Fig. 6. Results of RMA-2 & FLOW-3D Model.(Flow vector)
Fig. 6. Results of RMA-2 & FLOW-3D Model.(Flow vector)

1. 서론

  • 최근 기상이변으로 인한 국지적 홍수가 빈번해지면서 하천 만곡부에서의 흐름 특성을 정확하게 분석하는 것이 중요해짐.
  • 자연하천의 만곡부는 곡률 변화에 따라 유동 특성이 크게 변하며, 홍수 시 통수능 저하 및 범람 가능성을 증가시킴.
  • 본 연구에서는 2D RMA-2 모델과 3D FLOW-3D 모델을 이용하여 낙동강 본류의 만곡부 흐름 특성을 비교 분석함.

2. 연구 방법

연구 대상 지역

  • 연구 대상 구간: 낙동강 본류 중 낙동수위표 기준 하류 14km 구간.
  • 만곡비(Curve Ratio) = 1.044 (연구 대상 구간의 곡률).
  • 100년 빈도 홍수량을 적용하여 2D 및 3D 모델의 수치해석 수행.

FLOW-3D 기반 3D 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

유속 특성 비교

  • 2D 모델(RMA-2)의 평균 유속이 3D 모델(FLOW-3D)보다 약 1.3배 높게 나타남.
  • 만곡부 외측에서 3D 모델은 수충(erosion)으로 인해 와류(Vortex)가 발생하였지만, 2D 모델에서는 발생하지 않음.
  • 내측으로 갈수록 두 모델 간 유속 차이가 점차 감소.
  • 최대 유속이 발생하는 위치는 두 모델에서 동일하게 나타남.

편수위(Super Elevation) 특성 비교

  • 만곡부 외측에서 최대 수위 발생, 내측에서는 상대적으로 낮은 수위 확인.
  • 2D 모델: 내측의 수위 감소율이 외측의 증가율보다 큼.
  • 3D 모델: 외측의 수위 증가율이 내측의 감소율보다 큼.
  • 3D 모델에서 외측 수위가 더 높아진 이유는 수충의 영향으로 인한 추가적인 난류 효과 때문으로 분석됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 3D 모델은 만곡부의 유동 특성을 보다 정밀하게 반영함.
  • 2D 모델은 상대적으로 계산 속도가 빠르지만, 수충 영향과 와류 발생 등의 복잡한 흐름을 정확하게 예측하기 어려움.
  • 3D 모델의 경우 복잡한 지형 및 난류 효과를 정밀하게 고려할 수 있어 하천 정비 및 홍수 예측에 유용함.

향후 연구 방향

  • 3D 모델을 활용한 다양한 곡률 및 하폭 조건에서의 흐름 특성 분석 필요.
  • 하천 내 식생 및 지형 변화가 흐름 특성에 미치는 영향 연구.
  • 실제 현장 관측 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 자연하천 만곡부에서의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, 2D 및 3D 모델 간의 차이를 비교하였다. 향후 홍수 예방 및 하천 정비 계획 수립에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 2. Analysis of Terrain and Mesh blocks.
Fig. 6. Results of RMA-2 & FLOW-3D Model.(Flow vector)

6. 참고 문헌

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