• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.55 no.10
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• pp.811-821
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• 2022

Accuracy of a numerical model with the Hwang's scheme of directly analyzing discontinuous topography could be enhanced by introducing a flux correction coefficient that accounted for the deviation of actual pressure from hydrostatic distribution acting on the front of discontinuous topography. The optimal coefficient was determined from 218 experimental runs for square-edged broad-crested weir and simulation with it showed good agreement with another two square-edged broad-crested weir experiments and an unsteady side-weir experiment. This enabled accurate numerical simulation of shallow-water flow over the discontinuous river structure, such as square-edged broad-crested weir, without alleviating discontinuous topography with refined meshes or imposing internal boundary conditions.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2023.05a
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• pp.503-503
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• 2023

Hwang(2022; J.KWRA, 55, 10)은 수심 적분 모형으로 불연속 지형을 경사로 완화하지 않고 직접 해석하는 Hwang(2015; J.KSCE, 35, 6)의 기법이 적용된 수치 모형의 정확도를 높이기 위해 지형 전면에 실제로 작용하는 정수압 분포와 차이를 해명하는 흐름률 보정 계수(flux correction coefficient)를 도입하였다. 직각 광정 위어 실험 중에서 널리 알려진 다섯 가지 월류 실험으로부터 218회의 시행을 추려 실험과 모의에서 월류량 값이 서로 잘 일치하는 흐름률 보정 계수를 각각 산정하였는데, 이때 광정 위어를 지나는 흐름을 모의하기 위해 계산 영역을 평면 2차원으로 두고 삼각형 계산 격자로 분할하였다(Hwang, 2022). 실험에 사용된 실험 수로들이 수로의 길이 방향으로 그 폭이 일정하므로 옆벽의 영향이 크지 않다면 수로의 단위 폭에 모형을 적용함으로써 계산 영역의 차원을 한 수준 낮출 수 있다. 실질적으로 1차원 모의가 되어 모의 시간을 획기적으로 줄일 수 있으므로 다양한 분석이 가능하겠으나, 2차원 모의로부터 결정된 흐름률 보정 계수를 수정없이 그대로 적용하는 것이 적절한지 검토할 필요가 있다. 이 연구에서는 Hwang(2022)이 검토한 218회의 직각 광정 위어 실험 시행에 수로의 단위 폭에 불연속 지형을 직접 해석할 수 있는 Hwang(2015)의 1차원 모형을 적용하고 모의와 실험에서 월류량의 차이가 최소가 되는 흐름률 보정 계수를 각각 산정하였다. 결정된 흐름률 보정 계수의 평균값을 별도로 선정된 두 가지 직각 광정 위어 실험에 적용하였으며, 보정에 따른 모형의 성능을 평가하기 위해 Willmott의 일치 지표(index of agreement)를 이용하였다. 흐름률 보정 계수를 적용하였을 때, 한 실험 경우에 대해 모형의 성능이 대폭 개선됨을 확인하였고 성능 개선이 미미한 나머지 실험 경우는 보정 전에 일치 지표가 이미 상당히 높은 편이었다. 2차원 문제에 이어 1차원 모형의 적용에서도 흐름률 보정 계수를 결정함으로써 계단이나 직립 보와 같은 불연속 지형을 넘나드는 천수 흐름의 월류량을 더 쉽고 정확하게 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2022.05a
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• pp.248-248
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• 2022

Hwang(2015)은 불연속 지형을 지나는 천수 흐름의 수치 해석에서 불연속 전면에 의한 추력(thrust)에 주목하여 그 영향을 흐름률(flux) 계산에 반영하는 새로운 기법을 제시하였다. 이 기법 덕분에 수심 적분 모형으로도 계단이나 보와 같이 직립한 하천 구조물의 불연속면을 경사로 완화하지 않고 직접 모의할 수 있다. 직립 측면 위어 실험에 Hwang(2015)의 기법이 적용됨으로써 연직면을 경사면으로 완화하여야 하는 기존의 수심 적분 모형에 비해 계산 격자 개수가 53%로 줄었다(Hwang, 2019). Hwang(2019)은 기존 모형과 비교를 통해, 정확도를 어느 정도 유지하면서도, 소요된 계산 시간이 20%에 불과하다고 주장하였다. 여기에서는 보다 다양한 직립 광정 위어 실험에 적용하여 수심 적분 모형에 의한 월류량을 검토하고자 한다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.48 no.4
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• pp.281-290
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• 2015

