• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2020년도 학술발표회
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• pp.149-149
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• 2020

하천에서 물 흐름이 보와 댐과 같은 수공구조물을 지날 때 일반적으로 흐름상태에 다양하고 급진적인 변화가 발생한다. 특히 흐름이 구조물을 지나면서 사류(supercritical flow)로 변하고 다시 상류(subcritical flow)로 복원되면서 일어나는 도수(hydraulic jump) 현상은 수위의 급변화, 흐름 에너지 소산, 변동성이 강한 압력 분포 등이 특징이다. 이러한 흐름 특성들은 보나 여수로와 같은 수공구조물 자체의 성능뿐만 아니라 이들 수공구조물의 하류에서 발생하는 국부세굴로 인해 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 따라서 수공구조물을 설계할 때는 이들 구조물을 통과하는 흐름의 비정상 난류 흐름 특성을 정확하게 해석하여 반영하여야 한다. 이 연구에서는 k-omega SST 난류 모형과 자유수면의 급격한 변동을 해석하기 위한 하이브리드-VOF(hybrid volume of fluid)기법을 이용하여 도수현상을 수치적으로 재현하고자 한다. 기존 CFD(computational fluid Dynamics) 모델링에서는 자유수면 변동의 영향을 고려하기 위해 VOF 기법을 많이 사용하였다. 하지면 전통적인 VOF 기법은 다상흐름(multiphase flow)을 오직 부피분율(volume fraction)의 함수로만 고려하며 모의함으로써 강한 수면변동뿐만 아니라 공기연행(air entrainment)를 동반하는 난류 흐름을 모의하는데는 한계가 있다. 이 연구에서 이용하는 Eulerian 기법인 하이브리드 VOF 기법은 물과 공기의 각 상에 대하여 흐름 특성들을 개별적으로 계산하기 때문에 공기연행을 포함한 급변류 흐름에서 전통적인 VOF 기법보다 적용성이 우수하다. 이와 같은 난류모형과 자유수면 포착기법을 이용하여 3차원 비정상 난류 흐름 수치모형을 구축하여 수공구조물 주변에서 발생하는 강한 공기연행과 난류 특성를 보이는 급변류를 수치적으로 재현한다. 이 연구는 계산된 수치해석 결과를 기존 수리실험 결과와 비교하여 수치모형의 적용성을 평가하고 도수 현상에서 발생하는 독특한 흐름 특성을 제시한다.

• 한국농공학회지
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• 제13권1호
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• pp.2206-2217
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• 1971

