• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.645-648
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• 2010

본 연구에서는 복단면 사행수로의 흐름특성과 수위특성을 정량적으로 분석하고자 코사인 유도형(cosine-generated) 복단면 만곡 수로 실험 자료를 기초로 3차원 수치모의를 수행하였다. 수치모의에는 3차원 수치모의 프로그램인 Flow3D을 사용하였고, 난류 모델은 RNG ${\kappa}-{\epsilon}$ 모델을 사용 하였다. 수치모의 결과는 실험 결과와의 비교를 통하여 평면유속분포 및 유속벡터, 만곡부 단면에서의 수위분포 등으로 분석하였고, 이는 이전의 실험결과와 일치하는 것으로 나타난다. 특히, 평면 유속분포는 수위 증가에 따라 저수로 중심의 최대 유속선이 만곡 내측으로 이동하는 것이 모의되었다. 이런 흐름구조는 다른 연구자들이 이전까지 연구한 실험 및 수치모의 결과와도 일치한다. 또한, 수위 분포 결과에서는 사행하도의 원심력에 의한 흐름특성인 만곡부 내측과 외측의 수위차가 미세하게 발견되었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2005.05b
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• pp.953-958
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• 2005

최근 들어 다양한 산업에서 3차원 수치해석을 이용하는 영역이 넓혀지고 있다. 국내에서도 3차원 수치해석을 이용하여 댐이나 정수처리시설 설계 등 수리분야에 적용하였고, 점점 그 이용이 확대되고 있다. 특히 교량 및 수제 등의 수공구조물로 인한 주변 흐름형상은 2차원 해석이 불가능하여 현재 수리모형실험을 통한 해석이 주를 이루고 있다. 이에 본 연구에서는 현재 3차원 수치해석에 많이 이용되는 상용모델인 FLOW-3D를 이용하여 3차원 흐름에 대한 수치해석을 수행하였으며 수리모형 결과와 비교하여 적용성을 검토하였다. 그 결과 모의 및 실험결과 수리모형과 수치모의 결과는 서로 비슷한 흐름양상을 보이고 있었다. 또한 조도계수(Roughness)를 매개변수로 하여 다양한 상태에서의 FLOW-3D의 민감도를 검토하였으나 실제 흐름과는 상이함을 보였다 또한 다양한 난류모형을 적용하여 그 결과를 실제 흐름과 비교해보았다. 그 결과 3차원모형에서는 교각 후면부와 좌, 우측면부에서의 흐름이 실제 수리 모형과는 상이한 결과를 보이는데 이는 FLOW-3D의 벽 경계 및 와류에 대한 난류모델에 따른 수치해석적인 차이로 사료된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.1413-1417
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• 2004

수제는 하천 흐름을 적극적으로 제어하여 수심을 유지하고, 소류력을 증가시키는 한편 수세를 줄여 토사의 침전을 유포하고자 하는 하천 시설물이다. 수제에 의한 역흐름장(diverse flow fields) 혹은 수제역 (spur-dike zone)의 형성은 다양한 수중생물의 서식환경을 조성하거나 홍수 시 어류의 피난처로 사용될 수 있기 때문에 최근 중시되고 있는 자연형 하천 공법에 수제가 도입되고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치모형을 이용하여 수제주변 흐름을 수치모의 하여 Rajaratnam과 Nwachukwu (1983)의 수리실험 자료 및 Tingsanchali와 Maheswaran (1990)의 2차원 수치모의 결과와 비교하였다. 수치모의 결과 이차흐름과 역방향 흐름이 크게 나타나는 수제 안쪽 및 제방과 가까운 지점에서는 수치모의 자료와 실험자료가 잘 일치하지 않는 결과를 보였으면, 이러한 지점을 제외한 다른 지점에서는 실험자료와 유사한 결과를 나타내고 있음을 확인하였다. 단일 수제에 의한 재순환영역 (recirculation zone)은 수제길이의 약 10배 지점인 것으로 나타났으며, 이는 기존의 연구결과와 유사하였다. 또한 수제 뒤편에 형성되는 와의 중심이 수면에 가까운 지점일수록 뒤로 이동하는 것을 확인하였다. 이는 Tominaga 등 (2001)의 실험결과와 유사한 것으로서 수심에 비례하여 수제 뒷부분에 형성되는 와의 크기가 커지는 것을 파악하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1737-1741
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• 2008

