본 연구에서는 실내실험을 통하여 국내 중 소하천에 가장 많이 설치되고 있는 개량형 공압식 가동보를 대상으로 다양한 유량 변화에 대한 흐름특성을 분석하고, 유량계수산정식을 도출하였다. 실험결과, 가동보 기립각도에 따라 월류유량계수 (Cd)의 값은 0.613~0.634로 산정되었으며, 상류 Froude number (Fr1), 상대위어길이(ξ), 전수두비(H1/W), 상류수심과 위어마루를 월류하는 수심의 비(yc/y1)는 상류의 영향을 받으며 하류 Froude number (Fr2), 하류수심과 위어마루를 월류하는 수심의 비(yc/y2)는 하류의 영향을받아 변화하였다. 상 하류수위차와 하류수심의 비(Δy/y2)는 상 하류의 영향을 모두 받아 변화되는 특성을 보여주었다. 주요 영향변수를 고려하여 다중회귀분석에 의한 유량계수산정식을 도출한 결과, 개량형 공압식 가동보의 월류유량계수는 상류흐름 조건이 상류일 때, 가동보의 높이 즉, 기립각도에 따른 물리적 제원과 상류 접근흐름수두의 조건에 의하여 결정되는 것으로 나타났다.

The objective of this study is to examine the nonlinear fluid characteristics near and inside a moonpool in various sea conditions. We estimate the flow of the free surface in a moonpool taking into account the viscosity effect and the hydrodynamic forces that affects a moonpool and hull through CFD calculations. The comparison of horizontal forces per wave length shows that the hydrodynamic force is greater for the long wave length than short wave length, and the greatest hydrodynamic force acts on the moonpool when the wave length is equal to the ship’s length. The horizontal force decreases as the wave amplitude decreases, and the hydrodynamic force acting on the moonpool in λ=LBP is 10 times that in λ=LBP/3. The free surface demonstrates the piston mode, in which it oscillates up and down while remaining essentially flat, and the rise of the free surface level increases as the wave length increases. We can assume that the hydrodynamic force acting on the moonpool increases owing to the effect of a strong vortex for λ=LBP and owing to the rise of the free surface level for λ=LBP ×2.

수제는 일반적으로 하천에서의 흐름 방향과 유속을 제어하여 하안 또는 제방을 유수에 의한 침식작용으로부터 보호하기 위한 목적으로 설치될 뿐만 아니라 운하의 운영을 위한 충분한 수심 확보 목적으로도 이용된다. 특히 하천복원 및 자연하천 정비에 대한 관심이 커지면서 수제는 국부적인 흐름제어와 수중서식처 조성을 위한 주요 수공구조물로 제시되고 있다. 수제는 단일구조물로 설치되는 경우보다는 군수제의 형태로 설치되어 지는데 군수제의 경우 설치간격에 따라 수제역내 흐름이 다양하게 변화하기 때문에 수제간격은 군수제 설계에 있어서 가장 중요한 설계인자라 할 수 있다. 본 연구에서는 설치간격에 따라 다양하게 변화되는 수제주변 및 수제역내 흐름에 대한 검토를 통해 상향수제를 대상으로 수제설치에 따른 적절한 간격을 제시하고자 하였다. 이를 위해 주흐름영역과 재순환영역으로 구분하여 수제주변에서 발생하는 흐름을 대상으로 검토하였다. 주흐름영역은 통수능 저감으로 인해 증가된 유속이 하상안정성에 영향을 미치는 인자로 설치간격에 따른 최대유속의 변화에 대하여 검토하였다. 수제역내 재순환흐름은 수제역내 세굴 및 퇴적에 영향을 미치는 요소로서 수제역내 흐름 및 제방의 안정성에 문제를 야기시킬 수 있다. 재순환영역은 회전류의 규모와 제방부 안정성에 영향을 미치는 제방주변에서의 흐름에 대하여 분석하였으며, 수제역내 발생하는 회전류의 중심점 위치변화에 대한 비교검토를 수행하였다. 결과를 종합적으로 검토한 결과 상향수제설치에 따른 유속저감, 하상안정성 확보, 수제역내 역류로 인한 제방안정성 확보 등을 고려하였을 때 적절한 설치간격은 최소 4배에서 최대 6배 이내로 설치할 것을 제안하고자 한다.

