• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.24-24
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• 2021

자연하천 바닥 경계층 내에서는 복잡한 난류 구조가 형성되며 이들은 하상에 강한 모멘텀을 전달한다. 바닥 부근에 분포하는 유사 입자들은 경계층 내에서 발생한 난류 흐름으로부터 모멘텀을 전달받아 소류사 혹은 부유사 형태로 이송되게 되며, 이러한 유사 이송 과정을 역학적으로 설명하기 위해서는 경계층 내 유체 흐름에 대한 이해가 선행되어야한다. 경계층 내 난류 흐름 특성이 유사 입자의 움직임에 미치는 영향에 대해 분석하기 위해서는 바닥 경계층 내 고해상도 유속 자료와 유사 움직임을 동시에 포착할 수 있는 기술이 요구된다. 하지만 현재까지 수행된 대부분의 선행 연구들은 점 유속을 측정할 수 있는 음파 도플러 유속계 (Acoustic Doppler Velocimetry) 혹은 2차원 입자 영상 유속계를 활용하였으며, 이들은 복잡한 3차원 난류 흐름 특성을 분석하기에는 한계가 있다. 본 연구의 목적은 실험실 실험을 통해 바닥 경계층 내 3차원 난류 흐름이 유사 이송에 미치는 영향에 대해 조사하는 것이다. 본 연구에서는 유사 주변에서의 고해상도 3차원 흐름 유동장 및 순간적인 유사 움직임에 대해서는 합성 개구 (synthetic aperture) 기반의 3차원 입자 영상 유속계 및 입자 추적 유속계를 활용하여 취득하였다. 취득된 흐름 유동장을 기반으로 레이놀즈 전단응력을 산정하였으며 이를 통해 유체가 하상에 미치는 모멘텀의 크기를 파악하였다. 복잡한 난류 흐름 구조에 대해서는 팔분원 분석 (octant analysis)을 통해 구분했으며, 유사가 움직이는 순간의 유속장을 기반으로 유사 이송을 발생시키는 지배적인 난류 흐름 특성에 대해 규명하였다. 본 연구는 바닥 경계층 내 복잡한 3차원 난류 흐름과 유사 입자의 움직임을 동시에 분석함으로써 기존에 수행되어왔던 선행 연구들의 한계점을 극복하고 보다 명확한 유사 이송의 발생 원인에 대해 분석했다는 점에 의의가 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.1894-1899
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• 2008

하천 내의 자생수목군에 의한 자연적인 흐름저항의 증가, 식재를 통한 인위적인 흐름저항의 증가, 교각 등의 구조물로 인한 흐름저항을 배수계산에 반영하기 위하여 일반적으로 Manning n값이 사용된다. 그러나 흐름 장애물로 인하여 증가된 Manning n값의 선정은 Chow(1950) 등이 제시한 도표를 활용하는 방법과 같이 공학적 판단을 요하는 작업이다. 그러므로 객관적으로 흐름저항을 산정할 수 있는 기법의 개발이 필요하며, 이를 위한 기초연구로 본 연구에서는 개수로 내 장애물의 항력계수 특성에 대하여 분석하고자 한다. 일반적으로 항력계수는 유체의 유속에 따라 변화되므로, Reynolds 수 또는 Froude 수에 따라 변화되는 것으로 알려져 있다. 그러나 그 범위가 연구자에 따라 상이하여 이를 정량화 할 필요가 있으며, 본 연구에서는 실험자료로부터 개수로 내 장애물의 항력계수 특성을 분석하고, 개수로에서 일반적으로 발생할 수 있는 Reynolds 수 또는 Froude 수 범위에서 기존 연구결과들을 비교분석하여 항력계수의 범위를 정량적으로 정립하고자 한다. 일반적인 상류 흐름조건에서 평균 항력계수($C_D$)는 1.11로 계산되었고, Froude 수의 증가에 따라 항력계수의 변동성이 점차 증가하였으며, 이러한 결과로부터 개수로 내 장애물로 인한 흐름저항을 반영하기 위하여 Manning n값으로 산정된 결과는 평균 0.01의 편차를 보이는 것으로 분석되었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2008년도 학술발표회 논문집
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• pp.613-618
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• 2008

