Down-flow and horseshoe vortex characteristics of sediment embedded bridge piers
본 연구는 교량 기초의 안정성을 위협하는 세굴 현상의 핵심 기전인 교각 주변 유동 구조를 분석합니다. 입자 영상 유속계(PIV)를 활용하여 세굴공 내부에서 발생하는 말발굽 와류와 교각 전면의 하향류를 시공간적으로 정량화하였으며, 이를 통해 수치 해석 모델의 정밀도를 높일 수 있는 실험적 기초 데이터를 제공합니다.
Paper Metadata
Industry: 토목 공학 (Civil Engineering) / 수리학 (Hydraulics)
Material: 균일 및 비균일 모래 퇴적물, 원형 아크릴 교각
Process: 입자 영상 유속계(PIV)를 이용한 2차원 유동 가시화 및 세굴 분석
Keywords
말발굽 와류 (Horseshoe vortex)
하향류 (Down-flow)
교각 세굴 (Bridge pier scour)
입자 영상 유속계 (Particle Image Velocimetry)
유동 가시화 (Flow visualization)
퇴적물 수송 (Sediment transport)
Executive Summary
Research Architecture
본 실험은 폭 1.0m, 길이 6m의 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 직경 0.26m 및 0.457m의 원형 아크릴 교각을 설치하고, 두 종류의 모래($d_{50} = 1.14mm, 5.00mm$)를 퇴적물로 사용하였습니다. 유동장 측정을 위해 Xenon 스트로보스코프와 CCD 카메라로 구성된 PIV 시스템을 구축하였으며, 수평 및 수직 평면에서 유속 벡터를 획득하였습니다. 실험 조건은 한계 프루드 수($F_t$) 0.60에서 0.98 사이의 맑은 물 세굴(Clear-water scour) 조건으로 설정되었습니다.
Fig. 1 VAW scour channel including PIV setup
Key Findings
세굴 진행에 따른 유동 구조의 변화를 4단계의 위상(Phase)으로 정의하였습니다. 말발굽 와류의 중심 위치와 강도는 세굴 시간의 로그 함수에 비례하여 변화함을 확인하였습니다. 특히, 와류 중심 아래의 세굴 깊이($Z_{Sv}$)와 와류 중심의 수직 위치($Z_{v0}$) 사이의 관계를 정량화하였으며, 하향류의 최대 유속($v_{zf, max}$)이 세굴공의 형상과 밀접한 상관관계가 있음을 수치적으로 입증하였습니다. 실험 데이터의 산포는 약 ±25% 이내로 제어되었습니다.
Industrial Applications
본 연구에서 도출된 유속 및 와도 프로파일은 교량 설계 시 세굴 방지 구조물의 최적 위치를 결정하는 데 활용될 수 있습니다. 또한, CFD(전산유체역학) 소프트웨어를 이용한 세굴 예측 시뮬레이션의 경계 조건 설정 및 결과 검증을 위한 표준 벤치마크 데이터로 사용 가능합니다. 이는 교량 기초의 과다 설계를 방지하고 유지관리 비용을 절감하는 데 기여할 수 있습니다.
Theoretical Background
말발굽 와류 (Horseshoe Vortex)
말발굽 와류는 접근 유동이 교각 전면에서 정체되어 발생하는 압력 구배로 인해 형성됩니다. 교각 전면의 경계층 분리에 의해 생성된 이 와류는 세굴공 내부로 하강하며 강력한 전단 응력을 발생시켜 퇴적물을 이송시킵니다. 본 연구에서는 이 와류의 기하학적 중심과 회전 강도가 세굴 시간($T_S$)에 따라 어떻게 진화하는지를 이론적으로 모델링하였습니다.
하향류 (Down-flow)
교각 전면의 수직 평면에서 발생하는 하향류는 수면 부근의 높은 정체압과 바닥 부근의 낮은 압력 차이에 의해 구동됩니다. 이 유동은 세굴공 바닥을 직접적으로 타격하여 구멍을 파내는 주된 동역학적 원인이 됩니다. 하향류의 수직 유속 분포는 교각의 직경과 접근 유속, 그리고 세굴공의 깊이에 의해 결정되는 특성을 가집니다.
Results and Analysis
Experimental Setup
실험은 스위스 연방 공과대학교(ETH Zurich)의 VAW 수로에서 진행되었습니다. PIV 측정을 위해 물의 굴절률을 고려한 광학 보정이 수행되었으며, 추적 입자로는 직경 0.5mm, 밀도 1,008 $kg/m^3$의 구형 입자가 사용되었습니다. 유속 데이터는 30Hz의 해상도로 수집되었으며, 1/3초 동안 10쌍의 이미지를 평균하여 난류 변동성을 최소화한 평균 유동장을 도출하였습니다.
Visual Data Summary
유선도(Streamline plots) 분석 결과, 세굴 초기에는 교각 전면에 작은 초기 와류가 형성되나 세굴이 진행됨에 따라 주 와류(Primary vortex)와 하나 이상의 부 와류(Secondary vortices)로 구성된 복합 와류 시스템으로 발달함이 관찰되었습니다. 세굴공이 깊어질수록 와류의 직경은 커지고 중심 위치는 교각에서 멀어지며 하강하는 경향을 보였습니다.
Variable Correlation Analysis
무차원 변수 분석을 통해 세굴 시간($T_S$)과 말발굽 와류의 수평 거리($X_v$) 및 수직 위치($Z_{v0}$) 사이의 상관관계를 도출하였습니다. 분석 결과, 와류의 특성 변화는 밀도 프루드 수($F_d$)의 1.5승에 비례하는 특성을 보였습니다. 또한, 하향류의 최대 유속 지점($Z_{f, max}$)은 세굴공 형상 계수와 선형적인 관계를 유지함을 확인하였습니다.
Paper Details
Down-flow and horseshoe vortex characteristics of sediment embedded bridge piers
1. Overview
Title: Down-flow and horseshoe vortex characteristics of sediment embedded bridge piers
Author: Jens Unger, Willi H. Hager
Year: 2007
Journal: Experiments in Fluids
2. Abstract
교량 구조물 주변의 유동은 교량의 공학적 중요성을 고려할 때 최근의 주요 연구 주제입니다. 본 연구는 수평 및 수직 평면 모두에 적용된 입자 영상 유속계(PIV)를 사용하여 원형 교각 주변의 내부 유동 특성을 조사함으로써 유속장의 준공간적 가시화를 가능하게 하였습니다. 교각 전면의 수직 편향 유동과 증가하는 세굴공 내부의 말발굽 와류의 시간적 진화를 탐구하여 유속 및 와도 프로파일을 도출하였습니다. 따라서 본 작업은 느슨한 퇴적물에 배치된 원형 교각 주변의 복잡한 기상 유동에 대한 새로운 통찰력을 제공하며 고급 수치 시뮬레이션을 위한 실험적 데이터 기반을 제공합니다.
3. Methodology
3.1. 실험 장치 준비: 수로 내에 원형 교각 모델을 배치하고 퇴적물 층을 수평으로 평탄화합니다. 3.2. 수위 및 유량 조절: 플랩 게이트를 사용하여 퇴적물 이동이 없는 상태에서 목표 수위와 유량에 도달하도록 펌프를 가동합니다. 3.3. 세굴 개시 및 측정: 하류 수위를 낮추어 세굴을 유도하고, 정해진 시간 간격($t = 60s$ ~ $86,400s$)마다 PIV를 사용하여 2차원 유속 벡터를 측정합니다. 3.4. 지형 스캔: 레이저 거리 센서(LDS)와 초음파 센서(USS)를 결합하여 수중 퇴적물 지형과 수면 형상을 동시에 기록합니다.
4. Key Results
연구 결과, 말발굽 와류 시스템은 세굴이 진행됨에 따라 단일 와류에서 다중 와류 구조로 변화하며, 와류의 크기와 강도는 세굴 깊이의 증가와 함께 로그 함수적으로 성장합니다. 교각 전면의 하향류는 세굴공 바닥에서 최대 유속을 형성하며, 이 유속의 크기는 접근 유속의 약 80% 수준에 도달할 수 있음을 확인하였습니다. 또한, 세굴공의 확장에 따라 유동 분리점이 교각 후면으로 이동하는 Coanda 효과와 유사한 현상이 관찰되었습니다.
Fig. 2 Streamline plots of the flow in the channel symmetry axis at various times t (run D1)
5. Mathematical Models
말발굽 와류의 수직 위치 및 유속 프로파일을 설명하는 주요 수식은 다음과 같습니다.
$$Z_{Sv} = 2 \gamma \sigma^{-1/3} \cdot F_d^{3/2} \cdot \log(T_S/T_0)$$
$$Z_{v0} = -\gamma \sigma^{-1/3} \cdot F_d^{3/2} \cdot \log(T_S/T_0)$$
$$V_{xv} = f_1 Z’_v \cdot (1 – Z’_v) \cdot \exp(f_2 Z’_v)$$
여기서 $Z_{Sv}$는 와류 중심 아래의 세굴 깊이, $Z_{v0}$는 원래 퇴적물 표면과 와류 중심 사이의 거리, $V_{xv}$는 정규화된 수평 유속 성분을 나타냅니다.
Figure List
Fig. 1: PIV 설정을 포함한 VAW 세굴 수로의 전체 구성도
Fig. 2: 다양한 시간대별 채널 중심축에서의 유선도 (Run D1)
Fig. 3: 수평 평면에서의 세굴 지형 및 유선도 변화
Fig. 4: 말발굽 와류의 전형적인 수직 유속 프로파일 및 입자 이미지
References
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Melville BW, Raudkivi AJ (1977) Flow characteristics in local scour at bridge piers. J Hydraul Res 15(4):373–380
Oliveto G, Hager WH (2002) Temporal evolution of clear-water pier and abutment scour. J Hydraulic Eng 128(9):811–820
Technical Q&A
Q: 본 연구에서 PIV 기법을 선택한 기술적 이유는 무엇입니까?
PIV는 비침습적 측정 기법으로, 기존의 피토관이나 ADV(Acoustic Doppler Velocimetry)와 달리 유동장을 교란하지 않고 실시간으로 전체 유속장을 파악할 수 있기 때문입니다. 특히 세굴공 내부의 복잡한 난류 구조와 와류의 시간적 진화를 시공간적으로 가시화하는 데 최적의 성능을 제공합니다.
Q: 세굴 진행 과정에서 정의된 4가지 유동 위상(Phase)은 무엇입니까?
Phase 1은 세굴 시작 시 발생하는 비세굴성 초기 와류 단계, Phase 2는 세굴공이 중심축에 도달하며 초기 와류가 사라지는 단계, Phase 3은 세굴공 내에 단일 말발굽 와류가 정착하는 단계, Phase 4는 주 와류와 부 와류가 결합된 완전 발달된 와류 시스템 단계입니다.
Q: 말발굽 와류의 강도에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 무엇입니까?
실험 분석 결과, 접근 유동의 밀도 프루드 수($F_d$)와 퇴적물의 비균일성 계수($\sigma$)가 가장 지배적인 변수로 나타났습니다. 특히 와류의 기하학적 특성은 $F_d$의 1.5승에 비례하여 변화하는 특성을 보였습니다.
Q: 하향류(Down-flow)의 최대 유속은 어느 지점에서 발생합니까?
하향류의 최대 유속($v_{zf, max}$)은 교각 전면의 세굴공 바닥면 직전에서 발생합니다. 무차원 수직 좌표 $Z_f$ 기준으로 약 0.33 부근에서 최대값이 관찰되며, 이는 세굴공의 깊이가 깊어질수록 절대적인 위치가 하강하는 경향을 보입니다.
Q: 본 연구 결과의 한계점은 무엇입니까?
본 결과는 직사각형 수로의 활성 세굴이 없는 맑은 물 세굴 조건에 한정됩니다. 또한 교각 직경과 수로 폭의 비율($D/B$)이 0.13에서 0.23 사이인 경우에 유효하며, 매우 거친 퇴적물이나 이동상 세굴(Live-bed scour) 조건에서는 추가적인 검증이 필요합니다.
Conclusion
본 연구는 PIV 기법을 통해 퇴적물에 매립된 원형 교각 주변의 유동 구조를 정밀하게 규명하였습니다. 세굴 진행에 따른 말발굽 와류와 하향류의 시공간적 변화를 정량화한 수식들은 교량 공학 분야에서 세굴 예측의 정확도를 높이는 데 중요한 기여를 합니다. 특히, 도출된 유속 프로파일은 수치 해석 모델의 검증을 위한 신뢰할 수 있는 기준점을 제공하며, 향후 보다 복잡한 교각 형상 및 유동 조건 연구의 기초가 될 것입니다.
Source Information
Citation: Jens Unger, Willi H. Hager (2007). Down-flow and horseshoe vortex characteristics of sediment embedded bridge piers. Experiments in Fluids.
Gabion basket for reducing scour around a rectangular bridge pier
본 보고서는 교량 기초의 안전성을 위협하는 국부 세굴 현상을 제어하기 위해 교각 전면에 설치하는 가비온 바스켓(Gabion Basket)의 효과를 실험적으로 분석한 연구를 다룹니다. 수리 구조물의 설계 및 유지관리 단계에서 경제적이고 효율적인 세굴 방지 대책을 수립하기 위한 기술적 근거를 제공합니다.
Paper Metadata
Industry: 토목 공학 / 수리 공학 (Civil / Hydraulic Engineering)
Material: 가비온(돌 채움 와이어 메시), 모래(하상 재료), 목재(교각 모델)
Process: 실험실 수로 실험 (Laboratory Flume Experiment), 세굴 깊이 측정 및 분석
Keywords
Scour (세굴)
Rectangular pier (직사각형 교각)
Gabion (가비온)
Stone basket (돌 바구니)
Scour countermeasure (세굴 방지 대책)
Executive Summary
Research Architecture
본 연구는 이집트 Zagazig 대학교 수리 실험실의 재순환 수로(폭 0.4m, 길이 4m)에서 수행되었습니다. 폭 4cm의 직사각형 목재 교각 모델을 설치하고, 교각 상류측 전면에 스테인리스 와이어 메시로 제작된 가비온 바스켓을 부착하여 세굴 저감 효과를 시험하였습니다. 실험은 맑은 물(Clear-water) 조건에서 수행되었으며, 가비온 내 채움 돌의 크기($d_g$)와 가비온의 길이($L_g$)를 주요 변수로 설정하여 총 35회의 실험 케이스를 구성하였습니다. 하상 재료로는 평균 입경 0.52mm의 균일한 모래를 사용하였으며, 포인트 게이지를 통해 세굴 깊이를 0.1mm 단위로 정밀 측정하였습니다.
Key Findings
실험 결과, 가비온 바스켓을 설치한 교각은 설치하지 않은 경우에 비해 세굴 깊이를 최대 57%까지 감소시키는 것으로 나타났습니다. 가비온 채움 돌의 크기 비율($d_g/B$)이 0.3일 때 세굴 깊이 감소 효과가 가장 극대화되었으며, 가비온의 상대적 길이 비율($L_g/B$)은 0.5가 최적의 효율을 보였습니다. 또한, 가비온의 다공성 구조가 교각 전면의 하향류(Down flow) 에너지를 분산시키고 말발굽 소용돌이(Horseshoe vortex)의 강도를 약화시킴으로써 하상 침식을 억제함을 확인하였습니다. 연구 데이터에 기반하여 세굴 깊이를 예측할 수 있는 무차원 실험 공식이 도출되었습니다.
Industrial Applications
가비온 바스켓은 기존의 사석(Riprap) 공법에 비해 설치가 간편하고 경제적이며, 특히 사석을 구하기 어려운 지역에서 유용한 대안이 될 수 있습니다. 신설 교량뿐만 아니라 기존 교량의 세굴 보강 설계 시 교각 전면에 부착하는 방식으로 적용이 가능합니다. 또한, 재활용 의류나 플라스틱 등 대체 재료를 가비온 채움재로 활용할 수 있는 가능성을 제시하여 건설 프로젝트의 지속 가능성과 비용 절감을 동시에 도모할 수 있습니다.
Theoretical Background
Down flow and Horseshoe Vortex
교각 주변의 국부 세굴을 유발하는 주요 원인은 교각 전면에서 발생하는 하향류와 하단부의 말발굽 소용돌이입니다. 흐름이 교각에 부딪히면 정압이 상승하고, 이로 인해 아래 방향으로 강한 흐름이 형성되어 하상을 굴착하게 됩니다. 가비온 바스켓은 이러한 흐름의 분기점을 지연시키고 에너지를 소산시키는 역할을 합니다. 가비온 내부의 돌 입자 사이의 공극을 통해 흐름이 통과하면서 난류와 운동 에너지가 생성되며, 이는 하상에 직접적으로 작용하는 힘을 분산시키고 소용돌이 시스템을 약화시킵니다.
Clear-water Scour Condition
본 연구는 상류에서 하상 재료가 공급되지 않는 맑은 물 세굴 조건에서 진행되었습니다. 이 조건에서는 하상의 전단 응력이 임계 전단 응력보다 약간 낮은 상태에서 교각에 의한 국부적인 흐름 변화로만 세굴이 발생합니다. 맑은 물 조건에서의 세굴은 평형 상태에 도달하기까지 오랜 시간이 걸리며, 최대 세굴 깊이를 산정하는 데 있어 가장 가혹한 조건 중 하나로 간주됩니다. 연구에서는 프루드 수(Froude number)를 변화시키며 다양한 유속 조건에서의 세굴 특성을 분석하였습니다.
Results and Analysis
Experimental Setup
실험은 폭 0.4m, 길이 4m, 깊이 0.2m의 직사각형 재순환 수로에서 수행되었습니다. 교각 모델은 폭(B) 4cm, 길이 16cm, 높이 20cm의 목재로 제작되었으며, 수로 폭의 10% 미만으로 설정하여 벽면 효과를 최소화하였습니다. 하상 재료는 $d_{50} = 0.52mm$, 기하 표준 편차 $\sigma_g = 2.35$인 거친 모래를 사용하였습니다. 가비온 바스켓은 1.2mm 망눈의 스테인리스 메시를 사용하였으며, 채움 돌의 크기는 0.80mm, 1.20mm, 1.80mm, 2.20mm의 네 종류를 시험하였습니다.
Figure 3 The fill material of the gabion basket
Visual Data Summary
SURFER 소프트웨어를 이용한 하상 지형 등고선도 분석 결과, 가비온 바스켓이 설치된 경우 교각 상류측의 세굴 구덩이 깊이와 부피가 확연히 감소하는 것이 관찰되었습니다. 보호 대책이 없는 교각에서는 깊고 넓은 세굴공이 형성된 반면, 최적 조건($d_g/B = 0.3$, $L_g/B = 0.5$)의 가비온 설치 시 세굴공의 위치가 교각에서 멀어지고 깊이가 얕아졌습니다. 이는 가비온의 다공성이 하향류를 효과적으로 차단하고 하상 주변의 소용돌이 시스템을 약화시켰음을 시각적으로 증명합니다.
Variable Correlation Analysis
세굴 깊이($d_s/B$)는 프루드 수($F$)가 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였습니다. 가비온 채움 돌의 크기($d_g/B$)와 세굴 깊이 사이에는 비선형적인 관계가 존재하며, $d_g/B = 0.3$에서 최소 세굴 깊이가 나타났습니다. 가비온의 길이($L_g/B$) 또한 세굴 저감에 중요한 변수로, 길이가 증가함에 따라 초기에는 세굴 깊이가 감소하다가 $L_g/B = 0.5$를 기점으로 효율이 수렴하는 양상을 보였습니다. 이러한 상관관계 분석을 통해 가비온의 기하학적 형상과 재료 특성이 세굴 방지 성능에 직접적인 영향을 미침을 확인하였습니다.
Paper Details
Gabion basket for reducing scour around a rectangular bridge pier
1. Overview
Title: Gabion basket for reducing scour around a rectangular bridge pier
Author: Elsayed Mohamed Elshahat
Year: 2023
Journal: Journal of Engineering Research (ERJ)
2. Abstract
사석, 교각 내부의 슬릿, 교각 앞의 말뚝, 칼라 및 기타 전략들이 교각 주변의 세굴을 제어하기 위해 사용되어 왔다. 본 연구에서는 직사각형 교각 주변의 세굴을 줄이기 위한 새로운 대안적 대책을 조사하였다. 교각의 상류측 면에 부착된 돌 바구니인 가비온 바스켓을 맑은 물 조건에서 교각 주변의 세굴 깊이를 줄이기 위한 대책으로 실험적으로 조사하였다. 가비온 바스켓 사용의 효율성을 추정하기 위해, 수정되지 않은 교각의 세굴 결과를 비교 기준으로 사용하였다. 연구 결과, 가비온 바스켓을 사용한 교각은 세굴 깊이를 크게 감소시키는 것으로 나타났다. 결과에 따르면, 가비온 바스켓 크기가 $d_g/B = 0.3$인 교각은 세굴 깊이를 57%까지 낮추었으며, 가비온 바스켓의 가장 적절한 상대 길이는 $L_g/B = 0.5$였다. 실험 결과를 바탕으로 직사각형 교각의 세굴 깊이를 예측하기 위한 공식이 개발되었다. 본 연구의 결과는 교각 보호 설계의 현장 적용에 활용될 수 있다.
3. Methodology
3.1. 실험 장치 구성: 폭 0.4m, 길이 4m의 직사각형 재순환 수로를 사용하여 실험 환경을 조성하였으며, 원심 펌프와 오리피스 미터를 통해 유량을 정밀하게 제어함. 3.2. 모델 및 재료 준비: 폭 4cm의 목재 교각 모델과 $d_{50} = 0.52mm$의 모래 하상을 준비하고, 스테인리스 메시와 다양한 크기의 돌을 사용하여 가비온 바스켓을 제작함. 3.3. 실험 수행 및 측정: 가비온을 교각 상류면에 부착한 후 맑은 물 조건에서 2시간 동안 흐름을 유지하였으며, 실험 종료 후 포인트 게이지를 사용하여 하상 지형 변화를 측정함.
4. Key Results
가비온 바스켓 설치 시 세굴 깊이가 최대 57% 감소하는 탁월한 저감 효과를 확인하였습니다. 최적의 채움 돌 크기 비율은 $d_g/B = 0.3$이며, 최적의 가비온 길이 비율은 $L_g/B = 0.5$로 나타났습니다. 프루드 수가 0.18에서 0.43으로 증가함에 따라 세굴 깊이도 증가하였으나, 가비온 설치 교각은 모든 유속 조건에서 무처리 교각보다 낮은 세굴 깊이를 유지하였습니다. 또한, 가비온의 다공성이 하향류를 분산시켜 하상에 도달하는 유속 에너지를 효과적으로 감쇄시킴을 입증하였습니다.
5. Mathematical Models
본 연구에서는 실험 데이터를 바탕으로 직사각형 교각의 최대 세굴 깊이를 예측하기 위한 다음과 같은 실험 공식을 제안하였습니다:
$$\frac{d_s}{B} = 1.84(F) – 0.16\left(\frac{d_g}{B}\right) – 0.15\left(\frac{L_g}{B}\right) – 0.203$$
이 공식은 $0.20 \leq F \leq 0.40$, $0.2 \leq d_g/B \leq 0.55$, $0.25 \leq L_g/B \leq 0.75$의 범위에서 유효하며, 측정값과의 오차는 5% 이내로 높은 신뢰도를 보입니다.
Figure 10 The contour map of bed morphology around the rectangular
Chiew, Y.-M. (1992). Scour protection at bridge piers. J. Hydraul. Eng.
Breusers, H. N. C., et al. (1977). Local scour around cylindrical piers. J. Hydraul. Res.
Bhalerao, A. R., & Garde, R. J. (2010). Design of Riprap for protection against scour around bridge pier. ISH J. Hydraul. Eng.
Yoon, T. H. (2005). Wire gabion for protecting bridge piers. J. Hydraul. Eng.
Melville, B. W., & Chiew, Y.-M. (1999). Time scale for local scour at bridge piers. J. Hydraul. Eng.
Technical Q&A
Q: 가비온 바스켓이 세굴을 저감하는 물리적 메커니즘은 무엇입니까?
가비온 바스켓은 교각 전면의 흐름 분기점을 지연시키고, 가비온 내부의 다공성 구조를 통해 흐름 에너지를 소산시킵니다. 이는 교각 하단으로 집중되는 하향류의 강도를 약화시키고, 하상을 굴착하는 주된 원인인 말발굽 소용돌이의 형성을 억제하거나 교각에서 멀리 떨어지게 유도하여 세굴 깊이를 줄입니다.
Q: 실험에서 밝혀진 가비온 채움 돌의 최적 크기는 얼마입니까?
실험 결과, 교각 폭(B)에 대한 돌의 중간 입경($d_g$)의 비율인 $d_g/B$가 0.3일 때 세굴 깊이 감소 효과가 가장 크게 나타났습니다. 이 비율에서 가비온은 흐름에 대한 적절한 저항과 다공성을 유지하여 하향류 에너지를 가장 효과적으로 분산시키는 것으로 분석되었습니다.
Q: 가비온의 길이가 세굴 저감 효율에 미치는 영향은 어떠합니까?
가비온의 상대적 길이($L_g/B$)가 증가할수록 세굴 깊이는 감소하는 경향을 보입니다. 본 연구에서는 $L_g/B = 0.5$일 때 가장 효율적인 세굴 저감이 관찰되었으며, 이보다 길어질 경우 저감 효과의 증가폭이 둔화되는 양상을 보였습니다. 따라서 경제성과 효율성을 고려한 최적 길이는 교각 폭의 0.5배 수준입니다.
Q: 제안된 세굴 깊이 예측 공식의 정확도와 적용 범위는 어떻게 됩니까?
제안된 공식은 실험 데이터와 비교했을 때 5% 이내의 오차 범위를 가지며 매우 높은 상관관계($R^2 = 0.9335$)를 보입니다. 적용 범위는 프루드 수 0.20~0.40, 상대 돌 크기 0.2~0.55, 상대 가비온 길이 0.25~0.75 사이의 직사각형 교각 조건으로 제한됩니다.
Q: 실제 현장 적용을 위해 추가로 고려해야 할 사항은 무엇입니까?
본 연구는 실험실의 맑은 물 조건에서 수행되었으므로, 실제 현장 적용 전에는 유동적인 하상 조건(Live-bed), 흐름의 입사각(Skewed flow), 다양한 교각 형상 및 가비온의 높이 변화에 따른 추가적인 검토가 필요합니다. 또한 가비온 메시의 내구성과 부식 방지 대책도 실무 설계 시 고려되어야 합니다.
Conclusion
본 연구는 직사각형 교각의 세굴 방지를 위한 새로운 대책으로 가비온 바스켓의 유효성을 입증하였습니다. 실험을 통해 가비온 바스켓이 세굴 깊이를 최대 57%까지 줄일 수 있음을 확인하였으며, 최적의 설계 인자($d_g/B=0.3, L_g/B=0.5$)를 도출하였습니다. 가비온 바스켓은 설치가 용이하고 경제적인 공법으로서, 특히 기존 교량의 유지보수 및 세굴 보강에 있어 사석 공법을 대체할 수 있는 우수한 기술적 대안이 될 것으로 기대됩니다. 향후 다양한 수리 조건에서의 추가 연구를 통해 공법의 신뢰성을 더욱 높일 수 있을 것입니다.
Source Information
Citation: Elsayed Mohamed Elshahat (2023). Gabion basket for reducing scour around a rectangular bridge pier. Journal of Engineering Research (ERJ).
이 기술 요약은 Rupayan Saha가 2017년 West Virginia University에 제출한 논문 “Prediction of Maximum Scour Depth Using Scaled Down Bridge Model in a Laboratory”를 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D에 의해 기술 전문가들을 위해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교량 세굴 예측
Secondary Keywords: 최대 세굴 깊이, CFD, 수리 실험, 압력 흐름, 축소 모형, 교각 세굴
Executive Summary
도전 과제: 기존의 교량 세굴 예측 방법은 상호작용하는 세굴 과정을 분리하여 계산하고 극한의 흐름 조건을 고려하지 않아, 비안전적이거나 과도한 설계로 이어지는 부정확성을 가집니다.
연구 방법: 실제 하천 교량의 1:60 축소 물리 모델을 제작하여, 압력 흐름 및 월류(overtopping)를 포함한 다양한 유동 조건에서 발생하는 세굴을 측정했습니다.
핵심 돌파구: 이론적인 교각 세굴에 유량 수축과 직접적으로 연관된 ‘추가 세굴’ 항을 결합하는 새로운 통합 방정식을 개발하여, 자유 수면 흐름과 압력 흐름 조건을 구분하여 최대 세굴 깊이를 예측합니다.
핵심 결론: 이 연구는 최대 교량 세굴을 더 정확하고 신뢰성 있게 예측하는 방법을 제공하여, 더 안전하고 경제적인 교량 설계를 가능하게 합니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량 세굴(Bridge Scour)은 교량 기초 주변의 하상 재료가 물의 흐름에 의해 침식되는 현상으로, 교량 붕괴의 가장 흔한 원인 중 하나입니다. 세굴 깊이를 정확하게 예측하는 것은 교량의 안전과 직결되지만, 기존의 예측 모델들은 종종 현장과 큰 오차를 보입니다.
현재 널리 사용되는 FHWA(미국 연방 고속도로국)의 가이드라인은 하천 폭이 좁아지며 발생하는 ‘수축 세굴(Contraction Scour)’과 교각 주변에서 국부적으로 발생하는 ‘국부 세굴(Local Scour)’을 독립적인 현상으로 간주하고 각각 계산한 뒤 합산합니다. 하지만 실제로는 이 두 과정이 동시에 발생하며 서로에게 영향을 미칩니다. 또한, 대부분의 예측 공식은 이상적인 직사각형 수로에서의 실험을 기반으로 하여, 실제 하천의 복잡한 지형이나 홍수 시 발생하는 교량 상판 잠김(압력 흐름) 또는 월류(overtopping)와 같은 극한 상황을 제대로 반영하지 못합니다. 이러한 한계는 결국 과도한 안전율 적용으로 인한 비경제적인 설계 또는 예측 실패로 인한 구조적 위험을 초래합니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해 미국 조지아주 메이컨에 위치한 Towaliga 강 교량의 1:60 축소 수리 모형을 실험실 수조 내에 제작했습니다. 이 모델은 실제 하천의 복잡한 단면 형상(복단면)과 유역 지형을 정밀하게 재현했습니다.
연구팀은 다양한 유량 조건에서 실험을 수행했으며, 특히 극한 홍수 상황을 모사하기 위해 세 가지 주요 흐름 유형을 분석했습니다. 1. 자유 흐름 (Free Flow): 교량 하부 구조물이 물에 잠기지 않는 일반적인 흐름 상태 2. 잠긴 오리피스 흐름 (Submerged Orifice Flow): 교량 상판이 물에 잠겨 압력 흐름이 발생하는 상태 3. 월류 흐름 (Overtopping Flow): 유량이 더 증가하여 물이 교량 상판 위로 넘어가는 상태
실험 중 유속과 세굴 후 하상 변화는 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)를 사용하여 3차원으로 정밀하게 측정되었습니다. 이 접근법을 통해 이상적인 실험실 환경이 아닌, 실제와 유사한 복합적인 조건에서 세굴이 어떻게 발생하는지에 대한 신뢰도 높은 데이터를 확보할 수 있었습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
발견 1: 통합된 최대 세굴 예측 모델의 개발
연구팀은 수축 세굴과 국부 세굴을 분리하지 않고, 최대 세굴 깊이를 하나의 통합된 방식으로 예측하는 새로운 개념을 제안했습니다.
최대 세굴 깊이 = 이론적 교각 세굴 깊이 + 흐름 수축으로 인한 추가 세굴 깊이
여기서 ‘흐름 수축으로 인한 추가 세굴 깊이’는 실험적으로 측정한 흐름 수축비(교량 구간과 상류 접근부의 단위 폭당 유량비, q₂/q₁)와 직접적인 상관관계를 가집니다. Figure 4.9에서 볼 수 있듯이, 흐름 수축비(q₂/q₁)가 증가할수록 정규화된 추가 세굴 깊이(Ym-csu/Y₁)가 체계적으로 증가하는 것을 확인했습니다. 이는 흐름이 교량에서 가속될수록 국부적인 최대 세굴이 더 깊어진다는 것을 정량적으로 보여줍니다. 이 모델은 두 세굴 메커니즘의 상호작용을 효과적으로 반영합니다.
발견 2: 압력 흐름 조건에서 세굴 심화 현상 규명
본 연구의 가장 중요한 발견 중 하나는 압력 흐름(잠긴 오리피스 및 월류 흐름)이 자유 흐름에 비해 세굴을 현저히 심화시킨다는 것입니다. Figure 4.9의 회귀 분석 결과, 압력 흐름 조건의 데이터(SO, OT)는 자유 흐름(F)보다 더 가파른 기울기를 보였습니다.
이는 교량 상판이 물에 잠기면서 측면 수축(Lateral Contraction)뿐만 아니라 수직 수축(Vertical Contraction) 효과가 더해지기 때문입니다. 교량 상판이 흐름의 ‘뚜껑’ 역할을 하여 물을 하상 쪽으로 강하게 밀어내고 가속시켜, 하상을 침식시키는 힘(전단 응력)을 극대화합니다. 동일한 측면 수축 조건이라도 수직 수축이 더해지면 최대 세굴 깊이가 훨씬 더 깊어지는 것을 실험적으로 증명했으며, 이는 기존 모델들이 놓치고 있던 중요한 물리 현상입니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 본 연구는 교량 기초 설계를 위한 최대 세굴 깊이를 더 정확하게 예측할 수 있는 실용적인 절차를 제공합니다. 제시된 방정식을 통해 자유 흐름과 압력 흐름을 구분하여 설계에 반영함으로써, 과설계를 줄이고 안전성을 높일 수 있습니다.
교량 안전 점검팀: 압력 흐름이나 월류가 발생하는 극한 홍수 시 세굴 위험이 급격히 증가한다는 본 연구 결과는, 이러한 조건에서 교량 주변의 모니터링을 강화해야 할 필요성을 시사합니다.
CFD 모델러: 실제 하천 지형을 정밀하게 모사한 이 실험 데이터(Figure 4.4는 실험실과 현장 데이터 간의 높은 일치도를 보여줌)는 복잡한 교량 세굴 시나리오에 대한 CFD 시뮬레이션의 검증(Validation)을 위한 귀중한 자료로 활용될 수 있습니다.
논문 상세 정보
Prediction of Maximum Scour Depth Using Scaled Down Bridge Model in a Laboratory
1. 개요:
제목: Prediction of Maximum Scour Depth Using Scaled Down Bridge Model in a Laboratory
저자: Rupayan Saha
발행 연도: 2017
학술지/학회: West Virginia University, Graduate Theses, Dissertations, and Problem Reports
키워드: Maximum scour depth prediction, Physical model, Bridge scour
2. 초록:
최근 미국 웨스트버지니아, 텍사스, 루이지애나 등지에서 발생한 치명적인 홍수로 인해 여러 교량이 붕괴되었습니다. 그중 교량 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로, 인명 및 재산 피해를 유발합니다. 1960년대부터 많은 세굴 연구가 수행되었음에도 불구하고, 세굴 예측은 여전히 어려운 과제입니다. 현재의 세굴 예측 방식은 과대 또는 과소 예측되는 경향이 있는데, 이는 수축 세굴과 국부 세굴이 실제로는 동시에 발생함에도 불구하고 개별적으로 추정하여 합산하기 때문일 수 있습니다. 또한, 기존 세굴 공식들은 이상적인 직사각형 수로에서의 자유 수면 흐름 실험을 기반으로 하지만, 실제 극한 홍수 시에는 교량 월류와 잠긴 오리피스 흐름이 복합적으로 발생하며 세굴 깊이는 현장 특이적입니다. 본 연구에서는 조지아 공과대학 수리학 연구실에서 실제 하천 지형을 포함한 1:60 축소 교량 모델을 사용하여 다양한 흐름 조건(자유, 잠긴 오리피스, 월류)에서 실험을 수행했습니다. 실험 결과 분석을 통해, 널리 사용되는 경험적 세굴 추정 방법(CSU 교각 세굴 공식, Melville-Sheppard 공식 등)과 실험 결과를 결합하여, 맑은 물 세굴 조건에서의 최대 세굴 깊이를 예측하는 포괄적인 방법을 제안했습니다. 분석 과정에서 국부 세굴에 대한 흐름 수축의 영향을 평가했으며, 이는 개별적인 세굴 깊이 추정 대신 단일 예측 방법의 필요성을 확인시켜 주었습니다. 또한, 국부 세굴 주변의 주변 하상고를 이용한 면적 평균 수축 세굴 깊이 예측 방법을 제안하고, 측정된 흐름 수축비로 분석했습니다. 수직적 흐름 수축과 교대 근처 교각의 존재가 최대 세굴 깊이에 미치는 영향도 조사했습니다. 결과적으로 압력 흐름에서는 측면 및 수직 수축의 조합이 최대 세굴 깊이를 증폭시켰으며, 교각의 존재 유무는 최대 세굴 깊이의 위치에는 영향을 미치지 않지만, 유량 재분배로 인해 세굴량에는 차이를 보였습니다.
Figure 1.1. Ellsworth Barranca Bridge experiencing problem due to scour in Ventura County, California (California Department of Transportation)
3. 서론:
세굴은 하천의 흐름과 지형학적 과정의 복합적인 작용으로 하상 재료가 제거되는 현상입니다. 특히 교량 세굴은 교량 개구부를 통과하는 물에 의해 모래나 암석 같은 하상 재료가 제거되는 것을 의미합니다. 교량이 건설되면 교각 및 교대 주변에 독특한 흐름장이 형성되고, 제방이나 교대로 인한 단면적 수축은 유속을 증가시킵니다. 이러한 흐름은 교량 기초의 매립 깊이를 감소시켜 심각한 손상을 유발할 수 있습니다. 교량 붕괴는 지진, 홍수 등 여러 원인으로 발생하지만, 교량 세굴은 미국에서 가장 흔한 교량 붕괴 원인으로 지목되어 왔습니다. 예를 들어, 1950년 이후 미국 전체 교량 붕괴의 약 60%가 교량 기초 세굴과 관련이 있었습니다. 경제적 관점에서도 1993년 한 해에만 2,500개 이상의 교량이 세굴로 파괴되거나 심각한 손상을 입어 약 1억 7,800만 달러의 복구 비용이 발생했습니다. 이러한 직접적인 비용 외에도 상업 활동 중단으로 인한 간접 비용은 5배 이상으로 추정됩니다. 이처럼 교량 세굴은 전 세계적으로 중요한 교량 안전 문제 중 하나입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인이지만, 세굴 깊이를 정확하게 예측할 수 있는 방정식은 아직 부족합니다. 이로 인해 엔지니어들은 과도한 안전율을 적용하여 기초를 깊게 설계하게 되고, 이는 비경제적인 교량 건설로 이어집니다. 반면, 안전율이 부족하면 홍수 시 기초가 노출될 위험이 커져 안전에 치명적입니다.
기존 연구 현황:
기존의 세굴 예측 공식들은 대부분 이상적인 직사각형 수로와 같은 단순화된 실험실 환경에서 개발되었습니다. 이는 실제 하천의 복잡한 지형과 교량 구조물 주변의 흐름을 제대로 재현하지 못하는 한계가 있습니다. 또한, 현재 FHWA 가이드라인은 수축 세굴과 국부 세굴을 독립적인 과정으로 보고 각각 계산 후 합산하도록 권장하지만, 여러 연구에서 두 과정이 상호작용하며 단순 합산 시 과대 예측될 수 있음을 보여주었습니다.
연구의 목적:
본 연구의 주된 목적은 수축 세굴과 국부 세굴을 별도로 계산하지 않고, 단일 방정식을 사용하여 최대 세굴 깊이를 예측하는 방법을 개발하는 것입니다. 이를 위해 다음과 같은 세부 목표를 설정했습니다. – 다양한 흐름 유형(자유 흐름, 잠긴 오리피스 흐름, 월류 흐름)이 최대 세굴 깊이에 미치는 영향을 평가합니다. – 흐름 수축이 국부 세굴에 미치는 영향을 정량화하는 방법을 개발합니다. – 측면 수축과 수직 수축의 차이를 규명합니다. – 기존에 확립된 세굴 공식을 활용하여 최대 세굴 깊이를 예측하는 개선된 방법론을 개발합니다.
핵심 연구:
연구의 핵심은 실제 하천 지형을 재현한 1:60 축소 교량 모델을 이용한 수리 실험입니다. 실험은 맑은 물 세굴(Clear-water scour) 조건에서 수행되었으며, 다양한 유량과 수심 조건에서 세 가지 흐름 유형(자유, 잠긴 오리피스, 월류)을 모사했습니다. 실험을 통해 얻은 유속 및 하상고 데이터를 분석하여, 흐름 수축비(q₂/q₁)를 핵심 변수로 사용하여 최대 세굴 깊이를 예측하는 경험적 관계식을 도출했습니다. 이 과정에서 널리 사용되는 CSU 공식과 Melville-Sheppard(M/S) 공식을 기준 세굴 깊이로 활용하여, 흐름 수축에 의한 ‘추가 세굴’ 효과를 정량화했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실제 교량(Towaliga 강 교량)의 축소 모형을 이용한 실험적 접근법을 채택했습니다. 실험실 수조 내에 1:60 비율로 축소된 교량 및 하천 지형 모델을 제작하고, 제어된 조건 하에서 다양한 수리 시나리오를 재현했습니다. Froude 수 상사법칙을 사용하여 실험실 모델과 실제 현상 간의 동적 유사성을 확보했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 수집: 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 흐름 단면의 3차원 유속 분포를 측정했습니다. 세굴 전후의 하상고는 ADV와 포인트 게이지를 이용하여 정밀하게 측정되었습니다.
데이터 분석: 측정된 유속과 수심 데이터를 이용하여 상류 접근부와 교량부의 단위 폭당 유량(q₁ 및 q₂)을 계산하고, 이를 통해 흐름 수축비(q₂/q₁)를 도출했습니다. 최대 세굴 깊이와 흐름 수축비 간의 관계를 규명하기 위해 최소자승법을 이용한 회귀 분석을 수행했습니다.
