• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제21권3호
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• pp.216-223
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• 2009

수면보다 높은 사각기둥 저항체가 등간격으로 배치되어 있는 경우의 상당저항계수 식의 횡방향에 따른 항력상호작용계수를 연구하여 제안하였다. 저항체의 횡방향 이격거리에 따른 에너지 손실이 오리피스의 공극률에 따른 에너지 손실과 동일하다고 가정하고 오리피스의 에너지 손실계수를 차용하여 횡방향 항력상호작용계수를 제안하였다. 이 항력상호작용계수를 사용하는 상당저항계수 식을 김 등(2008)에 의해 사용된 수리조건에 대해 그 해석능력이 검증된 FLOW-3D를 이용하여 수치실험한 결과와 비교하였다. 그 결과가 잘 일치하였고 이로부터 바닥마찰뿐만 아니라 수면보다 높은 정방형 다열기둥의 종방향 및 횡방향 이격거리에 따라 변화되는 저항정도를 고려할 수 있는 제안된 상당저항계수 식의 타당성을 검증하였다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제30권1호
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• pp.49-63
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• 2014

모래지반의 지표면에 위치한 거친 바닥면을 가진 강체 연속기초와 원형기초에 대하여 수치해석을 이용하여 팽창각 변화에 따른 지지력계수 $N_{\gamma}$와 형상계수를 구하였다. 양해법(explicit method)에 기반한 유한차분해석을 이용하여 지지력계수를 산정하기 위한 수치모델과 해석절차를 개발하고, Mohr-Coulomb 소성모델을 이용하여 다양한 내부마찰각(${\phi}$)과 팽창각(${\psi}$) 범위에 대하여 지지력계수를 도출하였다. 팽창각이 감소됨에 따라 지지력도 감소하는 것으로 나타났으며, 보편적인 지지력계수 제안식들이 가정하고 있는 관련흐름법칙(associated flow-rule)이 적용된 경우(${\psi}={\phi}$)를 기준으로 비관련흐름법칙(nonassociated flow-rule)이 적용된 경우(${\psi}$ < ${\phi}$)의 상대적인 지지력 비율을 산출하였고, 일반적인 모래에 대한 관계식을 제안하였다. 원형기초의 형상계수는 연속기초의 평면변형률 조건의 고려 여부에 따라 크게 변하였으며, 평면변형률 조건을 고려하여 내부마찰각을 증가시킨 경우가 기존의 실험 결과와 유사한 경향을 나타내었다. 형상계수 제안식들의 경향이 차이를 나타내는 원인에 대하여 고찰하고 설계시 적용 방안을 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.14-14
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• 2021

개수로에서는 반드시 자유수면이 있으며, 따라서 물과 공기와의 마찰은 관수로에 비해 상대적으로 매우 작고, 개수로의 전단응력 분포는 관수로와 달리 근본적으로 비대칭이다. 따라서 전단응력은 수로 바닥이나 측면에서만 작용하게 된다. 이러한 평균 전단응력 개념은 흐름에 의해 경계면 구성재료가 이동하는 이동상 수리학에서 유사이송 능력을 해석하는 기준이 되며, 경계면의 전단응력은 힘으로 표시하여 통상 소류력이라 한다. 이러한 복잡한 유체거동은 하천시설물 설계, 시공 및 관리에 있어서 구성재료의 보호능력에 따라 예상하지 못한 조건에서 쉽게 파손될 수 있다. 국내 하천의 경우 한계유속과 한계소류력에 의해 하천설계에 적용되고 있다. 한계 유속의 경우 간단한 수식에 의해 산정될 수 있지만 실제 하천의 보호능력을 대표하기는 힘들기 때문에 한계소류력이 동시에 고려되어야 한다. 한계소류력은 개수로 흐름에서 복잡하게 발생하는 이차류나, 난류 특성에 의해 산정하거나 예측하기는 매우 어렵다. 한계 소류력 뿐만 아니라 하천을 구성하는 재질의 조도계수 역시 균일하지 못하고 매우 예측하기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이러한 복잡한 양상을 나타내는 수리학적 요소에 대해 표준화된 실험수로에서 실험을 통해 평가하고, 체계화된 설계 지침이 되고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 자연하천과 유사한 조건의 경사를 가지는 경사수로와 경사의 영향에서 자유롭게 평가를 진행하고자 기존 연구를 바탕으로 제작된 소류력 측정장치를 이용하였다. 하천의 설계나 평가에 적용되는 평균 소류력 개념은 복잡한 난류흐름에서 평가지표로써 대표하기 힘들기 때문에 유사 하천환경의 바닥에서 발생하는 소류력을 직접 측정하였다. 본 연구에 사용된 장치는 난류유속 u', v'을 이용하여 Reynolds stress산정하여 Total shear stress를 추정하는 기법을 사용하여 검증하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2011년도 학술발표회
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• pp.308-308
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• 2011

