• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2020.06a
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• pp.53-53
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• 2020

오염물질 유출 사고가 발생했을 경우 안전한 수자원의 관리 및 공급을 위해 오염물질의 혼합거동에 대한 정확한 해석이 필요하다. 하천에 유입된 오염물질의 혼합 거동에 영향을 미치는 인자들은 다양하지만, 수리구조물 등에 의해 발생한 저흐름 영역에 의해 오염물질이 정체되는 현상에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 특히, 국내 하천에는 약 33,000여 개가 넘는 취수보가 설치되어 있으며, 이 보들은 대부분 광정보 형태의 농업용수 취수를 목적으로 하고 있다. 이러한 보에는 저유량 시기에 보 상하류간의 흐름을 원활하게 하기 위한 노치(notch) 형태의 배수로가 설치되어 있으며, 노치로 인하여 보 상류쪽에 연직방향 뿐만 아닌 수평방향 흐름장의 변화 및 저흐름 영역이 형성된다. 따라서 본 연구에서는, 노치가 설치된 보 구조물 주변에서의 수평 방향 흐름 구조 및 오염물질의 혼합 거동을 분석하여 하천 저장대 모형의 매개변수를 산정하였다. 저흐름 영역에 의하여 오염물질의 정체현상이 발생할 경우, 일반적으로 오염물질 혼합 해석에 사용되는 Fickian 이송-확산 모형은 농도의 공간 분포를 잘 재현하지 못하기 때문에 non-fickian 모형인 하천 저장대 모형이 널리 사용되고 있다. 하천 저장대 모형에서의 주요 매개변수로는 저장대 영역(저흐름 영역)의 면적과 질량교환계수가 있으며, 본 연구에서는 노치의 조건 변화에 따른 저장대 영역 및 질량교환계수의 변화를 분석하기 위하여 수리실험을 수행하였다. 노치의 조건 변화에 따른 저장대 모형의 매개변수 산정을 위하여 보 구조물이 설치되어 있는 개수로에서 수리실험을 수행하였으며, 광범위의 수평방향 흐름구조 및 오염물질의 혼합거동을 분석하기 위하여 LSPIV(Large Scale Particle-Image-Velocimetry) 및 PCA(Planar-Concentration-Analysis) 기법을 이용하여 유속 및 오염물질의 농도자료를 취득하였다. 취득된 유속 자료 및 농도자료를 바탕으로 보 상류에 위치한 저흐름영역의 크기 및 저흐름 영역과 주 흐름 영역 사이의 농도변화를 분석하였다. 실험자료 분석결과, 노치의 간격이 커질수록 저흐름영역의 크기 또한 증가하였으며, 오염물질의 체류시간 또한 증가하는 것으로 밝혀졌다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2021.06a
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• pp.20-20
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• 2021

하천에서 유해화학물질 유출사고로 인하여 오염물질이 유입되었을 경우, 이에 대응하기 위하여 오염운의 도달시간과 농도를 예측하는 것은 매우 중요하다. 종방향의 혼합거동이 중요한 넓은 범위의 하천을 대상으로 오염물질의 이송을 예측하기 위하여 일반적으로 1차원 Fickian 모형을 사용한다. 그러나 실제 하천에서 오염물질의 농도를 측정하였을 경우, 대부분의 농도분포는 오염물질의 저장대효과로 인하여 긴 tail 부분을 갖는 왜곡된 분포를 갖게 된다. 이러한 저장대 효과는 여러 하천내의 다양한 불규칙성으로부터 발생하나, 국내 하천에 많은 보가 설치되어 있음에도 불구하고 하천 내부에 설치된 수리구조물에 의하여 발생하는 인공적인 저장대 효과에 관한 연구가 미흡한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 실내 수리실험과 수치 모의를 통하여 노치가 존재하는 보주변에서의 흐름 특성과 오염 물질의 이송 특성을 규명하고, 이를 통해 보의 지형 및 수리적 인자가 저장대 메커니즘에 미치는 영향을 분석하였다. 수리 실험을 통한 넓은 범위에서의 수평방향 흐름장과 농도장을 측정하기 위하여 본 연구에서는 광역 계측방법인 Large Scale Particle-Image-Velocimetry (LSPIV) 기법과 Planar-Concentration-Analysis (PCA) 기법을 각각 유속과 농도 측정을 위해 적용하였다. 더 많은 보의 지형 및 수리적 조건에 따른 저장대 메커니즘을 분석하기 위하여 3차원 Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) 모형을 통해 모의조건을 확장 적용하였다. 측정 및 모의 결과를 바탕으로 노치가 존재하는 보의 지형 및 수리적 인자가 저장대 메커니즘에 미치는 영향을 분석하였다. 저장대 영역 면적의 크기는 노치사이의 간격이 증가할수록 증가하였으며 노치의 높이의 경우에는 크게 민감하지 않은 경향을 나타냈다. 추적물질의 체류 시간은 노치사이의 간격과 보의 높이가 증가할수록, 유량이 감소할수록 증가하여 질량교환계수 값이 감소하는 경향을 나타냈다. 프루드 수와 레이놀드 수 모두 질량교환계수와 양의 상관 관계를 나타냈으나 저장대 영역의 면적의 크기와는 낮은 관계성을 나타냈다.

