사행 자연수로에서의 3차원 흐름 모의

3D Flow Simulation in the Meandering Natural Channel

실제 자연하천은 사행의 외측과 내측에 따라서 하도의 단면형이 변화한다. 일반적으로 만곡부의 외측은 수심이 깊어지고, 내측은 얕게 된다. 사행에 따른 이러한 단면의 횡단적 변화는 베타분포에 의해서 설명될 수 있다. 본 연구의 흐름 모의는 주흐름과 이차류의 양상을 살피는 것을 주목적으로 하여, 3차원 수치모의 되었다. 흐름의 3차원 모의는 범용 프로그램인 FLOW-3D 모형을 이용하여 이루어졌으며, LES 방법을 사용하였다. 베타 분포를 이용한 자연수로의 횡단형에 모르타르, 자갈, 식생 등으로 하상이 피복되어 있는 상태를 가정하여 조고를 대입하고, 유량과 수위가 다른 조건에서 3차원 흐름모의를 실시하고, 그 결과를 이용하여 수로내의 주흐름도, 이차류의 형태 등을 정량적으로 분석하였다. 분석 결과, 수로에서의 주흐름은 만곡부의 정점을 약간 지난 지점에서 가장 만곡부 외측으로 치우치는 특성을 확인할 수 있었다. 이차류의 경우에는 흐름이 만곡부 외측 하상 근처에서 회전하고, 이 부근에서의 유속이 가장 큰 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 이를 통해 하상 및 저수호안의 재료가 만곡부 외측에서 침식되어 만곡부 내측에서 퇴적되는 현상을 이해할 수 있을 것으로 생각된다.

In a natural river, cross sections of a channel vary according to inner or outer parts of meandering. Generally, depth of outer parts is deeper than that of inner parts. This kind of cross section change by meandering can be demonstrated by Beta distribution. The objects of this research is a 3D simulation of primary and secondary flow in the meandering natural channel. FLOW-3D program, a numerical model using CFD technique, and LES method was used for this research. 3D simulations were conducted in the channels having Beta distribution cross sections which have beds of mortar, gravel and vegetation. Two types of water stages and discharge were applied to each channel. In this research, primary flows are located in the outer parts of a top of bend and secondary flows rotate in the bottom on outer parts.