| 연구개발개요 |
○ 연구 배경- 최근 장마철 산간지역의 소하천에서 발생하는 홍수 피해는 매년 꾸준히 증가하는 추세이다.- 흔히 새마을 교량이라고도 알려져 있는 경간장이 짧고 여유고가 낮은 소하천 횡단교량에서 교량 붕괴나 제방붕괴 등의 심각한 피해가 발생하고 있다.- 지난 2020년 8월에도 전국적으로 내린 집중호우로 인해 전국의 많은 산간지역 소하천 교량에서 교량 유실, 제방 붕괴, 도로 유실 등의 재해가 발생하였다.- 이 같은 피해는 홍수시 교각이나 교량 상판에 집적되는 유송잡물이 하천통수단면을 급격히 축소시켜 수위 상승을 일으키고 교량에 가해지는 유수압을 가중시키기 때문에 발생한다.- 소하천 횡단교량 관련 피해가 매년 수십 년째 끊임없이 발생하는 이유는 유송잡물의 영향을 고려한 하천횡단교량 설계지침이 현재까지도 국내에 존재하지 않기 때문이다.- 관련 설계기술의 개발을 위해서는 홍수조건에서 유송잡물 집적시 하천횡단교량 주위에서 발생하는 흐름 현상의 메카니즘과 교량 구조물과 홍수 흐름 간의 상호작용에 관한 심도 있는 기초 연구를 수행할 필요가 있다.○ 연구의 목표- 본 연구의 최종 목표는 홍수발생시 유송잡물에 의한 교량 부근 하천 통수단면 폐색에 따른 교량 구조물에 작용하는 유수압 증가, 제방과 교각 주위 하상에 작용하는 전단응력 변화, 하천 내 3차원 유동구조 변화 현상을 관찰하고 이와 관련된 주요 설계인자 값을 산정하는 것이다.○ 연차별 주요 연구내용- 1차년도 연구내용: 실험실 개수로에 모형교량을 설치하여 3가지 홍수조건에 따른 3차원 유속, 난류응력, 수위 측정 - 2차년도 연구내용: 3건의 고정밀도 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통한 주요 구조적, 수리적 설계인자 값의 산출○ 연구의 활용 및 적용 분야- 본 연구에서 유수압 항력계수, 제방전단응력, 하상전단응력 분포 등의 설계인자 값이 산출되면 향후 하천횡단 교량의 설계기준 개발에 필요한 후속 연구의 기초 자료로서 활용될 수 있을 것이다. - 후속 연구에서 보다 다양한 조건에서 설계인자 값이 도출된다면 홍수량과 유송잡물 집적 조건을 고려한 교량 설계공식 개발로 이어질 것으로 본다. 향후 하천설계기준과 도로교설계기준 개정에 활용 가능할 것이다.
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| 최종목표 |
○ 연구의 목표- 본 연구의 최종 목표는 홍수발생시 유송잡물에 의한 교량 부근 하천 통수단면 폐색에 따른 교량 구조물에 작용하는 유수압 증가, 제방과 교각 주위 하상에 작용하는 전단응력 변화, 하천 내 3차원 유동구조 변화 현상을 관찰하고 이와 관련된 주요 설계인자 값을 산정하는 것이다.○ 연차별 주요 연구내용- 1차년도 연구내용: 실험실 개수로에 모형교량을 설치하여 3가지 홍수조건에 따른 3차원 유속, 난류응력, 수위 측정 - 2차년도 연구내용: 3건의 고정밀도 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 통한 주요 구조적, 수리적 설계인자 값의 산출
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| 연구내용 및 범위 |
○ 수리모형실험- 수리모형실험은 한양대학교 건설환경공학과에서 보유한 개수로 시설에서 고정상 조건에서 수행할 예정이다. - 수리모형실험 연구는 교량 모형의 제작, 유속 측정, 난류응력 측정, 수위 측정의 세부 연구로 이루어진다. 세부 내용 별 추진전략을 아래에 기술하였다. ○ 실험 시나리오의 선정- 단면 비폐색 조건 1건, 단면 폐색 조건 2건의 수리모형실험 시나리오를 수립한다.- 단면 폐색 조건 중 1건은 홍수위가 교량 상판 하부에 위치한 비월류 조건으로 하고, 나머지 1건은 홍수위가 교량 상판 상부에 위치한 월류 조건으로 한다. ○ 교량 및 유송잡물 모형의 제작- 교량 모형은 아크릴 및 목재를 이용하여 제작한 후 개수로에 실리콘 등을 활용해 접합할 계획이다.