• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.177-177
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• 2011

환형수조는 점착성 퇴적물의 침/퇴적실험을 위한 실험장치로서, 수조내부의 수면과 접하여 회전하는 상부링(top ring)의 마찰력에 의해 흐름이 생성되며, 시간의 제약없이 흐름조건을 동일하게 만들 수 있다는 큰 장점을 갖는다. 그러나 환형수조는 원주유속의 속도차이 및 원심력으로 인한 2차 순환류가 형성되어 바닥전단응력이 불균일해지는 단점을 가지고 있으며, 이러한 이유로 인하여 환형수조를 이용한 침/퇴적실험 수행시 수조의 외벽부근에서 더 큰 침식이 발생한다. 따라서, 2차 순환류의 발생을 줄이고 바닥전단응력의 분포를 균등하게 하기 위해 양방향 회전(환형수조의 몸체를 상부링의 회전방향과 반대방향으로 회전)이 가능한 환형수조가 고안되었는데, 이러한 방법으로 2차 순환류의 크기를 저감시키고, 바닥전단응력을 균일하게 만들 수 있다. 한편, 환형수조의 양방향 회전(counter-rotation)은 현장용 환형수조에는 적용될 수 없는 단점을 갖는다. 현장실험에서는 바닥면이 없는 현장용 환형수조를 해저면에 거치시켜 자연상태의 비교란 퇴적물 시료를 저면으로 형성시키는데, 바닥면이 존재하지 않는 환형수조 본체는 회전시킬 수 없으므로 양방향 회전을 통한 2차 순환류의 저감 및 바닥전단응력 균일화의 효과를 기대할 수 없다. 이러한 이유로 환형수조의 양방향 회전은 단지 실내실험용 환형수조에만 적용된다. 이에 본 연구에서는 환형수조 본체를 회전시키지 않고 수조의 측벽과 상부링의 각도 조절을 통해 수조단면의 형상을 변화시켜 2차 순환류를 저감시키고 바닥전단응력을 균등하게 하는 방법에 대한 연구가 수행되었다. 이 방법은 본체의 회전이 필요 없으므로 현장용 환형수조에 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 실험장치의 구조가 단순해져 실험장치의 제작비가 절감될 수 있다. 또한 원주속도에 수직한 단면에서 속도구배가 감소되어 2차 순환류가 저감됨과 동시에 바닥전단응력이 균등하게 됨으로서 양방향 회전시와 동일한 효과가 얻어질 수 있을 것으로 예상된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.70-70
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• 2016

하천시설물 설계, 시공 및 관리에 있어서 바닥전단응력은 매우 중요하다. 예를 들어, 호안 등 시설물의 허용 소류력을 계산하거나, 하천의 유사량을 예측하는 데 있어서 바닥전단응력이 기준으로 쓰인다. 정상 등류의 경우, 수로 내 수체에 작용하는 중력과 수로 바닥 및 측면에 작용하는 마찰력의 평형을 고려함으로써 바닥전단응력을 산정할 수 있다. 본 연구에서는 식생을 제외한 아크릴수로에서의 전단판의 움직임을 이용한 바닥전단응력 측정장치를 설계, 교정 및 검증을 실시하였다. 이 전단판은 수체와 바닥면에서 발생하는 마찰력에 의해 변위가 발생하고 이 변위를 바닥전단 응력으로 산정하였다. 직접 측정한 바닥전단응력은 기존에 연구된 두 가지 방법과 비교하여 검증하였다. 비교 검증을 위한 실험은 폭 0.3 m, 길이 10 m인 고속수로에서 Froude수 1이상, Reynolds수 20000이상의 사류이면서 난류인 상태로 실험을 진행하였으며 유속은 PIV을 이용하여 측정하였다. 비교 검증을 위한 첫 번째방법은 Reach-avrage공식을 기초로 manning의 평균 유속 공식을 이용한 바닥전단응력을 산정하는 방법으로 일반적으로 간단한 경험식을 이용하여 바닥 전단응력을 산정하는 방법이다, 두 번째는 Reynolds stress를 산정하는 방법으로 PIV를 통해 흐름방향의 연직프로파일의 유속을 측정 한 후 레이놀즈 분해법에 의해 산정된 난류 강도를 측정하여 Reynolds stress를 산정한 후 Shear stress를 산정하는 방법을 사용하였다. 마지막으로 본 연구에서 가로 0.14 m, 세로 0.14 m의 전단판으로 구성된 바닥전단응력 측정장치를 개발하여 실험을 진행하면서 앞에서 언급한 두가지 방법을 측정하는 동시에 장치를 이용하여 바닥전단응력을 직접측정하여 총 3가지 바닥전단응력을 비교하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.14-14
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• 2021

