R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201515CTAP-C077529-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 수치모형을 이용한 자연형 만곡하천 내 수충부 보호를 위한 수제 설계기술 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2014-07-11 ~ 2016-07-10 | |||||
| 연구책임자 | 강석구 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
3명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
5명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 200,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 200,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 400,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 400,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 한양대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | 11-1613000-001512-01 | |||||
| ISBN | 978-89-7218-504-8(93530) | |||||
| 주요 내용 |
■ 국내·외 홍수 피해사례에 관한 조사에 따르면, 제방 및 수공구조물의 파괴로 인한 인적 및 물적 피해가 심각하며, 그에 대한 여러 가지 대책 중 저비용으로 수충부를 반영구적으로 보호할 수 있는 수제 공법이 주목 받고 있음 ■ 수충부 보호 뿐 아니라 최근 하천복원 분야에서 수제 건설에 관한 수요가 급증하고 있음 ■ 수제설치는 하천형상, 하상지형, 3차원 흐름특성 등 국지적인 요인을 적용한 설계가 필수적이나, 국내의 수제 설치 사례가 충분치 않아 수제 설계에 있어 중요한 인자들에 관한 연구가 미흡한 실정임 ■ 기존 하천설계기준에 명시되어있는 수제 설계의 기준과 지침들은 일본과 유럽에서 제안된 경험공식이나 사례를 인용하고 있어 국내 상황에 맞지 않을뿐더러 해당 공식의 적용성이 체계적으로 검증된 사례가 없어 실제 수제 설계 시 필요한 하천만곡도와 그에 따른 수제의 제원(길이, 각도, 높이)에 관한 사항을 전혀 고려하지 못함 ■ 기존 대부분의 연구는 직선수로에 설치된 수제에 관한 것이며 만곡하천에 적용 가능한 설계 기준 또는 가이드라인은 국내·외를 통틀어 전무한 실정임 ■ 직선수로 상의 수제에 관한 연구 결과는 이차류의 고려가 필수적인 실제 만곡하천에서 직접적으로 적용하기에는 무리가 있음. 수제설치 후 수제역에서 발생하는 이차류 및 난류흐름을 정확히 예측하고 분석하기 위해서는 3차원 흐름 측정 또는 해석이 필수적임 ■ 수리모형실험을 이용하여 만곡하천 내의 흐름을 측정하기 위해서는 다양한 만곡도와 하폭, 수심별로 각기 다른 형상의 개수로를 매 실험마다 제작할 필요가 있기 때문에 상당한 비용과 시간이 소요됨 ■ 이러한 문제를 극복하기 위하여 본 연구에서는 3차원 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 해석하는 3차원 수치모형을 사용하여 수제 주위의 3차원 흐름을 해석하여 그 결과분석을 통하여 수제 설계에 필요한 3차원 흐름특성에 관한 정보를 제공하고자 함 ■ 슈퍼컴퓨터 기반의 병렬연산을 이용하여 기존 3차원 수치모형이 갖는 한계점을 극복하여 수천만~수억 개의 격자망을 이용한 연산을 수행할 계획임 ■ 기존 국내·외의 수치모형을 활용한 연구 대부분이 1, 2차원 수심적분형모형이나 Flow3D와 같은 상용모형을 사용하였는데, 수심적분모형은 그 적용성이 매우 제한적이고 