• 한국산학기술학회논문지
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• 제15권1호
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• pp.506-514
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• 2014

최근 국내에서 도심지 홍수로 인한 피해 발생이 증가하면서 차집된 다량의 강우를 일시에 배출할 수 있는 와류 유입구에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 중 접선식 유입구는 구조가 단순하고 크기가 작아 적용성이 높으나 설계 유량보다 작은 유량에 대해서 와류가 형성되지 못하는 단점이 있다. 본 연구에서는 이를 보완하여 새롭게 제안된 2가지 종류의 복단면형 접선식 와류 유입구의 수리 특성을 3차원 수치모의를 통해서 분석하였다. 기존에 제시된 한계수심 이론과 자유 배수 조건 이론을 이용하여 복단면 형상의 접선식 와류 유입구의 특성을 흐름 상태, 수면형, 수심-유량 관계, 공기 기둥 면적비 측면에서 분석하였다. 종합적인 수리 특성 분석 결과 완경사형 복단면 접선식 유입구가 최적안으로 판단되나 설계 유량이 작은 경우에는 급경사형 복단면도 가용한 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.43-43
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• 2011

최근 컴퓨터 기술의 발전으로 수심방향으로 완전한 운동방정식인 Navier-Stokes 방정식을 이용하는 3차원 수치모형에 의한 연구가 기초과학 분야인 수학에서부터 공학은 물론 의학 분야까지 광범위하게 진행되고 있다. 3차원 수치모형을 이용한 연구는 이론적으로 매우 우수하긴 하나 정확도 높은 결과를 얻기 위해서는 매우 조밀한 격자를 필요로 하기 때문에 아직까지 막대한 계산시간이 필요하다는 단점이 있으나 근래의 컴퓨터 기술이 엄청난 속도로 발전하고 있는 점을 감안할 때 적용 가능성은 계속 높아지고 있다. 이러한 흐름에 따라 해안공학 분야에서도 3차원 수치모형을 이용한 다양한 연구가 시도되고 있다. 복잡한 해안구조물로 인한 파랑변형 및 구조물의 안전성 등을 검토할 때 기존의 평면 2차원 수치모형이나 연직 2차원 수치모형으로는 재현이 힘들어 상대적으로 수치모형을 활용한 연구의 효용성이 낮았던 것에 비해 3차원 수치모형을 활용할 경우 복잡한 지형 및 구조물의 형상을 재현할 수 있기 때문에 좀 더 유용하게 사용될 수 있다. 한편, 파랑변형을 다루는 수치모형실험을 수행할 때 외부조파를 사용할 경우 구조물이나 지형에 의해 반사되어 나온 파랑이 조파지점에 도달할 때 실험영역으로 재 반사되는 문제가 발생한다. 이를 해결하기 위해 내부조파기법의 개발에 대한 연구가 필수적이었으며, 2차원 수치모형을 중심으로 그 연구가 매우 활발하게 진행되어 왔으나 Navier-Stokes 방정식 모형의 경우 상대적으로 연구가 미흡하였다. 본 연구에서는 3차원 Navier-Stokes 방정식 모형에서 내부조파기법을 도입하여 목표 파랑을 조파하였다. 수치모형은 Navier-Stokes 방정식을 엇갈림 격자체계에서 계산하는 유한차분모형으로 자유수면 추적에는 2차 정확도의 VOF(volume-of-fluid) 기법을 사용한다. 수치모형실험 결과를 일정한 수심을 전파하는 정현파의 해석해와 비교하였으며, 수치모형실험 결과가 비교적 정확하게 목표 파랑을 조파할 수 있음을 검증하였다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제7권3호
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• pp.248-256
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• 1995

표층밀도분류에 대한 수치계산에서 문제로 되는 것은 자유수면의 처리, 레이놀즈응력/플럭스항, 특히 난류변동성분에 미치는 부력효과 등에 관련된 것이며, 이것에 대한 보다 집중적인 연구가 필요하다. 또한, 농도장이나 온도장에서의 난류변동성분을 측정하는 데 있어서의 어려움으로 인한 실험자료의 부족으로 수치 계산으로부터 얻어진 예측결과의 충분한 검증은 이루어지지 않고 있다. 본 연구에서는 2차원 표층밀도분류에 대한 유동특성을 조사하기 위하여 난류의 비등방성을 고려하여 난류응력을 직접 계산하는 대수응력모델을 적용하여 수치계산을 행하고, 그 결과를 실험결과와 비교ㆍ검토하였다. 검토한 결과 대수응력모델은 전 영역모델은 전 영역에서 2차원 표층밀도분류의 유동특성을 양호하게 재현하였으며, 특히 부력효과로 인한 성층화가 발생하는 부력 탁월영역에서 난류유동장의 흐름특성을 합리적으로 예측함을 입증하였다.

