• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
• /
• pp.41-41
• /
• 2015

하천의 지형을 조사하고 계측하는 것은 하천을 연구하는 전문가들에게 필수적인 일이다. 하지만 하천의 지형을 계측하는 것은 쉽지 않으며, 조사를 하여도 유사의 이송으로 인하여 하천의 지형은 시간이 지남에 따라 변하게 된다. 그러므로 실험이나 모델링을 통하여 하천의 지형을 예측하고 모의하는 것은 중요한 연구이다. 모델링을 이용하여 유사이송에 의한 하상변동을 잘 예측하기 위해서는 하천의 복잡한 흐름을 정확히 모의하는 것이 중요하며 유사를 발생시키는 힘인 하상전단응력을 정확히 산정하는 것 또한 중요하다. 하상의 전단응력을 산정하는 방법으로는 대표적으로 로그법칙에 의한 방법, 레이놀즈응력 분포를 이용한 방법, 난류운동에너지를 이용한 방법 등이 있다. 앞서 말한 방법으로 산정된 전단응력 값은 차이를 보이며, 이는 하상변동을 정확히 모의하는 것에 문제를 발생시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 곡선좌표계를 이용하여 3차원 유동 및 하상변동을 모의할 수 있는 수치모형을 이용하여 전단응력 산정 방법에 따른 하상변동량을 분석하는 것이다. 하천의 복잡한 흐름을 정확히 모의하기 위하여 본 연구에서는 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 3차원으로 해석하여 흐름 계산을 하였고 유사량 산정공식과 Exner 방정식을 이용하여 유사이송에 의한 하상변동을 계산하였다. 흐름 계산의 검증을 위하여 선행 연구의 실험을 대상으로 모의하였다. 그리고 곡선으로 된 실험 수로를 대상으로 전단응력 산

• Ecology and Resilient Infrastructure
• /
• 제4권4호
• /
• pp.207-215
• /
• 2017

하도의 흐름 저항, 측벽 보정, 유사량, 하도 침식과 퇴적, 하도 설계 등의 수리학적 문제는 하상전단응력의 분포와 밀접한 관계가 있으나 하상전단응력 분포를 측정하는 것은 쉽지 않다. 본 연구에서는 간편하게 하상전단응력을 측정할 수 있는 프레스톤튜브를 이용하여 복단면의 하도의 하상전단응력 분포를 측정하고 수심비에 따른 전단응력분포 특성을 고찰하였다. 이를 위해 프레스톤튜브를 제작하여 검정실험을 통해 검정식을 개발하였다. 실험은 5가지 수심비 조건에 대해서 수행하여 전단응력분포를 측정하였다. 복단면 하도의 전단응력분포 특성은 기존 실험연구와 대체로 일치하였으며, 레이놀즈수 증가로 발생하는 전단응력의 변동성, 주수로 전단응력의 변곡점 형성, 홍수터 접합부 부근 전단응력 분포 특성 등에서 차이점을 확인하였다. 본 연구를 통해 프레스톤튜브를 이용한 하상전단응력측정 적용성을 확인하였으며 레이놀즈수와 수심비에 따른 복단면 하도의 전단응력분포 특성을 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
• /
• pp.95-95
• /
• 2019

보를 월류하는 흐름은 유량에 따라 상이한 흐름특성을 보인다. 즉, 유량이 증가함에 따라 사류 (supercritical flow), 완전도수 (complete hydraulic jump), 수중도수 (submerged hydraulic jump), 그리고 잠긴흐름 (plunge pool)으로 천이한다. 각 흐름영역에 따른 하상전단응력의 변화는 보의 물받이와 하상보호공을 설계하는데 중요하다. 본 연구에서는 계산유체동역학을 이용하여 보를 월류하는 흐름을 수치모의하여 각 흐름의 수리적 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Flow3D를 이용하여 RANS 방정식을 수치해석 하였으며, 난류모형으로 RNG $k-{\epsilon}$ 모형을 이용하였다. 수치모의를 통하여 각각의 흐름에 대하여 평균유속, 하상전단응력, 그리고 흐름저항계수의 종방향 분포를 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
• /
• pp.168-168
• /
• 2015

