• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.98-98
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• 2022

도수는 사류가 상류로 천이되며 흐름이 불연속적으로 변하는 현상이다. 도수는 롤러와 벽 제트와 같은 흐름이 발생하는 영역으로 구분되며 큰 에너지 손실을 발생시키므로, 보나 댐과 같은 수리시설물에서는 에너지 소산을 위한 목적으로 도수를 발생시킬 수 있다. 도수구간 중 롤러 영역에서는 공기가 유입되어 복잡한 3차원 2상 흐름을 발생시키므로 공기방울의 거동에 대한 정밀한 모의는 매우 중요한 것으로 평가된다. 그러나 현실적으로 롤러 영역에서의 작은 공기방울까지 재현하는 것은 어려운 일이다. 본 연구에서는 k-ω SST 난류모형을 이용하여 수문 아래에서 발생하는 자유도수를 수치모의하고 연행된 공기량에 대한 특성을 검토하였다. 롤러 영역에서 격자의 해상도를 다르게 하여 도수구간 내 공기의 체적비와 공기방울의 크기 및 공기방울의 거동을 분석하였다. 실내 실험자료에 난류모형을 적용하고 그 결과와 비교하여 모의 결과의 적정성을 확인하였다. 또한 도수구간에서 공기방울 거동의 정밀한 모의가 평균흐름 및 난류량의 종방향 변화에 미치는 영향을 검토하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1889-1893
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• 2008

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.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.687-687
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• 2012

최근 도입 필요성이 계속하여 높아지고 있는 지하유입시설 유입구로는 유입구 효율과 성능으로 인하여 와류식 유입구가 많이 적용되고 있다. 그 중 나선식 유입구(spiral intake)는 가장 일반적으로 사용되는 형식으로 초기에 활용되었던 원형 유입구(circular intake)를 대신하여 사용되는 형식이다. 형상은 복잡하지만 구조물 내부에서 와류(vortex)를 안정적으로 형성시키기 때문에 많이 사용되고 있다. 나선식 지하방수로 유입구가 사용되는 가장 큰 이유는 유입구 내부에서도 수위가 안정적으로 유지되며, 유입 유량에 따른 수위의 변화가 다른 유입구 형식에 비하여 비교적 안정적으로 예측 가능하기 때문이다. 만약 지하방수로 유입구 내부에서 수위가 안정적으로 유지되지 못하고 도수 현상 등에 의한 수위 상승 현상 등이 발생할 경우 지하유입시설 내부로 안정적으로 유량을 배제하는 것이 어려워지고, 또한 도수 현상이 발생하는 동안 과도한 유량이 유입될 경우 다시 본류로 흐름이 역류할 가능성도 생각할 수 있다. 따라서 유입구 형상에 따른 수위의 변화를 정확히 예측하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서 검토할 종경사형 나선식 유입구(inclined spiral intake)는 일정한 바닥 경사를 도입하여 사류 흐름을 보다 안정적으로 가속시켜 유입구 내부에서의 도수 현상을 방지하는 형식으로 유입구 바닥의 외측 또는 중앙선을 따라서 일정한 경사를 주어 사류 유입 흐름을 안정적으로 유도함으로서 유량 배제 효율을 높인 형태라 할 수 있다. 본 연구에서는 유입구 외측을 기준으로 일정한 경사를 가진 종경사형 나선식 유입구 모형을 이용하여 경사 변화에 따른 방류 효율을 검토하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.66-66
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• 2017

하천에 설치된 저낙차 보의 여수로나 위어는 일반적으로 도수가 발생하도록 설계한다. 이러한 수공구조물위를 통과하는 흐름이 갖는 강한 운동에너지를 소산시키는데 도수는 중요한 역할을 한다. 난류흐름과 도수의 수면부근에서 형성되는 롤러 형태의 와류가 이러한 에너지 소산의 대부분을 유발한다. 이 연구에서는 여수로에서 발생하는 수중 도수 현상을 고해상도 3차원 수치모의를 통해서 재현하고 실험실에서 PIV를 이용해서 관측한 실험결과와 비교분석 한다. 아울러 수치모의 결과는 수중의 바닥면을 따라 발생하는 ?의 내부와 외부 전단층 그리고 도수에 의해서 발생하는 제순한 와류의 동적 거동 특성을 제시한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.169-173
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• 2011

