• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2009.05a
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• pp.1812-1816
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• 2009

이미지 해석에 의한 유속장 측정방법은 유체역학분야에서 지난 30 여년 동안 많이 활용되어온 속도측정 기법으로 오늘날에는 이를 수공학 분야에서 이를 유량측정 등 수리현상 해석에 활용하려는 시도가 다각적으로 이루어지고 있다. 이에 본 연구에서는 이미지 해석에 의한 유속장 측정방법을 용담댐 시험유역에 적용하여 그의 자연하천에서의 적용성을 검토하고자 한다. 이미지 해석에 의한 유속장 측정방법은 PIV(Particle Image Velocimetry)로 통칭되고 있으며, PIV는 seeding, illumination, recording, 및 image processing의 네 가지 요소로 구성된다. seeding을 위해서 유체를 따라 흐를수 있는 작은 입자를 유체에 첨가한다. 유체를 따라 흐르는 입자들의 선명한 이미지를 얻기 위해서illumination이 필요하다. PIV를 이용하여 흐름을 해석하기 위한 illumination은 일반적으로 이중펄스 레이저가 이용된다. 이렇게 유속장 해석을 하려는 유체에 대하여 seeding 및 illumination이 준비되면 단일노출- 다중 프레임법, 혹은 다중노출-단일 프레임법으로 흐름을 recording을 한다. image processing은 이미지를 다운로드하고, 디지타이징 및 화질향상을 하는 전처리(pre-processing), 상관계수의 산정에 의한 유속 벡터의 결정 및 에러 벡터를 제거하고 유속장을 그래프화하는 후처리(post-processing) 과정으로 구성된다. LSPIV(Large Scale PIV)는 PIV의 기본원리를 근거로 하여 기존의 PIV에 비하여 실험실 내에서의 수리모형실험이나 일반 하천에서의 유속측정과 같은 큰 규모$(4m^2\sim45,000m^2$)의 흐름해석을 할 수 있도록 Fujita et al.(1994)와 Aya et al.(1995)이 확장시킨 것이다. PIV와 비교시 LSPIV의 다른 점은 넓은 흐름 표면적을 포함하기 위하여 촬영시에 카메라의 광축과 흐름 사이의 각도가 PIV에서 이용하는 수직이 아닌 경사각을 이용하였고 이에 따라 발생하는 이미지의 왜곡을 제거하기 위하여 이미지 변환기법을 적용하여 왜곡이 없는 정사촬영 이미지로 변환시킨다. 이후부터는 PIV의 이미지 처리 방법이 적용되어 표면유속을 산정한다. 다만 이미지 변환을 PIV 이미지 처리 전에 하느냐 후에 하느냐에 따라 유속장 해석결과에 차이가 있다. PIV의 네가지 단계를 포함하여 LSPIV의 각 단계를 구분하면, seeding, illumination, recording, image transformation,image processing 및 post-processing의 여섯 단계로 나뉘어진다 (Li, 2002). LSPIV를 적용시 물표면 입자의 Tracing을 위하여 자연하천에서 사용하기에 적합한 환경친화적인 seeding 재료인 Wood Mulch를 사용하여 유속을 측정하였다. 적용지점은 용담댐 상류의 동향수위관측소 지점으로 이 지점은 한국수자원공사의 수자원시험유역이 위치하고 있다. 이미지의 촬영은 가정용 비디오 캠코더 (Sony DCR-PC 350)을 이용하여 두 줄기의 흐름에 대하여 각각 약 5분 동안의 영상을 촬영한후 이중에서 seeding의 분포가 잘 이루어진 약 1분간을 추출한후 이를 이용하여 PIV 분석에 이용하였다. 대체적으로 유속장의 계산이 무난하게 이루어지었으나 비교적 수질 상태가 양호하고, 수심이 낮고, 하상재료가 자갈로 이루어져 있어 비슷한 색상의 seeding 재료를 추적하기 어려운 구간이 발생한 부분에서는 유속의 계산이 정확히 이루어지지 않았다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2004.05b
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• pp.365-370
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• 2004