최근 전 세계적으로 이상기후에 따른 기후변화로 태풍과 집중호우의 발생빈도가 증가하고 있다. 특히 동해안에는 산지하천이 많아 집중호우 시 하천 상류지역의 유출량 증가로 인하여 하구부의 피해가 증가하고 있다. 해안과 만나는 하천의 하구부에서는 하천의 유황과 흐름에 따른 상류에서의 토사 유입량에 따라 하구부가 변화한다. 본 연구에서는 유한요소법을 이용한 2차원 흐름해석 모형인 RMA-2모형을 적용하여 가곡천 하구부의 흐름특성을 분석하였다. 모형 모의를 위하여 가곡천 하구부의 지형데이터를 이용하여 유한요소망을 구성하였다. 가곡천 하구부에 인접한 솔섬의 형태에 따라서 하구부의 흐름 특성을 분석하기 위하여 3가지 경우에 대한 유한요소망을 구성하였다. 입력자료인 유량은 2012년 9월 17일 내륙한 태풍 산바에 의한 영향을 분석하기 위하여 태풍 산바시 실측한 유량을 유입유량으로 RMA-2모형을 모의하였다. 그 결과 하구부에 인접한 솔섬의 영향으로 흐름이 좌우로 나누어지며 최대유속이 느리게 나타났다.

빗물펌프장에 설치된 펌프는 운영되는 동안 홍수시 변화하는 하도의 수위조건에 영향을 받는다. 이러한 하도수위변화는 펌프운영효율을 저하시키는 캐비테이션, 수격 및 서징 등의 현상을 발생시키는 원인이 될 수 있다. 펌프운영효율이 저하하게 된다며, 빗물펌프장으로 유입되는 홍수를 원활하게 배제시키지 못함으로써, 도시내수침수에 의한 홍수를 발생시킬 수 있다. 펌프의 효율을 떨어뜨리는 캐비테이션의 발생원인은 다양하지만, 흡수정 내에서는 흡입관 주위에서 vortex가 발생하여 물과 함께 공기가 유입되어 캐비테이션이 발생하게 된다. 이러한 vortex는 다양한 흐름조건에 의하여 형성되므로, 흡수정 내의 수위조건을 반영한 수치모의를 주로 수행하였다. 본 연구에서는 하천에서 발생한 홍수시 변화하는 수위를 수치모의에 반영하고 흡수정 내의 수위 조건에 따라서 발생하는 흡수정 내의 흐름특성을 분석하였다. 연구에서 적용된 빗물펌프장의 경상남도 김해시의 OO 빗물펌프장이다. 펌프가 단일 운영되는 조건과 다중 운영되는 조건에 대하여 수위변화를 적용하여 FLOW-3D 모형을 이용한 3차원 수치모의를 수행하였다.

