• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.138-138
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• 2011

식생된 개수로에서 식생의 영향을 파악하기 위해 k-$\in$ 난류 모형을 이용하여 수치모의를 하였다. 식생의 영향을 고려하기 위해 항력항을 추가한 지배방정식을 구성하였으며, 지배방정식을 해석하기 위하여 유한체적법을 사용하였다. 수치모의에서 구한 식생된 개수로의 흐름구조를 기존의 수리실험 결과와 비교하여 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다. 난류의 생성과 소멸을 수치모의한 결과, 부분구간 식생된 경우 식생높이 보다 낮은 구간에서는 후류에 의한 난류 생성이 지배적이며, 식생높이보다 높은 구간에서는 주로 마찰에 의한 난류 생성이 지배적임을 보였다. 기존의 연구들은 식생의 영향을 고려하여 개수로의 흐름을 연구한 예는 드물며, 현재까지 진행되어진 국내의 연구는 난류모형을 이용하여 식생된 개수로에서의 흐름 구조를 모의하였다. 따라서 난류흐름을 모의하는데 가장 보편적인 k-$\in$ 난류모형을 이용하여 식생된 개수로에서 수직방향으로의 흐름구조와 식생의 영향을 해석하는 것은 그 자체로도 의미 있는 연구이며, 앞으로의 환경수리 문제를 해결하기 위해 선행되어야 하는 연구이다. 식생된 개수로에서의 난류구조와 부유사 이동에 대한 식생의 영향을 비정상 1차원 수직모형으로 해석하였으며, 폐합문제를 위해 2-방정식인 k-$\in$ 난류모형을 사용하였다. k-$\in$ 난류모형에 식생에 의한 항력항을 더하여 지배방정식을 구성하였다. 수직방향에 대해 흐름방향 유속 u, 난류에너지 k, 그리고 난류에너지 소산율 $\in$의 분포를 구하고, 부유사에 대한 수송방정식을 풀었다. 식생된 개수로와 식생되지 않은 개수로에서의 유속분포, 난류강도, 레이놀즈 응력 분포와 난류의 생성과 소멸을 구하여 식생이 난류흐름에 미치는 영향을 분석하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.177-177
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• 2015

개수로에서 식생은 항력을 발생하여 평균유속을 감소시킬 뿐만 아니라, 식생영역과 비식생영역의 경계에서 유속 차를 발생시켜 일반 개수로 흐름보다 복잡한 흐름구조를 형성한다. 또한, 식생은 개수로 흐름에서 부피를 차지하여 식생영역의 유량을 감소시킨다. 일반적으로 식생이 식재된 개수로 흐름을 수치모의 할 경우 체적비를 고려하지 않을 때가 많다. 하지만 물과 식생의 체적비가 높을 경우, 식생에 의한 부피를 고려하지 않으면 실제 유속을 과다산정 하여 흐름모의가 정확하지 않다. 그러므로 식생이 있는 흐름을 정확히 수치모의하기 위해 식생의 체적비를 고려하여 실제 유속을 산정하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 식생된 개수로 흐름의 수치모의에서 체적비 도입의 필요성을 분석하였다. $k-{\varepsilon}$ 난류모형을 이용하여 수치모의를 수행하였고, 지배방정식에 식생항을 추가하여 식생이 식재된 개수로 흐름을 모의하였다. 식생 체적비를 고려하기 위해 지배방정식에 식생 체적비에 관한 항을 추가하였다. 체적비 도입의 필요성을 알아보기 위해 선행연구의 침수식생 실험수로를 대상으로 수치모의하였다. 식생밀도가 낮은 경우 식생 체적비의 고려 유 무가 모의결과에 미치는 영향이 작았으나, 식생밀도가 높은 경우에는 식생 체적비를 고려한 경우가 보다 정확한 모의결과를 도출 할 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.429-433
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• 2005

본 연구에서는 레이놀즈응력모형(RSM: Reynolds Stress Model)을 이용하여 부분 식생된 개수로 흐름을 수치모의 하였다. 부분 식생된 개수로 흐름에서의 평균유속 및 난류구조를 수치모의 하고 기존의 실험결과와 비교하였다. 그 결과 개발된 모형이 식생된 개수로 흐름을 매우 잘 예측하는 것으로 나타났다. 특히, 이차흐름 벡터도를 수치모의 한 결과 식생구간과 비식생 구간에서 방향이 서로 다른 새로운 이차흐름 구조가 형성되는 것으로 나타났다. 또한 주흐름방향으로의 최대유속이 비식생 영역의 수면 아래에서 발생되고, 식생 및 비식생 영역의 경계면에서 난류량이 최대 값을 갖는 것을 확인하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.93-93
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• 2019

