PIV를 이용한 흡수조 내 유속분포 및 와류강도 측정에 대한 연구

변현혁,김서준,윤병만 대한토목학회 2020 대한토목학회논문집 Vol.40 No.2

The climate change occurring all over the world increases the risk, specially in urban area, Accordingly, rainwater pumping station expansion is required than before. In order to increase the efficiency of the rainwater pumping station, the analysis of flowcharacteristics in the pump sump is needed for vortex control. Many efforts have been made to illuminate the vortex behavior using PIV, but any reliable results have not been obtained yet, because of the limitations in image capturing and dependency of measured velocity values on the interrogation area and time interval used for velocity calculation. In this study, therefore, experiments were carried outto find out the limitation of PIV and estimate the validation of the velocity values associated with the analysis parameters such as interrogation area, time interval, grid size. For the experimental condition used in this study, the limitation of PIV and the effects of parameters on the velocity estimation are presented. 최근 도시지역의 불투수율 증가로 인해 내수침수 위험성이 증가하고 있다. 이에 도시침수 방지대책으로 빗물펌프장의 증설 및 신설에 대한 필요성이 부각되고 있다. 빗물펌프장의 효율을 증가시키기 위해서는 흡수조에서 발생하는 와류의 제어가 필요하다. 따라서 와류를 효과적으로 제어하기 위해서 펌프 흡수조 내 흐름특성 분석이 필요하다. 이에 본 연구에서는 입자영상유속측정법을 이용하여 흡수조 내 유속분포 및 와류강도를 측정하기 위한 촬영 및 분석 조건들에 대한 민감도 분석을 실시하여 흡수조 내 유속 및 와류강도 측정의 한계를 확인하고 최적 방법들을 제시하고자 한다. 이를 위해 우선 레이저를 이용하여 흡수조 내 흐름을 촬영하였고, 상관영역 크기와 촬영 시간간격 및 측점 간격의 변화에 따른 유속분포와 와도분포를 비교하여 민감도를 검토하였다. 본 연구에서 대상으로 한 흐름조건의 자유수면와류의 경우 상관영역 크기가 와류 크기의 약 13 % 이상에서는 유속 산정 정확도가 감소하는 것으로 나타났으며, 연속되는 두 장의 영상 간 입자의 변위가 1 mm 이상이 되면 연직방향의 흐름 때문에 이탈되는 입자들이 많아져 정확도가 감소하는 것으로 나타났다. 또한 자유수면와류가 차지하는 격자의 개수가 증가할수록 와도의 크기가 커지는 것으로 나타났다. 이와 같은 연구결과는 입자영상유속계를 활용한 흡수조 내 유속분포 및 와류강도 측정 시 촬영 및 영상분석 조건을 결정하는데 기초자료로 활용될 것으로 기대된다.

빗물펌프장 흡입부 주변 흐름특성 검토를 위한 3차원 수치모의 검증

변현혁,윤병만 한국방재학회 2015 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.14 No.-

최근 기후변화에 따른 집중호우로 도시홍수의 피해가 급격히 증가하고 있다. 이러한 도시홍수를 효과적으로 방어하기 위해서는 내배수시설의 성능 개선이 선행되어야 한다. 이러한 내배수 시설의 성능 개선을 위해서 현재 기 설치되어 있는 빗물펌프장의 설계 및 운영에 대한 성능평가가 필요하다. 성능평가가 이루어져야 유입부 및 흡입부의 설계를 개선하거나 펌프의 용량을 증대하는 대안을 제시할 수 있을 것이다. 하지만 현재 설계기준에는 빗물펌프장의 설계 및 운영에 대한 성능 평가 방법이 부재한 실정이다. 따라서 빗물펌프장 내 흐름특성을 분석하여 설계 및 운영에 대한 성능 평가방법을 제시할 필요가 있다. 배수능력 평가 기준을 마련하기 위한 빗물펌프장 내 흐름특성 분석은 수리모형실험을 통하여 분석하는 것이 가장 이상적이나 현실적인 문제로 인하여 수치모의를 통해 분석하는 것이 적당할 것으로 판단된다. 수치모의를 사용하기 위해서는 수치모의의 검증이 필히 선행되어야 하므로 본 연구에서는 국내 빗물펌프장 흡입부의 설게기준과 기설치된 빗물펌프장의 형상을 고려하여 수치모의의 검증에 필요한 수리실험을 수행하였다. PIV(Particle Image Velocimety)를 이용하여 빗물펌프장 흡입부 주변의 유속장에 대한 자료를 확보하였다. 확보한 유속장 자료와 ANSYS CFX 모의 결과와 비교하여 3차원 수치모형의 검증을 수행하였다.