본연구(本硏究)는 Dam 또는 여수토(餘水吐) 방수로등(放水路等) 급구배수로(急勾配水路)에 고속(高速)으로 유하(流下)되는 물을 감세처리(減勢處理)하기 (爲)한 감세공형식중(減勢工型式中) 보다도 구조(構造)가 간단(簡單)하고 시공(施工)이 용역(容易)하며 경제성(經濟性)이 높은 Flip Bucket 형감세공(型減勢工)에 의(義)하여 수리특성(水理特性)에 따른 일반적(一般的) 적용조건(適用條件)과 설계시공(設計施工)의 발전(發展)을 도모(圖謀)하기 위(爲)하여 연구(硏究)한 것으로서 그 결과(結果)를 요약(要約)하면 다음과 같다. 1. Flip Bucket의 수리특성(水理特性)과 일반적(一般的) 적용조건(適用條件) Flip Bucket는 일반적(一般的)으로 다음과 같은 조건(條件)을 갖일 때에 채용(採用)할 수 있다. 가. 하류하천(下流河川)의 수위(水位)가 얕어서 도수형(跳水型) 감세공법(減勢工法)을 이용(利用)하며는 막대(莫大)한 공사비(工事費)를 요(要)하게 될 때 나. 하류하천(下流河川)의 하상(河床)이 안정(安定)할 수 있는 양질(良質)의 암반(岩盤)일 경우 다. 하류하천(下流河川)은 여수토(餘水吐) 방수로(放水路)의 중심선(中心線)에 연(沿)하여 적어도 전수두(全水頭)의 $3{\sim}5$배(倍)되는 거리까지는 하심(河心)이 거이 직선(直線)인 여건(與件)에 있을 경우 라. 방사수맥(放射水脈)의 낙하지점(落下地點)을 중심(中心)으로 해서 주위(周圍)에 민가(民家), 경지(耕地), 중요시설물등(重要施設物等)이 없고 수맥낙하(水脈落下)로 인(因)하여 생기는 소음(騷音), 토사붕양(土砂崩壤), 물방울등(等)으로 피해(被害)를 받을 염려(念慮)가 없을 경우 2. 설계(設計) 및 시공상(施工上)의 적용사항(適用事項) 1항(項)과 같은 현지조건(現地條件)을 갖이고 실제(實際) Flip Bucket 형(型)으로 설계(設計) 또는 시공(施工)을 할 경우 고려(考慮)하여야 할 사항(事項)은 가. Bucket의 반경(半徑)(R)은 $R=7h_2$로 적용(適用)이 가능(可能)하다. ($h_2$: Bucket 시점(始點)의 평균수심(平均水深) 나. 본형식(本型式)은 한계지면이하(限界施面以下) 방수로(放水路)의 구배(勾配)가 $0.25<\frac{H}{L}<0.75$의 수로(水路)에서만 채용(採用)한다. 다. 방사수맥(放射水脈)은 가급적(可及的) 하상면(河床面)에 직각(直角)에 가까운 각도(角度)로 낙하(落下)시켜야 하며 그러기 위(爲)해서는 수맥(水脈)을 높이 또는 멀리 방사(放射)시켜야 한다. 상기목적(上記目的)을 만족(滿足)시키는 Flip의 앙각(仰角)은 $\theta=30^{\circ}{\sim}40^{\circ}$를 적용(適用)하는 것이 좋다. 라. 상기(上記) 가${\sim}$다항(項)을 적용(適用)했을 때 유량별(流量別) 방사수맥(放射水脈)의 낙하거리(落下距離)는 그림-4.1에 의(依)하여 쉽게 추정(推定)할 수 있다.(단 실물(實物)에 대(對)한 제량(諸量)의 환산(換算)은 표(表-3.2)에 제시(提示)된 Froude 상사율(相似律)을 적용(適用)할 것) 마. Bucket 부(部)에 Chute Blocks를 설치(設置)하는 것은 방사수맥(放射水脈)의 낙하범위(落下範圍)를 확장(擴張), Energy를 분배(分配)시켜 주므로 하류하상(下流河床)의 세굴심(洗掘深)을 감소(減少)시키는 이점(利點)은 있으나 소맥낙하거리(小脈落下距離)는 다소(多少) 단축(短縮)되는 경향(傾向)이 있다. 바. 수맥낙하점(水脈落下點)에는 세굴(洗掘)에 의(依)한 깊은 Water Cushion을 형성(形成)한다. 최종적(最終的)으로 도달(到達)하는 Water Cushion의 깊이는 하상구성재료(河床構成材料)의 조성(組成)과 재질(材質)에는 거이 무관(無關)하며 단위폭당(單位幅當)의 유량(流量)과 전수두(全水頭)에 따라 소요(所要) 깊이까지 세굴(洗掘)된다. 사. 빈도(頻度)가 잦은 소유량(小流量)에서는 수맥(水脈)의 낙하거리(落下距離)가 단축(短縮)되어 Flip Bucket 하류단(下流端) 직하류(直下流)를 세굴(洗掘)하게 되므 Bucket로 하류단(下流端)은 견고(堅固)한 암반(巖盤)에 충분(充分)한 깊이까지 삽입절연(揷入絶緣)시켜 수맥하부(水脈下部)의 공기유통(空氣流通)을 원활(圓滑)하게 하므로서 Cavitation을 방지(防止)할 수 있다. 지하벽(直下壁)은 보통(普通) Bucket 말단(末端)에서 약(約) $0.3{\sim}0.5m$ 정도(程度)는 수평(水平)으로 하고 수평(水平)과 내각(內角)이 $120^{\circ}{\sim}130^{\circ}$되게 절단(切斷)하여 적당(適當)한 곳에서 수직(垂直)으로 하여 암반(巖盤)에 견고(堅固)히 절연(絶緣)시킨다. 아. 하상(河床)에 돌입(突入)한 고속(高速) Jet는 수두(水頭)의 크기에 따라 막대(莫大)한 Energy의 일부(一部)를 함유(含有)한채 하상면상(河床面上)을 유하(流下)하게 되므로 이 영향(影響)을 받는 하류제방(下流堤防)에는 상당구간(相當區間)까지 사석(捨石) 또는 기타(其他)의 방호조치(防護措置)를 강구(講究)해야 한다. 자. 낙하지점(落下地點)의 조건(條件)으로 보아 자연낙하지점(自然落下地點)보다 더욱 양호(良好)한 지점(地點)이 주위(周圍)에 구비(具備)되어 있을 경우에는 별도(別途)로 수리실험(水理實驗)을 통(通)하여 수맥(水脈)의 변이방법(變移方法)을 강구(講究)해야 한다. 차. 수로(水路)의 중심선(中心線)이 만곡(灣曲)을 갖던가 또는 본연구(本硏究) 범위(範圍)에서 제외(除外)된 구조물(構造物)에서 본형식(本型式)을 계획(計劃)할 때는 별도(別途)로 수리실험(水理實驗)을 행(行)하여야 한다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제18권4호
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• pp.329-337
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• 2006

