• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.1108-1112
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• 2005

보(round-crested weir)는 수로나 하천의 수위를 조절 과 취수 등의 편의를 제공하기 위해 건설되는 하천 구조물이다. 일반적으로 보의 수리특성은 자유 월류라는 측면에서 댐의 여수로와 유사하지만 하류 수위가 높아져 수중(submerged)에 잠기게 되면 보의 수리 특성은 여수로와 다르게 해석하여야 한다. 기존의 연구에서는 하류수위조건에 따라 4가지의 경우 1) 사류, 2) 도수현상을 수반한 상류, 3) 사류흐름으로 인한 도수발생, 4) 잠김상태(submerged)로 구분하고 있다(Chow ,1952). 그러나 이에 대한 흐름 해석은 대표적인 보에 대해 제안된 식으로 각 경우에 대한 정확해 해석은 어려움이 있다. 특히 하천에 수문과 동시에 보가 설치될 경우 그 차이는 클 것으로 판단된다. 본 연구에서는 하천에 설치되는 보와 수문에 대한 실험연구로써 보의 높이에 비해 수위가 과다하게 높은 경우에서의 수위-유량관계를 이론식과 기존 웨어공식에 대해 각각 비교하여 그에 대한 차이를 검토하였으며 하류수위에 대한 상류수위변동 시점을 측정하여 하류수위의 영향을 받는 임계수심을 제안한 Knapp(1960)식과 비교하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.841-845
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• 2007

낙차공(drop structure)은 치수목적의 하천정비를 위한 주요 수공구조물이다. 하지만 국내외적으로 환경을 고려한 하천공법이 요구되면서 고낙차로 인해 발생하는 수중생물의 단절은 기존 낙차공의 큰 문제로 대두되었다. 이에 기존 고낙차를 이용한 낙차공 보다는 완만한 경사를 가지는 낙차공을 설치함으로써 기존 낙차공에 의해 단절되었던 어류의 이동통로로서의 역할과 주변 경관개선을 위해 설치하고 있는 구조물이 필요하였다. 본 연구는 위와 같은 필요성에서 시작되었으며 완경사 낙차공을 경사형 낙차공이라 정의하고 조건에 따른 흐름특성을 수리실험을 통해 분석하였다. 연구내용은 경사형 낙차공의 경사조건과 하상재료의 입경에 따라 발생하는 에너지 소산에 따른 효율과 구조물 하류부 도수현상에 대한 것으로 이를 통해 경사형 낙차공 조건에 따른 흐름특성을 파악하였다. 수리실험은 폭 0.6m, 길이 20.0m 인 가변경사수로에서 수행하였으며, 하상재료는 크기에 따라 2가지 입경(16mm, 25mm)의 재료를 선정하였고, 구조물 경사에 대해 각각 1V:2H, 1V:3H, 1V:4H, 1V:6H의 경사도를 가지는 모형을 제작하여 실험을 수행하였다. 유량조건 및 도수발생위치는 유입부 수위에 따라 단계별로 4가지 수위조건을 만족시키는 유량을 통수하였고, 하류부 수위를 조절하여 도수위치를 조절하여 유입부(1), 낙차공부(5), 사류부(1), 하류부(1)에 대하여 총 8개 지점을 선정하여 수위$(y_n)$ 및 유속(V), 도수길이(Lr), 도수발생거리(Lj) 등을 측정하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.65-65
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• 2016

Various types of flow conditions are developed in the region just downstream of hydraulic structures such as weir and drop structures. One of distinct flow conditions occurred downstream of drop structures is the wave type flow with undular hydraulic jump formation. We present three-dimensional numerical simulations of a wave type flow formed downstream of a stepped weir which were experimentally investigated by Kang et al. (2010). The turbulent flow over the weir structure is modeling using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) simulation employing the Spalart-Allmaras one equation model and the detached eddy simulation. Numerical modeling and the performance of turbulence modeling approaches are evaluated by comparing with the experimental measurements in terms of the free surface variation, the shapes and sizes of undular wave, roller near at free surface, recirculation zone near the channel bottom downstream of the structures, and streamwise velocity profiles at selected longitudinal locations.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.56 no.spc1
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• pp.1049-1058
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• 2023