하천에서 유량을 산정하기 위해서 전자파표면유속계를 이용하여 표면유속을 측정하고 수심평균유속환산계수 0.85를 일률적으로 적용하여 수심평균유속을 산정하고 있다. 이 수심평균유속환산계수 0.85의 적절성에 대한 논의가 지속되어져 왔으나 그 동안에는 이에 대한 현장검증을 할 수 있는 방법이 없었던 실정이다. 하지만 최근 들어서는 ADCP(Acoustic Doppler Current Profiler)의 하천용 Application인 StreamPro ADCP가 개발되어 이를 이용하면 홍수기에 수심별 유속을 측정할 수 있다. 다만 홍수기에 StreamPro ADCP의 적용시에는 여러 가지 높은 위험성이 상존하는 것은 인지의 사실이지만, 그 외의 별다른 방법이 없는 실정이다. 따라서 홍수기에 StreamPro ADCP를 이용하여 수심별 유속을 측정하고 이와 동시에 측정한 표면유속을 이용하여 수심평균유속환산계수를 산정하여 기존에 환산계수로 적용하고 있는 0.85의 적절성을 파악하고자 하였다. 흐름조건별 수심평균유속환산계수 산정을 위하여 평수기 용담 수자원시험유역의 동향지점에서 수심평균유속환산계수를 산정한 결과 0.632~1.352로 넓게 분포하고 있음을 파악하였다. 이렇게 계수가 실제 적용하는 0.85와는 크게 차이가 나는 이유로는 수심이 얕아서 바닥마찰의 영향이 크기 때문인 것으로 판단되었다. 이에 본 연구에서는 여러 지점에서 홍수기 수심별 유속의 실측을 통하여 수심평균유속환산계수 분포정도를 산정하고자 하였다. 대청댐 상류의 수통수위표가 위치해 있는 적벽대교지점에서 StreamPro ADCP를 이용하여 수심평균유속환산계수를 산정한 결과 0.735~0.986 사이에 분포하고 있다. 측정한 결과의 수심평균유속환산계수의 평균값은 0.853으로 기존에 수심평균유속의 산정을 위하여 적용하고 있는 0.85와 거의 일치함을 보이고 있다. 측정당시 수심이 3.6 m에 이르고 있고 유속 또한 1.55 m/s에 이르고 있어 홍수시 일반하천에서 발생하는 수위와 유속임을 감안할 때, 0.735~0.986의 수심평균유속환산계수는 홍수시 순간적인 변화의 폭이 큼을 알 수 있다. 이렇게 순간적인 변화가 큰 이유로는 난류의 성분이 강해서 나타나는 것으로 이를 평균하면 0.853으로 나타나고 있어 홍수시에 수심평균유속환산계수를 0.85를 사용하여도 무방함을 알 수 있다. 동향지점에서 홍수기에 수심별 유속의 실측을 통하여 수심평균유속환산계수를 산정하고자 하였다. 그러나 이 지점은 강한 와류로 인하여 ADCP가 심하게 흔들림으로 인하여 순간적인 유속의 차이가 최대 4배까지 보임을 알 수 있다. 이로 인하여 수심평균유속환산계수의 범위는 0.233~0.983에 이른다. 측정당시 표면유속이 2.07 m/s 인 것을 감안하여 이 표면유속에 상응하는 수심별 유속 자료만을 이용하여 산정시, 수심평균유속환산계수는 0.876이다. 하천의 하류지점에서 수심별 유속을 측정하여 수심평균유속환산계수를 산정하고자 한강하류로 유입하는 굴포천의 구교 및 박촌1교 지점에서 유속측정을 실시하였다. 이들 두 지점은 홍수기에 조차도 유속이 1 m/s 에 이르지 못하는 지점으로, 수심평균유속환산계수를 산정한 결과 각각 0.826, 0.833을 나타내고 있어, 수심평균유속환산계수 0.85가 홍수기뿐만 아니라 평 갈수기에도 적용할 수 있는 가능성을 확인하였다.

• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제20권6호
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• pp.532-539
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• 2008

권 등(2008)은 수면보다 높은 사각기둥 저항체를 등간격으로 배치하고 항력계수가 일정한 값을 갖는 흐름조건$(Re>10^4)$에서 수리실험을 수행하여 바닥마찰과 형상저항에 의한 흐름저항을 나타내는 상당저항계수로서의 Manning계수 값을 산정하였다. 그리고 힘의 평형방정식으로부터 유도된 이론식에 실험결과를 사용하여 얻어진 경험적 항력상호작용계수를 도입하여 얻은 상당저항계수 식을 제안하였다. 본 연구에서는 이 수리실험을 3차원 전산유체해석 프로그램인 FLOW-3D를 사용하여 수치모의하고 그 결과를 실험결과 및 상당저항계수 식과 비교하여, 그값들이 매우 잘 일치하는 것을 보였다. 이로부터 이론식에 나타나 있는 것처럼 수면보다 높은 저항체가 존재할때 Manning계수가 수심의 2/3승으로 증가한다는 것과 항력상호작용계수가 이격거리의 지배적 영향을 받고 있음을 확인할 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2021년도 학술발표회
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• pp.174-174
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• 2021

지표면에서 소규모의 요철로 이루어진 미세지형 (Micro Topography)은 자연 지형의 일반적인 특징이다. 지표면에서의 흐름해석 시 이러한 미세지형에 의한 효과를 정확히 고려하기 위해서는 고해상도의 지형격자를 사용하여야 하나, 대부분의 지표유출모델은 미세지형이 존재하지 않는 저해상도의 거친 표면으로 간주함으로써 바닥 마찰 효과를 증가시켜 미세지형에 의한 영향을 대략적으로만 반영한다. 본 연구에서는 보다 정확한 강우-유출 및 유사-유출 해석을 목적으로 고해상도의 지형격자를 사용하여 미세지형을 포함한 건조 및 반건조 지대에서의 흐름을 수치적으로 모의하였다. 미세지형의 형태는 마루와 골 사이가 직선으로 이루어진 파동의 형태로 이상화 하였으며, 파동의 진폭과 파장을 조절하여 다양한 형태의 미세지형을 고려하였다. 수치모형은 흐름의 움직임에 대한 Saint-Venant 방정식과 침식 및 유사이송에 대한 Hairsine-Rose 방정식을 함께 계산하는 통합모형인 tRIBS-FEaST를 사용하였다. 수치 모의 결과에서 나타난 미세지형의 핵심 영향은 최대 유량 및 유사량 도달시간의 지연, 유사 입자 크기별 유사-유출량 증감, 그리고 하천 유출(stream flow)의 생성이었다. 또한, 미세지형의 형태에 따라 미세지형과 강우-유출 및 유사-유출 사이에 비례 혹은 반비례 관계가 성립함을 보였다. 수치 모의 결과를 종합적으로 검토하여 미세지형이 강우-유출과 유사-유출에 미치는 영향에 대해 논의하였으며, 기존 Manning 거칠기 계수를 통한 해석 방법의 적부를 판단하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제28권6B호
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• pp.635-642
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• 2008