자연하천의 주요한 특징 중 하나인 하천의 사행은 직선수로에서 예측되는 유속분포를 왜곡시키며 매우 복잡한 흐름구조를 형성한다. 이는 하상 경계면에서 발생하는 전단응력 분포의 변화를 야기하는데 하상 경계면에서의 전단응력은 다양한 경험적 관계에 의존하는 유사이동의 한계 소류력 산정 및 오염물질 거동해석의 분산계수 산정에 많은 영향을 미치게 된다. 물리적인 관측을 통한 하상 경계면에서의 전단응력의 관측은 다소 제한적이며 많은 비용을 요구한다. 따라서 하상 경계면에서 발생하는 전단응력의 경우 수심의 20% 이하의 연직 유속분포를 벽법칙에 적용하여 추정하는 방법이 주로 이루어지고 있다. 벽법칙을 이용한 하상 경계면의 전단응력을 계산하는 경우 대수중복층의 유속 분포 $u/u^*=(1/{\kappa})ln(zu^*/{\nu})+B$에서 무차원상수 ${\kappa}$와 B의 적절한 추정이 요구되어 진다. 일반적으로 무차원상수 ${\kappa}$와 B는 수리학적으로 매끄러운 벽면에서 대략 ${\kappa}=0.4$, B=5.5로서 경험적으로 이용되고 있다. 본 연구에서는 직선수로 및 다양한 사행수로의 3차원 흐름장 모의를 수행하여 벽법칙의 대수 중복층을 따르는 주흐름 방향 유속의 연직분포를 비교하였다. 수치모의 소프트웨어로서 Linux 기반의 OpenFOAM이 사용되었으며 모델의 검증을 위해 Chang(1971)에 의해 수행 된 사행수로에서의 유속장 관측 결과와 비교하였고 수치모의 결과가 실험 관측치와 잘 일치하는 것으로 판단되었다. 수치모의에 적용 된 사행수로의 형상은 Hey(1976)에 의해 제안 된 사행하천의 지형학적 인자들 간에 관계를 이용하여 사행도 1.03에서 2.42까지 총 7개의 사행수로 지형을 생성하였다. 사행도의 변화에 따라 만곡부 정점에서 대수중복층 구간의 주흐름 방향 유속의 연직분포를 비교한 결과, 본 연구에서 생성 된 모든 사행수로에서 대수중복층 구간의 무차원 유속 $u^+$와 무차원 거리 $z^+$가 로그 분포를 따르는 것으로 나타났으나 경험적으로 사용되었던 무차원상수 B의 경우 사행도가 증가 할수록 대수적으로 감소하는 경향이 나타났다. 본 연구에서는 이러한 관계가 무차원 상수 B값에 미치는 영향을 반영하여 수리학적으로 매끄러운 벽면에서 적용이 가능한 수정된 대수중복층 식을 제시하고자 한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2022년도 학술발표회
• /
• pp.21-21
• /
• 2022

충적하천의 하상과 제방은 흐름에 의해 쉽게 침식되는 사립자들로 구성되어 있다. 흐름이 더욱 강해지면 커다란 입자들도 움직이게 되고 더욱 커지면 결국 모든 입자들이 움직인다. 이렇게 흐름에 의해 하상과 제방을 구성하는 사립자들이 움직이기 시작하는 상태를 한계운동이라 하며, 이때의 흐름조건을 한계조건이라 한다. 한계조건은 이동상 수리학의 시작으로, 이때부터 흐름은 물과 유사의 혼합이라는 이상류가 되어 순수한 물의 흐름보다 더 복잡하게 된다. 개수로는 관수로와 달리 반드시 자유수면이 있으며, 따라서 물과 공기와의 마찰은 상대적으로 매우 작으므로 개수로의 전단응력 분포는 관수로와 달리 근본적으로 비대칭이다. 따라서 전단응력은 수로 바닥이나 측벽에서만 작용하게 된다. 한계조건은 이러한 추상적인 의미에 앞서 바닥이 침식되지 않는 하도나 수로의 설계 등에 기본적인 자료가 된다. 개수로에서 경계면의 전단응력을 힘으로 표시하는 것을 통상 소류력이라 하며, 개수로 경계면에서 전단응력의 분포도; 이른바 단면의 평균 전단응력의 개념을 도입하여 해석하고 설계기준으로 제시되고 있다. 본 연구에서는 자연하천과 유사한 조건의 건설기술연구원 하천실험센터의 급경사수로에서 연구를 진행하였으며, 기존 연구를 바탕으로 제작된 소류력 측정장치를 이용하였다. 하천의 설계나 평가에 적용되는 평균 소류력 개념은 복잡한 난류흐름에서 평가지표로써 대표하기 힘들기 때문에 유사 하천환경의 바닥에서 발생하는 소류력을 직접 측정하고자 연구를 진행하였고, 연구결과를 기존의 소류력 산정방법과 비교하였다. 본 연구에 사용된 장치는 실규모 실험을 위해 제작되었으며, 실규모 적용성 검토를 위해 실험실에서 충분한 검증실험을 거친 후 실규모 실험에 적용하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
• /
• pp.588-593
• /
• 2006