• 상하수도학회지
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• 제25권5호
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• pp.627-634
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• 2011

In the present study, the flow behaviors of square jets surface discharged and submerged discharged into shallow water were each simulated using computational fluid dynamics, and the results were compared. As for the verification of the models, the results of the hydraulic experiment conducted by Sankar, et al. (2009) were used. According to the results of the verification, the present application of computational fluid dynamics to the flow analysis of square jets discharged into shallow water was valid. As for the wall jet, which is one form of submerged discharges, at the bottom wall boundary, the peak velocity of the jet rapidly moved from the center of the jet to the bottom wall boundary due to the restriction of jet entrainment and the no-slip condition of the bottom wall boundary, and, as for the surface discharge, because jet entrainment is limited on the free water surface, the peak velocity of the jet moved from the center of the jet to the free water surface. This is because jet entrainment is restricted at the bottom wall boundary and the surface so that the momentum of the central core of the jet is preserved for considerable time at the bottom wall boundary and the surface. In addition, due to the effect of the bottom wall boundary and the free water surface, the jet discharged into shallow water had a smaller velocity diminution rate near the discharge outlet than did the free jet; at a location where it was so distant from the discharge outlet that the vertical profile of the velocity was nearly equal (b/x =20~30), moreover, it had a far smaller velocity diminution rate than did the free jet due to the effect of the finite depth.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 한국방재학회 2011년도 정기 학술발표대회
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• pp.159-159
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• 2011

수자원 공급의 시 공간적 편차가 큰 우리나라에서는 수자원을 이용하기 위해서 다수의 댐을 건설하고 있다. 특히, 생활수준의 향상으로 용수 수요가 급증하였기 때문에 용수가 부족한 곳에는 광역상수도 사업 등을 통하여 용수를 공급하고 있다. 댐에서 용수가 공급되기까지의 과정은 일종의 관수로 흐름으로 생각할 수 있다. 관수로 내를 흐르는 유체가 갑자기 정지하게 되면, 유체 운동 에너지의 변화가 유발되고, 그로 인해 관내에 급격한 압력의 상승이 일어나게 된다. 반대로 정지하고 있던 유체가 빠른 속도로 흐르게 되면 압력 감소가 급격하게 발생한다. 이와 같이 유체 운동 상태의 급변에 의한 압력변화와 그에 따른 압력파가 음속의 속도로 상 하류로 전파되는 현상을 수격작용(waterhammer)이라 한다. 통상적으로 수격작용은 밸브 개폐 정도가 갑자기 바뀔 때, 펌프의 급격한 기동이나 정지 시, 터빈 내 전력소요가 갑자기 바뀔 때, 댐 수위의 갑작스런 변화, 펌프 임펠러의 진동, 물 수요의 급격한 변화 등에 의해 발생하며, 수격작용은 유체의 질량과 운동량 때문에 관 벽에 큰 힘을 가하게 되어 정상적인 동수압 보다 몇 배나 큰 압력을 발생시킴으로 관 자체는 물론 펌프, 밸브, 터빈 등 관 시설물을 파손시키거나 진동, 소음 등을 야기시킴으로 대규모 건물, 공장, 발전소 등을 설계할 경우 그에 대한 적절한 대책을 강구하여야 한다. 특히 댐에 연결된 저수지 또는 조정지로부터의 도수로가 압력수로이며 그 길이가 상당히 크면 수차가 급정지했을 경우 수격작용에 의해서 압력터널 내에 과도한 압력상승이 일어난다. 이 압력상승을 방지함과 함께 발전소 부하의 증감에 따라서 수량을 공급하거나, 흡수할 목적으로 압력도수로와 수압관과의 접합부에 자유수면이 있는 수조를 설치한다. 이것을 조압수조(surge tank)라 한다(최영박, 1979). 조압수조에서 부하의 급속한 차단에 의해서 수차로 유입될 수량이 차단되면 도수로 내로 흘러 들어온 물은 관성 때문에 수조 내의 수위를 상승시키고, 수조 수위가 어느 정도 이상으로 되어 저수지 수위 보다 상승하면 수조로의 유입이 정지하고 반대로 수조에서 저수지로 역류하여 수조수위는 하강한다. 즉, 조압수조는 도수로 내에 발생한 과도한 압력을 수조 내 수면의 승강운동을 이용하여 감소시키고 원래의 안정적인 수위로 회복시킨다. 본 연구에서는 수격작용에 대한 댐 안정성을 확보하는 수단 중의 하나인 조압수조에 대해 살펴보았다. 연구대상으로 용담댐을 선정하였다. 용담댐에 대한 기존의 검토결과 수직 갱의 지름이 5m 이상이면 조압수조의 동적안정조건을 만족 시키는 것으로 조사되었다. 댐의 설계홍수위인 EL. 265.5m를 기준으로 조압수조의 안정성을 감소시키지 않는 범위 내에서 조압수조 내 격벽 설치 유 무에 따른 수조의 최적 크기를 산정하였다. 산정결과를 분석한 결과 동일 조건에서 격벽을 설치한 경우가 격벽을 설치하지 않은 경우에 비해서 조압수조의 면적이 약 21% 감소하는 것으로 나타났다.

