• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.434-438
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• 2005

본 연구에서는 개수로 흐름에서 전단속도의 분포를 조사하였다. 이를 위해 직사각형 개수로 흐름과 복단면 개수로 흐름에 대한 DNS 자료를 이용하였으며, 계산된 전단속도는 기존의 실험자료 및 수치해석결과와 비교$\cdot$분석되었다. 평균흐름장에서는 직사각형 개수로 흐름의 경우, 자유수면 부근에서 내측이차흐름이 발생하는 것을 볼 수 있었으며, 복단면 개수로 흐름에서는 주수로와 홍수터의 접합부 부근에서 쌍와가 생성되는 것으로 나타났다. 이차흐름의 최대크기는 체적평균된 주흐름방향 유속의 약 $5\%$로서, 직사각형 개수로 흐름에서 발생되는 것보다 더 강하다는 것을 알 수 있었다. 이러한 이차흐름의 영향으로 주흐름방향 평균유속의 등속선이 편향된 것으로 나타났다. 본 DNS에서 전단속도가 최대값을 갖는 지점은 직사각형 개수로 흐름의 경우 자유수면이며, 복단면 개수로 흐름의 경우 접합부인 것으로 나타났다. 이는 기존 LES 결과와 동일하지만, 실험연구와는 다른 결과이다. 접합부에서 이러한 차이를 보이는 이유는 실험에서 마찰속도를 산정하기 위해 사용하는 방법의 부적합성에 있는 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.15-15
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• 2022

우리나라 홍수 발생은 강수량이 집중되는 여름철에 집중되어 있어 홍수피해 방지에 주의가 필요하다. 보와 제방 등 이러한 홍수 피해를 대비하기 위한 구조물에 설계를 위해서는 하천의 유량 조사가 필수적으로 요구된다. 하지만 홍수기 직접적인 유량 조사는 안전상의 이유로 거의 이루어지지지 않고 있으며, 수위를 측정하여 수위-유량 관계를 만들어 유량을 측정하고 있다. 그러나 중소 규모의 하천의 경우 하도 경사가 급해 사류가 발생하거나 하도 단면이 급변하는 경우가 있어 수위-유량 관계를 그대로 적용하기 어려운 문제가 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 하천에 진입하지 않고 유속을 측정 할 수 있는 영상유속계와 같이 흐름 영상을 사용하여 유속을 측정하는 방법들이 개발되었다. 영상유속계의 측정 방법중 Spatio Temporal Image(시공간 영상)을 사용하는 방법은 일정시간의 시간평균 유속을 산정할 수 있고 한 장의 시공간 영상을 분석하기 때문에 유속 산정에 걸리는 시간이 작은 장점이 있지만 영상 내 흐름 방향을 정확히 설정하지 못하면 오차가 생길 수 있는 문제가 있어 주 흐름 방향을 정확히 탐색할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 영상에서 시공간 체적을 만들어 주흐름 방향을 찾아내는 기법들의 장단점을 비교하고 안동 하천실험센터의 실규모 하천수로에 적용하여 결과를 비교하고 적용성을 평가하였다. 이를 위해 하천수로에 추적자를 살포하여 영상으로 녹화하였으며 녹화된 영상을 자기상관법과 시간적분법을 적용하였으며, 이를 통해 주 흐름 방향을 판별하였다. 또한 두 방법을 통해 결정된 주흐름 방향을 적용하여 시공간 영상을 제작하고 이를 이용하여 유속을 산정하여 비교하였으며, 주흐름 방향을 산정하는데 생기는 오차가 유속 계산에 얼마만큼의 영향을 끼치는지 분석하였다. 이러한 실험을 통해 하천에서 시공간 영상을 활용한 표면영상 유속계측 방법을 활용하는데 있어 도움이 될 것으로 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.426-430
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• 2009