하천에서 보는 일반적으로 수위를 조절하거나 용수공급 등 물을 이용할 목적으로 하천을 횡단하여 설치한다. 보는 높이가 고정된 고정보와 조절되는 가동보가 있다. 기존에 설치되어 있는 고정보는 콘크리트 형태로 보 하단에 흐름의 절체를 유발시켜서 수질을 악화시키고 어류의 이동을 단절시키는 등 환경 문제를 일으키고, 보 상류에 토사의 퇴적에 의한 상류의 수위 상승에 의하여 내수침수를 일으키는 등 치수적으로 문제를 일으키고 있다. 최근에 하천환경에 대한 관심이 늘어나면서 기존의 고정보의 문제점을 보완하기 위하여 다양한 방식의 가동보가 개발되고 있다. 그 중 국내 중소하천에 설치되고 있는 가동보의 주요 방식은 크게 개량형 공압식 가동보, 고무보, 유압식 가동보, 유선형 자동보로 분류된다. 그러나 이러한 가동보에 대한 흐름특성 및 정확한 유량을 추정하기 위한 유량계수 산정에 대한 연구가 거의 진행되고 있지 않으며, 실제 현장에서 적용가능한 가동보의 설계 및 월류량을 추정하는데 많은 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 실내실험을 통하여 수쉬감지에 의한 자동 기립 및 전도가 가능하고, 저층수배출 장치를 통한 가동보 상류의 수질악화 방지로 중소하천에 가장 많이 설치되고 있는 개량형 공압식 가동보를 대상으로 다양한 유량변화에 대한 흐름특성을 분석하였다(그림 1과 그림 2). 길이가 12 m, 폭 0.6 m, 높이 0.5 m인 가변형 경사 수로를 이용하였으며, 실험이 진행되는 동안 하류단 수위조건은 등류수심을 유지하였다. 하상경사는 국내 중쇼하천의 경사도 분석을 통해 1/1000로 하였으며, 가동보 기립각도를 5가지(완전도복인 5, 30, 40, 50, 60도)로 구분하여 실험하였다. 다양한 실험조건에 대한 수위-유량관계곡선식을 개발하였으며(그림 3), Froude 상사법칙에 따라 흐름에 영향을 주는 주요 매개변수에 흐름특성을 분석하였다. 가동보 기립각도에 따라 유량계수(Cd)값은 0.61~0.75로 산정되었으며, 각도별로 상대위어길이가 증가하면 Cd값이 감소하는 경향을 보였다. 그러나 기립각도와 상하류수심간의 관계에서는 yc/y1값과 yc/y2값, F2가 증가하면 Cd값은 증가하였다.

본 연구에서는 수로가 비대칭으로 연결되어 있는 합류부 및 합류부 주위에서의 홍수흐름특성에 대해 수리모형실험 및 수치모의를 통해 분석을 수행하였다. 본 연구에서 적용된 수치모형은 상업용 3차원 CFD 모형인 ANSYS CFX(ver. 14)이다. 수로 내로 유입되는 유량 변화에 따른 수리모형실험과 수치모의에 의한 합류부 및 합류부 주위에서의 수심분포에 대한 측정된 결과와 모의된 결과를 비교한 결과 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 합류부와 연결된 네 개의 수로 중 물이 유입되는 두 개 수로 방향에 따라 합류부 및 합류부 주위에서의 수심분포의 양상은 달라지며, 수로 내로 유입되는 유량의 증가에 따라서도 많은 차이가 발생된다는 것을 확인하였다.

The simulated dyes solution containing Basic Red 46(BR 46), Yellow 21(Y 21), and Maxilon Blue 30(MB 30) were electrochemically oxidized using carbon fiber as an anode. The electrolyses were performed in a electrolytic flow cell constructed by Vycor glass tube. The carbon fiber was positioned in the inside of Vycor glass tube and platinum wire coiled around outside of tube as a cathode. Several operating variables, such as current, time, pH and flow rate of solution were studied. Increasing current density would lead to a corresponding increase in the dye removal efficiency 99.2 % at a 200 mA. The electrolyses time could also improve and removal efficiency was about 99 % after 1.5 hours of electrolyses. The removal efficiency was increased with the increase of flow rate of solution and optimum flow rate was 5 mL/min. THe pHs of solution affect the removal efficiency. The removal efficiency was decreased with the increase of pH of solution and optimum pH was 5.05 (0.1 M KNO3).

In this study, the flow characteristic analysis at the curved-channel of the actual channel section is compared and reviewed using the 2D RMA-2 model and the 3D FLOW-3D model. the curve section with curve rate 1.044 in the research section is analyzed applying the frequency of he project flood of 100 years. According to the result, the issue for the application of the FLOW-3D Model’s three-dimensional numeric analysis result to the actual river is found to be reviewed with caution. Also, application of the 3D model to the wide basin’s flood characteristic is determined to be somewhat risky. But, the applicability to the hydraulic property analysis of a partial channel section and the impact analysis and forecast of hydraulic structure is presumed to be high. In addition, if the parameters to reflect the vegetation of basin and the actual channel, more accurate topological measurement data and the topological data with high closeness to the current status are provided, the result with higher reliability is considered to be drawn.