삼천포 화력발전소에서 냉각수로 이용되고 방류되는 해수를 이용한 소수력 발전소가 삼천포 해역에 건설되고 있다. 본 연구에서는 소수력 발전소가 건설되는 지점, 즉 방류수로 및 방류해역의 흐름을 관측하고 흐름특성을 분석하였다. 방류수로의 흐름은 냉각수 방류량에 의한 영향이 지배적이며, 공간적으로는 냉각수가 합류되는 Weir 상류구간, 합류된 냉각수가 방류수로를 통하여 배출되는 Weir 하류구간, 방류해역으로 구분할 수 있다. Weir 상류 지점은 측면에서 유입되는 냉각수로 인하여 유량이 점차 증가하나, 수로의 폭이 증가하기 때문에 수위 변화가 미미한 지역이며, Weir 하류지점은 월류된 냉각수가 사류(super-critical flow)구간을 거쳐서 수리학적 도약으로 인한 강한 연직방향의 요동을 보이며 방류해역으로 이동하는 구간이다. 한편, 방류수에 의한 영향으로 외해방향으로의 해수흐름이 형성되나 유속은 조위의 승강운동에 크게 영향을 받는 것으로 파악되었다. 또한, 방류해역의 조위는 통영 검조소에 비하여 평균조차는 약 10% 크게 나타나고 있으며, 파랑전파에 의한 영향은 미미한 정도로 파악되었다.

• 한국환경과학회:학술대회논문집
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• 한국환경과학회 2003년도 International Symposium on Clean Environment
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• pp.177-184
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• 2003

Numerical simulation on marine wind and sea surface elevation was carried out using both three-dimensional hydrostatic and non-hydrostatic models and a simple oceanic model from 0900 LST, August 13 to 0900 LST, August 15, 1995. As daytime easterly meso-scale sea-breeze from the eastern sea penetrates Kangnung city in the center part as basin and goes up along the slope of Mt. Taegullyang in the west, it confronts synoptic-scale westerly wind blowing over the top of the mountain at the mid of the eastern slope and then the resultant wind produces an upper level westerly return flow toward the East Sea. In a narrow band of weak surface wind within 10km of the coastal sea, wind stress is generally small, less than l${\times}$10E-2 Pa and it reaches 2 ${\times}$ 10E-2 Pa to the 35 km. Positive wind stress curl of 15 $\times$ 10E-5Pa $m^{-1}$ still exists in the same band and corresponds to the ascent of 70 em from the sea level. This is due to the generation of northerly wind driven current with a speed of 11 m $S^{-1}$ along the coast under the influence of south-easterly wind and makes an intrusion of warm waters from the southern sea into the northern coast, such as the East Korea Warm Current. On the other hand, even if nighttime downslope windstorm of 14m/s associated with both mountain wind and land-breeze produces the development of internal gravity waves with a hydraulic jump motion of air near the coastal inland surface, the surface wind in the coastal sea is relatively moderate south-westerly wind, resulting in moderate wind stress. Negative wind stress curl in the coast causes the subsidence of the sea surface of 15 em along the coast and south-westerly coastal surface wind drives alongshore south-easterly wind driven current, opposite to the daytime one. Then, it causes the intrusion of cold waters like the North Korea Cold Current in the northern coastal sea into the narrow band of the southern coastal sea. However, the band of positive wind stress curl at the distance of 30km away from the coast toward further offshore area can also cause the uprising of sea waters and the intrusion of warm waters from the southern sea toward the northern sea (northerly wind driven current), resulting in a counter-clockwise wind driven current. These clockwise and counter-clockwise currents much induce the formation of low clouds containing fog and drizzle in the coastal region.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2010년도 학술발표회
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• pp.793-797
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• 2010