본 연구에서는 개수로 마찰흐름 특성에 관한 연구로서 유량조사사업단(2006)의 우리나라 3대강 유역 하천자료와 미국의 Colorado지역 록키산맥 하천 관측자료를 통하여 개수로의 흐름특성을 집중적으로 검토하였다. 개수로 설계에 있어 수로의 흐름해석 및 마찰계수의 정확한 산정은 수로설계의 근간이 된다. 하지만 일반적으로 사용하고 있는 Manning(1889)식은 개수로 흐름특성을 판단하기에 너무 단순하여 상이한 결과를 보임에도 불구하고 단순성에 기인하여 사용되는 것으로 판단된다. Bazin(1865)과 Varwick(1945)의 개수로 실험결과를 보면 Nikuradse(1933)의 원형관수로 실험결과와 마찬가지로 층류, 천이층류, 완난류, 천이난류, 전난류 등 다섯 가지의 흐름특성이 존재함을 알 수 있다. 또한, 개수로 마찰계수의 특성변화를 보면 조고 또는 조도가 증가함에 따라 마찰계수가 상향으로 평행 이동하는 것을 볼 수 있다. 실험결과로부터 확인되는 이러한 흐름 특성이 현장에서도 분명히 나타날 것으로 판단하며 이러한 가설에 근거하여 각 하천의 관측자료를 분석하였다. 유량조사사업단의 우리나라 3대강 유역 하천 관측자료(2006)를 레이놀즈수의 함수인 완난류 흐름으로 전제하고 물의 기본적인 성질과 하천의 경사, 수심, 조고 등의 영향을 고려한 무차원수를 도입하여 마찰계수의 2차적인 분포특성을 파악하고자 하였다. 하지만 관측된 자료로부터 무차원수를 도입하여 산정된 마찰계수분포를 보면 마찰계수가 급격히 증가하고 추정된 유속과 관측된 유속을 비교하면 추정된 유속이 산개되는 경향이 나타났다. 이러한 문제점은 유량관측시 관측지점의 수면경사 및 하상경사의 미관측으로 하천정비기본계획상에 제시된 지형으로부터 하상경사를 추정하여 마찰계수와 유속을 산정하였다. 또한 하천정비기본계획상에 제시된 Manning의 조도계수를 이용하여 Ganguillet&Kutter(1869) 산정식과 Manning(1889) 산정식으로 부터 유속을 산정한 결과 오차가 크게 발생한 것을 확인하였으며, 실제 관측자료에 적합하도록 조도계수를 재 산정하였다. 논문의 분량 제한상 분석과정은 추후 논문에 제시하기로 하고 분석결과와 수위관측에서의 문제점을 제시하였다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 한국방재학회 2011년도 정기 학술발표대회
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• pp.203-203
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• 2011

도시지역내로 유입되는 홍수는 건물과 도로의 배치에 의해 크게 영향을 받으며, 매우 복잡한 흐름특성을 나타내는 것으로 알려져 있다. 도시지역 내에 다양한 형태와 크기를 가지는 건물 및 도시 기반 구조로 되어있으며, 홍수의 강도가 강하고 도시지역이 조밀한 건물군으로 구성되어 있을 경우 홍수의 대부분은 도로와 교차점을 통해 흐른다. 도시지역내 홍수피해를 저감하기 위해서는 도로 교차로에서 홍수파의 전파특성을 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 도시지역 내 도로 교차점에서 유입량에 따른 홍수흐름 특성을 Case 1(Qex : 147.23L/min, Qey : 149.52L/min)과 Case 2(Qex : 150.42L/min, Qey : 298.53L/min) 두 가지 경우에 대해 수리모형실험결과와 수치모의결과와 비교하였다. 출구지점에서 총 유출량의 절대오차가 Case 1에서는 0.84L/min, Case 2에서는 0.45L/min으로 잘 일치하였고, 수심분포 양상은 잘 일치하는 것을 볼 수 있었다. Case 3에서는 다양한 유입량의 변화에 따라 도로 교차점에서 변화하는 홍수흐름 특성과 경향을 분석하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.248-252
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• 2010