최근 빈번하게 발생하는 이상홍수와 도시화로 인해 내수 배재 능력 부족으로 도시 침수 피해가 증가하고 있다. 대표적인 사례로는 2010년 서울 세종로와 2011년 서울 대치역 인근 지역 및 곤지암천 유역의 홍수 피해가 있다. 대부분의 피해지역은 토지이용 집약화, 지가 상승 등으로 평면 공간이 필요한 하천의 확장이 불가능한 도시 유역이다. 따라서 비교적 여유가 있는 지하 공간을 활용하는 지하방수로, 지하저류지 등의 홍수피해 방지시설 도입 필요성이 점차 증가하고 있다. 지하방수로는 접근 수로를 통해 유입된 유량이 유입구를 지나며 가속되어 와류 흐름을 형성하며 수직 갱도로 유입되는 구조를 가진다. 그러므로 지하방수로의 방류 효율을 높이기 위해서는 유입구에서 흐름 특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 나선식 유입구의 바닥경사를 종방향과 횡방향으로 동시에 주었으며, 각 종횡경사에서 안내벽의 각도에 따른 방류 효율을 검토하고자 한다.

일반적으로 나선식 유입구의 유입부에서 흐름이 상류인 경우에는 나선부에서 흐름이 상류에서 사류로 변화하면서 대체로 안정적으로 점차 수위가 떨어지고, 유입부에서 흐름이 사류인 경우에는 나선부에서 충격파가 발생하여 수면이 상승할 수 있다. 이러한 현상은 유입구 내부에서 도수 현상을 발생시키며, 도수 현상이 발생하게 될 경우 유입부 유입 흐름이 불안정하게 된다. 이로 인해 수갱 입구의 질식 현상 또는 구조물이 파괴되는 현상이 발생 할 수 있다. 따라서 안정적인 흐름이 유지 될 수 있는 구조물 설계를 위해 유입부의 흐름 특성이 고려되어야 한다. 본 실험에서는 나선식 유입구의 바닥경사에 따른 유입부의 흐름 특성을 무차원 수위 y와 프루드수 Fr의 관계를 통해 검토하였다.

급격한 기후변화와 무분별한 하천개발로 인한 하천특성의 변화는 치수 및 하천생태계 관리에 어려움을 주고 있으며 나아가 홍수 및 제방 붕괴로 인한 2차 피해를 유발시킬 수 있다. 하천특성은 흐름과 하상형태로 대표 될 수 있으며 하천특성과 관련된 각 인자들에 의한 하상형태 변화를 알 수 있다면 하천 및 생태계 관리에 중요한 단서를 제공 할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 하천특성에 따른 하상변동을 정량화 할 목적으로 고정된 직선 개수로(폭 0.8 m, 길이 16 m, 높이 0.75 m)에서 실험을 진행한다. 하천특성과 관련된 각 인자들을 유량, 유속, 수위, Froude수, 하상재료로 결정하였고 하상재료로는 안트라사이트(D50 = 0.8 mm, S = 1.4)를 선택하고 하상경사는 일정하게 두었다. 실험은 크게 두 가지로 분류하여 첫 번째는 Froude수를 고정하고 유량 및 수위의 변화에 따른 하상변동을 관찰하는 방법이다. 두 번째는 유량을 고정하고 수위를 변화시켜 Froude수 변화에 따른 하상변동을 관찰하는 방법이다. 하상변동의 측정은 3D스캐너를 이용하며 획득 가능한 데이터로는 하상지형도와 하상고, 파장, 파고, 파상수가 있다. Froude수 및 유량 변화에 따른 흐름과 하상변동 특성의 결과를 정량화 할 주요인자로는 3D스캐너의 데이터 값을 대표 할 수 있는 파상수를 선택하였으며 하상지형도 및 파상수를 분석하여 각 실험조건별 정량화 가능여부를 판단 할 것이다. 이번 연구의 결과로 하천흐름 조건에 따른 하상변동을 예측할 수 있다면 치수 및 하천생태계와의 연관성도 고려하여 실 하천에서의 적용 및 관리와 하상 및 하천생태계의 변동도 예측할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 도로가 비대칭으로 연결되었을때 합류부 및 합류부 주위에서의 홍수흐름특성을 수리실험 및 3차원 유동모의 프로그램을 이용하여 실험적 분석 및 수치적 분석을 수행하였으며, 적용된 수치모형은 1990년대 초반 영국원자력공사(UKAEA)와 캐나다의 ASC(Advance Science Computing)의 TASCflow로부터 개발되어 CFX-4와 CFX-TASCflow를 기반으로 발전된 CFD 해석모형인 ANSYS CFX모형이다. 모의 및 분석결과 본 연구에서 적용된 모형은 유입유량 및 유입각 조건에 따라 도로 합류부에서 변화되는 복잡한 수면양상을 비교적 잘 모의하는 것으로 나타났다. 또한 도로 합류부 내에서의 시간 및 공간적 수심변화와 두 개의 하류경계에서의 유출유량에 대한 모의결과는 측정결과와 비교적 잘 일치하였다.