물리적 녹조저감 기술인 커튼형 수류차단막은 유입 하천과 저수지 천이부에서 높은 영양염류와 조류를 포함한 표층 수류의 차단 또는 우회를 통해 본류 수역의 녹조발생을 저감하는 대책이다. 본 연구에서는 2009년 5월 회남대교 약 2 km 상류에 시범 설치된 대청호의 수류차단막 효과를 분석하고자 선행연구에서 보정한 2차원 횡방향 평균 수리 및 수질 모델을 최근의 수문사상인 2009년 6~8월까지 적용하여 검보정하고 수치모의를 실시하였다. 저수지 수위와 실측수위를 비교한 결과, 7월 중순 유입량 증가에 따른 수위 상승을 잘 반영하였고, 결정계수값($R^2$)이 0.997로 나타나 모델은 저수지 물수지 계산에 있어서 높은 신뢰도를 보였다. 댐앞과 회남수역에서 수심별 수온예측 오차는 AME 0.258~$1.584^{\circ}C$, RMSE 0.393~$2.548^{\circ}C$의 범위로 실측값을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 회남, 댐, 추동, 문의 수역의 표층에서 $PO_4$-P 및 Chl-a 농도에 대한 모의값과 실측값의 시계열 비교 결과, 모델은 저수지내 각 측정지점에서 실측값의 시계열 변화를 잘 모의하였고, 회남수역에서 7월 중순 홍수 유입에 따라 증가하였다. 특히, $PO_4$-P 농도가 0.06 mg/L까지 증가하는 것으로 나타났다. 이는 홍수기에 높은 영양염류를 포함한 탁수가 수류차단막 하단을 통과하여 수리학적 도수현상(Hydraulic jump)을 일으킨 것이 원인이라 판단된다. 수류차단막 설치에 따라 회남수역의 표층에서 Chl-a 농도의 저감 효과가 두드러졌으나, 댐, 추동 및 문의수역에서의 제어 효과는 미미하였다. 이와 같이 회남수역에서 효과가 큰 이유는 2009년 수문사상의 영향과 저수지 지형특성상 유입수의 영향을 직접받기 때문으로 판단된다. 또한, 회남수역에서 수류차단막 설치에 따른 T-N 및 T-P 평균 저감 효율(수류차단막이 설치되지 않은 경우에 대한 설치 후 농도 저감 비)은 각각 10.8% 및 19.1%이었으며, 평균 저감농도는 모의값을 기준으로 각각 1.637 mg/L에서 1.461 mg/L 및 0.047 mg/L에서 0.038 mg/L로 나타났다. DIN 및 $PO_4$-P 평균 저감 효율은 각각 6.4% 및 24.6%이었고, Chl-a 평균 저감 효율은 25.5%이었으며, 평균 저감농도는 모의값을 기준으로 0.025 mg/L에서 0.018 mg/L로 나타났다. 모의결과를 종합해 볼 때, 대청호에 시범 설치된 조류제어용 수류차단막은 2009년의 수문사상에서 회남수역의 녹조발생 저감에 기여한 것으로 판단된다. 또한 대청호에서 유사한 수문사상을 보인 2006년(62일간)에 비해 2009년(28일간)에 조류주의보 발령 일수가 대폭 줄었다는 사실도 차단막의 효과를 간접적으로 확인해 준다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제50권3호
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• pp.201-210
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• 2017