개수로 난류흐름내 잠기지 않는 저항체들이 에너지 손실에 미치는 영향을 수리실험을 통해 연구하였다. 개수로의 잠기지 않는 구조물이나 식생을 연구하기 위하여 정방형 다열기둥을 실험에 사용하였다. 실험수로에 흐름방향 다열기둥을 횡방향으로 1열 및 2열로 배치하고 평균적 등류수위를 유지하여 일련의 유량과 수로경사를 조건으로 실험을 수행하고 측정하였다. 실험결과를 Manning공식에 적용하여 바닥마찰과 기둥의 형상저항에 의한 흐름저항 및 에너지손실을 표현하는 상당저항계수 값을 등류수심과 기둥의 이격거리를 변화시키며 산정하였다. 그리고 실험을 통해 산정된 값과 항력상호작용계수를 포함하는 운동량방정식으로부터 유도된 상당저항계수의 이론식과 비교하였다. 이론식과 실험치의 비교로부터 기둥에 의한 흐름저항의 상호작용이 수로전체의 에너지손실에 미치는 영향이 매우 중요함을 알 수 있었다. 그리고 기둥폭에 대한 기둥이격거리가 약 2.2배 이하 일 때 값이 감소하며, 항력상호작용계수가 기둥이격거리에 지배적으로 의존한다는 사실로 부터 이론식에 나타난 값이 등류수심에 2/3승으로 증가함이 유효함을 알 수 있었다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.205-205
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• 2012

국내에서 새로운 댐 저수지 건설을 통한 수자원의 안정적인 확보는 어려운 여건에 있다. 따라서 수자원의 효율적인 확보, 댐 하류하천의 수질 개선, 신규댐 건설 대체 효과를 기대하기 위해 기존 댐 저수지의 연계운영이 중요하게 인식되고 있다. 본 연구에서는 다수의 댐 저수지 수체를 연계하여 모델을 통해 해석하고자 안동-임하호를 연결한 2차원 모델(CE-QUAL-W2)을 구축하고, 2002년과 2006년 수문사상을 재현하였으며, 수리해석을 실시하였다. 안동호의 좌안인 임동면 마리와 임하호의 우안인 망천리를 연결하고, EL. 140 m 위치에 길이 2 km, 직경 5.5 m로 콘크리트 터널을 연결하는 것으로 가정하였다. 관내 바닥 마찰계수와 미소 마찰손실 값은 0.05를 입력하였다. 저수지 실측수위와 모의수위를 시계열로 비교한 결과, 2002년과 2006년 안동호와 임하호에서 여름철 유입량 증가에 따른 수위 상승을 잘 반영하였고, 결정계수값($R^2$)이 모두 0.9953 이상으로 나타나 모델은 두 저수지 물수지 계산에 있어서 높은 신뢰도를 보였다. 2006년을 대상으로 안동호와 임하호의 댐 앞에서 수심별 수온의 실측값과 모의값을 비교한 결과, 안동호는 4월부터 성층이 진행되어 5월에 수온약층이 EL. 130 m에 형성되었다. 7월 홍수가 중층 밀도류를 형성하여 수온 성층구조를 교란하였고, 기존의 수온약층이 EL. 120 m 로 하강하였으며, 표층 EL. 145 m에 새로운 수온약층이 형성되는 2단 성층 구조를 보였다. 여름철 동안 이러한 현상은 지속되었고, 10월부터 대기기온 강하와 함께 수직혼합이 시작되었다. 수온예측 오차는 AME $0.336{\sim}1.806^{\circ}C$, RMSE $0.415{\sim}2.271^{\circ}C$의 범위로 실측값을 잘 반영하는 것으로 나타났다. 임하호도 안동호와 유사한 경향을 보였고, 모델은 두 저수지에서 전 기간에 걸쳐 모두 안정적으로 저수지 수온 성층현상을 모의하였다. 2002년 수문사상에서 안동-임하 연계 운영시 안동호의 평균 수위는 1.38 m 상승하였고, 임하호는 3.75 m 낮아지는 것으로 모의되었다. 수위변동에 따른 유동 유량은 임하호에서 안동호로 3억 6천 4백만 톤, 안동호에서 임하호로 2억 9천 1백만 톤으로 임하호에서 안동호로 유동한 유량이 높게 나타났다. 유역면적에 비해 저수용량이 작은 임하호의 경우 두 저수지간 유량의 이동에 따라서 저수용량의 증가로 인한 홍수 저감 효과가 있을 것으로 판단된다. 반면, 안동-임하 연계 운영시 임하호의 차가운 물이 안동호로 유입되는 경우, 안동호의 수온 성층구조에 영향을 주었다. 안동호의 경우는 단독운영시보다 높은 위치에 수온약층(EL. 140 m)이 형성되었으며, 임하호는 반대로 저수위가 낮아지면서 단독운영시보다 수온약층의 위치가 약간 낮아졌다. 이러한 결과는 두 저수지 연결시 안동호의 탁수와 수질 환경에 변화가 있을 수 있음을 시사한다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2015년도 학술발표회
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• pp.174-174
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• 2015