The flow passing through river-crossing structures such as weirs and low-fall dams is dominated by rapidly varied flow including hydraulic jump. The intense unsteadiness of flow velocity and free surface profile affects the stability of such hydraulic structures. In particular, the steady hydraulic jump generated at high Froude number conditions includes remarkably air entrainment, making the flow characteristics more complicated. In this study, a large-eddy simulation was performed for turbulence effect and the hybrid VoF technique to simulate the steady hydraulic jump at the Froude number of 7.3 and the Reynolds number of 15,700. The results of the numerical simulation showed that the instantaneous maximum pressure and time-average pressure distribution calculated on the bottom surface downstream of the structure could be reasonably well reproduced being in good agreement with the experimental values. However, the instantaneous minimum pressure distribution in the direct downstream of the structure shows the opposite pattern to the target experimental measurement value. However, the numerical simulation performed in this study is considered to reasonably predict the minimum pressure distributions observed in various experiments conducted at similar conditions. The vertical distributions of flow velocity and air concentration computed in the center of the hydraulic jump were found to be in good agreement with the experimental results measured under similar conditions, showing self-similarity. These results show that the large eddy simulation and hybrid VoF techniques applied in this study can reproduce the hydraulic jump with strong air entrainment and the resulting intense free surface and pressure fluctuations at high Froude number conditions.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2006.05a
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• pp.391-395
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• 2006

본 연구에서는 새로운 일차원 하천 흐름모형인 SNS(Super- aNd Sub critical flow model)를 개발하였다. 이 모형은 연속방정식과 운동량방정식을 상류이송기법을 이용하여 해석하고, 생성항을 처리할 수 있는 특별한 기법을 사용하고 있다. SNS 모형은 보나 여수로 등에서 발생하는 불연속 흐름을 모두 해석할 수 있고, 우리나라와 같이 하상의 변화가 매우 심한 하천에서도 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서 개발한 SNS 모형은 우리나라 하천에서와 같이 하상의 변화가 매우 심하고, 보와 같은 구조물이 많이 설치되어 있는 하천에서 추가적인 작업없이 바로 적용할 수 있다. 또한 댐 여수로와 같이 매우 빠른 흐름, 도수가 발생하는 흐름에서도 추가적인 내부경계조건없이 다양한 조건의 흐름을 해석할 수 있는 장점이 있다. 부정류 상태의 다양한 흐름을 모의할 수 있고, 상하류 경계조건을 고정하여 부등류를 모의할 수도 있다. 본 연구에서 개발한 SNS 모형은 우리나라의 특별한 상황에 대한 고려가 미흡하였던 기존의 모형에 비해 여러 가지 장점을 지니고 있기 때문에 국내 하천의 다양한 흐름조건에 널리 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.454-454
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• 2016

하천의 치수안정성 확보 및 수심유지, 생태복원 등과 같은 다양한 요구를 충족하기 위한 보의 성능 개선에 대한 연구가 필요하며, 계단형 보는 재료에 의한 폭기효과 및 서식처 효과 등의 환경적요소를 내포하고 있다. 기존 연구는 표면류 흐름특성을 검증하고 유량변화에 따른 하류단 도수발생위치 변화를 분석하는 등 계단형 보에 대해 수리특성을 정량화한 연구가 대부분이며 흐름변화에 따른 유속장에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 기능성 친환경 횡단 구조물 유형 중 하나인 계단형 보의 안정성 검토를 위한 수리적 특성을 분석하고자 함으로써 구조물 안정성에 영향을 줄 수 있는 자체 및 하류 보호공 주변의 유속 분석을 통한 흐름 특성을 검토하고 설계시 외력 고려를 위한 자료를 제공하기 위한 목적이 있다. 이를 위해 계단형 보모형에 대해 수리모형실험을 수행하였다. 폭 0.24 m, 총 길이 3.70 m, 높이 0.30 m인 순환실험수로를 이용하였으며, 계단형 보 모형은 5단으로 단 높이 2 cm와 단 길이 5 cm이며, 보 높이는 10 cm, 보 길이는 25 cm 모형으로 실험하였다. 하류에 전도식 게이트를 설치하여 하류 수위를 증가시키면서 보 하류부에서 발생하는 완전도수부터 하류수심이 보 높이를 초과하는 잠김흐름 조건에 대해 실험하였다. 측정기법은 입자영상측정계(Particle Image Velocimetry; PIV)를 이용하였으며, 상류영역부터 하류영역에 대해 보 주변 흐름의 순간적 유속분포를 확인하였다. 또한 측정된 전반적 흐름 양상에 대해 통계적 수리분석을 수행하였다. 흐름특성에 대한 연구는 향후 계단형 보의 물받이 길이 및 보의 적정 규모 설계시 중요한 자료가 될 것으로 기대한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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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

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2011.02a
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• pp.199-199
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• 2011