펌프 흡입부의 접근유속 변화에 따른 흐름특성 분석

변현혁(Byun, Hyunhyuk),윤병만(Yoon, Byungman),김서준(Kim, Seojun) 대한토목학회 2016 대한토목학회 학술대회 Vol.2016 No.10

PIV를 이용한 흡입부 내 유속분포 및 와류강도 측정에 대한 연구

변현혁(Byeon, Hyunhyuk),김서준(Kim, Seojun),윤병만(Yoon, Byungman) 대한토목학회 2018 대한토목학회 학술대회 Vol.2018 No.10

펌프 흡입부 내 자유수면와 류 발생 시 흐름 특성 분석

변현혁(Byeon, Hyunhyuk),김서준(Kim, Seojun),윤병만(Yoon, Byungman),김희정(Kim, HeeJoung) 대한토목학회 2017 대한토목학회 학술대회 Vol.2017 No.10

잠긴 흐름 발생시 강변저류지 횡월류위어 유량계수 산정

김서준,김상혁,변현혁,윤병만 한국방재학회 2012 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.11 No.-

최근 친환경적 홍수방어대책의 하나로 강변저류지 설치가 적극적으로 검토되고 있다. 강변저류지를 치수대책에 포함하기 위해서는 강변저류지 설치로 인해 확보할 수 있는 홍수조절효과의 정량적 예측이 필요하며, 이를 위해서는 정확한 횡월류량 산정이 요구된다. 특히 강변저류지의 경우 저류용량이 제한되어 있기 때문에 저류용량이 부족한 경우 그림과 같이 월류턱 높이를 기준으로 한 강변저류지 수심(D)이 월류턱 높이 보다 높아지게 되어 강변저류지 유입부에서 잠긴 흐름이 발생할 수도 있다. 하지만 횡월류위어 유량계수 연구는 대부분이 완전 횡월류 흐름에 대한 것으로, 잠긴 흐름 발생시 유량계수 산정에 어려움이 있다. 본 연구에서는 수리실험을 이용하여 월류턱 높이를 기준으로 한 하도의 수심(H)와 저류지 수심(D)를 변화시켜가며 다양한 잠긴 흐름을 재현하면서 잠긴 흐름 발생시 횡월류위어의 유량계수를 산정하였다. 실험 결과 하도와 저류지의 수심비(D/H)가 0.75보다 작을 경우에는 완전 횡월류 유량계수와 거의 동일하게 나타났으며, D/H가 0.75보다 커질수록 유량계수는 완전 횡월류 유량계수보다 점차 작게 나타났다. 잠긴 흐름 발생시 횡월류위어의 유량계수 산정 결과는 강변저류지 홍수조절효과를 좀 더 정확하게 분석하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

HEC-RAS를 이용한 강변저류지의 저류용량에 따른 홍수조절효과 분석

김서준,김상혁,변현혁,윤병만 한국방재학회 2011 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.10 No.-