Numerical simulations of free surface flow over a broad-crested rectangular weir are conducted by using the volume of fraction (VOF) method and three different turbulence models, the k-${\varepsilon}$, RNG k-${\omega}$ and k-${\omega}$ SST models. The governing equations are solved by a second-order accurate finite volume method and the grid sensitivity study of solutions is carried out. The numerical results are evaluated by comparing the solutions with experimental and numerical results of Kirkgoz et al. (2008) and some non-dimensionalized experimental results obtained by Moss (1972) and Zachoval et al. (2012). The results show that the present numerical model can reasonably reproduce the experimental results, while three turbulent models yield different numerical predictions of two distinct zones of flow separation, the first zone is in front of the upstream edge of the weir and the second is created immediately behind the upstream edge of the weir where the flow is separated to form the separation bubble. The standard k-${\varepsilon}$ model appears to significantly underestimate the size of both separation zones and the k-${\omega}$ SST model slightly over-estimates the first separation zone in front of the weir. The RNG k-${\varepsilon}$ model predicts both separation zones in overall good agreement with the experimental measurement, while the k-${\omega}$ SST model yields the best numerical prediction of separation bubble at the upstream edge of the weir.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.660-663
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• 2008

방수로는 본류의 첨두홍수량을 분담하여 대상 지역의 홍수피해가능성을 줄이기 위해서 도입되는 구조적 홍수방어대책의 하나로 특히 도시화로 인하여 기존 하천 유역의 저류 능력이 감소하여 홍수 시 유출량이 증가함에 따라 방수로의 필요성은 점차 늘어나고 있다. 외국의 경우에는 이미 대표적인 구조적 홍수방어대책으로 활용되어 그 효과가 이미 확인되어 있다. 방수로로 분담되는 유량은 일반적으로 방수로 유입부에 설치되어 있는 횡월류위어의 월류량을 정확히 산정함으로써 알 수 있다. 따라서 방수로의 홍수방어능력을 알기위해서는 이러한 유입부 횡월류위어의 월류량을 정확히 평가하는 것이 중요하다. 횡월류위어의 형태는 여러 가지가 있지만 가장 기본적인 형태로 예연위어 형태와 광정위어 형태가 있다. 본 연구에서는 그 중에서 광정횡월류위어(broad-crested side weir)을 대상으로 실제 하도와 유사한 흐름 조건을 가지도록 상대적으로 작은 횡월류위어길이(L)와 본류 폭(B) 비(L/B)를 가지는 실험 수로를 이용하여 광정횡월류위어에 대한 실험을 수행한 후 유량 계수를 산정하여 본류 흐름 조건 및 횡월류위어 제원 변화에 따른 영향을 검토하였다. 광정횡월류위어에서의 유량계수도 기본적으로 예연횡월류위어와 동일한 방식을 이용하여 검토할 수 있으며, 동일한 주요 영향 변수를 포함하지만, 위어 폭 W가 횡월류위어의 월류 유량과 본류 유황에 영향을 미치게 된다. 따라서 본 연구에서는 광정횡월류위어의 특성에 따른 산정된 유량계수의 변화에 초점을 두어 분석을 수행하였다.

