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문제 정의
- 또한 수치모의를 수리실험과 비교하여 타당성을 검증하고 수로의 폭 및 수문의 개수에 대한 연구를 수행하여 보다 넓은 범위에 수문에 관한 연구를 진행하여 중·소규모의 수문 설계에 도움이 되는 기초자료를 제공하고자 한다.
- Henry(1950)는 각 수문의 형태에 따른 경험적인 유량계수 및 수축계수 등 을 제시하였다. 본 연구에서는 수리실험과 기존 연구결과와의 비교를 통해 유량과 수심, 개방도, 유속 등 여러 인자와의 상관관계를 분석하여 기존의 유량 산정식을 검토하고 적합한 관계의 식을 산정하고자 한다. 또한 수치모의를 수리실험과 비교하여 타당성을 검증하고 수로의 폭 및 수문의 개수에 대한 연구를 수행하여 보다 넓은 범위에 수문에 관한 연구를 진행하여 중·소규모의 수문 설계에 도움이 되는 기초자료를 제공하고자 한다.
- 본 연구에서는 수리실험과 수치모의를 통하여 수문을 통과하는 흐름에 대한 거동을 해석하였다. 그 중에서 유량을 조절하는 인자 중 하나인 유량계수에 대한 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 수문은 흐름의 안정화를 위하여 물이 공급되는 수조로부터 6m지점에 설치하여 수문의 개방도( ), 상류수심(z ), 하류수심(z2) 측정하였다. 개방도에 따라 상류수심 및 유량을 변화시켜 하류수심의 변화를 살펴보았다. 수문의 개방도는 자유흐름의 경우 1cm, 2cm, 3cm 그리고 5cm, 6cm, 8cm에서 수행되었다.
- 본 연구에서는 수리실험과 수치모의를 통하여 수문을 통과하는 흐름에 대한 거동을 해석하였다. 그 중에서 유량을 조절하는 인자 중 하나인 유량계수에 대한 연구를 수행하였다. 기존 연구결과와의 비교를 위하여 수리실험을 수행하여 과거 연구의 수리실험 값과 이론식을 통한 유량계수 값을 비교하였다.
- 그 중에서 유량을 조절하는 인자 중 하나인 유량계수에 대한 연구를 수행하였다. 기존 연구결과와의 비교를 위하여 수리실험을 수행하여 과거 연구의 수리실험 값과 이론식을 통한 유량계수 값을 비교하였다. 수치모의를 사용하여 수리실험에 타당성을 부여하였으며 그 결과 유량계수 산정식을 도출하였다.
- 5m에 대하여 개방도 5cm, 10cm일 때의 수문을 통과하는 유량에 대한 유량계수를 산정하였다. 두 번째 매개변수로 수문의 개수를 달리 하여 1.5m 수로 폭에 총 다섯 개의 수문을 설치하여 수문의 개수를 1개, 3개 그리고 전체를 다 개방시켰을 때의 수문을 통과하는 유량의 유량계수를 살펴보았다.
- 또한 FLOW-3D와의 비교를 위해 상·하류 및 수문 부근에서 유속을 측정하였다.
- 수치모의를 사용하여 수리실험에 타당성을 부여하였으며 그 결과 유량계수 산정식을 도출하였다. 또한 매개변수로써 수로의 폭, 조도계수, 수문의 개수를 변화시켜 연구를 수행하였다. 이로부터 얻은 결론은 다음과 같다.
- 수리실험비교를 위하여 자유흐름의 경우 개방도가 3cm, 5cm 그리고 8cm인 경우를 실험하였고 수중흐름의 경우 개방도가 8cm인 경우를 실험하여 비교하였다. 수로의 폭과 수문의 개수 두 가지의 경우를 매개변수로 하여 유량계수를 살펴보았다. 첫 번째 매개변수로 수로의 폭 0.