강변저류지는 하천 제방의 일부를 낮춰 제내지에 홍수량을 저류하는 방식으로 홍수기에는 홍수조절효과를 얻을 수 있고, 비홍수기에는 습지, 농경지, 생태공원 및 스포츠 시설 등으로 활용할 수 있는 친환경적 치수구조물이다. 강변저류지의 홍수조절효과는 강변저류지 설치 전·후의 첨두홍수량 또는 첨두홍수위 차이를 말하며 저류용량, 월류턱 높이, 횡월류부 길이, 하천 수위 및 홍수수문곡선 등 다양한 인자들에 의해 결정된다. 그 중에서도 홍수조절효과에 크게 영향을 미치는 인자는 저류용량이다. 만약 홍수 수문곡선에 대하여 강변저류지의 저류용량이 부족한 경우에는 첨두 홍수 발생 이전에 횡월류부의 월류턱 높이 이상으로 수위가 올라가게 되어 목표로 하는 홍수조절효과를 확보하지 못할 수도 있다. 이와 같이 강변저류지의 저류용량은 홍수 수문곡선에 따른 횡월류부의 수위변화를 충분히 고려하여 결정해야 한다. 이에 본 연구에서는 1차원 부정류 수치모형인 HEC-RAS를 이용하여 저류용량이 충분한 경우와 부족한 경우에 대해 강변저류지의 횡월류부 흐름특성과 홍수조절효과를 분석하였다. 분석 결과 강변저류지의 저류용량이 부족한 경우에는 불완전 횡월류 흐름이 발생하여 강변저류지 직하류의 수위저감효과와 홍수조절효과가 작게 산정되는 것을 확인하였다. 따라서 강변저류지 설계시 가능하면 불완전 횡월류 흐름이 발생하지 않도록 저류용량을 확보하도록 하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.

소하천 자동유량계측기술 시범유역 선정 및 유역특성 분석

주재승,변현혁,김서준,정태성 한국방재학회 2020 한국방재학회논문집 Vol.20 No.3

The purpose of this study is to produce a guideline for collecting essential data, such as hydraulic and hydrologic data, in unmeasured streams. Most small streams are unmeasured basins, and sufficient data has not been collected for designing floods to achieve adequate disaster response and management. The flood design of unmeasured streams in Korea is typically performed using numerical-based analysis and stochastic methods. However, it is known that the most suitable method is the flood frequency analysis using observed flood data. In this study, a field survey of 89 small streams across the country for two years (2018 and 2019) was performed to select the optimum sites for measuring the flow rates. A total of 79 small streams were selected, excluding small streams that failed to satisfy the criteria for conformity with the closed-circuit television-based automatic discharge measurement technology (CADMT). In addition, information on the characteristics of the small streams was collected from the National Disaster Management System to analyze the correlations between the selected streams. The results showed that the correlations significantly depended on the basin area. If we classify the small streams according to the basin area and then select the small measuring stream to apply CADMT, we can obtain useful hydraulic data from the various small streams. 본 연구는 미계측 소하천에서 수리량 등 기초자료 수집을 위한 기반 마련을 목적으로 하고 있다. 소하천은 대부분이 미계측 유역으로 홍수대응 및 유지·관리업무 지원을 위한 기초자료가 부족한 실정이며, 국내에서는 미계측 소하천의 설계홍수량 불확도를 줄이기 위해 수치해석 및 확률론적 방법으로 설계홍수량 산정 기법을 개발·이용하고 있다. 그러나 일반적으로 설계홍수량 산정은 관측 홍수량 자료를 활용하여 홍수빈도해석을 적용하는 것이 가장 적절한 방법으로 알려져 있다. 이에 본 연구는 소하천 관측 홍수량 자료 수집을 위해 2018년과 2019년 2년간 전국 89개 소하천 현장조사를 실시하였으며, CCTV 기반 자동유량계측기술 적합성 판단 기준에 부합한 소하천을 제외하고 최종적으로 79개 시범소하천을 선정하였다. 또한, 국가재난관리시스템(NDMS)의 소하천 정보를 수집하여 시범소하천 별 상관관계를 분석하였다. 본 연구에서는 소하천 규모에 따라 시범소하천 별 상관도가 차이가 나는 것으로 나타났다. 본 연구결과에 따라 추가 시범소하천 선정시 규모에 따른 소하천 유형을 분류하고 시범소하천 선정을 추진한다면 다양한 소하천 유형에 따른 수리량 자료를 계측할 수 있을 것으로 판단된다.