Figure 3.4. Tailgate of the flume to adjust the flow depth downstream
연구 주제 및 범위:
연구는 맑은 물 세굴 조건에 국한되었습니다. 실험은 총 8개의 주요 시나리오(Run 1~8)로 구성되었으며, 유량, 수심, 흐름 유형(자유, 잠긴 오리피스, 월류)을 변화시켰습니다. 또한, 수직 수축의 효과를 명확히 보기 위해 교량 상판이 없는 조건(Run 5, 6)과 교대 근처 교각의 영향을 보기 위해 해당 교각을 제거한 조건(Run 7, 8)도 실험에 포함되었습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
최대 세굴 깊이는 교량의 상류나 하류 단면이 아닌, 교량 구간 내부 중간 지점에서 발생하는 것으로 관찰되었습니다.
최대 세굴 깊이는 ‘이론적 교각 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’의 합으로 표현될 수 있으며, ‘추가 세굴’은 흐름 수축비(q₂/q₁)와 강한 양의 상관관계를 가집니다.
압력 흐름(잠긴 오리피스, 월류)은 동일한 측면 수축 조건의 자유 흐름보다 훨씬 더 깊은 세굴을 유발합니다. 이는 교량 상판에 의한 수직 수축 효과가 더해지기 때문입니다.
CSU 공식과 M/S 공식을 기준 세굴 깊이로 사용했을 때, ‘추가 세굴’ 항의 크기가 다르게 나타났으며, 이는 각 공식이 고려하는 변수(예: 유속 강도, 입자 크기)의 차이에서 기인합니다.
교대 근처 교각의 부재는 최대 세굴 깊이의 위치에는 영향을 주지 않았으나, 유량 재분배로 인해 세굴의 총량은 소폭 증가시켰습니다.
Figure 목록:
Figure 1.1. Ellsworth Barranca Bridge experiencing problem due to scour in Ventura County, California (California Department of Transportation).
Figure 1.2. Scour around bridge piers on the Tinau River, Nepal (Shrestha, 2015).
Figure 3.1. Laboratory model of Towaliga River bridge.
Figure 3.2. Location and view of Towaliga River Bridge
Figure 3.3. Entrance section of the flume
Figure 3.4. Tailgate of the flume to adjust the flow depth downstream
Figure 3.5. Plan view of flume for model construction
Figure 3.6. Geometry of compound channel for (a) plan view; (b) cross section view at bridge when looking downstream
Figure 3.7. Sediment size distribution of the bed material for this study
Figure 4.1. Plan view of velocity measurement locations
Figure 4.2. Approach flow velocity distributions for run 1 when looking downstream.
Figure 4.3. Velocity distributions at upstream face of bridge section for run 1 when looking downstream
Figure 4.4. Comparison between measured laboratory data and observed field data.
Figure 4.5. Bridge cross-section comparison after scour for run 2
Figure 4.6. Photographs of bed after scour for run 2
Figure 4.7. Schematic diagram of notations to calculate maximum scour depth
Figure 4.8. Schematic diagram for calculation of contraction scour using flow depth
Figure 4.9. Normalized additional scour depth using CSU equation as a function of q2/q1.
Figure 4.10. Evaluation of vertical contraction effect using normalized additional scour depth as a function of q2/q1
Figure 4.11. Normalized additional scour depth using M/S equation as a function of q2/q1.
Figure 4.12. Theoretical pier scour depth ratio using CSU and M/S equation in terms of flow intensity.
Figure 4.13. Adjusted ambient bed level after scouring of run 3
Figure 4.14. Normalized additional scour depth using ambient method as a function of q2/q1.
Figure 4.15. Normalized local scour depth due to contraction as a function of q2/q1
Figure 4.16. Normalized area average contraction scour depth as a function of q2/q1.
7. 결론:
본 연구는 기존 교량 세굴 예측 방법의 한계를 극복하기 위해 실제 하천 지형을 반영한 축소 모형 실험을 수행했습니다. 실험 결과, 최대 세굴 깊이는 이론적 교각 세굴과 흐름 수축에 의한 추가 세굴의 합으로 설명될 수 있음을 밝혔습니다. 특히, 교량 상판이 물에 잠기는 압력 흐름 조건에서는 수직 수축 효과로 인해 자유 흐름보다 세굴이 현저히 심화되는 것을 규명했습니다. 이를 바탕으로, 흐름 유형(자유/압력)과 흐름 수축비를 고려하여 최대 세굴 깊이를 단일 방정식으로 예측할 수 있는 새로운 방법론을 개발하고 제안했습니다. 이 방법은 기존의 분리된 계산 방식보다 더 정확하고 신뢰성 있는 예측을 가능하게 하여, 교량 설계의 안전성과 경제성을 향상시키는 데 기여할 수 있습니다.
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전문가 Q&A: 주요 질문에 대한 답변
Q1: 왜 일반적인 직사각형 수조 대신 특정 교량의 1:60 축소 모델을 사용했나요?
A1: 일반적인 직사각형 수조는 실제 하천의 복잡한 흐름 패턴을 재현할 수 없습니다. 본 연구에서는 실제 하천의 복단면 형상과 지형을 정밀하게 모사하여, 현장에서 발생하는 3차원적이고 복합적인 흐름 특성을 실험실에서 구현하고자 했습니다. 이를 통해 실험 결과의 신뢰도를 높이고, Figure 4.4에서 보듯이 실제 현장 관측 데이터와 비교 검증하여 모델의 타당성을 확보할 수 있었습니다.
Q2: 연구에서 제안한 ‘추가 세굴’ 항을 더하는 방식은 기존에 수축 세굴과 국부 세굴을 더하던 방식과 근본적으로 어떻게 다른가요?
A2: 기존 방식은 두 세굴을 완전히 독립적인 현상으로 보고 각각의 공식으로 계산한 뒤 산술적으로 합산했습니다. 반면, 본 연구의 ‘추가 세굴’ 항은 흐름 수축비(q₂/q₁)라는 단일 물리 변수에 대한 경험적 함수로 도출되었습니다. 이는 수축이 국부 세굴에 미치는 ‘상호작용’과 ‘증폭 효과’를 직접적으로 반영하는 항으로, 두 현상을 분리하지 않고 통합된 결과로서 최대 세굴 깊이를 예측한다는 점에서 근본적인 차이가 있습니다.
Q3: Figure 4.10은 압력 흐름이 세굴 깊이 대 수축비 그래프에서 더 가파른 기울기를 만드는 것을 보여줍니다. 물리적인 이유는 무엇인가요?
A3: 이는 측면 수축과 수직 수축의 복합 효과 때문입니다. 자유 흐름에서는 물이 측면으로만 수축되지만, 압력 흐름에서는 교량 상판이 ‘뚜껑’처럼 작용하여 흐름 단면을 수직으로도 제한합니다. 이로 인해 흐름은 측면뿐만 아니라 수직 방향(하상 방향)으로도 강하게 가속되어, 자유 흐름 조건일 때보다 훨씬 더 큰 침식력을 발생시킵니다. 이 추가적인 수직 가속이 그래프에서 더 가파른 기울기로 나타나는 물리적 원인입니다.
Q4: CSU 공식과 M/S 공식을 기준으로 사용했을 때 ‘추가 세굴’ 요소가 다르게 계산되는 이유는 무엇입니까?
A4: 두 공식이 이론적 교각 세굴을 계산할 때 고려하는 변수가 다르기 때문입니다. M/S 공식은 유속 강도(V₂/Vc)나 퇴적물 입자 크기 같은 변수를 이미 포함하고 있어, 본 연구와 같은 맑은 물 세굴 조건에서는 더 보수적인 CSU 공식보다 초기 교각 세굴 깊이를 작게 예측하는 경향이 있습니다. 따라서 동일한 총 측정 세굴 깊이에 도달하기 위해서는, 더 작은 기준값(M/S 공식)을 사용할 때 나머지 ‘추가 세굴’ 항이 상대적으로 더 커져야 합니다.
Q5: 논문에서 언급된 ‘주변 하상고(ambient bed level)’ 방법의 의의는 무엇인가요?
A5: 이 방법은 교각 주변의 국부적인 세굴 구멍과 하상 전체가 낮아지는 수축 세굴을 물리적으로 분리하는 직접 측정 기법입니다. 세굴 발생 후 교각 양쪽의 하상고를 선형으로 연결(보간)하여 국부 세굴이 없었을 때의 가상 하상면을 설정합니다. 이를 통해 두 세굴 요소를 더 물리적으로 타당하게 정량화할 수 있었고, 압력 흐름 조건에서 전체적인 수축 세굴이 실제로 더 크다는 것을 확인하는 데 사용되었습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
부정확한 교량 세굴 예측은 교량의 안전을 위협하고 불필요한 건설 비용을 초래하는 오랜 난제였습니다. 본 연구는 실제 하천의 복잡한 조건과 극한 홍수 상황을 모사한 정밀한 실험을 통해, 흐름 수축과 국부 세굴의 상호작용을 통합적으로 고려하는 새로운 예측 모델을 제시했습니다. 특히 압력 흐름 시 수직 수축 효과가 세굴을 크게 증폭시킨다는 사실을 규명함으로써, 더 안전하고 경제적인 교량 설계의 길을 열었습니다.
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “Prediction of Maximum Scour Depth Using Scaled Down Bridge Model in a Laboratory” (저자: Rupayan Saha) 논문을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Prince Mathews 외 저자의 논문 “Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 결함상 전이 (Defect Phase Transition)
Secondary Keywords: 마그네슘 합금 (Magnesium Alloy), 결정립계 (Grain Boundary), 결함상 다이어그램 (Defect Phase Diagram), 제일원리 계산 (Ab-initio calculation), 원자 시뮬레이션 (Atomic Simulation)
Executive Summary
과제: 자동차 및 항공우주 산업에서 주목받는 마그네슘(Mg) 합금의 강도, 연성 등 기계적 물성을 향상시키기 위해서는 재료의 미세구조, 특히 결정립계(Grain Boundary)에 대한 정밀한 제어가 필수적입니다.
해결 방법: 제일원리(Ab-initio) 시뮬레이션과 효율적인 스크리닝 기법을 결합하여, 특정 Mg 결정립계(Σ7)가 응력, 온도, 그리고 갈륨(Ga) 첨가에 따라 어떻게 변화하는지를 원자 수준에서 분석했습니다.
핵심 돌파구: 갈륨(Ga) 첨가가 결정립계의 구조를 T-type에서 A-type으로 변화시킬 뿐만 아니라, 더 높은 농도에서는 Ga 원자가 선호하는 위치 자체를 바꾸는 두 번째 ‘결함상 전이’를 유도한다는 사실을 최초로 규명했습니다.
결론: 본 연구는 특정 합금 원소를 전략적으로 첨가하여 결정립계 구조를 의도적으로 설계하는 ‘결정립계 공학(Grain-Boundary Engineering)’의 새로운 가능성을 제시하며, 이는 맞춤형 기계적 특성을 가진 차세대 Mg 합금 개발의 핵심이 될 것입니다.
과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
자동차 및 항공우주 분야에서 경량화는 연비 향상과 직결되는 핵심 과제입니다. 마그네슘(Mg) 합금은 이러한 요구에 부응할 수 있는 잠재력을 가졌지만, 강도, 연성, 파괴 인성 등 기계적 물성의 한계로 인해 적용이 제한적이었습니다. 재료의 기계적 특성은 원자들의 배열, 특히 결정립과 결정립이 만나는 경계면인 ‘결정립계(Grain Boundary)’의 구조에 의해 크게 좌우됩니다.
결정립계는 외부 조건(응력, 온도)이나 화학적 조성(합금 원소)에 따라 원자 배열이 달라질 수 있는데, 이러한 각기 다른 안정한 구조를 ‘결함상(Defect Phase)’이라고 합니다. 하나의 결함상에서 다른 결함상으로 바뀌는 ‘결함상 전이’는 재료의 전체적인 기계적 성능을 바꿀 수 있는 핵심적인 현상입니다. 따라서, 더 우수한 Mg 합금을 설계하기 위해서는 이러한 결함상 전이 메커니즘을 원자 수준에서 이해하고 제어하는 기술이 반드시 필요합니다.
Figure 1: Motifs of (a) T type and (b) A type 7 GB along with the considered segregation sites at the GB. The experimental structures observed for the 7 GB in (c) pure Mg with the T type structure and (d) with Ga segregation with the A type structure.
접근법: 연구 방법론 분석
본 연구팀은 hcp(육방정계) 구조를 가진 Mg의 Σ7 대칭 경사 결정립계(symmetric tilt grain boundary)를 대상으로 결함상 전이를 심층적으로 분석했습니다. 이 결정립계에는 두 가지 주요 구조 유형(결함상), 즉 A-type과 T-type이 존재하는 것으로 알려져 있습니다. 연구팀은 다음과 같은 최첨단 계산과학 및 실험적 방법을 결합하여 사용했습니다.
제일원리 계산 (Ab-initio Simulations): VASP(Vienna Ab initio Simulation Package)를 사용하여 양자역학 원리에 기반한 매우 정확한 원자 구조 및 에너지 계산을 수행했습니다. 이를 통해 응력과 합금 원소 첨가에 따른 결정립계의 안정성을 평가했습니다.
준조화 근사 (Quasi-harmonic Approximation): Phonopy 패키지를 활용하여 온도가 결정립계의 자유 에너지와 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석했습니다.
효율적인 스크리닝 기법: 높은 농도의 합금 원소가 존재할 때 발생할 수 있는 수많은 원자 배열 조합을 모두 제일원리 계산으로 분석하는 것은 현실적으로 불가능합니다. 이를 해결하기 위해, 계산 속도가 빠른 분자 동역학(MEAM 포텐셜)을 사용하여 수천 개의 후보 구조를 미리 스크리닝하고, 가장 안정적인 구조들만을 선별하여 정밀한 제일원리 계산을 수행하는 효율적인 접근법을 채택했습니다.
실험적 검증: 주사 투과 전자 현미경(STEM)을 이용하여 순수 Mg와 Ga가 첨가된 Mg의 실제 결정립계 구조를 원자 수준에서 직접 관찰함으로써, 시뮬레이션 예측 결과의 신뢰성을 검증했습니다.
돌파구: 주요 발견 및 데이터
발견 1: 갈륨(Ga)에 의해 유도되는 구조적 결함상 전이
시뮬레이션과 실험을 통해 Σ7 결정립계의 안정성은 화학적 환경에 매우 민감하다는 사실이 밝혀졌습니다.
순수 Mg의 경우, 상온에서는 T-type 구조가 더 안정적인 것으로 나타났습니다 (그림 1c).
그러나 소량의 갈륨(Ga) 원자가 결정립계에 첨가되자, 구조는 A-type으로 완전히 바뀌었습니다 (그림 1d). 이는 시뮬레이션에서 예측된 ‘화학적으로 유도된 결함상 전이’가 실제 현상임을 명확히 보여주는 결과입니다.
추가적인 시뮬레이션(그림 3)을 통해, Mg 원자보다 크기가 작은 Al, Ga과 같은 용질 원자는 A-type 구조를 안정화시키는 반면, 크기가 큰 Ca, Gd과 같은 원자는 T-type 구조를 안정화시키는 경향이 있음을 확인했습니다. 이는 합금 원소의 원자 크기가 결정립계 구조를 제어하는 핵심 인자임을 시사합니다.
발견 2: 고농도에서 발생하는 새로운 유형의 결함상 전이: 편석 위치 선호도 변화
연구팀은 Ga 농도를 높여가며 ‘결함상 다이어그램(Defect Phase Diagram, DPD)’을 작성하여, 더 복잡하고 흥미로운 현상을 발견했습니다 (그림 4a).
1단계 전이: 매우 낮은 Ga 농도(ΔμGa > -0.592 eV)에서 결정립계는 순수 Mg의 T-type에서 Ga가 a1 위치에 자리 잡은 A-type으로 전이합니다.
2단계 전이: Ga 농도가 특정 지점(ΔμGa = -0.32 eV)을 넘어서면서, Ga 원자들이 선호하는 위치가 기존의 a1 사이트에서 a3 사이트로 체계적으로 이동하는 현상이 관찰되었습니다. 이는 용질 원자들 간의 상호작용(solute-solute interactions)에 의해 발생하는 새로운 유형의 결함상 전이입니다.
이 발견은 소량의 합금 원소가 첨가된 희석 합금(dilute alloy)의 거동만으로는 고농도 합금의 특성을 예측할 수 없으며, 용질 원자 간의 상호작용이 재료 특성에 결정적인 영향을 미친다는 것을 의미합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
공정 엔지니어 (합금 설계자): 이 연구는 합금 원소의 종류(특히 원자 크기)를 선택하여 결정립계 구조를 의도적으로 제어할 수 있음을 보여줍니다. 예를 들어, 소량의 Ga를 첨가하여 결정립계 구조를 T-type에서 A-type으로 전환함으로써 재료의 변형 거동과 같은 기계적 특성을 바꿀 수 있습니다.
품질 관리팀: 논문의 결함상 다이어그램(그림 4a)은 합금의 화학적 조성(Ga의 화학 포텐셜)과 안정적인 결정립계 구조 사이의 관계를 보여주는 이론적 지도를 제공합니다. 이는 Mg-Ga 합금에서 관찰되는 미세구조적 특징을 예측하고 해석하는 데 도움을 주며, 기계적 성능의 편차와 연관 지을 수 있는 기준을 제시할 수 있습니다.
설계 엔지니어 (재료 과학자): 고농도에서 발생하는 ‘편석 위치 선호도 변화’의 발견은 매우 중요합니다. 이는 고농도 합금을 설계할 때 단순히 희석 합금의 데이터를 외삽해서는 안 된다는 것을 경고합니다. 정확한 최종 결정립계 구조와 그에 따른 물성을 예측하고 공학적으로 제어하기 위해서는 용질 원자 간의 상호작용을 반드시 고려해야 합니다.
논문 상세 정보
Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries
1. 개요:
제목: Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries
저자: Prince Mathews, Siyuan Zhang, Christina Scheu, Rebecca Janisch, Jörg Neugebauer, Tilmann Hickel
결함상 연구는 나노구조 금속 및 합금 설계에 중요합니다. 결정립계(GB)는 변형성 및 강도와 같은 재료 특성에 직접적인 영향을 미치는 결함의 한 종류입니다. 동시에, 합금화는 GB 상변태를 유도하여 기계적 성능을 변경할 수 있습니다. 본 연구에서는 hcp Mg의 Σ7 (1230) [0001] 21.78° 대칭 경사 GB의 결함상을 조사합니다. 응력과 온도의 함수로서 제일원리 시뮬레이션(준조화 근사 사용)을 수행하고, 다양한 유형의 상변태를 밝혀냅니다. 이를 위해, 경험적 포텐셜과 정확한 제일원리 계산을 결합한 효율적인 스크리닝 접근법을 사용하여 Ga 첨가 예시에 대한 결함상의 화학적 자유도의 영향을 연구합니다. 결함상 다이어그램 개념을 활용하여 T에서 A 구조 유형으로의 상변태와 편석 위치 선호도의 체계적인 전이를 밝혀냅니다. 결과는 주사 투과 전자 현미경 관찰과 정성적으로 잘 일치합니다. 근본적인 물리적 메커니즘은 금속 합금의 결정립계 공학에 영향을 미칩니다.
3. 서론:
자동차 및 항공우주 분야의 잠재적 재료로서, 다양한 Mg 합금은 항복 강도, 연성 및 파괴 인성과 같은 기계적 특성을 개선하기 위해 탐구되고 있습니다. 결정립계(GB)는 재료의 기계적 특성에 강한 영향을 미치는 것으로 알려진 결함입니다. GB는 다른 조건(응력, 온도 또는 화학 조성)에 노출될 때 다른 원자 구성을 가질 수 있으며, 이는 결함상 또는 컴플렉션(complexion)으로 불립니다. 이러한 결함상은 결함 환경 내에서 국부적으로만 존재할 수 있지만, 여전히 벌크상과 동일한 열역학 원리를 따르며 한 결함상에서 다른 결함상으로 전이할 수 있습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
마그네슘 합금은 경량화가 요구되는 산업 분야에서 중요한 재료이지만, 기계적 물성 향상이 필요합니다. 재료의 물성은 결정립계의 원자 구조(결함상)에 크게 의존하며, 합금 원소 첨가는 이러한 결함상을 변화시킬 수 있습니다.
이전 연구 현황:
순수 금속에서의 응력 또는 온도에 의한 결함상 전이는 보고된 바 있으나, 합금 원소, 특히 높은 농도의 용질이 결함상 전이에 미치는 영향에 대한 체계적인 연구는 부족했습니다. 특히 Mg-Ga 시스템에 대한 연구는 매우 제한적이었습니다.
연구 목적:
본 연구는 Mg의 Σ7 결정립계를 모델 시스템으로 사용하여 응력, 온도, 그리고 화학적 조성(Ga 첨가)이 결함상 안정성과 전이에 미치는 영향을 규명하는 것을 목표로 합니다. 궁극적으로는 합금 설계를 위한 ‘결함상 다이어그램’을 구축하고자 합니다.
핵심 연구:
순수 Mg의 Σ7 결정립계(A-type, T-type)의 안정성을 응력과 온도의 함수로 분석.
희석 한계(dilute limit)에서 Ga, Al, Ca, Gd 등 다양한 용질 원소의 편석 거동 및 구조 안정화 효과 분석.
희석 한계를 넘어선 고농도 Ga 편석 시 발생하는 결함상 전이를 체계적으로 탐색하고, Ga 화학 포텐셜에 따른 결함상 다이어그램(DPD) 구축.
5. 연구 방법론
연구 설계:
이 연구는 계산 시뮬레이션과 실험적 검증을 결합한 방식으로 설계되었습니다. 주된 분석은 제일원리 계산(DFT)을 통해 이루어졌으며, 계산 효율성을 높이기 위해 분자 동역학(MS) 기반의 스크리닝 단계를 포함했습니다. 최종적으로 시뮬레이션 결과는 STEM 관찰을 통해 검증되었습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
시뮬레이션: VASP(DFT), LAMMPS(MS), Phonopy(포논 계산) 코드를 사용. 응력, 온도, Ga 농도를 변수로 설정하여 각 조건에서 시스템의 총 에너지를 계산하고, 이를 통해 결정립계 에너지(GBE), 편석 에너지(Eseg), 형성 에너지(Ef)를 계산하여 안정성을 비교 분석했습니다.
실험: Titan Themis STEM을 사용하여 300kV에서 원자 분해능 이미지를 촬영. Ga가 첨가된 시편은 Ga 이온빔(FIB)으로, 순수 Mg 시편은 Xe 이온빔으로 제작하여 Ga 오염의 영향을 배제했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 hcp Mg의 Σ7 (1230) [0001] 21.78° 대칭 경사 결정립계에 국한되었습니다. 합금 원소로는 Ga를 중심으로 Al, Ca, Gd이 비교 분석에 사용되었습니다. Ga 농도는 단일 원자부터 구조 단위당 최대 6개 원자까지 체계적으로 증가시키며 분석했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
순수 Mg의 Σ7 결정립계는 0K에서는 T-type이 안정하지만, 8 MPa 이상의 압축 응력 또는 450 K 이상의 온도에서는 A-type이 더 안정해지는 결함상 전이를 보입니다.
Mg보다 원자 크기가 작은 Ga와 Al은 A-type 결정립계를 안정화시키고, Mg보다 큰 Ca와 Gd은 T-type을 안정화시킵니다. Ga 첨가에 의한 A-type 안정화는 STEM 실험으로 직접 확인되었습니다.
Ga 농도에 따른 결함상 다이어그램(DPD)을 통해 두 가지 주요 화학적 유도 결함상 전이가 확인되었습니다: (1) T-type에서 A-type으로의 구조적 전이, (2) 고농도에서 Ga 원자의 선호 편석 위치가 a1에서 a3로 바뀌는 위치적 전이.
Figure 2: GBE as a function of (a) stress in the direction normal to the GB (x direction) and (b) temper-
ature. The inset plot in (a) shows the GBEs close to xx = 0 MPa. GBEs for the A and T type have been
plotted in red and black, respectively, in both plots.
Figure 목록:
Figure 1: Motifs of (a) T type and (b) A type Σ7 GB along with the considered segregation sites at the GB. The experimental structures observed for the Σ7 GB in (c) pure Mg with the T type structure and (d) with Ga segregation with the A type structure.
Figure 2: GBE as a function of (a) stress in the direction normal to the GB (x direction) and (b) temperature. The inset plot in (a) shows the GBEs close to σxx = 0 MPa. GBEs for the A and T type have been plotted in red and black, respectively, in both plots.
Figure 3: Single-atom segregation energy for different solutes at sites in the (a) A and (b) T type GB structures. The segregation energies calculated by DFT have been labeled as “DFT”, while the segregation energies calculated by molecular statics have been labeled as “MEAM” in both plots.
Figure 4: (a) Defect phase diagram for the Mg Σ7 GB plotted as a function of ΔμGa = μGa – μGa_bulk. The structure type of the GB is mentioned in square brackets after the sites occupied by Ga atoms, and the number of sites mentioned represent the number of Ga atoms at the GB. (b) Energy of formation for the lowest energy configurations with successive filling of Ga atoms at sites at the GB starting from site a1 (green) and a3 (blue). The sites mentioned for each configuration represent the number of Ga sites at the GB. ΔμGa = 0 eV represents the chemical potential of Ga bulk and the vertical dashed line at ΔμGa = -0.45 eV represents the chemical potential of the Mg5Ga2 phase in both plots.
Figure A.5: Segregation energies calculated for the upscaled configurations for (a) 2 Ga atoms at the GB, (b) 6 Ga atoms at the GB. The labels in the x-axis refer to the sites occupied by Ga.
7. 결론:
Mg-Ga 합금 시스템을 예시로 결함상 다이어그램을 구축하고 가능한 결함상 전이를 탐색했습니다. Σ7 결정립계를 대상으로 한 연구의 주요 결과는 다음과 같습니다.
두 결함상(A-type, T-type)의 안정성은 응력과 온도의 함수로 연구되었으며, 압축 응력과 450K 이상의 온도에서 A-type이 안정화되는 1차 결함상 전이가 보고되었습니다.
Ga, Al, Ca, Gd의 편석을 연구한 결과, Mg보다 작은 원자(Al, Ga)는 A-type을, 큰 원자(Ca, Gd)는 T-type을 안정화시켰습니다. Ga 편석에 의한 A-type 안정화는 STEM으로 실험적으로 확인되었습니다.
Ga 화학 포텐셜의 함수로 DPD를 구축했으며, 이를 통해 Ga 편석 선호도가 a1 사이트에서 a3 사이트로 체계적으로 변하는 두 번째 화학적 유도 결함상 전이를 발견했습니다.
용해도 한계를 고려할 때, 1개 이상의 원자 편석은 과포화 상태에서만 발생하며, 평형 상태는 Mg5Ga2 석출물과 함께 1개 원자가 편석된 상태로 확인되었습니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 고농도 용질 연구에서 Mg-Ga 대신 Mg-Al 경험적 포텐셜을 프록시(proxy)로 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: 논문에 따르면, 연구 당시 Mg-Ga에 대한 신뢰성 있는 이원계 경험적 포텐셜이 존재하지 않았습니다. 하지만 그림 3에서 볼 수 있듯이, Al과 Ga는 원자 크기가 비슷하고 Mg보다 작기 때문에 희석 한계에서 매우 유사한 편석 거동을 보였습니다. 이러한 유사성에 근거하여, 사용 가능한 Mg-Al MEAM 포텐셜을 활용해 수천 개에 달하는 원자 배열 조합을 효율적으로 사전 스크리닝할 수 있었습니다. 이 실용적인 접근법 덕분에 계산 비용이 많이 드는 제일원리 계산(DFT)을 가장 가능성 있는 구조에만 집중하여 수행할 수 있었습니다.
Q2: 논문에서 순수 Mg 결정립계의 전이 온도가 약 450K라고 언급했는데, 이것이 어떤 의미를 가지나요?
A2: T-type 구조는 저온에서 더 안정적이지만, 온도가 증가함에 따라 A-type의 자유 에너지가 더 가파르게 감소합니다. 약 450K에서의 전이(그림 2b)는 비교적 접근하기 쉬운 온도 범위(400-550K) 내에서 두 구조 모두 실험적으로 관찰될 수 있음을 시사합니다. 이처럼 두 구조의 에너지가 근접해 있다는 것은 결정립계 구조가 열적 조건에 민감하다는 것을 의미하며, 이는 결함상 전이의 핵심적인 특징입니다.
Q3: 고농도에서 Ga 편석 선호 위치가 a1에서 a3로 바뀌는 물리적인 이유는 무엇인가요?
A3: 논문은 이 변화의 원인을 용질-용질 간 상호작용(solute-solute interactions)으로 설명합니다. 희석 한계, 즉 Ga 원자가 하나만 있을 때는 a1 사이트가 에너지적으로 가장 유리합니다. 하지만 결정립계에 더 많은 Ga 원자가 추가되면서 원자들 간의 상호작용이 에너지 지형을 바꾸게 됩니다. 그 결과, 여러 개의 Ga 원자를 수용하기에 더 유리한 확장 사이트(extension site)인 a3가 새로운 선호 위치가 되는 것입니다. 이는 고농도에서의 거동이 단순히 희석 시스템으로부터 추론될 수 없음을 보여주는 중요한 결과입니다.
Q4: 그림 1의 실험 결과가 시뮬레이션과 완벽하게 일치하는 것 같습니다. 그림 1d의 A-type 구조는 실험적으로 어떻게 만들어졌나요?
A4: 논문에 따르면 A-type 구조를 가진 시편은 갈륨(Ga+) 이온 소스를 사용하는 집속 이온빔(FIB)으로 제작되었습니다. 이 제작 방법은 필연적으로 시편에 Ga 원자를 주입하게 되고, 이 원자들이 결정립계로 이동하여 편석됩니다. 바로 이 Ga 장식(decoration) 현상이 원래의 T-type 구조를 관찰된 A-type으로 바꾸는 ‘화학적으로 유도된 상전이’를 일으킨 것입니다. 이는 시뮬레이션 예측에 대한 직접적인 실험적 증거가 됩니다. 참고로 T-type 구조는 Ga 오염을 피하기 위해 제논(Xe) 빔으로 제작된 시편에서 관찰되었습니다.
Q5: 그림 4a에서 높은 Ga 화학 포텐셜에서 형성 에너지가 0 아래로 떨어지는데, 이는 무엇을 의미하나요?
A5: 형성 에너지가 0보다 낮다는 것은 발열 과정(exothermic process)을 의미합니다. 즉, 시스템이 결정립계를 Ga 원자로 장식함으로써 에너지를 방출한다는 뜻입니다. 이처럼 강력한 에너지적 구동력은 높은 Ga 농도에서 결정립계가 Ga 원자들의 싱크(sink) 역할을 함을 시사합니다. 논문은 이 과정에서 얻는 에너지가 Mg5Ga2와 같은 금속간화합물상의 핵 생성 장벽을 극복하는 데 도움을 줄 수 있다고 제안합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
마그네슘 합금의 기계적 물성을 제어하는 핵심은 미세구조, 특히 결정립계를 이해하는 데 있습니다. 본 연구는 최첨단 시뮬레이션을 통해 합금 원소 첨가에 따른 결함상 전이 메커니즘을 규명함으로써, 재료 설계의 새로운 패러다임을 제시했습니다. 갈륨(Ga) 첨가가 단순히 결정립계 구조를 바꾸는 것을 넘어, 농도에 따라 선호하는 위치까지 바꾸는 복합적인 현상을 밝혀낸 것은 ‘결정립계 공학’을 통해 재료의 특성을 원자 수준에서 정밀하게 튜닝할 수 있음을 보여줍니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.
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연락처 : 02-2026-0450
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “Prince Mathews” 외 저자의 논문 “Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Yasser Moussa와 Mahoud Atta가 2020년 GRAĐEVINAR에 발표한 논문 “Simulation of Scour at Bridge Supports”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴 시뮬레이션
Secondary Keywords: 교량 지지대 세굴, CFD, 수치 해석, 유체 역학, SSIIM 모델, 교각 그룹 배열, 국소 세굴 깊이
Executive Summary
The Challenge: 교량 지지대 주변에서 발생하는 과도한 세굴(scour) 현상은 기초의 안정성을 심각하게 저해하여 교량 손상 및 붕괴의 주요 원인이 됩니다.
The Method: 본 연구는 개수로(open channel)에서의 실험과 3D CFD(전산유체역학) 수치 모델링(SSIIM 모델)을 병행하여, 다양한 교각 배열에 따른 세굴 발생 메커니즘을 분석했습니다.
The Key Breakthrough: 단일 교각보다 여러 개의 교각을 그룹으로 배열할 경우 세굴 깊이가 최대 30%까지 감소했으며, 교각 간의 종방향 및 횡방향 간격이 세굴 감소에 결정적인 영향을 미친다는 사실을 규명했습니다.
The Bottom Line: 최적화된 교각 그룹 배열은 교량의 구조적 안정성을 크게 향상시킬 수 있으며, CFD 시뮬레이션은 이러한 최적 설계를 위한 강력하고 신뢰성 높은 예측 도구임이 입증되었습니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량은 국가의 핵심 기반 시설이지만, 유수의 흐름으로 인해 교각 기초 주변의 토사가 침식되는 ‘세굴’ 현상에 항상 노출되어 있습니다. 1996년부터 2005년까지 미국에서만 1,400개 이상의 교량이 세굴 문제로 파괴되었을 정도로 이는 심각한 문제입니다. 특히, 여러 개의 교각으로 구성된 교량의 경우, 교각들 사이에서 발생하는 복잡한 와류(vortex) 상호작용 때문에 세굴 현상을 예측하기가 훨씬 더 어렵습니다. 기존의 예측 모델들은 주로 단일 교각에 초점을 맞추고 있어, 실제 다중 교각 구조물의 안전성을 정확히 평가하는 데 한계가 있었습니다. 따라서 교각의 배열과 간격이 세굴에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 정확히 예측할 수 있는 신뢰성 있는 방법론의 개발이 시급한 과제였습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 실험과 시뮬레이션의 상호 보완적인 접근 방식을 채택하여 연구 결과의 신뢰도를 높였습니다.
실험 연구: 길이 16.2m, 폭 65cm의 직사각형 개수로 실험 장치를 사용했습니다. 수로 바닥에는 평균 입경 1.4mm의 균일한 모래를 0.12m 깊이로 깔아 실제 하천 바닥과 유사한 환경을 조성했습니다. 연구진은 단일 교각, 2×1 배열(교각 3개), 1×2 배열(교각 3개), 2×2 배열(교각 4개) 등 네 가지 교각 배열 모델을 설치하고, 유속을 변화시키며 각 조건에서 발생하는 세굴 깊이를 정밀하게 측정했습니다.
수치 모델링: 3D CFD 소프트웨어인 SSIIM 모델을 사용하여 수류 및 유사 이동을 시뮬레이션했습니다. 유한 체적법(FVM)을 기반으로 Navier-Stokes 방정식을 해석했으며, 난류 모델로는 k-ε 모델을 적용했습니다. 교각 주변에는 정밀한 해석을 위해 미세 격자(fine cells)를, 그 외 영역에는 계산 효율을 위해 성긴 격자(coarser cells)를 사용하는 구조적 격자망을 구성하여(총 350x170x17 요소) 정확도와 효율성을 동시에 확보했습니다.
Figure 1. General view of laboratory apparatus and flow direction
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험과 시뮬레이션을 통해 교각 배열이 세굴 깊이에 미치는 영향에 대한 중요한 발견들이 이루어졌습니다.
Finding 1: 교각 그룹 배열이 단일 교각보다 세굴 방지에 월등히 효과적
연구 결과, 모든 교각 그룹 배열은 단일 교각에 비해 국소 세굴 깊이를 현저히 감소시키는 것으로 나타났습니다. 최적의 간격으로 배치되었을 때, 각 배열별 세굴 깊이 감소율은 다음과 같습니다. – 1×2 배열: 단일 교각 대비 20% 감소 – 2×1 배열: 단일 교각 대비 30% 감소 – 2×2 배열: 단일 교각 대비 24% 감소
이는 상류 측 교각이 희생 파일(sacrificial pile) 역할을 하여 하류 측 교각으로 향하는 유속과 와류의 에너지를 약화시키기 때문입니다. 이 결과는 교각을 그룹으로 설계하는 것이 교량의 장기적인 안정성 확보에 매우 유리함을 시사합니다.
Finding 2: 교각 간격이 세굴 깊이를 결정하는 핵심 변수
교각 그룹 내에서 교각 간의 상대적 거리는 세굴 깊이에 지대한 영향을 미쳤습니다. – 1×2 배열 (흐름 방향으로 길게 배치): 흐름 방향의 간격(x₀)이 멀어질수록 세굴 깊이가 감소했습니다. 이는 상류 교각이 하류 교각을 효과적으로 보호하는 ‘차폐 효과’가 커지기 때문입니다. – 2×1 및 2×2 배열 (흐름에 수직 방향으로 넓게 배치): 흐름에 수직인 방향의 간격(y₀)이 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미쳤습니다. 간격이 너무 좁으면 교각 사이에서 와류가 강하게 집중되어 오히려 세굴이 심화될 수 있으며, 적절한 간격을 유지하는 것이 중요합니다.
본 연구는 이러한 관계를 정량화하여 각 배열에 대한 최적의 간격을 제시하고, 이를 바탕으로 Froude 수와 교각 간격비를 변수로 하는 새로운 경험적 예측 방정식을 개발했습니다. 이 방정식들은 실험 데이터와 95% 이상의 높은 결정계수(R²)를 보이며 뛰어난 예측 정확도를 입증했습니다.
Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)
Practical Implications for R&D and Operations
For Civil/Hydraulic Engineers: 본 연구는 교각 그룹의 최적 배열과 간격이 세굴을 최대 30%까지 줄일 수 있음을 보여줍니다. 이는 교량 기초 설계 시 안전성을 높이고 잠재적으로는 건설 비용을 절감할 수 있는 구체적인 가이드라인을 제공합니다.
For Structural Integrity Teams: 논문의 데이터(예: Figure 7, 10, 13)는 Froude 수와 교각 간격에 따라 세굴 깊이가 어떻게 변하는지를 명확히 보여줍니다. 이는 기존 교량의 안전성 평가 및 유지보수 계획 수립 시 중요한 참고 자료가 될 수 있습니다.
For Bridge Design Engineers: 연구 결과는 초기 설계 단계에서부터 교각의 배열을 단순한 하중 분산 목적이 아닌, 수리적 안정성을 고려한 적극적인 세굴 방지 요소로 활용할 수 있음을 시사합니다. 특히 CFD 시뮬레이션은 다양한 설계안의 세굴 위험도를 사전에 평가하는 데 매우 유용한 도구가 될 수 있습니다.
Paper Details
Simulation of Scour at Bridge Supports
1. Overview:
Title: Simulation of Scour at Bridge Supports
Author: Yasser Moussa, Mahoud Atta
Year of publication: 2020
Journal/academic society of publication: GRAĐEVINAR 72 (9)
Keywords: local scour, hydraulic structure, piers, group of piles, SSIM
2. Abstract:
Groups of piers are used on bridges to minimise scour around bridge supports. The prediction of scour around piers due to interaction of vortices around bridge piers is more complex compared to scour prediction around a single pier. Four arrangements of bridge piers with different spaces in the lateral and longitudinal directions are investigated under clear water conditions to observe scour generation around bridge foundations. The experimental study is performed in a rectangular open channel. A 3D numerical study based on fluid dynamics is also conducted. Results show that different pier group arrangements produce smaller scour holes than a single pier.
3. Introduction:
교량 지지대 주변의 과도한 세굴은 기초의 침하를 증가시키고 교각 및 교대에 손상을 일으킬 수 있습니다. 세굴은 일반적으로 일반 세굴, 수축 세굴, 국소 세굴의 세 가지 유형으로 분류됩니다. 국소 세굴은 교량 기초에서 발생하며, 교각 및 교대의 배열, 흐름 특성 및 형상에 따라 달라지는 동적 과정입니다. 파일 그룹은 하천 및 해양 구조물을 지지하는 기초로 널리 사용되며, 이러한 파일 주변의 세굴은 교량의 하중 저항 능력을 감소시켜 위험을 초래할 수 있습니다. 본 논문은 교량 교각의 횡방향 및 종방향 간격을 변화시켜가며 교량 기초에서 형성되는 세굴에 미치는 영향을 실험적 및 수치적으로 규명하는 것을 목표로 합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교량 지지대 주변의 세굴 현상은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 요인입니다. 특히 여러 개의 교각으로 이루어진 교량의 경우, 교각 간 와류의 상호작용으로 인해 세굴 예측이 매우 복잡해집니다.
Status of previous research:
많은 연구가 단일 교각 주변의 세굴 형성에 초점을 맞추어 왔으며(예: HEC-18 방정식), 교각 그룹의 세굴에 대한 연구는 상대적으로 제한적이었습니다. 일부 연구에서 교각 그룹의 배열이 세굴에 영향을 미친다는 점을 보고했지만, 횡방향 및 종방향 간격을 체계적으로 변화시키며 그 효과를 정량적으로 분석한 연구는 부족했습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 네 가지 다른 교각 배열(단일, 2×1, 1×2, 2×2)에서 횡방향 및 종방향 간격을 변화시켰을 때 국소 세굴의 생성에 미치는 영향을 실험과 3D CFD 시뮬레이션을 통해 명확히 규명하는 것입니다.
Core study:
핵심 연구 내용은 개수로 실험을 통해 다양한 교각 배열 및 간격 조건에서 세굴 깊이를 측정하고, 이 결과를 3D CFD 모델(SSIIM)의 시뮬레이션 결과와 비교 검증하는 것입니다. 이를 통해 교각 배열이 세굴에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 세굴 깊이를 예측할 수 있는 새로운 경험적 방정식을 제안했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실험적 연구와 수치적 시뮬레이션을 결합한 설계 방식을 채택했습니다. 네 가지 교각 배열(단일 교각, 2×1, 1×2, 2×2 그룹)을 대상으로 횡방향(y) 및 종방향(x) 간격을 체계적으로 변경하며 각 조건에서의 세굴 깊이를 측정하고 분석했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
실험 데이터: 개수로에서 6시간 동안 실험을 진행하여 평형 세굴 깊이의 85% 이상에 도달한 후, 0.10mm 정확도의 포인트 게이지를 사용하여 하상 지형과 세굴 깊이를 측정했습니다. Froude 수는 0.20에서 0.60 범위에서 다양하게 적용되었습니다.
수치 데이터: 3D CFD 모델인 SSIIM을 사용하여 유속, 압력, 난류 에너지, 세굴 깊이 등을 계산했습니다. 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 비교하여 검증되었으며, 평균 절대 오차는 약 5%로 높은 신뢰도를 보였습니다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 맑은 물 조건(clear-water conditions) 하에서의 국소 세굴로 한정됩니다. 교각의 형상은 직사각형이며, 총 단면적은 모든 배열에서 동일하게 유지되었습니다. 연구는 교각의 배열(arrangements)과 교각 간의 상대적 간격(spacing)이 세굴 깊이에 미치는 영향에 초점을 맞추었습니다.
