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[국내논문] FLOW-3D를 이용한 도류벽식 어도내의 흐름해석
Flow Analysis in the Baffled Fishway using FLOW-3D 원문보기

한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집, 2009 May 21, 2009년, pp.1837 - 1840  

최수형 (명지대학교 토목환경공학과) ,  김서준 (명지대학교 토목환경공학과) ,  임윤성 (명지대학교 토목환경공학과) ,  윤병만 (명지대학교 토목환경공학과)

초록
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최근 자연형하천 조성사업과 하천복원 등을 목적으로 하천의 치수, 이수적인 기능뿐만 아니라 생태적인 기능을 고려한 하천설계를 위하여 많은 노력들을 하고 있다. 이와 같은 목적으로 하천의 생태적 통로가 단절되는 것을 막기 위해 하천 횡단 구조물인 보와 낙차공에 어도를 설치하고 있다. 하지만 현재 어도 설계는 어도 내의 흐름특성을 정확히 고려하지 못하고 설계되어 어도 본래의 기능을 수행하지 못하는 경우가 많았다. 그 이유는 현장 상황에 따라 어도의 종류와 형태가 다양하게 설계되고 있는 것에 반해 이를 검토할 수 있는 방법이 수리실험으로 한정되어 있어서 어도내 흐름특성을 결정하기 어렵기 때문이다. 어도 설계를 위한 수리실험은 시간적, 공간적 및 경제적인 제약으로 인해 다양한 형태의 어도 조건과 수리조건을 검토하기에는 현실적으로 어려움이 있는 반면에 수치모의는 매개변수 결정에 어려움이 있지만 수리실험에 비해 다양한 형태와 수리조건에 대해 간편하게 흐름특성을 예측할 수 있는 장점이 있다. 따라서 본 연구에서는 어도 설계시 간편하게 어도내 흐름특성을 예측할 수 있도록 기존에 사용되고 있는 수리실험 결과와 수치모의 기법을 이용한 흐름해석 결과를 비교하여 보았다. 수치모의는 3차원 흐름모형인 FLOW-3D를 이용하였고, 어도 형태는 도류벽식 어도를 대상으로 수행하였다. 수행 결과 수리실험과 비교하여 수심별로 최대 13% 정도의 오차를 보이고 있으며, 최대유속 발생 지점을 비교한 결과 하폭의 6% 정도 오차를 보였다. 따라서 최종 설계 이전에 어도의 흐름특성을 예측하기 위한 방법으로 FLOW-3D를 사용한다면 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.

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제안 방법

  • 수리실험과 3차원 수치모의의 유속분포 결과 비교는 그림 3과 같이 어도내 5측선을 정하여 수행하였고, 측 유속측정 결과 비교는 그림 4와 같이 수심방향으로 바닥과 중앙 수표면으로 나누어 분석하였다. 수리실험과 수치모의 결과 Ⅰ, Ⅲ및 Ⅴ번 측선인 도류벽 중앙의 유속분포는 접근유속의 13%정도 나타났으며 이는 조도계수 결정에 따른 영향으로 판단된다.
  • 어도내 최대 유속 발생 지점을 비교하여 보았다. 최대 유속 발생 지점은 그림 5와 같이 수심별 유속분포가 수리실험과 수치모의 결과가 유사한 경향을 나타내는 것을 알 수 있었다.
  • (a)과 같은 길이 25m, 높이 0.8m, 폭 0.8m의 개수로 실험장치를 이용하였고 개수로 실험장치 중앙에 0.45m×0.007m×0.4m의 도류벽을 0.5m 간격으로 5개 배치하였다 (그림 1
  • 본 연구에서는 도류벽식 어도내의 흐름특성을 수리실험과 FLOW-3D 모형을 이용한 수치모의를 통하여 비교 분석하였다.
  • 5개의 도류벽 중 수리실험과 수치모의 비교 구간은 (그림 1(b))에서와 같이 어도내 흐름특성을 대표할 수 있는 ②번 도류벽에서 ④번 도류벽 사이로 정하여 분석을 하였다.
  • 수리실험 조건은 개수로 실험장치의 조건을 고려하여 최대 유량 조건인 46 l/s일 경우에 대해 표 .1과 같이 수행하였으며, 수치모의 조건은 수리실험과 동일한 조건에 대해 수행하였다.
  • 최근 백경오와 안성식(2008)은 HEC-RAS를 이용한 어도내 1차원 흐름해석과 RMA-2를 이용한 2차원 흐름해석을 수행하였고, Cea(2007)는 Vertical slot식 어도에 대해 수치모의의 적용성을 검토하는 등 수치모의를 이용한 어도내 흐름특성 분석이 수행되어 적용 가능성을 확인하였다. 하지만 어도내의 흐름이 복잡하여 1차원, 2차원 수치모의로는 한계가 있기 때문에 본 연구에서는 도류벽식 어도를 대상으로 수리실험과 FLOW-3D 수치모형을 이용한 3차원 수치모의를 수행하여 어도내 유속분포를 비교 및 평가하여 보았다.
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