홍수기 호우로 인한 피해는 대부분 하천구역에서 발생되며, 이러한 피해는 인간에게 직 간접적으로 영향을 미치게 된다. 자연 상태의 하천형상은 대부분 호우로 인한 홍수로 인해 자연스럽게 만들어지게 되며, 대부분 사행하천의 형태를 띠게 된다. 사행하천에서의 흐름의 기하학적 특성은 성장이나 사멸, 또는 두 가지 모두의 형태를 보인다. 사행하천에서의 흐름 및 유속 분포는 하천제방 보호, 주운, 취수, 그리고 유사 이동 및 퇴적 패턴과 관련하여 실용적인 관점에서 연구하여야 하는 하천수리학에서는 매우 중요한 주제이다. 그리고 사행하천은 특히 만곡부가 교호적으로 나타나는 곳에서의 흐름구조가 매우 복잡하다. 이러한 사행하천에서는 회전방향이 교호적으로 바뀌는 나선형의 흐름(2차류)이 3차원적으로 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 사행하천이 많은 국내 하천특성을 고려하여, 하천 만곡부에서의 흐름특성을 분석하고자 하였으며 2차원 CCHE2D 와 3차원 FLOW3D 모형을 적용하였으며 가상 하도에 대하여 수리모형 실험의 실측치와 비교하여 모형의 정확성과 안정성을 검증하였다. 그리고 남강댐 하류에 대하여 만곡부의 흐름특성(유속 분포 및 최대유속경로, 수위분포, 2차류 거동, 편수위, 전단응력 분포 등)을 분석함으로써, 하천 만곡부에서의 수리적 특성을 보다 정확하게 제시하고자 한다. 모의 분석결과 동일 하도에 대하여 유량을 변동시킬 경우, 유량이 증가할수록 만곡부에서의 수리영향이 더욱 뚜렷해짐을 알 수 있었고 2차원 모형보다 3차원모형의 결과의 정확도가 더 높은 것으로 분석되었다. 곡률반경이 1,300~1,600 정도인 실제하천에 적용한 결과, 수위의 경우 2차원 결과가 3차원 결과보다 최대 3%정도 수위가 높은 것으로 나타났으며, 또한, 상관계수가 평균 0.91의 값을 보이고 있어 2차원모형과 3차원모형의 결과가 비교적 잘 일치하는 것으로 분석되었다. 흐름 분석을 통해서 만곡부에서의 최대유속은 최정점(apex)에서 보다는 오히려 최정점 이전 하도의 내측에서 발생하였으며, 정점에서의 종단유속은 감소하지만 횡단유속은 오히려 크게 증가하는 경향을 보이고 있었다. 따라서 하천설계시 사행하천의 제방 안정성 확보를 위하여 종단유속 뿐만 아니라 횡단유속 또한 고려할 필요가 있음을 확인하였다. 또한 남강댐 하류 만곡부에서의 내측 및 외측의 수위를 분석한 결과, 제방 외측의 수위가 평균수위에 비해 최대 약 37cm정도 증가하는 것으로 분석되었다. 따라서 만곡부에 대한 하천제방설계시 좌, 우안의 여유고를 일률적으로 적용하기 보다는 만곡에 따른 흐름특성을 분석하여 설계에 적용하여야 안정성 및 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.1961-1964
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• 2010