6. Key Results:
Key Results:
모든 교각 그룹 배열은 단일 교각보다 작은 세굴공을 생성했습니다.
최적의 배열 조건에서 1×2, 2×1, 2×2 교각 그룹은 단일 교각 대비 세굴 깊이를 각각 20%, 30%, 24% 감소시켰습니다.
1×2 교각 그룹에서는 흐름 방향의 간격(종방향)이 세굴 깊이에 지배적인 영향을 미쳤습니다.
2×1 및 2×2 교각 그룹에서는 흐름에 수직인 방향의 간격(횡방향)이 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미쳤습니다.
각 교각 배열에 대해 세굴 깊이를 예측하는 새로운 경험적 방정식이 제안되었으며, 이는 실험 데이터와 높은 상관관계(R² > 0.94)를 보였습니다.
3D CFD 모델(SSIIM)의 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 잘 일치하여, 교각 주변 세굴 현상을 예측하는 데 유용한 도구임이 입증되었습니다.
Figure List:
Figure 1. General view of laboratory apparatus and flow direction
Figure 2. Arrangements of experimental models
Figure 3. Layout of model grids
Figure 4. One pier case: Relationship between Ft and ds/yt for different w/l
Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)
Figure 6. Predicted results of Eq. (9) versus measured data for different w/l
Figure 7. Relationship between F₁ = and d/y, for case of 2×1 and different x and yo
Figure 8. Average velocity vectors around piers away from bed by 0.01 of water depth for F₁ = 0.50: a) x = 0,58, y = 0,58; b) x = 1,16, y = 0,58; c) x = 0,58, y = 1,16
Figure 9. Measured versus predicted of Eq. (10) for case of 2×1 arrangements
Figure 10. Relationship between F₁ and d/y, for case of 1×2 and different x and yo
Figure 11. Average velocity vectors around piles (Case of 1×2 arrangements) away from bed by 0.01 of water depth for F₁ = 0.50
Figure 12. Measured versus predicted (Eq. (11)) for case of 1×2 arrangements
Figure 13. The relationship between F, and d/y, for case of 2×2 and different x and yo
Figure 14. Average velocity vectors around piers (Case of 1×2 arrangements) away from bed by 0.01 of water depth for F₁ = 0.50: a) x = 0,5, y = 0,5; b) x = 0,50, y = 1,0; c) x = 1,5, y = 0,50
Figure 15. Measured versus predicted results of Eq. (12) for case of 2×2 arrangements
Figure 16. Verification of numerical model for different cases of a) w/l (relative widths of one pier case), and b) arrangements of pier groups
7. Conclusion:
본 연구는 실험과 수치 해석을 통해 교각의 배열과 간격이 국소 세굴 깊이에 미치는 영향을 성공적으로 규명했습니다. 연구 결과, 단일 교각보다 최적화된 교각 그룹을 사용하는 것이 세굴을 최소화하는 데 훨씬 효과적임을 입증했습니다. 특히, 2×1 배열에서 최대 30%의 세굴 깊이 감소 효과를 확인했습니다. 또한, 흐름 방향에 따른 교각 간격(1×2 배열)과 흐름에 수직인 교각 간격(2×1, 2×2 배열)이 각각 세굴에 미치는 지배적인 영향이 다름을 밝혔습니다. 본 연구에서 제안된 경험적 예측 방정식들은 실험 데이터와 잘 일치했으며, 3D CFD 모델 역시 실험 결과를 성공적으로 재현하여 그 신뢰성을 입증했습니다. 이러한 결과들은 교량 기초 설계 시 안전성과 경제성을 동시에 향상시킬 수 있는 중요한 공학적 지침을 제공합니다.
8. References:
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이 연구에서 수치 시뮬레이션 도구로 SSIIM 모델을 선택한 특별한 이유가 있습니까?
A1: SSIIM 모델은 물과 유사(sediment)의 이동을 동시에 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델이기 때문에 본 연구에 매우 적합했습니다. 유한 체적법과 k-ε 난류 모델을 사용하여 교각 주변의 복잡한 3차원 유동 및 와류 구조, 그리고 그로 인한 하상 변화를 효과적으로 해석할 수 있습니다. 실험 결과를 검증하고, 실험만으로는 관찰하기 어려운 유동장 내부의 상세한 정보를 얻는 데 결정적인 역할을 했습니다.
Q2: 기존의 HEC-18 방정식과 본 연구에서 제안된 방정식의 가장 큰 차이점은 무엇입니까?
A2: HEC-18 방정식은 주로 단일 교각의 세굴 깊이를 예측하는 데 사용되며, 본 연구에서도 폭과 길이 비(w/l)가 1.0인 단일 교각의 경우 비교적 정확한 결과를 보였습니다. 하지만 다른 형상비나 교각 그룹의 경우에는 세굴 깊이를 과대평가하는 경향이 있었습니다. 본 연구에서 제안된 방정식들은 교각 그룹의 배열(2×1, 1×2, 2×2)과 교각 간의 상대적 간격(x₀/y₀)을 주요 변수로 포함하여, 복잡한 상호작용을 고려한 훨씬 더 정밀하고 특화된 예측을 제공한다는 점에서 큰 차이가 있습니다.
Q3: 2×1 삼각 배열에서 세굴 깊이를 줄이는 데 가장 큰 영향을 미친 요인은 무엇이었습니까?
A3: 2×1 배열에서는 흐름에 수직인 방향의 간격(y₀)이 세굴 깊이에 가장 지배적인 영향을 미쳤습니다. 논문의 Figure 8에서 볼 수 있듯이, y₀가 증가함에 따라 교각 사이의 와류 강도가 약해지면서 세굴 깊이가 감소했습니다. 이는 교각을 흐름에 수직 방향으로 적절히 이격시키는 것이 와류의 집중을 막고 세굴을 줄이는 데 효과적임을 의미합니다.
Q4: 수치 모델의 격자(grid)는 어떻게 설계하여 정확도를 확보했나요?
A4: 논문의 Figure 3에 나타난 바와 같이, 수치 모델의 정확도를 높이기 위해 핵심 분석 영역인 교각 주변에는 매우 조밀한 격자(fine cells)를 집중적으로 배치했습니다. 반면, 교각에서 멀리 떨어진 영역에는 상대적으로 성긴 격자(coarser cells)를 사용하여 전체 계산 시간을 최적화했습니다. 이러한 비균일 격자 설계를 통해 교각 주변의 급격한 유속 및 압력 변화를 정밀하게 포착하면서도 계산의 효율성을 유지할 수 있었습니다.
Q5: 2×1 배열에서 세굴이 30% 감소했다는 결과의 실질적인 공학적 의미는 무엇입니까?
A5: 세굴 깊이가 30% 감소한다는 것은 교량 기초의 안정성이 대폭 향상된다는 것을 의미합니다. 이는 교량 설계 시 더 작은 규모의 기초를 사용하거나 값비싼 세굴 방지 공법의 필요성을 줄여 건설 비용을 절감할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 또한, 기존 교량의 보강 공사 시에도 최적의 교각 배열을 적용하여 장기적인 유지보수 비용을 줄이고 교량의 수명을 연장하는 데 기여할 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교량 지지대 주변의 세굴 문제는 교량의 안전을 위협하는 지속적인 과제입니다. 본 연구는 단일 교각이 아닌 최적화된 교각 그룹 배열을 통해 세굴을 최대 30%까지 효과적으로 저감할 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 특히, 교각 세굴 시뮬레이션은 다양한 설계안의 수리적 안정성을 사전에 정밀하게 평가하고 최적의 설계를 도출하는 데 필수적인 도구임이 입증되었습니다. 이러한 연구 결과는 더 안전하고 경제적인 교량 건설을 위한 중요한 공학적 통찰을 제공합니다.
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Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Simulation of Scour at Bridge Supports” by “Yasser Moussa, Mahoud Atta”.
이 기술 요약은 Pal TEREK 외 저자가 SERBIATRIB ’25 (2025)에 발표한 논문 “WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND PVD COATED HOT-WORKING TOOL STEEL IN CONTACT WITH AI-ALLOY CASTING”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: HPDC 공정에서 알루미늄 합금의 솔더링(용착) 현상은 금형 수명을 단축시키고 생산성을 저하시키는 고질적인 문제입니다.
The Method: 연구팀은 베어 공구강, 플라즈마 질화강, PVD 코팅강(CrN, TiAlN) 시편을 대상으로 일반 및 지연 응고 조건에서 이젝션 테스트를 수행하여 내솔더링 성능을 평가했습니다.
The Key Breakthrough: 고온의 지연 응고 조건에서 PVD 코팅 표면에 형성된 얇은 산화막이 주조 합금과의 화학적 상호작용을 억제하여 이젝션 포스를 획기적으로 감소시키는 현상을 발견했습니다.
The Bottom Line: 최적의 코팅 성능을 위해서는 코팅 종류뿐만 아니라, 실제 공정 중 발생하는 표면의 형태학적, 화학적 변화(특히 산화)를 고려한 설계가 필수적입니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡한 형상의 경량 알루미늄 부품을 대량 생산하는 핵심 기술로, 자동차 및 전자 산업에서 그 중요성이 날로 커지고 있습니다. 하지만 생산 속도를 높이는 과정에서 금형 마모는 피할 수 없는 과제입니다. 특히, 용융된 알루미늄 합금이 금형 표면에 달라붙는 솔더링(soldering) 또는 스티킹(sticking) 현상은 주조 품질을 저하시키고 금형 수명을 단축시키는 주된 원인입니다.
이 문제를 해결하기 위해 금형 표면에 내마모성, 내산화성이 뛰어난 확산층이나 코팅을 적용하지만, 코팅의 성능은 표면 지형, 성장 결함, 표면 화학의 미묘한 변화에 크게 좌우됩니다. 기존 연구들은 주로 기계적 솔더링에 초점을 맞추었으나, 실제 HPDC 공정의 가혹한 환경에서 발생하는 야금학적 솔더링(화학적 반응 및 확산)의 영향을 완벽하게 재현하고 이해하는 데는 한계가 있었습니다. 따라서, 실제 산업 현장과 유사한 가혹 조건에서 각종 표면 처리의 거동을 심층적으로 분석할 필요성이 대두되었습니다.
Figure 1. Schematic representation of the employed experimental casting methods
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구팀은 HPDC 금형의 솔더링 및 마모 거동을 정밀하게 평가하기 위해 독창적인 이젝션 테스트(ejection test)를 설계했습니다. 이 테스트는 핀 형태의 시편을 코어로 사용하여 알루미늄 합금(EN AC-46200) 주물를 제작한 후, 주물에서 핀을 빼내는 데 필요한 힘(이젝션 포스)을 측정하는 방식입니다.
시험 재료: H11 열간 공구강(EN X37CrMoV5-1)을 모재로 하여, 아무 처리도 하지 않은 베어(bare) 시편, 플라즈마 질화(PN) 처리 시편, 그리고 플라즈마 질화 위에 CrN 또는 TiAlN을 증착한 듀플렉스 PVD 코팅 시편을 준비했습니다. 특히 PVD 코팅 시편은 증착 후 연마(Post-polished, PP)를 통해 표면 거칠기를 극도로 낮춘 그룹을 추가했습니다.
실험 조건: 두 가지 핵심적인 주조 응고 조건을 설정하여 솔더링 메커니즘을 분리하여 평가했습니다.
일반 응고 (Conventional Solidification, CS): 금형을 320°C로 예열 후 주조. 이는 주로 기계적 솔더링(스티킹, 골링) 현상을 모사합니다.
지연 응고 (Delayed Solidification, DS): 금형을 600°C로 예열하고, 주조 직후 700°C의 로에서 20분간 유지하여 응고를 지연시켰습니다. 이는 주물과 시편 간의 화학 반응 및 부식 과정을 촉진하여 야금학적 솔더링 효과를 극대화합니다.
분석 기법: 실험 전후 시편의 표면 변화를 분석하기 위해 3D 형상 측정, 미세 경도 측정, 공초점 현미경(CFM), 주사전자현미경(SEM), 집속이온빔(FIB), 에너지 분산형 분광분석법(EDS) 등 다양한 분석 기술을 동원했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
Finding 1: 표면 거칠기와 기계적 솔더링: 상식의 역설
일반 응고(CS) 조건의 테스트 결과는 표면 거칠기가 이젝션 포스에 지배적인 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 흥미로운 점은 PVD 코팅 시편에서 나타난 역설적인 현상입니다. Figure 7에서 볼 수 있듯이, 증착 후 연마(PP)를 통해 표면을 매우 매끄럽게 만든 CrN-PP와 TiAlN-PP 시편은 연마하지 않은 시편보다 오히려 이젝션 포스가 각각 50%, 70% 더 높게 측정되었습니다. 이는 매우 매끄러운 표면에서는 접선 방향의 힘이 증폭되어 접착 효과가 커질 수 있음을 시사하며, 단순히 표면을 매끄럽게 하는 것이 기계적 솔더링 문제의 해결책이 아닐 수 있음을 보여줍니다.
Finding 2: 고온 산화막의 극적인 효과: 야금학적 솔더링의 해결사
가혹한 야금학적 솔더링을 모사한 지연 응고(DS) 테스트에서는 전혀 다른 결과가 나타났습니다. – 베어 H11 강재: 이젝션 포스가 CS 테스트 대비 약 120% 폭증하며 극심한 야금학적 솔더링을 보였습니다. Figure 3의 SEM 분석 결과, 주물과 강재 사이에 금속간 화합물이 형성되고, 이젝션 시 이 부분이 떨어져 나가면서 깊은 크레이터(crater)를 형성했습니다. – PVD 코팅 시편: 가장 극적인 변화는 후연마(PP) 처리된 PVD 코팅 시편에서 관찰되었습니다. Figure 7에 따르면, CrN-PP와 TiAlN-PP 시편의 이젝션 포스는 CS 테스트 대비 각각 47%, 42%나 감소했습니다. 연구팀은 Figure 6의 FIB-SEM 분석을 통해 그 원인을 밝혔습니다. DS 테스트의 고온 예열 과정(600°C)에서 CrN 및 TiAlN 코팅 표면에 약 50nm 두께의 얇고 안정적인 산화막(Cr₂O₃, Al₂O₃)이 형성되었고, 이 산화막이 용융 알루미늄 합금에 대해 매우 비활성적으로 작용하여 화학적 상호작용과 마찰을 크게 줄였기 때문입니다.
Figure 3. SEM analysis of H11 surface after DS experiment, cross marks indicate the locations of EDS analysis on typical areas, and these are: 1-initial surface, 2-cast alloy soldering, 3-soldering crater
Practical Implications for R&D and Operations
For Process Engineers: 이 연구는 PVD 코팅된 금형을 특정 온도 조건에서 제어된 방식으로 산화시키는 공정이 오히려 HPDC 금형 솔더링을 억제하고 이젝션 성능을 향상시키는 비용 효율적인 대안이 될 수 있음을 시사합니다.
For Quality Control Teams: 논문의 Figure 7 데이터는 이젝션 포스 모니터링이 금형 표면의 상태(예: 유익한 산화막의 형성 또는 마모 진행)를 진단하는 중요한 지표가 될 수 있음을 보여줍니다. 이는 새로운 품질 검사 기준을 수립하는 데 정보를 제공할 수 있습니다.
For Design Engineers: 이 연구 결과는 금형 설계 초기 단계에서 코팅 종류와 표면 마감뿐만 아니라, 실제 작동 온도에서 발생할 수 있는 코팅의 표면 변화(산화)까지 고려하는 것이 중요함을 강조합니다.
Paper Details
WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND PVD COATED HOT-WORKING TOOL STEEL IN CONTACT WITH AI-ALLOY CASTING
1. Overview:
Title: WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND PVD COATED HOT-WORKING TOOL STEEL IN CONTACT WITH AI-ALLOY CASTING
Author: Pal TEREK, Lazar KOVACEVIC, Vladimir TEREK, Zoran BOBIC, Branko SKORIC, Marko ZAGORICNIK, Aljaz DRNOVSEK
Year of publication: 2025
Journal/academic society of publication: SERBIATRIB ’25, 19th International Conference on Tribology
최근 복잡한 알루미늄 합금 부품의 대량 생산을 위한 고압 다이캐스팅(HPDC) 기술의 적용이 확대되고 있습니다. 이에 따라 HPDC 금형 요소의 효율성과 내마모성에 대한 요구 사항도 증가했습니다. 이러한 측면에서 HPDC 금형 표면에 경질 코팅과 보호층을 적용하는 것은 큰 잠재력을 제공합니다. 보호층의 성능은 표면 지형, 코팅의 성장 결함, 표면 화학의 가변적인 특성에 크게 의존하며, 그 효과는 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 본 연구에서는 EN X37CrMoV5-1 강, 플라즈마 질화강, 그리고 듀플렉스 층 형태로 증착된 CrN 및 TiAlN PVD 코팅을 평가했습니다. 코팅된 시편을 제외한 모든 종류의 시편은 동일한 수준의 표면 거칠기로 준비되었으며, 코팅된 시편은 추가적인 표면 거칠기 수준으로 준비되었습니다. 주조 Al-Si-Cu 합금에서의 솔더링 및 마모 거동은 일반(CS) 및 지연(DS) 합금 응고의 두 가지 구성으로 수행된 실험실 이젝션 테스트를 통해 평가되었습니다. 실험 전후에 3D 형상 측정 및 다양한 현미경 및 분광 기술이 시편 표면을 특성화하는 데 사용되었습니다. DS 실험에서 강재 시편은 심각한 솔더링과 매우 높은 이젝션 포스를 보였습니다. 플라즈마 질화 시편은 훨씬 더 나은 거동을 보였지만 DS 실험에서 표면층의 박리가 발생했습니다. 두 실험 구성 모두에서 PVD 코팅은 강재 및 질화층보다 우수한 성능을 보였으며 주조 합금과 반응하지 않았습니다. PVD 코팅의 주요 단점은 거칠기를 줄이면 CS 주물로부터의 이젝션 포스가 상당히 증가한다는 것입니다. 그러나 증착 후 연마된 두 PVD 코팅에 대해 기록된 가장 높은 이젝션 포스는 DS 테스트에서 감소했습니다. 이는 CrN 및 TiAlN 코팅 모두에 산화물 층이 형성되어 주조 합금과의 화학적 상호 작용과 마찰을 크게 줄였기 때문입니다. 최적의 코팅 성능을 달성하기 위해서는 적절한 코팅 유형을 선택하는 것뿐만 아니라 표면 형태와 사용 중 코팅의 변형을 고려하는 것이 필수적입니다.
3. Introduction:
HPDC는 경량 합금의 복잡한 형상 부품을 대량 생산하는 데 사용되는 기술입니다. 현대 산업에서 경량 부품 생산을 위한 이 기술의 중요성은 계속 증가하고 있습니다. 그러나 주조 품질과 높은 생산 속도에서의 생산 효율성을 유지하는 것은 금형 마모로 인해 어려운 과제입니다. HPDC 금형은 솔더링(스티킹), 침식, 열 피로, 접착 또는 마모 마모를 겪습니다. 이를 방지하기 위해 중요한 금형 요소는 접착력, 고온 경도, 인성, 비활성 및 내산화성과 같은 높은 특성을 가진 확산층과 코팅으로 보호됩니다. 오늘날 주조 합금 솔더링 마모는 해결해야 할 가장 큰 과제 중 하나로 남아 있습니다. 이는 치수 및 형상 공차, 표면 마감, 화학 성분과 같은 주조 특성뿐만 아니라 생산 효율성과 HPDC 금형의 무결성에도 영향을 미칩니다. 이 문제를 해결하기 위해 용융 Al 합금에 비활성이고 합금의 접착에 덜 민감한 층이 필요합니다. 코팅 개발에는 실제 산업 조건을 면밀히 모사할 수 있는 실험실 조건에서 성능을 테스트해야 합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
HPDC 공정의 확대에 따라 금형의 내구성과 효율성 향상이 중요한 과제로 부상했습니다. 특히 알루미늄 합금의 솔더링 현상은 생산성과 품질에 직접적인 영향을 미치는 주요 문제입니다.
Status of previous research:
금형 보호를 위해 다양한 표면 처리(질화, PVD 코팅 등)가 연구되어 왔으나, 코팅의 성능이 표면 상태와 실제 공정 환경에서의 화학적 변화에 어떻게 영향을 받는지에 대한 이해는 부족했습니다. 특히 가혹한 야금학적 솔더링 환경을 모사한 연구는 제한적이었습니다.
Purpose of the study:
본 연구는 베어 공구강, 플라즈마 질화강, CrN 및 TiAlN 듀플렉스 PVD 코팅의 솔더링 마모 성능을 평가하는 것을 목표로 합니다. 특히, 기계적 솔더링과 야금학적 솔더링 효과를 분리하여 평가할 수 있는 두 가지 실험 조건(일반 응고 및 지연 응고)을 통해 각 표면 처리의 거동을 심층적으로 분석하고자 했습니다.
Core study:
이젝션 테스트를 통해 다양한 표면 처리(베어, 질화, PVD 코팅, 후연마 PVD 코팅)를 거친 H11 공구강 시편의 내솔더링 성능을 평가했습니다. 핵심은 일반 응고(CS) 조건과 지연 응고(DS) 조건을 비교하여, 고온 환경에서 발생하는 코팅 표면의 산화가 이젝션 성능에 미치는 영향을 규명하는 것입니다.
5. Research Methodology
Research Design:
실험실 기반의 비교 연구 설계를 채택했습니다. H11 강재를 기준으로 플라즈마 질화, CrN PVD 코팅, TiAlN PVD 코팅 등 다양한 표면 처리 그룹과, PVD 코팅 후 표면 거칠기를 달리한 그룹을 설정했습니다. 이들 시편을 대상으로 일반 응고(CS)와 지연 응고(DS)라는 두 가지 통제된 조건 하에서 이젝션 테스트를 수행하여 이젝션 포스를 측정하고 비교 분석했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
데이터 수집: 인장 시험기를 사용하여 각 시편의 이젝션 과정에서 발생하는 하중-변위 곡선을 기록하고, 최대 이젝션 포스(Fmax)를 추출했습니다.
데이터 분석: 실험 전후 시편의 표면 거칠기(3D stylus profilometry), 기계적 특성(instrumented hardness tester), 표면 및 단면 미세구조(CFM, SEM, FIB), 화학 성분(EDS)을 분석하여 이젝션 포스 변화의 원인을 규명했습니다.
Research Topics and Scope:
연구 주제: H11 열간 공구강 및 그 표면 처리(플라즈마 질화, CrN, TiAlN PVD 코팅)의 알루미늄 합금에 대한 솔더링 및 마모 성능 평가.
연구 범위: EN X37CrMoV5-1 강재, EN AC-46200 알루미늄 합금을 사용한 실험실 규모의 이젝션 테스트에 국한됩니다. 두 가지 응고 조건(CS, DS)을 통해 기계적 및 야금학적 솔더링 거동을 분석했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
일반 응고(CS) 테스트에서 PVD 코팅 시편의 경우, 표면 거칠기를 감소시키자(후연마 처리) 이젝션 포스가 50~70% 증가했습니다.
지연 응고(DS) 테스트에서 베어 H11 강재는 심각한 야금학적 솔더링으로 인해 이젝션 포스가 CS 대비 약 120% 급증했습니다.
플라즈마 질화(PN) 시편은 DS 테스트에서 표면층의 박리 현상이 관찰되었습니다.
PVD 코팅 시편(CrN, TiAlN)은 DS 테스트에서 주조 합금과 어떠한 반응이나 손상도 보이지 않았습니다.
특히 후연마 처리된 PVD 코팅(CrN-PP, TiAlN-PP)은 DS 테스트에서 이젝션 포스가 CS 대비 각각 47%, 42% 현저히 감소했습니다. 이는 고온 예열 중 코팅 표면에 형성된 비활성 산화막 때문인 것으로 밝혀졌습니다.
Figure List:
Figure 1. Schematic representation of the employed experimental casting methods
Figure 2. Appearance of the samples’ surfaces exposed to the molten alloy after the ejection tests
Figure 3. SEM analysis of H11 surface after DS experiment, cross marks indicate the locations of EDS analysis on typical areas, and these are: 1-initial surface, 2-cast alloy soldering, 3-soldering crater
Figure 4. SEM (backscattered electron) image of PN surface after DS experiment. Cross marks indicate the locations of EDS analyses on typical areas, which are: 1-initial surface, 2-cast alloy soldering, 3-soldering crater, 4-area beneath compound layer
Figure 5. SEM analysis of a) CrN and, b) TiAlN sample surfaces after DS experiment
Figure 6. a) FIB-SEM cross-sectional analysis of CrN-PP sample after DS experiment, b) EDS line analysis performed on yellow line in image
Figure 7. Values of the maximal ejection force obtained for all tested samples in both experimental configurations. Ra roughness parameter is given for different sample groups. Error bars represent ±1 confidence interval
7. Conclusion:
일반 응고 테스트에서는 표면 거칠기가 이젝션 포스 값에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. PVD 코팅 시편의 경우, 표면 거칠기 감소는 이젝션 포스 증가를 유발했습니다.
지연 응고를 이용한 이젝션 테스트는 일반 주조 응고보다 야금학적 솔더링 효과와 주조 합금 골링을 더 잘 모사합니다.
지연 응고 테스트에서 H11 강재는 알루미늄 합금에서 심각한 솔더링, 피트 및 언더컷 형성을 보였습니다.
플라즈마 질화 H11 강재는 베어 H11보다 솔더링 마모에 대한 저항성이 더 좋았지만, 이젝션 과정에서 얇은 층이 박리되는 마모 현상을 보였습니다.
지연 응고 테스트에서 CrN 및 TiAlN은 주조 합금과 어떠한 반응이나 코팅층의 기계적 손상도 보이지 않았습니다.
CrN 및 TiAlN 코팅의 산화는 솔더링 및 부식 경향을 손상시키지 않으면서 코팅의 이젝션 성능을 크게 향상시켰습니다.
8. References:
[1] P. Terek, L. Kovačević, A. Miletić, P. Panjan, S. Baloš, B. Škorić, D. Kakaš, Effects of die core treatments and surface finishes on the sticking and galling tendency of Al-Si alloy casting during ejection, Wear 356–357 (2016) 122-134. https://doi.org/10.1016/j.wear.2016.03.016.
[2] J. Lin, S. Carrera, A.O. Kunrath, S. Myers, B. Mishra, P. Ried, J.J. Moore, D. Zhong, Design methodology for optimized die coatings: The case for aluminum pressure die-casting, Surf. Coatings Technol. 201 (2006) 2930–2941. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.06.024.
[3] A. Molinari, M. Pellizzari, G. Straffelini, M. Pirovano, Corrosion behaviour of a surface-treated AISI H11 hot work tool steel in molten aluminium alloy, Surf. Coatings Technol. 126 (2000) 31-38. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(00)00530-2.
[4] Z.W. Chen, Formation and progression of die soldering during high pressure die casting, Mater. Sci. Eng. A 397 (2005) 356–369. https://doi.org/10.1016/j.msea.2005.02.057.
[5] P. Terek, L. Kovačević, A. Miletić, D. Kukuruzović, B. Škorić, A. Drnovšek, P. Panjan, Ejection performance of coated core pins intended for application on high pressure die casting tools for aluminium alloys processing, Tribol. Ind. 39 (2017). https://doi.org/10.24874/ti.2017.39.03.08.
[6] T. Balaško, M. Vončina, J. Burja, B. Šetina Batič, J. Medved, High-Temperature Oxidation Behaviour of AISI H11 Tool Steel, Metals (Basel). 11 (2021) 758. https://doi.org/10.3390/met11050758.
[7] Y. Sun, T. Bell, Plasma surface engineering of low alloy steel, Mater. Sci. Eng. A 140 (1991) 419-434. https://doi.org/10.1016/0921-5093(91)90458-Y.
[8] P. Panjan, B. Navinšek, A. Cvelbar, A. Zalar, I. Milošev, Oxidation of TiN, ZrN, TiZrN, CrN, TiCrN and TiN/CrN multilayer hard coatings reactively sputtered at low temperature, Thin Solid Films 281-282 (1996) 298-301. https://doi.org/10.1016/0040-6090(96)08663-4.
[9] P. Terek, L. Kovačević, A. Miletić, B. Škorić, J. Kovač, A. Drnovšek, Metallurgical Soldering of Duplex CrN Coating in Contact with Aluminum Alloy, Coatings 10 (2020) 303. https://doi.org/10.3390/coatings10030303.
[10] B. Bhushan, Adhesion and stiction: Mechanisms, measurement techniques, and methods for reduction, J. Vac. Sci. Technol. B 21 (2003) 2262. https://doi.org/10.1116/1.1627336.
[11] L. Wang, X. Nie, Effect of annealing temperature on tribological properties and material transfer phenomena of CrN and CrAlN coatings, J. Mater. Eng. Perform. 23 (2014) 560-571. https://doi.org/10.1007/s11665-013-0748-z.
[12] T. Polcar, R. Martinez, T. Vítů, L. Kopecký, R. Rodriguez, A. Cavaleiro, High temperature tribology of CrN and multilayered Cr/CrN coatings, Surf. Coatings Technol. 203 (2009) 3254-3259. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.04.005.
[13] M. Urgen, V. Ezirmik, E. Senel, Z. Kahraman, K. Kazmanli, The effect of oxygen content on the temperature dependent tribological behavior of Cr-O-N coatings, Surf. Coatings Technol. 203 (2009) 2272-2277. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2009.02.027.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 연구에서 일반 응고(CS)와 지연 응고(DS)라는 두 가지 다른 조건을 사용한 이유는 무엇입니까?
A1: 두 조건을 사용하여 솔더링의 두 가지 주요 메커니즘을 분리하여 평가하기 위함입니다. CS 조건(320°C 예열)은 상대적으로 낮은 온도에서 빠르게 응고가 진행되므로 주로 물리적인 달라붙음, 즉 ‘기계적 솔더링’의 영향을 평가하는 데 중점을 둡니다. 반면 DS 조건(600°C 예열 후 700°C에서 20분 유지)은 고온에 장시간 노출시켜 시편과 용융 합금 간의 화학 반응 및 확산, 즉 ‘야금학적 솔더링’의 영향을 극대화하여 관찰하기 위해 설계되었습니다.
Q2: 일반 응고(CS) 테스트에서 후연마(PP) 처리된 PVD 코팅의 이젝션 포스가 더 높게 나온 이유는 무엇입니까?
A2: 논문에 따르면 이는 매우 매끄러운 표면에서 접착 효과가 증대되었기 때문일 수 있습니다. 표면이 극도로 매끄러우면 실제 접촉 면적이 넓어지고, 이젝션 시 발생하는 높은 접선 방향의 힘(tangential force)이 분자간 인력을 강화시켜 더 큰 저항, 즉 더 높은 이젝션 포스를 유발할 수 있습니다. 이는 기계적 솔더링이 지배적인 환경에서는 표면을 무조건 매끄럽게 하는 것이 능사가 아님을 시사합니다.
A3: 핵심 메커니즘은 ‘고온 산화막 형성’입니다. DS 테스트의 600°C 예열 과정에서 CrN과 TiAlN 코팅 표면에 얇고(약 50nm) 매우 안정적인 산화층(각각 Cr₂O₃, Al₂O₃)이 자연적으로 형성됩니다. 이 산화층은 용융 알루미늄 합금에 대해 화학적으로 매우 비활성이며, 알루미늄 산화물과의 마찰 계수도 낮습니다. 결과적으로, 이 산화막이 보호층 역할을 하여 야금학적 반응과 마찰을 모두 억제함으로써 이젝션 포스를 획기적으로 낮춘 것입니다.
Q4: 지연 응고(DS) 테스트에서 플라즈마 질화(PN) 시편에는 어떤 현상이 발생했습니까?
A4: 플라즈마 질화 시편은 베어 강재보다는 우수한 성능을 보였지만, 표면층의 ‘박리(delamination)’ 현상이 관찰되었습니다. 고온에서 질화층 표면에 형성된 산화층에 주조 합금이 먼저 솔더링됩니다. 이후 이젝션 과정에서 주물과의 강한 결합력 때문에 이 산화층과 그 바로 아래의 질화층 일부가 함께 뜯겨져 나가는 것입니다. 이는 공구의 온전성을 해치는 심각한 마모 메커니즘입니다.
Q5: PVD 코팅을 가장 매끄럽게 연마하는 것이 항상 최선의 전략이라고 할 수 있습니까?
A5: 본 연구 결과에 따르면, 그렇지 않습니다. 기계적 솔더링이 우세한 조건(CS 테스트)에서는 매우 매끄러운 표면이 오히려 이젝션 포스를 증가시키는 부작용을 낳았습니다. 반면, 야금학적 솔더링이 문제되는 고온 환경(DS 테스트)에서는 표면의 화학적 상태(산화막 형성)가 거칠기보다 훨씬 더 중요한 역할을 했습니다. 따라서 최적의 표면 설계는 예상되는 주된 마모 메커니즘이 무엇인지에 따라 달라져야 합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 HPDC 금형 솔더링이라는 고질적인 문제를 해결하는 데 있어 중요한 통찰을 제공합니다. 핵심 발견은 PVD 코팅의 종류나 표면 거칠기만큼이나, 실제 공정 환경에서 코팅 표면에 발생하는 ‘변화’, 특히 ‘산화막 형성’이 성능에 결정적인 영향을 미친다는 사실입니다. 고온에서 자연스럽게 형성된 얇은 산화막은 용융 알루미늄과의 화학적 반응을 차단하는 완벽한 보호막 역할을 하여, 금형의 수명을 연장하고 안정적인 이젝션을 가능하게 합니다. 이는 단순히 더 단단하고 매끄러운 코팅을 추구하던 기존의 패러다임을 넘어, 실제 작동 환경을 고려한 ‘동적 표면 설계’의 중요성을 일깨워 줍니다.
STI C&D에서는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 지원하는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.
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연락처 : 02-2026-0450
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND PVD COATED HOT-WORKING TOOL STEEL IN CONTACT WITH AI-ALLOY CASTING” by “Pal TEREK et al.”.
이 기술 요약은 S. M. Iftiquar, S. N. Riaz, S. Mahapatra가 arXiv에 발표한 논문 “Analysis of growth of silicon thin films on textured and non-textured surface”(2024)를 기반으로 합니다. STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
도전 과제: 박막 실리콘 태양전지의 효율을 높이기 위해 사용하는 텍스처 표면이 오히려 성능을 저하하는 전자적 결함을 유발할 수 있습니다.
연구 방법: 텍스처 표면(Cell-A)과 평탄한 표면(Cell-B)에 각각 제작된 두 p-i-n 타입 태양전지를 수치 시뮬레이션(AFORS-HET)을 통해 비교하여 전자적 특성과 결함 밀도를 분석했습니다.
핵심 발견: 텍스처 표면에 증착된 실리콘 박막은 평탄한 표면에 증착된 박막(3.2 × 10¹⁶ cm⁻³)에 비해 훨씬 높은 결함 밀도(2.4 × 10¹⁷ cm⁻³)를 가지며, 이는 소자 성능에 부정적인 영향을 미칩니다.
핵심 결론: 고성능 박막 소자 제작 시, 텍스처 표면의 광 포획 효과보다 이로 인해 증가하는 전자적 결함의 단점이 더 클 수 있습니다. 최적화된 얇은 창층을 가진 평탄한 표면이 더 높은 효율을 달성하는 효과적인 경로일 수 있습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
박막 실리콘 태양전지 기술의 오랜 과제는 전력 변환 효율(PCE)을 극대화하는 것입니다. 이를 위해 단락 전류 밀도(Jsc)를 높이는 것이 중요한데, 가장 널리 사용되는 방법 중 하나는 기판 표면을 텍스처링(texturing)하여 빛을 가두는 ‘광 포획(light trapping)’ 기술입니다. 텍스처 표면은 입사광의 반사를 줄이고 내부에서 빛의 경로를 길게 만들어 흡수율을 높입니다.
하지만 이 접근법에는 한계가 있습니다. 플라즈마 증착(RF PECVD)을 통해 텍스처 표면 위에 박막을 성장시키면, 필름이 불균일하게 형성되면서 ‘텍스처 유도 표면 결함’이 발생할 수 있습니다. 이 결함은 물리적인 불균일성일 수도 있고, 필름이 물리적으로는 균일하더라도 표면 텍스처링으로 인해 전자적 결함 밀도가 증가하는 형태로 나타날 수도 있습니다. 이러한 결함은 결국 개방 회로 전압(Voc), 필팩터(FF), 전류 밀도(Jsc)를 모두 감소시켜 태양전지의 최종 효율을 저하시키는 원인이 됩니다. 본 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 텍스처 표면과 비-텍스처(평탄한) 표면에서의 박막 성장 차이를 분석했습니다.
Figure 1. (a) Schematic diagram of the two solar cells used in the investigation. Cell-A on a textured surface, (b) Cell-B on a flat surface, (c) diode equivalent circuit of a solar cell.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 실제 소자 제작 대신, 문헌에 보고된 두 종류의 태양전지 데이터를 기반으로 한 수치 시뮬레이션 접근법을 채택했습니다. 이를 위해 AFORS-HET 시뮬레이션 프로그램을 사용했습니다.
Figure 2. (a) Current density voltage (J-V) characteristic curves of the two solar cell where the ‘star ’ indicates the data points from real cell while the continuous lines are simulated J-V curves that match closely to these curves. (a) Cell-A [12], (b) Cell-B[3]
비교 대상 소자:
Cell-A: 텍스처 처리된 cSi 기판 위에 제작된 p(20nm)/i(225nm)/n(25nm) 구조의 태양전지.
Cell-B: TCO 코팅된 평탄한 유리 기판 위에 제작된 p(15nm)/i(450nm)/n(25nm) 구조의 태양전지.
시뮬레이션 절차: 연구진은 Cell-A의 알려진 파라미터를 초기값으로 설정한 후, Cell-B의 실제 J-V(전류-전압) 특성 곡선과 시뮬레이션 결과가 일치하도록 주요 전자적 파라미터를 체계적으로 변경했습니다. 변경된 주요 파라미터는 다음과 같습니다.
상태 밀도(DOS): 가전자대와 전도대의 상태 밀도.
트랩 밀도(Ntrap): 활성층 내의 도너 및 억셉터 결함의 총합.
캐리어 이동도(μe, μh): 전자 및 정공의 이동도.
이 과정을 통해 실제 소자의 J-V 곡선과 매우 근접한 시뮬레이션 결과를 얻었으며, 이때 사용된 파라미터 값을 통해 각 표면(텍스처 vs. 평탄)에 증착된 박막의 실제 전자적 특성을 추론할 수 있었습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
시뮬레이션 분석을 통해 텍스처 표면이 박막 품질에 미치는 영향을 정량적으로 밝혀냈으며, 이를 바탕으로 성능 개선 방안을 제시했습니다.
결과 1: 텍스처 표면이 박막의 전자적 결함 밀도를 크게 증가시킴
시뮬레이션 결과, 텍스처 표면에 증착된 활성층(Cell-A)이 평탄한 표면에 증착된 활성층(Cell-B)보다 전자적으로 훨씬 더 결함이 많다는 사실이 명확해졌습니다.
논문의 Table 1에 따르면, 텍스처 표면인 Cell-A의 활성층(i-layer)에 대한 트랩 밀도(Ntrap)는 2.4 × 10¹⁷ cm⁻³였습니다.
반면, 평탄한 표면인 Cell-B의 실험 데이터를 가장 잘 재현한 시뮬레이션에서는 활성층의 트랩 밀도가 3.2 × 10¹⁶ cm⁻³로, 약 한 자릿수나 낮은 값이 요구되었습니다.
이는 텍스처 표면의 기하학적 구조가 플라즈마 증착 과정에서 더 많은 전자적 결함(예: 미결합 본드)을 생성하는 원인이 됨을 강력하게 시사합니다.
결과 2: 평탄한 표면에서 창층 최적화를 통해 효율을 대폭 향상 가능
연구진은 텍스처링의 단점을 피하면서도 성능을 높일 수 있는 대안을 모색했습니다. 평탄한 표면을 가진 Cell-B의 p타입 창층(window layer) 두께를 최적화하는 시뮬레이션을 수행했습니다.
창층 두께를 기존 15 nm에서 3 nm로 줄였을 때, 소자의 성능이 크게 향상되었습니다.
이는 창층에서의 광 흡수 손실을 최소화하는 것이 텍스처링을 통한 광 포획보다 더 효과적인 효율 향상 전략이 될 수 있음을 보여줍니다. 특히 평탄한 표면은 매우 얇고 균일한 창층을 제작하는 데 유리합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
공정 엔지니어: 본 연구는 RF PECVD 공정 중 텍스처 표면의 경사면에서는 SiH₃ 전구체(precursor)의 유효 유속 밀도가 낮아져 결함 생성이 증가할 수 있음을 시사합니다. 이는 텍스처 기판을 사용할 경우 결함 생성을 완화하기 위해 공정 변수(온도, 압력, 가스 유량 등)의 조정이 필요하거나, 고품질 박막을 위해서는 평탄한 기판이 더 바람직할 수 있음을 의미합니다.
품질 관리팀: 논문의 Table 1(Ntrap 값)과 Figure 5(역포화 전류 Jo)의 데이터는 표면 유형(텍스처 vs. 평탄)과 전자적 결함 수준을 직접적으로 연결합니다. 이는 다양한 지형에 증착된 박막의 품질을 평가하기 위한 비파괴적 전기적 특성 분석법 개발에 정보를 제공할 수 있습니다.
설계 엔지니어: 연구 결과는 광학적 향상(텍스처링을 통한 광 포획)과 전자적 성능(결함 밀도) 사이의 트레이드오프(trade-off) 관계를 보여줍니다. 박막 태양전지 설계 시, 텍스처 유도 결함의 부정적 영향이 광학적 이득을 능가할 수 있음을 고려해야 합니다. 본 논문은 평탄한 표면에 초박형(예: 3nm) 창층을 최적화하여 설계하는 것이 효율을 극대화하는 더 효과적인 전략임을 제안합니다.
