| 연구개발개요 |
하천의 하상과 제방은 흐름에 의한 유수의 영향으로 인하여 지속적인 퇴적과 침식작용에 노출되어 있다. 이러한 이유로 인해 때로는 하천지형과 형상에 따라 하천 내 특정 구간에 과도한 침식이나 퇴적이 발생하기도 하는데 이는 하천의 이·치수 기능을 저하시키고 홍수 시 하천 내 제방이나 수공구조물의 안전을 위협하는 위험요소로 작용한다. 이와 같이 하천형상의 영향으로 유수가 제방에 부딪혀 유속이 상대적으로 상승하는 구간을 수충부라고 한다. 지방 소하천과 같은 자연하천 뿐 아니라, 직선 정비된 도시하천의 경우에도 직선정비구간이 곡선부로 변화하는 구간 등에 수충부가 존재한다. 홍수발생 시에는 수충부에서의 유속이 더욱 빨라져 세굴현상 및 호안파괴 현상이 가속화 되는데, 제방유실 등의 사고에 대비하여 수충부를 보호하고 안전하게 유지·관리 하는 것은 하천관리 및 정비에 있어 매우 중요한 요소이다.하상 세굴이나 제방 유실 현상을 방지하기 위해 널리 사용되는 공법은 콘크리트와 사석을 이용하여 취약 구간을 피복하는 방법인데, 이러한 방법은 유지비용이 높고 수변 및 수생 서식지 파괴를 초래하는 단점도 가진다. 최근 하천환경과 생태계 보전에 대한 사회적 인식이 높아지면서 자연하천의 생태적인 측면을 고려함과 동시에 하천관리의 효율성을 도모하는 콘크리트 블록이나 돌무더기, 통나무 등을 이용한 친환경적 보호 공법 또한 큰 관심을 받고 있다. 이러한 하천횡단구조물은 주로 하천 제방에 부착된 상태로 설치된다는 공통점이 있으며 영어권에서는 groyne, vane, bendway weir, barb 등으로 이름으로 불리며 국내에서는 수제로 알려져 있다. 이와 같은 하천횡단구조물은 제방 측에 낮은 유속을 유발하여 하천 수충부를 효과적으로 보호할 수 있을 뿐 아니라, 하천 단면 중앙부에서는 적절한 유속증가를 유발하여 흐름의 다양성을 높여 수질개선이나 어류 서식에 우호적인 환경을 조성하기도 한다. 이와 같은 이유로 하천횡단구조물은 수충부 보호 뿐 아니라 친환경적 하천복원에도 널리 사용되어 왔다.국내에서는 낙동강, 영산강, 형산강 하류 등지에 수제를 설치하여 유수의 강도 및 방향을 조절하여 하천 내 수충부를 보호한 사례가 있으며, 최근에는 자연재료를 이용하여 수제를 설치한 오산천, 양재천 등의 사례가 있다. 이와 같이 근래에는 하천 설계 및 관리와 관련하여 경제성뿐만 아니라 환경적, 생태적, 심미적 요소를 고려한 수제 설치기법에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 현재 국내에는 수제설치에 대한 설계지침이 충분치 않고, 수제 설치 사례가 적어 수제 설치에 따른 변화양상을 모니터링하기도 힘든 실정이다. 국내의 하천설계기준(국토해양부, 2009)에 명시되어 있는 수제 설계의 일반적인 사항 및 설계, 시공, 재료에 관한 대부분의 기준과 지침들은 일본과 유럽에서 제안된 경험공식이나 사례를 인용하고 있는데, 이에 대한 현장시험 및 모형실험을 통한 충분한 검증이 진행된 바가 없다. 더욱이, 그 실험사례들 거의 대부분이 3차원 흐름현상에 대한 심도 있는 고려가 부족한 결과물이므로 실제 하천 설계 적용이 쉽지 않다는 문제가 있다. 또한, 앞서 대부분의 기존 연구들은 단순히 실험결과를 나열하는 수준에 그치고 있어 실제 수제 주위의 국부적 유속증가, 나선형 이차류 발생, 와류현상 등의 원인규명에 필요한 공학적 근거를 제시하지 못하고 있다. 향후 수제 설계의 기본이 되는 인자(수제길이, 폭, 높이, 형태, 설치각도, 설치간격 등)과 실제 하천지형특성(하천 폭 대비 수제길이, 하천곡률, 하상경사 등)을 동시에 고려한 설계기법의 개발이 필요하다. 최근 건설기술연구원(강준구 외 2006, 여홍구 외 2008)에서 수제 설계의 기본이 되는 인자에 대한 실험이 다양하게 이루어진 사례가 있으나 3차원 유동장의 정밀도 있는 분석이 이루어지지 못해 아쉬움이 남는다. 수제역에서의 흐름은 3차원적 흐름구조와 나선형 이차류가 결합된 복잡한 형태의 흐름구조를 갖고 있다. 수제가 설치되면 하류 흐름 영역은 연직방향을 축으로 회전하는 재순환영역, 흐름방향을 축으로 회전하는 나선형 이차류 흐름, 구조물 전면에서 발생하여 하류로 이동하면서 강한 난류흐름을 유발하는 말발굽와(horseshoe vortex) 흐름 등이 혼재된 매우 복잡한 형태를 보인다.현재까지 수제 하류 구간에 대한 정밀도 있는 3차원 유동장 측정이 이루어진 사례가 거의 없어 3차원 흐름구조에 대한 정보가 전무한 상황이며 유체역학적 측면에서 흐름구조를 분석한 연구가 없다는 한계점이 있다. 따라서 향후 신뢰성 있는 하천횡단구조물 설계 기법의 개발을 위해서는 수제설치로 인한 3차원 흐름구조, 재순환영역 크기, 나선형 이차류와 설치 조건 변화에 따른 흐름변화에 대한 지식습득이 선행되어야 할 것이다.