• The Sea:JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF OCEANOGRAPHY
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• v.15 no.1
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• pp.41-50
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• 2010

We have developed an in-situ benthic chamber (BelcI) for use in coastal studies that can be deployed from a small boat. It is expected that BelcI will be useful in studying the benthic boundary layer because of its flexibility. BelcI is divided into three main areas: 1) frame and body chamber, 2) water sampler, and 3) stirring devices, electric controller, and data acquisition technology. To maximize in-situ use, the frame is constructed from two layers that consist of square cells. All electronic parts (motor controller, pA meter, data acquisition, etc.) are low-power consumers so that the external power supply can be safely removed from the system. The hydrodynamics of BelcI, measured by PIV (particle image velocimetry), show a typical "radial-flow impeller" pattern. Mixing time of water in the chamber is about 30 s, and shear velocity ($u^*$) near the bottom layer was calculated at $0.32\;cm\;s^{-1}$. Measurements of diffusivity boundary layer thickness showed a range of $180-230\;{\mu}m$. Sediment oxygen consumption rate, measured in-situ，was $84\;mmol\;O_2\;m^{-2}\;d_{-1}$, more than two times higher than on-board incubation results. Benthic fluxes assessed from in-situ incubation were estimated as follows: nitrate + nitrite = $0.18\;{\pm}\;0.07\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$ ammonium $23\;{\pm}\;1\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$ phosphate = $0.09\;{\pm}\;0.02\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$ and silicate = $23\;{\pm}\;1\;mmol\;m^{-2}\;d^{-1}$.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2011.02a
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• pp.101-101
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• 2011