유량을 측정하는 수로 중 가장 많이 사용되고 있는 유량 계측 수공구조물은 위어와 파샬플륨이다. 하지만 위어는 직상류부분에 유사가 퇴적되는 단점을 가진 반면, 파샬플륨의 경우 부유사의 침전이 일어나지 않는 장점이 있다. 또한 파샬플륨의 손실수두는 위어의 약 25%에 불과하므로 파샬플륨이 계측수로로써 위어보다 상대적으로 유리하다. 현재 파샬플륨 내 흐름 특성에 관한 연구는 많이 이루어져 있으나 구조물 하류구간에서 발생하는 세굴에 관한 연구는 다소 부족한 실정이다. 따라서 본 연구는 유랑을 측정하는 계측 수공구조물인 파샬플륨의 하류구간 세굴을 수치모의를 통해 검토한 후 이를 바탕으로 물받이 길이를 산정하였다. 수치모의의 적정성 평가를 위해 국제표준화기구(ISO)에서 제시한 ISO No.1에 대해 세굴에 관한 수리모형실험을 실시한 후 수치모의와 비교한 결과 세굴 경향성이 유사하게 나타났다. 파샬플륨 규모별로 하류구간 세굴을 수치모의 한 결과 세굴 경향은 흐름에 따라 크게 4단계로 나뉘었다. 각 단계별로 도수의 위치가 다르며, 이로인하여 세굴 경향이 바뀌는 것으로 나타났다. 특히 도수의 발생 위치가 파샬플륨 내부에서 하류로 이동하면서 세굴심과 세굴 거리가 점차 증가하는 경향을 보였다. 따라서 도수의 발생 위치가 옮겨지기 전 최대 세굴심과 세굴 거리를 이용하여 물받이 길이를 결정하였으며, 도수의 발생 위치를 물받이 위치에 고정시키기 위하여 물받이 형상을 정수지형 물받이로 결정하였다. 산정된 물받이 길이 및 형상의 적정성을 검증하기 위하여 물받이를 ISO No.1에 적용한 후 수치모의를 수행하였다. 수치모의 결과 최대 세굴심은 설치전에 비하여 27.3% 감소하였으며 이에 따라 제시된 물받이는 적정하다고 판단된다. 추후 세굴에 관한 수리모형실험과 수치모의의 결과 비교시 최대세굴심 구간을 제외한 부분의 차이발생의 원인과 다른 형상의 물받이에 관하여 연구를 수행한다면 파샬플륨을 설계시 참고자료로 활용될 수 있을 것이며, 세굴로 인한 파샬플륨의 손상을 방지하는데 기여할 것이라고 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.428-432
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• 2007

댐 제방 등의 붕괴로 인하여 발생하는 급격한 유량의 변화와 흐름영역의 변화로 인한 천이류 및 도수의 발생, 불규칙한 하천단면에서 갈수기 저수기의 흐름해석은 기존의 수치해법의 한계로 인하여 수리모형실험 및 경험식 또는 단면의 단순화 등에 의존하고 있는 실정이다. 본 연구에서는 자연하천에서 비선형 흐름율 계산에 불연속초기조건의 해석해인 Riemann 근사해법을 사용하여 수치적으로 안정되고 정확한 1차원 모형을 개발하고자 한다. 이를 위하여 유한체적법을 사용하였고, 수위와 유량의 계산을 위하여 요구되는 유한체적을 유출입하는 흐름율의 계산에 HLL Riemann 해법을 사용하였으며, MUSCL 기법으로 2차 정확도기법으로 확장하였다. Riemann 해법을 통하여 계산된 비선형의 흐름율과 보존 특성을 만족시켜줄 수 있는 하상 및 하폭변화로 인한 생성항을 처리하는 기법을 제안함으로서 새로운 1차원 수치해석모형을 개발하였다. 개발된 모형의 실제하천의 적용성을 확인하기 위하여 하상과 하폭이 변화하는 부정류 흐름에 적용하여 모형의 적용성 및 정확성을 검증하였다.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.37 no.3
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• pp.575-583
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• 2017

Various types of flow patterns around the stepped weir and spillway, such as the skimming flow over such structures and the wave-type flow with a standing undular hydraulic jump and roller downstream of the structures, are developed in open channels. Unsteady three-dimensional numerical simulations are carried out using a hybrid RANS-LES turbulence modeling approach and the volume of fluid method for resolving free surface fluctuations to represent the turbulent flow including the skimming flow and wave-type flow over a stepped weir installed in a rectangular channel. The comparison of numerical results with an existing experimental measurement reveals that the present numerical simulations reasonably well reproduce the turbulent flow passing the stepped weir, in terms of time-averaged velocity profiles at selected locations downstream of the weir, flow topology characterized by the wave-type and skimming flows, the maximum height and length of the standing wave and the length of reattachment of recirculating zone. The numerical result further elucidates the distinct flow behaviors of the wave-type and skimming flow by presenting instantaneous intense variations of free surface and velocity vectors, the distributions of Reynolds shear stress and turbulent kinetic energy and three-dimensional complex features of coherent structures and total pressure distribution.