본 연구에서는 저수지에 유입된 부유사 밀도류에 의해 유사가 포집되는 현상을 모의하기 위한 수치모형을 제시하였다. 개발된 모형을 Toniolo and Schultz (2005)의 실내 실험에 적용하여, 부유사 밀도류의 전파, 하도형태의 변화, 그리고 댐에 의한 유사의 포집현상을 모의하였다. 삼각주의 전면층에서 침강된 밀도류가 빠르게 댐까지 전파된 후, 댐에 의해 차단되고 두께가 증가되어 상류로 영향을 전파하는 일련의 과정을 모의하였다. 또한, 소류사와 부유사에 의해 저수지 삼각주에서 전면층이 전진하고, 부유사에 의해 기저층의 두께가 상승하는 현상을 잘 모의하였다. 댐 취수구의 높이에 따른 밀도류의 최대 두께와 내부 도수 발생 위치를 확인하였다. 유사 포집 효율은 수치모형으로 실측 결과의 값을 적절히 모의하였으나, 실험의 한계로 인해 댐 취수구의 높이와 포집 효율과의 관계는 찾아볼 수 없었다. 수치모의 결과를 이용하여 유사 포집 효율의 민감도 분석을 수행한 결과 부유사의 입자 크기가 포집 효율에 가장 민감하게 작용하는 것을 확인할 수 있었다.

• 대한토목학회논문집
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• 제26권5B호
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• pp.447-457
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• 2006

본 연구에서는 2차원 수심 적분된 흐름을 모의하기 위한 수치모델을 개발하였다. 유한요소법의 일종인 Characteristic Dissipative Galerkin(CDG) 기법을 적용시켜 천수방정식의 수치해를 구한다. 모델 검증을 위해서 1차원 도수문제에 적용하였고, 계산결과와 해석해를 비교할 때 만족스러운 결과를 얻었다. 정상파를 보이는 단면축소 수로에서의 흐름을 모의한 결과, 실험결과와 유사한 수면분포를 얻었다. 이러한 검증 과정을 통해서 본 수치모델을 이용하여 흐름영역이 갑작스럽게 변화하는 경우에도 모의 가능함을 알았다. 또한 $180^{\circ}$ 만곡수로에 적용한 결과, 만곡부 내측의 유속이 외측에 비해서 크며, 만곡부 내측의 수심은 외측에 비해서 작은 만곡부 흐름특성을 잘 나타내고 있다. 그러나 만곡수로에서 이차류에 의한 운동량의 횡방향 이송을 고려하지 않는 지배방정식의 한계점으로 인해서, 만곡부 끝단을 제외한 만곡부 전체에 걸쳐서 단면상의 종방향 유속이 일정한 분포를 보이고 있다.

• 대한토목학회논문집
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• 제28권5B호
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• pp.559-573
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• 2008

Navier-Stokes식, Gaussian 분포형 용출함수를 이용한 내부조파, energy absorbing layer로 삼차원 파랑모형을 새롭게 구성하였다. Navier-Stokes식의 수치적분에는 정교한 수치기법인 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)가 활용된다. 제안된 파랑모형의 검증은 삼차원 포물형 용기에서의 sloshing현상과 Thacker(1981)의 해석해를 토대로 수행되었다. 초기 수면 형상이 Gaussian hump인 경우와 일방향으로 경사진 경우에 대해 수치모의 하였다. 수치모의 결과 수면이 융기되도록 구속한 외부조건이 해제되면서 시작되는 자유진동의 정성적 거동은 비교적 정확히 모의되었으나 시간이 경과될수록 위상차, 침수선이 퇴각하는 등 초기 수면과는 상당히 다른 결과를 보였다. 최종적인 검증은 쐐기모양 해안에서의 비선형 천수, 굴절거동의 수치모의를 토대로 진행되었다. 수치모의 결과 굴절되는 양이 Hamiltonian ray theory가 제공하는 수치보다 전반적으로 작게 나타났다. 이러한 현상은 이상유체와 선형 이론에 기초한 Hamiltonian ray theory에서 간과된 비선형성, 점성으로 인한 양안과 저면에서의 에너지 감쇄, 쇄파 과정에 유동계에 도입되는 에너지 감쇄, 선행파랑에 의한 down-rush와 조우시 발생하는 도수 등에 기인하는 것으로 판단된다.