• 한국수자원학회논문집
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• 제54권11호
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• pp.1011-1019
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• 2021

본 연구에서는 제방 형태의 보를 월류하는 수중도수와 잠긴흐름을 수치모의 하였다. 수치모의를 위하여 URANS 방정식을 해석하였으며, 난류폐합식으로 k-𝜔 모형을 사용하였다. 기존의 실험결과를 이용하여 수치모형을 검증하였는데, 모의된 롤러의 형상, 자유수면, 그리고 평균유속분포가 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였다. 수중도수와 잠긴흐름에서 물의 체적비 분포를 비교하였으며, 각 흐름에 대한 2중 평균된 체적비의 특성을 제시하였다. 수치모의를 이용하여 보의 길이, 유량, 그리고 하류 수위에 따라 수중도수에서 잠긴흐름으로 천이되는 조건을 검토하였으며, 천이가 발생할 때의 상대 월류수심을 침수비의 함수로 제시하였다.

• 한국콘텐츠학회:학술대회논문집
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• 한국콘텐츠학회 2011년도 춘계 종합학술대회 논문집
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• pp.461-462
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• 2011

하천에 침입한 식생이 흐름에 미치는 영향은 현장조사와 수리모형실험을 통해 다양한 연구가 진행되고 있지만 하천의 흐름이 식생에 미치는 영향이나 상호작용에 대해서는 아직 초보적인 수준에 머물러 있다. 국내의 하천에서 버드나무는 일열로 흐름방향에 평행하게 이입되어 활착되는 현상이 두드러지게 나타나고 있고 있으며, 이 연구는 실험실 개수로에 모형 나무를 일렬로 배열하여 식생이 완전히 잠긴 경우와 부분적으로 잠긴 경우에 대하여 수리모형실험을 수행하였다. 수리모형 실험결과 나무의 개수에 따라 수위의 변화가 나타남을 확인할 수 있으며, 빈 공간의 존재를 나타내는 나무의 간격에 따라서도 영향을 받음을 알 수 있었다. 이 연구는 수리모형실험을 통하여 식생의 개수, 잠긴 정도, 흐름 상태에 따른 유속과 수위 분포의 변화를 분석하고자 연구를 수행하였으며 이 결과는 식생저항모형 개발과 이차원 흐름모형의 검보정에 활용할 수 있다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.95-95
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• 2019

보를 월류하는 흐름은 유량에 따라 상이한 흐름특성을 보인다. 즉, 유량이 증가함에 따라 사류 (supercritical flow), 완전도수 (complete hydraulic jump), 수중도수 (submerged hydraulic jump), 그리고 잠긴흐름 (plunge pool)으로 천이한다. 각 흐름영역에 따른 하상전단응력의 변화는 보의 물받이와 하상보호공을 설계하는데 중요하다. 본 연구에서는 계산유체동역학을 이용하여 보를 월류하는 흐름을 수치모의하여 각 흐름의 수리적 특성을 분석하였다. 이를 위하여 Flow3D를 이용하여 RANS 방정식을 수치해석 하였으며, 난류모형으로 RNG $k-{\epsilon}$ 모형을 이용하였다. 수치모의를 통하여 각각의 흐름에 대하여 평균유속, 하상전단응력, 그리고 흐름저항계수의 종방향 분포를 제시하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2016년도 학술발표회
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• pp.466-466
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• 2016

최근 들어 보의 환경적인 측면을 고려한 저낙차형 구조물 설치가 요구되면서 고정보의 형태도 다양하게 제안되고 있다. 그러나 실무에 적용하기 위한 고정보의 설계 가이드라인은 매우 한정적이며 대부분 보 하류부에 대한 세굴이나 세굴 방지에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 따라서 본 연구는 국내 중소하천에 설치된 고정보의 물리적 제원 변경에 의한 수리적 특성을 분석함으로써 환경적인 측면을 고려한 저낙차형 고정보 설계 시 반영할 수 있는 기초자료를 제공하는데 목적이 있다. 이를 위해 경사형 및 계단형 보에 대해 crest 변화에 따른 기본적인 유량계수를 도출하였으며 수위-유량 관계 곡선을 개발하였다. 또한 유량과 crest 등과 같은 수리학적 조건을 변화시켜 자유 흐름 조건 및 잠긴 흐름 조건의 흐름특성을 분석하였다. 실험은 crest 길이에 따라 총 4개의 case로 나누어 수행하였다. 각 case 별 총 8개 유량조건에 대해 각각 자유흐름과 잠긴 흐름에서의 수위를 측정하였으며 정확한 흐름 및 수위 계측을 위해 디지털 카메라와 캠코더를 활용하였다. 분석결과 같은 유량조건에서는 crest가 증가할수록 수위 값도 증가하였으며 유량별 수위의 범위는 경사형 보가 계단형 보 보다 넓은 것으로 나타났다. 향후 본 연구 결과는 현장에서 고정보에 대한 crest 설계 시 충분히 고려될 수 있는 자료가 될 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제49권12호
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• pp.961-969
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• 2016

