로 만곡부에서 발생한 편수위와 수면변동은 무시할 수 없으므로, 수치모의에서는 자유수면의 영향을 직접 고려해야 한다. 실험에서 고려한 직육면체 수제의 폭과 길이는 각각 42 mm와 84 mm이고, 설치된 수제의 높이는 평균하상고로부터 평균 28 mm이다. 수제는 만곡 외측을 따라서 2열로 15쌍(총 30개)가 설치되었으며, 이들 중 2쌍은 만곡부 상류 그리고 3쌍은 만곡부 하류 직선 구간에 설치하였다.
수치모의에서는 자유수면의 영향을 직접 고려하지 않는 경우 이러한 유속분포를 재현하기 어렵다. 이 연구에서는 Fr = 0.43 조건에서 VoF 기법을 이용하여 자유수면 영향을 고려하였으며, 그 결과 최대 유속이 수면 아래에서 발생하는 개수로 흐름 현상을 잘 예측하고 있음을 Fig. 2에서 볼 수 있다.
마지막 단면에 서는 수로 중앙 우측의 큰 규모 이차류와 만곡외측 하상 부근의 소규모 이차류 모두 유사한 규모로 수치모의 결과가 실험값과 일치함을 볼 수 있다. 이러한 결과는 수치모의가 실험에서 계측된 이차류의 발달 특성을 양호하게 예측하고 있음을 보여 준다.
잠긴수제 설치 전·후의 경우에 대한 수치모의 결과를 비교 해보면, 잠긴수제 설치로 인해서 만곡외측 하상부근에서의 흐름방향 유속은 약 0.2~0.3Um 정도 현저하게 감소하는 반면에 수제 상단부에서의 전단층 발달에 따른 흐름가속으로 자유 수면 부근까지 흐름방향 유속이 최대 0.2Um 증가하는 것으로 나타났다.
잠긴수제 설치에 따라 만곡부 시점부근에서는 내측과 외측 제방부근에서 발생하는 이차류 강도가 모두 감소하는 것으로 나타났다. 하류로 이동할수록 만곡내측에서는 바닥부근 에서 이차류 유속 크기가 증가하는 반면에서 만곡외측 하상부 근에서는 횡방향 유속이 약 0.
2U_m 증가하는 것으로 나타났다. 잠긴수제 설치에 따라 중간수심 부근부터 자유수 면까지 물이 만곡부를 통과하면서 유속이 증가하고, 만곡부 종점 직하류의 만곡외측 제방 부근에 위치한 수충부에서는 수면 부근 유속이 약 20% 증가하는 것으로 나타났다.
78 m) 수평면에서 계산된 결과를 보면 수제 상단에서의 전단층 발달에 따른 흐름 가속으로 수제설치 전에 비해서 유속이 증가함을 볼 수 있다. 잠긴수제 설치에 따른 이러한 흐름 변화는 자유수면에 근접할수록 현저하게 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 잠긴수제 설치에 따라 만곡외측 바닥 부근에서의 유속은 45°지점에서 약 0.
전반적으로 수치모의된 유속분포의 형태는 실험값과 양호하게 일치하고 있다. 잠긴수제 직하류 두 단면(좌안기준 4.5 m와 4.6 m 하류 단면)에서 보면 수제 하류에서 후류(wake)의 영향으로 작은 흐름 방향 유속 분포가 발생하고 최대유속은 여전히 잠긴수제 상단 윗부분과 자유수면 사이의 만곡외측에서 발생하는 것으로 나타났다. 이들 단면에서도 수치모의는 수리실험 결과를 양호하게 재현하는 것을 확인할 수 있다.