본 연구에서는 ADCP를 이용하여 수집된 3차원적 하천 유속 자료를 기기 특성상 오류, 운용상 오류 등을 고려하여 검토하였으며, 원시 자료의 편차를 보정하는 공간평균기법을 적용하여 필터링함으로써 유속 자료를 추출하였다 공간평균기법으로 추출된 자료는 원시 자료에 비해 유속 편차가 감소되어 매끄러운 유속 분포를 보여주었을 뿐만 아니라 원시 자료에 의한 유량 계산 결과와 거의 일치하여 유속 분포를 적절하게 필터링하는 것으로 파악되었다. 또한 공간평균된 유속 자료를 이용하여 하천의 흐름장을 일목요언하게 제시할 수 있는 평면적 유속 벡터와 단면상 유속 벡터를 제시하였다. 차후 다른 유속계를 이용한 결과와 적절히 비교된다면 공간평균된 자료는 원시 자료에 비해 보다 유용할 것으로 예상되며 하천 흐름 해석 및 수치 모의에 기초 자료로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.561-564
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• 2010

하천의 본류와 1개 이상의 지류가 만나는 합류부에서는 본류 흐름과 지류 흐름이 충돌함에 따른 흐름 정체가 빈번하게 일어난다. 이로 인하여 태풍이나 집중호우 시 유속저하와 수위증가로 통수능이 크게 저감되어 홍수피해위험이 크게 증가하는 경향을 보인다. 도류제는 흐름의 원활한 소통을 위하여, 흐름방향을 조정해주는 인공구조물로서 수제의 한 종류이며, 합류부에서의 흐름 정체현상을 해소할 수 있는 한 방법으로 알려져 있으나, 국내에서는 도류제의 적용이 주로 해안의 사빈방지 등에 이루어지고 있으며, 하천의 합류부에서의 적용사례를 찾아 보기는 힘들다. 이 연구에서는 본류와 지류가 만나는 합류구간을 지닌 자연형 사행하천을 대상으로 한 수리모형 실험장치를 이용하여, 도류제의 합류부의 흐름개선 효과를 분석하였다. 수리모형실험의 조건은 도류제 설치 전 후, 도류제 길이 변화에 따라 구성되었으며, 실험결과 도류제의 설치는 본류흐름, 지류흐름, 합류 후 흐름의 수위, 유속, 흐름방향 등의 흐름 특성을 변화시켰다. 특히, 실험조건에 따라 하도의 통수능 증대효과가 다르게 나타났으며, 도류제 설치길이에 따른 변화를 확인하였다. 본 연구 결과를 통해 하천 합류부에 도류제 등의 홍수저감시설을 적용할 시 합류부의 수위 및 유속 등의 수리특성 변화를 예측함으로 합류부 흐름개선을 위한 하천개수계획 등에 유용한 자료로 활용될 것으로 사료된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2012.05a
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• pp.145-145
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• 2012