• 한국방재학회:학술대회논문집
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• 2011.02a
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• pp.99-99
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• 2011

하천에서 위어 하류단의 세굴은 매우 중요한 현상이며 위어 형상에 따른 수리학적 흐름특성이 세굴거리 및 세굴심에도 영향을 미치므로, 적절한 하상보호공 설계를 위해 다양한 위어 하류단의 세굴 규모 및 세굴 형상을 산정하는 연구가 필요하다. 본 연구에서는 사다리꼴 래버린스 위어를 적용하여 일반적인 직선형 위어와 비교하였으며, 3차원 수치모의를 통해 하류단의 세굴 규모를 분석하였다. 현재 세굴 방지를 위하여 설치되는 위어 하류부 물받이 및 하상보호공의 설계 기준은 월류흐름에 의해 발생되는 하류부 세굴영향에 대한 고려가 미흡하며, 대부분 설계자료가 광정위어 및 예연 위어 형태만을 고려하고 있어 위어의 형상변화에 따른 고려 또한 부족한 실정이다. 따라서 하류부 세굴방지공의 안전하고 경제적인 설계를 위하여 위어의 형상 변화에 따른 위어 하류부 세굴 특성 분석에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서 적용한 래버린스(labyrinth) 위어는 수로 내에 설치된 횡방향 직선형 위어의 단면 형상을 변경하여 월류길이를 증가시킨 긴 마루(long crested) 위어 형태의 일종이다. 일반적으로 래버린스 위어는 월류량 증대, 수질개선 및 수심유지 효과가 필요한 수공구조물에 이용되어 하천에 적용될 경우, 관련 수공구조물의 수심 확보 측면에서 기여할 수 있는 구조물로 잘 알려져 있다. 수로폭과 유입유량을 알고 있을 경우 기존 연구자들에 의해 제시한 공식에 의해 직선형 위어의 하류단의 세굴거리와 세굴심을 산정할 수 있으며, 본 연구에서 제시한 세굴거리 비와 세굴심 비를 통해 래버린스 위어의 세굴거리 및 세굴심을 예측할 수 있었다. 분석결과 래버린스 위어의 하류단의 세굴거리는 직선형 위어에 비해 감소하고 세굴심은 증가하였으며, 총 마루길이 당 유입유량과 유입유량 조건에 따른 세굴거리 비 및 세굴심 비 변화를 통해 통수능 및 래버린스 위어의 마루길이 변화에 따른 세굴 영향범위를 조절할 수 있는 것으로 분석되었다. 추후 다양한 유량조건과 확폭비를 고려한 연구를 수행한다면 래버린스 위어의 마루길이에 따라 하상보호공 설계시 중요한 인자인 세굴거리와 세굴심을 조절할 수 있으며, 위어 형상에 따른 하류단 세굴 규모를 산정과 더불어 확장된 하상보호공 설계자료로 이용할 수 있을 것이다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.227-227
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• 2018

티롤리안 위어(Tyrolean Weir)는 유송잡물 및 유사의 영향이 비교적 높은 산악지역에 설치되는 취수구조물로 대부분 저류면적이 제한된 자류식(Run-Off River) 수력발전 및 소규모 농업용수 취수시설에 적합한 구조물이다. 티롤리안 위어는 일반적인 취수시설과 비교하여 구조물의 규모를 최소화할 수 있어 친환경적 취수구조물로 분류할 수 있다. 아직까지 국내에서는 설치사례가 없고 연구성과 또한 부족하여 적용성에 한계가 있는 것이 사실이다. 본 연구에서는 3차원 유동해석 프로그램인 FLOW-3D를 이용하여 티롤리안 위어의 월류흐름특성을 분석하고 스크린 경사와 월류수위 변화에 따른 유량계수를 산정하였다. 티롤리안 위어 스크린경사에 따른 수치모형실험을 위해 3차원 AUTO CAD 프로그램을 이용하여 위어폭 11.0m, 길이 10m 및 수로경사 2:3의 솔리드 모형을 구성하였으며, 티롤리안 위어 스크린 경사를 $0^{\circ}$, $5^{\circ}$, $10^{\circ}$, $15^{\circ}$, $20^{\circ}$, $25^{\circ}$, $30^{\circ}$로 변화시키며 월류수심 변화에 따른 수치모형실험을 수행하였다. 금회 수치해석 분석결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 1) 티롤리안 위어 스크린 경사가 증가할수록 유량계수가 증가하였다. 2) 월류수심 1.4m일때 월류량의 표준편차는 0.767이며 월류수심 4.4m일때 표준편차는 9.580으로 월류수심이 증가할수록 스크린 경사에 따른 표준편차는 증가하는 것으로 확인되었다. 3) 티롤리안 위어 스크린 경사가 클수록 월류수심은 감소하고 접근수로부 유속이 증가하였으며 스크린 경사가 작을수록 월류수심은 증가하고 유속이 감소하는 경향을 확인하였다. 4) 티롤리안 위어 스크린 경사가 작고 월류수심이 클수록 광정위어와 유사한 흐름특성을 보였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.273-273
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• 2019