국내 대부분의 사면파괴는 여름철에 주로 나타나는 태풍 및 집중호우로 인해 발생한다. 또한 최근 이상기후로 인해 1996년 이 후부터 매년 여름철 강수량이 증가하여 800mm를 초과하고 있다. 사면파괴는 대부분 토석류의 형태로 나타나며 이는 경제적 손실 뿐 아니라 많은 인명피해를 일으킨다. 토석류의 여러 특성 중에서도 퇴적범위나 퇴적두께와 같은 퇴적 특성이 경제적인 손실과 인명피해에 큰 영향을 준다. 이러한 토석류의 퇴적 특성에 대한 기본적인 연구를 위해 토석류 해석 프로그램 ‘FLO-2D’를 사용하였다. 유동학적 인자인 항복응력과 점성 중 토석류의 흐름 발생과 정지에 영향을 미치는 항복응력에 변화를 주어 퇴적 특성을 분석하였다. 프로그램을 수행한 결과, 항복응력이 증가할수록 이동거리가 감소하고, 유동심이 증가하는 것을 알 수 있다. 특히 퇴적부에서 유동심이 급격히 증가한다. 퇴적부에서의 충격력은 항복응력이 증가할수록 증가하였다. 따라서 토석류의 퇴적 특성이 항복응력에 의존함을 알 수 있다.

갑문을 설계함에 있어서 수리학적 현상에 따른 선박의 안정성이 검토되어야 한다. 본 연구에서는 갑실의 흐름특성분석을 위해 GUI기반으로 구성된 간단한 1차원 모형(DWSL)을 사용하였으며, 갑실의 크기변화에 따른 선박의 안정성에 영향을 주는 수리인자들에 대해 모의하였다. 갑실의 폭은 12.5 m이며, 갑실의 길이는 40 m, 80 m, 120 m, 190 m이다. 이때 Case 1의 갑실면적은 500 m2, Case 2의 갑실면적은 1000 m2, Case 3의 갑실면적은 1500 m2, Case 4의 갑실면적은 2375 m2이다. 선박이동을 위해 요구되는 수위차는 8 m이며, 갑실의 수심은 4 m이다. 유량계수는 0.50 ∼0.65이며, 수면경사는 0.015 ∼ 0.040 %범위이다. 갑문 개방높이는 1 ∼ 3 m이며, 개도속도는 6 ∼ 10 mm/s이다. 갑실의 크기에 따른 수면경사, 개도속도, 갑문의 개도높이, 유량계수 등이 증가될 경우 갑실내의 유속은 감소하였으며, 유량은 증가함을 나타났다. 갑실 흐름 유속변화는 Case 2의 갑실면적 1000 m2부터 증가폭이 크지 않았다. 또한 갑실내의 유량 및 유속변화에 수면경사, 개도속도, 갑문의 개도높이 등의 수리인자들의 영향이 유량계수의 영향보다 크게 나타났다. 특히 갑문의 개도높이의 인자가 갑실내의 유속과 유량변화에 가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

최근의 기후변화로 인해 도시지역에서 홍수의 빈도 및 홍수량의 증가로 인한 피해가 증가되고 있는 실정이며, 이에 따라 도시지역에서 홍수피해 저감을 위한 방재계획이 필요하다. 본 연구에서는 도시지역 내 도로 합류부에서의 유입량 및 접근각도에 따른 홍수흐름 특성에 대해 실험하였다. 도로경사 0% 및 내각 °45일 때, 유입량에 따른 홍수흐름 특성에 대해 Type 1.(99.8ℓ/min, 1002.2ℓ/min), Type 2.(102.0ℓ/min, 301.0ℓ/min), Type 3.(51.2ℓ/min, 301.5ℓ/min) 세 가지 경우에 대해 수리실험을 하였다. 수치실험을 통해 도로 합류부에서 변화하는 홍수흐름 특성과 경향을 분석하였다.