본 연구에서는 RANS를 지배방정식으로 하는 3차원 수치모의를 통해 댐 붕괴로 인한 3차원적인 흐름 특징이 지배하는 댐 직하류에서 고립된 장애물로 인한 댐 붕괴파의 전파현상과 이동상 수로에서의 붕괴파의 전파현상, 특히 붕괴파의 비정상성과 불연속성, 붕괴파와 반사파의 영향, 상류 및 사류의 흐름의 혼재와 같은 복잡한 현상을 포함하는 붕괴파의 전파를 해석하였다. 장애물로 인한 댐 붕괴파의 전파 해석 결과, 댐의 순간적인 붕괴로 인해 붕괴파가 형성되고 붕괴파가 장애물에 부딪치면 반사파가 발생하며 이는 다시 수로에 부딪치며 반사되는 과정에서 사류와 상류 및 도수현상이 발생하는 복잡한 흐름 양상을 보인다. 이동상 수로에서의 댐붕괴파 해석 결과 붕괴파 전파는 고정상 수로에서의 붕괴파 전파에 비해 그 전파속도가 느리게 형성되었다. 기존 수리실험 결과와 비교 하였을 때 본 모의결과는 국부적인 수면진동의 모의에서 다소 오차가 발생하고 있으나 대체로 그 경향성은 잘 추적하고 있다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제56권spc1호
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• pp.1049-1058
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• 2023

보와 저낙차 댐과 같은 하천횡단구조물을 통과하는 흐름은 도수 현상을 동반하는 급변류가 지배적이다. 구조물 하류에서 도수로 인한 유속과 수면의 강한 비정상성은 수공구조물의 안정에 영향을 줄 수 있다. 특히, 높은 Froude 수 조건에서 발생하는 정상도수는 공기연행이 현저하게 발생하여 흐름 특성은 더욱 복잡해진다. 이 연구에서는 Froude 7.3 조건에서 발생하는 정상도수를 모의하기 위해서 큰와모의 기법과 하이브리드 VoF 기법을 이용한 수치모의를 수행하였다. 수치모의 결과는 구조물 하류 바닥면에서 계측된 순간최대압력과 시간평균압력 분포를 유사하게 재현하는 것으로 나타났다. 단, 구조물 직하류에서의 순간최소압력 분포는 대상으로 하는 실험 계측값과 반대의 양상을 보이지만, 유사한 다른 시험과는 같은 양상을 보임으로써 본 연구에서 수행한 수치모의는 합리적으로 압력변동을 예측하는 것으로 판단된다. 도수 중앙부에서의 연직방향 유속분포와 공기농도분포는 유사한 조건의 실험 결과들과 자기상사성을 보이면서 양호하게 일치하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 본 연구에서 적용한 큰와모의 기법과 하이브리드 VoF 기법이 높은 Froude 수 조건에서 강한 공기연행을 동반하는 도수현상을 양호하게 재현할 수 있음을 보여준다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.464-464
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• 2016

기존의 고정보 설치에 따른 문제점으로 보 상류의 유속감소로 인한 유사나 오니의 퇴적으로 저류량의 감소, 홍수위 상승, 수질악화, 보 상 하류간 연속성의 단절 등의 개선을 위한 연직가동보에서의 수리특성을 분석하였다. 그에 따라 본 연구에서는 gate의 개도 높이를 조절함으로써 하상 퇴적물을 배출하고 수위와 유량을 조절할 수 있는 하단배출형 가동보를 길이 10 m, 폭 0.4 m, 높이 0.4 m의 가변경사식 수로에 다단식으로 배치하여 유량과 가동보 개도 높이에 따른 수리 특성을 분석하였다. 연직가동보의 개도에 따른 방류량의 수리특성으로 유량계수를 분석하고 그에 따른 보 상류에서 저류특성을 분석하였다. 유량과 연직가동보의 개도에 따른 수리특성으로 도수현상에 따른 수축계수, 도수길이, 도수높이를 분석하고 그에 따른 관계식을 제시하였다. 연직가동보 주변의 수리특성의 분석을 위한 차원해석을 실시하고 지배적인 무차원 변수를 도출하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.149-149
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• 2020

하천에서 물 흐름이 보와 댐과 같은 수공구조물을 지날 때 일반적으로 흐름상태에 다양하고 급진적인 변화가 발생한다. 특히 흐름이 구조물을 지나면서 사류(supercritical flow)로 변하고 다시 상류(subcritical flow)로 복원되면서 일어나는 도수(hydraulic jump) 현상은 수위의 급변화, 흐름 에너지 소산, 변동성이 강한 압력 분포 등이 특징이다. 이러한 흐름 특성들은 보나 여수로와 같은 수공구조물 자체의 성능뿐만 아니라 이들 수공구조물의 하류에서 발생하는 국부세굴로 인해 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 수공구조물을 설계할 때는 이들 구조물을 통과하는 흐름의 비정상 난류 흐름 특성을 정확하게 해석하여 반영하여야 한다. 이 연구에서는 k-omega SST 난류 모형과 자유수면의 급격한 변동을 해석하기 위한 하이브리드-VOF(hybrid volume of fluid)기법을 이용하여 도수현상을 수치적으로 재현하고자 한다. 기존 CFD(computational fluid Dynamics) 모델링에서는 자유수면 변동의 영향을 고려하기 위해 VOF 기법을 많이 사용하였다. 하지면 전통적인 VOF 기법은 다상흐름(multiphase flow)을 오직 부피분율(volume fraction)의 함수로만 고려하며 모의함으로써 강한 수면변동뿐만 아니라 공기연행(air entrainment)를 동반하는 난류 흐름을 모의하는데는 한계가 있다. 이 연구에서 이용하는 Eulerian 기법인 하이브리드 VOF 기법은 물과 공기의 각 상에 대하여 흐름 특성들을 개별적으로 계산하기 때문에 공기연행을 포함한 급변류 흐름에서 전통적인 VOF 기법보다 적용성이 우수하다. 이와 같은 난류모형과 자유수면 포착기법을 이용하여 3차원 비정상 난류 흐름 수치모형을 구축하여 수공구조물 주변에서 발생하는 강한 공기연행과 난류 특성를 보이는 급변류를 수치적으로 재현한다. 이 연구는 계산된 수치해석 결과를 기존 수리실험 결과와 비교하여 수치모형의 적용성을 평가하고 도수 현상에서 발생하는 독특한 흐름 특성을 제시한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.1113-1117
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• 2005