논문 상세 정보
Analysis of growth of silicon thin films on textured and non-textured surface
1. 개요:
제목: Analysis of growth of silicon thin films on textured and non-textured surface
수소화된 비정질 실리콘 합금 필름은 일반적으로 RF PECVD(고주파 플라즈마 화학 기상 증착) 기술을 사용하여 다양한 종류의 기판 위에 증착됩니다. 일반적으로 필름 품질은 텍스처 또는 비-텍스처 기판에 증착될 때 변하지 않는다고 가정합니다. 본 연구에서는 텍스처 표면과 비-텍스처 표면에 증착된 박막 실리콘 층의 성장 차이를 분석했습니다. 이 연구에서는 두 태양전지의 특성을 비교했는데, 하나는 텍스처 표면(Cell-A)에, 다른 하나는 비-텍스처 표면(Cell-B)에 제작되었습니다. 소자의 결함 분석은 시뮬레이션과 소자 모델링을 통해 수행되었습니다. 그 결과, 텍스처 표면에 증착된 진성 필름(2.4 × 10¹⁷ cm⁻³)이 평탄한 표면에 증착된 필름(3.2 × 10¹⁶ cm⁻³)보다 더 결함이 많다는 것을 보여주었습니다. 이 두 셀의 주된 차이점은 활성층의 두께와 표면 텍스처링의 특성이었지만, 시뮬레이션 결과는 텍스처 표면에 증착된 박막이 평탄한 표면에 증착된 것보다 더 높은 결함 밀도를 가질 수 있음을 보여줍니다. 텍스처 표면에서 SiH₃ 전구체의 낮은 유효 유속 밀도가 텍스처 표면에 증착된 필름의 더 높은 결함 밀도의 원인 중 하나일 수 있습니다. 더 얇은 도핑된 창층을 사용하여 개선된 광 결합을 달성할 수 있습니다. 두께를 15 nm에서 3 nm로 변경함으로써 단락 전류 밀도는 16.4 mA/cm²에서 20.96 mA/cm²로 증가했고, 효율은 9.4%에서 12.32%로 증가했습니다.
3. 서론:
박막 실리콘 태양전지는 오랫동안 태양광 변환을 위해 연구되어 왔습니다. 단일 접합 박막 실리콘 태양전지는 약 10%의 전력 변환 효율(PCE)을 보고했습니다. 탠덤 태양전지는 단일 접합 소자보다 높은 효율을 보였지만, 여전히 결정질 실리콘 태양전지나 실리콘 이종접합 태양전지(HJSC)보다는 효율이 낮았습니다. 박막 실리콘을 상부 서브셀로 사용하는 탠덤 태양전지에 대한 연구가 진행 중입니다. 그러나 상부 서브셀의 낮은 전류 밀도는 전체 전류 밀도를 제한하는 문제가 있습니다. 따라서 상부 서브셀의 전류 밀도를 높이는 것이 고효율 태양전지에 바람직합니다. 이를 위해 광 포획 기법을 도입하는 것이 하나의 접근법입니다. 전면을 텍스처링하면 광학적 반사를 크게 줄여 전류 밀도를 높이는 데 도움이 됩니다. 그러나 이 접근법은 표면이 고르지 않아 플라즈마 증착으로 준비된 박막이 불균일해지고, 이로 인해 증착된 필름에 텍스처 유도 표면 결함이 발생할 수 있다는 한계가 있습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
박막 실리콘 태양전지의 효율 향상은 중요한 연구 분야입니다. 특히 탠덤 태양전지에서 상부 셀의 전류 밀도를 높이는 것이 전체 효율을 결정하는 핵심 요소입니다.
이전 연구 현황:
전류 밀도를 높이기 위해 활성층 두께를 늘리거나 표면 텍스처링을 통해 광 포획을 강화하는 방법들이 시도되었습니다. 그러나 텍스처링은 필름에 전자적 결함을 유발하여 오히려 성능을 저하시킬 수 있다는 보고가 있었습니다.
연구 목적:
본 연구는 텍스처 표면과 평탄한 표면에 증착된 실리콘 박막의 성장 차이와 그로 인한 전자적 특성 변화를 분석하는 것을 목적으로 합니다. 특히, 텍스처링이 박막의 결함 밀도에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고자 했습니다.
핵심 연구:
문헌에 보고된 두 종류의 태양전지(Cell-A: 텍스처, Cell-B: 평탄)를 AFORS-HET 프로그램을 사용하여 수치적으로 모델링했습니다. 시뮬레이션 J-V 곡선을 실제 데이터와 일치시키는 과정을 통해, 각 표면 조건에서 성장한 박막의 결함 밀도, 캐리어 이동도 등 주요 전자적 파라미터를 추출하고 비교 분석했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 비교 연구 설계를 따릅니다. 텍스처 표면에 제작된 태양전지(Cell-A)와 평탄한 표면에 제작된 태양전지(Cell-B)의 특성을 비교 분석했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
실험 데이터를 직접 수집하는 대신, 기존 문헌[3, 12]에 보고된 두 태양전지의 J-V 특성 데이터를 사용했습니다. 데이터 분석은 AFORS-HET 시뮬레이션 프로그램을 통해 이루어졌습니다. 시뮬레이션 파라미터(DOS, 트랩 밀도, 이동도 등)를 체계적으로 변화시키면서 시뮬레이션 결과가 실제 데이터와 일치하는 최적의 파라미터 조합을 찾는 방식으로 분석을 수행했습니다.
연구 주제 및 범위:
연구는 p-i-n 구조를 가진 수소화된 비정질 실리콘 박막 태양전지에 초점을 맞춥니다. 주요 연구 주제는 기판의 표면 텍스처링 유무가 박막의 전자적 결함 생성에 미치는 영향입니다. 또한, 시뮬레이션을 통해 평탄한 표면 소자의 창층 두께 최적화를 통한 성능 향상 가능성을 탐구했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
텍스처 표면에 증착된 진성 실리콘 박막은 평탄한 표면에 증착된 박막보다 결함 밀도가 현저히 높았습니다 (텍스처: 2.4 × 10¹⁷ cm⁻³, 평탄: 3.2 × 10¹⁶ cm⁻³).
텍스처 표면의 경사면으로 인해 플라즈마 내 SiH₃ 라디칼의 유효 유속 밀도가 감소하는 것이 결함 증가의 한 원인으로 제시되었습니다.
평탄한 표면을 가진 소자에서 p타입 창층의 두께를 15 nm에서 3 nm로 줄이면, 광 흡수 손실이 감소하여 단락 전류 밀도가 16.4 mA/cm²에서 20.96 mA/cm²로, 효율이 9.4%에서 12.32%로 크게 향상될 수 있음을 시뮬레이션으로 확인했습니다.
이는 광 포획을 위한 텍스처링의 이점보다 텍스처 유도 결함의 단점이 더 클 수 있으며, 평탄한 표면에서의 최적화가 더 나은 성능을 가져올 수 있음을 시사합니다.
Figure 3. J-V characteristic curves of the simulated solar cells from the starting set of parameters to the final device characteristic. Here the ‘Ref. Cell’ corresponds to the real cell (Cell-B) and the curve immediately close to this curve is the best matched one.
Figure 목록:
Figure 1. (a) Schematic diagram of the two solar cells used in the investigation. Cell-A on a textured surface, (b) Cell-B on a flat surface, (c) diode equivalent circuit of a solar cell.
Figure 2. (a) Current density voltage (J-V) characteristic curves of the two solar cell where the ‘star’ indicates the data points from real cell while the continuous lines are simulated J-V curves that match closely to these curves. (a) Cell-A [12], (b) Cell-B[3]
Figure 3. J-V characteristic curves of the simulated solar cells from the starting set of parameters to the final device characteristic. Here the ‘Ref. Cell’ corresponds to the real cell (Cell-B) and the curve immediately close to this curve is the best matched one.
Figure 4. Parameters extracted from the J-V characteristic of Fig. 3. Here Voc is open circuit voltage, Jsc is short circuit current density, FF is fill factor, PCE is power conversion efficiency, PmaxV and PmaxJ are the voltage and current density respectively, at the maximum power point.
Figure 5. Extracted diode parameters from the J-V characteristic curves of Fig. 3. Jo is reverse saturation current density (in A/cm²), Rs is series resistance (in Ω.cm²), n is diode ideality factor, Rp is shunt resistance (in Ω.cm²)
Figure 6. Schematic demonstration of deposition mechanism of thin silicon film on a flat surface
Figure 7. Schematic demonstration of deposition mechanism of thin silicon film on a textured surface
7. 결론:
본 연구는 수치 분석을 통해 두 가지 다른 p-i-n 타입 박막 실리콘 태양전지를 조사했습니다. 실제 셀과 시뮬레이션된 셀의 J-V 특성 곡선이 거의 일치할 때의 층별 전자 파라미터를 채택했습니다. 두 셀의 주된 차이점은 활성층의 두께와 표면 텍스처링의 특성이었습니다. 연구 결과, 텍스처 표면에 증착된 박막이 평탄한 표면에 증착된 것보다 더 높은 결함 밀도를 가질 수 있음을 보여주었습니다. 최적화된 소자 구조와 최대 소자 성능은 결함 밀도, 캐리어 이동도 등과 같은 활성층의 전자 파라미터에 주로 의존합니다. 전면 창층에서의 광 흡수는 빛의 손실로 간주됩니다. 이는 광대역 갭 물질을 사용하거나 더 얇은 p타입 층을 사용하는 등 다양한 방법으로 줄일 수 있으며, 후자의 접근 방식이 더 쉽게 달성 가능하고 소자 성능 향상에 더 효과적입니다. 일반적으로 p층 두께의 결정 변수는 표면 거칠기여야 합니다. 따라서 매우 낮은 표면 거칠기를 가진 더 얇은 p층으로 더 나은 소자 성능을 얻을 수 있습니다. 나아가, 텍스처 유도 결함의 효과가 광 포획 효과를 능가한다면, 소자 제작에는 평탄한 표면을 사용하는 것이 바람직합니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 필름의 물성을 직접 측정하지 않고 시뮬레이션을 사용했나요?
A1: 이 연구는 기존 문헌에 보고된 두 개의 실제 태양전지를 분석하는 데 초점을 맞추고 있습니다. 시뮬레이션 접근법(AFORS-HET)은 새로운 샘플을 제작하지 않고도, 보고된 실험적 J-V 곡선과 시뮬레이션 결과를 일치시키는 과정을 통해 결함 밀도나 이동도 같은 전자적 특성을 추출할 수 있게 해줍니다. 이는 두 가지 다른 조건에서 성장한 박막의 품질을 효과적으로 비교하는 방법입니다.
Q2: 논문에서는 텍스처 표면에서 SiH₃ 유속이 낮은 것이 결함 증가의 원인이라고 제안했는데, 이 메커니즘을 더 자세히 설명해 주실 수 있나요?
A2: 논문의 Figure 6과 7에 도식적으로 설명되어 있듯이, 평탄한 표면에서는 플라즈마 라디칼의 입사 유속이 수직이어서 표면의 수소를 효율적으로 제거하고 고품질의 필름을 증착하는 데 유리합니다. 반면, 텍스처 표면에서는 많은 국소 표면이 기울어져 있어 평균 유속 밀도가 감소합니다. 이는 표면 수소 제거율을 낮추고, 미세 공극(micro-void) 형성이나 결합 파괴/형성 불균형을 초래하여, 성장하는 필름 내부에 더 많은 미결합 본드(결함)가 묻히게 되는 결과를 낳습니다.
Q3: Table 1을 보면 평탄한 표면 셀(Cell-B)의 최종 이동도 값이 텍스처 표면 셀(Cell-A)보다 낮습니다. 이는 Cell-B의 재료 품질이 더 좋다는 결론과 모순되지 않나요?
A3: 직관과 다르게 보일 수 있지만, 시뮬레이션 과정은 전체 소자의 J-V 곡선에 맞추기 위해 여러 파라미터를 복합적으로 조정하는 과정입니다. 논문의 Figure 4에 나타난 시뮬레이션 진행 과정을 보면, 이동도를 줄이는 것은 실험 곡선에 맞추기 위한 최종 미세 조정 단계의 일부였습니다. 이 연구에서 재료 품질을 결정하는 지배적인 요인은 트랩 밀도(Ntrap)이며, 이 값은 Cell-B에서 한 자릿수나 낮습니다. 최종 이동도 값은 올바른 소자 출력을 내기 위한 복잡한 파라미터 상호작용의 일부로 이해해야 합니다.
Q4: Figure 5에 표시된 역포화 전류 밀도(Jo)의 의미는 무엇인가요?
A4: 역포화 전류 밀도(Jo)는 태양전지의 다이오드 등가 회로 모델에서 핵심적인 파라미터입니다. 논문에서는 더 높은 Jo 값이 더 결함이 많은 재료를 의미한다고 명시하고 있습니다. Figure 5는 시뮬레이션 파라미터가 고성능 Cell-B의 최종 최적 모델로 조정될수록(예: 영역 2에서 결함 밀도를 줄일수록) Jo 값이 꾸준히 감소하는 것을 보여줍니다. 이는 평탄한 표면의 필름이 결함이 적다는 결론을 뒷받침하는 강력한 증거입니다.
Q5: 논문에서는 창층을 3 nm까지 얇게 만들 것을 제안하는데, 이것이 현실적으로 가능한가요?
A5: 논문에서는 이를 시뮬레이션 기반의 최적화 방안으로 제시합니다. p층 두께를 결정하는 변수는 표면 거칠기라고 언급하며, 따라서 더 얇은 p층은 표면 거칠기가 매우 낮은 표면에서 더 달성 가능하고 효과적이라고 설명합니다. 이는 평탄한 표면 사용이 바람직하다는 논문의 주된 결론과 일치합니다. 3 nm의 균일한 층을 만드는 현실적인 가능성은 사용된 특정 증착 기술(이 경우 RF PECVD)과 공정 제어 수준에 따라 달라질 것입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
요약하자면, 본 연구는 실리콘 박막 증착 공정에서 기판의 표면 상태가 최종 소자의 성능에 미치는 지대한 영향을 명확히 보여줍니다. 광 포획을 위해 널리 사용되는 텍스처 표면이 실제로는 전자적 결함 밀도를 높여 성능을 저해하는 요인이 될 수 있다는 점은 중요한 시사점입니다. 반대로, 결함이 적은 평탄한 표면에 초박형 창층을 적용하는 전략이 더 높은 효율을 달성할 수 있는 유망한 경로임이 입증되었습니다.
STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 부품에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.
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연락처 : 02-2026-0450
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “Analysis of growth of silicon thin films on textured and non-textured surface” (저자: S. M. Iftiquar, S. N. Riaz, S. Mahapatra) 논문을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 B.A. Vijayasree와 T.I. Eldho가 발표한 “Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 교각 주변에서 발생하는 세굴(scour) 현상은 구조물의 안정성을 위협하는 주요 원인이며, 이를 최소화하기 위한 최적의 교각 배열 설계는 매우 중요한 과제입니다.
The Method: 동일한 형상비(aspect ratio)를 가진 세 가지 다른 교각 배열(2열 원형, 3열 원형, 단일 타원형) 주변의 세굴 패턴을 실험용 수조(flume)에서 비교 분석했습니다.
The Key Breakthrough: 단일 타원형(oblong) 교각은 동일한 형상비를 가진 2열 원형 교각 배열에 비해 세굴 부피를 55% 이상 감소시키는 것으로 나타났습니다.
The Bottom Line: 교량 설계 시 여러 개의 작은 교각을 사용하는 것보다 단일 고체 교각을 사용하는 것이 국부 세굴을 줄이는 데 훨씬 효과적이며, 이는 장기적인 유지보수 및 보호 비용을 절감할 수 있는 잠재력을 가집니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량 교각 주변의 세굴은 전 세계 엔지니어들이 직면한 중대한 문제입니다. 교각과 같은 장애물은 흐름을 방해하여 말굽 와류(horse-shoe vortex)와 후류 와류(wake vortex)와 같은 복잡한 3차원 유동 구조를 형성합니다. 이러한 와류는 하상 바닥의 전단 응력을 증가시켜 퇴적물을 침식시키고, 교각 기초를 약화시켜 교량의 안전을 위협합니다.
특히, 교량 상부 구조물의 폭이 넓은 경우, 이를 지지하기 위해 길쭉한 교각이나 여러 개의 교각을 설치해야 합니다. 그러나 교각의 배열 방식에 따라 유동 패턴과 세굴 양상이 크게 달라지기 때문에, 안전하고 경제적인 지지 구조를 설계하기 위해서는 이러한 차이를 명확히 이해해야 합니다. 본 연구는 동일한 형상비를 갖는 여러 교각 배열과 단일 교각의 세굴 특성을 비교하여, 어떤 설계가 세굴을 최소화하는 데 더 효과적인지에 대한 해답을 제시합니다.
Figure 1. Horse-shoe vortex and wakes formation at a bridge pier.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 인도 공과대학교 봄베이(IITB)의 수리학 실험실에 있는 길이 7.5m, 폭 0.3m, 깊이 0.6m의 수조에서 수행되었습니다. 실험 조건의 핵심은 다음과 같습니다.
하상 재료: 비중 2.66, 중앙 입경(d50) 0.8mm의 석영 모래를 사용했습니다.
교각 모델: 길이 대 폭의 비율, 즉 형상비(L/B)가 5로 동일한 세 가지 배열을 실험했습니다.
2열 원형 교각: 직경 0.03m의 원형 교각 두 개를 직렬로 배열.
3열 원형 교각: 직경 0.03m의 원형 교각 세 개를 직렬로 배열.
단일 타원형 교각: 폭 0.03m, 길이 0.15m의 둥근 모서리를 가진 단일 고체 교각.
유동 조건: 하상에서 퇴적물 이동이 일어나지 않는清水세굴(clear-water scour) 조건에서 실험을 진행했으며, 유속은 3차원 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 측정했습니다.
데이터 수집: 약 8시간 동안 실험을 진행하여 평형 세굴 상태에 도달한 후, 수조의 물을 빼고 포인트 게이지(point gauge)를 사용하여 세굴된 하상의 단면을 정밀하게 측정했습니다.
Figure 2. Three arrangements of piers used in the present study.
이러한 통제된 실험 설계를 통해 각 교각 배열이 세굴 패턴에 미치는 영향을 직접적으로 비교할 수 있었습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
실험 결과, 교각의 배열 방식이 세굴의 깊이와 부피에 결정적인 영향을 미친다는 사실이 명확하게 드러났습니다.
Finding 1: 단일 고체 교각의 압도적인 세굴 감소 효과
가장 주목할 만한 발견은 단일 타원형 교각이 다중 원형 교각 배열에 비해 세굴을 현저하게 줄인다는 것입니다. Figure 14와 Table 2의 데이터에 따르면, 단일 타원형 교각에서 발생한 세굴 부피(1.38×10⁻³ m³)는 2열 원형 교각(3.11×10⁻³ m³)에 비해 55.63%나 감소했습니다. 3열 원형 교각으로 변경했을 때도 세굴 부피가 21.5% 감소했지만, 단일 교각의 효과에는 미치지 못했습니다. 이는 동일한 지지 면적을 가질 때, 유선형의 단일 구조가 유동 저항과 와류 생성을 최소화하여 세굴을 억제하는 데 훨씬 효과적임을 의미합니다.
Finding 2: 교각 배열에 따른 유동장 복잡성 및 세굴 패턴 변화
이러한 차이는 유동장의 복잡성에서 기인합니다. 다중 교각 배열의 경우, 상류 교각에서 발생한 후류 와류가 하류 교각 전면의 말굽 와류 형성에 간섭합니다. 이 복잡한 상호작용으로 인해 각 교각 주변의 세굴 패턴이 달라집니다. 반면, 단일 타원형 교각은 고체 벽면이 후류 와류의 발달을 약화시키고, 주로 교각 전면의 말굽 와류에 의해 세굴이 발생합니다. 이 말굽 와류의 강도가 다중 교각의 경우보다 약해져 전체적인 세굴 깊이와 부피가 줄어듭니다. Figure 12의 세굴 등고선도는 이러한 차이를 시각적으로 보여주며, 단일 교각의 세굴 구멍이 더 작고 집중되어 있음을 확인할 수 있습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Civil/Hydraulic Engineers: 본 연구는 교량 설계 시 다중 교각 배열 대신 단일 고체 교각을 선택하는 것이 세굴 깊이와 부피를 크게 줄일 수 있는 효과적인 전략임을 시사합니다.
For Structural Integrity Managers:Figure 12와 Table 2의 데이터는 교각 구성이 세굴 구멍의 형상에 직접적인 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 교량 기초의 검사 및 모니터링 기준을 개발하는 데 중요한 정보가 됩니다.
For Design Engineers: 연구 결과는 교각 배열이 교량 초기 설계 단계에서 세굴을 최소화하기 위한 핵심 변수임을 강조합니다. 단일 타원형 교각을 채택하는 것은 값비싼 세굴 방지 대책의 필요성을 줄일 수 있는 선제적인 조치가 될 수 있습니다.
Paper Details
Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio
1. Overview:
Title: Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio
Author: B.A.Vijayasree, T.I. Eldho
Year of publication:
Journal/academic society of publication:
Keywords: Scour, bridge piers, horse-shoe vortex, wake vortex, aspect ratio, flume study
2. Abstract:
교각 주변의 세굴은 교량이 흐름을 방해할 때 형성되는 말굽 와류에 의해 발생하는 문제로, 교량 엔지니어들이 직면한 어려운 과제입니다. 말굽 와류의 거동은 교각의 배열에 따라 달라집니다. 유동 패턴은 다중 교각 그룹과 단일 고체 교각에서 서로 다르며, 이로 인해 다른 세굴 패턴이 생성됩니다. 본 논문에서는 동일한 형상비를 가진 다른 배열의 교각 주변 세굴을 실험용 수조에서 조사했습니다. 연구된 세 가지 배열 모두 형상비(L/B)가 5입니다. 실험용 수조는 길이 7.5m, 폭 0.3m, 깊이 0.6m이며 재순환 설비를 갖추고 있습니다. 결과에 따르면, 세굴 부피는 다중 교각 조합에 비해 단일 고체 교각 주변에서 상당히 감소했습니다. 또한, 교각의 조합으로 인해 유동장이 복잡해졌습니다.
3. Introduction:
교각 주변의 세굴은 전 세계 엔지니어들이 직면한 주요 과제입니다. 흐르는 물에 교각과 같은 장애물이 놓이면, 그 상류에서 역압력 구배가 발생합니다. 이로 인해 경계층이 3차원적으로 분리되며, 높은 난류, 표면 롤러, 하강류, 말굽 와류, 후류 와류가 형성되어 국부적인 유동 구조에 의해 하상 재료가 침식됩니다. 말굽 와류는 구조물 바닥 주변의 전단 응력을 증가시켜 퇴적물 이동을 유발하며, 후류 와류는 이동된 퇴적물을 세굴 구멍 밖으로 운반하는 데 기여합니다. 교량 건설 시에는 강의 폭, 상부 구조물의 폭, 지지 구조물의 형태 등 여러 요소를 고려해야 합니다. 특히 넓은 도로/철도를 지지하기 위해서는 길쭉한 교각이나 다중 교각이 필요하므로, 이러한 구조물 주변의 유동 및 세굴 특성을 이해하는 것이 중요합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 핵심적인 수리학적 현상입니다. 유동 중 장애물로 인해 발생하는 복잡한 와류 시스템이 국부적인 하상 침식을 유발합니다.
Status of previous research:
여러 연구자들이 단일 및 다중 원형 교각 주변의 세굴 현상을 조사했습니다. Melville과 Chiew(1999)는 원통형 교각에서의 시간적 세굴 깊이 발달을 연구했으며, Beg(2010, 2015) 등은 횡방향 및 직렬 배열된 두 교각 주변의 세굴 구멍 특성을 연구했습니다. 하지만 동일한 형상비를 가진 다른 배열(다중 vs. 단일)의 세굴 특성을 직접 비교한 연구는 부족했습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 동일한 형상비(L/B=5)를 갖는 세 가지 다른 교각 배열(2열 원형, 3열 원형, 단일 타원형) 주변의 세굴 패턴을 실험적으로 조사하고 비교하는 것입니다. 이를 통해 어떤 배열이 세굴을 최소화하는 데 더 효과적인지 규명하고자 합니다.
Core study:
실험용 수조에서 세 가지 교각 배열 모델을 설치하고, 통제된 유동 조건 하에서 시간에 따른 세굴 깊이, 최종 세굴 구멍의 형상 및 부피를 측정했습니다. 각 배열에서 나타나는 유동 구조와 세굴 메커니즘의 차이점을 분석하여 설계에 대한 실질적인 시사점을 도출했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
동일한 형상비(L/B=5)를 가진 세 가지 교각 배열(2열 원형, 3열 원형, 단일 타원형)을 독립 변수로 설정하고, 종속 변수인 세굴 깊이, 세굴 구멍의 길이, 폭, 부피를 측정하는 비교 실험 연구 설계를 채택했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
유속 측정: 3차원 음향 도플러 유속계(ADV) ‘Vectrino’를 사용하여 유동장을 측정했습니다.
세굴 측정: 평형 상태 도달 후, 포인트 게이지를 사용하여 세굴된 하상의 3차원 지형을 측정했습니다.
데이터 분석: 측정된 데이터를 바탕으로 시간별 세굴 깊이 변화 그래프, 종방향 및 횡방향 세굴 단면도, 3차원 세굴 등고선도를 작성하고, 세굴 부피를 계산하여 각 배열의 특성을 정량적으로 비교 분석했습니다.
Research Topics and Scope:
본 연구는 실험실 규모의 수조에서 清水세굴(clear-water scour) 조건 하에 고정된 하상 재료(d50=0.8mm)와 단일 유량 조건에서 수행되었습니다. 연구 범위는 동일 형상비를 가진 세 가지 특정 교각 배열의 국부 세굴 특성 비교에 한정됩니다.
6. Key Results:
Key Results:
2열 원형 교각에서 3열 원형 교각으로 변경 시, 세굴 부피는 21.5% 감소했습니다.
2열 원형 교각에서 단일 타원형 교각으로 변경 시, 세굴 부피는 55.63% 감소했습니다.
단일 타원형 교각의 상류단 최대 세굴 깊이(0.047m)는 다중 원형 교각(약 0.065m)에 비해 약 28% 감소했습니다.
다중 교각 배열에서는 상류 교각의 후류 와류가 하류 교각의 말굽 와류와 간섭하여 복잡한 유동장과 세굴 패턴을 형성하는 반면, 단일 교각은 상대적으로 단순한 유동장과 예측 가능한 세굴 패턴을 보였습니다.
Figure List:
Figure 1. Horse-shoe vortex and wakes formation at a bridge pier.
Figure 2. Three arrangements of piers used in the present study.
Figure 3. Schematic diagram of the experimental flume.
Figure 4. Grain size distribution of bed material.
Figure 5. Temporal variation of the piers for twin circular pier arrangement (ds is scour depth; b is diameter of pier).
Figure 6. Scour along longitudinal direction for twin circular piers.
Figure 7. Temporal variations of the piers for three circular pier arrangement (ds is scour depth; b is diameter of pier).
Figure 8. Scour along longitudinal direction for three circular piers.
Figure 9. Temporal variation of scour at oblong pier(ds is scour depth; b is diameter of pier).
Figure 10. Scour along longitudinal direction for oblong pier.
Figure 11 Photograph of Scour hole: (a) twin circular pier arrangement; (b) three circular piers arrangement; (c) oblong pier.
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 모든 교각 배열에서 형상비(aspect ratio)를 5로 동일하게 설정한 이유는 무엇인가요?
A1: 형상비를 5로 통일한 것은 실험의 변수를 교각의 ‘배열 방식’ 하나로 제어하기 위함입니다. 만약 형상비가 달랐다면, 세굴 결과의 차이가 배열 방식 때문인지, 아니면 교각의 전체적인 길이 대 폭 비율의 차이 때문인지 명확히 구분할 수 없었을 것입니다. 이 통제된 접근법을 통해 각 배열 방식이 세굴에 미치는 순수한 영향을 정량적으로 평가할 수 있었습니다.
Q2: Figure 5에서 2열 원형 교각의 두 번째 교각에서 나타나는 세굴 깊이 곡선이 불규칙한 이유는 무엇인가요?
A2: 논문에 따르면, 이는 상류의 첫 번째 교각에서 침식된 모래 입자들이 초기에 하류의 두 번째 교각 앞에 형성된 세굴 구멍에 퇴적되었다가, 시간이 지나면서 다시 침식되어 떠내려가기 때문입니다. 이러한 퇴적과 재침식 과정이 반복되면서 두 번째 교각의 시간별 세굴 깊이 곡선에 일시적인 불규칙성이 나타난 것입니다.
Q3: 연구에서는 단일 고체 교각이 더 낫다고 결론 내렸습니다. 이는 재료비 증가 가능성을 고려한 것인가요?
A3: 네, 그렇습니다. 결론 부분에서 이 점을 명시적으로 다루고 있습니다. 논문은 “재료비 측면에서 단일 고체 교각이 비경제적으로 보일 수 있지만, 필요한 세굴 방지 비용을 절감함으로써 이를 보상할 수 있다”고 언급합니다. 즉, 초기 재료비는 더 높을 수 있지만, 장기적인 안정성 확보와 세굴 방지 공사 비용 감소를 고려하면 전체 생애주기 비용(LCC) 측면에서 더 경제적일 수 있다는 의미입니다.
Q4: 수조 폭과 교각 폭의 비율인 차폐율(blockage ratio)이 약 10이라는 점은 어떤 의미를 가지나요?
A4: 이는 실험 결과의 신뢰도를 높이기 위한 중요한 설정입니다. 논문은 Shen 등(1969)의 연구를 인용하여, 수조 벽면이 세굴 패턴에 미치는 영향을 최소화하려면 수조 폭이 교각 직경의 최소 8배 이상 되어야 한다고 언급합니다. 차폐율을 약 10으로 설정함으로써, 실험 결과가 좁은 수조의 경계 효과가 아닌, 실제 강과 같이 넓은 개수로에서의 교각 주변 유동 특성을 잘 대표하도록 보장한 것입니다.
Q5: 3열 교각 실험(Figure 7)에서 세 번째 교각의 세굴 깊이가 초기에 음수 값을 보이는 이유는 무엇인가요?
A5: 이는 실험 시작 직후, 첫 번째와 두 번째 교각에서 침식된 모래가 세 번째 교각 전면에 쌓였기 때문입니다. 이로 인해 해당 지점의 하상고가 일시적으로 원래보다 높아지는 퇴적 현상(accretion)이 발생하여, 세굴 깊이가 음수(-) 값으로 기록된 것입니다. 시간이 더 흐르면서 퇴적된 모래가 다시 침식되기 시작하면서 세굴 깊이 곡선은 양수 값으로 전환됩니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 교량의 구조적 안정성을 위협하는 교각 세굴 문제를 해결하기 위해 어떤 교각 설계가 더 우수한지에 대한 명확한 실험적 증거를 제공합니다. 핵심 결론은 동일한 형상비를 가질 때, 여러 개의 교각을 사용하는 것보다 유선형의 단일 고체 교각을 사용하는 것이 세굴을 55% 이상 줄일 수 있다는 것입니다. 이는 교량 설계 단계에서 세굴 위험을 근본적으로 줄여 장기적인 안전성을 확보하고 유지보수 비용을 절감할 수 있는 중요한 통찰을 제공합니다.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
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Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same aspect ratio” by “B.A.Vijayasree, T.I. Eldho”.
이 기술 요약은 Zahraa F. Hassan 외 저자가 2020년 Civil Engineering Journal에 발표한 논문 “Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils”를 기반으로 합니다. 이 자료는 STI C&D가 AI의 도움을 받아 기술 전문가를 위해 분석하고 요약한 것입니다.
도전 과제: 현대의 장경간 교량은 단일 교각 대신 교각 그룹을 사용하지만, 점성토 지반에서 교각 간 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향은 명확히 규명되지 않아 교량 기초의 불안정성을 야기할 수 있습니다.
연구 방법: 실험실 수로(flume)에서 점토-모래 혼합 지반에 두 개의 원형 직렬 교각(in-line piers)을 설치하고, 교각 간격을 다양하게 변경하며 세굴 깊이와 패턴을 측정하는 수리 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 최대 세굴 깊이는 교각 직경의 2배 간격에서 발생하며, 이는 단일 교각보다 10% 더 깊은 수치입니다. 반면, 하류 측 교각은 상류 측 교각의 보호 효과(sheltering effect)로 인해 세굴이 감소했습니다.
핵심 결론: 교각 간격은 세굴 패턴을 근본적으로 바꾸는 핵심 설계 변수이며, 기존의 일부 세굴 예측 공식은 이러한 직렬 교각 배치에서 세굴 깊이를 과대평가할 수 있습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량 기초 주변의 국부 세굴은 구조적 불안정성과 붕괴의 주요 원인입니다. 이 때문에 교각 세굴 메커니즘을 이해하는 것은 설계에 있어 필수적입니다. 대부분의 기존 연구는 비점착성 토양(모래, 자갈)에 설치된 단일 교각에 초점을 맞추어 왔습니다.
그러나 현대의 교량 설계는 넓은 경간을 지지하기 위해 단일 교각이 아닌 교각 그룹을 사용하는 것이 일반적입니다. 교각 그룹 주변의 흐름과 세굴 패턴은 교각 간의 복잡한 상호작용으로 인해 단일 교각의 경우와는 매우 다릅니다. 특히, 입자 간의 화학적, 물리적 결합력이 세굴 저항성에 큰 영향을 미치는 점성토 지반에서의 교각 그룹 세굴에 대한 연구는 거의 전무한 실정이었습니다. 이러한 지식의 공백은 교량 기초 설계의 정확성과 안전성에 심각한 위험 요소로 작용해왔습니다. 본 연구는 바로 이 문제를 해결하기 위해 시작되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 교각 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향을 규명하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 수리 실험을 수행했습니다.
Figure 1. A schematic representation of the flume used in the experiments
실험 장비: 이란 아미르카비르 공과대학교(Amirkabir University of Technology)의 다공성 매체 연구소에 위치한 길이 14m, 폭 1m, 깊이 1m의 직사각형 단면 수로(flume)를 사용했습니다. 유량은 수로 출구의 예연 위어(sharp crested rectangular weir)로 측정되었습니다.
교각 모델: 직경(D) 5cm의 원형 플렉시글라스 교각 모델을 사용했으며, 단일 교각 실험과 두 개의 교각을 흐름 방향과 평행하게 배치한 직렬(탠덤) 교각 실험을 진행했습니다.
지반 조건: 세굴 실험을 위해 카올리나이트 점토 30%와 균일한 세립사(d50=0.15mm) 70%를 건조 중량 기준으로 혼합한 점성토를 사용했습니다. 이 혼합물은 자연 점성토와 유사한 점착 결합을 형성하도록 3시간 동안 포화시켰습니다.
실험 조건: 모든 실험은 유사 이동이 없는 한계 유속 조건(clear water scour)에서 수행되었습니다. 접근 유속은 실드(Shield) 방법을 사용하여 모래 입자의 임계 속도에 가깝게 설정했으며(V/Vc = 0.94), 유량은 37.5 l/s, 수심은 15cm로 일정하게 유지했습니다. 각 실험은 24시간 동안 지속하여 더 이상 유사 이동이 관찰되지 않는 평형 상태에 도달하도록 했습니다.
주요 변수: 직렬 교각 실험에서 교각 중심 간 간격(Sp)을 교각 직경(D)의 2배, 2.5배, 3배, 4배, 6배, 8배(Sp = 2D, 2.5D, 3D, 4D, 6D, 8D)로 변경하며 실험을 수행했습니다.
Figure 2. A graphical representation of the two in-line circular pier models arrangement
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 교각 간격이 상류 측 교각의 최대 세굴 깊이를 결정
실험 결과, 두 개의 직렬 교각 중 상류 측 교각의 세굴 깊이는 교각 간격에 따라 크게 달라졌습니다. 특히 가장 위험한 조건은 교각 간격이 가장 좁을 때 나타났습니다.
Table 2의 데이터에 따르면, 교각 간격(Sp)이 교각 직경(D)의 2배(Sp/D = 2)일 때, 상류 측 교각의 세굴 깊이(ds1)는 67mm로 측정되었습니다. 이는 단일 교각의 세굴 깊이(ds)인 61mm보다 약 10% 더 깊은 값으로, 실험된 모든 간격 중에서 가장 큰 세굴 깊이를 기록했습니다. 이는 두 교각의 세굴공이 서로 간섭하면서 토사 제거를 강화하는 ‘보강 효과(reinforcement effect)’ 때문으로 분석됩니다. 간격이 3D 이상으로 멀어지면서 이 효과는 감소했고, 4D 이상에서는 단일 교각의 세굴 깊이에 수렴하는 경향을 보였습니다.
결과 2: 하류 측 교각을 보호하는 ‘보호 효과(Sheltering Effect)’
상류 측 교각은 하류 측 교각으로 향하는 유속을 감소시키는 방패 역할을 했습니다. 이로 인해 하류 측 교각의 세굴은 모든 실험 조건에서 단일 교각보다 작게 나타났습니다.
Table 2에서 하류 측 교각의 세굴 깊이(ds2)와 단일 교각 세굴 깊이(ds)의 비율(ds2/ds)을 보면, 이 값은 0.62에서 0.97 사이로 항상 1보다 작았습니다. 특히 간격이 8D로 가장 멀어졌을 때, 하류 측 교각의 세굴 깊이는 38mm로 단일 교각의 62% 수준까지 감소하여 보호 효과가 가장 뚜렷하게 나타났습니다. 이는 상류 측 교각이 하류 측 교각 주변의 와류(horseshoe vortex) 형성을 약화시키기 때문입니다. Figure 3의 세굴공 패턴은 이러한 상호작용과 보호 효과를 시각적으로 명확하게 보여줍니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/설계 엔지니어: 이 연구는 교량 기초 설계 시 교각 간격을 매우 신중하게 고려해야 함을 시사합니다. 특히 교각 직경의 2배 간격이 상류 측 교각에 가장 불리한 세굴 조건을 유발한다는 점은 핵심적인 설계 제약 조건이 될 수 있습니다. 반면, 하류 측 교각에 대한 보호 효과를 정량적으로 활용하면 해당 교각의 기초 설계를 최적화할 수 있는 가능성을 열어줍니다.
품질 관리 및 유지보수 팀: 논문의 Figure 3에 제시된 다양한 간격별 세굴공 패턴은 직렬 교각을 가진 교량의 정기 점검 시 중요한 시각적 참고 자료가 될 수 있습니다. 실제 현장에서 관찰된 세굴 패턴이 실험 결과와 크게 다를 경우, 이는 예상치 못한 수리 조건이나 지반 특성의 변화를 의미할 수 있으므로 정밀 진단의 필요성을 시사합니다.
CFD 해석 엔지니어: 본 연구의 실험 데이터는 점성토 지반에서의 다중 교각 세굴 모델링을 위한 귀중한 검증(Validation) 자료를 제공합니다. 특히 기존 세굴 예측 공식(TAMU-scour method)이 결과를 과대평가했다는 점은, 점성토의 침식 특성을 더 정확하게 반영하는 새로운 수치 모델 개발의 필요성을 강조합니다.
논문 상세 정보
Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils
1. 개요:
제목: Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils
저자: Zahraa F. Hassan, Ibtisam R. Karim, Abdul-Hassan K. Al-Shukur
발표 연도: 2020
발표 학술지/학회: Civil Engineering Journal
키워드: Tandem Piers, In-line Piers, Bridge Pier Interaction, Cohesive Soils, Sand-clay Bed
2. 초록:
교각에서의 국부 세굴은 교량 기초 침식의 주요 원인 중 하나입니다. 초기 연구들은 주로 단일 교각에서의 세굴에 초점을 맞추었지만, 현대의 교량 설계는 상부 구조를 지지하기 위해 단일 교각보다는 교각 그룹을 사용하는 경우가 많습니다. 교각 그룹 주변의 흐름과 세굴 패턴은 상호작용 효과로 인해 단일 교각의 경우와 다릅니다. 교량 교각 그룹 주변의 국부 세굴에 대한 문헌 검토 결과, 점성토 지반에 설치된 교각 그룹 주변의 국부 세굴은 연구되지 않았으며, 대부분의 세굴 연구는 비점착성 토양에서의 세굴과 관련이 있었습니다. 본 연구의 목적은 점성토에 설치된 다양한 간격을 가진 두 개의 직렬(탠덤) 원형 교각 간의 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향을 조사하는 것입니다. 이 효과를 조사하기 위해 한계 유속 세굴 조건 하에서 일련의 실험실 수로 실험이 수행되었습니다. 본 연구는 점성토 지반에서 교각 그룹 주변의 세굴을 실험적으로 조사한 첫 번째 연구입니다. 두 직렬 교각의 상류 측 교각에서 최대 세굴 깊이는 교각 직경의 2배 간격에서 발생했으며, 하류 측 교각에서의 세굴은 보호 효과로 인해 감소했고, 간섭 효과는 교각 직경의 3배보다 큰 교각 간격에서 감소하는 것으로 나타났습니다. 최근의 교각 세굴 방정식을 사용하여 점성토 내 두 직렬 교각의 세굴 깊이를 추정하고, 추정된 값을 실험실에서 측정된 세굴 깊이와 비교했습니다. 비교 결과, 제안된 세굴 방정식은 상류 및 하류 교각 모두에서 세굴 깊이를 과대평가하는 것으로 나타났습니다.
3. 서론:
교량의 교각 및 교대 주변의 국부 세굴은 구조적 불안정성과 붕괴의 주요 위험 요소입니다. 국부 세굴은 침식 가능한 지반에 교량 교각과 교대가 건설될 때, 흐르는 물의 침식 작용으로 인해 주변 토양이 파여나가면서 발생합니다. 따라서 교량 기초의 세굴 메커니즘에 대한 이해는 설계 목적을 위해 반드시 고려되어야 합니다. 교량 교각 세굴에 대한 연구는 1950년대부터 수행되어 왔으며, 다양한 관점과 조건 하에서 교각 주변의 국부 세굴 깊이를 평가하기 위한 수많은 설계 방법과 예측 방정식이 개발되었습니다. 단일 교량 교각 주변의 세굴 및 흐름 구조에 대한 연구는 상당수 있지만, 교각 그룹 주변의 세굴 및 유동장에 대한 연구는 상대적으로 적습니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
현대의 장경간 교량은 상부 구조물을 지지하기 위해 단일 교각보다 교각 그룹을 사용하는 것이 일반적입니다. 교각 그룹에서의 세굴 과정은 흐름 구조의 상호작용으로 인해 더 복잡하며, 결과적으로 세굴 패턴이 단일 교각의 경우와 다릅니다.