- 유송잡물 모형은 교각에 집적되는 유송잡물에 관한 수학적 모형에 근거하여 형상을 디자인한 후, 3D 프린터를 이용하여 제작한다. 제작된 유송잡물 모형은 교량의 전면부에 부착한다. ○ 유속과 레이놀즈응력의 측정- 3차원 유속과 난류 성분은 현재 보유 중인 Nortek Vectrino Profiler 초음파 유속계를 사용하여 약 10개의 수로 단면에서 측정할 계획이다. - Jeon et al.(2018)이 동일한 수로에서 수행한 수리모형실험에서 난류 특성을 고려하여 적정 유속 샘플링 시간을 7-10분 정도로 추산하였으므로 본 연구에서는 한 지점 당 10분 동안 유속 샘플링을 할 계획이다. 적정 시간보다 짧은 시간 동안 유속을 샘플링하면 레이놀즈 응력 값이 시간수렴하지 않는 문제점이 발생한다. 각 지점에서 100 Hz의 주파수로 10분 동안 총 60,000개의 유속 시계열 자료를 취득한 후 노이즈 필터링과 후처리 과정을 거쳐 3차원 평균 유속과 레이놀즈 응력을 산출하게 된다. ○ 수위 측정- 수위는 초음파 거리측정 센서를 사용하여 측정한다. 컴퓨터에 연결된 초음파 센서로부터 전압 값이 출력되면 이를 거리값으로 환산하여 수위를 측정하게 된다. ○ 3차원 CFD 해석- 3차원 CFD 해석은 본 연구자가 직접 개발한 슈퍼컴퓨터 기반의 LES 모형(Kang et al., Advances in Water Resources, 2011)인 Virtual Flow Simulator 소프트웨어를 이용할 계획이다. 해당 CFD 모형은 미국 정부의 에너지부(Department of Energy)에 정식 소프트웨어 등록된 프로그램으로서 미국 5개 대학과 중국 1개 대학의 연구팀에서 활발히 사용 중인 신뢰성 있는 모형이다. - LES 기법은 Navier-Stokes 방정식에 공간 필터링을 적용한 후 subgrid 항을 Smagorinsky 모형을 이용하여 모델링하는 방법이다. 이 기법은 Flow3D, Fluent, CFX 등의 상용 CFD 모형에서 사용되는 RANS(레이놀즈평균) 기법에 비해 월등히 높은 정확도를 가지지만 막대한 컴퓨터 자원을 요구한다는 단점도 있다. - 이를 극복하기 위해 본 연구진이 자체 보유한 400개 CPU 코어의 병렬컴퓨터를 활용하여 연산을 수행하고 이를 일부 업그레이드하여 수치연산에 필요한 시간을 단축할 계획이다. - 추가적으로 국가슈퍼컴퓨팅센터(KISTI)의 유료 슈퍼컴퓨터 자원도 연산에 활용할 계획이다. ○ CFD 해석 영역의 설정 및 계산 격자의 정밀도- CFD 해석의 계산 영역은 방대한 하류영역에서 발생하는 다양한 흐름을 관찰하기 위하여 교량 하류 방향으로 최소 10L(L: 유송잡물의 폭)이 되도록 설정하며, 유입부와 간섭 현상을 피하기 위해 유입부의 위치가 상류 방향으로 10L 이상 떨어지도록 한다. - CFD 해석에서는 1~10 mm 크기의 계산 격자를 사용한다. 단, 수로의 바닥과 벽 근처에서는 벽의 점성저층(viscous sublayer) 두께의 1/10 이하인 약 0.1 mm 크기의 초고정밀 격자를 사용할 계획이다. 계산 영역 전체를 0.1~10 mm 크기의 격자를 사용한 고정밀 해석을 위해서는 총 3천만 개의 이상의 계산격자가 소요될 것으로 본다. ○ CFD 해석 소요 기간- 수치해석에 필요한 기간은 Kang et al. (Water Resources Research, 2016)이 수행한 해석을 근거로 추산하였다. - 해당 수치해석에서는 1억 개의 계산 격자와 400개의 CPU를 이용하여 수제 주위의 3차원 흐름을 해석하였고 수치해석 1건 완료에 총 6개월의 기간이 소요되었다. - 본 연구에서는 약 3천만 개의 계산 격자를 사용할 계획이므로 1건의 수치해석에 2개월, 3건의 수치해석에는 6개월이 소요될 것이다. - 3건의 수치해석에 총 6개월의 기간이 소요되고 계산 격자의 생성과 수치해석 후처리 작업에 3-4개월이 소요됨을 감안하면 2차년도 3건의 CFD 해석은 적절한 목표로 판단된다.
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