국내의 국지성 집중호우와 같은 기후변화와 토지피복율 증가 등 복합적인 원인으로 인한 표면 유출수의 증가로 도시에서의 내수침수가 매년 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 도심지 돌발홍수로 인한 피해에 대한 구조적인 대책으로 지하방수로가 효과적인 방안으로 대두되고 있으며, 현재 신월빗물저류배수시설이 설계단계에 있다. 그러나 미국, 일본 등의 국외의 기설치된 지하방수로에서 발생되는 Geyser 현상으로 인한 피해에 대한 연구는 국외에 비해 미비한 편이므로, 선행적으로 Geyser에 대한 물리기반의 동수역학적인 이해가 필요한 실정이다. Geyser는 홍수 시 급격한 유량의 유입으로 단파가 발생하여 지하방수로 내 공기의 압축이 발생하고 수직관을 통해 공기가 물과 함께 지상으로 분출되면서 발생된다. 따라서 공기와 물의 혼합 유동을 모의해야 하며 동시에 단파의 불연속성을 모의하기 위해서는 기존의 상용프로그램으로는 다소 어려움이 있다. 이에 본 연구에서는 지하방수로의 Geyser 현상의 발생 예측을 위해 1차원 Saint-Venant 방정식을 지배방정식으로 선정하였으며, 단파 발생을 수치적으로 안정적으로 모의하기 위해 Roe Approximate Riemann 수치기법을 사용하였다. 또한 공기의 압력항을 고려하기 위해서 수정된 형태의 Preissmann slot 모형을 적용하였다. Geyser 현상의 영향인자로서 지하방수로 수평관의 직경, 마찰계수, 바닥경사, 초기수위, 유입유량을 고려하였으며 상류에서 유입되는 유량에 의한 하류에서의 동수역학적 거동을 분석하였다. 5개의 영향인자의 변화에 따른 단파의 유입속도 및 공기부 압력의 변화를 관찰하여 Geyser 현상에 대한 동수역학적 검토를 수행하였다. 추후 본 연구결과를 적절히 활용한다면 지하방수로의 사용 안정성을 확보하고, 홍수발생 시 모니터링 인자도출에 도움이 될 것으로 예상된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제30권3호
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• pp.59-72
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• 2014

모래지반 표면에 위치한 강체 원형기초를 대상으로 수치해석을 통하여 수직-모멘트 조합하중 조건에서의 지지력을 구하였다. 지반은 Mohr-Coulomb 소성모델을 이용하여 모델링하였으며 관련흐름법칙을 적용하였고, 거친 기초 바닥면 조건에 대하여 검토하였다. 적은 수의 해석으로 조합하중 상관도를 산출할 수 있는 swipe 재하 방법과 통상적인 재하실험에서 적용되는 probe 재하 방법을 적용하여 비교한 결과, 두 방법은 유사한 결과를 나타내었다. 모멘트하중을 고려하기 위하여 전통적으로 사용되는 유효폭 및 유효면적 개념을 사용한 결과와 편심계수($e_{\gamma}$)를 사용한 방법들을 비교하였으며, 기존의 제안식들과 수치모델링으로 구해진 본 연구의 결과를 비교하였다. 수직-모멘트 조합하중 지지력의 내부마찰각에 따른 변화는 미미한 것으로 나타났으며, 유효폭 개념은 편심계수의 형태로 변환하여 원형기초에도 그대로 적용이 가능한 것으로 나타났다. 본 연구의 수치모델링 결과는 기존의 실험에 기반한 결과들에 비해 다소 작은 값을 주는 것으로 나타났으며, 편심 및 모멘트하중이 증가할수록 그 차이는 증가하였다. 수치모델링과 실험 결과가 차이를 나타내는 요인과 향후 연구 방향에 대하여 고찰하였다.