일반적으로 식생하도에서는 다양한 흐름저항 발생으로 인해 통수능은 감소하고 홍수위는 증가할 수 있다. 식생하도 흐름해석을 위해서는 복합적으로 발생하는 흐름저항이 합리적으로 산정되어야 한다. 하도 흐름에 식생을 고려하는 중요한 관점 중 하나는 식생높이에 대한 수심의 비이다. 본 연구에서는 수심이 식생높이보다 큰 즉, 침수식생 조건에서 식생층의 평균유속 산정식을 제시하고자 하였다. 문헌조사 결과 식생층의 평균유속 산정 방법은 크게 두 가지로 구분되었다. 첫 번째는 흐름을 정상, 등류로 가정하고 전 수심에 대한 힘의 평형을 해석하는 것이고(Stone and Shen, 2002), 두 번째는 2층 구조로 분리하여 식생층과 표면층사이에서 발생하는 전단력을 힘의 평형에 포함시키는 것이다(Baptist et al., 2007; Huthoff et al., 2007; Yang and Choi, 2010). Stone and Shen(2002)의 경우 일부 유속을 과대 산정하는 결과를 보였고, 이는 층간 전단력이 무시되었기 때문이다. 따라서 본 연구에서도 2층 구조론을 이용하였다. 그러나 식생의 밀도가 증가하게 되는 경우 식생이 차지하는 부피는 증가하는 반면, 바닥 전단력의 영향은 감소하게 되므로 식생의 부피는 고려하되 바닥 전단력은 무시하였다. 본 연구를 통해 제시한 식생층 평균유속식을 기존 연구의 수리모형실험 결과와 비교한 것은 <그림 1>과 같다. 비교적 일치하는 결과를 보였지만 Dunn et al.(1996), Rowinski et al.(2002)의 실험결과에 대해서는 유속을 과대 산정하는 것으로 나타났다. 이 들 실험조건의 특징은 침수비가 모두 2.0보다 작다는 것이다. 따라서 침수비 조건에 따라 전단력 ${\tau}_i$의 영향이 있는 것으로 판단된다. 본 연구에서는 침수비 2.0을 기준으로 이보다 낮은 침수비에서는 전단력 ${\tau}_i$를 무시하고, 2.0이상에서는 ${\tau}_i$를 고려한 침수식생하도 식생층 평균유속 산정식을 제시하였고 수리실험결과와 비교한 결과 <그림 2>와 같이 수용할 만한 결과를 얻었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2015.05a
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• pp.80-80
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• 2015

만곡부가 연속적으로 발생하는 사행하천은 만곡의 영향으로 2차류가 발생한다. 이러한 2차류의 영향은 하상변동, 제방침식 등의 문제를 발생시켜 사행수로의 흐름특성을 분석하기 위한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 하지만, 대부분의 연구들은 실규모 하천의 유속측정의 어려움, 측정이 가능한 시설 및 경제적 제한으로 인해 주로 실내실험에서 측정된 자료를 이용하여 분석을 수행하여 흐름조건이 상이한 실제 하천에서 적용성에 한계가 있어 왔다. 본 연구에서는 상세한 3차원 유속 측정이 가능한 최신 계측기기인 초음파도플러유속계(ADCP)를 활용하여 실제하천과 유사한 흐름 상태 및 지형을 재현한 한국건설기술연구원 안동하천실험센터의 사행도 1.2, 1.5, 1.7의 실규모 사행수로에서 횡단면 측정을 수행하였다. 또한 초음파지점유속계(ADV)를 사행도 1.2의 ADCP 측정 단면과 동일한 횡단면에서 측정하여 공간평균된 ADCP 유속자료를 이용한 흐름패턴 분석의 적용성을 검증하였다. 그 결과 공간평균된 ADCP 유속분포는 시간평균한 ADV 유속분포와 다소 크기의 차이는 발생하였지만 패턴은 매우 유사하게 나타났다. 따라서, 공간평균된 ADCP 유속분포를 이용하여 2차류에 의한 흐름패턴 분석을 수행하였다. 2차류 패턴은 만곡의 위치에 따라 매우 복잡한 형태로 나타났다. 2차류에 의한 최대유속선과 최대수심선의 발생위치를 분석한 결과, 만곡의 정점부를 기준으로 만곡 전인 유입부에서는 이격되고 만곡 후인 유출부에서는 유사한 경로를 나타내고 있었다. 이때의 2차류강도(Secondary Current Intensity; SCI)는 만곡의 정점부 부근에서 최대로 증가했다가 다시 감소하는 결과를 보였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2007.05a
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• pp.883-888
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• 2007