보 상류의 유속 및 수심과 같은 흐름 조건은 보, 하천 형상, 그리고 하류 흐름 특성에 의해 좌우된다. 본 연구에서는 하류 조건에 따라 보 상류의 흐름 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 위해 구형단면의 수로에 하천설계지침(2002)에 따라 보를 제작하여 설치하였으며 보에서의 임계수심 및 이에 따른 유량의 변화를 파악하였으며 실험결과를 기존 문헌과 비교$\cdot$분석하였다. 또한 자유 월류로 빠른 유속을 지닌 흐름이 수로의 마찰저항과 하류 배수효과에 의해 에너지 소멸로 나타나는 도수현상을 관측하여 발생특성을 파악하였다. 도수의 발생조건은 Posey와 Hsing(1938)에 제시한 결과와 유사한 결과를 보였으며 하류영향에 따른 도수 발생 위치는 하류단 수위와 일정한 관계를 갖고 있으나 유량과는 선형적인 관계를 보이지 않는 것을 알 수 있었다. 또한 임계수심 설정에 대해 Knap(1960)이 제시한 산정식과 비교한 결과 유량이 작은 경우 거의 일치하는 결과를 보였으나 유량이 증가할수록 오차가 커졌다. 임계수심 전$\cdot$후의 유량계수를 살펴본 결과 하류 조건에 의해 임계수심을 넘으면 유량계수가 자유 월류 시보다 약 $2\%\~6.5\%의 감소를 나타냈으며 공급유량이 $0.05m^3/s$ 일 경우 유량계수의 차이가 가장 큰 것을 알 수 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.1903-1907
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• 2009

최근 도입 필요성이 계속하여 높아지고 있는 지하방수로 유입구로는 유입구 효율과 성능으로 인하여 와류식 유입구가 많이 적용되고 있다. 그 중 나선식 유입구(spiral intake)는 가장 일반적으로 사용되는 형식으로 초기에 활용되었던 원형 유입구(circular intake)를 대신하여 사용되는 형식이다. 형태적인 복잡성에 도 불구하고 형식상의 특성으로 인하여 와류(vortex)를 안정적으로 형성시키기 때문에 많이 사용되고 있다. 나선식 지하방수로 유입구가 사용되는 가장 큰 이유는 유입구 내부에서도 수위가 안정적으로 유지되며, 유입 유량에 따른 수위의 변화가 다른 유입구 형식에 비하여 비교적 안정적으로 예측 가능하기 때문이며, 만약 지하방수로 유입구 내부에서 수위가 안정적으로 유지되지 못하고 도수 현상 등에 의한 수위 상승 현상 등이 발생하는 경우 지하방수로 내부로 안정적으로 유량을 배제하는 것이 어려워지고, 또한 도수 현상이 발생하는 동안 과도한 유량이 유입될 경우 다시 본류로 흐름이 역류할 가능성도 생각할 수 있다. 따라서 유입구 형상에 따른 수위의 변화를 정확히 예측하는 것이 매우 중요해 진다. 본 연구에서 검토될 나선식 종경사형 유입구(inclined spiral intake)는 일정한 바닥 경사를 도입하여 사류 흐름을 보다 안정적으로 가속시켜 유입구 내부에서의 도수 현상을 방지하는 형식으로 유입구 바닥의 외측 또는 중앙선을 따라서 일정한 경사를 주어 사류 유입 흐름을 안정적으로 유도함으로서 유량 배제 효율을 높인 형태라 할 수 있다. 본 연구에서는 유입구 외측을 기준으로 일정한 경사(5.0 %, 7.5 %, 10.0%, 12.5%)를 가진 나선식 종경사형 유입구 모형을 제작하여 유입 유량 변화에 따른 유입구 내부에서 수위-유량관계를 확인하였다