국내 하천개발은 시대의 요구에 따라 이 치수 목적에서 친수성을 중시한 생태하천으로 꾸준히 진화해 왔으며, 시대적 목적에 의한 다양한 수공구조물이 하천에 설치되고 있다. 특히 최근에는 수제와 여울, 소와 같은 생태하천 복원 및 자연재해 저감을 위한 다목적 수공구조물에 대한 관심이 증대되고 있다. 그러나 이들의 연속구조물 설치에 따른 수리학적 특성 변화에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 하도 횡단구조물의 연속 설치특성(월류비와 간격비)에 따른 흐름지배인자의 변화특성을 분석하였다. 연속 횡단구조물의 월류비와 간격비에 따른 조도계수의 변화를 계측 분석하였다. 실험 분석 결과 세굴에 영향을 주는 전단속도는 간격비(w/k)와 월류비(H/k) 및 Re수의 함수가 되는 흐름특성을 확인할 수 있었다. 또한 간격비(w/k)와 월류비(H/k), Re수와 U/U*의 관계를 제시함으로써 하도횡단 연속구조물 설계를 위한 기초 자료를 제공하고자 하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.244-244
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• 2021

난류흐름 거동은 지형이나 수공구조물과 같은 고체 경계면의 변화에 민감하게 반응하며 특징 또한 다양하다. 보나 여수로 등과 같은 단차 구조물을 통과하는 흐름은 구조물의 모서리 같은 흐름 경계면이 급변하는 지점에서는 흐름분리(flow separation)가 발생하는 것이 특징이다. 이러한 흐름분리로 인해 전단층이 발생하며 흐름 재순환(recirculation)이 구조물 하류부에 형성된다. 이 연구에서는 낙차공 형식의 단차 구조물 하류부에서의 흐름 거동을 이해하기 위해 CFD모델링을 통하여 계산된 3차원 유동장을 분석한다. 난류 모의는 하이브리드 LES(large-eddy simulation)/RANS 계산 기법인 IDDES(improved delayed detached-eddy simulation)기법을 적용한다. IDDES의 기본 모형으로는 k-ω SST모형과 Spalart-Allmaras모형을 이용하여 두 모형의 성능을 평가한다. 자유수면의 변동은 VoF(volume of fluid)기법을 이용하여 계산하며, 각 지배방정식은 최소의 수치분산을 유지하면서 수치해의 안정성을 확보할 수 있는 2차 정확도의 유한체적법을 이용하여 이산화하였다. 수치해석 결과는 레이놀즈수 23,400과 후르드수 0.22의 조건에서 기존에 계측된 자료와 비교하여 수치모형의 정확도를 평가하고 하상 단차 하류부에서의 흐름 거동 특성을 분석한다. 계산 결과는 공학적으로 널리 사용되는 RANS 수치모의에서 볼 수 없는 전단층과 난류구조의 동적 거동 특성과 이에 따른 레이놀즈 응력분포의 특성을 설명해준다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제37권8호
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• pp.613-622
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• 2004

Non-Darcy 제체내 침투수 흐름과 배수갑문을 통한 흐름의 특성을 고려한 최종체절의 수리특성분석 모형에 의한 해석결과는 실측자료와 잘 일치하여 개발된 모형의 적용성이 있음을 보여주었다. 실측치와의 비교에서 본간(1985) 식에 의한 계산결과가 나정우(1987)에 의한 방법보다 비교적 정확함을 보여주었다. 아울러 완전 또는 불완전 월류의 구분이 없이 완전월류식에 잠수도를 이용한 유량계수식을 사용한 나정우 식의 사용성을 보여 주었다. 본간 식과 나정우 식에 의한 계산 값이 실측치보다는 유출입 특성이 크게 나타나 현장에서 체절구간의 불규칙적인 단면 양상을 감안한 유량계수의 조정이 필요할 것으로 판단된다. 일반적으로 최종체절의 수리특성 분석에서 제체구간의 침투수 흐름의 고려는 Darcy 흐름에 기초하여 분석하여왔다. 제체내 침투수의 유량과 개방구간을 통과하는 유량의 비가 체절구간이 좁을수록 크게 나타나, 제체내 침투수의 정확한 해석에 의한 체절구간의 수리특성을 분석해야할 필요가 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.454-454
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• 2016