상용모형은 그 정확성이 체계적으로 검증된 바가 거의 없으나, 본 연구의 연구책임자에 의해 개발된 3차원 모형은 십여 건의 국제 SCI 학술지를 통하여 체계적으로 검증된 바가 있음 [최종목표] ■ 국내외 직선하도 및 만곡하천에서 홍수시 제방유실, 인명손실 등의 피해의 원인이 되는 하천 수충부 피해를 최소화하기 위하여 설치하는 수제의 설계기술을 체계화 하고 차후 과학적인 설계기준 및 가이드라인을 정립하는데 초석이 될 수 있또록 수제설계에 관한 인자 및 흐름 특성에 관한 연구를 수행 ■ 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 전산유체역학모형을 이용하여 다양한 가상의 수제 설치 시나리오에 대한 수치실험을 수행하고 이를 바탕으로 하천의 만곡도와 수제의 설치각도, 수제의 길이 및 간격에 관한 상호관계를 도출함 ■ 수제설계에 필요한 주요 인자들(하천만곡도, 수제간격, 수제길이 등)의 영향에 따른 수제 주위의 3차원 난류 흐름특성을 파악함 [연구내용 및 범위] ■ 성공적인 수제설계 관련 인자의 정립 및 주요 설계 인자들의 영향에 따른 수제 주위의 난류 흐름특성 파악을 위해서는 하천만곡도, 수제높이, 수제길이, 수제각도 등의 주요 인자들의 변화에 따른 다양 시나리오를 수립하고 각 시나리오 별 3차원 흐름특성을 파악하는 것이 필수적임 ■ 이와 같은 수십~수백 건에 달하는 시나리오에 대한 수리모형실험을 수행하여 이에 대한 3차원 정밀 유속장을 모두 취득하는 것은 현실적으로 불가능함 ■ 본 연구에서는 슈퍼컴퓨터 기반의 병렬연산이 가능한 3차원 수치모형을 이용하여 약 40여 건의 대표적 시나리오에 대한 수치해석을 수행하고 이를 바탕으로 얻은 수치해석결과의 흐름장 분석을 통하여 각 인자들이 미치는 영향을 산정하고 그에 따른 설계기준을 제시하고자 함 ■ 특히, 현재 하천설계기준에 제시되지 않은 하천 만곡도를 주요인자로 포함하여 만곡도에 따른 설계기준을 제시하고자 함 ■ 포함될 설계기준의 요소 및 인자는 다음과 같음 ● 하천 만곡도에 따른 흐름변화에 관한 기준 ● 단일 수제 각도에 따른 흐름변화에 관한 기준 ● 단일 수제 하폭대비 길이 비에 따른 흐름변화에 관한 기준 ● 단일 수제의 높이에 따른 흐름변화에 관한 기준 ■ 주요 연구내용은 아래와 같음 1) 3차원 병렬 전산유체역학모형 구축 및 수리실험을 통한 수치모형의 검증 ● 만곡하천 내의 3차원 흐름해석에 관한 국내·외 문헌조사 및 수치모델의 개선점에 관한 연구 ● 3차원 Navier-stokes 방정식 기반의 전산유체역학 모형 구축 ● 3차원 흐름 지배방정식 및 경계조건에 관한 연구 ● 3차원 수치모형의 병렬연산성능 향상에 관한 연구 ● 직선하도와 만곡하도에서의 주요 설계인자에 대한 데이터베이스 구축 ● 직선수로 내 수제에 관한 수리모형실험 및 3차원 유속장 취득 및 수치모형의 검증 ● 만곡수로 상의 수제에 관한 수리모형실험 및 3차원 유속장 취득 및 수치모형의 검증 2) 하천 만곡도, 수제 설치각도, 길이 및 수제의 높이에 따른 수제주위 난류 흐름특성 수치모의 ● 하천 만곡도, 수제 길이, 수제 각도, 수제 높이에 관한 수치모델링 시나리오 결정 (약 40건) ● 시나리오별 3차원 정밀 수치해석을 통한 흐름장 분석 및 난류 흐름특성 파악 ● 시나리오별 3차원 흐름특성 분석 및 하상 및 제방에 가해지는 전단응력 산정 ● 하천 만곡도별 하폭대비 수제의 길이, 수제의 각도, 수제의 높이에 관한 난류 흐름특성 파악 |
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| 색인어 | 한글 | 수제 | 만곡하천 | 3차원 흐름 | 병렬연산 | 제방보호 |
| 영문 | Groyne | Meandering River | Three-dimensional flow | Parallel Computing | River Bank Stabilization | |
| 최종보고서 | 최종보고서 보완본.pdf | |||||