개수로에서는 반드시 자유수면이 있으며, 따라서 물과 공기와의 마찰은 관수로에 비해 상대적으로 매우 작고, 개수로의 전단응력 분포는 관수로와 달리 근본적으로 비대칭이다. 따라서 전단응력은 수로 바닥이나 측면에서만 작용하게 된다. 이러한 평균 전단응력 개념은 흐름에 의해 경계면 구성재료가 이동하는 이동상 수리학에서 유사이송 능력을 해석하는 기준이 되며, 경계면의 전단응력은 힘으로 표시하여 통상 소류력이라 한다. 이러한 복잡한 유체거동은 하천시설물 설계, 시공 및 관리에 있어서 구성재료의 보호능력에 따라 예상하지 못한 조건에서 쉽게 파손될 수 있다. 국내 하천의 경우 한계유속과 한계소류력에 의해 하천설계에 적용되고 있다. 한계 유속의 경우 간단한 수식에 의해 산정될 수 있지만 실제 하천의 보호능력을 대표하기는 힘들기 때문에 한계소류력이 동시에 고려되어야 한다. 한계소류력은 개수로 흐름에서 복잡하게 발생하는 이차류나, 난류 특성에 의해 산정하거나 예측하기는 매우 어렵다. 한계 소류력 뿐만 아니라 하천을 구성하는 재질의 조도계수 역시 균일하지 못하고 매우 예측하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이러한 복잡한 양상을 나타내는 수리학적 요소에 대해 표준화된 실험수로에서 실험을 통해 평가하고, 체계화된 설계 지침이 되고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 자연하천과 유사한 조건의 경사를 가지는 경사수로와 경사의 영향에서 자유롭게 평가를 진행하고자 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 측정하였다. 본 연구에 사용된 장치는 난류유속 u', v'을 이용하여 Reynolds stress산정하여 Total shear stress를 추정하는 기법을 사용하여 검증하였다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.58 no.3
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• pp.480-485
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• 2020

The extended Maxwell-Wagner polarization model is employed to describe the ER behavior of the conducting particle ER suspensions, and solutions to the equation of motion are obtained by dynamic simulation. The simulation results show the nonlinear ER behavior (Δτ∝Eⁿ, n≈1.5) of the conducting particle ER suspensions. The response point, where shear stress reaches steady-state, is the point where stable break-up and rebuild of the chain-like structure of particles reaches. Also, it shows the minimum of shear stress, which corresponds the start-up of random particle configuration. The shear stress reaches plateau as particle volume fraction increases.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.141-141
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• 2018

자연하천에 존재하는 식생은 동식물에게 주거지를 제공할 뿐만 아니라 영양염류 흡착 및 정화작용을 통해 수질을 개선시키는 역할을 한다. 이러한 식생하천에 오염물질이 유입될 경우 식생에 의한 흐름 교란 작용으로 인해 오염물의 확산거동에 큰 영향을 주게 된다. 본 연구에서는 식생하천에서의 오염물질 혼합특성을 분석하기 위해 식생모형 실험을 수행하였고, Fischer et al (1979)이 제시한 이론식을 실험결과에 적용하여 종분산계수를 산정하고자 한다. 본 연구에서는 자연하천을 재현하기 위해 실험수로에 수중식생 모형을 설치한 후 ADV-Vectrino유속계를 이용하여 유속을 측정하였으며 실험을 통해 식생흐름에서의 유속분포 자료를 취득하고 이를 바탕으로 종분산계수를 산정하였다. 먼저 수중 식생흐름에서 연직유속분포를 측정한 결과, 식생이 존재하는 바닥근처에서는 유속이 느리다가 비식생 구간으로 가면서 유속이 증가하는 분포를 나타낸다. 또한 이 설치된 테스트 구간에 밀도와 유량변화에 따른 케이스를 적용하여 비교 및 분석을 한 결과 식생 밀도를 고정시키고 유량을 증가 시켰을 때 식생구간과 식생이 없는 구간에서의 유속도 증가하는 경향을 보였으며, 유량을 고정시키고 식생의 밀도를 순차적으로 높였을 경우 식생구간에서의 유속이 점차적으로 줄어드는 경향을 보였다. 다음으로 분산계수를 결정하는 방법에는 농도자료를 이용하는 방법과 유속자료를 이용하는 방법이 있는데 본 연구에서는 유속자료를 Fischer et al. (1979)의 이론식에 적용하여 분산계수를 산정하는 방법을 적용하였다. Fischer et al. (1979)가 제시한 식에서 먼저 전단 유속 값을 산정하기 위해 벽법칙 (Karman, 1930), 레이놀즈 전단응력 그리고, 난류운동에너지 (Graf, 1998) 방법을 사용한 후 복잡한 난류 흐름에 적용하기 가장 적합하다는 난류운동에너지 방법을 적용하여 전단 응력이 가장 크게 나온 식생모델 끝단에서의 값을 사용하였다. 그 결과, 수중 식생이 존재하는 흐름에서 무차원화 시킨 종분산계수는 6.89-9.78로 나타났다, 이는 Elder (1959)의 수심 적분을 통해 제시한 종분산계수 값 5.93보다 크다. 즉, 수중 식생이 존재할 경우 종분산계수는 식생이 존재 하지 않을 때 보다 증가하는 것으로 보여 진다.