본 연구에서는 ADCP 측정자료를 효율적으로 활용할 수 있도록 ADCP 이동측정법 자료의 후처리 프로그램을 개발하였다. 먼저, 측정된 ensemble과 방위별 유속으로 표시되던 단면유속분포를 한 눈에 알아볼 수 있도록 좌표를 정리하고 주흐름방향 유속을 출력하는 등, Sontek과 RDI 자료 취득 소프트웨어의 ascii 파일을 사용자가 쉽게 알아보고 가공할 수 있도록 변형하였다. 또한, 기존 ADCP 사용과 관련하여 발표된 screening 및 smoothing 기법을 적용하여 유효한 유속자료를 선별하고 단면의 평균 흐름에 근접한 유속자료를 제공하도록 하였다. 멱함수를 이용한 외삽으로 측정불가역의 유속 및 유량을 추정하였으며, 총 53개 측정자료의 유량을 추정한 결과 ADCP 소프트웨어가 제공하는 유량과 평균 1.33 %의 오차를 보였다. 마지막으로, 정리된 ADCP 자료로부터 하천의 주요 수리학적 특성을 추정하도록 하여 하천단면을 횡단하는 간단한 ADCP 측정만으로도 많은 시간과 노력을 들여 측정하던 하천의 특성을 신속히 파악할 수 있도록 하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제54권11호
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• pp.933-942
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• 2021

홍수시 하천의 유속을 효율적이고 안전하게 측정할 수 있는 방법의 하나로 제시된 것이 표면 영상유속측정법이다. 표면영상유속측정법에는 영상분석 기법에 따라 다양한 종류가 있으나, 이 중에서도 최근 일정시간 동안의 유속의 시간평균을 한 번에 산정할 수 있는 시공간영상 유속계측법이 하천의 표면유속 측정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 시공간영상 유속계측법은 일정 시간 동안의 시공간 영상을 한 번에 분석하기 때문에, 유속산정 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 시공간영상 유속계측법은 주흐름방향을 정확히 알지 못하면 오차를 유발할 수 있다. 본 연구는 표면영상을 시간적으로 누적한 시공간체적을 구성하고, 이 시공간체적에서 시간축 방향으로 최대값 영상을 만든 뒤 이를 고속푸리에변환하여 주흐름방향을 탐색하는 새로운 기법을 제안하였다. 이 방법은 공간영상에서 주흐름방향을 찾는 첫단계와 주흐름방향의 시공간영상에서 유속의 크기를 산정하는 두번째 단계로 구성되어 있다. 첫번째 단계에서 찾아낸 주흐름방향으로 시공간영상을 작성하고, 이 시공간영상의 고속푸리에변환을 이용하여 유속을 산정하였다. 제안된 방법은 주흐름방향을 정확하게 추정하여 시공간영상을 생성하고 분석하므로, 기존 방법들이 취약했던 이차원 흐름에 대해서도 신속하고 정확한 유속분석이 가능하다. 개발된 방법을 공동흐름에 대한 인공영상에 적용한 결과 비교적 정확하게 2차원 유속분포 측정이 가능한 것으로 나타났다.

• 대한토목학회논문집
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• 제28권6B호
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• pp.643-651
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• 2008

본 연구에서는 횡방향 언덕-저면의 하상형상을 갖는 개수로 흐름을 수치모의 하였다. 곡선좌표계에 대한 지배방정식을 유도하고, 난류폐합을 위해 Speziale(1987)가 제안한 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형을 이용하였다. 개발된 모형의 개수로 흐름에 대한 적용성 및 모형 상수의 민감도를 분석하기 위해 직사각형 개수로 흐름을 수치모의 하였다. 그 결과 모형상수 $C_D$와 $C_E$는 각각 이차흐름 강도 및 난류의 비등방성에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 또한 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형이 자유수면에서 발생되는 난류의 비등방성을 정확히 모의할 수 없는 것으로 나타났으나, 전반적인 이차흐름 분포는 비교적 잘 예측하는 것으로 확인되었다. 한편 개발된 모형을 이용하여 횡방향 하상형상을 갖는 개수로 흐름을 수치모의하고 기존의 실험 결과와 비교하였다. 그 결과 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형이 하상형상의 언덕과 저면에서 발생되는 상향류 및 하향류를 비교적 정확히 예측하는 것으로 나타났으며, 계산된 주흐름방향 평균유속 및 난류구조 역시 기존의 실험 결과와 잘 일치하였다. 그러나 비선형 $k-{\varepsilon}$ 모형은 하상형상의 저면을 향하는 하향류를 과소 산정하는 것으로 확인되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
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• pp.14-14
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• 2022