현재 국내에서 시행되고 있는 '4대강 살리기 사업'은 하천에서 발생하는 홍수 및 가뭄재해방지를 위한 다양한 공학적 노력을 시도하고 있다. 특히 안정적인 수위 및 유량확보와 홍수방지를 위한 보(weir)가 4대강 유역에 16개 설치되고 있다. 이러한 보 구간에는 고정보와 가동보가 복합적으로 설치되고 있으며 가동보는 그 형상과 운영방식에 따라 다양한 설계방안이 적용되었다. '4대강 살리기 사업' 중 낙동강 23공구의 강정보 공사 구간에는 원호형태의 측면 형상을 갖는 라이징 섹터게이트(Rising sector gate)가 적용되었다. 라이징 섹터게이트는 구조물의 높이가 낮고 수문의 개폐장치가 수문피어 구조물 내에 설치되어 경관이 우수하며, 구조가 간단하여 비체와 수류의 안정성이 뛰어나기 때문에 4개의 공사구간에 적용되었다. 따라서 본 연구에서는 강정보의 가동보 구간 2문 중 1문을 1/100 축척으로 제작하여 가변경사 개수로에 설치하고, 홍수 빈도별 상류 유량 조건과 하류단 수위조건으로 케이스를 정하여 실험을 수행하였다. 본 실험에서 사용한 개수로 장치는 너비 0.6 m, 높이 0.8 m, 그리고 길이 15.0 m(측정가능 구간, 헤드탱크와 테일게이트 부제외)의 개수로 실험장치이다. 측부는 모두 강화유리로 되어 육안관찰 및 계측 시 용이하게 제작되었으며, 순환식 유량 공급장치를 구축하여 수로의 하부에 설치된 유량탱크로부터 계속적으로 순환하도록 설계되었다. 또한 수로 하단으로부터 상단방향으로 약 33 m 지점에 전동 유압식 Jack screw 2기가 설치되어 경사도를 조절할 수 있도록 제작되었다. 유량조절용 판넬의 제어기판에는 디지털 경사계가 설치되어 있기 때문에 보다 정확한 경사도의 조절이 가능하다. 보 모형의 총연장은 53 cm이며 폭은 45 cm이다. 섹터게이트의 게이트부분은 직경 15 cm로 설계하였다. 문주부분을 포함한 모든 모형은 아크릴로 제작하며 레이저의 주사를 방해하지 않으며 투과율을 최대로 할 수 있도록 고강도의 아크릴을 가장 얇게 하여 중공형태를 채택하였다. 실험조건은 우선 보의 운영방안에 따라 게이트의 4가지 개방도를 설정하였고, 특히 평수위조건에서는 보의 상류부에 퇴적된 퇴적물의 세척을 위한 flushing 운영개방도 포함되어 있다. 홍수시에 대한 유량조건은 2년 빈도에 해당하는 유량을 수문의 비율과 상사법칙에 따라 설정하였으며 하류단 수위조건도 동일한 조건에 대한 값을 채택하여 적용하였다. 유동장의 해석을 위해서는 비접촉식 계측방법인 PIV(Particle Image Velocimetry) 시스템을 채택하여 2차원(x-z 방향) laser sheet를 생성하고 주입된 particle에서 반사된 변위(displacement) 정보를 상호상관(cross-correlation)기법으로 유동장을 계산하였다. 또한 수리모형과 동일한 지형격자를 구축하여 3차원 CFD 프로그램인 FLOW-3D로 계산하여 결과를 비교하였다. 특히 flushing 운영방안에 대한 게이트부의 개방도를 세가지(30, 45, $60^{\circ}$)로 구분하여 모의하였고, 적절한 개방도를 제안하고자 하였다. 실험결과는 우선 4가지 운영방안에 대한 가동보 주변에서의 유속장을 파악하였고, 최대유속의 발생위치의 변화를 확인할 수 있었다. 그리고 이에 따른 보의 바닥에서 최대유속이 발생할 경우, 하상보호공 위치와 거리 등에 대해서 분석하였다. 이를 통해 가동보 운영에 따른 다양한 유속구조를 파악할 수 있게 되며 구조적 안정성 확보를 위한 검증자료로 활용될 수 있을 것으로 예상된다. 향후, 가동보 운영방안 중 수세효과(flushing effect)에 대한 효과분석을 위해 게이트부 상류구간에 적절한 입경과 비중의 퇴적물질을 설치하는 연구와 상류부에서의 유입유사농도 및 시간변화에 따른 퇴적에 관한 연구를 수행할 계획이다.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.34 no.12
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• pp.1087-1092
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• 2010

A micro 3D-PTV system has been constructed using a single camera system. Two viewing holes were created behind the object lens of the microscopic system to construct a stereoscopic viewing image. A hybrid recursive PTV algorithm was used. A concept of epipolar line was adopted to eliminate many spurious candidates. Three-dimensional velocity vector fields were obtained by calculating the three-dimensional displacements of particles that were identified as being identical. The system consists of a laser light source (Ar-ion, 500 mW), one high-definition camera ($1028{\times}1024$ pixels, 500 fps), a circular plate with two viewing holes, and a host computer. The performance of the developed algorithm was tested using artificial images. The characteristic of the vector recovery ratio was investigated for the particle numbers. A micro backward-facing step channel ($H{\times}h{\times}W:\;36{\mu}m{\times}70{\mu}m{\times}3000{\mu}m$) was measured using the developed measurement system. The results were in good qualitative agreement with other results.

• Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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• v.15 no.12
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• pp.7438-7442
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• 2014

An assessment of flocculation was performed by measuring the distribution of the floc size during sedimentation in water works. The size and number of flocs have a greater effect on an evaluation of the efficiency of flocculation rather than the turbidity. The data was collected in situ using particle image velocimetry and image analysis. The measurements were carried out at a water depth of 1m. The removal efficiency of the total organic compounds, UV absorbance and turbidity depended on the size and floc size distribution in flocculation as the G value. The G value of 50 sec-1, 30 sec-1 and 10 sec-1 showed the highest degree of efficiency in the case of an inlet water turbidity of 5 NTU, and the highest degree of efficiency was observed at a G value of 65 sec-1, 40 sec-1 and 10 sec-1 when the inlet water turbidity was 263 NTU. The number of flocs with a distribution of above $1,200{\mu}m$ was 14. The dynamics between two important growth mechanisms were investigated as the energy input changed. This is a certain method that makes use of the size and number of flocs as an efficiency assessment.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.40 no.2
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• pp.145-156
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• 2020