수치모의를 위해 OpenFOAM 오픈 소스 툴박스를 이용하였다. 잠긴수제가 설치된 경우의 수치 모의 결과를 흐름방향 유속 분포와 횡방향 순환 유속벡터장을 중심으로 수리실험 관측값들과 비교할 때 수치모의 결과는 수리실험에서 관측된 주요 이차류 흐름 거동과 현상들을 대부분 우수한 정확도로 잘 재현하는 것으로 나타났다. 수치모의로 재현된 현상들은 만곡 외측 제방 근처를 따라서 설치된 잠긴수제로 인하여 만곡 외측 하상부근에서의 현저한 유속 저하, 수제 상단 위와 자유수면 사이에서 최대 유속의 발생 그리고 수로 중앙과 외측 제방 사이에서 발생하는 큰 규모의 이차 순환류와 외측 제방 근처 바닥 부근에서 발생하는 상대적으로 작은 규모의 이차류의 발생 등을 포함한다.
잠긴수제를 통과하는 단면(만곡시점에서 좌안거리 4.4 m, 우안거리 6.41 m 하류에 위치한 단면)에서의 유속 분포를 보면 수제 주변에서는 작은 유속이 관측된 반면에 최대유속은 잠긴수제의 상단과 자유수면 사이에서 발생하는 것으로 나타났다. 수치모의 결과는 실험에서 관측된 이러한 유속분포와 잘 일치함을 볼 수 있다.
즉, 잠긴수제 설치에 따라 만곡외측 바닥 부근에서의 유속은 45°지점에서 약 0.18Um 그리고 만곡이 끝난 지점에서는 약 0.34Um 정도 감소하는 반면에서 수면 부근으로 갈수록 만곡외측 벽면을 따라서 증가하며 만곡이 끝나는 지점에서는 최대 약 0.2Um 유속이 증가하는 것으로 나타났다.
잠긴수제 설치에 따라 만곡부 시점부근에서는 내측과 외측 제방부근에서 발생하는 이차류 강도가 모두 감소하는 것으로 나타났다. 하류로 이동할수록 만곡내측에서는 바닥부근 에서 이차류 유속 크기가 증가하는 반면에서 만곡외측 하상부 근에서는 횡방향 유속이 약 0.22U_m 정도 감소하면서 이차류 강도가 현저하게 약화되는 것으로 나타났다. 이러한 만곡외측 바닥 부근에서의 이차류 약화는 수면 부근의 큰 흐름 운동량을 바닥부근으로 보내는 힘의 약화를 의미하여 이로 인해 바닥부근에서의 유속 크기가 감소하여 세굴 저감에 도움이 될 것으로 판단된다.
만곡 내측과 외측 제방 부근에 유사한 규모의 이차류가 발생하며, 수로 중앙부근에서의 최대 유속은 수면부근에서 발생한다는 것이다. 하지만, 잠긴수제 설치에 따라 양 측벽 부근에서 발생하는 이차류는 현저하게 감소하며, 수로 중앙 부근에서 최대유속 지점은 수로 바닥부근으로 접근하는 것으로 나타났다.
유선형으로 변화시키고 설치 배열을 조정하는 등 추가 연구가 필요하다고 판단된다. 한편, 잠긴 수제 설치 후 만곡 외측 바닥 부근으로부터 만곡 내측으로 이동하는 유선상의 유속 크기를 보면 수제 설치 전보다 약 0.5 U_m정도 증가함을 볼 수 있다. 이러한 유속 분포는 Fig.
아울러 전반적인 유선의 분포가 다소 단순한 것으로 나타났다. 확대된 전체 계산영역에서의 유속분포를 보면 대부분의 물 입자들은 만곡부를 통과하면서 주 이차류 때문에 거의 한 바뀌 정도 횡방향으로 회전하는 것으로 나타났다. 한편, 수제 설치로 인해서 수제 전후에서는 유속이 감소하고 나선형의 유선 형태들이 다수 발생함을 볼 수 있다.
만곡종점에서의 계산결과를 보면, 잠긴수제가 없을 때 만곡 외측을 중심으로 시계방향으로 회전하는 강한 이차류가 발생하며, 이로 인해 수면 부근의 큰 흐름운동량이 바닥 부근으로 이동하여 세굴 현상을 증가시킴을 알 수 있다. 흥미롭게도 잠긴수제 설치에 따라 이차류는 크기가 감소하고 만곡외측 바닥 부근의 유속은 현저히 감소하는 반면에 최대 유속 지점이 수면부근으로 이동하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 Figs.