- 01을 적용하였다. 수리실험비교를 위하여 자유흐름의 경우 개방도가 3cm, 5cm 그리고 8cm인 경우를 실험하였고 수중흐름의 경우 개방도가 8cm인 경우를 실험하여 비교하였다. 수로의 폭과 수문의 개수 두 가지의 경우를 매개변수로 하여 유량계수를 살펴보았다.
- 6m인 사각형 수로에서 수행되어졌다. 수문은 흐름의 안정화를 위하여 물이 공급되는 수조로부터 6m지점에 설치하여 수문의 개방도( ), 상류수심(z ), 하류수심(z2) 측정하였다. 개방도에 따라 상류수심 및 유량을 변화시켜 하류수심의 변화를 살펴보았다.
- 개방도에 따라 상류수심 및 유량을 변화시켜 하류수심의 변화를 살펴보았다. 수문의 개방도는 자유흐름의 경우 1cm, 2cm, 3cm 그리고 5cm, 6cm, 8cm에서 수행되었다. 유속측정은 ADV방식을 사용하는 Sontek의 Flow Tracker를 사용하여 유속을 측정하였다.
-
2.3 수문의 개수
수문의 부분개방시의 유량계수를 살펴보기 위해서 수치모의를 수행하였다
. 그림 4. - 기존 연구결과와의 비교를 위하여 수리실험을 수행하여 과거 연구의 수리실험 값과 이론식을 통한 유량계수 값을 비교하였다. 수치모의를 사용하여 수리실험에 타당성을 부여하였으며 그 결과 유량계수 산정식을 도출하였다. 또한 매개변수로써 수로의 폭, 조도계수, 수문의 개수를 변화시켜 연구를 수행하였다.
- 여기서 상·하 경계조건으로 10%의 오차범위를 주어 정확성을 확인해보았다.
- 수로의 폭과 수문의 개수 두 가지의 경우를 매개변수로 하여 유량계수를 살펴보았다. 첫 번째 매개변수로 수로의 폭 0.5m, 0.7m, 0.9m, 1.2m, 1.5m에 대하여 개방도 5cm, 10cm일 때의 수문을 통과하는 유량에 대한 유량계수를 산정하였다. 두 번째 매개변수로 수문의 개수를 달리 하여 1.
- 유속측정은 ADV방식을 사용하는 Sontek의 Flow Tracker를 사용하여 유속을 측정하였다. 평균유속을 구하는 방법으로는 본 실험에서의 최대 수심이 20cm가 되지 않음을 고려하여 1점법으로 관측하여 평균유속을 계산하였으며, 유량계수 측정을 위해 물받이를 통해서 유량(m)을 측정하였다. 또한 FLOW-3D와의 비교를 위해 상·하류 및 수문 부근에서 유속을 측정하였다.
대상 데이터
- FLOW-3D에 사용되는 수로의 설계는 Solid Edge 프로그램을 이용하여 폭 0.9m, 높이 0.6m, 총길이 11m로 실제 수로와 같은 크기로 제작하였다. 수로의 바닥에 샌드 페이퍼가 깔려있음을 고려하여 조도계수는 0.
- 본 연구에서 사용된 수리실험은 폭 0.9m, 총 길이 11m, 높이 0.6m인 사각형 수로에서 수행되어졌다. 수문은 흐름의 안정화를 위하여 물이 공급되는 수조로부터 6m지점에 설치하여 수문의 개방도( ), 상류수심(z ), 하류수심(z2) 측정하였다.
이론/모형
- 수문의 개방도는 자유흐름의 경우 1cm, 2cm, 3cm 그리고 5cm, 6cm, 8cm에서 수행되었다. 유속측정은 ADV방식을 사용하는 Sontek의 Flow Tracker를 사용하여 유속을 측정하였다. 평균유속을 구하는 방법으로는 본 실험에서의 최대 수심이 20cm가 되지 않음을 고려하여 1점법으로 관측하여 평균유속을 계산하였으며, 유량계수 측정을 위해 물받이를 통해서 유량(m)을 측정하였다.
