[논문]계단형 낙차공 하류 흐름변화에 대한 실험연구

여홍구; 강준구; 최남정; 김성중

계단형 낙차공 하류 흐름변화에 대한 실험연구
Experimental Study on Flow Change at Downstream of Stepped Drop Structure 원문보기

여홍구 (한국건설기술연구원 하천.해안연구실) , 강준구 (한국건설기술연구원 하천.해안연구실) , 최남정 (한국건설기술연구원 하천.해안연구실) , 김성중 (한국건설기술연구원 하천.해안연구실)

본 연구에서는 완경사 계단형 낙차공에서 하류수심 변화에 따른 도수 형태의 변화와 WTF 흐름 특성에 대한 분석을 수행하였다. 일정한 유량에서 하류수위를 증가시키면 도수 형태가 달라지는데 특히 계단 끝단에서 완전도수, 잠김도수(B점프), downward curved jet, upward curved jet, wave type flow(WTF)가 차례로 나타났다. 잠김도수에서는 표면 롤러 현상이 관찰되었고 curved jet에서는 큰 유속 감세 없이 파가 하류까지 전달되었다. WTF에서는 사류흐름이 바닥 recirculation 구역의 영향으로 변형되면서 wave 형태의 도수를 발생시켰다. 하류수위를 점점 증가 시키면 도수의 발생 위치가 계단 위쪽으로 이동하며 잠김도수와 WTF가 번갈아가며 발생하였다. 하류수위가 높아질수록 도수의 규모는 작아졌으며 표면 롤러도 미약해지는 경향을 보였다. 세 가지 유량조건에 따른 WTF의 규모를 비교한 결과 유량이 증가할수록 WTF의 크기가 증가하였으며 무차원화한 WTF의 형상은 거의 비슷한 것으로 나타났다. 계단형 낙차공은 기존낙차공에서 발생하는 도수와 달리 WTF가 발생되므로 이에 대한 분석이 필요하다. WTF가 발생하는 구간의 수위는 하류수위보다 높아지기 때문에 하천 설계 시 하천 접합부의 조건(구수부지설치, 제방설치 등)에 따라 wave의 높이가 설계의 중요 인자로 고려되어야 할 것이다. WTF는 지금까지의 계단형 낙차공 설계 시 고려되지 못한 부분으로서 차후에 계단형 구조물 또는 계단식 변형 구조물 설계 시 주요 자료로 활용 될 것이다.

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문제 정의

본 연구에서는 완경사 계단형 낙차공에서 하류수심 변화에 따른 도수 형태의 변화와 WTF 흐름 특성에 대한 분석을 수행하였다.
본 연구에서는 하류 수위 변화에 따라 계단형 낙차공의 하류부에서 어떠한 흐름변화가 나타나는지에 대하여 연구하였으며, 특히 계단형 낙차공에서 관찰할 수 있는 WTF의 특성을 검토하였다.

제안 방법

유속 측정은 3차원 전자기 유속계(VM1001RS, KENEK)와 1차원 유속계(VO1000, KENEK)를 이용하였으며 수위는 수위측정계 (PH-355, KENEK)와 50 cm 자를 이용하였다. 계단형 낙차공에서의 흐름 및 도수 관측은 디지털 카메라를 이용하여 기록하였다. 완경사 계단형 낙차공 모형은 그림 2.
고정된 유량에서 하류수위를 증가시키면서 완전도수, 잠김도(B점프), downward curved jet, upward curved jet, WTF 가 차례로 관측하였다.
04m로 제작되었다. 유량은 0.019, 0.034, 0.049 m³/sec로 변화시켰고, 하류 수위는 0.149 m에서 0.323 m로 변화시켜 총 14가지 조건으로 실험을 수행하였다.
유량이 0.034 m³/sec일 때 완경사 계단형 낙차공 하류에서 완전 도수를 발생시키고 하류 수위를 점점 높여가면서 도수의 형태와 발생 위치 변화, 유속과 수위변화 등의 흐름 특성을 관측하였다. 하류수위 0.