일반적인 하천의 흐름방향으로 발생하는 주흐름(primary flow)에 중첩하여 주흐름 방향의 수직단면에 이차류(secondary flow)가 발생하게 되며 이러한 이차류의 발달은 투입된 오염물질의 횡혼합을 증대시킨다. 오염물질의 혼합은 이송(advection)과 확산(diffusion) 또는 분산(dispersion)의 과정으로 설명되며 본 연구에서는 수로전체의 혼합과정을 설명하기 위해서 이송 확산 방정식을 적용하였다. 본 연구에서는 실험수조를 $150^{\circ}$의 중심각을 갖는 S자 형태의 만곡수로를 제작하여 유량조건은 15, 30, $60\;{\ell}l/sec$의 세 가지 경우로, 수심은 15, 20, 30, 40 cm의 경우로 총 12 케이스의 실험을 수행하였다. 유속장의 측정은 Sontek사의 3차원 micro-ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하였다. 오염물질 확산실험은 소금물 용액에 주변수와의 밀도차를 없애기 위해서 메탄올 용액을 첨가하여 추적자로 이용하여 농도장의 분석을 일본 KENEK사의 전기전도도계(conductivity meter)와 Gartner사의 DAS(data acquisition system)를 이용하여 횡방향 유속장의 분포와 오염운의 거동을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻게 되었다. 주 흐름은 직선구간에서는 중앙에서 최대 유속을 나타내며, 좌우대칭적인 유속분포의 모습을 보이고, 만곡부에서는 수로안쪽을 따라 최대유속이 발생하였다. 수로의 직선구간에서는 최대유속이 발생하는 즉, 중앙에서의 오염물질의 분산이 가장 활발하게 이뤄졌으며 농도의 퍼짐형상인 오염운 역시 만곡부에서는 수로만곡부의 안쪽을 따라 확산 이동함을 알 수 있었다. 만곡부 외측에서는 오염물질의 정체현상이 일시적으로 발생하며, 유속구조의 횡방향 비대칭구조로 인한 종 횡방향의 분리현상이 발생하고, 오염운의 중첩현상이 종방향으로 연속되게 나타난다. 향후 수심방향 거동을 포함한 3차원적 분석이 요구되며 이 연구결과는 2차원적 수치해석의 적용 및 분석 자료로써 이용이 가능하다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2019.05a
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• pp.136-136
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• 2019

원형 실린더를 주변 흐름에 관한 연구는 오랜 기간 유체역학 전 영역에서 모형실험이나 수치모형으로 광범위하게 연구되었다. 이 흐름은 하천의 교각이나, 바다의 시추선과 같은 수공구조물 주변에서 관측된다. 난류와 와류가 공존하는 복잡한 특성 때문에, 이 흐름은 수공학에서 유사이송, 세굴, 오염물 확산 등에 영향을 준다. 본 연구는 실험실 수로에 설치된 원형 실린더(D=9cm) 후방의 근접 와류 구간에서(x/D<5) 유속을 ADV로 측정한 후, 난류 특성을 Power Spectral Estimation(PSE)와 Singular Spectral Analysis(SSA) 방법으로 연구하였다. PSE는 샘플 스펙트럼의 한계를 보완하고자 자료를 분할하고, window 함수를 적용하여 ensemble 평균을 구하는 경험적 방법이다. PSE를 이용하여 스펙트럼을 계산한 결과, 주 흐름 및 횡방향 흐름은 Inertial subrange에서 Kolmogorov의 가정과 일치하는 추세를 보였다. 그러나 수심방향 흐름의 스펙트럼은 -5/3보다 빠르게 감소하는 추세를 보였다. Inertial subrange 스펙트럼에서 난류 에너지 소산율은 원형 실린더에서 멀어짐에 따라 감소하는 추세를 보였고, 주 흐름방향과 횡방향 흐름은 비슷한 크기를 보였다. 난류 에너지 소산율과 동점성계수를 이용하여 Kolmogorov 길이, 유속, 시간 스케일을 계산했다. 난류의 운동에너지를 계산하기 위해 Triple decomposition 방법 중 하나인 SSA를 적용하였다. SSA는 유속행렬을 이용하여 고윳값과 고유벡터를 계산하고, 유속에서 기여도가 큰 부분을 추출하는 방법이다. SSA를 통해 실린더 후방 흐름에서 와류 성분과 난류 성분을 나누었다. 횡방향 흐름은 강한 와류로 큰 기여도를 갖는 고유벡터가 나타났지만, 주 흐름과 수심방향 흐름은 상대적으로 낮은 기여도를 갖는 고유벡터가 나타났다. 와류를 제외한 흐름에서 난류 운동에너지는 실린더와 멀어짐에 따라 감소하고, 흐름 중앙에서(y/D=0) 가장 큰 값을 보였다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.205-209
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• 2017