하천 개수나 치수를 위한 기초 연구의 일환으로 수치모형을 이용한 검증 및 예측 과정이 요구되어 왔고, 고전적인 수치모의 방법으로 결과 산출이 용이한 1차원 모형을 적용시켜 왔다. 1차원 모형의 경우 모의영역을 쉽게 넓힐 수 있고, 입력 자료가 간단하다는 장점이 있지만, 수직적이고 수평적인 흐름특성 변화 및 난류 구조를 보이는 3차원적인 자연하천 흐름을 종방향의 1차원적인 모의 결과를 이용하여 평가한다는 점에서 비현실적이다. 하천을 가로질러 교각이나 보와 같은 구조물이 위치하고 있거나, 좌우 비대칭적인 형상의 수로를 모의할 경우 흐름특성의 공간적인 분포는 단순한 단면 평균적인 개념으로는 설명되기 힘들다. 최근에야 비로소 수공학 관련 실무자들에 의해서 최소한 2차원 수치모형을 기본적인 평가법으로 도입해야 한다는 분위기가 감지되고 있으며, 일반적으로 한강과 같은 대하천을 모의할 경우, 대다수의 실무자들과 연구자들이 축척을 문제 삼아 수로 내부에 위치한 교각을 생략하여 2차원 모의를 수행하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 수로 내부에 위치한 교각을 2차원 모의하는 방법에 대한 비교 평가를 수행하고자 한다. 동일한 격자를 이용하여 교각을 고려하지 않았을 경우와 교각 형상을 모의 영역에서 삭제하여 경계처리를 하였을 경우, 마지막으로 교각이 위치하고 있는 영역에 항력을 적용하였을 경우에 대해서 비교 평가한다. 이를 위하여 2차원 천수방정식을 흐름방정식으로 하는 유한요소모형을 구축하였으며, 모형의 검증을 위해 교각이 수로에 위치할 경우에 대한 실내 실험 자료와 비교한다. 또한 검증된 모형을 이용하여 교각이 포함된 한강의 일부 구간을 선정하여, 교각 모의 방법에 대한 비교 평가를 수행한다. 본 연구에서 구축된 자료 및 제시된 수치모형은 하천복원, 치수관리 측면에서 매우 유용하게 사용될 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.42-42
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• 2015

사행수로에서의 원심력은 비선형적인 압력분포를 야기하여 이차류, 편수위 등과 같은 불규칙하고 복잡한 흐름을 발생시킨다. 일반적으로 이들 흐름은 난류이고 매우 3차원적이며 자유수면과의 상호작용이 중요한 역할을 할 수도 있다. 환경, 유사이동, 지형 변화와 관련된 환경 수리학적 관점에서 사행수로에서의 흐름을 이해하고 설계하기 위해서는 이러한 복잡한 3차원 흐름을 정확하게 계산하는 것이 매우 중요하다. 이 연구에서는 유한차분법에 근거한 3차원 흐름해석 모형을 이용하여 사행수로에서의 난류 흐름을 모의하고자 한다. 지배방정식은 3차원 비정상 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 방정식이며, 난류 해석을 위해서 공학적으로 널리 이용되고 있는 난류 모형 중 k-omega 모형을 이용한다. 수치모형은 시간과 공간에 대해서 2차 정확도의 이산화 기법을 적용한다. 자유수면의 변동은 이상(two-phase) VOF (volume of fluid) 기법을 이용하여 계산한다. 수치모형의 적용 대상은 기존 문헌에서 제시되어 있는 키노시타 사인곡선을 이용하여 만든 폭 60cm의 사행수로에서 후르드수 0.23 그리고 레이놀즈수 41,700의 조건에서 발생시킨 난류 흐름이다. 적용한 난류모형들을 이용하여 해석한 결과들을 유속벡터분포와 수위의 항으로 비교분석하여 사행수로에서 발생되는 이차류와 편수위 변화 재현에 대한 수치모형의 적용성을 평가하고 각 난류모형들의 특성을 제시한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.281-281
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• 2017