이전 연구 현황:
대부분의 교각 세굴 연구는 비점착성 토양(모래/자갈)에 초점을 맞추어 왔습니다. 점성토에서의 세굴은 흐름 구조 외에 토양 입자 간의 화학적, 물리적 결합력이 저항력으로 작용하여 더 복잡합니다. 점성토 지반의 교각 그룹 세굴에 대한 연구는 거의 보고된 바가 없습니다. Li (2015)의 연구가 유일하게 점성토 내 교각 그룹을 다루었으나, 나란히 배치된 교각에 한정되었고 세굴공 패턴이나 상호작용 효과에 대한 상세한 설명은 없었습니다.
연구 목적:
본 연구는 점성토 지반에 설치된 두 개의 직렬(탠덤) 원형 교각 간의 상호작용이 국부 세굴공에 미치는 영향을 물리적 모델링과 실험실 실험을 통해 규명하는 것을 목표로 합니다.
핵심 연구 내용:
단일 교각 및 다양한 간격(2D, 2.5D, 3D, 4D, 6D, 8D)을 가진 두 개의 직렬 교각에 대한 수리 실험을 수행했습니다. 점토-모래 혼합토로 조성된 지반에서 24시간 동안 한계 유속 세굴 조건으로 실험을 진행하여 최종 세굴공의 형상과 최대 세굴 깊이를 측정했습니다. 측정된 데이터와 기존 세굴 예측 공식(TAMU-scour method)의 예측치를 비교 분석했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험실 환경에서 통제된 변수를 사용하여 교각 상호작용 효과를 정량적으로 측정하는 실험적 연구 설계를 채택했습니다. 단일 교각 실험을 기준(baseline)으로 설정하고, 직렬 교각의 간격을 주요 변수로 하여 세굴 깊이의 변화를 비교 분석했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
각 실험 종료 후, 수로의 물을 천천히 배수하고 레이저 측정기(laser-meter)를 사용하여 교각 주변의 지반 고도를 정밀하게 측정했습니다. 이를 통해 각 교각 주변의 세굴 깊이와 세굴공의 3차원 형상 데이터를 수집했습니다. 수집된 데이터는 단일 교각의 결과와 비교하여 상호작용 효과를 분석하는 데 사용되었습니다.
연구 주제 및 범위:
연구 주제: 점성토 지반에 설치된 두 개의 직렬 원형 교각의 상호작용이 국부 세굴에 미치는 영향.
연구 범위:
지반 조건: 카올리나이트 점토와 세립사 혼합토.
수리 조건: 한계 유속 세굴(Clear-water scour).
교각 배열: 직렬(탠덤) 원형 교각.
교각 간격(Sp/D): 2, 2.5, 3, 4, 6, 8.
6. 주요 결과:
주요 결과:
상류 측 교각의 최대 세굴 깊이는 교각 간격이 직경의 2배(Sp/D = 2)일 때 발생했으며, 이는 단일 교각의 세굴 깊이보다 10% 더 컸습니다.
하류 측 교각의 세굴 깊이는 상류 측 교각의 보호 효과(sheltering effect)로 인해 모든 간격 조건에서 단일 교각의 경우보다 항상 작았습니다.
교각 간 상호작용 효과는 간격이 직경의 3배(Sp/D > 3)를 초과하면 감소하기 시작했습니다.
하류 측 퇴적구(sediment deposition hill)의 형태는 단일 교각의 경우보다 직렬 교각의 경우에 더 넓고 다른 형상으로 형성되었습니다.
Briaud가 제안한 TAMU-scour 예측 방법은 본 실험의 상류 및 하류 교각 세굴 깊이를 모두 과대평가하는 것으로 나타났습니다.
Figure 3. Scour hole patterns at circular single pier and two in-line piers with variable Sp in cohesive soil. (a) Single (b) Sp=2D (c) Sp=2.5D (d) Sp=3D (e) Sp=4D (f) Sp=6D (g) Sp=8D
Figure 이름 목록:
Figure 1. A schematic representation of the flume used in the experiments
Figure 2. A graphical representation of the two in-line circular pier models arrangement
Figure 3. Scour hole patterns at circular single pier and two in-line piers with variable Sp in cohesive soil. (a) Single (b) Sp=2D (c) Sp=2.5D (d) Sp=3D (e) Sp=4D (f) Sp=6D (g) Sp=8D
Figure 4. Sediment deposition at the downstream of the scour hole for the case of single pier and two inline piers with different spacing
Figure 5. Estimated vs. measured scour depths at upstream pier of two in-line iers.
Figure 6. Estimated vs. measured scour depths at downstream pier of two in-line piers
7. 결론:
본 연구는 점성토 지반에 설치된 두 개의 직렬 교각 주변의 국부 세굴에 대한 실험적 연구를 통해 교각 상호작용 효과를 규명했습니다. 실험 결과, 상류 측 교각의 세굴 깊이는 단일 교각보다 클 수 있으며, 특히 교각 간격이 직경의 2.5배 미만일 때 최대 세굴(단일 교각 대비 10% 증가)이 발생했습니다. 간격이 직경의 3배 이상으로 증가하면 상류 측 교각의 세굴 깊이는 단일 교각의 경우에 가까워졌습니다. 하류 측 교각은 모든 실험에서 보호 효과로 인해 세굴이 감소했습니다. 이러한 결과는 교각 그룹의 경우 세굴 패턴과 유사 이송 특성이 단일 교각과 근본적으로 다르다는 것을 보여줍니다. 또한, 최근에 제안된 TAMU-scour 방법은 점토-모래 지반의 직렬 교각 세굴 깊이를 과대평가하는 것으로 나타나, 점성토의 침식 특성을 고려한 예측 모델의 개선이 필요함을 시사합니다.
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Expert Q&A: 전문가 Q&A
Q1: 각 실험을 24시간 동안 수행한 이유는 무엇인가요?
A1: 논문에 따르면, 24시간이라는 실험 기간은 “교각 주변에서 더 이상 관찰되는 유사 이동이 없는 상태에 도달하기에 충분한” 시간이었습니다. 이는 측정된 세굴 깊이가 특정 흐름 조건에서 도달할 수 있는 최종적인 평형 세굴 깊이 또는 그에 매우 근접한 값임을 보장하기 위함입니다. 이를 통해 일시적인 현상이 아닌 안정된 상태의 세굴 결과를 얻을 수 있었습니다.
Q2: TAMU-scour 방법이 실험 결과를 과대평가한 구체적인 이유는 무엇일까요?
A2: 논문에서는 두 가지 가능성을 제시합니다. 첫째, 세굴 깊이 예측에 사용된 임계 프루드 수(critical pier Froude number)가 점토-모래 혼합토 전체의 침식 저항성이 아닌, 혼합토 내 모래 입자의 이동 개시 유속을 기준으로 계산되었기 때문일 수 있습니다. 점토의 점착력은 실제 임계 유속을 더 높여 세굴을 감소시키므로, 모래 기준의 계산은 세굴을 과대평가할 수 있습니다. 둘째, TAMU 공식은 최대 평형 세굴 깊이에 도달할 만큼 충분히 오랫동안 일정한 흐름이 지속된다고 가정하는데, 24시간의 실험 조건이 이론적인 최대 평형 상태와는 다소 차이가 있을 수 있습니다.
Q3: 점성토에서는 세굴이 교각 측면에서 시작된다고 언급되었는데, 비점착성 토양(모래)과 어떤 차이가 있나요?
A3: 논문은 Debnath와 Chaudhuri [14]의 연구를 인용하며, 비점착성 토양에서는 세굴이 주로 교각 전면에서 시작된다고 설명합니다. 반면, 점성토에서는 “토양의 전단 저항력과 흐름에 의해 발생하는 전단 응력의 조합 효과”가 세굴 시작 위치를 결정합니다. 이 조합 효과가 교각 측면에서 가장 임계점에 도달하기 때문에, 세굴이 측면에서 시작되어 하류로 전파되는 특징을 보입니다.
Q4: 교각 간격이 멀어질수록 상호작용 효과는 어떻게 변하나요?
A4: 연구 결과, 교각 간격이 직경의 3배(Sp/D > 3)를 초과하면서 상호작용 효과가 감소하기 시작했습니다. 특히 간격이 직경의 4배(Sp/D > 4) 이상이 되면, 상류 측 교각의 세굴 깊이는 단일 교각의 세굴 깊이와 거의 같아졌습니다. 이는 두 교각이 수리적으로 서로 독립적인 개체처럼 거동하기 시작했음을 의미합니다.
Q5: 단일 교각과 직렬 교각의 경우, 하류 측 퇴적 지형에서 가장 큰 시각적 차이점은 무엇이었나요?
A5: 논문의 Figure 4에 따르면, 단일 교각의 경우 하류에 형성된 퇴적구(sediment deposit)는 “단순하고 크기가 작았던(simple and little)” 반면, 두 개의 직렬 교각의 경우에는 “더 넓게 확장되었고(extended wider)” 다른 형상을 가졌습니다. 이는 교각 그룹이 주변의 유사 이송 메커니즘을 근본적으로 변화시킨다는 것을 시각적으로 보여주는 중요한 결과입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
본 연구는 점성토 지반에서 직렬 교각의 간격이 교량 교각 세굴에 미치는 복잡한 영향을 명확히 보여주었습니다. 교각 직경의 2배 간격에서 최대 세굴이 발생한다는 사실과 기존 예측 모델이 실제 현상을 과대평가할 수 있다는 점은 교량 기초의 안전성과 경제성을 모두 고려해야 하는 엔지니어에게 중요한 통찰을 제공합니다.
이러한 정밀한 수리 현상을 이해하고 예측하는 것은 더 안전하고 효율적인 교량 설계를 위한 필수 과정입니다.
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저작권 정보
이 콘텐츠는 Zahraa F. Hassan 등의 논문 “Effect of Interaction between Bridge Piers on Local Scouring in Cohesive Soils”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda가 작성하여 Journal of Civil Engineering Forum (2021)에 발표한 학술 논문 “The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.
키워드
Primary Keyword: 국부 세굴
Secondary Keywords: 교량 안정성, 수리 분석, 유사 이송, 교각 세굴, 하천 공학
Executive Summary
도전 과제: 강을 가로지르는 교량의 교각은 물의 흐름을 방해하여 교각 주변의 하상 토양을 침식시키는 국부 세굴을 유발하며, 이는 교량의 구조적 안정성을 심각하게 위협하고 붕괴로 이어질 수 있습니다.
연구 방법: 인도네시아 Nagan Raya Regency의 Alue Buloh 교량 현장에서 실제 세굴 깊이를 측정하고, 이 측정값을 Froehlich, Lacey, Colorado State University(CSU)의 세 가지 경험적 예측 공식 결과와 비교 분석했습니다.
핵심 발견: 현장에서 측정된 최대 국부 세굴 깊이는 1.68m였으며, Froehlich 방법으로 예측한 값(1.68m)이 현장 측정값과 정확히 일치하여 가장 높은 신뢰도를 보였습니다. 반면, CSU 방법은 2.43m, Lacey 방법은 4.47m로 예측하여 실제와 상당한 차이를 보였습니다.
핵심 결론: 교량 설계 시 국부 세굴 깊이를 예측할 때, 현장 조건(교각 형태, 유속, 퇴적물 입경 등)을 종합적으로 고려하는 경험적 모델(본 연구에서는 Froehlich 방법)을 선택하는 것이 교량의 안전성을 확보하는 데 매우 중요합니다.
도전 과제: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량은 현대 사회의 필수적인 기반 시설이지만, 그 수중 구조물인 교각과 기초는 끊임없이 자연의 도전에 직면합니다. 특히 강물의 흐름을 방해하는 교각의 존재는 필연적으로 수리학적 변화를 야기합니다. 교각 상류에서는 말발굽 와류(horseshoe vortex)와 하강류(downflow)가 발생하여 교각 주변 하상의 퇴적물을 강력하게 침식시키고 운반합니다. 이러한 현상을 ‘국부 세굴(Local Scour)’이라고 부릅니다.
국부 세굴이 지속되면 교각 기초가 노출되고 지지력을 상실하여, 최악의 경우 교량 전체의 붕괴로 이어질 수 있습니다. 이는 막대한 경제적 손실과 인명 피해를 초래할 수 있는 심각한 문제입니다. 따라서 교량 설계 및 유지 관리 단계에서 국부 세굴의 깊이를 정확하게 예측하고 적절한 보호 공법을 적용하는 것은 무엇보다 중요합니다. 하지만 세굴 현상은 하천의 형태, 유량, 퇴적물의 특성, 교각의 형상 등 매우 복잡한 요인들의 상호작용으로 발생하기 때문에 그 예측이 매우 어렵습니다. 이 연구는 이러한 기술적 난제를 해결하기 위해 실제 현장 데이터와 널리 사용되는 경험적 예측 모델들을 비교 검증하여, 가장 신뢰성 있는 예측 방법을 찾는 것을 목표로 합니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 실제 현장 데이터와 경험적 공식을 결합하여 국부 세굴 깊이를 분석하는 체계적인 접근법을 사용했습니다.
현장 조사 및 데이터 수집:
위치: 인도네시아 Nagan Raya Regency, Seunagan 지역의 Alue Buloh 교량.
측정 항목: 교각의 폭(4m), 교각 간 거리(50m), 교각 형상(Round nose), 유속, 흐름 깊이, 하상 고도 등을 2020년 1월부터 4월까지 측정했습니다.
유속 측정: 유속계 사용이 불가능하여, 20m 거리를 부표(buoy)가 흘러가는 시간을 스톱워치로 측정하여 표면 유속(L/T)을 계산했습니다.
퇴적물 샘플링: 하천의 좌안, 중앙, 우안 9개 지점에서 퇴적물 샘플을 채취했습니다.
실험실 분석:
입도 분석: 채취한 퇴적물 샘플을 체 분석(sieve analysis)하여 입경 분포를 파악했습니다. 분석 결과, 평균 입경인 D50은 0.91mm, D95는 4.35mm로 나타났습니다.
수문 분석:
설계 홍수량 산정: Krueng Seunagan 유역의 강우 데이터와 지형도를 바탕으로 Nakayasu 합성 단위 유량도법(Nakayasu Synthetic Unit Hydrograph method)을 사용하여 설계 홍수량을 계산했습니다. 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100)은 1513 m³/sec로 산정되었습니다.
국부 세굴 깊이 분석:
측정된 현장 데이터와 산정된 설계 홍수량을 바탕으로 다음 세 가지 경험적 공식을 사용하여 국부 세굴 깊이를 계산하고 현장 측정값과 비교했습니다.
Lacey 방법: 홍수량과 퇴적물 계수(Lacey clay factor)를 기반으로 하는 공식.
Colorado State University (CSU) 방법: 교각 형상, 흐름 각도, 하상 조건, 유속비 등을 종합적으로 고려하는 가장 널리 사용되는 공식 중 하나.
핵심 발견: 주요 연구 결과 및 데이터
결과 1: 현장 측정과 경험적 공식 간의 예측 정확도 비교
연구의 가장 중요한 발견은 세 가지 경험적 공식의 예측 결과가 실제 현장에서 측정된 세굴 깊이와 상당한 차이를 보였다는 점입니다. 특히 Froehlich 방법의 예측 정확도가 매우 뛰어났습니다.
현장 측정: Alue Buloh 교량의 5번 세그먼트, 2번 및 3번 지점(station)에서 최대 세굴 깊이가 각각 1.65m와 1.68m로 측정되었습니다.
Froehlich 방법 예측: 100년 빈도 홍수량(Qp100)을 적용했을 때, 세굴 깊이는 1.68m로 계산되어 현장 최대 측정값과 정확히 일치했습니다.
CSU 방법 예측: 동일한 조건에서 세굴 깊이는 2.43m로 예측되어, 현장 값보다 약 45% 깊게 예측했습니다.
Lacey 방법 예측: 세굴 깊이는 4.47m로 예측되어, 현장 값보다 약 2.6배 이상 과대평가했습니다.
이러한 결과는 교각 형상, 흐름 깊이, 입경 등 다양한 수리학적 변수를 고려하는 Froehlich 및 CSU 방법이 단순히 유량만을 주로 고려하는 Lacey 방법보다 더 신뢰성 있는 결과를 제공함을 시사합니다. 특히 본 연구 지역의 조건에서는 Froehlich 방법이 최적의 예측 도구임이 입증되었습니다.
결과 2: 설계 홍수량 및 주요 수리 매개변수 산정
정확한 세굴 깊이 예측을 위해 선행된 수문 분석 결과 또한 중요한 의미를 가집니다.
설계 홍수량: Nakayasu 방법을 통해 Krueng Seunagan 유역의 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100)은 1513 m³/sec로 산정되었습니다. 이는 세굴 깊이 계산의 핵심 입력값으로 사용되었습니다.
주요 수리 조건: 분석에 사용된 주요 매개변수는 흐름 깊이 3.06m, 프루드 수(Froude number) 0.29, 교각 폭 4m, D50 입경 0.91mm였습니다.
논문 표 8 (Table 8): 이 표는 교각 주변 여러 지점(S3, S4, S5, S6)에서의 세굴 깊이 분석 결과를 보여줍니다. P3 교각의 S5 지점에서 Froehlich 방법(1.68m)과 CSU 방법(2.9m) 모두 최대 세굴이 발생하는 것으로 나타나, 특정 위치에서의 집중적인 침식 현상을 확인할 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
수리/토목 엔지니어: 이 연구는 특정 하천 조건에서 Froehlich 방법이 국부 세굴 깊이를 매우 정확하게 예측할 수 있음을 보여줍니다. 교량 기초 설계 시, 여러 경험적 공식을 비교 검토하고 현장 특성에 가장 적합한 모델을 선택하는 것이 안전하고 경제적인 설계를 위해 필수적입니다.
구조 안전 관리팀: 논문의 표 8 데이터는 교각 주변에서도 세굴이 가장 심하게 발생하는 특정 지점(본 연구에서는 S5 지점)이 존재함을 명확히 보여줍니다. 이는 교량의 정기적인 안전 점검 및 유지 관리 시, 해당 위험 지점을 집중적으로 모니터링하는 기준을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
교량 설계 엔지니어: Lacey 방법(4.47m)과 Froehlich 방법(1.68m)의 예측값 차이는 예측 모델 선택이 기초 설계의 규모와 비용에 얼마나 큰 영향을 미치는지 보여줍니다. 교각 형상, 퇴적물 입경 등 상세한 현장 데이터를 반영하는 정교한 모델을 사용함으로써 과대 또는 과소 설계를 방지하고 최적의 설계를 구현할 수 있습니다.
논문 상세 정보
The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency
1. 개요:
제목: The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency
저자: Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda
하천 횡단면에서 발생하는 세굴은 하천의 형태학적 조건과 흐름을 방해하는 교각의 영향으로 발생할 수 있다. 교각과 교대의 존재는 토양 입자의 안정성을 교란시키고, 하강류와 말발굽 와류를 발생시켜 교각 주변의 토양 입자를 운반하게 하여 국부 세굴을 유발한다. 이러한 국부 세굴 문제는 Krueng Ineng 강, Alue Buloh 마을, Nagan Raya Regency에서도 발생했다. 강을 가로질러 건설된 교량에서 자주 발생하는 문제는 교량 하부 구조물의 기능 부족이다. 교각의 국부 세굴은 현재 교량 구조물의 안정성을 감소시키는 영향을 미쳐 구조적 붕괴를 유발할 것이다. 본 연구에서는 Froehlich, Lacey, Colorado State University 방법을 사용하여 경험적 방정식으로 국부 세굴을 분석했다. 분석 결과, Krueng Seunagan 유역에서 발생하는 첨두 유량(Qp100)은 1513m³/sec이다. 흐름 깊이 3.06m, 프루드 수 0.29, 렌즈 모양의 교각 폭 4m, 그리고 D50, D95(평균 입경 분석)가 각각 0.91mm와 4.35mm인 조건에서 분석한 결과, 현장에서의 최대 세굴 깊이는 5번 세그먼트의 2번 지점(station)과 3번 지점에서 각각 1.65m와 1.68m로 나타났다. Froehlich, Lacey, CSU 방법을 사용한 분석 결과, 세굴 깊이는 각각 1.68m, 4.47m(Qp100), 2.43m로 나타났다. 현장에서의 측정 결과와 가장 가까운 것은 Froehlich 방법이었다. 이 결과를 통해 지방 정부가 이 연구 지역의 국부 세굴을 최소화하기 위한 적절한 처리 계획을 수립하는 데 도움이 될 수 있다.
3. 서론:
교량이 하천 횡단면에 위치할 때 겪는 문제는 기초, 교각, 교대와 같은 하부 구조물의 손상이며, 이는 경우에 따라 교량 붕괴로 이어진다. 교량 하부의 주요 구조물은 교각이며, 이는 주로 세굴 및 퇴적 과정과 함께 강을 흐르는 물과 직접적으로 관련이 있다. 그러나 세굴은 주로 하천의 형태학적 조건과 물의 흐름을 방해하는 교각의 존재에 의해 발생한다고 보고되었다. 교량 하부 구조물과 같은 장애물의 존재는 하천 형태를 변화시키고 퇴적(aggradation)과 침식(degradation)을 유발할 수 있다. 하상 퇴적은 강에 퇴적 작용을 일으키고, 퇴적물의 침전은 일반적으로 강 유역의 감소로 인해 홍수를 유발한다. 또한, 증가된 유속에 따라 지속적으로 침식되는 퇴적물은 상부 교량 구조물의 불안정성을 야기한다. 한편, 침식은 하상을 깊게 하고 절벽에서의 침식 발생은 강을 넓히고 사행 퇴적을 유발한다. 국부 세굴은 일반적으로 교각에 의해 방해받는 하천 채널에서 발생하며, 이는 보통 교각 상류에서 와류를 발생시켜 수류를 급격히 변화시키고 이 가속은 수위를 높인다.
Figure 1. Location of Study In Alue Buloh
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 교각은 하천의 흐름을 방해하여 국부 세굴을 유발하고, 이는 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 원인이다. 인도네시아 Nagan Raya Regency의 Alue Buloh 교량에서도 이러한 국부 세굴 문제가 발생하고 있어, 이에 대한 정확한 분석과 대책 마련이 시급하다.
이전 연구 현황:
세굴 깊이를 예측하기 위해 Laursen and Toch, Lacey, Colorado State University (CSU), Breuser and Raudkivi, Simon, Senturk, Froehlich 등 다양한 경험적 방법들이 개발되었다. 특히 CSU 방법은 미국에서 널리 사용되는 공식으로 알려져 있다. 여러 연구에서 교각 형상, 유속, 흐름 깊이, 퇴적물 특성 등 다양한 매개변수가 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석해왔다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 Alue Buloh 교량 주변의 국부 세굴 깊이를 예측하는 것이다. 이를 위해 50년 및 100년 빈도의 설계 홍수량을 산정하고, 현장 측정 데이터를 Froehlich, Lacey, CSU의 세 가지 경험적 방법론을 사용한 예측값과 비교하여, 해당 지역에 가장 적합한 세굴 깊이 예측 모델을 규명하고자 한다. 이 연구 결과는 지방 정부의 교량 안전 관리 및 유지 보수 계획 수립에 기여할 것이다.
핵심 연구:
현장 측정(교각 제원, 유속, 흐름 깊이, 퇴적물 샘플링), 입도 분석, Nakayasu 합성 단위 유량도법을 이용한 설계 홍수량 산정, 그리고 Froehlich, Lacey, CSU 경험적 공식을 이용한 국부 세굴 깊이 계산 및 현장 측정값과의 비교 분석을 수행했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 현장 관측을 통해 1차 데이터를 수집하고, 관련 기관으로부터 2차 데이터를 확보하여 진행되었다. 연구 절차는 현장 조사, 데이터 수집, 입도 분석, 하상 고도 측정, 설계 홍수량 분석, 그리고 경험적 공식을 이용한 세굴 깊이 계산 순으로 구성되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
1차 데이터: 교각 치수 및 형상, 흐름 깊이, 흐름의 공격각, 퇴적물 샘플을 현장에서 직접 수집했다. 유속은 부표를 이용하여 측정했다.
2차 데이터: 지형도, 하천 단면도, 설계 홍수량 산정을 위한 강우 데이터를 사용했다.
분석 방법: 채취된 퇴적물은 체 분석을 통해 입경(D50, D95)을 결정했다. 설계 홍수량은 Nakayasu 합성 단위 유량도법을 사용하여 계산했다. 국부 세굴 깊이는 수집된 데이터와 계산된 홍수량을 Froehlich, Lacey, CSU 공식에 대입하여 산정했다.
연구 주제 및 범위:
이 연구는 인도네시아 Nagan Raya Regency의 Seunagan 지역에 위치한 Alue Buloh 교량 하부에서 발생하는 국부 세굴 문제에 국한하여 진행되었다.
Figure 3. Cross-section of The Riverbed Elevation Data River Station
6. 주요 결과:
주요 결과:
Krueng Seunagan 유역의 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100)은 1513 m³/sec로 산정되었다.
퇴적물의 평균 입경 D50은 0.91 mm, D95는 4.35 mm로 분석되었다.
현장에서 측정된 최대 국부 세굴 깊이는 1.68m였다.
경험적 공식을 이용한 세굴 깊이 예측 결과는 다음과 같다:
Froehlich 방법: 1.68 m
CSU 방법: 2.43 m
Lacey 방법 (Qp100 기준): 4.47 m
Froehlich 방법의 예측값이 현장 측정값과 가장 근접하여, 본 연구 지역에서 가장 높은 신뢰도를 보였다.
그림 목록:
Figure 1. Location of Study In Alue Buloh
Figure 2. The Flowchart of Research Implementation
Figure 3. Cross-section of The Riverbed Elevation Data River Station
Figure 4. Sediment Grain Size Analysis
Figure 5. Hydrograph Nakayasu
7. 결론:
Seunagan Krueng 유역의 첨두 유량은 HSS Nakayasu 방법을 사용하여 Qp50 1354.5m³/sec, Qp100 1513m³/sec로 나타났으며, 퇴적물 입경의 평균값은 D50이 0.91mm, D95가 4.35mm였다. 또한, 국부 세굴 깊이는 경험적 방법을 사용하여 분석되었으며, 그 결과 Colorado State University (CSU) 방법으로는 2.43m, Froehlich 방법으로는 1.68m, Lacey 방법으로는 4.3m 및 4.47m로 나타났다. 그러나 Hecras 5.0.7 소프트웨어와 비교하여 세굴 깊이 분석을 추가 연구하고, 다른 교각 모양을 사용하여 실험실에서 필요한 실험을 수행하는 것이 권장된다.
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전문가 Q&A: 주요 질문과 답변
Q1: 이 연구에서 단일 예측 모델 대신 Froehlich, Lacey, CSU 세 가지 다른 경험적 방법을 사용한 이유는 무엇입니까?
A1: 연구의 핵심 목적 중 하나는 실제 현장 조건에서 어떤 경험적 공식이 가장 정확한 예측을 제공하는지 비교 검증하는 것이었습니다. 각 방법은 고려하는 변수와 공식의 구조가 다릅니다. 이 세 가지 방법을 모두 사용하여 Krueng Ineng 강의 실제 측정값과 비교함으로써, 해당 지역의 수리 및 지형학적 특성에 가장 적합하고 신뢰성 있는 예측 모델(결과적으로 Froehlich 방법)을 식별할 수 있었습니다.
Q2: Lacey 방법은 왜 현장 측정값(1.68m)보다 훨씬 깊은 4.47m로 세굴을 예측했습니까? 이 큰 차이의 원인은 무엇입니까?
A2: 논문에 따르면 Lacey 방법은 주로 설계 홍수량(regime discharge)과 퇴적물 계수(Lacey clay factor)를 기반으로 세굴 깊이를 계산합니다. 이 방법은 교각의 구체적인 형상, 폭, 흐름과의 각도 등 국부 세굴에 큰 영향을 미치는 다른 중요한 매개변수들을 공식에 포함하지 않습니다. 이러한 단순화로 인해 Alue Buloh 교량의 특정 조건에서는 세굴 깊이를 과대평가하는 결과로 이어진 것으로 분석됩니다.
Q3: 퇴적물의 평균 입경인 D50(0.91mm)과 D95(4.35mm)를 결정하는 것이 왜 중요했습니까?
A3: D50과 D95 같은 입경 정보는 CSU 및 Froehlich 방법론에서 매우 중요한 입력 변수입니다. 이 값들은 하상 물질의 이동을 시작시키는 데 필요한 임계 유속(critical velocity)을 계산하고, 결과적으로 세굴 깊이를 예측하는 데 직접적으로 사용됩니다. 따라서 정확한 입도 분석은 정밀한 국부 세굴 예측의 기초가 됩니다.
Q4: 100년 빈도 첨두 홍수량(Qp100 = 1513 m³/sec)은 구체적으로 어떻게 결정되었습니까?
A4: 첨두 홍수량은 Nakayasu 합성 단위 유량도법을 사용하여 계산되었습니다. 이 방법은 해당 유역의 면적(995.86 km²), 가장 긴 하천의 길이(132.92 km), 그리고 설계 강우량과 같은 수문학적 데이터를 입력값으로 사용하여 특정 빈도(이 경우 100년)에 발생할 수 있는 최대 유량을 예측합니다.
Q5: 현장 측정 결과, 세굴이 가장 심각하게 발생한 지점은 어디였으며, 이는 무엇을 의미합니까?
A5: 논문의 표 8에 따르면, 현장에서 측정된 최대 세굴 깊이(1.65m 및 1.68m)는 5번 세그먼트의 P2 및 P3 교각 주변, 특히 S5 지점에서 관찰되었습니다. 이는 교각 주변에서도 물의 흐름과 와류가 집중되는 특정 위치에서 국부 세굴이 가장 활발하게 일어난다는 것을 의미하며, 교량의 안전 점검 및 유지보수 시 이러한 ‘핫스팟’을 집중적으로 관리해야 함을 시사합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량의 국부 세굴은 구조물의 안전을 위협하는 심각한 문제이며, 이를 정확히 예측하는 것은 안전하고 경제적인 설계를 위한 첫걸음입니다. 본 연구는 Alue Buloh 교량의 사례를 통해, 다양한 경험적 예측 모델 중 현장 조건을 정밀하게 반영하는 Froehlich 방법이 실제 측정값과 가장 일치하는 결과를 제공함을 명확히 보여주었습니다. 이는 R&D 및 엔지니어링 실무에서 올바른 분석 도구를 선택하는 것이 얼마나 중요한지를 다시 한번 강조합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “The Effect of Bridge Piers on Local Scouring at Alue Buloh Bridge Nagan Raya Regency” (저자: Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda) 논문을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, Bimlesh Kumar가 Water에 발표한 2019년 논문 “Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage”을 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴 (Bridge Pier Scour)
Secondary Keywords: 하향 침투류 (Downward Seepage), 전산유체역학 (CFD), 난류 모델링 (Turbulence Modeling), 유사 이송 (Sediment Transport), 하천 공학 (River Engineering)
Executive Summary
The Challenge: 교량 기초의 안정성은 세굴 현상으로 위협받으며, 특히 강바닥을 통해 물이 아래로 스며드는 하향 침투류(downward seepage)의 영향이 정확히 규명되지 않아 예측이 부정확했습니다.
The Method: 실험실 수로(flume)에서 다양한 종류의 모래, 교각 직경, 유량 및 침투율 조건을 적용하여 유동 난류와 하상 변화를 정밀하게 측정하는 실험적 연구를 수행했습니다.
The Key Breakthrough: 하향 침투류는 세굴공의 깊이를 얕게 만들지만, 길고 넓게 만들어 전체적인 형상을 크게 변화시킵니다. 본 연구는 침투류 매개변수를 포함한 새로운 경험식을 개발하여 이러한 변화를 정확하게 예측했습니다.
The Bottom Line: 정확한 인프라 안전성 평가를 위해 CFD 모델은 반드시 하향 침투류를 고려해야 합니다. 이는 교각 주변의 측면 침식을 강화하고 세굴공의 전체적인 형태를 바꾸기 때문입니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량은 사회 기반 시설의 핵심이지만, 그 기초는 교각 주변의 유동 변화로 인한 국부 세굴(local scour)에 의해 심각하게 위협받을 수 있습니다. 교각은 유수의 흐름을 방해하여 와류 시스템(vortex system)을 형성하고, 이로 인해 교각 주변의 하상 물질이 침식되어 구조물의 안정성을 저해합니다.
특히, 모래와 같은 투과성 높은 물질로 이루어진 충적 하천에서는 강바닥을 통해 물이 스며드는 침투(seepage) 현상이 발생합니다. 이러한 침투류는 하천의 지형을 바꾸는 중요한 요인으로 알려져 있지만, 교각 주변의 복잡한 난류 유동과 세굴 과정에 구체적으로 어떤 영향을 미치는지는 아직 명확하게 밝혀지지 않았습니다. 이 지식의 공백은 교량의 안전성을 예측하는 데 있어 중요한 한계점으로 작용해 왔습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 하향 침투류가 교각 세굴에 미치는 영향을 규명하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 환경에서 연구를 수행했습니다.
실험 장비: 길이 20m, 폭 1m, 깊이 0.72m의 순환식 경사 수로(recirculating plexi-glassed tilting flume)를 사용했습니다. 수로 바닥에는 침투 현상을 모사하기 위해 압력 챔버 위에 미세 망을 설치한 다공성 바닥을 구현했습니다.
실험 재료: 실제 하천과 유사한 두 종류의 불균일한 모래(중앙 입경 d50 = 0.395mm, 0.5mm)와 두 가지 직경(75mm, 90mm)의 원형 교각을 사용했습니다.
측정 방법: 유속 측정에는 3차원 음파 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)를, 세굴공의 형상 측정에는 초음파 거리 측정 시스템(Ultrasonic Ranging System, URS)을 사용했습니다.
핵심 변수: 5가지 다른 유량 조건에서 침투율을 각각 0%, 10%, 15%로 변화시키며 총 15개의 테스트를 진행했습니다. 측정은 교각의 상류(U), 하류(D), 그리고 측면(S1, S2)에서 이루어졌습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구는 하향 침투류가 교각 주변의 난류 특성과 세굴공 형상에 미치는 영향을 정량적으로 밝혔습니다.
Finding 1: 침투류에 의한 세굴공 형상의 극적인 변화
하향 침투류는 세굴공의 형상을 근본적으로 변화시켰습니다. 논문의 Figure 6과 Figure 7에서 볼 수 있듯이, 침투류가 발생하면 세굴공의 최대 깊이는 감소하는 반면, 길이와 폭은 오히려 증가하며 세굴공의 중심이 하류로 약간 이동하는 현상이 관찰되었습니다. 이는 침투류가 교각 주변의 침식 메커니즘을 변화시켜, 특히 측면 방향의 침식을 강화한다는 것을 의미합니다.
Finding 2: 측면 난류 및 침식 작용의 강화
교각 측면(S1 지점)에서 하향 침투류는 난류 강도와 난류 운동 에너지 플럭스(TKE-flux)를 눈에 띄게 증가시켰습니다. Figure 2에 따르면, 10%와 15%의 침투류 조건에서 하상 근처(h+ < 0.2)의 난류 강도(σu 및 σw)는 침투류가 없는 경우에 비해 평균 20%~35% 증가했습니다. 이러한 난류 에너지의 증가는 Figure 4에서 확인된 바와 같이 직접적으로 유사 이송을 촉진하여 더 넓은 세굴공을 형성하는 핵심 원인임이 밝혀졌습니다.
Finding 3: 침투류를 고려한 새로운 세굴 예측 경험식 개발
본 연구의 가장 중요한 성과 중 하나는 세굴공의 길이(Ls), 폭(Ws), 면적(As), 부피(Vs)를 예측하는 새로운 경험식을 개발한 것입니다. 특히 이 식들(Equations 7, 8, 10, 11)은 ‘침투 레이놀즈 수(Seepage Reynolds number, Res)’를 핵심 매개변수로 포함하여 침투류의 영향을 정량적으로 반영합니다. Figure 8에서 보듯이, 이 새로운 식을 통해 예측된 값은 실제 측정값과 매우 높은 상관관계(R² 값 0.88 ~ 0.92)를 보여, 기존 모델보다 훨씬 정확한 예측 도구를 제공합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Process Engineers (토목/수리 엔지니어): 본 연구는 충적 하천에 교량 기초를 설계할 때 단순히 최대 세굴 깊이만 예측하는 것으로는 부족함을 시사합니다. 침투류로 인해 증가하는 세굴의 길이와 폭을 반드시 고려해야 전체 기초부의 안정성을 확보할 수 있습니다.
For Quality Control Teams (인프라 안전 진단 전문가):Figure 6과 Figure 7의 데이터는 침투류가 기존 모델이 예측하는 것보다 더 넓고 긴 세굴 구역을 만들 수 있음을 보여줍니다. 이는 교량 안전 점검 시, 깊이뿐만 아니라 침식의 측면 및 종방향 범위에 초점을 맞춘 새로운 검사 기준이 필요함을 의미합니다.
For Design Engineers (CFD 모델러): 이번 연구 결과는 세굴 현상을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 다공성 하상에서의 침투 경계 조건이 매우 중요하다는 것을 명확히 보여줍니다. 새로 개발된 경험식들(Eq. 7, 8, 10, 11)은 유사 이송 및 다공성 매질 효과를 포함하는 CFD 모델의 검증(validation)을 위한 중요한 기준을 제공합니다.
Paper Details
Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage
1. Overview:
Title: Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage
Author: Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, and Bimlesh Kumar
충적 하천의 교각은 종종 국부 세굴을 유발하며, 이는 난류 유동과 하상 물질 간의 상호작용의 결과입니다. 이 논문은 불균일한 모래 하상에 수직으로 설치된 원형 교각 세트에 대한 실험 연구를 통해 세굴공 특성에 대한 결과를 제시합니다. 침투가 없는 경우와 하향 침투 조건 하에서의 세굴공 특성, 난류 통계, 고차 모멘트, 난류 운동 에너지(TKE) 흐름 및 결과적인 유사 이송이 기술됩니다. 하향 침투는 교각 양쪽의 유속을 증가시키는 반면, 세굴공 폭을 증가시킵니다. 그 결과, 세굴공 길이는 하류로 이동합니다. 세굴공 특성에 대한 경험적 방정식이 제안되었으며, 길이, 폭, 면적 및 부피를 평가하고 하향 침투 매개변수를 포함합니다. 모델 예측은 실험 데이터와 좋은 일치를 보입니다.
3. Introduction:
교량은 강을 가로질러 상품과 사람을 운송하는 데 중요한 역할을 합니다. 토목 공학에서 가장 중요한 문제 중 하나는 교각 붕괴로부터 교량을 보호하는 것입니다. 교각의 기초는 단면적의 수축과 그에 따른 유속 증가의 결과로 발생하는 국부 세굴에 의해 위협받을 수 있습니다. 이러한 구조물의 보호를 보장하기 위해, 유동장과 교각 주변의 유사 이송을 예측하는 것이 높은 우선순위를 가집니다.
Figure 1. Schematic diagram of the experimental set-up.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교량은 중요한 사회 기반 시설이지만, 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴로 인해 기초가 약화되어 붕괴의 위험에 처할 수 있습니다.
Status of previous research:
많은 연구자들이 교각 주변의 세굴 현상을 연구해왔지만, 충적 하천에서 발생하는 하향 침투류가 난류 구조와 세굴공의 기하학적 특성에 미치는 정량적인 영향에 대해서는 정보가 부족한 실정입니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 침투류의 영향을 받는 충적 하천에 설치된 단일 수직 교각 주변의 난류 유동장을 심층적으로 기술하고, 하향 침투 매개변수를 포함하여 세굴공의 길이, 폭, 면적, 부피와 같은 특성을 평가하기 위한 경험적 관계식을 개발하는 것입니다.
Core study:
다양한 유량과 하향 침투 조건 하에서 원형 교각 주변의 유동 구조와 세굴공의 변화를 실험적으로 조사하고, 이를 바탕으로 침투 효과를 포함하는 세굴 예측 모델을 제안했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
실험실의 경사 수로에서 통제된 실험을 통해 연구를 수행했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
유속 데이터는 음파 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 수집했으며, 하상 프로파일은 초음파 거리 측정 시스템(URS)을 사용하여 측정했습니다. 수집된 데이터는 통계적 분석을 통해 난류 특성 및 세굴공 형상 변화를 분석하는 데 사용되었습니다.
Research Topics and Scope:
연구는 원형 교각, 불균일한 모래 하상, 그리고 하향 침투율이 0%, 10%, 15%인 조건에서의清水세굴(clear-water scour)에 초점을 맞추었습니다.
6. Key Results:
Key Results:
하향 침투류는 교각 상류의 난류를 감소시키지만, 측면의 난류는 증가시킵니다.
침투류는 교각 측면의 유사 이송과 침식을 강화합니다.
침투류가 있는 경우 세굴공은 더 길고 넓어지지만, 깊이는 얕아집니다.
침투 매개변수를 포함하는 새로운 경험식을 통해 세굴공의 크기를 정확하게 예측할 수 있습니다.
Figure List:
Figure 1. Schematic diagram of the experimental set-up.
Figure 2. Non-dimensional distributions of turbulence intensities.
Figure 3. Non-dimensional distribution of third order moment and skewness factors in streamwise and vertical direction for without seepage (NS), 10% seepage (S), and 15% S runs in the following sections: (a) upstream the pier (U); (b) downward the pier (D); (c) laterally to the pier (S1).
Figure 4. Non-dimensional distributions of turbulent kinetic energy flux (TKE-flux) in the following sections: (a) U; (b) D; (c) S1.
Figure 5. Non-dimensional distributions of turbulent production (Tp), turbulent kinetic energy dissipation (ED), and diffusion (TD) for NS, 10% S, and 15% S in the following sections: (a) U; (b) S1; (c) D.
Figure 6. Longitudinal bed profile along the centerline.
Figure 7. Lateral bed profile upstream from the piers.
Figure 8. Comparison between the predicted and observed values of the dimensionless (a) scour length (Equation (5)), (b) scour width (Equation (6)), (c) scour area (Equation (8)), and (d) scour volume (Equation (9)).
7. Conclusion:
본 연구는 교각 주변의 세굴 형상과 난류 유동에 대한 하향 침투의 영향을 심층적으로 조사했습니다. 침투율이 10%와 15%인 경우, 교각 상류에서는 streamwise 난류 강도가 각각 15%와 22% 감소했습니다. 반면, 교각 측면에서는 수직 난류 강도가 침투가 없는 경우보다 증가하여 와류의 존재를 보여주었습니다. 측면에서는 난류 강도가 20%–35% 증가하여 유사 이송을 강화시켰습니다. TKE-flux 분석 결과, 교각 측면에서 침식 능력이 더 크게 나타났습니다. 세굴공의 길이와 폭은 물리적으로 측정되었으며, 실험실 데이터로부터 세굴공 특성(길이, 폭, 면적, 부피)에 대한 경험적 관계식이 개발되었습니다. 이 관계식은 침투 레이놀즈 수를 포함하며, 개발된 표현식은 실험 결과와 좋은 일치를 보였습니다.