대상 데이터

실험은 길이 20 m, 폭 0.6 m, 높이 0.8 m의 가변경사 직사각형 수로에서 수행하였다. 바닥은 철제이며 좌우 측 벽은 강화 유리로 제작되어 실험 중 수면 형상이나 공기 방울의 거동 등을 육안으로 관찰하기에 용이하도록 하였다.
바닥은 철제이며 좌우 측 벽은 강화 유리로 제작되어 실험 중 수면 형상이나 공기 방울의 거동 등을 육안으로 관찰하기에 용이하도록 하였다. 유속 측정은 3차원 전자기 유속계(VM1001RS, KENEK)와 1차원 유속계(VO1000, KENEK)를 이용하였으며 수위는 수위측정계 (PH-355, KENEK)와 50 cm 자를 이용하였다. 계단형 낙차공에서의 흐름 및 도수 관측은 디지털 카메라를 이용하여 기록하였다.

성능/효과

세 가지 유량조건에 따른 WTF의 규모를 비교한 결과 유량이 증가할수록 WTF의 크기가 증가하였으며 무차원화한 WTF의 형상은 거의 비슷한 것으로 나타났다.
(그림 3.(d)) curved jet 흐름은 도수 형태가 안정적이지 않고 멀리까지 전파되는 파상 형태의 흐름을 보여주었으며 최고 유속의 감세가 크지 않았다. 하류수위 0.
(e)) 계단 끝에서 사류가 밀려 올라가면서 흐름이 파도 형태의 제트로 변형되면서 하류 수면으로 미끄러져 들어가는 WTF의 형상이 잘 나타났다.
크기가 서로 다른 WTF일지라도 x, y 방향으로 각각 wave의 정점의 계단 끝에서부터의 거리, wave의 최고 높이로 무차원화 시키면 그 형상이 거의 비슷하였다. 또한 표면 제트가 하류 수표면에 풍덩 빠지면서 하상을 치고 진행할 때 최대 전단 응력은 잠김도수에 비하여 훨씬 작은 것으로 나타났다.
유량이 증가할수록 wave 높이(h_w)가 커지고 단 끝에서 plunging point까지의 거리(L_p), wave 후면에 발달하는 표면 롤러의 길이(L_r), 바닥 recirluation 구역의 길이(L_e)가 증가하였다. 세 가지 실험 조건에서 wave의 높이는 하류수심보다 높았으며 적게는 1 cm에서 많게는 5 cm까지 차이가 났다. 계단형 낙차공 구조물에서 WTF로 인한 수위 상승은 설계 시 고려되어야 할 것이다.
x'은 단 위에서의 사류발생 지점으로부터의 하류방향 거리로 wave 정점까지의 거리 x_w로 무차원화하고, 사류수심으로부터의 수직방향 거리 y'은 사류수심으로부터의 wave 정점의 높이 y_w로 무차원화하였다. 이렇게 무차원화한 wave의 형상을 비교해본 결과, 서로 다른 실험조건에서 발생시킨 WTF의 형상이 거의 일치하는 것을 알 수 있었다. 그림 4.
WTF가 발생하는 구간의 최대수위는 하류수위가 높게 측정되었다. 하류수위가 높아질수록 도수의 발생 위치가 계단 위 쪽으로 이동해 가면서 잠김도수와 WTF가 번갈아가며 발생하였고 도수의 규모는 작아졌으며 표면 롤러도 미약해지는 경향을 보였다. 세 가지 유량조건에 따른 WTF의 규모를 비교한 결과 유량이 증가할수록 WTF의 크기가 증가하였으며 무차원화한 WTF의 형상은 거의 비슷한 것으로 나타났다.

후속연구

계단형 낙차공 구조물에서 WTF로 인한 수위 상승은 설계 시 고려되어야 할 것이다. 따라서 추후에 다양한 단차와 유량 조건에 대하여 실험을 수행하면서 WTF의 wave 높이에 대한 정량적인 기준을 제시할 필요가 있다. 그림 5.
향후 계단형 낙차공은 기존낙차공(급경사, RCW 등)에서 발생하는 도수와 달리 WTF라는 독특한 흐름이 발생되므로 하상에 미치는 전단응력 등에 대한 추가적인 흐름분석이 필요할 것이다.

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