성능/효과
- 1. 전폭 연직수문의 수리실험 결과 자유흐름의 경우 개방도와 상류수심비를 유량계수와 도시하였을 때 유량계수 의 값이 0.5~0.6사이에 분포하며 /z 가 증가하면 CD의 값이 감소하는 경향을 보였다. 반면 개방도와 하류수심간의 관계에서는 a/z2의 값이 증가하면 CD의 값도 함께 증가하는 경향을 보였으나 하류수심에 영향을 크게 받지 않음을 확인하였다.
- 2. 수리실험과 FLOW-3D, 0.611법, Swamee 식의 유량계수 값들을 비교하였을 때 기존의 연구와 마찬가지로 Swamee의 식은 현저히 떨어지는 값을 보임을 확인할 수 있었다. 10%의 상·하 경계조건내에 포함되는 FLOW-3D와 0.
- 3. 수로의 폭을 매개변수로 적용하여 수치모의를 수행한 결과 수로의 폭에 변화에 따라 유량에 영향을 미치므로 수문을 통과하는 흐름의 유량계수가 달라짐을 확인할 수 있었다. 그러나 그 차이가 미비하여 수로의 폭이 유량계수에 큰 영향을 끼친다고 보기는 어렵다.
- 4. 수문의 개수를 매개변수로 적용하여 수치모의를 수행한 결과 개방된 수문의 개수에 따라 유량계수의 값이 차이를 가지나 그 차이가 크지 않고 과거의 연구와 본 연구의 유량계수 값의 범위인 0.4~0.6 사이의 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 그러나 개방도가 커질수록 개방된 수문의 개수에 따른 차이가 있는 것으로 판단된다.
- 15는 5개의 수문 중에서 1개, 3개, 5개를 개방하였을 때 각 개방도에 따른 유량계수 값을 나타낸 것이다. 개방된 수문의 개수에 따라 유량계수의 값이 차이를 가지나 그 차이가 크지 않고 과거의 연구와 본 연구의 유량계수 값의 범위인 0.4~0.6 사이의 값을 가짐을 확인할 수 있었다. 수문을 1개 개방하였을 때보다 3개 개방하였을 때 유량계수 값이 작은 이유로는 수문의 상호간섭 등으로 인한 영향이 있을 것으로 판단되어진다.
- Swamee의 이론식의 결과가 가장 낮은 값을 나타내는데 실제 실험에서는 Swamee의 이론식에서는 고려하지 못한 에너지 손실이 포함되어 있기 때문이라 생각된다. 기존 연구 결과에서 Swamee의 식이 개방도가 작은 경우 관측된 유량계수값과 잘 맞으나 개방도가 커질수록 잘 맞지 않는다고 밝혀졌다.(Swamee, 1992) 그림 4는 본 연구의 수리실험을 기준으로 Swamee의 이론식, 유속관측법, 0.
- 7 사이의 값으로 비교적 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 또한 개방도에 따라서도 차이를 나타내었는데 개방도가 클수록 유량계수의 값이 0.5~0.6 사이에 분포되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 폭이 커짐에 따라 에너지 손실이 커짐으로 나타나는 결과라 판단되어진다.
- 6사이에 분포하며 /z 가 증가하면 CD의 값이 감소하는 경향을 보였다. 반면 개방도와 하류수심간의 관계에서는 a/z2의 값이 증가하면 CD의 값도 함께 증가하는 경향을 보였으나 하류수심에 영향을 크게 받지 않음을 확인하였다.
- 여기서 상·하 경계조건으로 10%의 오차범위를 주어 정확성을 확인해보았다. 수리실험에서의 개방도에 따른 상류 수심비 대 유량계수를 도식화 한 결과 그림 3과 마찬가지로 대부분의 경우는 오차범위내에 포함되어 비슷한 값을 가지나 Swamee의 이론식의 경우 오차범위가 10% 이상이 되는 큰 차이를 보임을 확인할 수 있었다. 이는 과거 Sepúlveda(2009)의 연구를 통해서도 Swamee의 유량계수 산정법이 적합하지 않음을 지적하고 있다.
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