Figure 2. Non-dimensional distributions of turbulence intensities.
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 실험에서 침투율을 10%와 15%로 선택한 특별한 이유가 있나요?
A1: 네, 있습니다. 논문에 따르면, 이 침투율은 침투 속도가 평균 유로 속도의 1% 이하가 되도록 선택되었습니다(참고문헌 [28] 기준). 이는 실제 자연 하천에서 발생할 수 있는 현실적인 침투 조건을 모사하면서도, 실험적으로 그 영향을 명확하게 측정할 수 있는 범위 내에서 실험을 진행하기 위함이었습니다.
Q2: 논문에서 침투류가 발생하면 세굴 깊이가 오히려 감소한다고 했는데, 이는 직관과 반대됩니다. 이 메커니즘을 설명해주실 수 있나요?
A2: 좋은 질문입니다. 이 현상은 교각 상류에서 발생하는 역방향 흐름(reversal flow), 즉 말굽 와류(horseshoe vortex)와 관련이 있습니다. 하향 침투류는 이 역방향 흐름을 방해하고 약화시키는 역할을 합니다. 말굽 와류는 교각 기초부에서 가장 강력한 침식 작용을 일으키는 주된 원인이므로, 이 와류가 약화되면 최대 세굴 깊이는 오히려 얕아지게 됩니다. 하지만 동시에 측면에서는 난류가 강화되어 전체적으로는 더 넓고 긴 세굴공이 형성되는 것입니다.
Q3: 새로운 예측식에 ‘침투 레이놀즈 수(Res)’를 포함시킨 것이 얼마나 중요한가요?
A3: 매우 중요합니다. Figure 8에서 볼 수 있듯이, Res를 포함한 새로운 경험식은 R² 값이 최대 0.92에 이를 정도로 높은 예측 정확도를 보였습니다. 이 매개변수가 없는 기존의 세굴 예측 모델들은 실험에서 관찰된 세굴공 형상의 변화(길이 및 폭 증가)를 전혀 예측하지 못합니다. 따라서 침투류가 있는 환경에서 기존 모델을 사용하면 교량의 안전성을 과대평가하여 잠재적으로 위험한 설계를 초래할 수 있습니다.
Q4: 스큐니스(skewness)와 같은 고차 모멘트를 분석하는 것의 실질적인 중요성은 무엇인가요?
A4: 스큐니스는 난류 에너지의 이동 방향에 대한 정보를 제공하여 물리적 현상을 더 깊이 이해하게 해줍니다. 예를 들어, 교각 측면(S1)에서 침투류가 있을 때 스큐니스 인자 M30과 M12가 증가하는 것이 Figure 3에서 확인되었습니다. 이는 하상 입자의 이동성이 증가했음을 직접적으로 보여주는 지표이며, 측면 침식이 왜 강화되었는지에 대한 물리적 근거를 제시합니다.
Q5: 이 연구는 불균일한 모래를 사용했는데, 만약 균일한 모래 하상이었다면 결과가 어떻게 달라졌을까요?
A5: 논문에서는 사용된 모래가 불균일(σg > 1.4)했음을 명시하고 있습니다. 불균일한 모래 하상에서는 입경이 큰 입자들이 작은 입자들을 덮어 보호하는 ‘하상 표면 보호층(bed armoring)’ 현상이 발생할 수 있습니다. 본 연구에서 직접 비교하지는 않았지만, 이러한 자연적인 보호 효과가 없는 균일한 모래 하상에서는 하향 침투류로 인한 측면 침식 효과가 훨씬 더 두드러지게 나타났을 가능성이 있다고 추론해 볼 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
본 연구는 하향 침투류가 교각 세굴의 깊이, 폭, 길이에 복합적인 영향을 미쳐 전체적인 안정성을 위협할 수 있다는 중요한 사실을 밝혔습니다. 침투류를 고려하지 않은 기존의 예측 모델은 실제 위험을 과소평가할 수 있으며, 따라서 더 안전하고 경제적인 교량 설계를 위해서는 CFD 시뮬레이션 단계에서부터 다공성 하상과 침투 효과를 반드시 포함해야 합니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics around Circular Bridge Piers over Non-Uniform Sand Bed Channels with Downward Seepage” by “Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, and Bimlesh Kumar”.
이 기술 요약은 Iacopo Carnacina, Stefano Pagliara, Nicoletta Leonardi가 2019년 River Research and Applications에 발표한 논문 “Bridge pier scour under pressure flow conditions”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴 (Bridge Pier Scour)
Secondary Keywords: 압력 유동 (Pressure Flow), 교량 안전 (Bridge Safety), CFD 시뮬레이션 (CFD Simulation), 하천 공학 (River Engineering), 홍수 피해 예측 (Flood Damage Prediction)
Executive Summary
도전 과제: 기후 변화로 인한 극심한 홍수는 교량 상판이 물에 잠기는 ‘압력 유동’ 조건을 야기하며, 이는 교량 붕괴의 주원인인 교각 세굴과 결합될 때 그 위험성이 제대로 알려지지 않았습니다.
연구 방법: 실험실 수로에서 교각과 교량 상판 유무, 유목 파편 축적 등 다양한 압력 유동 조건을 설정하고, 시간에 따른 세굴 깊이 변화를 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 압력 유동과 교각의 상호작용은 단순히 두 효과를 더한 것보다 훨씬 더 깊은 세굴을 유발하는 강력한 비선형 효과를 보이며, 기존의 예측 공식들은 이 위험을 심각하게 과소평가하고 있습니다.
핵심 결론: 교량 설계 및 안전성 평가 시, 극심한 홍수 상황에서 발생하는 압력 유동에 의한 세굴 증폭 현상을 반드시 고려해야 치명적인 붕괴 사고를 예방할 수 있습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
도로 교량은 국가 교통 시스템의 필수 기반 시설이지만, 교량 붕괴는 심각한 인명 및 재산 피해를 야기합니다. 교량 붕괴의 가장 흔한 원인 중 하나는 홍수 시 교각 주변의 하상 재료가 침식되는 ‘교각 세굴’ 현상입니다.
최근 기후 변화로 인해 과거 기록을 뛰어넘는 극심한 강수, 폭풍 해일, 홍수가 빈번해지고 있습니다. 이러한 상황에서는 강 수위가 급격히 상승하여 교량 상판(데크)까지 물에 잠기는 ‘압력 유동(Pressure Flow)’이 발생할 수 있습니다. 압력 유동은 유속을 가속화하고 난류 강도를 높여 하상 침식 가능성을 크게 증가시킵니다.
문제는 대부분의 기존 연구가 교각 세굴과 압력 유동에 의한 세굴을 개별적으로 다루었다는 점입니다. 두 현상이 동시에 발생했을 때 어떤 상호작용이 일어나는지에 대한 연구는 매우 부족했습니다. 이로 인해 엔지니어들은 실제 홍수 상황에서 교량이 겪을 수 있는 최대 세굴 깊이를 정확히 예측하지 못하는 위험에 노출되어 있었습니다. 본 연구는 바로 이 지식의 공백을 메우고, 압력 유동 조건 하에서 발생하는 교각 세굴의 복잡한 메커니즘을 규명하기 위해 수행되었습니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 통제된 실험실 환경에서 진행되어 압력 유동과 교각 세굴의 상호작용을 정밀하게 분석했습니다.
실험 장비: 폭 0.61m, 길이 7.6m의 경사 조절이 가능한 유리벽 수로(Flume)를 사용했습니다. 수로 중앙에는 직경 0.03m의 원통형 교각을 설치하고, 그 위에 교량 상판(데크)을 배치했습니다.
핵심 변수: 실제 교량이 겪을 수 있는 다양한 조건을 모사하기 위해 다음과 같은 변수들을 체계적으로 변경하며 실험을 수행했습니다.
유량 및 유속: 임계 유속 이하부터 라이브 베드(live-bed) 조건까지 다양한 유동 강도(U/Uc)를 적용했습니다.
교량 상판 조건: 상판의 폭(ldk), 상판 하부와 초기 하상 사이의 높이(hb)를 조절하여 다양한 수직 수축 조건을 만들었습니다.
유목 파편 축적: 교각 주변에 대형 유목 파편이 쌓이는 상황을 모사하여 추가적인 유로 막힘 효과를 분석했습니다.
데이터 수집: 세굴 과정의 시간적 변화를 상세히 파악하기 위해, 최대 70시간에 달하는 장기 실험을 포함하여 규칙적인 시간 간격(1분, 2분, 4분… 이후 매시간)으로 교각 주변의 최대 세굴 깊이(zmax)를 측정했습니다. 이는 기존의 단기 실험들이 놓칠 수 있는 평형 세굴 깊이에 대한 신뢰도 높은 데이터를 확보하기 위함이었습니다.
Table 1. Comparison of experimental ranges for pressure flow scour with the setup.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 세굴의 비선형적 증폭 현상 발견
본 연구의 가장 중요한 발견은 압력 유동과 교각의 존재가 결합될 때 발생하는 세굴 깊이가 각 요인이 개별적으로 작용할 때 발생하는 세굴 깊이의 단순 합보다 훨씬 크다는 것입니다.
데이터 분석: 그림 2에서 볼 수 있듯이, 동일한 유동 조건에서 압력 유동만 있을 때(교각 없음)나 자유 수면 흐름에서 교각만 있을 때보다, 압력 유동과 교각이 함께 있을 때 세굴 구멍의 깊이와 폭이 비약적으로 증가했습니다. 이는 두 요소가 서로의 침식 잠재력을 증폭시키는 강력한 비선형 상호작용이 존재함을 명백히 보여줍니다. 예를 들어, U/Uc = 1 조건에서 압력 유동과 교각이 결합된 세굴 깊이는 각 개별 조건의 세굴 깊이 합보다 현저히 컸습니다.
결과 2: 기존 예측 공식의 심각한 위험성 확인
연구팀은 실험 결과를 기존에 널리 사용되던 세굴 예측 공식들과 비교했으며, 특히 압력 유동 조건을 고려한다고 알려진 공식들조차 실제 발생하는 세굴 깊이를 심각하게 과소평가한다는 사실을 밝혀냈습니다.
데이터 비교: 그림 7은 본 연구의 실험 데이터와 여러 기존 공식(Umbrell et al., 1998; Arneson, 1997; Lyn, 2008; Kumcu, 2016)으로 계산된 값을 비교합니다. 특히 교각 세굴을 다루는 Lyn (2008)의 공식(Equation 3)은 대부분의 실험 데이터를 크게 밑도는 예측치를 보였습니다. 이는 기존 공식들이 기반으로 했던 실험의 지속 시간이 짧았거나, 압력 유동과 교각 간의 비선형 상호작용을 제대로 반영하지 못했기 때문일 수 있습니다. 이러한 과소평가는 실제 교량 설계 시 치명적인 위험을 초래할 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 본 연구에서 제안된 세굴의 시간적 변화 계수(ξ, Equation 9)와 데크 팩터(Kdk, Equation 11)는 기존 교량의 안전성을 평가하고 홍수 시 위험도를 예측하는 데 더 정확한 기준을 제공할 수 있습니다. 특히 교량 상판의 침수 정도(hb/ho)가 세굴 속도를 결정하는 핵심 변수임을 인지해야 합니다.
인프라 안전 평가팀: ‘데크 팩터(Kdk)’는 압력 유동 조건이 자유 수면 흐름에 비해 침식 잠재력을 2.5배 이상 증가시킬 수 있음을 보여줍니다. 이는 교량 상판의 침수 가능성이 있는 교량에 대한 검사 기준을 강화하고, 위험 경보를 발령하는 근거가 될 수 있습니다.
교량 설계 엔지니어: 연구 결과는 교량 상판의 높이와 교각 설계를 할 때 잠재적인 압력 유동 시나리오를 반드시 고려해야 함을 강력히 시사합니다. 단순 모델로는 포착할 수 없는 상호작용 효과가 교량의 핵심적인 붕괴 메커니즘이 될 수 있기 때문입니다.
논문 상세 정보
Bridge pier scour under pressure flow conditions
1. 개요:
제목: Bridge pier scour under pressure flow conditions (압력 유동 조건 하의 교각 세굴)
저자: Carnacina, I, Pagliara, S and Leonardi, N
발행 연도: 2019
발행 학술지/학회: River Research and Applications
키워드: Bridge decks, Piers, Pressure flow, Scour
2. 초록:
기존 교량에서 압력 유동 조건이 발생할 확률은 기후 변화 시나리오에 따라 예측되는 극한 강수, 폭풍 해일, 홍수의 변화로 인해 증가할 것으로 예상된다. 압력 유동의 존재는 일반적으로 교량 부근의 세굴 과정과 관련이 있다. 세굴은 또한 교각 주변에서도 발생하여 인프라 붕괴를 유발할 수 있다. 교각 세굴과 압력 유동 세굴에 대한 방대한 문헌이 있지만, 이들의 결합된 효과를 조사한 연구는 거의 없다. 본 연구는 실험실 경험을 바탕으로 압력 유동 조건 하의 교각 세굴의 주요 특징에 대한 새로운 개요를 제공할 것이다. 압력 및 자유 수면 조건 하의 유동 특징 분석과 세굴의 시간적 진화에 특별한 초점을 맞춘다. 기존 문헌 데이터와의 비교도 수행된다. 결과는 세굴 과정의 비선형적 특성과 구조 설계 시 압력 유동 조건을 고려해야 할 필요성을 강조한다. 압력 유동과 교각 간의 상호작용이 세굴 특징에 강하게 영향을 미치고, 압력 유동이나 교각 존재만으로 생성된 개별 세굴의 합보다 훨씬 더 큰 세굴 깊이를 초래하기 때문이다.
3. 서론:
도로 교량은 국가 교통 시스템에 필수적이며, 그 붕괴는 심각한 결과를 초래하고 많은 인명을 앗아갈 수 있다. 교량 세굴은 교량 붕괴의 가장 흔한 원인 중 하나이다. 기후 변화로 인한 홍수 증가 가능성을 고려할 때, 압력 유동의 위험성을 이해하기 위한 더 많은 연구가 필요하다. 이 논문의 목표는 압력 유동 조건 하에서 교각 세굴과 비선형 효과를 조사하는 것이다. 특히, 최대 세굴 깊이, 세굴 발달 속도를 나타내는 시간적 세굴 진화 계수, 그리고 자유 유동과 압력 유동 조건 하의 세굴 깊이 비율에 초점을 맞출 것이다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량 붕괴의 주된 원인으로, 특히 홍수 시에 큰 피해를 유발한다. 기후 변화로 인해 홍수의 규모와 빈도가 증가하면서, 교량 상판이 물에 잠기는 압력 유동(pressure flow) 조건의 발생 가능성이 커지고 있다.
이전 연구 현황:
교각 주변의 국부 세굴과 압력 유동으로 인한 수직 수축 세굴에 대한 연구는 각각 많이 이루어졌다. Abed (1991), Umbrell et al. (1998), Lyn (2008), Kumcu (2016) 등 여러 연구자들이 압력 유동 세굴의 최대 깊이를 예측하는 경험식을 제안했다. 그러나 교각과 압력 유동이 동시에 존재할 때 발생하는 복합적인 효과에 대한 연구는 매우 드물었다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 실험을 통해 압력 유동 조건 하에서 교각 세굴의 특성을 정량적으로 분석하는 것이다. 특히, 두 현상의 결합으로 인한 비선형적 상호작용을 규명하고, 세굴의 시간적 발달 과정과 최대 깊이에 영향을 미치는 주요 인자들을 파악하여 기존 예측 모델의 한계를 보완하고자 한다.
핵심 연구:
실험실 수로에서 다양한 유량, 교량 상판 침수 깊이, 상판 폭, 유목 파편 축적 조건을 변화시키며 교각 세굴 실험을 수행했다. 이를 통해 세굴 깊이의 시간적 변화를 측정하고, 비차원 해석을 통해 주요 변수들(유동 강도, 상판 개방비, 상판 폭 등)이 세굴에 미치는 영향을 분석하는 경험식을 개발했다. 또한, 실험 결과를 기존 문헌의 예측 공식과 비교하여 그 정확성을 검증하고 차이의 원인을 분석했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
통제된 실험실 수로(flume)에서 원통형 교각과 교량 상판을 설치하여 압력 유동 조건 하의 세굴 현상을 재현하는 물리적 모델링 방식을 채택했다. 자유 수면 조건, 교각만 있는 조건, 상판만 있는 조건 등을 기준 실험으로 설정하여 압력 유동과 교각의 복합 효과를 비교 분석할 수 있도록 설계했다.
데이터 수집 및 분석 방법:
일정 시간 간격으로 교각 주변의 하상 지형을 측정하여 최대 세굴 깊이(zmax)의 시간적 변화를 기록했다. 수집된 데이터는 버킹엄 파이(Π) 정리를 이용한 비차원 해석을 통해 주요 무차원 변수들 간의 함수 관계로 정리되었다. 다중 회귀 분석을 사용하여 세굴의 시간적 변화를 설명하는 경험적 공식을 도출하고, 그 신뢰도를 R² 값으로 평가했다.
연구 주제 및 범위:
연구는 청수(clear-water) 세굴부터 라이브 베드(live-bed) 세굴 조건(0.5 < U/Uc < 1.8)까지 다루었다. 교량 상판의 형태(평평한 데크, 거더가 있는 데크), 폭(ldk = 3D, 6D), 그리고 대형 유목 파편의 축적 효과까지 포함하여 다양한 시나리오를 분석했다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
압력 유동과 교각의 결합 효과는 비선형적이며, 각 요소가 단독으로 작용할 때 발생하는 세굴 깊이의 합보다 훨씬 더 깊은 세굴을 유발한다.
세굴의 시간적 발달 속도를 나타내는 계수(ξ)는 교량 상판의 개방비(hb/ho)가 작을수록(더 많이 잠길수록), 유속(U/Uc)이 빠를수록, 그리고 상판의 폭(ldk/D)이 넓을수록 증가한다.
압력 유동 조건은 자유 수면 조건에 비해 세굴 잠재력을 최대 2.5배 이상 증가시킬 수 있다 (Deck factor, Kdk).
대형 유목 파편의 축적은 유로 단면을 추가로 막아 세굴을 더욱 심화시킨다.
기존의 압력 유동 세굴 예측 공식들은 교각과의 비선형 상호작용을 제대로 고려하지 못해 실제 세굴 깊이를 심각하게 과소평가하는 경향이 있다.
Table 2. Large woody debris accumulation: flow shallowness, bridge openings, large woody debris dimensions and blockage ratios
Figure 목록:
Fig 1. Diagram sketch of the experimental apparatus and notation: (a) top view; (b) three-dimensional view of the cross section in panel (a), scour hole indicated on the left side. c) side view of the cross section in panel (a) for two different deck widths, lak=6D and lak=3D. Girders are indicated as well, note that pak is defined from the girders edges when present; (d) side view and transverse view of tests with large woody debris accumulation underneath the deck.
Fig. 2 Transverse scour sections for (a) U/Uc=0.5 and (b) U/Uc=1
Fig. 3. (a) Non-dimensional maximum scour as a function of the non-dimensional time. Scatter points are experimental data, continuous lines represents equation 8. (b) Comparison with Hahn and Lyn (2010) data.
Fig.4 (a) dependence of the scour evolution factor ě from h♭/ho at different U/Uc and lak/D for flat shaped decks. (b) calculated versus measured ຮູ້, R2=0.93 (symbols are as in (a)).
Fig. 5 (a) dependence of Kak from hb/h0 for Shak=R at different U/Uc and lak/D, and (b) calculated Kdk (Eq.10) agreement versus measured Kdk, R2=0.8.
Fig. 6 (a) dependence of the scour evolution factor from AA at different U/Uc and lak/D for flat shaped decks (R); (b) calculated (Equation 12) versus measured ξ.
Fig. 7 (a) comparison between measured values of (zmax/ho), and values calculated from present study equation (Eq.13), Umbrell et al. (1998) (Equation 1), L. A. Arneson (1997) (Equation 2), and Lyn (2008) (Equation 3), Kumcu (2016) (Equation 4) (b) pier scour in pressure flow conditions and Lyn (2008) equation (Equation 3).
7. 결론:
교각 세굴은 매우 복잡한 현상이며, 압력 유동 조건은 이 문제를 더욱 복잡하게 만든다. 본 연구의 실험 결과는 압력 유동 조건이 자유 수면 조건에 비해 세굴 구멍의 시간적 발달을 가속화하고, 대형 유목 파편은 세굴을 더욱 증가시킨다는 것을 보여준다. 교량 상판 하부의 수심과 자유 수면 수위의 비율, 유속, 상판의 폭, 그리고 유목 파편에 의한 막힘 비율이 세굴의 시간적 진화에 영향을 미친다.
본 연구 결과는 구조물 설계 시 압력 유동 조건의 발생을 반드시 고려해야 할 필요성을 강조한다. 압력 유동과 교각의 상호작용은 세굴 특성에 강하게 영향을 미치며, 압력 유동이나 교각만으로 생성된 세굴의 합보다 훨씬 더 큰 교각 세굴을 유발하기 때문이다. 이러한 시나리오는 최대 세굴 과정이 짧은 시간 내에 발생할 것으로 예상되는 극한 홍수 상황에서 특히 중요하다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 왜 이 연구에서는 이전 연구들보다 훨씬 긴 최대 70시간 동안 실험을 진행했나요?
A1: 이전 연구들(예: Lyn(2008) 공식의 기반이 된 연구)은 상대적으로 짧은 시간(예: 3.5시간) 동안 실험을 수행했습니다. 본 연구에서는 짧은 실험이 세굴이 평형 상태에 도달하기 전의 값만을 측정하여 최대 세굴 깊이를 과소평가할 수 있다는 가능성을 확인하고자 했습니다. 최대 70시간의 장기 실험을 통해 세굴이 점차 평형에 가까워지는 과정을 관찰함으로써, 더 신뢰성 높은 최대 세굴 깊이 데이터를 확보하고 기존 공식들의 한계를 명확히 밝힐 수 있었습니다.
Q2: 교각과 압력 유동 사이의 ‘비선형 상호작용’을 유발하는 물리적 메커니즘은 무엇인가요?
A2: 논문에서 상세한 유체 역학적 메커니즘을 직접 설명하지는 않지만, 결과를 통해 추론할 수 있습니다. 압력 유동은 교량 상판에 의해 유동 단면이 수직으로 수축되면서 유속을 가속화합니다. 동시에 교각 전면부에서는 말굽 와류(horseshoe vortex)라는 강력한 하강 흐름이 발생합니다. 이 두 가지 강력한 침식 메커니즘이 결합되면서, 각 현상이 개별적으로 작용할 때보다 훨씬 더 집중적이고 강력한 에너지를 하상에 전달하여 세굴을 비약적으로 증폭시키는 것으로 보입니다.
Q3: 압력 유동만 있을 때와 비교하여 유목 파편의 축적은 얼마나 더 위험한가요?
A3: 유목 파편은 매우 중요한 추가 위험 요소입니다. 논문의 그림 6과 식 (12)에서 볼 수 있듯이, 유목 파편은 유효 유로 단면을 더욱 감소시키는 ‘막힘 비율(ΔA)’을 증가시킵니다. 이 막힘 비율이 증가함에 따라 세굴 발달 속도를 나타내는 계수(ξ)가 선형적으로 증가합니다. 즉, 유목 파편은 이미 위험한 압력 유동 조건에 더해 세굴을 더욱 빠르고 깊게 만드는 심각한 복합 요인으로 작용합니다.
Q4: 이 논문에서 제안된 경험식들(예: 식 9)을 실제 교량 설계에 직접 사용할 수 있나요?
A4: 이 공식들은 통제된 실험실 조건에서 얻어진 경험식입니다. 따라서 실제 하천의 복잡한 지형, 불규칙한 유속 분포, 다양한 하상 재료 특성 등을 완벽하게 반영하지는 못할 수 있습니다. 하지만 이 공식들은 압력 유동 시 세굴에 영향을 미치는 핵심 변수들(상판 침수 깊이, 유속, 상판 폭 등) 간의 관계를 정량적으로 보여주므로, 기존 공식들보다 훨씬 더 정확한 위험성 평가 기준을 제공합니다. 실제 설계에 적용할 때는 안전율을 고려하고, 필요한 경우 현장 특성을 반영한 CFD 시뮬레이션 등으로 검증하는 것이 바람직합니다.
Q5: ‘데크 팩터(Kdk)’의 실제적인 의미는 무엇이며, 교량 안전 점검관에게 어떤 도움이 될 수 있나요?
A5: ‘데크 팩터(Kdk)’는 압력 유동 조건이 일반적인 자유 수면 흐름 조건보다 얼마나 더 위험한지를 정량적으로 보여주는 지표입니다. 예를 들어 Kdk 값이 2.5라는 것은 압력 유동 시 세굴이 2.5배 더 빠르거나 공격적으로 진행된다는 의미입니다. 교량 안전 점검관은 예상 홍수위와 교량 상판 높이를 비교하여 압력 유동 발생 가능성(hb/ho 비율)을 예측하고, Kdk 값을 참고하여 해당 교량의 위험 등급을 상향 조정하거나 긴급 점검을 지시하는 등 선제적인 안전 조치를 취하는 데 활용할 수 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 기후 변화 시대에 교량 안전을 위협하는 심각한 위험, 즉 압력 유동 조건 하에서의 교각 세굴이 기존의 예상보다 훨씬 더 파괴적일 수 있음을 명확히 보여주었습니다. 교각과 압력 유동의 비선형적 상호작용은 개별적인 효과의 합을 훨씬 뛰어넘는 세굴을 유발하며, 이는 기존의 경험적 공식으로는 예측하기 어려운 영역입니다.
이러한 복잡한 유동-구조물 상호작용을 정확히 예측하고 교량의 안전을 확보하기 위해서는 물리적 실험의 한계를 넘어선 고도의 해석 기술이 필수적입니다. CFD 시뮬레이션은 다양한 홍수 시나리오와 교량 구조에 따른 상세한 유동장 변화와 하상 변동을 정밀하게 모델링하여, 설계 단계에서부터 잠재적 위험을 파악하고 최적의 대응 방안을 수립하는 데 강력한 도구를 제공합니다.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “I. Carnacina, S. Pagliara, N. Leonardi”의 논문 “Bridge pier scour under pressure flow conditions”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Davide Poggi와 Natalia O. Kudryavtseva가 2019년 [Water]에 발표한 논문 “Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier”을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 붕괴의 주원인인 교각 주변의 세굴 현상을 정확하게 측정하는 기존 방식은 접촉식으로 인한 유동 교란, 높은 비용, 시공간적 해상도 부족 등의 한계가 있었습니다.
The Method: 저비용의 라인 레이저와 상용 카메라를 결합하여 교각 주변에서 시간에 따라 변화하는 세굴 구멍의 전체 형상을 빠르고 정확하게 측정하는 비접촉식 기법을 개발했습니다.
The Key Breakthrough: 개발된 측정 기법은 세굴 발생의 초기 단계부터 완전히 발달된 단계까지 전체 과정을 높은 정밀도로 포착했으며, 측정된 데이터는 기존에 널리 사용되는 두 가지 주요 세굴 깊이 예측 공식과 매우 잘 일치함을 확인했습니다.
The Bottom Line: 이 새로운 기술은 실험실 규모에서 세굴 및 하상 변동에 대한 물리적 모델 테스트의 정확성과 효율성을 크게 향상시키며, CFD 시뮬레이션 결과 검증을 위한 고품질 데이터를 저렴한 비용으로 확보할 수 있는 길을 열었습니다.
Figure 1. Schematic of the water circuit and test section. The laser sheet is highlighted in green.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량의 안전성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나는 교각 주변에서 발생하는 국소 세굴(Local Scour)입니다. 물의 흐름이 교각에 부딪히면서 발생하는 와류가 강바닥을 침식시켜 교각의 지지력을 약화시키고, 이는 결국 교량 붕괴라는 심각한 사고로 이어질 수 있습니다. 따라서 세굴이 시간에 따라 어떻게 발달하고 그 형상이 어떻게 변하는지를 정확히 측정하고 예측하는 것은 교량 설계 및 유지보수에서 매우 중요합니다.
하지만 기존의 측정 방식들은 여러 가지 문제점을 안고 있었습니다. 포인트 게이지를 이용한 직접 측정은 계측기가 유동을 교란시켜 측정의 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 초음파 센서 배열을 이용하는 방식은 비용이 매우 많이 들고 설치가 복잡합니다. 또한, 이러한 방식들은 세굴 현상의 초기 단계처럼 빠르게 변화하는 형상을 연속적으로, 그리고 높은 공간 해상도로 측정하는 데 한계가 있었습니다. CFD 전문가들에게는 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증할 수 있는 신뢰도 높은 시공간적 데이터가 절실히 필요했지만, 기존 기술로는 이를 충족시키기 어려웠습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 간단하고 저렴하며 비접촉적인 새로운 측정 시스템을 제안했습니다. 실험은 폭 0.5m, 깊이 0.6m, 길이 12m의 유리로 된 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 수로 중앙에는 균일한 석영 모래(d50 = 1.25mm)로 하상을 만들고, 직경 32mm의 투명한 플렉시글라스 원통을 교각 모델로 설치했습니다.
측정 시스템의 핵심은 다음과 같습니다. 1. 라인 레이저 조사: 수로 상부에 설치된 청록색 라인 레이저(488nm)가 수직의 얇은 레이저 시트(laser sheet)를 생성합니다. 이 레이저 시트는 교각의 중심을 방사형으로 통과하며 모래 바닥에 선명한 녹색 선을 만듭니다. 2. 이미지 캡처: 수로 측면에 설치된 상용 디지털카메라(Canon EOS 400D)가 일정 시간 간격으로 레이저 선이 비추는 하상의 단면 형상을 촬영합니다. 3. 이미지 보정 및 변환: 촬영된 이미지는 렌즈 왜곡과 물-유리-공기를 통과하며 발생하는 빛의 굴절 효과를 보정하는 과정을 거칩니다. 이를 위해 체커보드 패턴이 새겨진 보정판을 사용하여 픽셀(pixel) 단위를 실제 거리(cm) 단위로 변환하는 정밀한 보정 작업을 수행했습니다.
이 방식을 통해 유동에 전혀 영향을 주지 않으면서 시간에 따른 세굴 구멍의 2차원 단면 형상 변화를 연속적으로 정밀하게 기록할 수 있었습니다.
Figure 2. Schematic representation of the new technology.
The Breakthrough: Key Findings & Data
개발된 측정 기법의 유효성을 검증하기 위해 유속을 변경하며 총 4번의 실험을 수행했으며, 그 결과는 매우 성공적이었습니다.
Finding 1: 시간에 따른 세굴 형상의 정밀한 포착
본 기법은 세굴이 시작되는 순간부터 시간이 지남에 따라 세굴 구멍이 깊어지고 넓어지는 전 과정을 성공적으로 포착했습니다. 아래 그림(Figure 5)에서 볼 수 있듯이, 유량이 90 m³/h에서 120 m³/h로 증가함에 따라 세굴의 최대 깊이와 범위가 확연하게 증가하는 것을 정량적으로 확인할 수 있었습니다. 이는 교각 주변의 복잡한 하상 변동을 시각적이고 직관적으로 분석할 수 있게 해줍니다.
Finding 2: 기존 예측 공식과의 높은 일치도 검증
측정된 데이터의 신뢰도를 평가하기 위해, 시간에 따른 최대 세굴 깊이를 기존에 널리 사용되는 두 가지 경험적 예측 공식(Oliveto and Hager 모델, Melville and Chiew 모델)과 비교했습니다. 그 결과(Figure 6), 세굴 초기 단계에서는 Melville and Chiew의 공식이, 세굴이 충분히 발달한 후기 단계(t > 10h)에서는 Oliveto and Hager의 공식이 실험 데이터를 매우 잘 예측하는 것으로 나타났습니다. 이 결과는 제안된 측정 기법이 매우 정확하고 신뢰할 수 있음을 입증하는 동시에, 복잡한 세굴 현상의 각 단계에 더 적합한 예측 모델이 존재할 수 있음을 시사합니다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Hydraulic/Civil Engineers: 이 기술은 실험실 규모의 교각 세굴 모형 실험에서 저비용으로 정확한 데이터를 확보할 수 있게 해줍니다. 이를 통해 다양한 조건에서의 세굴 위험도를 더 효과적으로 평가하고, 더 안전한 교량 설계 및 보강 공법 개발에 기여할 수 있습니다.
For CFD Analysts: 이 기법으로 생성된 고해상도의 시공간적 데이터는 세굴 현상을 모사하는 CFD 시뮬레이션의 검증(validation)에 이상적입니다. 물리적 실험 결과와 수치 해석 결과를 직접 비교함으로써 모델의 정확도를 높이고 예측 신뢰성을 확보할 수 있습니다.
For R&D Managers: 저렴한 비용으로 시스템을 구축할 수 있어, 제한된 예산 내에서 더 광범위하고 빈번한 실험 캠페인을 수행할 수 있습니다. 이는 침식 및 유사 이송과 관련된 연구 개발을 가속화하는 데 큰 도움이 됩니다.
Paper Details
Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier
1. Overview:
Title: Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier
Author: Davide Poggi, Natalia O. Kudryavtseva
Year of publication: 2019
Journal/academic society of publication: WATER
Keywords: bridge pier scour; new experimental technique
2. Abstract:
교각 주변의 세굴 구멍의 시간적, 공간적 변화를 모니터링하기 위한 비접촉식 저비용 기법이 제시됩니다. 이 기법의 적용을 위한 설정은 간단하고, 저비용이며, 비접촉식입니다. 라인 레이저 소스와 상용 카메라를 결합하여 교각 전후의 전체 세굴 구멍을 빠르고 정확하게 측정합니다. 맑은 물 조건에서 교각 주변의 세굴 구멍을 측정하는 짧은 캠페인이 제어 테스트를 제공하고 새로운 방법을 적용하는 방법을 보여주기 위해 제시됩니다. 마지막으로, 제안된 기법의 효과를 보여주기 위해 맑은 물 조건에서 최대 세굴 깊이의 시간적 변화에 대해 가장 많이 사용되는 두 가지 방정식과 결과를 비교합니다.
3. Introduction:
교각 및 하천 제방에서의 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로, 도로망과 철도 인프라에 큰 손실을 초래합니다. 본 연구의 목적인 국소 세굴은 수류에 의해 교각 바닥에서 형성되는 와류로 인해 발생합니다. 이 과정은 시간에 따라 변하며, 지난 50년간의 연구 노력에도 불구하고 세굴 깊이의 시간적 변화는 수리 공학자들과 연구자들에게 여전히 중요한 관심사입니다. 실험적 관점에서 주요 문제는 이 현상이 하상의 형태학적 특성에 대한 철저한 공간적 조사와 지속적인 모니터링을 요구한다는 것입니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 세굴은 교량의 안전성을 위협하는 핵심 문제이며, 이의 시간적, 공간적 변화를 정확하게 측정하는 것은 매우 중요합니다.
Status of previous research:
기존의 세굴 깊이 측정 방법은 포인트 게이지나 측정 테이프와 같은 접촉식 도구를 사용하거나, 고정된 초음파 센서 배열 또는 이동식 트롤리에 부착된 센서를 사용하는 방식이 주를 이뤘습니다. 이러한 방법들은 유동 교란, 높은 비용, 측정의 비동시성, 얕은 수심에서의 한계 등 여러 단점을 가지고 있었습니다. 일부 비접촉식 방법(레이저, 초음파, 사진측량)이 시도되었으나, 여전히 적용 범위가 좁거나 비용이 많이 드는 문제가 있었습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 균일한 퇴적물과 정상적인 맑은 물 흐름 조건에서 원통형 교각 주변 세굴 구멍의 2차원 시간적 변화를 연속적으로 획득할 수 있는, 사용하기 쉽고 저렴하며 비접촉적인 새로운 방법을 제시하는 것입니다.
Core study:
라인 레이저 소스와 카메라를 사용하여 교각을 통과하는 수직 레이저 시트를 만들고, 이것이 하상에 만드는 궤적을 촬영하여 세굴 구멍의 단면 형상 변화를 측정하는 기술을 개발했습니다. 이 기술의 잠재력을 보여주기 위해 유속을 변화시키며 4번의 실험을 수행하고, 그 결과를 기존의 최대 세굴 깊이 예측 공식과 비교하여 기술의 정확성과 유효성을 검증했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
실험은 0.5%의 경사를 가진 유리 벽면의 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 수로 중앙에 석영 모래로 된 시험 구간을 조성하고, 투명한 플렉시글라스 원통형 교각을 설치했습니다. 유량과 수위는 정밀하게 제어되었습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
데이터 수집: 수로 상부에 설치된 라인 레이저가 하상에 수직 단면을 비추고, 측면에 설치된 디지털카메라가 이 단면의 변화를 일정 시간 간격으로 촬영하여 이미지 시퀀스를 획득했습니다.
데이터 분석: 촬영된 이미지에서 레이저 궤적을 식별하기 위해 MATLAB 코드를 개발했습니다. Brown 렌즈 왜곡 모델을 사용하여 이미지 왜곡을 보정하고, 체커보드 패턴이 있는 보정판을 이용하여 픽셀 좌표를 실제 거리 좌표로 변환했습니다.
Research Topics and Scope:
본 연구는 맑은 물 조건(clear-water conditions)에서 원통형 단일 교각 주변의 국소 세굴 현상에 초점을 맞췄습니다. 2차원 단면 형상의 시간적 변화를 측정하는 새로운 비접촉식 기법을 개발하고, 그 성능을 검증하는 것을 주요 범위로 합니다.
6. Key Results:
Key Results:
라인 레이저와 상용 카메라를 이용한 새로운 비접촉식 측정 시스템은 시간에 따른 세굴 구멍의 2차원 단면 형상을 성공적으로 포착했습니다.
유량이 증가함에 따라 세굴 구멍의 깊이와 범위가 증가하는 것을 정량적으로 확인했습니다.
측정된 최대 세굴 깊이 데이터는 기존의 저명한 예측 공식들과 비교했을 때 높은 일치도를 보였습니다. 특히, Melville and Chiew(2002) 공식은 세굴 초기 단계를, Oliveto and Hager(2002) 공식은 세굴이 충분히 발달한 후기 단계를 잘 설명했습니다.
이는 제안된 측정 기법이 높은 정확도와 신뢰성을 가짐을 입증합니다.
Figure 3. The profiles acquired by the camera during four moments in the experiment.
Figure List:
Figure 1. Schematic of the water circuit and test section. The laser sheet is highlighted in green.
Figure 2. Schematic representation of the new technology.
Figure 3. The profiles acquired by the camera during four moments in the experiment.
Figure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right.
Figure 5. The profiles of the bottom for some time instants.
Figure 6. Time evolution of the maximum scour depth measured (dots) versus the estimation from Oliveto and Hager [16] (solid line) and Melville and Chiew [2] (dash-dot line).
Figure 7. Time evolution of maximum scour depth measurements versus the predictors in the coordinates suggested by Oliveto and Hager [16].
7. Conclusion:
진화하는 세굴 구멍의 2차원 형상을 측정하기 위한 새로운 기술이 제시되었습니다. 이 기술은 라인 레이저 소스와 상용 카메라를 사용하여 실험 중 하상 변화를 획득합니다. 방법은 각 단계별로 설명되며, 실험 설계 및 데이터 후처리 측면에서 기술 사용에 대한 확장된 가이드라인이 논문에 제공됩니다. 직관적인 방법론과 매우 저렴한 설정은 이 실험 방법을 세굴뿐만 아니라 하상이 시간과 공간에서 진화하는 광범위한 실험에 적용할 수 있게 합니다. 방법의 이해를 돕고 그 능력에 대한 예비 증명을 제공하기 위해, 교각 주변의 세굴 구멍의 시간적 변화에 대한 짧은 실험 측정 캠페인을 수행하는 데 사용되었습니다. 결과는 맑은 물 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화에 대해 가장 많이 사용되는 두 가지 방정식과 비교되었습니다.
igure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right. Figure 4. The bottom profiles as originally detected in the photos (distorted and in pixel), left, and after calibration, right. Figure 4. The bottom
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이미지 왜곡을 보정하기 위해 구체적으로 어떤 방법을 사용했나요?
A1: 본 연구에서는 렌즈 시스템에서 발생하는 왜곡을 보정하기 위해 고전적인 Brown 렌즈 왜곡 모델을 사용했습니다. 실험 시작 시, 물속에 5mm x 5mm 크기의 체커보드 패턴이 레이저로 각인된 보정판을 설치하고 여러 장의 사진을 촬영합니다. 이 이미지들을 분석하여 렌즈 왜곡 계수를 계산하고, 이를 통해 후속 측정 이미지에서 발생하는 왜곡을 수학적으로 보정하여 정확한 실제 형상을 복원합니다.
Q2: 이 2차원 측정 기법을 3차원으로 확장할 수 있나요?
A2: 네, 논문에서는 이 기법이 더 많은 레이저 시트를 사용하여 3차원 측정으로 쉽게 확장될 수 있다고 명시적으로 언급하고 있습니다. 예를 들어, 여러 개의 라인 레이저를 배열하거나 단일 레이저를 스캔하는 방식을 통해 교각 주변의 전체 3차원 하상 지형 변화를 시간에 따라 재구성할 수 있습니다. 이는 CFD 시뮬레이션 검증에 더욱 강력한 데이터를 제공할 것입니다.
Q3: 측정 결과가 두 개의 다른 예측 공식과 각각 다른 단계에서 일치하는 이유는 무엇인가요?
A3: 이는 세굴 현상의 복잡성을 보여주는 흥미로운 결과입니다. 논문에 따르면, Melville and Chiew의 공식은 세굴이 최종적으로 평형 상태에 도달한다고 가정하는 반면, Oliveto and Hager의 공식은 평형 없이 지속적인 대수적(logarithmic) 성장을 예측합니다. 실험 결과, 세굴 초기에는 평형을 향해 빠르게 발달하는 경향이 나타나 Melville and Chiew 공식과 잘 맞았고, 시간이 지나면서 성장이 둔화되지만 멈추지 않는 대수적 성장 패턴이 나타나 Oliveto and Hager 공식과 더 잘 일치했습니다. 이는 단일 공식만으로는 전체 세굴 과정을 완벽하게 설명하기 어려울 수 있음을 시사합니다.
