수치모의를 이용한 2차 감세공의 수리학적 특성 분석 :Analysis of hydraulic characteristics for the secondary stilling basin using numerical simulation

이지훈

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이지훈 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 이승오

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2017

수치모의를 이용한 2차 감세공의 수리학적 특성 분석

이지훈 , 윤재선 , 장정렬 외 1명 대한토목학회 학술대회 2017.10 학술대회자료

2016

수치모의를 이용한 2차 감세공의 수리학적 특성 분석

이지훈 토목공학과 2016.01 학위논문

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감세공은 여수로의 말단부 혹은 각종 급경사 수로의 방류부에서 생기는 고속 흐름이 가지는 막대한 에너지로 인한 하상 혹은 수로 바닥의 세굴을 방지하기 위해 설치되는 구조물이다. 감세공의 제원은 설계기준에 명확하게 제시되어 있지 않으므로 설계자에 의해 규모 및 제원이 결정되어지고 있는 실정이며 이러한 이유와 최근 이상기후로 인한 강수량과 맞물려 감세공이 에너지를 충분히 감세시키지 못하여 댐 하류부의 하상 세굴 및 침하 등의 피해가 발생하고 있다. 이러한 이유로 인해 현재의 감세공을 보완시키기 위한 공사 및 보완 방법이 시급한 실정이다. 외국에서는 이러한 문제점을 경제적으로 보완하기 위하여 2차 감세공의 연구가 진행 중에 있다. 2차 감세공은 도수작용을 이용하여 수세를 감세시키는 구조물로써 1차 감세공의 부족한 감세효과를 보완하기 위하여 설치하는 구조물이다. 이에 본 연구에서는 2차 감세공의 효율성을 다각적인 방향으로 검토하여 현재 발생하고 있는 문제점들을 보완 하고자 한다.
2차 감세공 감세효과를 검토하는데 있어 본 연구에서는 3차원 수치모의 프로그램(FLOW-3D)를 활용하였다. 3차원 수치모의 프로그램이 감세공에서 에너지 감세를 적절하게 재현하는지 여부를 확인하기 위하여 수리모형 실험결과와 비교 및 검토 작업을 수행 하였다. 이러한 방법으로 검증된 수치해석프로그램을 활용하여 2차 감세공의 제원과 유량 변화에 따른 에너지 감세효과를 검토하였다.
저수지 수리모형 실험은 기존 설계내용을 축척 S=1/35으로 하여 모형을 제작하여 계획홍수량을 방류하였을 때 수리 현상을 검토 분석하였으며, 흐름의 유속을 줄여서 에너지를 소멸 시켜 와류나 흐름의 편중을 발생시키지 않도록 적정 형상의 여수로 에너지감세공 모형을 제작하였다. 이 수리모형실험의 결과를 바탕으로 같은 지형의 격자 기반의 모델을 적용하여 수치모의(FLOW-3D)를 수행한 후, 수치모의와 수리모형 실험을 비교 분석, 검토하여 수리모형 실험과 수치모의 프로그램의 적용 가능성을 검토하였다. 수리실험의 적용 한계성(모형의 재제작에 따른 비용 추가 등)을 고려하여 2차 감세공의 모형을 수치모의 프로그램(FLOW-3D)을 통해 추가로 수행하여 2차 감세공(stilling basin model)의 흐름 안전성에 대한 분석 및 검토하였다.
본 연구에서는 저수지에 설치 중인 여수로 감세공의 설계내용에 의한 수리모형실험과 수치모의 결과를 바탕으로 2차 감세공(stilling basin model)에서의 흐름 에너지를 최대한 줄이는 최적한 형태의 2차 감세공를 제시하고자 한다. 이를 위해 2차 감세공의 형상 및 홍수량에 따른 에너지 감세율을 계산하여 에너지 감세효과를 검토하였다. 2차 감세공은 감세공의 증설 공사 및 보완 공사 등 재시공으로 인한 공사비용 및 공사기간 등을 절약할 수 있을 것으로 판단된다.

Stilling Basin is the structure which is installed to prevent the riverbed scour due to the enormous energy of the high-speed flow resulting from the end of the spillway or the various steep channels of the discharge. Because it is not supposed to the specification in the Design Criteria, the specification would be given by the designer; for this reason and for the Precipitation caused by lately abnormal weather, the Stilling Basin failed to act sufficiently and the dam downstream was happened Riverbed scour.
For this reason, the construction and complementary ways was needed urgently to repair the current Stilling Basin. In foreign countries, there was a research of the secondary Stilling Basin to complement this problem economically. The secondary Stilling Basin, which was installed to compensate for the lack of Stilling Basin effect , was using the hydraulic jump to reduce current. In this study, it was reviewed that the efficiency of the secondary Stilling was analyzed on multifaceted directions. And it was proposed to complement the current problems.
In this study, the review for efficiency of the secondary Stilling Basin was carried out using numerical simulation(FLOW-3D). Whether the numerical simulation reappeared the energy dissipation appropriately or not, the result of numerical simulation was compared with hydraulic model experiment results. And to utilize the results proved numerical simulation program examine the energy dissipation in accordance with the secondary stilling basin size and the specification and the flow rate.
In the hydraulic reservoir experiment, the model scale was S = 1/35, its experiments analyzed the hydraulic phenomenon when design flood discharge. Also, the optimal spillway of the Energy Dissipation model was designed to reduce the flow velocity by the Energy Dissipation. The numerical simulation was carried out on basis of the hydraulic experiment. Then, two results(experiment and numerical simulation) was compared for the review of compatibility that the numerical simulation reappear the hydraulic experiment. Because of the limit for applicability of the hydraulic experiments, the numerical simulation(using FLOW-3D) was carried out for the analysis of the stability in the secondary stilling basin.
In this study, the optimized secondary stilling basin that change the high flow energy to low energy was proposed using the results of hydraulic test and numerical simulation based on practical energy dissipator design. It was reviewed for the energy dissipation in the secondary stilling basin for the calculation of rate of the energy dissipation according to the shape and flowrate. Due to this study, the expansion and supplementation construction for the energy dissipators will be expected that the costs are saved.

1 장 서론 1
1.1 연구배경 1
1.2 연구목적 6
1.3 연구 방법 7
2 장 기본 이론 8
2.1 감세공의 정의 8
2.1.1 도수의 특성 13
2.1.2 도수의 분류 15
2.1.3 난류 17
2.1.4 비에너지 18
2.2 FLOW-3D 19
2.2.1 FLOW-3D 개요 19
(1) 지배방정식 20
(2) 유한차분법 22
(3) VOF(Volume of Fluid) 23
(4) FOVOR 24
2.3 기존연구 검토 26
2.3.1 수치모형을 이용한 동화천 감세공 효과분석 26
2.3.2 정수지형 감세공에서 End Sill 충격력 측정을 통한 감세효과 검증에 관한 연구 28
2.3.3 웨어의 수리특성에 따른 도수 발생거리의 변화 30
3 장 수리모형 실험 33
3.1 실험 개요 33
3.2 모형 제작 35
3.2.1 모형의 축척 35
3.3 모형 제작 40
3.3.1 실험 시설 및 계측기 46
(1) 실험 시설 46
(2) 계측기 49
3.4 감세공 능력 검토 52
4장 수치 해석 57
4.1 모델 및 격자 구성 57
4.2 수치해석 프로그램 검증 62
4.2.1 수치해석 검증 결과 63
4.2.2 2차 감세공 수치해석 68
4.3 수치해석 결과 69
5 장 결론 77
참고문헌 78
영문요약 79

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