최근 우리나라의 수자원 관련 기술의 발전과 연구는 상당한 속도로 이루어지고 있다. 그 중 유량측정 분야는 모든 수자원계획과 관리의 근간이 되는 분야로 그 중요성이 상당한 부분을 차지한다. 대부분의 자연하천에서 저평수기는 물의 흐름이 비교적 안정된 정상류 흐름이므로 유속계를 통해 유속분포 및 평균유속의 비교적 정확한 측정이 가능하다. 반면, 홍수기 유량측정은 하천의 수리특성이 급변하고 인력, 장비, 안전 등의 문제로 소극적인 측정을 할 수 밖에 없는 것이 현실이다. 홍수기 유량 측정방법은 부자 측정방법과 전자파 표면유속계와 같은 비접촉식 측정방법에 의존하고 있다. 부자법과 전자파 표면유속계는 평균유속과 유량을 계산하기 위해 측정 유속의 보정계수를 활용하여 평균유속으로 환산하여 사용한다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.439-443
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• 2008

본 연구는 어도에서의 어류이동의 적합성을 검증하기 위해 어도 수리실험을 통해 흐름에 따른 어류이동을 조사하는 것으로 하였다. 이를 위해 실험은 모형이 아닌 거의 실물에 가까운 원형 수준의 어도를 제작하였다. 물고기는 피라미를 준비하였으며, 어도 내부에 넣고 흐름을 형성시켜 어류의 거동을 비디오로 촬영하였다. 어도 격벽은 두께를 t=0.1m, 어도 폭은 B=1.0m, 격벽간 거리는 L=$1.0{\sim}2.0m$, 격벽간 낙차는 ${\Delta}H=0.1m$로 하여 각 경우에 따른 실험을 실시하였다. 본 연구 결과에 따르면 어류 이동에 효율적인 흐름의 속도는 $1.0{\sim}1.5$(m/s)임을 나타내고 있는데, 이는 기존 피라미의 선호유속(0.8m/s)보다 높은 편으로서, 이는 어류의 상류이동을 위해서는 선호유속보다 약간 높은 유속을 형성시킴으로써 어류가 상류로 이동하려는 의욕을 가지게 하는 것이 중요함을 시사하였다. 상기 실험 결과를 바탕으로 어류(피라미)의 상류 이동에 적합한 계단식 어도는 경사가 1/20이고, 상하류 격벽 단차가 10cm 정도로서 순환류가 약하게 형성되며, 월류 흐름의 속도가 $1.0{\sim}1.5$(m/s)를 유지하는 형태임을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1675-1678
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• 2008

어류는 민감하기 때문에 최적화된 어도를 설계하는 것은 매우 어려운 일이다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서, 관찰, 수리모형시험과 같은 방법을 이용한 연구가 주를 이루어 왔다. 최근 들어 어도에 대한 기본 지식의 축적과 CFD 프로그램이 발전함에 따라 수치모의를 이용해 최적 어도를 설계하고자 하는 노력이 활발해 지고 있다. 본 연구에서는 최적 어도 설계를 도모하기 위해서 어류의 휴식을 위해 설치되는 풀(pool) 내의 흐름해석을 수행하였다. 군남홍수조절지를 대상으로 설계도면을 분석하여 3차원으로 변환하여 구조물형상을 구축하였으며, FLOW-3D 모형을 이용하여 흐름을 해석하였다. 휴식 풀 내의 흐름을 모의한 결과 어도 내 월류 수심이 10cm 일 경우, 휴식 풀 내 유속은 풀 내 유입어도의 노치와 잠공부분에서 최대 유속이 0.4m/s로 나타났고, 국부적으로 집중된 유속에 의해 풀 내 순환류가 발생하나, 유속의 범위가 최대 0.15m/s를 넘지 않는 것으로 모의되었다.