하천의 치수안정성 확보 및 수심유지, 생태복원 등과 같은 다양한 요구를 충족하기 위한 보의 성능 개선에 대한 연구가 필요하며, 계단형 보는 재료에 의한 폭기효과 및 서식처 효과 등의 환경적요소를 내포하고 있다. 기존 연구는 표면류 흐름특성을 검증하고 유량변화에 따른 하류단 도수발생위치 변화를 분석하는 등 계단형 보에 대해 수리특성을 정량화한 연구가 대부분이며 흐름변화에 따른 유속장에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구는 기능성 친환경 횡단 구조물 유형 중 하나인 계단형 보의 안정성 검토를 위한 수리적 특성을 분석하고자 함으로써 구조물 안정성에 영향을 줄 수 있는 자체 및 하류 보호공 주변의 유속 분석을 통한 흐름 특성을 검토하고 설계시 외력 고려를 위한 자료를 제공하기 위한 목적이 있다. 이를 위해 계단형 보모형에 대해 수리모형실험을 수행하였다. 폭 0.24 m, 총 길이 3.70 m, 높이 0.30 m인 순환실험수로를 이용하였으며, 계단형 보 모형은 5단으로 단 높이 2 cm와 단 길이 5 cm이며, 보 높이는 10 cm, 보 길이는 25 cm 모형으로 실험하였다. 하류에 전도식 게이트를 설치하여 하류 수위를 증가시키면서 보 하류부에서 발생하는 완전도수부터 하류수심이 보 높이를 초과하는 잠김흐름 조건에 대해 실험하였다. 측정기법은 입자영상측정계(Particle Image Velocimetry; PIV)를 이용하였으며, 상류영역부터 하류영역에 대해 보 주변 흐름의 순간적 유속분포를 확인하였다. 또한 측정된 전반적 흐름 양상에 대해 통계적 수리분석을 수행하였다. 흐름특성에 대한 연구는 향후 계단형 보의 물받이 길이 및 보의 적정 규모 설계시 중요한 자료가 될 것으로 기대한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집
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• pp.1057-1062
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• 2009

대부분의 홍수 예측모형은 도달시간 산정에 있어 지표면 흐름을 중력흐름으로 가정한다. 그러나 Woo & Brater(1961)의 실험결과 지표면 흐름의 마찰계수는 바닥정사의 함수인 것으로 나타나며 수심이 매우 얕은 흐름의 경우 조고뿐만 아니라 바닥경사에 의한 영향이 매우 큰 것으로 나타났다. 새로운 무차원수 Y는 바닥경사, 수심, 조고 및 표면장력 등을 고려하는 인자로서 중력흐름과 표면장력흐름의 각 흐름특성을 반영하기 위한 새로운 도달시간 산정식을 개발하였다. 새로운 무차원수 Y는 표면장력과 관계된 후르드수 및 웨버수의 조합으로 조고뿐만 아니라 바닥경사, 수심의 함수로 나타난다. 지표면 흐름의 마찰계수 산정시 비례상수 ${\alpha}$를 새로운 무차원수 Y의 함수로 취하여 Butler(1977)의 실험자료를 분석하였다. 중력흐름의 경우 조고만의 함수로 나타나지만 표면장력흐름은 조고뿐만 아니라 바닥경사의 영향이 매우 중요한 것으로 나타났다. 중력흐름만을 고려하여 도달시간 산정시 관측치보다 작게 산정되는 반면 표면장력흐름으로 고려하여 도달시간 산정시 관측치와 근접하게 산정되었다. 따라서 지표면 유출 흐름은 중력과 함계 표면장력의 영향이 크게 작용하는 것으로 판단된다. 분석결과와 같이 표면장력흐름 특성을 고려한 도달시간 산정식을 모형에 적용할 경우 유출모형을 통한 유출량산정의 정확도 향상에 기여할 것으로 판단된다.