자연하천은 일반적으로 만곡수로나 사행수로 형태를 보이고 있으며, 직선수로에서와 달리 원심력에 기인한 이차류 영향을 받게 된다. 이차류에 의해서 수면에서는 만곡부 바깥쪽으로, 하상에서는 만곡부 안쪽으로의 흐름특성을 보이게 된다. 만곡부 안쪽으로 가해지는 하상 전단응력에 기인하여 하상에서의 입자가 만곡부 안쪽으로 이송되며, 결과적으로 만곡부 안쪽에는 점사주가, 바깥쪽에는 소(pool)가 생성된다. 또한 지형경사의 생성으로 입자에 가해지는 중력효과도 변화된다. 따라서 이와 같은 자연하천의 흐름과 하상변동을 수치모의 하기 위해서는 만곡부 이차류 특성을 고려한 모형이 필요하다. 본 연구에서는 수심 적분된 흐름방정식과 하상토 보존방정식 (Exner equation)을 이용한 하상변동을 위한 비연계 수치모형을 위해서 하상토 보존방정식의 유한요소 알고리즘을 개발하였다. 하상토 보존방정식은 흐름 특성에 따른 평형 유사량의 공간변화율을 이용하여 일정 기간 동안의 하상 변화량을 계산한다. 이 때 이차류에 의한 하상 전단응력의 편각 및 지형경사 변화에 따른 실제 입자의 이송방향을 보정하여 평형 유사량이 계산된다. 이러한 보정식을 적용시키기 위해서는 유속성분의 공간변화량 및 지형경사의 공간성분이 필요하다. 유한요소법은 연속성 변수를 이산화시켜 근사해를 구하는 수치기법의 일종이기 때문에, 요소망이 불규칙적으로 구성되었을 경우 임의의 절점에서 연속성을 지닌 변수의 공간변화율을 계산하는데 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 평형 유사량 계산 시에 절점이 아닌 요소 내부에서 평형 유사량을 계산하는, 하상토 보존방정식의 새로운 유한요소 알고리즘을 개발하고, 새로운 알고리즘을 적용시킨 수치모형의 검증을 행하였다. 경계조건 알고리즘의 검증으로 위해서 Soni 등 (1980)이 행한 상류 유입 유사량에 따른 하상변동을 수치 모의하고 실험치와 비교하였으며, Sutmuller와 Glerum (1980)이 수행한 만곡수로에서의 하상변동을 모의하고 실험과 비교하였다. 새로운 알고리즘을 적용시킨 하상토 보존방정식의 유한요소 수치모형의 결과는 매우 안정적이며, 실험과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 본 수치모델은 현재 균일한 입자의 하상토만을 고려하므로, 입자분급이나 하상 장갑화 현상 등은 무시한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
• /
• pp.413-418
• /
• 2006