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| 최종목표 |
본 연구의 최종목표는 수리모형실험과 수치해석을 통한 수제 하류 3차원 흐름구조 규명과 주요설계인자 값 산출임.▶ 목표 1: 수제 높이와 설치각도를 고려한 수제 하류 3차원 유동장의 실험적 측정 및 분석■ 총 4건의 개수로 수리모형실험을 수행할 예정임. ■ 실험 안: 0.5와 1.0의 상대 수제높이 (h/H=수제높이/수심), 60, 90도의 설치각도에 대한 수리모형실험을 수행함. 구체적 수제높이와 각도 값은 추후 참고문헌 조사 후 변동 가능.■ 3차원 유속측정이 가능한 초음파 유속계와 시간별 수위변화를 mm단위로 측정할 수 있는 초음파 수위계를 활용하여 시공간적 유속분포를 정밀 측정함.▶ 목표 2: 3차원 유동해석 (CFD: Computational Fluid Dynamics) 모형을 이용한 수치해석■ 수리모형실험 4건 중 2건을 선택하여 정밀 수치해석을 수행할 예정임.■ 천만개 이상의 계산격자 사용■ 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 병렬연산기법에 근거한 수치모형을 활용하여 기존 상용모형과 비교하였을 때 수십~수백 배의 연산속도와 높은 정확도로 해석을 수행할 것임.▶ 목표 3: 3차원 유동장 정보를 바탕으로 주요 설계인자 값 도출■ 실험 및 수치해석 결과 분석을 통한 4가지 설계인자에 대하여 정량적, 정성적 결과를 도출함■ 4가지 주요설계인자는 정수역 길이, 하상전단응력, 최대유속, 이차류 분포양상임. ▶ 최종성과물■ 성과물 1: 수리모형실험 결과 그림 및 도표- 세부내용: 단면별 평균유속 분포도, 단면별 난류응력분포도, 전 영역에 대한 수심분포도■ 성과물 2: 3차원 유동 수치해석 결과 그림 및 도표- 세부내용: 단면별 평균유속분포도, 단면별 난류응력분포도, 단면별 2차원 유선도, 전체 흐름영역에 대한 3차원 유선도■ 성과물 3: 3차원 흐름 가시화 동영상- 세부내용: 수치해석 결과로부터 추출된 수제 하류 영역 3차원 흐름 가시화 동영상 파일.■ 성과물 4: 4가지 설계인자 값의 공간분포도- 세부내용: 수치해석 결과로부터 정수역 크기, 하상전단응력, 최대유속, 이차류의 공간적 분포도 산출
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| 연구내용 및 범위 |
■ 수제 높이(수제 높이/하천 수심=0.5, 1)와 설치각도(60, 90도)를 고려한 수제 하류 3차원 유동장의 실험적 측정 및 분석■ 3차원 유동해석 (CFD: Computational Fluid Dynamics) 모형을 이용한 수치해석■ 3차원 유동장 정보를 바탕으로 수제 설계의 기준이 되는 주요설계인자 값 도출 (정수역 길이, 하상전단응력, 최대유속, 이차류 분포양상)■ 3차원 유동장 정보를 이용해 흐름을 시각화하고 이를 통해 수제 하류 3차원 흐름구조의 규명■ 하천에 수제가 설치되면 하류 흐름 영역은 재순환영역(recirculation), 나선형 이차류 흐름(secondary flow), 강한 난류흐름을 유발하는 말굽와(horseshoe vortex) 등이 혼재된 매우 복잡한 형태를 보임.■ 현재까지 수제 하류 구간에 대한 정밀도 있는 3차원 유동장 측정이 이루어진 사례가 거의 없어 3차원 흐름구조에 대한 정보가 전무한 실정이며 유체역학적 측면에서 흐름구조를 분석한 연구가 없다는 한계가 있음.■ 향후 신뢰성 있는 하천횡단구조물 설계 기법의 개발을 위해서는 수제설치로 인한 3차원 흐름구조 재순환영역 크기, 나선형 이차류와 설치 조건 변화에 따른 흐름변화에 대한 지식습득이 선행되어야함.■ 주요 연구내용은 아래와 같음 1) 수제 높이와 설치각도를 고려한 수제 하류 3차원 유동장의 실험적 측정 및 분석● 총 4건의 개수로 수리모형실험을 수행할 예정임.● 실험안: 0.5와 1.0의 상대 수제높이 (h/H=수제높이/하천 수심), 60, 90도의 설치각도에 대한 수리모형실험을 수행함. 구체적 수제높이와 각도 값은 추후 참고문헌 조사 후 변동 가능● 3차원 유속측정이 가능한 초음파 유속계와 시간별 수위변화를 mm단위로 측정할 수 있는 초음파 수위계를 활용하여 시공간적 유속분포를 정밀 측정함. 2) 3차원 유동해석 (CFD: Computational Fluid Dynamics) 모형을 이용한 수치해석● 수리모형실험 4건 중 2건을 선택하여 정밀 수치해석을 수행할 예정임.● 천만개 이상의 계산격자 사용● 슈퍼컴퓨터 기반의 3차원 병렬연산기법에 근거한 수치모형을 활용하여 기존 상용모형과 비교하였을 때 수십~수백 배의 연산속도와 높은 정확도로 해석을 수행할 것임. 3) 3차원 유동장 정보를 바탕으로 주요 설계인자 값 도출● 실험 및 수치해석 결과 분석을 통한 4가지 설계인자에 대하여 정량적, 정성적 결과를 도출함.● 4가지 주요설계인자는 정수역 길이, 하상전단응력, 최대유속, 이차류 분포양상임.
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