Q4: 이 기술은 물이 탁한 실제 강과 같은 환경에서도 적용할 수 있나요?
A4: 논문 자체는 맑은 물(clear-water) 조건에서의 실험을 다루고 있습니다. 이 기술은 레이저 빛이 바닥에 도달하고 카메라가 그 궤적을 선명하게 촬영해야 하므로, 부유물이 많아 물이 매우 탁한(high turbidity) 환경에서는 레이저 빛이 산란되거나 흡수되어 적용이 어려울 수 있습니다. 이는 이 기술의 주요 한계점 중 하나이며, 현장 적용을 위해서는 수질 조건을 고려해야 합니다.
Q5: 수면의 잔물결이 레이저 시트의 수직성에 영향을 미치지 않도록 어떻게 방지했나요?
A5: 좋은 질문입니다. 교각과 난류로 인해 발생하는 수면의 잔물결은 레이저 빛을 굴절시켜 측정 오차를 유발할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해, 본 연구에서는 수면 높이에 맞춰 폭 1cm, 길이 60cm의 투명한 플렉시글라스 판을 수평으로 설치했습니다. 이 판이 잔물결을 억제하여 레이저 시트가 왜곡 없이 수직으로 하상에 도달하도록 보장하는 역할을 했습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교량 안전의 핵심 과제인 교각 세굴 측정의 어려움은 오랫동안 공학자들의 고민이었습니다. 본 연구에서 제시된 라인 레이저와 상용 카메라를 이용한 비접촉식 측정 기법은 이러한 문제를 해결할 수 있는 혁신적이고 경제적인 대안을 제공합니다. 이 기술은 유동을 방해하지 않으면서 세굴 현상의 전 과정을 높은 시공간 해상도로 포착할 수 있으며, 그 정확성은 기존의 권위 있는 예측 모델과의 비교를 통해 성공적으로 입증되었습니다.
특히 CFD 해석 전문가들에게 이 기술은 시뮬레이션 모델의 신뢰도를 획기적으로 높일 수 있는 고품질 검증 데이터를 제공한다는 점에서 매우 중요합니다. 더 정확한 예측 모델은 더 안전한 사회 기반 시설 설계로 이어질 것입니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 돕는 데 전념하고 있습니다. 이 백서에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a Bridge Pier” by “Davide Poggi and Natalia O. Kudryavtseva”.
이 기술 요약은 Rupayan Saha, Seung Oh Lee, Seung Ho Hong이 2018년 ‘water’ 저널에 발표한 논문 “A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth”를 기반으로 하며, STI C&D가 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
문제점: 기존의 교량 세굴 깊이 산정 공식은 극한 기상 현상으로 인한 교각 월류(overtopping)나 잠김 흐름(submerged flow)과 같은 복잡한 유동 조건을 정확히 반영하지 못하며, 국부 세굴과 수축 세굴을 독립적인 현상으로 간주하여 예측 정확도가 떨어집니다.
연구 방법: 실제 하천(Towaliga River)의 지형을 1:60으로 축소한 복단면 수로 수리 모형을 제작하고, 자유 수면 흐름, 잠김 오리피스 흐름, 월류 흐름 등 다양한 조건에서 세굴 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 최대 세굴 깊이는 ‘이론적 교각 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’의 합으로 구성된다는 가설을 세우고, 추가 세굴량이 유량 수축비와 명확한 상관관계가 있음을 실험적으로 증명했습니다.
핵심 결론: 본 연구는 복잡한 흐름 조건에서도 최대 교량 세굴 깊이를 더 정확하게 예측할 수 있는 통합적이고 포괄적인 방법을 제시하여, 교량의 구조적 안전성 설계를 크게 향상시킬 수 있습니다.
문제점: CFD 전문가에게 이 연구가 중요한 이유
교량 붕괴의 가장 큰 원인은 교량 기초 주변의 하상 재료가 유실되는 ‘세굴’ 현상입니다. 미국에서는 1950년 이후 발생한 교량 붕괴의 약 60%가 세굴과 관련 있을 정도로 교량 안전에 치명적입니다. 특히 최근 빈번해지는 극한 기상 현상은 설계 기준을 초과하는 홍수를 유발하며 교량의 안전을 심각하게 위협합니다.
기존의 세굴 깊이 예측 공식들은 대부분 단순화된 사각 수로에서의 자유 수면 흐름 실험을 기반으로 개발되었습니다. 이로 인해 실제 하천의 불규칙한 지형이나, 극한 홍수 시 발생하는 교량 상판 월류 및 잠김 흐름과 같은 복잡한 수리 현상을 제대로 모사하지 못하는 한계가 있습니다. 또한, 현재 설계 실무에서는 흐름 단면 축소로 인한 ‘수축 세굴’과 교각 주변의 와류로 인한 ‘국부 세굴’을 별개의 현상으로 보고 각각 계산한 뒤 합산하지만, 실제로는 두 현상이 동시에 상호작용하며 발생하기 때문에 예측에 오차가 발생합니다. 이러한 부정확성은 교량 설계의 과잉 또는 과소 평가로 이어져 비경제적이거나 위험한 결과를 초래할 수 있습니다.
Figure 1. Towaliga River bridge in the field and model in the laboratory.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 이러한 한계를 극복하기 위해 미국 조지아주 메이컨에 위치한 Towaliga 강 교량을 대상으로 1:60 축척의 정밀한 물리적 수리 모형을 제작했습니다. 이 모형은 실제 하천의 복잡한 지형(복단면 형상)을 그대로 재현했으며, 세굴 실험을 위해 중앙부에 이동상(mobile bed) 구간을 설치하고 0.53mm의 중간 입경(d50)을 가진 모래를 사용했습니다.
연구팀은 다양한 홍수 시나리오를 모사하기 위해 세 가지 주요 흐름 조건에서 실험을 수행했습니다. 1. 자유 수면 흐름 (Free Flow): 일반적인 홍수 조건 2. 잠김 오리피스 흐름 (Submerged Orifice Flow): 수위가 교량 상판 하단까지 상승한 조건 3. 월류 흐름 (Overtopping Flow): 수위가 교량 상판을 넘어 흐르는 극한 홍수 조건
각 실험에서 유량과 수위를 정밀하게 제어했으며, 세굴이 평형 상태에 도달할 때까지 5~6일간 실험을 지속했습니다. 세굴 전후의 하상 고도는 음향 도플러 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter, ADV)와 포인트 게이지를 사용하여 상세하게 측정되었고, 이를 통해 최대 세굴 깊이와 위치를 정확하게 파악했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
연구팀은 실험 결과를 분석하여 기존 세굴 예측 방식의 한계를 극복할 새로운 종합적 방법을 제안했습니다.
결과 1: 최대 세굴 깊이의 새로운 구성 = 이론적 세굴 + 흐름 수축에 의한 추가 세굴
본 연구는 최대 세굴 깊이가 기존의 이론적 교각 세굴 깊이(CSU 또는 M/S 공식으로 계산)에 ‘흐름 수축으로 인한 추가적인 세굴 깊이’가 더해진 결과라는 핵심적인 가설을 제시했습니다. 실험 데이터를 분석한 결과, 이 ‘추가 세굴’ 성분은 교량을 통과하는 흐름의 수축 정도를 나타내는 ‘유량 수축비(q2/q1)’와 매우 강한 양의 상관관계를 보였습니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 유량 수축비가 증가함에 따라 추가 세굴 깊이(Ym-csu/Y1)가 선형적으로 증가하는 경향이 뚜렷하게 나타났습니다. 이는 흐름이 교량 구간에서 더 많이 압축될수록 세굴이 더 심각해진다는 것을 정량적으로 입증한 것입니다.
결과 2: 압력 흐름 조건에서 세굴 효과 증폭
그림 4의 데이터는 또 다른 중요한 사실을 보여줍니다. 자유 수면 흐름(F)에 비해 잠김 오리피스 흐름(SO)이나 월류 흐름(OT)과 같은 압력 흐름(Pressure Flow) 조건에서 유량 수축비 증가에 따른 추가 세굴 깊이의 증가율(그래프의 기울기)이 훨씬 더 가파릅니다. 이는 압력 흐름 조건에서는 기존의 수평적 흐름 수축뿐만 아니라 교량 상판에 의한 수직적 흐름 수축이 추가로 발생하여 유속이 더 크게 증가하고, 결과적으로 세굴 현상이 증폭되기 때문입니다. 이는 극한 홍수 시 교량 안전성 평가에 반드시 고려해야 할 핵심 요소입니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
이 연구 결과는 교량 설계 및 안전 관리 분야의 전문가들에게 다음과 같은 실질적인 시사점을 제공합니다.
수리 및 교량 설계 엔지니어: 본 연구에서 제안된 5단계 최대 세굴 깊이 예측 절차(현장 데이터 수집 → 흐름 변수 계산 → 이론적 교각 세굴 계산 → 흐름 수축에 따른 추가 세굴 추정 → 합산)는 기존 방식보다 훨씬 더 정확하고 신뢰성 있는 교량 기초 설계를 가능하게 합니다. 특히 극한 홍수 조건에 대한 안전성을 크게 향상시킬 수 있습니다.
위험 평가팀: 압력 흐름(월류 등)이 세굴을 크게 증폭시킨다는 그림 4의 결과는, 100년 또는 500년 빈도의 극한 홍수 시 월류 가능성이 있는 기존 교량들의 안전성을 재평가해야 할 필요성을 강력하게 시사합니다.
CFD 모델링 전문가: 이 연구에서 측정된 복잡한 흐름 조건(잠김, 월류) 하의 상세한 실험 데이터는 교량 세굴에 대한 수치 모델링(CFD)의 정확도를 검증하고 개선하는 데 매우 귀중한 자료로 활용될 수 있습니다.
논문 상세 정보
A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth
1. 개요:
제목: A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth (최대 교량 세굴 깊이 계산을 위한 종합적 방법)
최근 극한 기상 현상의 반복적인 발생으로 교량 주변의 세굴 문제가 두드러지고 있습니다. 따라서 교량은 이러한 극한 기상 현상 동안 겪을 수 있는 높은 유량에 대한 세굴로 인한 붕괴를 방지하기 위해 적절한 보호 조치를 갖추어 설계되어야 합니다. 그러나 여러 권장 공식에 의한 현재의 세굴 깊이 추정은 높은 유량에서 부정확한 결과를 보여줍니다. 한 가지 가능한 이유는 현재의 세굴 공식이 자유 표면 흐름을 이용한 실험에 기반하고 있지만, 극한 홍수 사건은 잠김 오리피스 흐름과 결합된 교량 월류 흐름을 유발할 수 있다는 점입니다. 또 다른 가능한 이유는 최대 세굴 깊이에 대한 현재의 관행이 국부 세굴과 수축 세굴과 같은 다른 유형의 세굴 간의 상호작용을 무시한다는 점인데, 실제로는 이러한 과정들이 동시에 발생합니다. 본 논문에서는 축소된 교량 모델을 사용하여 복합 단면 수로에서 다양한 흐름 조건(자유, 잠김 오리피스, 월류 흐름) 하에 실험실 실험을 수행했습니다. 실험실 실험 결과와 널리 사용되는 경험적 세굴 추정 방법을 결합하여, 다른 세굴 깊이의 개별적 추정과 다른 세굴 구성 요소의 상호작용에 관한 문제를 극복하는 최대 세굴 깊이를 예측하는 포괄적인 방법을 제안합니다. 또한, 최대 세굴 깊이에 대한 교각 벤트(교대에 가깝게 위치)의 존재 효과도 분석 중에 조사되었습니다. 결과는 최대 세굴 깊이의 위치는 교각 벤트의 존재와 무관하지만, 최대 세굴 깊이의 양은 교각 벤트가 있을 때보다 없을 때 유량 재분배로 인해 상대적으로 더 높다는 것을 보여줍니다.
3. 서론:
교량이 강에 건설되면, 교각과 교대 주변에 국부적으로 독특한 유동장이 발달하기 때문에 교량 주변의 흐름 패턴이 바뀝니다. 또한, 강 양쪽 또는 한쪽에 있는 제방/교대로 인해 흐름 면적이 줄어들어 가속으로 인한 유속이 빨라집니다. 더 높은 속도를 가진 이 독특한 유동장은 교량 기초에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 따라서 기초의 깊이가 충분히 깊지 않으면 교량 붕괴의 가능성이 높아집니다. 교량은 지진, 바람, 홍수 등 여러 원인으로 붕괴될 수 있습니다. 그중에서도 교량 세굴은 교량 붕괴의 가장 큰 원인입니다. 예를 들어, 1950년 이후 미국에서 발생한 전체 교량 붕괴 중 약 60%가 교량 기초의 세굴과 관련이 있습니다. 콜로라도 교통부(CDOT)는 2013년 홍수로 최소 30개의 주 고속도로 교량이 파괴되고 20개가 심각하게 손상되었다고 추정했습니다. 네팔에서는 2014년 홍수 동안 하상 재료의 퇴화로 인해 티나우 강 위의 고속도로 교량 기초가 심각하게 노출되었습니다. 위 예에서 설명한 바와 같이, 교량 세굴은 전 세계적으로 주요 교량 안전 문제 중 하나라고 말하는 것이 정당합니다. 따라서 교량 기초에서의 정확한 세굴 예측은 교량 안전을 위한 엔지니어의 주요 목표가 됩니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량 붕괴의 주된 원인으로, 특히 극한 홍수 시 그 위험성이 커집니다. 기존의 세굴 예측 공식은 실제 하천의 복잡한 흐름 조건과 세굴 메커니즘의 상호작용을 제대로 반영하지 못해 정확도에 한계가 있었습니다.
이전 연구 현황:
1950년대 후반부터 수많은 연구가 진행되어 평형 세굴 깊이 추정 공식이 개발되었습니다. 그러나 대부분의 연구는 단순화된 직사각형 수로와 자유 수면 흐름 조건에서 수행되었습니다. 또한, 국부 세굴과 수축 세굴을 독립적인 과정으로 가정하여 각각을 계산 후 합산하는 방식을 사용해왔습니다.
연구 목적:
본 연구의 주된 목적은 다양한 유형의 세굴이 동시에 발생하는 상황에서 최대 세굴 깊이를 예측하는 데 사용할 수 있는 단일 방정식을 개발하는 것입니다. 이를 위해 서로 다른 세굴 구성 요소 간의 상호 작용을 규명하고, 널리 사용되는 세굴 공식(CSU, M/S)과 비교하여 최대 세굴 깊이를 계산하는 개선된 방법을 제안하고자 합니다.
핵심 연구:
실제 하천 지형을 모사한 1:60 축소 수리 모형을 이용하여 자유 흐름, 잠김 오리피스 흐름, 월류 흐름 조건에서 실험을 수행했습니다. 실험을 통해 측정한 최대 세굴 깊이와 기존 이론 공식을 비교 분석하여, ‘이론적 교각 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’의 합으로 최대 세굴 깊이를 표현하는 새로운 접근법을 제시하고, 그 유효성을 검증했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실제 교량(Towaliga River bridge)의 1:60 축소 물리 모형을 이용한 실험적 접근법을 채택했습니다. 복단면 형상의 수로에 이동상 구간을 설치하고, 다양한 수리 조건(자유 흐름, 잠김 오리피스 흐름, 월류 흐름)을 재현하여 세굴 현상을 관찰하고 측정했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
하상 변동 측정: 음향 도플러 유속계(ADV)와 포인트 게이지를 사용하여 실험 전후의 하상 고도를 정밀하게 측정하고, 이를 통해 세굴 깊이와 범위를 분석했습니다.
유속 측정: ADV를 사용하여 접근부 및 교량 단면에서 3차원 유속 분포를 측정했습니다.
데이터 분석: 측정된 유량, 수위, 유속, 세굴 깊이 등의 변수를 사용하여 기존 세굴 공식(CSU, M/S)과 본 연구에서 제안한 새로운 모델을 비교 분석했습니다. 특히, ‘추가 세굴 깊이’와 ‘유량 수축비’ 간의 상관관계를 회귀 분석을 통해 도출했습니다.
Figure 3. Schematic diagram for calculation of maximum scour depth.
연구 주제 및 범위:
주요 연구 주제: 복잡한 흐름 조건(특히 압력 흐름)에서 발생하는 최대 교량 세굴 깊이의 종합적인 예측 방법 개발.
연구 범위: 단일 교량을 대상으로 한 축소 모형 실험에 국한됩니다. 실험은 청수 세굴(clear-water scour) 조건에서 수행되었으며, 퇴적물 입경은 0.53mm로 고정되었습니다. 교각 벤트의 유무에 따른 영향을 질적으로 분석했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
최대 세굴 깊이는 이론적 교각 세굴 깊이와 흐름 수축에 의한 추가 세굴 깊이의 합으로 표현될 수 있습니다.
흐름 수축에 의한 추가 세굴 깊이는 유량 수축비(q2/q1)와 강한 양의 상관관계를 가집니다. 즉, 유량 수축비가 클수록 추가 세굴이 더 깊어집니다.
압력 흐름(잠김 및 월류) 조건에서는 자유 수면 흐름 조건에 비해 추가 세굴 효과가 더 크게 나타납니다. 이는 수직 흐름 수축이 추가되기 때문입니다.
최대 세굴 깊이의 발생 위치는 인접한 교각의 유무와 무관하지만, 인접 교각이 없을 경우 유량 재분배로 인해 최대 세굴 깊이가 약간 더 깊어지는 경향을 보입니다.
기존 공식 중 CSU 공식이 M/S 공식보다 동일 조건에서 더 큰 세굴 깊이를 예측하며, 이는 M/S 공식이 청수 세굴 조건을 고려하는 유속 강도 인자(V2/Vc)를 포함하기 때문입니다.
Table 2. Summary of experimental results to calculate maximum scour depth.
그림 목록:
Figure 1. Towaliga River bridge in the field and model in the laboratory.
Figure 2. Geometry of compound channel for (a) plan view with velocity measurement locations; (b) cross section view at bridge.
Figure 3. Schematic diagram for calculation of maximum scour depth.
Figure 4. Effect of flow contraction on additional scour components using (a) Colorado State University (CSU) and (b) Melville-Sheppard (M/S) equations.
Figure 5. Comparison of CSU and M/S pier scour depth in terms of flow intensity.
Figure 6. Comparison of cross-sections for runs 3 and 8.
7. 결론:
많은 연구가 교량 교각 주변의 최대 세굴 깊이를 추정하고 세굴 메커니즘을 이해하기 위해 이루어졌습니다. 대부분의 이전 연구는 자유 흐름 하의 직사각형 수로를 사용한 실험실 실험에 기반했습니다. 그러나 최근의 극한 강우 사건으로 인해 교량에서는 잠김 오리피스 흐름과 월류 흐름이 빈번하게 발생하며, 이때 교량 하부 구조 주변의 유동장은 기존의 측면 흐름 수축에 더해 수직 흐름 수축 때문에 자유 흐름보다 더 복잡합니다. 또한, 대부분의 자연 하천 형태는 직사각형이 아닙니다. 현재 HEC-18에서 권장하는 지침은 수축 세굴과 국부 세굴 과정이 독립적이어서 별도로 결정하고 합산하여 총 세굴 깊이를 추정할 수 있다고 가정했습니다. 그러나 대규모 홍수 사건 동안 국부 세굴과 수축 세굴은 동시에 발생하며, 국부 세굴과 수축 세굴을 별도로 계산하면 부정확한 세굴 깊이를 초래합니다. 현재 방법론이 가진 약점을 극복하기 위해, 축소된 물리적 모델에서 실험실 실험을 수행하고 압력 흐름뿐만 아니라 자유 흐름 사례에서도 다른 유형의 세굴 구성 요소를 별도로 계산하지 않고 사용할 수 있는 최대 세굴 깊이를 예측하기 위한 단일 방정식이 개발되었습니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 일반적인 사각 수로가 아닌 특정 강(Towaliga River)의 1:60 축소 모형을 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: 실제 하천은 본류와 홍수터로 구성된 복단면 형상과 불규칙한 지형을 가지고 있습니다. 단순화된 사각 수로는 이러한 복잡성을 재현할 수 없습니다. 실제 하천 지형을 그대로 모사함으로써, 본 연구의 결과가 이상적인 실험실 조건을 넘어 실제 현장에 더 가깝게 적용될 수 있도록 신뢰도를 높이기 위함입니다.
Q2: 그림 4에서 자유 흐름과 압력 흐름의 추세선 기울기가 다르게 나타나는 물리적 이유는 무엇인가요?
A2: 압력 흐름(잠김 및 월류) 조건에서는 교량 상판으로 인해 흐름이 수직 방향으로도 압축됩니다. 이는 기존의 수평적 흐름 수축에 더해 추가적인 유속 증가를 유발합니다. 따라서 동일한 유량 수축비(q2/q1)에서도 압력 흐름 조건일 때 ‘추가 세굴’ 효과가 더 크게 나타나 그래프의 기울기가 더 가파르게 되는 것입니다.
Q3: 논문에서 비교한 CSU 공식과 M/S 공식 중, M/S 공식이 지속적으로 더 낮은 세굴 깊이를 예측하는 이유는 무엇인가요? (그림 5 참조)
A3: M/S 공식은 유속과 한계유속의 비(V2/Vc)인 ‘유속 강도 인자’를 포함하여 청수 세굴(clear-water scour) 조건을 고려합니다. 반면, CSU 공식은 주로 이동상 세굴(live-bed scour)을 기반으로 개발되어 이 인자를 1로 가정합니다. 본 연구는 청수 세굴 조건에서 수행되었으므로, M/S 공식이 유속 강도 인자를 반영하여 CSU 공식보다 더 낮은 세굴 깊이를 예측하게 됩니다.
Q4: 실험 7과 8에서 교각 #7을 제거한 것의 의미는 무엇인가요?
A4: 이는 교각 간의 상호작용과 인접한 교각의 존재가 최대 세굴 깊이에 미치는 영향을 질적으로 분석하기 위함이었습니다. 실험 결과, 최대 세굴이 발생하는 ‘위치’는 교각 #7의 유무와 상관없이 교각 #6에서 동일했습니다. 하지만 최대 세굴의 ‘깊이’는 교각 #7이 없을 때 유량 재분배 현상으로 인해 약간 더 깊게 나타났습니다.
Q5: 이 연구에서 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’은 어떻게 정의되고 계산되었나요?
A5: 이는 측정된 총 최대 세굴 깊이에서 표준 이론적 교각 세굴 공식으로 설명되지 않는 부분을 의미합니다. 구체적으로, 세굴이 가장 깊은 지점의 총 수심(Ym)에서 CSU 공식(dcsu) 또는 M/S 공식(dms)으로 계산된 이론적 교각 세굴 깊이를 빼서 계산했습니다. 이는 논문의 식 (7)과 (8)에 명시되어 있습니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
기존의 교량 세굴 깊이 예측 방법은 극한 홍수와 같은 복잡한 실제 상황을 제대로 반영하지 못하는 명백한 한계를 가지고 있었습니다. 본 연구는 ‘이론적 세굴’과 ‘흐름 수축에 의한 추가 세굴’을 결합하는 포괄적인 접근법을 제시함으로써 이 문제를 해결하는 중요한 돌파구를 마련했습니다. 특히 압력 흐름 조건에서 세굴이 증폭된다는 사실을 정량적으로 밝혀내어, 교량 설계 및 안전 진단의 정확성을 한 차원 높일 수 있는 실질적인 통찰력을 제공합니다.
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “Rupayan Saha” 외 저자의 논문 “A Comprehensive Method of Calculating Maximum Bridge Scour Depth”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Mohammad Nazari-Sharabian 외 저자가 Civil Engineering Journal(2020)에 발표한 논문 “Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 하천의 흐름으로 인해 교량 기초 주변의 토사가 침식되는 교각 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인이며, 이를 효과적으로 방지할 대책이 필요합니다.
해결 방법: 본 연구에서는 유한 체적법(FVM) 기반의 FLOW-3D 모델을 사용하여, 교각 상류에 다양한 배열의 희생말뚝(sacrificial piles)을 설치했을 때 세굴 감소 효과를 수치적으로 분석했습니다.
핵심 발견: 희생말뚝은 교각 주변의 세굴 깊이를 현저히 감소시키는 데 효과적이었으며, 특히 교각 직경 5배 거리에 단일 말뚝을 설치한 시나리오(S-3)가 설계 편의성, 비용 및 약 70%의 세굴 감소 효과를 고려할 때 가장 효율적인 대책으로 확인되었습니다.
핵심 결론:FLOW-3D 시뮬레이션은 복잡한 세굴 현상을 정확하게 예측하고, 다양한 세굴 방지 공법의 효과를 사전에 검증하여 가장 경제적이고 효율적인 설계를 도출하는 데 매우 유용한 도구임을 입증했습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가
교량은 중요한 사회 기반 시설이지만, 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scouring) 현상으로 인해 심각한 위협에 직면해 있습니다. 하천에 설치된 교각은 물의 흐름을 방해하여 유속을 증가시키고, 교각 주변에 말굽 와류(horseshoe vortex)와 같은 복잡한 흐름을 형성합니다. 이 강력한 와류는 강바닥의 토사를 침식시켜 교각 기초를 약화시키고, 결국 교량의 안정성을 저해하여 붕괴에 이르게 할 수 있습니다. 이러한 문제는 막대한 경제적 손실과 인명 피해를 야기할 수 있으므로, 세굴 현상을 정확히 예측하고 효과적인 방지 대책을 마련하는 것은 토목 및 수리 공학 분야의 매우 중요한 과제입니다. 기존 연구들은 실험적 방법에 크게 의존했으나, 이는 시간과 비용 제약이 따릅니다. 따라서 정밀한 수치 모델링을 통해 다양한 시나리오를 신속하게 평가할 필요가 있습니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구에서는 복잡한 유체-구조물-토사 상호작용을 정밀하게 모델링하기 위해 FLOW-3D 소프트웨어를 활용했습니다. 연구의 신뢰도를 높이기 위해, 먼저 Balouchi와 Chamani(2012)가 수행한 원형 교각 주변 세굴에 대한 실험 연구 결과를 바탕으로 수치 모델을 검증(calibration)했습니다.
모델 설정: 실험과 동일한 조건으로 길이 11m, 폭 0.405m의 수로를 모델링했습니다. 유량은 45 L/s, 상류 수심은 0.2m, 유속은 0.56 m/s로 설정했습니다. 강바닥은 평균 직경 0.72mm의 균일한 모래로 구성했습니다.
메시 구성: 정확한 해석을 위해 교각 주변 영역에는 0.6cm의 미세 격자를, 그 외 영역에는 1cm 격자를 사용하여 총 110만 개의 격자 셀을 구성했습니다.
물리 모델: 난류 흐름을 모사하기 위해 RNG(renormalized group) 난류 모델을 사용했으며, FLOW-3D의 퇴적물 이동 및 세굴 모델을 적용하여 침식 현상을 시뮬레이션했습니다.
시나리오: 검증된 모델을 바탕으로, 교각 상류에 1개, 3개, 또는 5개의 희생말뚝을 다양한 간격으로 배치하는 총 9가지 시나리오(S-2 ~ S-9)와 희생말뚝이 없는 기준 시나리오(S-1)를 비교 분석했습니다.
이러한 접근 방식을 통해 실험적 한계를 넘어 다양한 조건에서 희생말뚝의 세굴 저감 효과를 체계적으로 평가할 수 있었습니다.
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier [7]
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 희생말뚝이 교각 세굴을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인했으며, 말뚝의 개수와 배치에 따라 그 효과가 다르게 나타났습니다.
결과 1: 단일 희생말뚝 설치 시 최적의 이격 거리 발견
단일 희생말뚝을 교각 상류에 설치한 시나리오(S-2, S-3, S-4)에서, 말뚝의 위치가 세굴 깊이에 큰 영향을 미쳤습니다. 기준 모델(S-1)의 교각 전면 최대 세굴 깊이가 42.6mm였던 것에 비해, 희생말뚝을 설치하자 세굴이 크게 감소했습니다.
교각 직경 5배 거리(S-3): 교각 전면 세굴 깊이가 29.4mm로 측정되었습니다.
교각 직경 6배 거리(S-4): 교각 전면 세굴 깊이가 32.3mm로, 5배 거리일 때보다 세굴이 더 깊게 발생했습니다.
교각 직경 4배 거리(S-2): 교각 전면 세굴 깊이가 23.8mm로 가장 낮았지만, 교각 측면과 후면의 세굴을 고려했을 때 S-3가 더 안정적인 결과를 보였습니다.
논문에서는 비용, 시공 편의성, 그리고 약 70%에 달하는 전반적인 세굴 저감 효과를 종합적으로 고려할 때, 교각 직경 5배 거리에 단일 말뚝을 설치하는 S-3 시나리오가 가장 효율적인 대책이라고 결론 내렸습니다.
결과 2: 다중 희생말뚝 배열의 세굴 저감 효과
3개 또는 5개의 희생말뚝을 설치한 경우, 단일 말뚝보다 더 큰 세굴 저감 효과를 보였습니다. 특히 말뚝을 교각에 더 가깝게, 그리고 여러 줄로 배치했을 때 효과가 극대화되었습니다.
최소 세굴 깊이 (S-8): 5개의 희생말뚝을 교각 직경 2, 4, 6배 거리에 분산 배치한 S-8 시나리오에서 교각 전면 세굴 깊이가 19.6mm, 측면 세굴 깊이가 21mm로 모든 시나리오 중 가장 낮은 값을 기록했습니다. 이는 희생말뚝이 없는 경우(S-1)의 측면 세굴 44mm에 비해 50% 이상 감소한 수치입니다.
최대 세굴 깊이 (S-7): 3개의 희생말뚝을 교각 직경 4, 6배 거리에 배치한 S-7 시나리오에서는 측면 세굴 깊이가 44mm로 측정되어, 희생말뚝이 없는 경우와 동일한 수준의 측면 세굴이 발생했습니다. 이는 말뚝 배열이 부적절할 경우 특정 위치의 세굴을 악화시킬 수 있음을 시사합니다.
아래의 Figure 10은 각 시나리오별 교각 전면, 후면, 측면의 최대 세굴 깊이를 명확하게 비교하여 보여줍니다. 이를 통해 S-8 배열이 전반적으로 가장 뛰어난 세굴 방지 성능을 보임을 알 수 있습니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 토목 및 수리 공학 분야의 전문가들에게 다음과 같은 실질적인 통찰을 제공합니다.
수리 구조물 설계 엔지니어: 희생말뚝의 배열(개수 및 이격 거리)이 교량 교각 세굴 방지에 결정적인 영향을 미친다는 점을 확인했습니다. FLOW-3D와 같은 CFD 도구를 활용하면, 실제 시공 전에 다양한 설계안의 성능을 가상으로 테스트하여 최적의 설계를 도출하고 안전성을 극대화할 수 있습니다.
품질 관리 및 유지보수 팀: 본 연구 데이터는 특정 희생말뚝 배열이 교각의 어느 부분(전면, 측면, 후면)에서 세굴에 가장 취약한지를 보여줍니다. 이는 교량의 정기적인 안전 점검 시 중점적으로 관찰해야 할 위치를 파악하고, 유지보수 계획을 수립하는 데 중요한 기준이 될 수 있습니다.
프로젝트 관리자: 단일 희생말뚝(S-3)만으로도 상당한 세굴 저감 효과를 얻을 수 있다는 결과는, 제한된 예산 내에서 효과적인 세굴 방지 대책을 수립해야 할 때 중요한 고려사항이 됩니다. 시뮬레이션을 통해 비용 대비 효과가 가장 높은 공법을 선택함으로써 프로젝트의 경제성을 높일 수 있습니다.
논문 정보
Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D
1. 개요:
제목: Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D
저자: Mohammad Nazari-Sharabian, Aliasghar Nazari-Sharabian, Moses Karakouzian, Mehrdad Karami
세굴은 흐르는 물의 침식 작용으로 하천 바닥과 둑, 그리고 교량 기초 주변의 물질을 파내고 운반하는 현상으로, 하천 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나이다. 본 연구에서는 유한 체적법(FVM)에 기반한 FLOW-3D 모델을 사용하여, 교각 세굴 방지 대책으로 교각 앞에 다양한 형상으로 희생말뚝을 사용하는 것의 적용 가능성을 수치적 접근법을 통해 조사했다. 이를 위해, 보호되지 않은 원형 하천 교각 주변의 세굴에 대한 실험 연구를 바탕으로 수치 모델을 검증했다. 시뮬레이션에서 교각과 희생말뚝은 원형이었고, 하상 재료는 모래였다. 모든 시나리오에서 유량은 45 L/s로 일정했다. 또한, 각 시나리오마다 1개에서 5개의 희생말뚝을 교각 앞 다른 위치에 배치했다. 희생말뚝의 설치는 세굴 깊이를 상당히 줄이는 데 효과적인 것으로 입증되었다. 결과에 따르면, 세굴은 교각 주변 전체 영역에서 발생했지만, 최대 및 최소 세굴 깊이는 교각의 측면(희생말뚝 3개를 교각 직경 3배 및 5배 상류에 위치)과 후면(희생말뚝 5개를 교각 직경 4, 6, 8배 상류에 위치)에서 관찰되었다. 또한, 단일 말뚝을 교각 앞에 설치한 시나리오 중에서는 교각 직경 5배 거리에 설치하는 것이 세굴 깊이를 줄이는 데 더 효과적이었다. 3개 및 5개 말뚝을 설치한 다른 시나리오에서는, 3개 말뚝 시나리오의 경우 교각 직경 6배 및 4배 거리가, 5개 말뚝 시나리오의 경우 교각 직경 4, 6, 8배 거리가 가장 효과적이었다.
3. 서론:
교량은 차량 통행을 위해 강이나 계곡에 일반적으로 건설되는 중요한 구조물이다. 구조 및 수리 공학의 광범위한 발전에도 불구하고, 전 세계적으로 관찰되는 교량 붕괴 및 기타 취약성은 계속해서 경제적 손실, 사회적 문제 및 인명 피해를 야기하고 있다. 교량이 겪는 주요 위험 중 하나는 교각 주변의 국부 세굴이다. 강 흐름 경로에 위치한 교각은 강의 단면적을 감소시킨다. 이 상황은 교각 주변의 유속을 증가시키고, 결과적으로 유선이 강바닥으로 쏠리면서 말굽 와류(horseshoe vortex) 및 회전류, 상승류를 형성한다. 강바닥의 흐름에서 발생하는 전단력은 수속이 증가함에 따라 커진다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
하천 교량의 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 심각한 문제이다. 유속 증가와 와류 형성으로 인해 교각 기초가 약화되어 교량 붕괴로 이어질 수 있다.
이전 연구 현황:
과거 연구들은 교각 형상 변경, 칼라(collar) 설치 등 다양한 세굴 방지책을 주로 실험적으로 연구했다. 일부 연구에서 희생말뚝의 효과를 언급했지만, 본 연구처럼 다양한 배열과 개수에 대한 체계적인 수치 해석 연구는 부족했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 FLOW-3D 수치 모델을 사용하여, 원형 교각 앞에 다양한 개수와 배열로 희생말뚝을 설치했을 때 교량 교각 세굴 저감 효과를 정량적으로 평가하고, 가장 효율적인 배열을 찾는 것이다.
핵심 연구:
실험 데이터로 검증된 FLOW-3D 모델을 사용하여 희생말뚝이 없는 경우와 1개, 3개, 5개의 희생말뚝을 각기 다른 위치에 설치한 총 9가지 시나리오를 시뮬레이션했다. 각 시나리오별 교각 전면, 후면, 측면의 최대 세굴 깊이를 비교 분석하여 희생말뚝의 효과와 최적의 배치를 규명했다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험 데이터 기반의 수치 모델 검증 후, 가상 시뮬레이션을 통해 여러 설계 변수(희생말뚝의 개수 및 위치)의 영향을 평가하는 방식으로 설계되었다.
데이터 수집 및 분석 방법:
모델 검증: Balouchi와 Chamani(2012)의 실험 결과(시간에 따른 교각 전/후면 세굴 깊이)와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 비교했다. 모델 효율성을 평가하기 위해 Nash-Sutcliffe(NS) 계수를 사용했으며, 교각 전면과 후면에서 각각 0.98과 0.97의 높은 일치도를 보였다.
시뮬레이션 실행: 총 10개의 시나리오(기준 1개, 희생말뚝 9개)를 평형 상태에 도달할 때까지(최대 420분) 시뮬레이션했다.
결과 분석: 각 시나리오의 최종 세굴 지형(packed sediment height net change)과 교각의 주요 지점(전면, 후면, 측면)에서의 최대 세굴 깊이를 추출하여 비교 분석했다.
연구 주제 및 범위:
주제: 희생말뚝을 이용한 하천 교량의 교각 세굴 방지 대책 효과 분석.
범위: 균일한 모래 하상 조건의清水(clear-water) 흐름에서 원형 교각과 원형 희생말뚝에 대한 연구로 한정했다. 유량은 45 L/s로 고정했다.
Figure 8. Different arrangements of the sacrificial piles
6. 주요 결과:
주요 결과:
희생말뚝은 모든 시나리오에서 교각 주변 세굴 깊이를 유의미하게 감소시켰다.
세굴은 초기 단계에서 빠르게 발생하여, 평형 상태에 도달하기까지 걸리는 시간의 10% 이내에 전체 세굴의 약 60%가 발생했다.
단일 희생말뚝의 경우, 교각 직경 5배 거리에 설치(S-3)하는 것이 비용과 효과를 고려할 때 가장 효율적인 대책으로 추천되었다.
다중 희생말뚝의 경우, 5개의 말뚝을 교각 직경 2, 4, 6배 거리에 설치(S-8)했을 때 교각 전면, 후면, 측면 모두에서 가장 뛰어난 세굴 저감 성능을 보였다.
교각 전면의 세굴 깊이는 후면보다 항상 컸으며, 그 비율은 1.72(S-5)에서 2.54(S-4) 사이였다.
최대 세굴은 대부분의 시나리오에서 교각 측면에서 발생했으며, 이는 말굽 와류가 측면으로 빠져나가면서 강한 침식 작용을 일으키기 때문이다.
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
Figure 목록:
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier [7]
Figure 2. Pier shapes studied by Richardson and Davis [6]
Figure 3. Flowchart of the present study
Figure 4. The experimental model in the study by Balouchi and Chamani (2012) [27]
Figure 5. The meshing of the model
Figure 6. Model boundary conditions
Figure 7. Comparison between scour depth in the experimental model and the numerical model
Figure 8. Different arrangements of the sacrificial piles
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
Figure 10. Scour depth in different scenarios
7. 결론:
본 연구는 FLOW-3D 모델을 사용하여 희생말뚝 배열이 교각 세굴 방지에 미치는 영향을 성공적으로 분석했다. 연구 결과, 희생말뚝은 말굽 와류 형성에 영향을 주어 세굴 깊이를 효과적으로 감소시키는 것으로 나타났다. 희생말뚝의 효과는 그 배열에 따라 크게 달라졌다. 더 많은 수의 희생말뚝을 교각에 가깝게 설치할수록 최소 세굴이 발생했지만, 비용과 시공성을 고려할 때 단일 말뚝을 교각 직경 5배 거리에 설치하는 방안이 매우 효율적인 대안임을 제시했다. 이 연구는 FLOW-3D가 교량 기초의 안정성을 평가하고 최적의 세굴 방지 공법을 설계하는 데 강력한 도구임을 입증했다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 수치 모델의 정확성을 어떻게 검증했나요?
A1: 연구진은 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 Balouchi와 Chamani(2012)가 수행한 물리적 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 직접 비교했습니다. 시간에 따른 교각 전면과 후면의 세굴 깊이 변화를 비교했으며(Figure 7), Nash-Sutcliffe(NS) 효율성 계수를 사용하여 정량적으로 평가했습니다. 그 결과, 교각 전면에서 0.98, 후면에서 0.97이라는 매우 높은 일치도를 보여, 수치 모델이 실제 물리 현상을 매우 정확하게 모사함을 입증했습니다.
Q2: 왜 RNG 난류 모델을 선택했나요? 다른 모델(예: LES)을 사용했다면 결과가 달라졌을까요?
A2: 논문에 따르면, 교각 주변의 난류 흐름을 계산하기 위해 RNG 모델을 사용했습니다. RNG 모델은 상대적으로 적은 계산 비용으로 복잡한 흐름, 특히 와류 현상을 합리적으로 예측할 수 있어 공학적 문제에 널리 사용됩니다. 저자들은 LES(Large Eddy Simulation)와 같은 더 정교한 모델이 더 나은 결과를 제공할 수 있지만, 계산 시간이 훨씬 길어진다는 점을 언급했습니다. 따라서 이 연구에서는 수용 가능한 시간 내에 신뢰도 높은 결과를 얻기 위해 RNG 모델을 선택했습니다.
Q3: 단일 희생말뚝 시나리오(S-3)가 여러 개를 설치한 일부 시나리오보다 더 효과적으로 추천된 이유는 무엇인가요?
A3: S-3(단일 말뚝, 5D 거리)는 S-8(5개 말뚝)과 같은 시나리오보다 절대적인 세굴 저감량은 적습니다. 하지만 저자들은 “설계 편의성, 낮은 건설 및 유지보수 비용, 그리고 약 70%에 달하는 세굴 깊이 감소 효과”를 종합적으로 고려할 때 S-3가 가장 효율적인 대책이라고 추천했습니다. 즉, 최소의 비용으로 최대의 효과를 얻는 경제성과 실용성 측면에서 S-3가 가장 높은 점수를 받은 것입니다.
Q4: Figure 10을 보면, 대부분의 경우 교각 측면(On the sides)에서 세굴이 가장 깊게 발생했습니다. 그 이유는 무엇인가요?
A4: 이는 교각 전면에서 형성된 강력한 말굽 와류(horseshoe vortex)의 특성 때문입니다. 이 와류는 교각을 만나면서 양쪽으로 갈라져 교각 측면을 따라 흐르면서 강바닥을 강하게 침식시킵니다. 희생말뚝은 교각 전면으로 접근하는 주 흐름의 에너지를 약화시키는 데는 효과적이지만, 측면으로 빠져나가는 와류의 힘까지 완벽하게 제어하기는 어렵습니다. 따라서 많은 시나리오에서 측면 세굴이 가장 두드러지게 나타났습니다.
Q5: 이 연구 결과는 원형 교각에만 적용되나요? 사각형이나 다른 형태의 교각에도 적용할 수 있을까요?