본 연구는 자갈하상을 갖는 하천에 대해 조도계수를 산정하고자 하상에 분포하는 입자에 작용하는 전단응력을 이용하여 등가조도를 산정하고 대상유량에 대해 수위를 산정할 수 있는 모형을 개발하였다. 개발된 모형의 적용성은 섬진강 하류부의 구례수위표와 송정수위표 구간에 대해 적용하였다. 그 결과 구례수위표지점에서 등가조도는 0.088m로 산정되었고, 이를 이용하여 Wark(1990)가 제시한 단위유량에 대한 연속방정식과 운동량방정식을 결합한 간단한 모형을 이용하여 각각의 대상유량에 대해 수위를 산정하였으며, 그 결과 6%이내의 오차를 보였다. 그리고 대상유량에 대해 계산된 수위를 이용한 부등류 해석을 실시하여 조도계수를 각각의 유량에 대해 산정하였다. 그 결과 관측된 수위와 계산된 수위에 의해 산정된 조도계수의 오차가 $0{\sim}0.002(6%)$의 오차를 보였고, 유량별로 조도계수를 산정할 수 있어 조도계수의 가변성도 고려할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
• /
• pp.238-238
• /
• 2011

복단면 하도는 홍수소통을 위한 상부 하도와 생태계 서식처 강화와 유사이송능력 개선, 경제적인 유지유량의 확보 등을 도모하는 자연적인 저수로 하도로 구성된다. 그러므로 갈수기와 홍수기의 유량차가 큰 하천에서, 복단면 하도는 하천 공학, 환경 생태 관점에서 다양한 이점을 제공한다. 그러나 복단면 하도에서의 흐름저항, 조도계수, 통수능, 수위-유량관계, 횡방향 유속분포, 그리고 하상전단응력 분포는 단단면 하도와 상이하며, 중요한 차이점은 주수로부와 홍수터부 사이의 유속차로 인하여 발생하는 활발한 운동량 교환에 의해 추가적인 전단층이 생성되는 점이다. 주수로와 홍수터 사이에서 발생된 경계전단력(Apparent Shear Force, ASF)은 하천의 전반적인 통수능을 감소시켜 홍수의 하도내 저류효과를 증가시킬 수도 있다. 또한 주수로 및 홍수터가 분담할 수 있는 유량은 경계전단력에 민감하기 때문에, 홍수터에 수목 식재, 구조물 설치 등을 계획할 경우 정량적인 항력저항의 산정을 위하여 매우 중요하다. 현재까지 복단면에서 발생하는 경계전단응력을 추정하는 다양한 방법들이 개발되었으며, 각각의 방법으로 부터 경계전단력을 정량적으로 예측할 수 있다. 그러나 대부분의 방법이 실험에 근거한 경험적 방법이므로 각 식의 개발에 사용된 자료에만 적합할 수 있는 한계가 있으며, 균일한 수로의 기하학적 변수(전단면과 주수로의 하폭비, 홍수터와 주수로의 수심비, 홍수터와 주수로의 조도비, 주수로의 하폭대 수심비 등)에 의한 식으로 구성되어 수치모형에서 직접 활용하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 복단면 경계전단력 산정을 위하여 개발된 다양한 연구결과들을 비교 검토하고, 기존문헌 또는 웹상에서 가용한 수리실험 자료들을 이용하여 각 방법에서 계산된 유량과 실측 유량을 비교함으로써 각 방법이 지닌 한계를 분석하였다. 본 연구에서 검토된 5가지 방법은 Knight and Demetriou (1983)(이하 KD), Wormleaton and Merret (1990)(이하 WM), Cristodoulou (1992), Bousmar and Zech(1999) (이하 BZ) 그리고 Moreta and Martin-Vide (2010)(이하 MM)이다. BZ 방법을 제외하고 나머지 방법들은 전체 유량의 비교에서 5% 이내의 오차를 나타내었다. 그러나 나머지 4가지 방법 중 주수로부 유속의 비교에 있어서는 소규모 수로 실험자료만 이용한 KD 방법이 5% 이상의 오차를 나타내어 정확도가 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 비교적 단순한 형태의 Cristodoulou (1992) 방법이 적용하고자 하는 수로의 규모와 무관하게 복단면 유량예측에 적합할 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
• /
• 한국수자원학회 2006년도 학술발표회 논문집
• /
• pp.583-587
• /
• 2006