홍수시 하천의 유량측정은 매우 어렵고 위험하며 많은 노력과 비용이 드는 작업이다. 이러한 홍수시 유량측정을 위해 영상을 이용하여 하천의 표면유속을 측정하고 여기서 유량을 산정하는 기술은 하천 유량 측정의 자동화와 안전한 유량 측정을 위한 대안으로 크게 주목받고 있다. 그런데, 유속측정을 위해 20~40초 정도의 영상의 평균유속을 구하고자 하면, 방대한 양의 영상처리에 많은 시간이 소요되어 실시간 측정이나 분석이 어렵게 된다. 본 연구는 영상을 이용하여 홍수시 하천의 유량을 실시간으로 측정하기 위해 투영변환과 시공간영상 분석법을 적용하여 실용적인 표면영상유속계를 개발하기 위한 것이다. 이를 위해, 3차원 투영변환(11변수 변환)을 적용하여 측정선과 유속측정점의 위치를 영상내에 특정하고 이 부분만을 추출하여 시공간 영상(spatio-temporal images)으로 구성하고, 이 시공간 영상을 분석하여 유속과 유량을 산출하는 기법을 개발하였다. 즉, 하천의 주흐름 방향의 유속만을 산정하도록 하여 영상의 분석에 소요되는 계산량과 계산시간을 단축하였다. 또한, 시공간 분석과정도 기존의 CASTI (Correlation Analysis of Spatio-Temporal Images)를 훨씬 간단하고 빠르게 계산할 수 있도록 개량하였다. 그 결과 영상의 유속분석 및 유량산정에 소요되는 시간을 획기적으로 줄일 수 있었으며, 실시간으로 유량 측정이 가능하게 되었다.

• 대한토목학회논문집
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• 제26권3B호
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• pp.253-262
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• 2006

본 연구에서는 복단면 개수로 난류흐름에 대한 직접수치모의(DNS)를 수행하였다. DNS 자료를 이용하여 평균흐름 및 난류 구조를 제시하며, 기존의 실험자료 및 수치해석결과와 비교된다. 주수로와 홍수터의 접합부 부근에서 쌍와(雙渦)가 생성되는데, 그 최대크기는 체적평균된 주흐름방향 유속의 약 5%로 나타났다. 쌍와(雙渦)의 영향에 의해 접합부에서 벽전단응력이 최대값을 보였는데, 이는 기존 LES 자료와는 일치하지만 기존 실험연구결과와는 다른 것으로 그 원인에 대해 상세히 논의되었다. 사분면 해석을 통해 접합부 부근에서 레이놀즈 전단응력은 주로 쓸기현상 및 분출현상에 의해 생성되는 것으로 나타났다. 또한 조건부사분면 해석을 통해 지배적인 고유구조의 방향성이 레이놀즈 전단응력 및 쌍와(雙渦)의 생성을 결정한다는 것을 확인하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제47권6호
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• pp.537-546
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• 2014

홍수시 하천의 유속을 효율적이고 안전하게 측정할 수 있는 방법의 하나로 제시된 것이 표면 영상 유속 측정법이다. 일반적인 표면영상유속계(SIV)는 두장의 정지영상에서 영상 조각을 잘라낸 뒤 여기에 상호상관법을 적용하여 유속을 산정한다. 이 방법은 짧은 시간간격의 유속분포 측정에 매우 효율적이다. 그러나 장시간의 평균 유속장을 산정하는 데는 많은 시간이 소요되며, 순간 유속장을 산정하기 때문에 흐름 조건이나 촬영 조건에 따라 생기는 잡음이나 불확실성의 영향을 많이 받게 된다. 이를 개선하고자 개발된 방법이 시공간 영상을 이용하여 일정 시간동안의 유속의 평균을 한번에 산정하는 시공간영상유속계측법(STIV)이다. 시공간영상유속계측법 중의 하나인 휘도경사텐서법은 일정 시간동안의 시공간 영상을 한 번에 분석하기 때문에, 유속 산정 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 방법은 하천의 일방향 유속만을 계산할 수 있기 때문에 구조물 주변이나 만곡이 있는 경우의 2차원 흐름 측정은 불가능하다는 한계가 있다. 이를 개선하기 위해서 본 연구에서는 상호상관법을 이용하여 2차원적으로 시공간 영상을 분석하는 방법(상호상관 시공간영상유속계측법)을 개발하였다. 이 방법은 시공간영상에서 시간축 방향으로 상관분석을 통해 영상변위를 산정하는 방법이다. 기존의 시공간영상분석기법 중 하나인 휘도경사텐서법이 주흐름 방향만 분석이 가능하였던 데 비하여, 상호상관 시공간 영상분석법은 2차원 유속분포 측정이 가능하고, 시간적인 평균을 취하기 때문에, 공간 해상도가 높으며, 전체적인 유속 분석시간이 매우 짧아지는 장점이 있다. 또한 공동 흐름에 대한 인공 영상을 이용한 오차 분석결과 최대 10% 이내, 평균적으로 5% 이하의 오차를 보여 상당히 정확하게 2차원 유속분포 측정이 가능한 것으로 나타났다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2005년도 학술발표회 논문집
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• pp.976-980
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• 2005