• 대한환경공학회지
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• 제29권4호
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• pp.425-437
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• 2007

시화호 인공습지의 수리동력학적 특성과 입자성 물질의 침전특성을 살펴보기위해 물흐름조사 및 입자성 물질의 퇴적율 측정을 실시하였다. 시화호 인공습지는 크게 3개의 습지(반월, 동화, 삼화)로 나누어 볼 수 있는데 이는 각각의 하천에서 유입되는 비점오염물질의 처리를 위해 조성되었다. 조사지역은 반월천 고습지를 대표지역으로 선정 후 실시하였다. Rhodamine 50WT Red를 사용하여 물흐름 실험을 수행한 결과 자유수면(open water) 지역과 수로를 통한 물흐름이 주를 이루고 있었으며 식물이 식재되어 있는 폐쇄수역(closed water)에서의 물흐름이 지체되는 것으로 나타났다. 반월습지의 상부 및 하부 습지의 평균 수리학적체류시간(hydraulic retention time, HRT)은 각각 34.1 hr, 74.6 h,로 나타났으며 총 체류시간은 108.7 hr(4.5 day)이었다. 반면에, 침전율은 침전지(A지역)보다는 하류부의 open water지역(B, C, D지역)에서 높은 것으로 조사되었다. 향후 open water 내에 축적 가능한 sediment 양을 추정한 결과 20년 후 각 지역의 침전 깊이는 A: 6.3 cm, B: 8.3 cm, C: 7.0 cm, D: 9.5 cm로 나타났다. sediment trap 내의 유기물 축적량은 강우의 영향으로 1차 조사시기에 가장 높은 것으로 나타났으며 A 지역보다 B, C, D 지역에서의 축적량이 높은 것으로 조사되었다. 또한, 질소, 인 성분들은 하부습지에서 높게 나타났다. 이러한 결과로 인공습지의 효율적 관리를 위해서는 물흐름 및 입자성 물질들의 퇴적 특성에 대해 시간 변화에 따른 지속적인 조사 및 관리가 요구되어 진다.

• 한국습지학회지
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• 제20권1호
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• pp.54-62
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• 2018

다양한 토지이용에서 발생된 영양염류는 수계 유입시 부영양화를 유발하며, 녹조발생의 원인물질이 되기에 비점오염원으로부터 영양염류를 저감하기 위한 LID 기법의 적용이 필요하다. 본 연구는 영양물질의 저감효율을 높이기 위한 하이브리드 인공습지(HCW)의 설계인자를 도출하고자 수행되었다. 하이브리드 인공습지는 공주대학교 천안캠퍼스내 100% 불투수층으로 이루어진 주차장 및 도로의 강우유출수 처리를 위하여 2010년에 조성되었으며, 현재까지 모니터링이 수행 중이다. 하이브리드 인공습지의 조성 이후 현재까지 수행 중인 모니터링 결과를 활용하여 산정한 TN의 평균 제거효율은 74%였으며, TP의 평균 제거효율은 72%로 나타났다. 이러한 TN 및 TP 제거효율은 일반적인 인공습지에 비하여 높은 제거효율이며 자유수면 습지 및 지표하 흐름습지에서의 활성화된 물리적 및 생태학적 기작에 기인한다. 하이브리드 인공습지의 효율적 영양물질 저감을 위한 중요설계인자는 유역면적 대비 시설면적의 비(SA/CA), 강우유출량, 강우강도 등으로 나타났으며, 영양물질 제거를 위한 최적 유입수의 C/N 비는 5:1에서 10.3:1로 산정되었다. 본 연구 결과는 도시지역의 강우유출수 내 영양염류를 고효율로 처리하고자 하는 하이브리드 인공습지의 효율적 설계에 사용 가능하다.