도시화에 따른 도시형 홍수피해가 급증하고 있으며, 도시지역내로 유입되는 홍수의 흐름은 다양한 크기와 형태를 가진 건물과 도로의 배치에 의해 영향을 받는다. 도시지역내 조밀한 건물군으로 구성되어 있을 경우 대부분의 흐름은 도로와 교차점을 통해 흐르므로 이를 최소화하기 위해서는 사전에 교차로에서 흐름특성에 대해 분석하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 도시지역 내 도로 교차로에서의 도로경사 변화에 따른 홍수흐름 특성에 대해 모의하였다. 도로경사 5%일 때, 유입량에 따른 홍수흐름 특성에 대해 CaseⅠ-1(Qex : 1.82ℓ/sec, Qey : 3.48ℓ/sec), CaseⅠ-2(Qex : 3.48ℓ/sec, Qey : 3.48ℓ/sec)과 CaseⅠ-3(Qex : 5.17ℓ/sec, Qey : 3.48ℓ/sec) 세 가지 경우에 대해 수리실험과 수치모의 결과를 비교하였다. 수치모형의 검증결과를 바탕으로 CaseⅡ에서는 유입경사 0%, 3%, 5%의 변화에 따라 도로 교차점에서 변화하는 홍수흐름 특성과 경향을 분석하였다.

본 수리모형실험에서는 입사면 흘수심구간에 유공을 두어 진행하는 입사파랑을 일부 흡수하도록 하였고, PIV시스템을 이용하여 부유식방파제 주변 및 흘수심 단면적내의 유동장을 분석하였다.

정수중 부선 주위의 유동 특성을 조사 및 분석하기 위하여 부선의 저항성능을 모형시험과 CFD를 이용한 수치계산에 의하여 해석하였다. 모형실험은 무한수심 조건에서의 회류수조에서 저항과 선측파형 등을 관측하였으며, 유동장 해석을 위하여 VOF(Volume of Fluid)법을 기초로 한 수치 시뮬레이션을 이행하였다. 부선의 형태에 따르는 유동특성을 파악하기 위하여 서로 다른 모습의 부선 모형을 제작하였으며, 모형실험은 설계속도를 7kts로 정하고 역조와 순조의 조류 영향을 고려하여 5kts~10kts의 구간에서 실험을 실시하여 각 속도에 따르는 저항 특성을 비교 검토 하였다. 수치 시뮬레이션은 일정 속도에서 만재상태를 기준으로 하여 계산을 수행하였으며 수조 실험 결과와 상호 비교함으로서 본 수치계산법의 타당성을 검증할 수 있었으며, 부선의 저항성능 및 선체 주위 유동장의 특성을 분석하였다. 저속일 때 25% 정도의 저항의 차이가 발생하고, 7kts부터 유효마력이 급격히 증가하는 현상을 파악할 수 있었다.

원형실린더가 균일한 유입유동에서 자유수면 으로부터 깊이를 달리했을 경우 박리점, 경계층 및 칼만 와열의 주기 등의 변화로 인하여 시스템 전체 에너지에 변화를 초래한다. 본 연구에서는 원형실린더의 침수 깊이를 변화시키며 Re=1.0×103에서 유동장을 계측하였다. 2차원 그레이 레벨 상호상관 PIV기법을 이용하여 원형실린더 주위의 유동특성을 알아보기 위하여 상호 비교하는 방법을 적용하였다. 자유수면의 점성과 마찰에 의해 발생하는 원형실린더 주변유동은 경계층을 변화시키고 후류유동에 교란을 일으킨다. 특히, 몰수체의 깊이가 d=1.0D의 경우에 있어서 경계층의 변화가 후류로 길게 형성되었다. 원형실린더의 깊이가 d=1.5D에서부터 자유수면의 영향이 감소하고 칼만 와열이 발달하였다.