[논문]정수식생 개수로 흐름에서 횡방향 와점성 계수

이진휘; 최성욱

정수식생 개수로 흐름에서 횡방향 와점성 계수
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이진휘 (연세대학교 대학원 토목환경공학과) , 최성욱 (연세대학교 공과대학 토목환경공학과)

본 연구는 하천에서 식생에 의한 흐름구조 변화가 오염물질 이동에 미치는 영향을 알아보기 위해 흐름방향 확산계수를 산정하였다. 정수식생 조건에서 횡방향 수심적분된 와점성계수는 비식생 조건에서의 와점성계수와 다르게 적용되어야 하며 이를 위해 유량 횡분배법을 Jordanova and James (2003) 실험에 적용하였다. 제시된 실험조건을 잘 재현하는 와점성계수의 값을 역산하였으며, 이에 관한 산술평균 값을 향후 수리모형의 적용을 위해 정수식생 조건에서의 무차원 와점성계수로 제안하였다. 결정된 무차원 와점성계수를 이용하여 부분식생 개수로 흐름에서 흐름방향 확산계수를 산정하여 오염물질의 이동에 대한 특성을 분석하였다.

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문제 정의

이 경우 와점성계수는 비식생 조건에서와 크게 다를 것으로 예상되나 실험 혹은 수치계산에 의한 연구는 거의 없는 실정이다. 본 논문에서는 문헌에 있는 실험연구 자료를 이용하여 정수식생 조건 개수로 흐름에서 횡방향 와점성 계수를 제시하였다. 유동계산을 위해서 식생항력 항이 추가된 유량 횡분배법을 이용하였다.
16임을 보였다. 본 연구는 정수식생 조건의 개수로 흐름에서 횡방향 수심적분된 와점성계수에 관한 연구이다.

제안 방법

16임을 보였다. 본 연구에서는 수치실험을 통해 정수식생에서 횡방향 무차원 와점성계수의 값을 검정하였다.
정수식생 조건에서 횡방향 와점성계수를 구하기 위해 유량 횡분배법을 Jordanova and James (2003) 실험에 적용하였다. 제시된 실험조건을 잘 재현하는 와점성계수의 값을 역산하였으며, 이에 관한 산술평균 값을 향후 수리 모형의 적용을 위해 정수식생 조건에서의 무차원 와점성계수로 제안하였다.
표 1 에 다양한 흐름 조건과 수치실험을 통해 계산된 무차원 와점성 계수의 산정결과를 제시하였다. 실험에서 레이놀즈수의 범위는 3,400 - 19,000 로서 완전 난류 상태임을 알 수 있다 (특성 속도와 길이는 각각 단면평균 유속과 수심을 사용하였다).

대상 데이터

즉, A Series는 유량을 고정시킨 상태에서 수심을 변화시켰고, B Series에서는 유량과 수심 모두를 변화시켰다. 실내 실험에서 식생을 구현하기 위해 직경이 0.005 m인 철제 실린더를 사용하였으며, 식생밀도는 모든 실험에서 동일하게 8.2 m^-1로 엇갈린 형태로 바닥에 부착하였다.
표 1 에 다양한 흐름 조건과 수치실험을 통해 계산된 무차원 와점성 계수의 산정결과를 제시하였다. 실험에서 레이놀즈수의 범위는 3,400 - 19,000 로서 완전 난류 상태임을 알 수 있다 (특성 속도와 길이는 각각 단면평균 유속과 수심을 사용하였다). 표 2 에는 식생조건, 식생항력, 그리고 하상전단응력 등을 제시하였다.

이론/모형

본 연구에서 Wark et al. (1990)과 Knight and Shiono (1990)이 제시한 유량 횡분배모형 (lateral distribution method)을 사용하여 개수로 횡단면에 대한 수심적분된 유속을 얻었으며 이는 다음 식 (1)을 통해 구할 수 있다.
식생흐름에서의 무차원 와점성 계수를 얻기 위해 Jordanova and James (2003)의 실험자료에 유동모형을 적용하였다. Jordanova and James (2003)은 소류사 이동에 있어 정수식생 (철제 실린더)의 영향을 연구한 것으로 크게 두 가지 조건에 대해 실험을 수행하였다.
본 논문에서는 문헌에 있는 실험연구 자료를 이용하여 정수식생 조건 개수로 흐름에서 횡방향 와점성 계수를 제시하였다. 유동계산을 위해서 식생항력 항이 추가된 유량 횡분배법을 이용하였다. 실험자료와 비교를 통하여 레이놀즈수에 따른 와점성계수의 변화를 제시하였으며, 평균은 0.
정수식생 조건에서 난류에 의한 확산은 크게 억제될 것으로 보인다. 정수식생 조건에서 횡방향 와점성계수를 구하기 위해 유량 횡분배법을 Jordanova and James (2003) 실험에 적용하였다. 제시된 실험조건을 잘 재현하는 와점성계수의 값을 역산하였으며, 이에 관한 산술평균 값을 향후 수리 모형의 적용을 위해 정수식생 조건에서의 무차원 와점성계수로 제안하였다.

성능/효과

유동계산을 위해서 식생항력 항이 추가된 유량 횡분배법을 이용하였다. 실험자료와 비교를 통하여 레이놀즈수에 따른 와점성계수의 변화를 제시하였으며, 평균은 0.062로서 일반 개수로 흐름에서의 값 (= 0.15)의 약 40%임을 확인하였다.

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