• 생태와환경
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• 제35권4호통권100호
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• pp.285-294
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• 2002

본 연구는 농업용저수지의 수질개선을 위한 인공습지 시스템에서 수리학적 부하조건과 수질정화 특성간의 상관관계를 평가하고, 습지의 조성과 관리에 관한 기본적이며 주요 인자들을 규명하고자하였다. 인공습지시스템은 저수지 중층수를 유입시키기 위한 양수장과 미나리, 창포, 줄, 부들, 갈대등의 정수식물을 식재한 6개의 개별습지로 구성되어 있다. 시스템은 자유수면흐름방식으로 유입처리유량 $0.012-0.122\;m^3/s$,수리학적 체류시간 0.5-2.0 hr의 수리학적 고부하조건으로 운영하였으며, 수심은 0.1-0.2m, 유입수질은 저수지를 대상으로 하여 비교적 낮은 영양염류 농도(TN 2.224-2.462 mg/L, TP 0.145-0.164 mg/L)를 가지고 있다. 본 연구기간 중 각 개별습지의 평균 수질정화효율은 TN 12.1-14.3%로 갈대조에서 높게 나타났으며, TP는 6.3-9.5%로 식물 종에 따른 른 차이가없었다. SS는 17.4-38.5%, Cht-a는 12.6-20.2%로 미나리조에서 높게 나타났는데, 이는 유입수 농도가 다소 높은 때문으로 판단된다. 시간당 정화량은 TN $1.299-2.343\;g{\cdot}m^{-2}{\cdot}d^{-1}$ TP $0.85-1821\;g{\cdot}m^{-2}{\cdot}d^{-1}$, SS는 $17.9-111.6\;g{\cdot}m^{-2}{\cdot}d^{-1}$. Chl-3는 $0.011-0.094\;g{\cdot}m^{-2}{\cdot}d^{-1}$로 정화효율에서와 달리 TN은 줄에서 가장 높았고, TP는 창포에서 높았다. 침강성 물질인 SS와 Chl-a는 미나리에서 높게 나타났으며, 미나리는 BOD, COD, TN, TP등 다른 수질항목에서도 높은 값을 보여주고 있어 정화효율에서와 같이 유입수농도가 습지내 물질제거에 영향이 있음을 보여준다. 정화효율 및 시간당 정화량과 수리학적 조건간의 상관관계는 수심, 체류시간, 일유입량, 수리학적 부하량, 유입수 농도, 온도 등 다양한 변수에 의한 영향으로 비교적 낮게 나타났다. 정화효율과 수리학적조건간의 상관계수($R^2$)는 수리학적 체류시간과 0.016-0.731,일처리유량과는 0.015-0.868을 나타내었으며, 시간당 정화량과 수리학적 조건간의 상관계수($R^2$)는 수리학적 체류시간과는 0.173-0.763,일처리유량과는 0.209-0.770의 범위를 나타내었다. 정화효율과 수리학적 부하조건간의 상관계수($R^2$)Tt 0.5 이상을 나타내는 각 수생식물 습지별 수질항목은 체류시간과 일처리유량에 대해각각 20%,정화속도와 수리학적 조건간의 상관계수는 체류시간에 대해 53%, 일처리유량에 대해73%가 0.5이상을 보이고 있어 시간당 정화량과 수리학적 조건간의 상관관계가 정화효율과의 상관관계보다 좀더 유의성 있게 나타났다. 이것은 높은 수리학적 부하조건이 영양염류 등의 정화효율에는 크게 영향을 미치지 않음을 보여주고 있으며, 따라서 비교적 낮은 농도의 영양염류를 가지고 있고, 많은 처리수량을 요구하는 부영양화된 저수지의 수질개선을 위해서는 높은 수리학적 부하조건에서 시간당 정화량을 늘리는 관리방법이 경제적이며, 이에 초점을 맞추어 나가야 할 것으로 사료된다.