• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2017년도 학술발표회
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• pp.326-326
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• 2017

개수로에서 비에너지(specific energy)는 수로바닥을 기준으로 단위무게의 물이 가지는 에너지로 정의되며 흐름의 위치수두와 속도수두의 합으로 표현된다. 비에너지는 수로단면의 변화에 따른 수심의 변화를 해석하기 위하여 사용되는 중요한 개념이다. 사각형 개수로에서의 비에너지 관계식은 3차방정식의 형태이며, 해석적으로 3개의 해(3개의 수심)를 가지나, 물리적인 의미를 가지는 해는 2개이며 나머지 하나의 해는 음수이므로 물리적인 의미를 가지지 않는다. 물리적인 의미를 가지는 2개의 해는 각각 흐름이 상류(subcritical flow)인 경우와 사류(supercritical flow)인 경우에 대한 수심이다. 즉, 일정한 유량이 흐르는 조건에서 동일한 비에너지를 가지는 수심이 상류와 사류에 각각 존재하는데, 이 2개의 수심을 대응수심(alternate depths)이라 정의한다. 이러한 사각형 개수로에 대한 비에너지 관계식은 3차방정식이므로 그 해석해를 구할 수 있어, 수로단면의 변화에 따른 흐름의 변화를 비교적 쉽게 해석할 수 있다. 사각형 개수로가 아닌 경우의 비에너지 관계식을 이론적으로 고찰하는 연구는 찾아보기 힘들다. 이에 본 연구에서는 포물선형 개수로에 대해서 비에너지 관계식을 유도하였다. 유도된 비에너지 관계식은 비선형 음함수의 형태로 해석적으로 해를 구할 수 없다. 유도된 관계식의 해법으로 2차의 정밀도를 가지는 Newton-Raphson방법을 이용하였으며, 계산의 초기치는 상용화된 Excel에서 쉽게 구할 수 있는 회귀식을 이용하여 구하였다. 적용 예를 통해, 단순 회귀식을 이용하는 경우에는 정해와의 상대오차가 2 - 8% 내외였는데, 본 연구에서 제안하는 방법을 사용하는 경우에는 동일한 조건에서 상대오차가 0.25% 내외를 보였다. 즉 본 연구에서 제시하고 있는 양해법을 이용하면, 포물선형 개수로 흐름의 대응수심을 용이하게 그리고 정확도가 매우 높게 산정할 수 있다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제49권12호
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• pp.1035-1044
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• 2016

제방과 보의 접속부에서는 복잡한 3차원이 흐름이 발생하여 붕괴가 자주 발생한다. 따라서 연결부에는 일반적인 호안에 비해 큰 안정성을 가진 연결호안의 설치가 필요하다. 그러나 연결호안에 대한 설계기준은 하천설계기준에 제시되어 있지 않기 때문에 연결호안의 공학적인 설계를 위한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 연결호안에 사석을 포설하고 사석의 이탈조건을 파악하기위해 유량을 변화시켜가며 실험을 수행하였으며 실험수로는 폭 4 m, 길이 20 m의 직선수로이며 한쪽에만 제방이 설치되어 있다. 연결호안의 사석직경은 0.03 m 이며 유입유량은 $0.5{\sim}0.8m^3/s$이다. 동일한 조건에 대한 수치모의를 수행하여 연결부에 대한 흐름조건 및 제방 비탈면의 전단응력 등의 분포를 통해 영향범위를 파악하였다. 그 결과 연결호안의 경우 일반호안에 비해 사석직경이 4.1~6.9배 크게 산정되는 것으로 나타났으며 사석의 이탈속도가 같아도 유량이 클수록 취약지역의 범위가 하류방향으로 더 길게 발달하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 연결호안 주변의 수리학적 특성에 따른 사석직경 및 영향범위를 산정하는 방법을 제안하였으며 추후 고수부지의 영향, 다양한 형식의 보와 호안에 대한 실험과 추가적인 검토가 수행된다면 연결호안의 안정성을 확보 할 수 있는 합리적인 설계방법을 제시할 수 있을 것이라고 기대된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제41권3호
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• pp.305-314
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• 2008