The climate change occurring all over the world increases the risk, specially in urban area, Accordingly, rainwater pumping station expansion is required than before. In order to increase the efficiency of the rainwater pumping station, the analysis of flow characteristics in the pump sump is needed for vortex control. Many efforts have been made to illuminate the vortex behavior using PIV, but any reliable results have not been obtained yet, because of the limitations in image capturing and dependency of measured velocity values on the interrogation area and time interval used for velocity calculation. In this study, therefore, experiments were carried out to find out the limitation of PIV and estimate the validation of the velocity values associated with the analysis parameters such as interrogation area, time interval, grid size. For the experimental condition used in this study, the limitation of PIV and the effects of parameters on the velocity estimation are presented.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• v.33 no.8
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• pp.1180-1186
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• 2009

This experimental study is about the flow characteristics according to existence and nonexistence of the control rod and location in the flow field where it has the Inclined rear walls in the open cavity. By using the visualization of flow and particle image velocimetry (PIV), we performed about a change and speed of the Reynolds number. Our objective was what part of the control rod gives less effects to the characteristics of flow and how the shear mixing layer moves at what critical point of the Reynolds number. As a result, we differed the location of control rod. So finally, L/H=0.2 was discovered to give less effects to the cavity. The flow of backside of vortex faces the upper side. And we found that this phenomenon shows up more clear when the number of Reynolds increases. This is because of the flow of vortex causes by the condition of y/H=1.0. This phenomenon gets more clear with increasing of number of Reynolds, and critical point of the Reynolds number was $Re=1.0{\times}10^4$ around. If control rod is L/H=0.1, depending on the number of Reynolds ($Re=6.0{\times}10^3$, $Re=8.0{\times}10^3$, $Re=1.0{\times}10^4$, $Re=1.2{\times}10^4$), doubled vortex shows up. As the shear mixing layer of the upper side of cavity increases, the speed of the lower side was very stable.

• Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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• v.39 no.9
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• pp.751-759
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• 2015

In this study, we investigate the Characteristics of the flowfields of a circular cylinder having a small triangular prism at the upstream side. We measure the fluid force on the circular cylinder and obtain a visualization of the flow fields using particle image velocimetry (PIV). The experimental parameters employed were the width ratios (H/B = 0.2~0.6) of the triangular prisms to the circular cylinder's diameter, and the gap ratios (G/B = 0~3) between the circular cylinder and the triangular prism. We observed that the drag reduction rate and Strouhal number of the circular cylinder increased and then decreased with G/B in the case of the same H/B. The drag reduction rate increased with H/B in the case of the same G/B. In the case where the circular cylinder had a small triangular prism, the stagnation regions were represented in the upstream and downstream sides of the circular cylinder.

• Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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• v.24 no.2
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• pp.242-254
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• 2016

This paper is the forth investigation on the evaluation methods of flow characteristics in a steady flow bench. In the previous works, it was concluded that the assumption of the solid rotation might cause serious problems and both of the eccentricity and the velocity profile distort the flow characteristics when using the ISM at 1.75B plane. Also particle image velocimetry (PIV) measurement at this position showed that the real velocity profile was far from the assumption of ISM evaluation. In this paper, the planar velocity profiles were measure from 1.75B to 6.00B position by PIV and the characteristics were examined according to the valve angles and lifts for further investigations about the effect of the position on the velocity profile. The results show that $26^{\circ}$ valve angle is always an unique exceptional case in all aspects. If the valve angle is $21^{\circ}$ and below, the planar velocity profiles according to the lift and the position are similar to each other, however, the tangential velocity curves along with the radial direction have common tendencies up to $16^{\circ}$ angle. Also the well arranged swirl behaviors are generally observed at the position above 3.00B and the velocity contour lines come closer to the concentric circle as the valve lift increases. In addition, the gradient of tangential velocity along with the radial direction from the swirl center becomes stable and constant as the position goes downstream. Concurrently the velocity gradient is larger to the eccentric direction of the center. In the meantime the tangential velocity curves along with the radial direction are irregular and various at 1.75B, however, they become regular and reach higher level as the evaluation position goes downstream. At this time the curves of 4.50B are the best fitted to the ideal one. On the other hand in an exceptional case, $26^{\circ}$, the velocity contours are very complicated over 6mm valve lift regardless the position and the gradient increases to the opposite direction of the eccentric center. Also, 6.00B is a best fitting position in the geometrical cylinder center base. With respect to the swirl center, the distribution range of centers for 1.75B is different to that for the other positions and the eccentricities of this plane are larger regardless the valve angle. After 1.75B, there is no certain tendency in the center position change according to the valve angle and lift. Additionally, the eccentricities are not sufficiently small to neglecting the effect on ISM measurement.