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문제 정의
- 본 연구에서는 수리실험을 통해 단일 돌출수제의 길이 및 투과율 변화에 따른 수제역 및 수제 주변의 흐름장을 측정하고, 흐름 중심선과 흐름분리 영역의 특성을 파악하였다.
제안 방법
- 그림에서 보는 바와 같이 수제로 인해 수로중앙부로 유입되는 강한 흐름은 흐름중심선에 영향을 미치는 것을 알 수 있으며, 수제 하류부에서는 흐름분리로 인해 재순환 영역이 발생하는 것을 알 수 있다. 본 실험에서는 각 실험에 대해 흐름중심선의 변화와 흐름분리영역의 크기를 파악하기 위해 흐름장 측정결과로부터, 수제 설치벽으로부터 최대 흐름중심선 거리 TCL과 흐름분리역의 폭 Sh를 측정하고 이를 각각 흐름조건, 수제길이, 투과율에 따라 분석하였다.
- 본 연구에서는 수제설치에 따른 수제역 및 본류역의 흐름특성을 파악하기 위해 LSPIV 기법을 이용하여 흐름장을 측정하고, 측정결과로부터 흐름조건, 수제길이 및 투과율과 같은 수제특성에 따른 흐름중앙선과 흐름 영역의 크기 변화를 분석하였다. 실험 및 분석결과에 의한 결론은 다음과 같다.
- 수리 실험은 수심이 0.15 m의 동일한 조건하에서 0.25 m/s, 0.30 m/s, 0.40 m/s의 유속조건으로 수행하였다. 유입부 유속은 ADV를 이용하여 유속을 측정하였으며, 전체적인 흐름특성을 파악할 수 있는 표층유속은 그림 2에서 보는 바와 같이 시간차를 두고 촬영된 영상을 통해 입자 변위로 하여금 각 입자들의 유속을 측정 대상역 전체의 순간 유속장으로 획득할 수 있는 LSPIV기법을 이용하여 측정하였다.
- 수제설치에 따른 흐름중심선과 흐름분리영역의 특성을 파악하기 위해 LSPIV 유속장 측정결과로부터 흐름 중심선의 수제설치벽으로부터 거리(TCL)과 흐름분리영역 폭(Sh)을 흐름조건, 수제길이, 투과율에 따라 분석하였다. 그림 11과 그림 12에서 보는 바와 같이 흐름중심선의 변화는 Fr수에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 Ettema와 Muste(2005)의 실험결과와도 일치한다.
- 유입부 유속의 측정은 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter, Nortek AS)를 사용하였으며 샘플링 회수는 25Hz이다. 수제역 및 수제 주변의 흐름장을 측정하기 위해서는 전체 흐름장을 동시에 측정할 수 있는 기법이 필요한데, 본 연구에서는 LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 적용하여 흐름장을 측정 하였다.
이론/모형
- LSPIV 기법을 이용한 각 실험조건에 대해 수제역과 수제주변 흐름에 대한 유속장을 측정하였으며, 측정결과는 그림 4와 그림 5 에서 보는 바와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 수제 설치로 인해 선단부에서 흐름분리가 발생하는데, 수제 선단부에서 일정각을 이루면서 강한 흐름이 본류역(수로 중앙)으로 유입되고 수제 하류부에서 분리된 흐름이 맥동류를 형성하며 하류로 흘러간다.
- 유입부 유속은 ADV를 이용하여 유속을 측정하였으며, 전체적인 흐름특성을 파악할 수 있는 표층유속은 그림 2에서 보는 바와 같이 시간차를 두고 촬영된 영상을 통해 입자 변위로 하여금 각 입자들의 유속을 측정 대상역 전체의 순간 유속장으로 획득할 수 있는 LSPIV기법을 이용하여 측정하였다. LSPIV기법에서 획득한 영상은 CACTUS 3.1을 이용하여 유속장으로 변환하였다. 그림 3은 LSPIV를 이용하여 수제 주변 흐름장을 측정하기 위해 투과 수제에 대해 추적입자를 투여하고 이를 촬영한 영상을 추출한 것이다.
- 수제역 및 수제 주변의 흐름장을 측정하기 위해서는 전체 흐름장을 동시에 측정할 수 있는 기법이 필요한데, 본 연구에서는 LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 적용하여 흐름장을 측정 하였다. 흐름장 촬영을 위한 영상장비로 Digital Video Camera(DCR-PC350, Sony Co.
- 40 m/s의 유속조건으로 수행하였다. 유입부 유속은 ADV를 이용하여 유속을 측정하였으며, 전체적인 흐름특성을 파악할 수 있는 표층유속은 그림 2에서 보는 바와 같이 시간차를 두고 촬영된 영상을 통해 입자 변위로 하여금 각 입자들의 유속을 측정 대상역 전체의 순간 유속장으로 획득할 수 있는 LSPIV기법을 이용하여 측정하였다. LSPIV기법에서 획득한 영상은 CACTUS 3.
- 수제역 및 수제 주변의 흐름장을 측정하기 위해서는 전체 흐름장을 동시에 측정할 수 있는 기법이 필요한데, 본 연구에서는 LSPIV(Large Scale Particle Image Velocimetry)기법을 적용하여 흐름장을 측정 하였다. 흐름장 촬영을 위한 영상장비로 Digital Video Camera(DCR-PC350, Sony Co.)를 사용하였으며, 부유입자는 튀밥(popped rice), 분석도구로는 CACTUS 3.1(IIT Co.)을 이용하였다.
성능/효과
- 1. 수제를 설치함에 따라 수제 선단부의 흐름분리로 인해 수로중앙부의 흐름중앙선이 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이러한 흐름중앙선의 변화는 Fr수에 근 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 2. 수제길이가 증가함에 따라 수제설치벽으로부터 흐름중심선의 길이가 증가하는 것으로 나타났으며, 투과율이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다.
- 3. 수제설치에 의한 재순환영역의 흐름분리폭의 변화는 Fr 수에는 근 영향을 받지 않으며, 수제길이 및 투과율에 따른 흐름중앙선의 변화 경향과 유사한 것으로 나타났다.
- 75를 측정되었다. 또한 불투과수제에 비해 투과율이 증가함에 따라 TCL은 감소하는 것으로 나타났다. 흐름분리영역 폭(S)은 그림 13과 그림 14에서 보는 바와 같이 흐름중심선의 변화 경향과 유사한 것으로 나타났다.
- 그림 11과 그림 12에서 보는 바와 같이 흐름중심선의 변화는 Fr수에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 Ettema와 Muste(2005)의 실험결과와도 일치한다. 수제 길이가 증가함에 따라 TCL는 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 흐름중심선이 수제 선단부의 흐름분리의 영향으로 발생하기 때문인 것으로 판단된다. 수제길이비(l/B)가 0.
후속연구
- 현재 수제역 흐름과 수제설치 수로부의 연구는 계속 수행 중에 있으므로 정성적인 결과만 제시하였고 향후 실험결과를 보완하여 정량적 해석을 수행할 것이다.
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