식생이 있는 개수로 흐름의 분석이 중요한 이유는 식생이 흐름 특성과 유사이송 및 하상변동에 영향을 주어 복잡한 흐름 현상을 만들어 내기 때문이다. 식생 밀도, 식생 길이, 식생이 식재된 형태에 따라 흐름의 현상이 달라지며, 흐름 특성의 변화로 인해 하상 및 주변 하천구조물에 영향을 줄 수 있다. 하천의 식생은 대부분 폭과 길이가 제한된 모습으로 존재하는 경우가 많으며, 식생이 존재하는 영역에서는 식생항력에 의해 유속이 감소하고 식생이 없는 영역에서 유속이 증가한다. 식생항력에 의해 변화된 흐름 특성은 일정 거리를 지나면 평형상태에 도달하게 되며, 식생의 경계면에서는 전단층이 발달하여 모멘텀의 교환이 활발하게 발생하는 현상을 보인다. 식생 흐름의 특성을 분석하기 위해 수치모형으로는 식생 흐름의 강한 비등방성을 모의할 수 있는 비등방성 수치모형이 적합하다. 본 연구에서는 부분 식생이 식재된 개수로에서 RSM (Reynolds stress model)을 이용하여 식생과 식생 주변의 흐름 특성 및 난류량을 분석하였다. 흐름의 변화에 따라 크게 3 구간으로 나누어 흐름 특성을 파악할 수 있으며, 식생의 밀도와 식생 영역의 폭의 길이에 따라 각 구간의 길이가 달라지는 것을 확인하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2006.05a
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• pp.1275-1280
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• 2006

자연 저항체인 식생은 유체역학적으로 하천의 평균흐름과 난류량을 변화시키며, 이와 관련하여 유사, 영양 물질, 용존 산소, 그리고 서식 동물 등에 많은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 과거에는 식생된 수로의 흐름을 식생에 의해 항력이 증가된 경계층 흐름으로 단순하게 보아 왔으나, 근래의 실험유체역학적 연구는 식생된 하천 흐름에 대한 미시적인 구조를 규명하였다. 본 연구는 식생수로에서 평균흐름 및 난류량에 관한 수리특성을 분석하고자 하며, 부유사의 퇴적, 유입, 이송 등의 거동에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 고유구조를 파악하였다. 식생된 개수로 흐름의 일반적인 평균흐름 및 난류구조는 기존의 연구결과와 동일하였으며, 본 연구에서 중점을 둔 고유구조의 경우, 식생높이를 기준으로 하여 상 하부의 흐름특성이 서로 상이한 것을 확인하였다. 식생높이 상부에서는 유속이 수면방향을 향하는 분출현상이 지배적으로 나타났으며, 식생높이 하부에서는 이와는 반대로 유속의 변동성분이 하상으로 향하는 쓸기현상이 지배적으로 나타났다. 이는 개수로에 식생이 존재할 경우 부유사의 농도분포가 수심에 따라 일정해지는 것에 대한 물리적인 근거로 파악된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.400-404
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• 2009

본 연구에서는 곧은 식생과 유연한 식생 및 다양한 수심비를 갖는 개수로 흐름 조건에 대한 수리실험을 실시하였다. 레이저 도플러 유속계를 이용하여 수로 전체 단면의 유속을 측정함으로써, 이차흐름이 평균유속 및 난류량에 미치는 영향을 분석할 수 있도록 하였다. 평균유속의 경우, 수치모의결과와 동일하게 측벽근처에서 최대 유속이 발생하였다. 유속측정자료를 이용하여 침수식생 개수로 흐름의 벡터도를 살펴본 결과, 침수식생 개수로의 경우 일반 개수로 흐름과는 달리 바닥 와 (bottom vortex)가 측벽 근처에서 매우 활발한 것으로 나타났으며, 이로 인해 수로 중앙의 높은 운동량을 가진 유체가 측벽방향으로 이동하고 있음을 확인하였다. 또한 측벽에서 이차흐름으로 인해 발생하는 강한 하강류가 레이놀즈응력 및 난류 강도의 수직방향 분포 형태에 영향을 미치는 것을 확인하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.127-127
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• 2017

침수식생이 식재된 개수로에서 식생밀도에 따라 유동 및 난류의 특성이 변화된다. 이러한 특성은 식생에서의 유사, 영양물질, 용존 산소 등에 영향을 미치며 수중 생물의 서식에 변화를 준다. 따라서 침수식생이 식재된 개수로 흐름을 이해하는 것은 중요하게 여겨지고 있으며 많은 선행연구자들에 의해 실험 및 수치모의를 통해 활발히 연구되고 있다. 하지만 대부분의 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)를 기반으로 한 선행연구에서는 침수식생의 흐름 특성을 반영하지 않은 모형을 이용하여 정확한 모의 결과를 도출하지 못 하였다. 이에 정확한 침수식생 흐름을 수치모의하기 위해서는 침수식생 흐름의 특성을 반영한 지배방정식을 이용해야 한다. 본 연구의 목적은 침수식생 흐름의 특성을 RANS 모형 중의 하나인 SA (Spalart-Allmaras) model에 반영하고, 식생밀도에 따른 유동 및 난류량을 실측치와 비교하는 것이다. RANS 방정식을 이용하여 난류모델링을 하였으며, 난류폐합문제를 해결하기 위해서 modified SA model을 이용하였다. 침수식생에서의 흐름을 해석하기 위해 운동량방정식에 식생항력을 추가하였다. 선행연구자의 식생수로 실험을 바탕으로 모형검증을 하였으며, 식생밀도에 따라 평균유속 및 난류구조를 확인하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.930-934
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• 2007

