• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.173-173
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• 2012

중력류는 두 유체 사이에서 물질의 종류 또는 온도차로 인한 밀도 차이에 의해 발생되는 유체의 흐름을 말하며, 자연환경에서는 저수지에서의 중층탁류, 사막에서의 모래 폭풍, 하구에서의 염수쐐기 등이 그 예이다. 여름철에 강우가 집중되는 우리나라는 홍수에 의한 범람, 침수 등이 발생할 뿐만 아니라 댐이나 하천, 호수 등에 흙탕물이 유입되어 중간층에 정체하는 중층탁류에 의한 피해가 자주 발생하고 있다. 과거에 중층탁류는 일시적인 현상에 불과하였으나 오늘날에는 인공적으로 형성된 정체성 호수나 하천에서 장기간 체류하여 생태계의 교란과 수질 악화를 초래하고 있다. 중층탁류에 의한 피해를 저감시키기 위해서는 본래 자연 상태의 하천이나 호수와 같이 온도분포가 비선형적으로 성층화 된 상태에서 탁수가 유입되어 중층탁류가 형성되는 과정과 흐름 특성을 이해하는 것이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 중력류 흐름 해석을 위한 실험 장치를 개발하였다. 실험 장치 중 수조의 제원은 1200 $700{\times}300mm$이며, 수조 상부에는 가열장치를 설치하였고, 수조 하부에는 냉각장치를 설치하였다. 이들 장치들을 가동하여 깊이에 따른 자연현상에서의 비선형적인 온도 단면을 재현한다. 수리 실험방법은 깊이 방향으로 온도에 따라 비선형적으로 성층화 된 유체 내로 경사가 있는 판을 따라 수조내의 성층화된 유체의 중간 온도 혹은 밀도를 가진 유체를 침입시킨다. 침입유체는 성층화된 유체 내에서 초기에는 중력에 의해 운동량을 갖고 경사면을 따라 일정한 속도로 흘러내려 간다. 이후 바닥으로 하강 한 후 부력에 의해 상승하여 동일한 밀도층의 위치에서 횡방향으로 전파하게 된다. 이 연구에서는 이와 같이 비선형적으로 성층화된 유체 내에서의 침입 중력류의 흐름 특성을 실험적으로 관측하고 분석한다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.38 no.11
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• pp.973-984
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• 2005

A three-dimensional thermal hydrodynamic model is developed for carrying out unsteady simulation of the selective withdrawal of the stably stratified flow in a geometrically complex, natural reservoir The governing equations are discretized on a non-staggered grid using a second-order accurate, finite-volume scheme. The numerical model is validated by applying it to simulate three-dimensional, turbulent, stratified, shear-layer flow case. The numerical predictions appear to capture reasonably well the general shape of velocity and temperature profiles observed in the laboratory experiments, while significant overestimation of the magnitude of velocity profiles is observed in the application to the flow in a natural reservoir. The physics of selective withdrawal as emerge from the numerical simulations are also discussed.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.57 no.2
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• pp.99-110
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• 2024

Paldang Reservoir serves as a crucial water source for the metropolitan area, and national efforts are focused on water quality management. The region near Paldang Dam, where the water intake facility with the greatest depth is located, experiences vertical stratification during the summer. It has been challenging to definitively classify whether this stratification is caused by density currents or summer temperatures. This study aimed to differentiate and analyze stratification due to density currents and temperature variations at key locations in the Paldang Reservoir through vertical water quality measurements. The results allowed us to distinguish between density current and temperature-induced stratification. We found that density currents are primarily caused by temperature differences among inflowing rivers, with flow velocity significantly influencing their persistence. Additionally, based on a combination of monsoon and non-monsoon season characteristics, we classified Paldang Reservoir into regions with distinct river and lake traits.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.386-386
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• 2015

담수가 해수에서 흘러드는 하구에서는 성층이 관측되며 이것은 난류의 미세구조를 변화시키는 주요 원인으로 작용한다. 이러한 성층화 현상은 하구 내 부유사의 군집인 하구 최대혼탁수(Estuarine Turbidity Maximum, ETM)의 형성에 영향을 주게 된다. 본 연구는 성층의 하구 최대 혼탁수 생성 메커니즘에 관심을 두고 수치모델링을 활용한 미세 난류의 부유사 거동 분석에 초점을 두었다. 성층과 전단응력 사이의 난류 혼합을 대표하는 유동인 켈빈-헬름홀츠 불안정성(Kelvin-Helmholtz Instability)을 도입하고 성층 경계면 근처에서 부유사의 이송을 높은 레이놀즈수(Reynolds number) 유동에서 RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes Simulation)보다 다양한 규모의 에너지 획득이 가능하여 미세 난류 구조 재현에 장점을 갖는 Large-eddy Simulation(LES)를 활용하여 모사하였다. 여기에서, 부유사는 주위 유동의 물리적 특성 변화에 영향을 미치지 않는 Passive scalar로 가정하였으며 $6^{th}$-order Lagrangian 다항식 보간법을 적용하여 입자의 이동 속도를 계산하고 이를 시간에 대해 적분함으로써 이동 궤적을 추적하였다. 수치 모델 결과 Lock-exchange 유동 내에서 켈빈-헬름홀츠 불안정성이 발생함에 따라 경계면 주위에 위치한 부유사가 billow 내에서 트랩핑(trapping)되는 것을 보여주어 KH-billow 혹은 braids 내의 미세 난류에 의한 영향이 확인되었다. 본 연구에서는 LES를 활용하여 성층류 및 성층류 내의 부유사 혼합을 모사하여 난류의 정도에 따른 이동 궤적의 차이에 대해서 분석함으로써 성층의 난류 강도 저하에 따른 부유사의 군집으로의 영향에 대해 서술한다.