하천에서 하도불안정(stream instability)으로 인하여 하상의 형태가 변화하고 하상파(sand wave)가 발생한다. 사련(ripple), 사구(dune) 등과 같은 하상파는 흐름저항을 유발하여 홍수시 수위를 증가시킨다. 수리실험 및 수치모형을 이용하여 사련 및 사구의 발달과정 그리고 이를 지나는 난류흐름에 대한 연구가 국외에서는 이루어지고 있지만 국내의 경우 거의 찾아보기 힘들다. 수치모형을 활용한 연구는 주로 횡방향으로 하상파가 일정하다는 가정하에 연직 2차원 수치모형을 적용하였으나 최근 컴퓨터 기술 및 수치기법의 고도화로 3차원 RANS(Reynolds averaged Navier-Stokes) 또는 LES(Large eddy simulation)를 이용한 수치모형이 개발되고 있다. 본 연구에서는 LES에 유사이송 및 하상변동 모형과 결합하여 사구발달에 대한 수치모의를 수행하였다. LES와 유사이송 및 하상변동 모형의 결합은 순간유속성분을 하상변동모형에 직접 적용되기 때문에 난류영향을 고려할 수 있는 것이 장점이다. 특히 사구의 발달에 따라 복잡한 흐름이 발생하며 3차원 와구조가 발생하므로 난류특성의 고려는 필수적이다. 수치모의는 Delft Hydraulics (Bakker et al., 1986)에서 수행한 수리실험 T39를 활용하였다. 수리실험은 길이 100 m, 폭 0.5 m 개수로에서 수행되었으며 평균유속은 0.611 m/s, 수심은 0.436 m이다. 하상파 실험에 사용된 유사입경은 0.78 mm 균일사를 사용하였다. 수치모의 조건은 수리실험과 동일하게 하였으나 계산시간의 효율을 고려하여 흐름방향의 계산영역은 4.0 m로 하고 주기경계조건(periodic boundary condition)을 부여하여 계산을 수행하였다. 수치모의 계산은 사구의 길이 및 파고가 평형상태에 이를 때까지 수행되었다. 수치모의 통해 사구발달에 따른 흐름 및 하상변동 특성을 분석하였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.146-150
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• 2011

본 연구에서는 길이 35.6m, 폭 4m, 사행도 1.8의 2회 사행하는 복단면 사행하도의 상류 직선부와 만곡 정점부 6개 지점에 폭 0.4m, 길이 0.8m의 타원기둥 형태의 부유 구조물을 구성하여, 0.25m, 0.40m의 수심 조건으로 수치모의를 수행하였다. 수치모의 결과자료 중에서 부유 구조물 주변의 흐름특성을 국부적으로 분석해 본 결과 부유 구조물이 없을 때의 흐름과는 상당히 다른 흐름특성들이 발견되었는데, 특히 그 중에서도 부유 구조물 아래에서 작용하는 상승류와 부유 구조물로 인한 단면 이차류의 분리가 두드러졌다. 이와 함께 수로 유입부와 유출부 사이의 총 수두 값 변화도 수로 내 부유 구조물의 유무에 따라 다르게 나타났다. 그리고 이러한 결과들 모두 동일 측선 상에서라도 부유 구조물의 위치가 바뀌면 다른 양상으로 나타났다. 본 연구에서는 하도 내에 부유 구조물이 있을 때 부유 구조물의 위치에 따른 통수능 및 흐름특성의 변화를 3차원 수치모의 결과를 통하여 보여준다. 그리고 그 결과들은 하도 내 부유 구조물을 설치 할 때, 검토대상에 부유 구조물 뿐 아니라 하도형태 및 하천의 흐름특성도 함께 포함되어야 함을 뒷받침해준다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.292-292
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• 2016

논의 배수특성 분석은 물꼬 크기 및 개소수, 배수로 구성, 규모, 경사, 재질 등과 같은 물리적 특성 인자들의 영향으로 인해 일반적인 유역의 홍수량 산정을 위해 사용되는 수문학적 홍수추적 방법의 적용이 어렵다. 따라서 논에서의 유출을 모의하기 위해서는 수리학적 홍수추적 방법의 적용이 필요하며, 기존의 연구들은 대부분 1차원과 2차원의 수치 해석 기법으로 논의 유출 특성을 분석해왔다. 3차원 수치 해석 기법을 적용할 경우 1차원과 2차원에서 볼 수 없는 유동 특성 등을 파악할 수 있으며, 보다 정확한 유출 모의가 가능할 것으로 기대된다. 하지만 3차원 해석은 비교적 구조가 단순한 논에 적용하기에는 시간과 비용이 과도하게 소모된다는 단점이 있다. 한편, 상사법칙은 주로 실험의 스케일을 줄이기 위해 적용되어 왔다. 정확성에 대한 검증이 이루어진다면, 시간이 오래 걸리는 3차원 모델링에 상사법칙을 적용할 경우, 모의 시간을 단축시킬 수 있는 장점이 있을 것으로 사료된다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치 해석 모형인 FLOW-3D를 이용하여 논에서의 유출을 모의하고, 적용성을 평가하고자 한다. 또한 상사법칙을 이용하여 모의 시간을 단축할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 모의 대상으로 40m x 100m의 논 포장을 구성하였으며, 강우 및 관개에 따른 유출을 모의하였다. 모의 결과는 실측치 및 기존 연구의 결과와 비교하여 적용성을 평가하였다. 또한 수리학적 상사법칙을 적용하여 조건을 변화시켜가며 유출을 모의하였고, 모의 조건 및 모의 시간 변화에 따른 정확성을 분석하였다. 본 연구에서 제시한 방법은 논에서의 유출 모의의 정확성을 향상 시켜, 홍수 발생 시 농경지의 침수 대책 마련에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.337-337
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• 2015