도시 우수 배수 시스템에서 우수 관거는 개수로 흐름 상태로 가정하여 설계되었기 때문에 맨홀에서의 에너지 손실은 일반적으로 중요하게 고려되지 않았다. 그러나 과부하흐름에서 에너지 손실은 관거의 배수능력을 저하시켜 도심지역의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다. 그러므로 과부하 맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 맨홀에 대한 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치 제작과 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 인버트 형상 조건(CASE A, B, C), 단차 조건(CASE I, II, III) 및 실험 유량($1.0\;{\sim}\;5.6\;{\ell}/sec$)을 변화시키면서 실험을 실시하였다. 맨홀 직경($D_m$)과 유입관경($D_{in}$)의 비($D_m/D_{in}$)가 증가할수록 손실계수가 증가하였으며, 맨홀 수심($h_m$)과 유입관거 직경($D_{in}$)의 비($h_m/D_{in}$)가 $1.0{\sim}1.5$일 때 손실계수가 가장 크게 산정되었다. 또한, CASE A, B, C의 평균 손실계수는 각각 0.45, 0.37, 0.3으로 산정되었다. 맨홀에 U자형 인버트를 설치하면, 원형 맨홀에서 에너지 손실을 저감시킬 수 있다. 또한 산정된 맨홀에서의 손실계수는 과부하흐름을 고려한 우수 관거 설계에 활용될 수 있다고 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제53권8호
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• pp.617-626
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• 2020

본 연구에서는 TELEMAC-2D를 이용하여 개수로 분류부에서 분류각과 분류유량비 변화에 따른 유속분포, 흐름분리구역의 크기, 분류각과 유량비 변화의 상관관계를 파악하였다. 상·하류단 경계조건의 변화 없이 분류각만 90°에서 45°로 감소하면 주흐름에서 분리되어 분류수로로 유입되는 흐름의 곡률반경이 증가하고 급격한 흐름방향의 전환에 의한 에너지손실은 감소하며, 주수로와 분류수로 하류방향으로 흐르는 흐름의 관성력과 하류단 경계조건에 의한 압력경사의 영향으로 분류수로에 유입되는 분류유량비가 0.523에서 0.785로 약 1.5배 증가하였다. 분류부 상류 유입흐름의 프루우드 수가 F₁ = 0.45~0.74인 흐름에서 분류각을 90°에서 45°로 15° 간격으로 감소할 때마다 분류유량비는 각각 6~10%, 17~30%, 32~54%로 비선형적으로 증가하며, F₁가 최대 0.74인 흐름에서 분류유량비 증가율이 31.1%로 최소값을 나타내고 F₁ = 0.58 일 때 분류유량비가 0.7 이하이면서 최대 분류유량비 증가율 53.5%을 나타내며, F₁이 0.58보다 감소할수록 분류유량비가 0.7을 초과하면서 그 증가율도 함께 감소하게 된다. F₁ > 0.4인 흐름은 F₁ < 0.4의 흐름보다 무차원 흐름분리구역의 폭(S_W/B) 변화율은 약 2.56배 높으며 무차원 흐름분리구역 길이(S_L/B) 변화율은 약 5.5배 높게 나타난다.

• 한국안전학회지
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• 제32권4호
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• pp.34-39
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• 2017

Typical flow regime of overflow at barrier or weir constructed in mid and small streams becomes as the submerged flow during most flood events. One of major causes of barrier failure has been reported as the levee-scour near the conjuction node between barrier and levee. However, most related design guidelines in Korea have not mentioned about the protection of levee around barrier or weir in detail. Furthermore, most previous researches have focused on the flow characteristics of overflow around several types of weirs but they did not have considered the material properties of levee itself. In this study, local scour near barrier was investigated with different material properties of levee under the submerged overflow condition which is assumed to reenact a flood event. Based on results from Fritz et al. and Mavis et al., a theoretical formula was also proposed in initial stage of laboratory experiments. And hydraulic experiments were carried out for the verification of the proposed formula. Levee was installed in the prismetic trapezoidal open channel and most parts were made of concrete except for movable section in which scour was expected to occur for the efficiency of experimental procedure. Each compaction of movable section in levee was followed by the basis of the KS F 2312. Further, after performing the experiments to find the optimum water content for each sediment, the specific amount of water was injected before flowing water. The difference between the proposed theoretical formula and experiment results was not much but considerable, which might be caused by the effect of compaction. For theoretical approach, it seemed that the formula did not take into account the compaction of levee, thus the correction coefficient for levee compaction determined in the literature was considered. Finally, the formula for the length of scour around barrier or weir was proposed, which can be useful to predict a levee in the reference design of revetment in mid and small streams. As shortly future study, scour length of levee around barrier or weir under different flow conditions such as perfect overflow condition will be studied and it will be able to contribute to suggest the design formula or criteria under all overflow conditions near barrier or weir.

