비대칭으로 연결된 도로 합류부에서의 홍수흐름특성에 관한 수치적 연구 = A Numerical Study on Characteristics of Flood Flow at Crossroad Connected asymmetrically with Four Roads

국문 초록 (Abstract)

최근 집중호우에 의해 홍수 위험도가 증대 되고 있으며, 도시화에 따른 도시형 홍수피해가 급증하고 있다. 이에 홍수피해를 최소화하기 위해서는 도로와 도로가 서로 연결된 합류부에서의 홍수파의 전파특성을 분석하고 예측할 필요성이 있으며 도로를 따라 흐르는 홍수의 흐름을 예측하고 분석하기 위해 수치모형이 많이 적용되고 있다.
본 연구에서는 유입각에 따른 도로 합류부에서 홍수흐름특성을 비교 분석하기 위해 두 개의 도로를 45°로 교차시켜 합류부 및 합류부 주변에서의 홍수흐름특성에 대한 실험적 및 수치적으로 분석 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
먼저, ANSYS CFX 모형에 적용된 수치기법은 유한체적법으로 다양한 유입유량 및 유입각에 따라 교차로에서 변화되는 복잡한 수면양상에 대해서 연구할 수 있으면 정량적으로 분석한 결과는 대체적으로 잘 모의되는 것으로 나타났다. 또한, 합류부 및 합류부 주변에서에서의 수심변화와 유출도로의 하류경계에서의 유량에 대한 비교분석결과는 실험결과와 잘 일치하였음을 알 수 있었다.
둘째, 교차로의 유입각이 45°와 135° 일때, Y방향의 유량을 1, 3, 6배 달리 했을 경우, X, Y축의 수심변화를 분석한 결과, 유입각이 클 수록 또는 유량 차이가 클 수록 유량이 작은 X축에 역류현상(backwater effect)으로 인해 수심이 높아짐을 확인하였다.
본 연구에 적용된 수치모형을 향후 유입각을 75°로 달리 하였을 경우에 대해서 모의해 볼 필요성이 있으며, 집중호우로 인한 도시지역 주변의 홍수피해를 상습침수지역에 적용하여 예상치 못한 재해가 발생하였을 때 대피시간 및 경로를 설정하여, 참고자료로 활용할 수 있으며 향후 주요 도로와 합류부에서 홍수규모에 따른 흐름경로 및 형태를 사전에 파악하여 홍수대피지도를 수립하기 위한 기초 참고자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In recent times, the risk of flooding has increased owing to heavy rains, and urbanization has led to a rapid rise in urban flood damage. Therefore, analyzing and predicting the propagation properties of floodwater at junctions where roads are connected is necessary for minimizing flood damage. Therefore, many numerical models for predicting and analyzing the flow of floodwater along roads have been applied.
In the present study, for comparing and analyzing floodwater flow properties at road junctions in accordance with the inflow angle, the floodwater flow properties at a junction and at the periphery of the junction were experimentally and numerically analyzed by having two roads intersect at 45°; our findings are as follows.
First, the numerical technique that was applied to ANSYS CFX was the finite volume technique; it was determined that in general, qualitative analysis results can be simulated well if research is conducted on the characteristics of the complex water surface, which change at intersecting roads depending on the inflow rate and inflow angle. We also found that the comparative analysis results for water depth changes at a junction and at a junction periphery as well as for the flow rate at the downstream boundary of an outflow road can be well matched to experimental results.
Second, when the inflow angles of crossroads are 45° and 135°, the results obtained when analyzing the X- and Y-axis water depth changes when the Y-direction flow rate is varied among magnitudes of 1, 3, and 6 showed that the greater the inflow angle or greater the difference in the flow rates, the higher is the water depth because of the backwater effect along the X-axis, which has a lower flow rate.
Later, there is a need to simulate the numerical model applied in the present study with respect to a case where the inflow angle is altered to 75°. By applying floodwater damage caused by heavy rain at the periphery of urban regions to frequently inundated regions, the evacuation times and routes can be established and reference materials can be used. We expect that it will be possible to predict the flow route and type at main roads and junctions depending on the scale of flooding, and to make use of basic reference materials for establishing flood evacuation maps.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론
• 1.1 연구배경 및 목적 = 1
• 1.2 연구동향 = 2
• 1.3 연구내용 = 4
• 제 2 장 수 리 모 형 실 험
• 2.1 비대칭 교차로 수리모형실험 = 6
• 2.1.1 비대칭 교차로 수리모형 구축 = 6
• 2.1.2 수리모형실험 = 10
• 2.1.3 실험결과 및 분석 = 13
• 제 3 장 3차원 유한체적모형
• 3.1 ANSYS CFX = 15
• 3.2 지배방정식 = 16
• 3.3 난류모형 = 17
• 제 4 장 3차원 수치모형을 이용한 연구
• 4.1 도로 합류부의 Geomety의 구성 = 20
• 4.2 Mesh 생성 = 20
• 4.3 모의 방법 및 조건 = 21
• 제 5 장 수치모의 결과 및 비교분석
• 5.1 측정 및 수치모의에 의한 비교분석 = 23
• 5.1.1 Case Ⅰ의 수심 변화 분석 = 23
• 5.1.2 Case Ⅱ의 수심 변화 분석 = 27
• 5.1.3 유출유량 비교분석 = 31
• 5.1.4 시간에 따라 변화되는 수심의 변화 = 32
• 5.2 유량에 따른 수리특성 비교분석 = 33
• 5.2.1 수심 변화 비교분석 = 33
• 제 6 장 결 론 = 39
• 참 고 문 헌 = 41
• ABSTRACT = 44