본 논문은 수리실험을 통해 침수식생 개수로의 단면특성을 살펴보고자 하는 실험논문이다. 레이저 도플러 유속계를 이용하여 측벽으로부터의 거리에 따른 침수식생 개수로의 2차원 순간속도를 측정하였다. 측정된 유속자료를 이용하여, 평균유속, 레이놀즈응력, 난류강도를 살펴보았으며, 침수식생 개수로 흐름의 단면특성을 살펴보았다. 실험결과 침수식생 개수로는 기존의 일반적인 개수로흐름과는 다른 단면 흐름특성을 보이는 것을 확인하였다. 특히 최대유속 발생지점이 수로 중앙이 아닌 측벽 근처로 이동하였으며, 이차흐름의 영향으로 인하여 흐름방향 등유속선의 물결형태와 레이놀즈응력 및 난류강도의 최대값 발생위치 이동과 같은 현상이 발생하는 것을 확인하였다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.38 no.10 s.159
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• pp.871-883
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• 2005

This paper investigates the impacts of turbulent anisotropy on the mean flow and turbulence structures in vegetated open-channel flows. The Reynolds stress model, which is an anisotropic turbulence model, is used for the turbulence closure. Plain open-channel flows and vegetated flows with emergent and submerged plants are simulated. Computed profiles of the mean velocity and turbulence structures are compared with measured data available in the literature. Comparisons are also made with the predictions by the k-$\epsilon$ model and by the algebraic stress model. For plain open-channel flows and open-channel flows with emergent vegetation, the mean velocity and Reynolds stress profiles by isotropic and anisotropic turbulence models were hardly distinguished and they agreed well with measured data. This means that the mean flow and Reynolds stress is hardly affected by anisotropy of turbulence. However, anisotropy of turbulence due to the damping effect near the bottom and free surface is successfully simulated only by the Reynolds stress model. In open-channel flows with submerged vegetation, anisotropy of turbulence is strengthenednear the vegetation height. The Reynolds stress model predicts the mean velocity and turbulence intensity better than the algebraic stress model or the k-$\epsilon$ model. However, above the vegetation height, the k-$\epsilon$ model overestimates the mean velocity and underestimates turbulence intensity Sediment transport capacity of vegetated open-channel flows is also investigated by using the computed profiles. It is shown that the isotropic turbulence model underestimates seriously suspended load.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.395-395
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• 2015

하천 내 식생은 수리학, 지형학 및 생태학적으로 매우 중요하다. 식생은 하천 수생물들의 서식처를 제공할 뿐만 아니라 필터와 같은 역할을 함으로써 부유사에 의한 하천오염물의 퇴적을 유발하여 하천의 수질을 개선시킨다. 더욱이, 하천 내 흐름 및 난류구조를 변경시킴으로써 식생주변의 유사 퇴적량 및 분포에 크게 영향을 미치고, 결국 하천의 지형을 변화시킨다. 개수로의 식생에 대한 영향은 주로 실험 및 수치모델을 이용하여 연구되었고 전단면이 식재된 조건에서 식생의 항력계수, 식생역내의 부유사 및 확산에 관한 연구가 진행되어왔다. 이러한 연구를 통해 식생역 내의 전단력이 감소하여 부유사퇴적이 증가하고 식생역과 비식생역 사이의 운동량 교환에 의해 부유사 퇴적이 증가함을 보였다. 그러나 개수로에서 존재하는 유한한 크기의 식생에 의한 흐름 및 유사분포에 관한 연구는 아직 미흡하다. 이에 본 연구에서는 침수하지 않은 원형 식생 주변에서 발생하는 흐름특성을 수치모의 하였다. 침수하지 않은 원형식생 하류에서 발생하는 흐름을 계산하기 위해 2차원 수치모형을 적용하였다. 식생에 의한 저항을 고려하기 위해 운동량 방정식에 식생항을 추가하였고 $k-{\varepsilon}$ 난류모형을 적용하였다. 수치모의 조건은 Zong and Nepf (2012)의 수리실험을 참고하여 수로의 길이는 12 m, 폭은 1.2 m로 설정하였다. 0.13 m 수심을 갖는 개수로에 0.22 m 지름을 갖는 원형식생을 상류경계로부터 1.0 m 떨어진 곳에 설정하였다. 식생의 밀도($6{\sim}77m^{-1}$)를 변화시키면서 원형식생 하류의 흐름거동을 분석하였다. 식생밀도가 높은 경우에는 원형식생 양 측면에서 유발된 전단층들의 상호작용에 의해 하류에서 와류가 발생하였다. 와류가 발생하는 위치에서 난류강도가 가장 크게 나타났다. 그러나 식생밀도가 일정 값보다 낮아지면 와류가 발생하지 않는 것으로 나타났다.