• 한국수자원학회논문집
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• 제41권8호
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• pp.761-772
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• 2008

본 연구의 목적은 수공학 분야에서 수치해석이 난해한 문제를 해결하기 위한 모형을 개발하고, 해석해가 존재하는 다양한 수치실험, 즉 하상과 하폭이 함께 변하는 점변부정류 조건에서의 검증, 하상경사가 변화하는 세가지 정상상태 조건의 문제, 그리고 해석해가 있는 마찰하상에 적용함으로써 개발된 모형의 적용성을 검증하기 위한 것이다. 모형의 지배방정식은 보존 법칙을 만족하는 Saint-Venant 적분형 방정식이며, Riemann 해법에 의한 유한체적법이 사용되었다. 질량 및 운동량의 흐름율 계산에 HLL Riemann 근사해법이 사용되었고, 시간-공간에서 2차정확도를 위하여 MUSCL-Hancock 기법이 사용되었다. 본 연구에서는 비선형의 흐름율과 생성항과의 균형을 위하여, 중력과 흐름방향 하폭의 변화로 인한 정수압력에 의한 생성항을 차분하는 새롭고 간편한 기법을 소개하였다. 수치실험 모의결과는 개발된 모형이 생성항을 포함한 다양한 흐름조건에서 정확하고, 견고하며, 매우 안정적임을 보여주고, 또한 수공학 분야에서 일차원 적용에 적합한 모형임을 보여준다.

• 유체기계공업학회:학술대회논문집
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• 유체기계공업학회 2004년도 유체기계 연구개발 발표회 논문집
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• pp.193-198
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• 2004

펌프장 흡입수조에서 발생되는 보텍스의 구조를 Sump Model Test와 PIV 방법을 수행하여 보텍스 발생여부를 검증한 결과는 아래와 같다. 1) 현장조사의 결과 취수장 대부분의 흡수정 구조가 유체역학적으로 보텍스를 발생시키는 구조였음을 알 수 있었으며 흡수정의 형태를 흡입구와 수문이 일직선으로 되어 있는 토목구조를 가진 펌프장이 경유는 보텍스 발생이 비교적 적었음을 알 수 있었다. 이는 토목구조의 설계가 펌프과정에 따른 흡수정 내의 유동장을 고려하여 볼 때 매우중요하다는 것을 알 수 있다. 2) JSME S 004-1984를 토대로 1/8 모델내에서 모형수리실험을 수행한 결과 현장에서 발견된 결과와 같이 예측되었다. 또한, 모든 상사조건 일치에서 수위나 운전대수 및 호기조합에 따라 정도의 차이는 있으나 모든 경우에 보텍스가 심하게 발생하고 있음을 알 수 있었다. 3) PIV 실험에서 볼 수 있듯이 자유표면 보텍스는 $\sharp$1 호기와 $\sharp$3 호기에서 주로 발견되었는데 이는 $\sharp$3 호기 흡입구 바로 전방에 있는 취수구의 영향으로 강한 회전흐름이 수조 내에서 형성되기 때문으로 보여진다. 4) 보텍스의 발생은 펌프 소음발생 임펠러 수명 및 성능에 나쁜 영향을 주기 때문에 반드시 Anti Vortex Device를 설치하여 보텍스의 발생을 저감시켜야 한다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제22권4호
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• pp.601-610
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• 2021