• Journal of the Korean Society of Marine Environment & Safety
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• v.21 no.4
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• pp.372-380
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• 2015

In order to study the characteristics of physical environment in water column around the artificial upwelling structure, CTD and currents measurements were carried out along line observations. Before installation of artificial upwelling structure was installed, the stratification of water column existed 30m in water depth. After installation of artificial upwelling structure, however, stratification formation depth and strength changed depending on currents directions. It seems that the change of stratification has a close relation with upwelling of lower temperature water. After installing the artificial upwelling structure, the distributions of vertical flows were analyzed. Local upwelling and downwelling flows showed a distinct time and spacial changes. Local upwelling flows caused by artificial upwelling structure appeared 100 times larger than coastal upwelling in the South-East Sea of Korea. Upwelling flows generated by the artificial structure raised the high concentration of nutrients to upper layer from lower layer breaking stratification in the summer. Thus, upwelling structure plays an important role for vertical water circulation improving the food environments by increasing primary production.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.1879-1883
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• 2009

우리나라는 1960년대를 기점으로 수자원의 효율적 이용을 위하여 각종 수리시설물이 건설되었으며 이 중 하나의 방안으로 대형 인공 저수지와 같은 시설물이 건설되었다. 저수지에는 강우시 탁수가 유입되는데 특히, 여름철에 집중되는 우리나라의 강우 특성상 이 시기에는 고탁도의 탁수가 유입된다. 탁수는 쉽게 정화되지 않고 저수지 내에서 성층화 현상을 일으키는데 성층화된 탁수는 물의 연직방향운동을 방해하여 심층부의 산소를 고갈시키고 이는 수질오염과 같은 결과로 이어진다. 그리고 방류시 하류하천까지 흘러가서 피해를 발생시킨다. 이러한 현상은 수질관리에 많은 어려움을 주고 있어 적절한 해결책이 요구되는 바이다. 본 연구에서는 성층구조와 방류유량에 의한 방류특성의 변화를 알아보고자 하였다. 염수를 이용하여 실험 수로 내 밀도성층을 구현하였으며, 선택배제 시 성층구조의 변화 및 흐름특성 파악을 위해 전도율계를 통한 염도측정을 이용하였다. 다양한 밀도성층 조건과 방류유량에 의한 선택배제 특성을 파악하기 위하여 밀도프루드수를 기준으로 실험조건을 설정하여, 다양한 조건에서의 밀도성층수체의 거동양상을 관찰하였다. 이상의 과정들을 통해 효율적인 선택배제 조건을 찾을 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.175-175
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• 2022

하천 합류부는 서로 다른 지형학적 특성과 수리학적 특성을 가지는 두 개의 하천이 하나로 합쳐지는 구간으로 급격한 흐름의 변화 및 퇴적물의 유입과 수리학적 지형변화가 발생하는 구간이다. 합류부 구간에서는 물질의 종류 또는 온도차로 인해 밀도 차이로 유체의 흐름이 발생하게 되는데 이것을 밀도류라고 한다. 밀도차이에 의해 성층이 생긴 수체혼합거동을 파악하기 위해서는 본류 및 지류의 일정 구간을 포함하는 합류부 구간에 대한 정밀한 계측 및 관찰이 필요하다. 이러한 수체 혼합에 대한 종합적인 분석은 유속장 및 유량정보를 취득하여 파악할 수 있지만, 성층류가 흐르는 하천의 서로 상이한 물리적 특성과 수질특성을 가지는 수체의 혼합양상 및 그에 따른 물질혼합양상을 파악하는데 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 합류부 구간에서의 수온 분포를 통하여 밀도류를 파악하고자 한다. 하천의 광범위한 데이터 중 연직 자료와 수표면 자료를 취득하였고, 이를 통해 합류부의 성층현상을 확인하고자 하였다. ADCP를 보트 측면에 설치하여 저속운행으로 수리량을 측정하는 방식과 YSI를 이용해 측선설치 없이 측선 선정 후 보트를 이용하여 흐름에 직각인 방향으로 이동하며 실시간 농도를 측정하는 방식으로 얻은 연직자료 중 수온, EC 등의 직독식 센서 데이터 값을 사용하여 수온차에 따른 수체혼합 패턴을 분석하여 합류부의 혼합 양상을 분석 하고자 하였다. 본 연구에서는 기존 수질측정의 한계였던 1차원적인 측정결과가 나타내는 분석결과를 2차원적으로 보완이 가능하며, 비교 분석한 결과를 토대로 밀도류에 따른 혼합양상 결과가 지니는 혼합패턴을 분석한다면 향후 하천 하류구간의 취수장 취수 시스템에 많은 도움을 줄 뿐만 아니라 합류부 구간의 혼합패턴에 따라 수층 내 성층구간의 현황조사 및 혼합특성 파악을 통해 관리방안제시에 사용될 것으로 사료된다.