최근 들어 보의 환경적인 측면을 고려한 저낙차형 구조물 설치가 요구되면서 고정보의 형태도 다양하게 제안되고 있다. 그러나 실무에 적용하기 위한 횡단구조물의 설계 가이드라인은 매우 한정적이다. 따라서 본 연구는 국내 중소하천에 설치된 고정보의 물리적 제원 변경에 의한 수리적 특성을 분석함으로써 환경적인 측면을 고려한 저낙차형 고정보의 유량계수 산정을 위한 기초자료를 제공하는데 목적이 있다. 이를 위해 경사형 및 계단형 보에 대해 crest 변화에 따른 기본적인 유량계수를 도출하였으며 수위-유량 관계 곡선을 개발하였다. 또한 유량과 crest 등과 같은 수리학적조건을 변화시켜 자유 흐름 조건 및 잠긴 흐름 조건의 흐름특성을 분석하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제52권10호
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• pp.743-752
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• 2019

만곡수로에서의 흐름은 나선형 운동 형태의 이차류가 지배적이며, 이로 인해 일반적으로 만곡 외측을 따라 침식 현상이 발생하게 된다. 이러한 이차류를 약화시키기 위해서 보통 만곡수로 외측을 따라서 수제와 같은 수공구조물을 설치한다. 이 연구에서는 OpenFOAM 오프소스 소프트웨어를 토대로 난류 해석을 위한 하이브리드 RANS/LES 기법과 자유수면 해석을 위한 VoF기법을 이용한 3차원 수치모의를 통해서 $90^{\circ}$ 만곡수로에 설치된 잠긴수제가 후루드수가 0.43인 조건에서 이차류의 발달에 미치는 영향을 분석하였다. 시간과 공간에 대해서 2차 정확도의 유한체적법을 이용하여 수치모의를 수행하였으며, 수치해석 결과는 실험결과와 비교하여 수치모의의 정확도를 평가하였다. 잠긴수제가 설치된 경우의 수치모의 결과를 흐름방향 유속 분포와 횡방향 순환 유속벡터장을 중심으로 수리실험 관측값들과 비교할 때 수치모의 결과는 수리실험에서 관측된 주요 이차류 흐름 거동과 현상들을 대부분 양호한 정확도로 잘 재현하는 것으로 나타났다. 수치모의 결과를 비교해보면, 잠긴수제 설치로 인해서 만곡이 끝나는 단면 외측 하상부근에서의 유속은 약 평균유속의 1/3 정도 감소하는 반면에 수제 상단부에서의 전단층 발달에 따른 흐름 가속으로 자유수면 부근까지 유속이 증가하고 만곡 수충부에서는 수면 부근 유속이 약 20% 증가하는 것으로 나타났다. 결과적으로 잠긴수제는 만곡부에서 발생하는 이차류의 강도를 약화시켜 만곡부 외측 하상의 안정에 도움이 될 것으로 판단된다. 한편, 각 잠긴수제 전면부에서 말발굽와가 그리고 후면부에서는 후류가 형성되면서 수제 구조물 주변에서 강한 국부세굴이 발생하는 것으로 나타남으로, 국부세굴을 최소화할 수 있는 수제의 형상 및 배열에 대한 추가 연구가 요구된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제49권1호
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• pp.29-39
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• 2016

강변저류지를 홍수방어대책에 포함시키기 위해서는 정확한 홍수조절효과 산정이 필요하며, 이를 위해 현재 실무에서는 1차원 부정류 수치모형인 HEC-RAS를 사용하고 있다. 그러나 강변저류지의 저류용량이 부족한 경우에 발생하는 잠긴 횡월류 흐름에 대해서는 HEC-RAS 부정류 수치모의의 정확도 분석이 수행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 직선수로에 강변저류지를 설치한 경우에 대하여 횡월류부의 다양한 흐름 형태를 재현할 수 있는 부정류 수리실험을 수행하였다. 또한 부정류 수리실험 결과를 이용하여 HEC-RAS 모형의 부정류 수치모의 결과의 정확도를 분석하여 하도 내 수위 오차 및 강변저류지의 홍수조절효과 산정 오차를 제시하였다. 분석 결과 횡월류부에서 잠긴 횡월류 흐름이 발생하는 경우에 대한 HEC-RAS의 수위 계산 결과는 최대 -5% 오차를 보였으며, 홍수조절효과 오차는 최대 2.4%로 나타나 HEC-RAS의 부정류 모의 결과가 비교적 정확한 것을 확인하였다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제48권11호
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• pp.957-967
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• 2015