해안구조물 설치 전, 후의 금강하구역 해수유동 양상을 CASE별로 비교하기 위해서 수심적분된 그리고 조간대 처리기법이 적용된 해수유동 수치모형인 FLOW2DH를 사용하였다. 실험조건은 해안구조물 설치 전(CASE1), 해안구조물 설치 후(CASE2), 배수갑문운영 추가(CASE1Q, CASE2Q) 및 현재 상태(CASE3)로 구성된다. CASE1의 경우, 자연형 하구의 안정화된 해수유동 양상을 보여주고 있고, CASE2의 경우, 설치된 해안구조물들로 인하여 금강하구역의 유속 및 유향에 변화가 발생하였다. 특히, CASE2의 개야수로 구간(P5~P9)은 CASE1과 대비하여 유속이 10~30% 크게 계산되었다. 금강하굿둑과 가장 가까운 군산 내항(P4)의 경우는, CASE1Q와 CASE2Q의 낙조 시 2.7시간의 배수갑문의 방류로 인하여 낙조 유속이 다른 CASE들과 비교하여 약 250~300% 빨라졌다. 이는 퇴적물이동에 영향을 줄 것이고, 나아가 해저지형변화를 야기할 것으로 예측된다. 현재 상태인 CASE3의 경우, 금강하구와 주변 해안역의 유속과 유향을 검토한 결과 안정화 단계로 접어들고 있는 것으로 판단된다.

• 한국수자원학회논문집
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• 제55권11호
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• pp.955-967
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• 2022

기존의 입자추적모델에서 입자의 연직방향 변위 예측은 정지 수체에서의 최종침강속도를 바탕으로 계산되었다. 그러나 난류 수체에서의 침강속도에 관한 선행 연구들은 난류가 입자의 침강속도에 영향을 미치는 것으로 보고하고 있다. 본 연구에서는 난류에 따른 침강속도의 변화 특성을 규명하고자 개수로 흐름에서 입자의 침강 실험을 수행하였다. 입자의 침강속도와 난류 특성은 각각 PTV, PIV 기법을 통해 측정하였고, 측정된 침강속도 증가율과 입자 및 난류 특성에 따른 난류 수체에서의 침강속도의 변화 특성을 분석하였다. 그 결과, 입자 직경이 Kolmogorov 길이 스케일의 1~2배가 될 때, 침강속도 증가율이 커지기 시작하였다. 본 실험 결과를 선행 연구들과 비교하였을 때, Stokes 수와 침강속도 증가율의 그래프가 입자의 밀도에 따라 각각 최댓값을 보이는 곡선 형태를 가지는 것으로 나타났다. 결론적으로, 입자의 침강속도는 개수로 흐름에서 정지 수체에서보다 빠르기 때문에, 기존의 정지 수체에서의 침강속도를 이용한 입자추적모델은 연직방향으로 바닥에 도달하는 시간을 과대산정하게 될 수 있다. 이러한 측면에서 본 연구의 결과는 입자추적모델의 성능 개선에 도움을 줄 것으로 기대된다.

• 한국해안해양공학회지
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• 제6권1호
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• pp.40-50
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• 1994

가로흐름이 존재하는 천해역으로 방출되는 표면온배수에 의한 온도장의 정확한 예측을 위한 근해역 2차원 수치모형을 개발하였다. 개발된 모형은 4-방정식 난류모델로서 열적 시간상수에 대한 정보를 얻을 수 없는 2-방정식 난류모델의 단점을 극복하기 위하여 변동온도 자승 평균항 및 그것의 감쇠율에 대한 전달방정식을 2-방정식 모델의 전달방정식에 추가한 모델이다. 또한, 부력생성항 및 난류 열플럭스항을 도입하여 연직방향 확산현상을 고려하고자 하였다. 개발된 수치모형을 간단한 단면을 갖는 개수로 정상류의 경우에 대하여 적용하였으며, 그 결과를 기존의 실험결과 및 2-방정식 난류모델을 사용한 수치계산결과와 비교하였다. 4-방정식 모형에 의한 계산결과가 2-방정식 모형보다 실험결과와 잘 일치하였으며, 제트 포획 및 안정화 영역에서 온배수의 물리적 특성을 잘 재현하였다.