우리나라 하천에는 33,893개의 보(국가어도정보시스템)가 설치되어 있는 것으로 조사된다. 다양한 형태 및 가동여부 등으로 인해 동일한 산정 방법을 적용할 수는 없으나, 각각의 특성을 파악하여 유량 산정이 가능하게 한다면 홍수 시 유량측정이 이루어지지 못한 하천의 유량을 추정 하는데 활용 할 수 있을 것이다. 횡단구조물을 이용한 유량산정 방법은 다양한 실험식이 존재하여 보의 형태 및 수집 가능한 정보를 고려한 적절한 선택이 필요하다. 본 연구에서는 북한강 지류인 화천천에 위치한 배머리보(폭 122m)를 이용하여 유량산정을 실시하였다. 배머리보 상류에는 2018년 유량측정이 이루어진 용신교 수위관측소(한국수력원자력(주))가 위치하여 연속적인 수두 측정이 가능하였으며, 자유 흐름 조건이 유지된 2018년 8월 29일~31일 홍수사상에 대해 보를 이용한 유량산정 적성성을 검토하였다. 배머리보 형태를 고려해 광정위어공식과 한국산업규격에서 제공한 유량계수를 적용($Q=2.026bh^{3/2}$)하였다. 배머리보를 이용하여 유량을 산정한 결과 유량 $200m^3/s$ 이상에서 수위-유량관계곡선식에 의한 유량과 광정웨어 공식을 이용하여 산정한 유량이 잘 일치하는 것으로 검토되었다. 유량 $200m^3/s$이상에서 유량편차가 $-13.96{\sim}14.02m^3/s$(절대편차 평균 $9.02m^3/s$)를 보였으며, 편차율은 -2.98~6.04%(절대편차율 평균 2.09%)를 보였다. 이러한 결과로 볼 때 실제 하천에서 보를 이용한 유량산정이 가능할 것으로 판단된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.44 no.12
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• pp.955-965
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• 2011

The flow characteristics of rectangular and 1 : 1 and 1 : 2 trapezoidal weirs were investigated through hydraulic experiments in order calculate the exact overflow discharge of the broad-crested side weir. The flow was found to be most stable in trapezoidal shapes with the lowest incline. The 1 : 1 and 1 : 2 trapezoidal weirs had 5.67% and 8.57% increases, respectively, compared to the rectangular weir in terms of overflow amount, which suggests that they are more effective in preventing flood. An integrated discharge coefficient equation taking into account the discharge coefficient equation and shapes was proposed through a multiple linear regression analysis with an addition of a new parameter for the side wear, $L/L_H$, to the conventional discharge coefficient equation. Also, the applicability of the newly proposed discharge coefficient equation was reviewed by comparing the measured and calculated overflow amounts based on the experimental data of preceding researches and existing researchers and the research data of this study.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.39 no.1
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• pp.175-181
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• 2019

The hydrostatic pressure, thrust, and wall reflection by a step were studied as the flow resistance due to the discontinuous topography by using the Hwang's scheme in calculating fluxes with an approximate Riemann solver. Compared with the broad-crested weir experiments, the result simulated by using the thrust was the best among them. Hwang's scheme with the thrust by a step was applied to the side weir experiment. The results of simulation agreed well with those of the experiment. Compared to the existing depth-integrated model, the accuracy was slightly lowered, but the running time was reduced to about 20 %.