• The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY
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• v.15 no.3
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• pp.97-109
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• 2010

This study analyzed stratification and destratification processes in the Kangjin Bay (KB), South Sea, Korea, driven by the Nam Gang Dam water discharge based on numerical modeling experiments. Model performances were evaluated in terms of skill scores for elevation, velocity, temperature and salinity, with scores mostly exceeding 90%. The models reproduced the tidal current, density-driven and wind-driven current. The stratification by fresh water input and destratification by the wind mixing was assessed in terms of the characteristic Richardson number (Ri) in that Ri increased from 0 to 7~20 during the Dam water discharge period, while vertical mixing and destratification followed by the typhoon passage showed Ri, 0 to 2.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1373-1377
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• 2008

강우-유출에 의해 성층화된 저수지로 유입하는 하천수는 저수지 표층에 비해 낮은 수온과 높은 부유물질(SS) 농도를 가지므로 저수지 표층수보다 상대적으로 높은 밀도를 유지한다. 하천으로부터 유입한 밀도류는 유속에 의한 관성력이 두 수체의 밀도차에 의한 음의 부력보다 큰 구간까지는 저수지 표층을 따라 진행하지만, 두 힘이 같아지는 지점에서 밀도류는 더 이상 진행하지 못하고 저수지 수면 아래로 침강하며 이 과정에서 수체간의 많은 혼합이 일어난다. 따라서 홍수시 유입한 탁수의 침강점에 대한 정확한 예측은 수질관리를 위한 현장조사, 그리고 탁수거동 해석 및 최적관리대책 마련에 중요한 요소이다. 본 연구의 목적은 홍수시 대청호로 유입하는 하천 밀도류의 침강위치를 홍수규모별로 경험식과 수치모델을 통해 산정함으로써 두 방법 간의 장 단점을 비교하고, 탁수 현장조사와 최적관리를 위한 기초정보를 제공하는데 있다. 유입수의 모의조건은 그 동안 대청호에서 발생한 홍수 크기를 기준으로 9개의 등급으로 나누었으며, 저수지 성층조건은 여름철 탁수가 유입되기 전의 발달된 성층구조를 적용하였다. 유입수와 저수지 성층구조의 특성치는 밀도 Froude 수($Fr_i$)로 나타냈으며, $Fr_i$ 조건별로 침강점 위치를 저수지 단면을 삼각형태로 가정한 Hebbert et al.(1979) 경험식과 2차원 수치모델로 산정하여 그 결과를 비교하였다. 대청호로 유입한 탁수는 홍수규모에 따라 대정리 수역에서 회남수역 사이 구간에서 침강하였으며, $Fr_i$ 값이 클수록 침강점 수심이 깊어지는 경향을 보였다. 경험식으로 산정한 침강점 수심은 정상상태 조건을 가정하므로 홍수에 의한 수위변화를 고려하지 못하며, 실제의 불규칙한 하상표고를 일정한 하상경사로 가정하기 때문에 2차원 모델의 결과보다 과대산정하는 경향을 보였다. 따라서 홍수가 연속해서 발생하며 수위변화가 심한 국내 저수지 여건에서 하천 유입 밀도류의 거동을 보다 정확히 예측하기 위해서는 2차원 또는 3차원 수치모델을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

• Journal of Energy Engineering
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• v.24 no.1
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• pp.114-122
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• 2015

In the high convective gas flow condition, irregular shaped water waves from which droplet entrainment occurs are generated under horizontally stratified two-phase flow condition. KAERI proposed a new mechanistic droplet entrainment model based on the momentum balance equation consisting of the shear stress, surface tension, and gravity forces. However, this model requires correlation or experimental data of several physical parameters related to the wave characteristics. In the present study, we tried to measure the physical parameters such as wave slope, wave hypotenuse length, wave velocity, wave frequency, and wavelength experimentally. For this, an experiment was conducted in the horizontal rectangular channel of which width, height, and length are, respectively, 40 mm, 50 mm, and 4.2 m. In the present test, the working fluids are chosen as air and water. The PIV technique was applied not only to obtain images for phase interface waves but also to measure the velocity field of the water flow. Additionally, we developed the parallel wire conductance probe for the confirmation of wave height from PIV image. Finally, we measured the physical parameters to be used in the validation of new droplet entrainment model.