홍수 저감, 생태계 복원, 위락 등 다양한 목적의 충족을 위해 강변에 저류지, 즉 다목적 유수지(detention basin)를 조성하는 사례가 나타나고 있다. 하천에서 홍수의 발생으로 수위가 어떤 기준보다 높아지면, 흐름의 일부를 돌려 저류지로 보냄으로써 본류의 부담을 덜 수 있다. 이때, 흐름의 분기를 위해 설치되는 하천구조물 중 하나가 측면 위어(side weir) 또는 횡월류 위어(side discharge/overflow weir)이다. 하천의 계획과 설계에서 위어가 적용될 때, 위어에 대한 수위-유량 관계, 즉 그 형식과 제원에 적합한 유량계수(discharge coefficient)의 결정이 관건이 된다. 일반적인 위어와 달리 흐름 양상이 복잡한 측면 위어의 경우, 이론과 실제의 괴리가 아직까지 해소되지 않아 실물 또는 3차원 수치 모형을 이용한 시험으로 수위-유량 관계를 수립할 필요가 있다. 이렇게 결정된 수위-유량 관계는 1차원 또는 수심적분 2차원 모형의 내부 또는 외부 경계로 사용되며, 본류의 수위 증감에 따른 측면 위어의 횡월류량을 통해 저류지의 홍수 조절 능력을 평가할 수 있다. 이 연구에서는, 측면 위어의 수위-유량 관계가 알려지지 않더라도, 저류지에 의한 홍수 조절 효과를 평가할 수 있는 2차원 수치모의에 대해 검토하였다. 수치해법으로서 2차원 천수방정식에 대해 유한체적법을 적용하고, 흐름률(flux)의 정확한 계산을 위해 근사 Riemann 해법을 도입하였다. 먼저, 측면 위어가 없는 실험 조건에 대해 수로 내 한 측선에서 측정된 수위와 유량을 모의 결과와 비교하여 모형을 검증하였다. 이때, 경계조건으로 상류 끝에 측정 유량을, 하류 끝에 측정 수위를 부여하였으며, Manning의 조도계수를 0.014로 설정하였다. 또한, 측면 위어가 설치된 수로에 대해 계산 영역을 340개의 삼각형 격자로 분할하고 측면 위어가 없는 경우와 동일한 조건을 두어 모의하였다. 측면 위어의 하류에 위치한 측선에서 측정치에 대한 평균 제곱근(root mean square) 오차가 수위에 대해 1.9 mm, 유량에 대해 $2.2{\ell}/s$로서 그림과 같이 모의 결과는 실험의 그것과 잘 일치하였다. 이로써, 측면 위어에 대한 수위-유량 관계의 수립을 위한 실물 모형 시험 없이 수심적분 2차원 수치모의를 통해 저류지의 홍수 조절 효과를 평가할 수 있음이 확인되었다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.38 no.3 s.152
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• pp.179-188
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• 2005

This study on the HwaBuk Multipurpose Dam showed that two- and three- dimensional numerical model experiments, as well as hydraulic model experiments, can be useful analysis tools for engineers. A commercially available RMA2, which solves the shallow water equations, and FLOW-3D, which solves the Reynolds averaged Navier-Stokes equations, were used to simulate the hydraulic model setup. Numerical simulation results on the following were compared with the hydraulic model results: the flow in the reservoir basin and the approaching channel; the discharge in the overflow weir; the water surface profiles in the rollway, chute, and stilling basin; and the pressure distributions in the rollway. It was shown that there is a reasonably good agreement between the numerical model and the hydraulic model for the most of computations. There were, however, some differences between the numerical simulation results and hydraulic model results for the hydraulic jump in the stilling basin because of air entrainment effect.