후속연구

이러한 결과는 Figs. 2, 3 and 4에서 보인 결과와 일치하며, 잠긴수제가 만곡 외측 하상부근에서의 이차류와 흐름방향 유속을 감소시킴으로써 세굴 저감에 효과가 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 국부세굴로 인해서 수제 주변에서는 수제 설치 전보다 하상이 부분적으로 낮아질 수 있으며, 이것은 수제 구조물 자체의 안정에도 바람직하지 않다. 따라서 국부세굴을 최소화할 수 있도록 수제의 형상 및 배열을 조정하는 추가 연구가 필요하다고 판단된다.
따라서 국부세굴을 줄이기 위해서는 수제의 형상을. 유선형으로 변화시키고 설치 배열을 조정하는 등 추가 연구가 필요하다고 판단된다. 한편, 잠긴 수제 설치 후 만곡 외측 바닥 부근으로부터 만곡 내측으로 이동하는 유선상의 유속 크기를 보면 수제 설치 전보다 약 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠긴수제란 무엇인가?	, 1997). 잠긴수제(submerged vanes)는 만곡부 하상 근처의 흐름 형태를 수정하여 수로단면내에서 흐름과 유사 이송을 재분배시키기 위해서 설계된 작은 수공구조물이다(Odgaard and Kennedy, 1983; Odgaard and Mosconi, 1987). 만곡부에 설치한 잠긴수제는 바닥 전단응력의 크기와 방향을 바꾸어 유속과 수심의 분포를 변화시킴으로써 만곡 외측의 침식과 내측에서의 퇴적 현상을 완화시키는 것으로 확인되었다(Odgaard and Wang, 1991a; 1991b).
	만곡부에 설치된 잠긴수제는 어떤 현상을 가져오는가?	잠긴수제(submerged vanes)는 만곡부 하상 근처의 흐름 형태를 수정하여 수로단면내에서 흐름과 유사 이송을 재분배시키기 위해서 설계된 작은 수공구조물이다(Odgaard and Kennedy, 1983; Odgaard and Mosconi, 1987). 만곡부에 설치한 잠긴수제는 바닥 전단응력의 크기와 방향을 바꾸어 유속과 수심의 분포를 변화시킴으로써 만곡 외측의 침식과 내측에서의 퇴적 현상을 완화시키는 것으로 확인되었다(Odgaard and Wang, 1991a; 1991b). Marelius and Sinha (1998)은 직선수로 에서도 받음각(angle of attack)이 큰 수제가 이차류를 변화시키고 횡방향으로 유사를 재분배 시키는 흐름 거동을 실험에서 관측하였다.
	이차류가 만곡부 외측에서의 유사 이동은 어떤 영향을 주는가?	만곡 개수로 흐름에서는 원심력과 난류 비등방성(turbulence anisotropy)으로 인한 유체 입자의 나선형 운동(spiral motion) 이 특징인 이차류(secondary flow, also called spiral flow, helical flow of cross-stream circulation)가 지배적으로 작용 하여 만곡부 외측에서에서의 유사 이동이 현저하다. 이로 인해 만곡부 외측에 침식 현상이 현저하게 되어 외측제방(outer bank)과 이 부근에 설치된 하천구조물의 안정에 영향을 줄 수 있다. Thompson (1876)이 만곡수로에서 이차류로 인한 문제점들을 제기한 이래로 많은 이차류에 대한 실험 연구가 활발히 이뤄졌다(Rozovskii, 1957; Blanckaert and de Vriend, 2004; Blanckaert, 2009).

참고문헌 (30)

Abad, J. D., Erias, C. E., Buscaglia, G. C., and Garcia, M. H. (2013). "Modulation of the flow structure by progressive bedforms in the Kinoshita meandering channel." Earth Surface Processes and Lansforms, Vol. 38, No. 13, pp. 1612-1622.
Barani, G. A., and Sardo, M. S. (2013). "Experimental investigation of submerged vanes' shape effects on river-bend stability." Journal of Hydraulic Structures, Vol. 1, No. 1, pp. 37-43.
Biedenharn, D. S., Elliot, C. M., and Watson, C. C. (1997). The WES stream investigation and streambank stabilization handbook. U.S. Army Corps of Engineers, Vicksburg, Miss.
Blanckaert, K. (2009). "Saturation of curvature-induced secondary flow, energy losses, and turbulence in sharp open-channel bends: Laboratory experiments, analysis, and modeling." Journal of Geophysical Research, Vol. 114, No. F3, p. F03015.
Blanckaert, K., and de Vriend, H. J. (2004). "Secondary flow in sharp open-channel bends." Journal of Fluid Mechanics, Vol. 498, pp. 353-380.

상세보기
Constantinescu, G., Koken, M., and Zeng, J. (2011). "The structure of turbulent flow in an open channel bend of strong curvature with deformed bed: Insight provided by detached eddy simulation." Water Resources Research, Vol. 47, No. 5, p. W05515.

상세보기
Deshpande, S. S., Anumolu, L., and Trujillo, M. (2012). "Evaluating the performance of the two-phase flow solver interFoam." Computational Science and Discovery, Vol. 5, No. 1, p. 014016.

상세보기
Flockstra, C. (2006). "Modelling of submerged vanes." Journal of Hydraulic Research, Vol. 44, No. 5, pp. 591-602.