• Proceeding of EDISON Challenge
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• 2012.04a
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• pp.69-72
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• 2012

본 연구에서는 정사각형으로 모델링된 실린더 주위에 균일한 유동이 흐를 때 나타나는 이차원 난류 유동을 분석하였다. EDISON-CFD를 이용하여 정사각 실린더 표면에서의 전단응력 분포 및 유동 현상을 시뮬레이션 하였다. 선행 연구 결과의 $\bar{C_D}$, ${C_L}^{\prime}$ 값과 비교하여 결과의 유효성을 검증하였다. 또한, 비정상 층류 유동(Re=100)과 비교하여 난류 유동(Re=22,000)의 특성을 분석하였고, 와 흐름에 의하여 정사각 실린더 표면이 받는 전단응력을 자세히 분석하였다.

• The Korean Journal of Rheology
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• v.9 no.2
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• pp.81-87
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• 1997

비상용성 고분자는 그 계면의 특성에 의해서 복잡한 유변학적 거동을 갖는데 그러 한 거동을 해석하기 위해서 최근에 제안된 구성방정식을 토대로 소폭 진동 전단 흐름장에서 의 유변학적 물성과 몰폴로지 전개를 예측한 바 있다. Takahashi[2]등은 이런 흐름하에서의 계면은 거의 변하지 않음을 보여주었고 따라서 이경우는 상대적으로 쉬운편이었다. 본연구 에서는 정상전단흐름장하에서의 몰폴로지 전개에 대한 구성방정식을 간단한 형태로 표현함 으로써 실제 산업계에서 이용될수 있도록 하였다. 그러한 해석을 통하여 원래의 모델에서 제시되었던 3개의 실험변수를 2개로 줄일수 있었으며 계면의 특성을 잘 나타내 주는 새로운 변수($textsc{k}$)를 도입하였다. 계면의 특성을 잘 나타내 주는 이새로운 변수를 통하여 그 계면의 영향을 예측할수 있었다. 한편 분산상의 파괴, 변형, 합체 메카니즘을 모델에 제시되었던 변 수값들을 통하여 해석하였고 이를 실험적인 데이터와 비교해 보았다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.2
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• pp.147-157
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• 2022

The backward-facing step (BFS) is a benchmark geometry for analyzing flow separation occurred at the edge and resulting development of shear layer and recirculation zone that are occupied by turbulent flow. It is important to accurately reproduce and analyze the mean flow and turbulence statistics of such flows to design physically stable and performance assurance structure. We carried out 3D RANS computations with widely used, two representative turbulence models, k-ω SST and RNG k-ε, to reproduce BFS flow at the Reynolds number of 23,000 and the Froude number of 0.22. The performance of RANS computations is evaluated by comparing numerical results with an experimental measurement. Both RANS computations with two turbulence models appear to reasonably well reproduce mean flow in the shear layer and recirculation zone, while RNG k-ε computation results in about 5% larger velocity between the outer edge of boundary layer and the free surface above the recirculation zone than k-ω SST computation and experiment. Both turbulence models underestimate the shear stress distribution experimentally observed just downstream of the sharp edge of BFS, while shear stresses computed in the boundary layer downstream of reattachment point are agree reasonably well with experimental measurement. RNG k-ε modeling reproduces better shear stress distribution along the bottom boundary layer, but overestimates shear shear stress in the approaching boundary layer and above the bottom boundary layer downstream of the BFS.

• Water for future
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• v.55 no.4
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• pp.28-36
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• 2022

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.445-445
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• 2016

급변하는 개수로 흐름에서 발생하는 바닥전단응력의 분포는 하천구조물 설계에 있어 매우 중요한 요소이다. 하천 구조물 중 호안에 대한 하천설계기준 '설계편 제 24장 호안'에는 호안 설계에 대한 일반적인 사항이 제시 되어 있으나, 구체적인 소류력 또는 유속에 대한 기준, 각 호안공법들의 안정성을 평가하기 위한 시험법 등에 대한 구체적인 기준이 부족한 상황이다. 소류력 측정방법에는 간접측정법과 직접측정법이 있다. 간접측정법에는 Reach-Average공식, Reynolds Stress, TKE공식 (Turbulent Kinetic Energy)이 있고 직접측정법에는 Shear Meter, Preston Tube 등이 있다. 본 연구에서는 바닥전단응력을 직접 측정할 수 있는 1차원 소류력 측정장치를 개발하고, 최대유속 5m/s 가변형 고속수로 실험을 통하여 Reach-Average 공식, Reynolds Stress, TKE 공식으로 산정한 바닥전단응력 값과 1차원 소류력 측정장치 값을 비교 분석하였다. 실험케이스는 총 3개로, 22.42???, 30.00???, 41.00??? 유량을 사류이면서 난류인 상태로 실험을 수행하였다. 분석 결과, 본 연구에서 개발한 1차원 소류력 측정장치의 측정값은 TKE공식과 약 2.3% 차이가 났으며, Reach-Average공식과 약 8.1%, Reynolds Stress는 약 22.1% 차이가 났다. 즉, 본 연구에서 개발한 1차원 소류력 측정장치는 유속 범위(1m/s ~1.6m/s )에서 TKE공식을 이용한 바닥전단 응력과 가장 근사하게 나타나는 것으로 분석되었다.