GUM 표준안 기반 ADCP 지점 측정 방법 유량 측정 불확도 분석

김동수,김종민,변현혁,강준구 한국수자원학회 2017 한국수자원학회논문집 Vol.50 No.8

음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Current Profiler, ADCPs)는 하천의 유량측정에 널리 사용되고 있으나, 유량 측정성과의 불확도를 평가하는 방 법에 대하여 진행된 연구는 부족한 현실이며, 이는 실제 하천에서 유속 및 유량 등의 수리량을 조절하는 것이 현실적으로 불가능하여 ADCP의 불확도 요인 별 실험 및 분석이 어렵기 때문이다. 유량 및 수리량의 측정 불확도를 평가하기 위하여 과학 및 공학 분야에서는 다양한 연구들이 진행되어 왔으며, 그 중 국 제적으로 공인받고 있는 방법 중 하나가 GUM (Guide to the Expression of Uncertainty Measurement)이다. 본 연구에서는 GUM 표준안을 기반으로 ADCP의 유량 측정 불확도를 평가하기 위한 연구를 수행하였다. ADCP의 유량 측정 불확도 요인별 분석을 수행하기 위하여 유량 공급의 조절이 가능한 실 규모 수로를 보유하고 있는 하천실험센터에서 실험을 진행하였으며, ADCP의 측정 정확도에 영향을 미치는 수심, 측정 지점에서 하안까지의 거리, ADCP 의 잠김 깊이, 유속 오차, 측정 시간, 반복 횟수, 하상 조건 등에 대한 측정 정확도 평가 실험을 수행하였다. ADCP로 유량을 측정하는 방법은 지점측정방식 을 기반으로 유속-면적법을 통해 산정하는 방법과 일반적으로 사용되는 이동측정방식이 있으며, 본 연구에서는 ADCP의 지점측정방식을 통해 유량을 산정 하는 Section-by-Section 방법으로 산정된 유량의 불확도를 평가하였다. 모든 측정 결과는 요인별 불확도 평가를 수행하기 위하여 유속은 ADV, 수심은 광 파기로 측정된 결과와 비교하였다. Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs) have been widely utilized for assessing streamflow discharge, yet few comprehensive studies were conducted to evaluate discharge uncertainty in consideration of individual uncertainty components. It could be mostly because it was not easy to determine which uncertainty framework can be appropriate to rigorously analyze streamflow discharge driven by ADCPs. In this regard, considerable efforts have been made by scientific and engineering societies to develop a standardized theoretical framework for uncertainty analysis in hydrometry. One of the well-established UA methodology based on sound statistical and engineering concepts is Guide to the Expression of Uncertainty Measurement (GUM) adopted widely by various scientific and research communities. This research fundamentally adapted the GUM framework to assess individual uncertainty components of ADCP discharge measurements, and subsequently provided results of a customized experiment in a controllable real-scale artificial river channel. We focused particularly upon sensitivities of uncertainty components in the GUM framework driven by ADCPs direct measurements such as depths, edge distance, submerged depth, velocity gap, sampling time, repeatability, bed roughness and so on. Section-by-Section method for ADCP discharge measurement was applied for uncertainty analysis for this study. All of measurements were carefully compared with data using other instrumentations such as ADV to evaluate individual uncertainty components.

3차원 수치모의를 이용한 홍수조절용 저류지의 흐름특성 분석

김서준(Kim, Seojun),손근수(Son, Geunsoo),변현혁(Byeon, Hyunhyuk),김동수(Kim, Dongsu) 대한토목학회 2017 대한토목학회 학술대회 Vol.2017 No.10