상세보기
Gritskevich, M. S., Garbaruk, A. V., Schutze, J., and Menter F. R. (2012). "Development of DDES and IDDES formulations for the k- ${\omega}$ shear stress transport model." Flow Turbulence and Combustion, Vol. 88, No. 3, pp. 431-449.

상세보기
Jia, Y., Scott, S., Xu, Y. C., Huang, S. L., and Wang, S. S. Y. (2005). "Three-dimensional numerical simulation and analysis of flows around a submerged weir in a channel bendway." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 131. No. 8, pp. 682-693.

상세보기
Kim, S. J., Kang, J. G., and Yeo, H. K. (2014). "An experimental study on flow characteristics for optimal spacing suggestion of $45^{\circ}$ upward groynes." Journal of Korea Water Resources Research, Vo. 47, No. 5, pp. 459-468.
Koken, M., and Constantinescu, G. (2014). "Flow and turbulence structure around abutments with sloped sidewalls." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 140, No. 7, p. 04014031.

상세보기
Lee, D. H., Kim, S. J., and Kang, S. (2015). "An experimental study on the effect of a hydraulic structure on the three-dimensional flow in a meandering channel." Journal of Korea Water Resources Research, Vol. 48, No. 8, pp. 635-645.
Lee, J., Jeon, J., Kim, Y., and Kang, S. (2018). "Flume experiments for studying the effects of submergence on three-dimensional flow structure around a spur dike." Journal of Korea Water Resources Research, Vo. 51, No. 2, pp. 109-120.
Marelius, F., and Sinha, S. (1998). "Experimental investigation of flow past submerged vanes." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 124, No. 5, pp. 542-545.

상세보기
Menter, F. R. (1994). "Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications." AIAA Journal, Vol. 32, No. 8. pp. 1598-1605.

상세보기
Odgaard, A. J., and Kennedy, J. F. (1983). "River-bend bank protection by submerged vanes." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 109, No. 8, pp. 1161-1173.

상세보기
Odgaard, A. J., and Mosconi, C. E. (1987). "Streambank protection by submerged vanes." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 113, No. 4, pp. 520-536.

상세보기
Odgaard, A. J., and Wang, Y. (1991a). "Sediment management with submerged vanes. I: Theory." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 117, No. 3, pp. 267-283.

상세보기
Odgaard, A. J., and Wang, Y. (1991b). "Sediment management with submerged vanes. II: Applications." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 117, No. 3, pp. 284-302.

상세보기
OpenFOAM (2018). OpenFOAM - The open source CFD toolbox 1812 User's Guide.
Paik, J., Escauriaza, C., and Sotiropoulos, F. (2010). "Coherent structure dynamics in turbulent flows past in-stream structures: Some insights gained via numerical simulation." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 136, No. 12, pp. 981-993.

상세보기
Paik, J., Lee, N.-J., and Yoon, Y. H. (2017). "Numerical modeling of wave-type turbulent flow on a stepped weir." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 37, No. 3, pp. 575-583.
Park, S. D., Paik, J., Jeon, W. S., and Lee, H. J. (2019). "Super elevation and bed variation due to attack angle of submerged vanes in curved channel." Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol. 39, No. 2, pp. 297-306.
Quyang, H.-T., Lai, J.-S., Yu, H., and Lu, C.-H. (2008). "Interaction between submerged vanes for sediment management." Journal of Hydraulic Research, Vol. 46, No. 5, pp. 620-727.

상세보기
Rozovskii, I. L. (1957). Flow and water in bends of open channels. Academy of Sciences of the Ukrainian SSr, Isr. Progr. Sc. Transl., Jerusalem, Israel.
Shur, M. L., Spalart, P. R., Stretlets, M. Kh., and Travin, A. K. (2008). "A hybrid RANS-LES approach with delatyed-DES and wall-modelled LES capabilities." International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 29, No. 6, pp. 1638-1649.

상세보기
Sinha, S. K., and Marelius, F. (2000). "Analysis of flow past submerged vanes." Journal of Hydraulic Research, Vol. 38, No. 1, pp. 65-71.

상세보기
Thomson, W. (1876). "On the origin of windings of rivers in alluvial plains, with remarks on the flow of water round bends in pipes." Proceedings of Royal Society London, Vol. 25, pp. 5-8.
Voisin, A., and Townsend, R. D. (2002). "Model testing of submerged vane in strongly curved narrow channel bends." Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 29, No. 1, pp. 37-49.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증