측면 위어의 수위-유량 관계가 알려지지 않더라도, 저류지에 의한 홍수 조절 효과를 평가할 수 있는 2차원 수치모의에 대해 검토하였다. 수치해법으로서 천수방정식에 대해 유한체적법을 적용하고, 흐름률의 정확한 계산을 위해 근사 Riemann 해법을 도입하여 수심적분 2차원 수치모형을 구성하였다. 모의 결과를 수로와 저류지에서 자유월류와 잠긴 흐름이 발생되는 실험실 실험의 결과와 비교하였다. 자유 월류 상태에서 예측된 측면 위어의 유량 계수와 실험에 의한 그것 사이의 차이는 매우 작았다. 또한, 잠긴 흐름에 대한 모의 결과도 측정 결과와 잘 일치하였으며, 그 기구가 잘 재현되었다. 이 연구를 통해 2차원 수치모형으로 측면 위어에 대한 유량 계수를 정확하게 결정할 수 있으며, 저류지에 대한 홍수 방어능력의 검토 또한 상당한 수준의 정확도로 이루어질 수 있음이 확인되었다. 따라서 저류지의 계획, 설계안의 검토, 관리를 위한 기존 저류지의 평가 등에 이 모형의 실용적인 적용이 기대된다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2012년도 학술발표회
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• pp.581-581
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• 2012

경사면의 잠김과 드러남(wetting and drying)에 대한 천수방정식의 수치 실험으로서 그 전선 근처에서 수심이 매우 작은 경우, 수심이 작을 때 2차 정확도를 위한 MUSCL의 적용 여부, 그리고 마찰 적용의 한계 수심 등에 대해 수심경사법(DGM)과 수면경사법(SGM)을 비교 검토하였다. 먼저, 포물선형 융기에서 정상상태의 기준해와 비교하고 하류에서 배수(drain)가 되는 경우를 상정하였다. 그리고 삼각형 바닥 턱을 지나는 댐 붕괴 흐름에 대한 실험의 결과와 비교하였다. 마지막으로 유사난수 발생에 의한 불규칙 바닥 구간을 지나는 가상 댐 붕괴 흐름에 대해 모의하였다. 정상 상태의 잠긴 바닥(wet bed)에 대해 정수 상태에서 SGM의 선평형성(well-balancedness)이 만족되었으나, 흐름이 상류와 사류일 때 각각 DGM과 SGM에서 유량 변동이 있음을 확인하였다. 드러난 바닥(dry bed)으로 흐름이 진행될 때 수심이 음의 값이 되지 않도록 잠김 드러남 전선근처에서 수심이 매우 작아지는 경우($<1{\times}10^{-6}m{\sim}1{\times}10^{-5}m$) 수심을 0으로 강제하고, n이 0.011과 0.04인 경우 수심이 각각 $1{\times}10^{-4}m$와 $1{\times}10^{-2}m$보다 작은 경우 마찰의 적용을 배제하는 것이 불가피하였다. SGM에 의한 MUSCL에서 수심이 $5{\times}10^{-5}m{\sim}5{\times}10^{-2}m$보다 작을 때 1차 정확도로 회귀가 불가피하였으나, DGM에서는 그와 같은 정확도의 훼손이 나타나지 않았다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제51권2호
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• pp.109-120
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• 2018

본 연구에서는 직선 개수로 내 설치된 50% 잠긴 수제 모형 주위에서 발생하는 3차원 흐름 현상 연구를 위한 수리모형실험이 수행되었다. 수리모형실험은 두 가지 Froude 수($Fr{\simeq}0.10$와 $Fr{\simeq}0.18$)에서 수행되었다. 그리고 본 실험 결과를 잠기지 않은 수제 실험결과(Jeon and Kang, 2016)와 비교하여 수제의 잠김 흐름 발생에 따른 흐름 변화를 관찰하였다. 시간평균유속과 난류에너지를 구하기 위해 초음파 유속계를 이용해 3차원 실시간 유속을 측정하였고 시간평균 수위를 측정하기 위해 초음파 거리 센서를 이용해 실시간 수위를 측정하였다. 수제의 잠김 흐름 발생은 3차원 유속분포에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.