국부세굴의 발생은 일반적으로 흐름조건, 구조물 조건과 하상재료 세 가지의 주 원인으로 구분할 수 있다. 흐름조건의 경우 구조물 영향으로 발생되는 3차원적인 와류가 주요원인이며 하상재료의 경우 여러 요인이 있겠지만 비중이 같은 입자라 가정할 경우 입자의 크기를 주요 변수로 정할 수 있다. 교각 국부세굴에 관한 연구는 1960년대 이후 연구자들에 의해 매우 다양하게 수행되어 졌으며 많은 산정공식도 제시되었다. 하지만 기존 연구는 최대세굴심 조건으로 다양한 하상재료와 시간에 대한 세굴변동(홍수사상 등)에 대한 영향을 고려하는데 어려움이 있다. 특히 국내의 경우 다양한 하상재료와 홍수빈도를 고려할 때 이에 대한 세굴적용은 매우 중요한 인자라 할 수 있다. 따라서 교각세굴에 대한 궁극적인 목적은 다양한 하상재료와 홍수빈도를 고려할 수 있는 세굴평가를 제안하는데 있다. 이를 위해 본 연구에서는 우선적인 연구로 입자의 다양성과 이미지 기법을 이용한 실시간 측정을 통해 보완하여 입자에 따른 시간적 변화를 분석하였다. 현재 4가지의 하상재료의 입경차이에 따른 국부세굴의 시간적 변화와 초기세굴 발생의 수리적 조건을 파악하고 기존연구와 비교분석하였으며, 이를 기초자료로 세굴심$(S,\;S_{max})$, 교량주변 전단력$({\tau}_p,\;{\tau}_{pc})$, 접근수로부 전단력$({\tau}_a)$와 입자한계전단력$({\tau}_c)$에 대한 시간분석 (time effect)을 통해 다양한 하상재료와 홍수빈도를 해석을 위한 초기분석을 수행하는데 목적이 있다. 수리모형실험에 사용된 가변경사수로의 제원은 $0.6m(W){\times}20m(L){\times}2m(H)$이며 모형구조물은 투명한 아크릴로 제작하였다. 실험방법은 교각 내부에 CC카메라를 전 후면 및 상측면에 설치하여 세굴 발생을 실시간으로 촬영한 후 이미지 분석을 통해 분석하였다.

• 한국지구과학회지
• /
• 제42권2호
• /
• pp.164-174
• /
• 2021

본 연구는 육상 기원 조립질 하상 퇴적물의 높은 이동성에 영향을 미치는 전단과 파쇄특성을 조사하기 위하여 링전단실험을 수행하였다. 평균 입경 6 mm 자갈에 대하여 링전단시험장치를 사용하여 전단시간(shear time)과 전단속도(shear velocity)에 따른 전단-변형률 역학특성과 입자파쇄 특성을 조사하였다. 특히 배수(장시간 전단)와 비배수(단시간 전단)조건을 고려하기 위하여 초기 전단속도(0.01→0.1→1 mm/sec와 0.1→0.01→1 mm/sec)에 따른 링전단실험을 수행하였다. 실험결과에 따르면, (i) 배수와 비배수조건 모두에서 입자파쇄 특성이 확인되었지만, 비배수조건에서 상대적으로 큰 전단저항을 받는 것으로 나타났다. (ii) 배수조건에 관계없이 수중 자갈의 초기 전단속도는 전단응력-전단변형률 관계곡선을 결정하는 중요한 요인으로 나타났다. (iii) 입자파쇄는 평균 입경에 영향을 받으며 사용된 수중 자갈은 상대적으로 큰 입자파쇄 특성을 보였다. 그리고 (iv) 전단응력 결정에서 가장 크게 영향을 미치는 영향인자는 전단시간과 초기 전단속도임을 확인할 수 있었다. 결론적으로 모래와 자갈을 다량 함유한 조립질 하상 퇴적물은 입자-입자 간 상호접촉, 마모, 맞물림, 마찰 등의 물리적 이동과정을 통해 입자파쇄와 세립토 함량이 증가되고 이러한 현상은 하상 퇴적물의 고유동성을 초래하는 원인이 되는 것으로 판단된다.