자연하천과 같은 사행수로에서 발생하는 이차류는 흐름 분포를 왜곡시킴으로써, 유사이동, 하상과 제방침식, 하천의 지형변형 등에 매우 큰 영향을 미치게 된다. 또한, 이차류는 주 흐름방향에 수직으로 발생하기 때문에 자연하천에 유입된 오염물의 횡방향 혼합에도 지대한 역할을 한다. 따라서, 본 연구에서는 사행수로에서 이차류의 특성을 정량적으로 분석하고자 중심각이 $120^{\circ}$인 두 개의 만곡부로 이루어진 사행수로에서 실험을 수행하였다. 실험수로는 직사각형 단면과 자연형 단면 두 가지 형태로 제작하였으며, 자연형 단면 하상은 베타함수를 이용하여 제작하였다. 이차류의 정확한 측정을 위해 3차원 유속측정 장치인 micro-ADV를 이용하였다. 실험조건으로는 직사각형 단면과 자연형 단면에서 평균수심과 유량을 달리하여 실험을 총 12회 수행하였다. 실험결과, 직사각형 단면수로에서의 주 흐름의 최대유속선은 수로의 가장 짧은 경로를 따라 발생하였는데, 이는 Shiono와 Muto (1998)의 결과와 일치한다. 자연형 단면 수로에서의 주 흐름은 직사각형 단면 수로에서의 주 흐름 거동과 비슷한 양상을 보였다. 이것은 실제 자연하천 만곡부에서의 주흐름 거동(최대유속선이 최심선을 따라 발생)과는 상이한 결과였다. 그 첫째 원인은 실험수로의 조도가 일반적인 실제하천의 조도를 상사법칙에 맞게 계산한 값보다 작았기 때문이다. 그리고 두 번째 원인은 실험수로의 하폭대 수심비율은 실제하천의 하폭대 수심비율보다 컸기 때문인 것으로 사료된다. 이차류의 정량적인 분석을 위해 각 측정지점별로 횡방향, 수심방향 유속을 그려본 결과, 직사각형 단면에서는 하나의 셀이 존재하는 반면에 자연형 단면에서는 셀이 두개 존재함을 알 수 있었다. 이는 자연하천에서도 발견되는 현상이다. 실제 자연하천에서는 주 셀이 바깥제방 셀보다 큰 형태를 보이지만, 실험수의에서의 셀의 형태는 주 셀보다 바깥제방 셀이 더 크게 발생하는 것으로 밝혀졌다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 조도가 작음으로 인한 것으로 판단된다. 이차류 강도를 계산한 결과, 직사각형 단면 수로의 최대값은 두 번째 만곡 유입부지점(U2)에서 가장 크게 나타났으며. 자연형 단면 수로에서 최대값은 두 번째 만곡을 조금 지난 (U4)지점에서 가장 크게 나타났다. 자연형 단면에서는 하폭 대 수심비가 커질수록 이차류강도가 크게 나왔으나, 직사각형 단면에서는 반대로 나왔다. 그리고, 자연형 단면의 이차류 강도는 직사각형 단면보다 크게 나타났다. 특히, 직사각형 단면의 이차류강도는 첫 번째 만곡부분보다 두 번째 만곡부분이 더 크게 나타나는 현상만 보였지만, 자연형 단면의 이차류 강도는 앞서 언급한 특징 외에 만곡부에서 증가하고, 직선부에서 감소하는 주기적인 형태를 보였다.