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사행수로에서 2차류 특성에 관한 실험적 연구
Experimental study on Characteristics of Secondary Flow in Meandering Channels 원문보기

한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집, 2005 May 01, 2005년, pp.976 - 980  

서일원 (서울대학교 지구환경시스템공학부) ,  이규환 (서울대학교 지구환경시스템공학부) ,  백경오 (한국건설기술연구원 수자원부)

초록
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자연하천과 같은 사행수로에서 발생하는 이차류는 흐름 분포를 왜곡시킴으로써, 유사이동, 하상과 제방침식, 하천의 지형변형 등에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 이차류는 주 흐름방향에 수직으로 발생하기 때문에 자연하천에 유입된 오염물의 횡방향 혼합에도 지대한 역할을 한다. 따라서, 본 연구에서는 사행수로에서 이차류의 특성을 정량적으로 분석하고자 중심각$120^{\circ}$인 두 개의 만곡부로 이루어진 사행수로에서 실험을 수행하였다. 실험수로는 직사각형 단면과 자연형 단면 두 가지 형태로 제작하였으며, 자연형 단면 하상은 베타함수를 이용하여 제작하였다. 이차류의 정확한 측정을 위해 3차원 유속측정 장치인 micro-ADV를 이용하였다. 실험조건으로는 직사각형 단면과 자연형 단면에서 평균수심과 유량을 달리하여 실험을 총 12회 수행하였다. 실험결과, 직사각형 단면수로에서의 주 흐름의 최대유속선은 수로의 가장 짧은 경로를 따라 발생하였는데, 이는 Shiono와 Muto (1998)의 결과와 일치한다. 자연형 단면 수로에서의 주 흐름은 직사각형 단면 수로에서의 주 흐름 거동과 비슷한 양상을 보였다. 이것은 실제 자연하천 만곡부에서의 주흐름 거동(최대유속선이 최심선을 따라 발생)과는 상이한 결과였다. 그 첫째 원인은 실험수로의 조도가 일반적인 실제하천의 조도를 상사법칙에 맞게 계산한 값보다 작았기 때문이다. 그리고 두 번째 원인은 실험수로의 하폭대 수심비율은 실제하천의 하폭대 수심비율보다 컸기 때문인 것으로 사료된다. 이차류의 정량적인 분석을 위해 각 측정지점별로 횡방향, 수심방향 유속을 그려본 결과, 직사각형 단면에서는 하나의 셀이 존재하는 반면에 자연형 단면에서는 셀이 두개 존재함을 알 수 있었다. 이는 자연하천에서도 발견되는 현상이다. 실제 자연하천에서는 주 셀이 바깥제방 셀보다 큰 형태를 보이지만, 실험수의에서의 셀의 형태는 주 셀보다 바깥제방 셀이 더 크게 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 조도가 작음으로 인한 것으로 판단된다. 이차류 강도를 계산한 결과, 직사각형 단면 수로의 최대값은 두 번째 만곡 유입부지점(U2)에서 가장 크게 나타났으며. 자연형 단면 수로에서 최대값은 두 번째 만곡을 조금 지난 (U4)지점에서 가장 크게 나타났다. 자연형 단면에서는 하폭 대 수심비가 커질수록 이차류강도가 크게 나왔으나, 직사각형 단면에서는 반대로 나왔다. 그리고, 자연형 단면의 이차류 강도는 직사각형 단면보다 크게 나타났다. 특히, 직사각형 단면의 이차류강도는 첫 번째 만곡부분보다 두 번째 만곡부분이 더 크게 나타나는 현상만 보였지만, 자연형 단면의 이차류 강도는 앞서 언급한 특징 외에 만곡부에서 증가하고, 직선부에서 감소하는 주기적인 형태를 보였다.

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

문제 정의

  • 본 연구에서는 만곡부가 교호적으로 나타나는 사행하천의 흐름구조를 구명하기 위하여 두 개의 만곡부로 이루어진 곡선수로에서 실험을 수행하여 이차류의 흐름 특성을 분석하였다. 실험 결과 다음과 같은 사실을 발견하였다.
  • 본 연구에서는 이차류의 강도 산정에 새로운 방법을 제안하고자 한다. 제안식은 횡방향 이차류의 거동을 보다 잘 나타내기 하기 위해 이차류의 형성이 활발할수록 값이 크게 나타나도록 했다.
  • 곡선수로에서 발생하는 나선형 흐름이 Thomson(1876) 에 의해 최초로 발견된 이후, 이차류에 관한 연구는 활발하게 이루어져 왔으며, 많은 연구자들이 실험과 정량적인 분석을 통해 이차류강도를 제안하기도 하였다. 본 연구에서는 중심각이 120°인 두 개의 만곡부로 이루어진 곡선수로를 제작하여 다중 만곡부에서 이차류의 흐름 특성을 분석하고, 나아가서 직사각형 단면과 자연형 단면의 흐름 특성을 비교하고자 한다. 이차류강도 해석을 통하여 이차류의 구조 및 특성을 심도있게 분석하는 것이 본 연구의 목적이다.
  • 본 연구에서는 중심각이 120°인 두 개의 만곡부로 이루어진 곡선수로를 제작하여 다중 만곡부에서 이차류의 흐름 특성을 분석하고, 나아가서 직사각형 단면과 자연형 단면의 흐름 특성을 비교하고자 한다. 이차류강도 해석을 통하여 이차류의 구조 및 특성을 심도있게 분석하는 것이 본 연구의 목적이다.
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