A5: 본 연구는 원형 교각과 원형 희생말뚝에 대해서만 수행되었으므로, 결과를 다른 형태의 교각에 직접 적용하기는 어렵습니다. 교각의 형태는 와류의 형성과 세굴 패턴에 큰 영향을 미칩니다(Figure 2 참조). 하지만 본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 특정 조건에 맞는 최적의 세굴 방지책을 설계할 수 있다는 방법론적 가치를 보여줍니다. 향후 연구를 통해 다른 형태의 교각에 대해서도 유사한 시뮬레이션을 수행하여 최적의 희생말뚝 배열을 찾을 수 있을 것입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
교량 기초의 안정성을 위협하는 교량 교각 세굴 문제는 정밀한 예측과 효과적인 대책이 필수적인 엔지니어링 과제입니다. 본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 희생말뚝이라는 세굴 방지 공법의 효과를 체계적으로 분석했으며, 단일 말뚝을 교각 직경 5배 거리에 설치하는 것만으로도 비용 효과적으로 세굴을 크게 줄일 수 있다는 핵심적인 발견을 제시했습니다. 이는 R&D 및 운영 단계에서 CFD 시뮬레이션이 어떻게 최적의 설계를 도출하고, 잠재적 위험을 줄이며, 프로젝트의 경제성을 높일 수 있는지를 명확히 보여주는 사례입니다.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 Mohammad Nazari-Sharabian 외 저자의 논문 “Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3D”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Luis Fernando Castaneda Galvis가 2023년 Auburn University에 제출한 석사 학위 논문 “Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates”를 기반으로 합니다. STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석하고 요약했습니다.
도전 과제: 교량 기초 주변의 토사 유실 현상인 교각 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인이지만, 수문학적 및 수리학적 계산 접근법에 따라 예측치가 크게 달라져 인프라 안전에 심각한 위협이 됩니다.
연구 방법: 4개의 실제 교량을 대상으로 12가지의 수문학적-수리학적 모델링 조합(총 48개 시뮬레이션)을 사용하여 교각 세굴 예측치를 체계적으로 비교 평가했습니다.
핵심 발견: 2D 수리학적 모델은 복잡한 하천 지형에서 1D 모델보다 훨씬 더 현실적인 유속 분포를 보여주며, 결과적으로 더 깊은 세굴 깊이를 예측하여 보수적인 설계에 기여합니다.
핵심 결론: 교량 안전성 평가 시, 특히 복잡한 지형에서는 1D 모델의 한계를 인식하고 2D 수리학적 모델을 채택하는 것이 교량 세굴 해석의 정확도를 높이는 데 필수적입니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?
교량 세굴은 전 세계적으로 교량의 안전과 안정성을 위협하는 심각한 문제입니다. 교량 기초 주변의 퇴적물이 침식되어 제거되는 이 현상은 수많은 교량 붕괴 사고의 원인이 되어 막대한 경제적, 인명 피해를 야기했습니다. 따라서 교량 구조물의 복원력과 수명을 보장하기 위해서는 세굴을 정확하게 예측하고 평가하는 것이 무엇보다 중요합니다.
문제는 세굴 깊이를 추정하는 데 사용되는 핵심 변수인 유속과 수심을 계산하는 데 다양한 수문학적, 수리학적 접근법이 존재한다는 것입니다. 각 접근법은 서로 다른 가정, 한계, 경계 조건을 가지므로 동일한 홍수 사상에 대해서도 상당히 다른 유량 결과를 산출할 수 있습니다. 이러한 차이가 최종적인 교각 세굴 예측에 얼마나 큰 영향을 미치는지에 대한 체계적인 연구가 부족한 실정이었습니다. 이는 엔지니어들이 가장 안전하고 정확한 모델링 방법을 선택하는 데 어려움을 겪게 만드는 주된 요인이었습니다.
접근법: 연구 방법론 분석
본 연구는 이러한 기술적 불확실성을 해결하기 위해 4개의 실제 교량을 대상으로 체계적인 비교 연구를 수행했습니다. 총 12가지의 수문학적 및 수리학적 계산법 조합을 적용하여 총 48개의 시뮬레이션을 진행했습니다.
Figure 1. Locations of the Flood regions in Alabama (Anderson, 2020)
수문학적 모델링 (최대 유량 산정):
지역 회귀 방정식(RRE): 주 교통국(DOT)에서 일반적으로 사용하는 간편한 방식입니다.
홍수 빈도 분석(FFA): 유량계가 설치된 지점에서 과거 데이터를 기반으로 분석하는 방식입니다.
분산형 수문 모델(HEC-HMS): SCS 유출 곡선 지수법을 사용하여 건조(CNI), 보통(CNII), 습윤(CNIII) 등 다양한 선행 토양 수분 조건을 고려한 강우-유출을 시뮬레이션했습니다.
수리학적 모델링 (유속 및 수심 계산):
1D 모델 (HEC-RAS): WSPRO 및 Energy 방정식을 사용하여 1차원 흐름을 해석했습니다.
2D 모델 (HEC-RAS): SA/2D 연결 방식과 교각을 지형에 직접 반영(raised piers)하는 두 가지 2차원 방식을 사용하여 흐름을 해석했습니다.
이렇게 계산된 유속과 수심 데이터를 사용하여 FHWA의 HEC-18 방정식과 관측 기반 세굴 예측법(OMS)으로 최종 교각 세굴 깊이를 산정하고 그 결과를 비교 분석했습니다. 특히, 2D 지형 수정 모델(raised piers)을 벤치마크로 설정하여 다른 접근법들의 정확도를 평가했습니다.
핵심 발견: 주요 연구 결과 및 데이터
결과 1: 2D 모델이 복잡한 지형에서 더 정확하고 보수적인 세굴 예측을 제공한다
연구 결과, 1D 수리학적 모델(WSPRO, Energy)은 대부분의 경우 서로 유사한 결과를 보였지만, 2D 모델에 비해 세굴 깊이를 과소평가하는 경향이 뚜렷했습니다. 특히 Conecuh 강(BrM 013310)과 같이 유로가 복잡하고 넓은 범람원을 가진 교량의 경우, 2D 모델은 1D 모델보다 훨씬 더 현실적인 유선 분포와 높은 유속을 보여주었습니다.
아래 ‘최대/평균 유속 비율’ 그래프(Figure 63)에서 Conecuh 강(빨간색 막대)의 경우, 1D Energy 모델(1.795)이 비정상적으로 높은 값을 보이는 반면, 2D 모델들(1.431, 1.416)은 상대적으로 안정적인 값을 보입니다. 이는 1D 모델이 복잡한 흐름을 주 수로에만 집중시켜 비현실적인 결과를 낳을 수 있음을 시사합니다. 반면, 2D 모델은 흐름을 더 현실적으로 분산시켜 교각 주변의 실제 유속을 더 잘 예측하고, 이는 더 신뢰성 높은 세굴 해석으로 이어집니다.
결과 2: 표준 계산법(RRE)은 최악의 시나리오를 반영하지 못할 수 있다
주 교통국에서 널리 사용되는 지역 회귀 방정식(RRE)은 간편하지만, 항상 가장 보수적인 최대 유량을 제공하지는 않는 것으로 나타났습니다. 특히 습윤한 선행 토양 수분 조건(CNIII)을 고려한 HEC-HMS 수문 모델은 대부분의 경우 RRE보다 더 높은 최대 유량을 산출했습니다.
예를 들어, BrM 015002 교량의 경우, RRE로 계산된 100년 빈도 홍수 유량은 7,682 cfs였지만, HEC-HMS CNIII 모델은 9,689 cfs를 예측했습니다 (Table 8). 더 나아가, 실제 관측 데이터 기반의 홍수 빈도 분석(FFA) 결과는 14,570 cfs로 훨씬 높았습니다. 이는 RRE가 최악의 홍수 시나리오를 심각하게 과소평가할 수 있음을 보여주며, 특히 습윤 지역에서는 상세한 수문학적 모델링이 교량 세굴 해석에 필수적임을 강조합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 복잡한 하도 형상이나 넓은 범람원을 가진 교량의 세굴을 평가할 때, 1D 모델의 한계를 명확히 인지해야 합니다. 2D 수리학적 모델을 사용하여 교각 주변의 유속 분포를 정밀하게 해석하는 것이 더 안전하고 신뢰할 수 있는 결과를 제공합니다.
인프라 관리 및 교통 부서(DOTs): 최대 유량 산정 시 지역 회귀 방정식(RRE)에만 의존하는 것은 위험할 수 있습니다. 특히 습윤 기후 지역에서는 습윤 선행 토양 수분 조건(CNIII)을 고려한 HEC-HMS와 같은 상세 수문 모델링을 수행하여 더 보수적인 설계 기준을 마련해야 합니다.
품질 및 리스크 관리팀: 본 연구는 수문학적 및 수리학적 모델 선택이 교량 세굴 해석 결과에 지대한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 교량 인프라에 대한 포괄적인 리스크 평가 프로토콜에는 유량계 데이터가 있는 경우 홍수 빈도 분석(FFA)을 포함하고, 복잡한 현장에는 2D 수리학적 분석을 의무화하는 다중 모델 접근법을 포함해야 합니다.
논문 상세 정보
Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates
1. 개요:
제목: Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates (수문학적 및 수리학적 계산 접근법이 교각 세굴 추정에 미치는 영향)
교량 기초 주변의 퇴적물 침식 및 제거 현상인 교량 세굴은 토목 공학 및 인프라 관리 분야에서 중요한 관심사입니다. 세굴 추정에 사용되는 변수인 교량 부근의 수심과 유속을 결정하기 위해 최대 유량을 계산하는 다양한 수문학적 및 수리학적 접근법이 있습니다. 각 접근법은 가정, 한계, 경계 조건에 따라 수심 및 유속 추정에 영향을 미치는 상당히 다른 유량 결과를 낳을 수 있습니다. 또한, 방법들이 유사한 유량 크기를 추정할 때조차도 교량 구성에 따라 다른 유속 분포가 발생할 수 있습니다. 이러한 방법들이 교각 세굴 깊이 추정에 미치는 영향의 정도는 체계적인 조사의 부족으로 잘 알려져 있지 않습니다. 본 연구는 4개의 교량에 대해 12가지의 수문학적 및 수리학적 접근법 조합을 사용하여 총 48개의 시뮬레이션을 통해 교각 세굴을 평가함으로써 이 질문에 답하고자 합니다. 각 시뮬레이션은 FHWA HEC-18 및 관측 기반 세굴 예측법(OMS) 방법론을 사용하여 잠재적인 교각 세굴 깊이를 평가하기 위해 분석되었습니다. 최대 유량을 계산하는 대안으로는 지역 회귀 방정식(RRE), 홍수 빈도 분석(FFA), 그리고 HEC-HMS 4.9를 사용한 분산 모델이 있으며, SCS 유출 곡선 지수법을 사용하여 다양한 선행 수분 조건을 평가했습니다. 100년 주기 사상에 대한 최대 유량이 추정되었고, 수문 모델은 단일 사상 기반으로 시뮬레이션되었습니다. 수리학적 분석에는 HEC-RAS 6.1/6.2가 활용되었으며, 1D-WSPRO, 1D-Energy, 2D SA 연결, 그리고 교각을 높인 2D 지형 수정이 교량 모델링 접근법으로 사용되었습니다. HEC-RAS 모델은 1미터 x 1미터(3.28 x 3.28 ft) 해상도의 Lidar 데이터를 사용하여 생성되었습니다. 결과는 주 교통국에서 자주 사용하는 회귀 방정식이 수문 모델 시뮬레이션과 비교할 때 항상 최악의 수문학적 시나리오를 제공하지는 않는다는 것을 보여주었습니다. 1D 모델의 결과는 매우 유사하며, 대부분의 경우 더 적은 세굴 깊이를 생성합니다. 2D 접근법은 복잡한 구성을 가진 교량의 접근 수로를 더 잘 나타내며, 1D 모델보다 더 큰 유속과 따라서 더 많은 세굴 깊이를 묘사합니다. 마지막으로, 수분 조건이 최대 유량 결정을 위한 최악의 시나리오를 결정하는 데 영향을 미칠 수 있으며, 이는 다시 세굴 계산에 영향을 미친다는 것이 발견되었습니다.
3. 서론:
교량 세굴은 흐르는 하천의 침식 작용으로 인해 발생하는 자연 현상으로, 물, 토양, 구조물이 상호 작용하는 일반적인 문제입니다. 이는 교량의 안전과 안정성에 심각한 위협이 되며, 전 세계적으로 수많은 교량 붕괴를 초래하여 상당한 경제적, 인명 손실을 야기했습니다. 교량 구조물의 복원력과 수명을 보장하기 위해서는 교량 세굴의 예측과 평가가 매우 중요합니다. HEC-18(Hydraulic Engineering Circular No. 18)은 100년 설계 홍수 사상을 기반으로 세굴 깊이를 계산하는 결정론적 절차를 제공합니다. 최대 유량을 계산하는 방법은 다양하며, 계산된 유량을 바탕으로 수리학적 모델링을 통해 교량 부근의 유속과 수심을 추정합니다. 1D 또는 2D 모델링 접근법에 따라 이 변수들의 크기, 방향, 분포가 달라질 수 있습니다. 다양한 최대 유량 계산법과 교량 모델링 접근법이 존재함에도 불구하고, 이들의 조합이 세굴 예측 결과에 미치는 차이를 체계적으로 평가한 연구는 부족했습니다. 이 연구는 “수문학적 및 수리학적 계산 접근법의 다양한 대안이 교각 세굴 추정치에 어느 정도 영향을 미칠 수 있는가?”라는 연구 질문에 답하는 것을 목표로 합니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 세굴은 교량의 구조적 안전성에 직접적인 영향을 미치는 핵심적인 문제이며, 이를 정확히 예측하는 것은 인프라 관리의 중요한 부분입니다. 세굴 예측은 수문학적 분석(얼마나 많은 물이 오는가?)과 수리학적 분석(물이 어떻게 흐르는가?)의 두 단계로 이루어지는데, 각 단계에서 사용 가능한 여러 방법론 간의 결과 차이가 최종 예측의 불확실성을 증가시킵니다.
이전 연구 현황:
과거 연구들은 개별적인 수문학적 또는 수리학적 모델링 방법에 초점을 맞추었지만, 이 두 가지를 조합했을 때 발생하는 결과의 변동성을 체계적으로 분석한 연구는 드물었습니다. 특히, 간편성 때문에 널리 사용되는 지역 회귀 방정식(RRE)과 물리적 과정을 더 상세히 모사하는 분산형 수문 모델(HEC-HMS) 간의 차이, 그리고 1D와 2D 수리학적 모델 간의 차이가 세굴 예측에 미치는 복합적인 영향을 규명할 필요가 있었습니다.
연구의 목적:
본 연구의 목적은 다양한 수문학적 및 수리학적 계산 접근법 조합이 교각 세굴 예측치에 미치는 영향을 정량적으로 평가하는 것입니다. 이를 통해 엔지니어들이 특정 현장 조건에 가장 적합하고 안전한 모델링 조합을 선택하는 데 과학적 근거를 제공하고자 합니다.
핵심 연구:
알라배마 주에 위치한 4개의 실제 교량을 대상으로, 3가지 수문학적 접근법(RRE, FFA, HEC-HMS)과 4가지 수리학적 접근법(1D WSPRO, 1D Energy, 2D SA connection, 2D terrain modification)을 조합하여 100년 빈도 홍수 사상에 대한 교각 세굴을 시뮬레이션하고 그 결과를 비교 분석했습니다.
Figure 9. Pier scour sketch (Anerson et al., 2012)
5. 연구 방법론:
연구 설계:
본 연구는 비교 분석 연구 설계를 채택했습니다. 4개의 교량(연구 대상)에 대해 독립 변수인 수문학적 접근법(3가지)과 수리학적 접근법(4가지)을 체계적으로 조합하여 종속 변수인 교각 세굴 깊이를 측정하고 비교했습니다. 2D 지형 수정 모델을 벤치마크로 사용하여 다른 모델들의 성능을 평가했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 수집: USGS로부터 DEM(Digital Elevation Model) 데이터, Lidar 지형 데이터, NLCD 토지 피복 데이터, SSURGO 토양 데이터를 수집했습니다. 유량계가 있는 지점에서는 과거 유량 데이터를, 강우 데이터는 Atlas 14에서 추출했습니다.
데이터 분석:
수문 분석: StreamStats를 사용하여 유역을 획정하고 RRE 값을 계산했습니다. PeakFQ 소프트웨어로 홍수 빈도 분석(FFA)을 수행했습니다. HEC-HMS 소프트웨어를 사용하여 다양한 선행 토양 수분 조건(CNI, CNII, CNIII)에 대한 강우-유출 모델링을 수행했습니다.
수리 분석: HEC-RAS 소프트웨어를 사용하여 1D 및 2D 수리학적 모델을 구축하고, 각 수문 시나리오에 대한 유속 및 수심을 계산했습니다.
세굴 분석: Hydraulic Toolbox를 사용하여 HEC-18 방정식을 기반으로 교각 세굴 깊이를 계산했으며, OMS 방법론과도 비교했습니다.
Figure 40. Terrain modification with raised piers
연구 주제 및 범위:
본 연구는 알라배마 주에 위치한 4개의 특정 교량을 대상으로 하며, 100년 빈도 홍수 사상에 대한 교각 세굴에 초점을 맞춥니다. 연구에서 사용된 소프트웨어는 HEC-HMS, HEC-RAS, PeakFQ 등이며, 세굴 계산은 HEC-18 방정식을 주로 사용했습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
주 교통국(DOT)에서 널리 사용하는 지역 회귀 방정식(RRE)은 상세 수문 모델(HEC-HMS)과 비교 시 항상 최악의 시나리오(가장 큰 유량)를 제공하지 않았으며, 일부 교량에서는 유량을 최대 70%까지 과소평가했습니다.
1D 수리학적 모델들은 서로 유사한 결과를 보였으나, 복잡한 하천 지형을 가진 교량에서는 흐름을 제대로 모사하지 못하고 세굴 깊이를 과소평가하는 경향을 보였습니다.
2D 수리학적 모델, 특히 교각을 지형에 직접 반영한 모델(벤치마크)은 더 넓은 범람원, 더 빠른 유속, 그리고 더 얕은 수심을 보여주어, 결과적으로 1D 모델보다 더 깊은 세굴을 예측하는 경향이 있었습니다. 이는 2D 모델이 더 보수적이고 현실적인 결과를 제공함을 의미합니다.
선행 토양 수분 조건은 최대 유량 산정에 큰 영향을 미쳤으며, 습윤 조건(CNIII)이 가장 보수적인(가장 큰) 세굴 예측 결과를 낳았습니다.
Figure 목록:
Figure 1. Locations of the Flood regions in Alabama (Anderson, 2020)
Figure 2. Calibration process diagram used by HEC-HMS. Feldman (2000)
Figure 3. Symbols used. Equations for motion and mass conservation (Brunner et al., 2020)
Figure 4. Channel Profile and cross section locations (Brunner and CEIWR-HEC, 2020)
Figure 5. Cross Sections Near and Inside the Bridge (Brunner and CEIWR-HEC, 2020)
Figure 6. Critical shear stress vs particle grain size (Briaud et al. 2011)
Figure 7. Flow around a single pier (Prendergast and Gavin, 2014)
Figure 8. Comparison of scour equations for variable depth ratios (y/a) according with Jones (TRB, 1983)
Figure 9. Pier scour sketch (Anerson et al., 2012)
Figure 10. Methodology Flowchart
Figure 11. Location of the selected Bridges in the State of Alabama (Google Earth, 2023)
Figure 12. Location of Bridge No 015002. (Google Earth, 2023)
Figure 13. USGS station No. 02362240 is located at the Bridge entrance. (USGS, 2023)
Figure 14. Bridge No 0150002 configuration. (AASHTOWare BrM, 2023)
Figure 15. Location of Bridge No 010738. (Google Earth, 2023)
Figure 16. Bridge No 010738 configuration. Source: AASHTOWare BrM
Figure 17. Location of Bridge No 013310. (Google Earth, 2023)
Figure 18. Bridge No 013310 configuration. (AASHTOWare BrM, 2023)
Figure 19. Location of Bridge No 013310. (Google Earth, 2023)
Figure 20. Bridge No 013310 configuration. Source: AASHTOWare BrM
Figure 21. Area extracted from Streamstats for an example watershed.
Figure 22. Peak flow streamflow data for Bridge No 015002
Figure 23. Resulted chart using the software PeakFQ
Figure 24. Watershed associated with the analyzed bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 25. DEMs for the watersheds associated with the selected bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 26. Land cover values for the analyzed watersheds related with the bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 27. Models created in HEC-HMS for the watersheds associated with the bridges (a) BrM No 015002 (b) BrM No 010738 (c) BrM No 007070 (d) BrM 013310
Figure 28. Rain gage deployed in Bridge BrM No 015002
Figure 29. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 30. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 31. Terrain modification with raised piers
Figure 32. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 33. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 34. Terrain modification with raised piers
Figure 35. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 36. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 37. Terrain modification with raised piers
Figure 38. Geometry 1D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge cross section
Figure 39. Geometry 2D Hydraulic model in HEC-RAS and bridge and SA 2D connection
Figure 40. Terrain modification with raised piers
Figure 41. Calibration results for minimizing the percent error in peak discharge in Little Double Bridges Creek (BrM No 015002)
Figure 42. Comparison between the two resultant outflow hydrographs.
Figure 43. Outflow hydrographs for watershed associated BrM No 015002 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII.
Figure 44. Outflow hydrographs for watershed associated BrM 0107038 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII.
Figure 45. Outflow hydrographs for watershed associated BrM 013310 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII
Figure 46. Outflow hydrographs for watershed associated BrM 007070 and different antecedent soil moisture conditions, CNI, CNII and CNIII.
Figure 47. Velocities for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 015002. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 48.Velocities comparison for the bridge modeling approaches. Bridge BrM015002
Figure 49. Water depth results for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 015002. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 50.Water depth for the different bridge modeling approach. Bridge BrM015002
Figure 51. Velocities results for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 010738. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 52.Velocities for the different bridge modeling approach. Bridge BrM010738
Figure 53. Water depth for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 010738. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 54.Water depth for the different bridge modeling approach. Bridge BrM010738
Figure 55. Velocities for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 013310. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 56.Velocities for the different bridge modeling approach. Bridge BrM013310
Figure 57. Water depth for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 013310. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 58.Water depth for the different bridge modeling approach. BrM No 013310
Figure 59. Velocities results for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 007070. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 60. Velocity for the different bridge modeling approach. Bridge BrM No 007070
Figure 61. Water depth for different bridge modeling approaches, Bridge BrM No 007070. (a) WSPRO (b) Energy (c) 2D/SA connection (d) 2D terrain modification with raised piers
Figure 62.Water depth for the different bridge modeling approach. Bridge BrM007070
Figure 63.Peak to average velocities by bridge for the different bridge modeling approaches
Figure 64.Peak to average for scour depth using RRE
Figure 65. Peak to average for scour depth using CNII
Figure 66. Peak to average for scour depth using CNIII
Figure 67. HEC-18 scour comparison values of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 015002
Figure 68. HEC-18 pier scour comparison of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 010738
Figure 69. HEC-18 pier scour comparison of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 013310
Figure 70. HEC-18 pier scour comparison of the different alternatives to calculate the flow using the Bridge modeling approach (benchmark). Bridge BrM No 007070
7. 결론:
본 연구는 HEC-18 접근법을 사용한 세굴 추정치가 수문학적 및 수리학적 모델링 도구의 선택에 크게 좌우된다는 점을 명확히 보여주었습니다. 1D 모델은 단순한 교량에서는 서로 유사한 결과를 보이지만, 복잡한 교량 횡단면에서는 유용성이 제한적이었습니다. 1D 모델은 교량 상류에서 더 깊은 수심을 예측하고, 교량 입구에서 흐름을 제어하여 유속과 세굴을 감소시키는 경향이 있었습니다. 반면, 2D 모델에서는 더 큰 유속이 관찰되었고 흐름 표현이 더 합리적이어서, 대부분의 경우 세굴 추정치를 개선할 수 있었습니다. 결론적으로, 교량 세굴 해석의 정확성과 안전성을 높이기 위해서는, 특히 복잡한 지형에서는 2D 수리학적 모델을 사용하고, 습윤 지역에서는 보수적인 선행 수분 조건을 고려한 상세 수문 모델링을 수행하는 것이 필수적입니다.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 1D와 2D 수리학적 모델을 모두 비교한 이유는 무엇인가요?
A1: 1D와 2D 모델 간의 결과 차이를 체계적으로 평가하기 위함입니다. 1D 모델은 계산이 간단하지만 흐름 방향에 대한 중요한 가정을 포함합니다. 반면, 2D 모델은 더 복잡하지만 교각 주변의 복잡한 흐름 패턴, 유속 분포, 재순환 구역 등을 더 잘 표현할 수 있으며, 이는 정확한 세굴 예측에 매우 중요합니다. 이 연구는 이러한 모델링 상세 수준의 차이가 최종 세굴 추정치에 어떤 영향을 미치는지 정량화하는 것을 목표로 했습니다.
Q2: Conecuh 강 교량(BrM 013310)의 경우, 일반적인 경향과 달리 1D 모델이 2D 모델보다 더 큰 세굴을 예측했습니다. 그 이유는 무엇인가요?
A2: 이는 해당 교량의 복잡한 수리 특성(여러 개의 개구부, 넓은 범람원) 때문인 예외적인 경우입니다. 논문에 따르면, 이 특정 사례에서 1D 모델은 흐름을 비현실적으로 주 수로에만 집중시켜 인위적으로 높은 유속과 세굴을 예측했습니다. 반면, 2D 모델은 흐름을 더 현실적으로 분산시켜 더 낮은(그리고 아마도 더 정확한) 최대 세굴 값을 산출했으며, 이는 복잡한 시나리오에서 1D 모델의 한계를 명확히 보여줍니다.
Q3: HEC-HMS 모델에서 다양한 선행 토양 수분 조건(CNI, CNII, CNIII)을 비교하는 것의 의미는 무엇인가요?
A3: 최대 유출량에 대한 최악의 시나리오를 결정하기 위함입니다. 선행 수분 조건은 강우 사상 이전의 토양 포화도를 반영합니다. 습윤 조건(CNIII)은 토양이 물을 거의 흡수하지 못해 더 높고 빠른 유출을 유발합니다. 연구 결과, CNIII이 일관되게 가장 높은 최대 유량과 세굴 깊이를 예측했으며, 이는 ‘보통’ 조건(CNII)을 가정하는 것이 특히 습윤 기후에서 리스크를 과소평가할 수 있음을 시사합니다.
Q4: 이 연구에서 벤치마크 모델로 ‘교각을 높인 2D 지형 수정 모델’을 선택한 이유는 무엇인가요?
A4: 이 모델이 교각의 물리적 존재와 그로 인한 흐름 방해를 가장 직접적이고 현실적으로 시뮬레이션하기 때문입니다. 교각을 지형 데이터에 직접 통합함으로써, 모델은 교각 주변에서 발생하는 실제 유체 역학적 현상(예: 말발굽 와류, 후류 와류)을 다른 추상적인 방법(예: SA/2D 연결)보다 더 정확하게 재현할 수 있습니다. 따라서 이 모델의 결과를 기준으로 다른 간소화된 모델들의 정확도를 평가하는 것이 합리적입니다.
Q5: 연구 결과가 특정 지역(알라배마)에 국한되는데, 다른 지역에도 이 결론을 적용할 수 있을까요?
A5: 네, 적용 가능합니다. 특히 연구의 핵심 결론인 ‘복잡한 지형에서는 2D 모델이 우수하다’와 ‘단순화된 수문학적 방법은 위험을 과소평가할 수 있다’는 원칙은 보편적입니다. 다만, 습윤 선행 토양 수분 조건(CNIII)의 중요성은 알라배마와 같은 습윤 기후에서 더 두드러집니다. 건조 기후 지역에서는 다른 수분 조건이 최악의 시나리오가 될 수 있으므로, 각 지역의 기후 특성을 고려하여 모델링 조건을 설정하는 것이 중요합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길
이 연구는 교량 세굴 해석의 정확도가 어떤 수문학적, 수리학적 모델링 도구를 선택하는지에 따라 크게 달라질 수 있음을 명확하게 보여주었습니다. 특히 복잡한 교량 횡단면에서는 1D 모델의 한계가 뚜렷하며, 2D 모델이 제공하는 상세한 흐름 정보가 더 안전하고 신뢰성 있는 예측을 가능하게 합니다. 또한, 간편한 표준 계산법에 의존하기보다 현장의 특성을 반영한 상세 모델링을 수행하는 것이 장기적인 인프라 안전 확보에 필수적입니다.
STI C&D는 최신 산업 연구 결과를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 논의해 보십시오.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr
저작권 정보
이 콘텐츠는 “[Luis Fernando Castaneda Galvis]”의 논문 “[Effect of hydrologic and hydraulic calculation approaches on pier scour estimates]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Hsiao-Wen, Wang 외 저자가 2014년 Journal of Chinese Soil and Water Conservation에 발표한 논문 “NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 붕괴의 주요 원인인 교각 세굴은 복잡한 3차원 유동 현상으로, 기존 1차원/준 2차원 수치 모델로 정확하게 예측하기 어려웠습니다.
The Method: 기존 하천 시뮬레이션 모델인 NETSTARS V3.0에 18개의 저명한 교각 세굴 공식을 통합하고 새로운 국부 세굴 계산 모듈을 추가하여 모델의 기능을 향상시켰습니다.
The Key Breakthrough: 다중 요인 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)로 보정된 개선 모델은 대만 파장강(Pa-Chang River)의 일반 세굴과 국부 세굴을 정확하게 시뮬레이션했으며, 이 사례에 가장 적합한 공식으로 Jain & Fischer(1980) 공식을 식별했습니다.
The Bottom Line: 본 연구는 교량 교각 세굴의 장기 예측을 위한 검증된 수치 해석 도구를 제공함으로써, 선제적인 유지보수를 가능하게 하고 교량 안전 관리를 획기적으로 개선합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교량은 현대 사회의 필수 기반 시설이지만, 그 안전은 끊임없이 자연의 도전에 직면합니다. 특히 교량의 기초를 지지하는 교각 주변에서 발생하는 ‘세굴(Scouring)’ 현상은 교량 붕괴의 가장 큰 원인 중 하나입니다. 교각은 하천의 물 흐름을 방해하여 교각 전면부에서 말굽형 와류(horseshoe vortex)와 같은 복잡한 3차원 유동을 발생시킵니다. 이 강력한 와류는 교각 주변의 하상 토사를 침식시켜 기초를 노출시키고, 결국 교량 전체의 구조적 안정성을 위협합니다.
이러한 세굴 현상을 예측하고 대비하는 것은 매우 중요하지만, 전통적인 수리 모형 실험은 비용이 많이 들고 특정 조건에서만 유효하여 재사용이 어렵다는 한계가 있습니다. 수치 모델링, 특히 CFD는 경제적이고 효율적인 대안을 제시하지만, 복잡한 하상 변동과 국부적인 세굴 현상을 정확하게 모사하는 데에는 기술적인 어려움이 있었습니다. 따라서 신뢰성 높은 장기 예측이 가능한 고정밀 교각 세굴 시뮬레이션 기술의 개발은 교량 안전을 확보하기 위한 핵심 과제입니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 기존의 준 2차원 하천 네트워크 모델인 NETSTARS V3.0에 교각 세굴 해석 기능을 통합하여 그 예측 정확도를 높이는 것을 목표로 했습니다.
연구 지역: 대만의 파장강(Pa-Chang River) 유역 중 후생교(Housheng Bridge)에서 촉구교(Chukou Bridge)에 이르는 약 48.4km 구간으로, 총 19개의 교량이 위치한 지역을 대상으로 했습니다.
모델 개선: 기존 NETSTARS 모델에 Laursen, Shen, Jain & Fischer 등 학계에서 널리 사용되는 18개의 교각 국부 세굴 공식을 선택적으로 적용할 수 있는 새로운 모듈을 개발 및 통합했습니다.
검증 프로세스: 시뮬레이션의 정확도를 확보하기 위해 2단계 검증 절차를 수행했습니다.
일반 세굴 검증: 먼저 교각의 국부적인 영향을 제외하고 하천 전체의 일반적인 하상 변동을 시뮬레이션했습니다. 이때 실제 측정된 하상 데이터와 비교하여 유입 유사량(ratep), 유사 이송 공식(ised), 세굴 가능 깊이(alt) 등 주요 매개변수를 최적화했습니다.
국부 세굴 검증: 최적화된 일반 세굴 조건 하에서, 18개의 국부 세굴 공식을 각각 적용하여 시뮬레이션을 수행하고 실제 데이터와 비교하여 가장 정확한 공식을 선정했습니다.
핵심 평가 지표: 단순한 평균 제곱근 오차(RMSE) 대신, 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)라는 독자적인 지표를 사용했습니다. 이 지표는 RMSE뿐만 아니라, 하상 변동의 진폭(Amplitude ratio)과 경향성(Fitted ratio)까지 종합적으로 평가하여, 복잡한 하천의 동적 변화를 훨씬 더 정확하게 보정할 수 있도록 했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구는 개선된 시뮬레이션 방법론을 통해 교각 세굴 예측의 정확도를 한 단계 끌어올리는 중요한 성과를 달성했습니다.
Finding 1: 하상 변동 시뮬레이션을 위한 더욱 강건한 보정 기법
기존의 RMSE만을 이용한 보정 방식은 하상 변동이 복잡한 실제 하천에서 최적의 해를 찾는 데 한계가 있었습니다. 논문에서 제안한 Ev_sediment 매개변수는 변동의 크기와 경향성을 모두 고려함으로써 실제 현상과의 적합도를 크게 높였습니다. 그림 14에서 볼 수 있듯이, Ev_sediment를 사용했을 때의 결과(파란색 선)가 RMSE만을 사용했을 때(주황색 선)보다 실제 측정값(회색 선)의 변동 경향을 훨씬 더 잘 모사하는 것을 확인할 수 있습니다. 이를 통해 일반 세굴에 대한 최적 매개변수로 유입 유사량 비율(ratep)=0.001, 유사 이송 공식=Ackers & White(ised=2), 세굴 가능 깊이 매개변수(alt)=1.0, 유관(stream tube) 개수=3을 도출했습니다.
Finding 2: 파장강에 가장 정확한 교각 세굴 공식 식별
일반 세굴 보정이 완료된 후, 18개의 국부 세굴 공식을 테스트한 결과, Jain & Fischer(1980) 공식(ibrino=9)이 가장 낮은 오차 값을 보여 최적의 공식으로 선정되었습니다. 표 3에 따르면, Jain & Fischer 공식의 Ev_sediment 값은 2.49로, 일반 세굴만 고려했을 때의 오차 값(2.552)보다도 낮아져 모델의 예측력이 향상되었음을 입증했습니다. 이는 모델이 특정 하천 환경에 가장 적합한 물리 기반 공식을 선별해내는 강력한 능력을 갖추고 있음을 보여줍니다. 또한, 대만 교통부에서 권장하는 6개 공식 모두 상위권에 위치하여 모델의 신뢰성을 뒷받침했습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
토목/수리 엔지니어: 본 연구는 Ackers & White와 같은 유사 이송 공식의 선택과 유입 유사량(ratep)의 정밀한 보정이 장기적인 하상 예측에 얼마나 중요한지를 보여줍니다. 이는 하천 정비 계획 및 설계의 정확도를 높이는 데 기여할 수 있습니다.
교량 유지보수 및 안전 관리팀:그림 17과 18에 제시된 10년 장기 예측 결과는 과수교, 영흠1호교 등 세굴 위험이 높은 특정 교량을 명확히 지목합니다. 이 데이터는 한정된 예산 내에서 검사와 보강이 시급한 교량의 우선순위를 정하는 정량적인 근거를 제공하여, 선제적인 안전 관리를 가능하게 합니다.
교량 설계 엔지니어: 이 시뮬레이션 프레임워크는 “What-if” 시나리오 분석에 활용될 수 있습니다. 설계 초기 단계에서 다양한 교각의 형상, 크기, 배치에 따른 장기적인 세굴 가능성을 미리 평가함으로써, 자연재해에 더욱 강한 복원력 있는 교량을 설계하는 데 기여할 수 있습니다.
Paper Details
NETSTARS 模式加入橋墩沖刷功能之研究——以八掌溪為例 (NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River)
1. Overview:
Title: NETSTARS 模式加入橋墩沖刷功能之研究——以八掌溪為例 (NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River)
This study applies NETSTARS V3.0 by adding the calculation functions of eighteen pier scour formulas based on a comprehensive literature review to demonstrate local scour mechanisms. The study area is a reach of the Pachang Creek from the Housheng Bridge to the Chukou Bridge. We do not set the structures and weirs in the river to be scoured. Simulations are conducted by setting boundary conditions and importing information about nineteen bridges, and validations are separated into two steps as: general scouring and bridge local scouring. The best parameters are qualified by computing error evaluated parameter to fit the changing tendencies of the Pachang Creek. Finally, long-term riverbed evolution is simulated. The results show that there are 5 bridges with erosion trends. The results can be used as a reference for one-dimensional numerical models with pier scouring functions.
3. Introduction:
하천은 인류에게 중요한 수자원이지만 활동 공간을 단절시키는 장애물이기도 합니다. 인간은 하천 양안을 연결하기 위해 교량과 같은 구조물을 건설합니다. 그러나 이러한 구조물, 특히 교각은 물의 흐름을 방해하여 국부적인 하상 변동을 야기하며, 심각할 경우 교각 기초가 침식되어 교량이 붕괴될 수 있습니다. 교각 주변의 세굴 메커니즘은 복잡한 3차원 문제이므로 순수 이론적 접근이나 번거로운 수리 모형 실험만으로는 한계가 있습니다. 따라서 수치 모델링은 하상 변동 경향을 이해하는 경제적이고 효율적인 분석 방법입니다.
Fig.1 Schematic for general erosion, beam contraction scouring, and local scour
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 주변의 국부 세굴은 교량의 안전을 위협하는 주요 요인입니다. 대만과 같이 하천 경사가 급하고 강우가 집중되는 지역에서는 그 위험이 더욱 큽니다. 정확한 세굴 예측은 교량의 설계, 유지보수, 안전 관리에 필수적입니다.
Status of previous research:
이전 연구들은 주로 실험실 규모의 수리 모형 실험이나 개별적인 수치 모델을 통해 세굴 현상을 분석했습니다. HEC-6, MIKE11 등 다양한 1차원 및 준 2차원 모델이 개발되었으나, 실제 하천의 복잡한 조건과 교각의 국부적인 영향을 동시에 정확하게 모사하는 데에는 한계가 있었습니다.
Purpose of the study:
본 연구의 목적은 기존의 하천 네트워크 시뮬레이션 모델인 NETSTARS V3.0에 교각 세굴 해석 기능을 추가하고, 실제 하천(파장강) 데이터를 이용해 모델을 검증하며, 이를 통해 장기적인 하상 변동 및 교각 세굴 위험도를 예측하는 신뢰성 있는 도구를 개발하는 것입니다.
Core study:
NETSTARS 모델에 18개의 교각 국부 세굴 공식을 통합하고 계산 모듈을 개발.
새로운 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)를 이용해 일반 세굴 및 국부 세굴 매개변수를 단계적으로 보정.
파장강 유역에 가장 적합한 교각 세굴 공식을 평가 및 선정.
검증된 모델을 사용하여 향후 10년간의 장기 하상 변동을 예측하고 세굴 위험이 있는 교량을 식별.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실제 하천 유역을 대상으로 한 수치 시뮬레이션 기반의 사례 연구입니다. NETSTARS V3.0 모델을 개선하고, 2005년부터 2010년까지의 실제 수리 및 지형 데이터를 사용하여 모델을 보정 및 검증했습니다.
Fig.3 Location elevation of hydrological station in this study area (WRA geographic information storage center)
Data Collection and Analysis Methods:
데이터 수집: 파장강 유역의 134개 단면 측량 자료, 하상토 입경 분포, 상·하류 경계 조건(유량 및 수위 시계열 데이터), 19개 교량 및 기타 구조물(보, 댐)의 제원 등 광범위한 현장 데이터를 수집했습니다.
분석 방법: 2단계 보정 절차를 통해 모델의 매개변수를 최적화했습니다. 1단계에서는 일반 세굴을, 2단계에서는 국부 세굴을 보정했습니다. 각 단계에서 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)를 최소화하는 매개변수 조합을 찾는 방식으로 분석을 수행했습니다.
Research Topics and Scope:
연구 주제: NETSTARS 모델의 교각 세굴 기능 추가 및 검증.
공간적 범위: 대만 파장강 유역 48.4km 구간 (후생교 ~ 촉구교).
시간적 범위: 모델 보정은 2006년~2010년 데이터를 사용했으며, 장기 예측은 향후 10년을 대상으로 했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
하상 변동 보정 시, RMSE, 진폭 오차, 경향성 오차를 모두 고려한 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)가 RMSE만 사용하는 것보다 우수한 결과를 보였습니다.
파장강 유역의 일반 세굴 시뮬레이션을 위한 최적 매개변수는 유입 유사량 비율(ratep)=0.001, 유사 이송 공식=Ackers & White(ised=2), 세굴 가능 깊이 매개변수(alt)=1.0, 유관 개수=3으로 결정되었습니다.
18개의 교각 국부 세굴 공식 중 Jain & Fischer(1980) 공식이 가장 높은 정확도를 보였으며, 이는 대만 교통부의 권장 공식들과도 일치하는 경향을 보였습니다.
향후 10년 장기 예측 결과, 과수교, 영흠1호교, 오봉교, 오호료교, 촉구교 등 5개 교량에서 뚜렷한 세굴 경향이 나타나 잠재적 위험이 있는 것으로 분석되었습니다.
Figure List:
Fig.1 Schematic for general erosion, beam contraction scouring, and local scour
Fig.2 Schematic for cylindrical water flow conditions around the pier
Fig.3 Location elevation of hydrological station in this study area (WRA geographic information storage center)
Fig.4 Sediment transport model construction and execution flow chart
Fig.5 Local scour mechanisms near the pier
Fig.6 Comparison of water stage values at Junhui station from 2008/09 to 2010/09
Fig.7 Comparison of discharges at Housheng bridge from 2008/09 to 2010/09
Fig.8 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different amount of upstream incoming sands)
Fig.9 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different sediment formulas)
Fig.10 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different Alt parameter)
Fig.11 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different stream tube number)
Fig.12 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different duration time for bridge scour formula)
Fig.13 Simulated scour-deposition changes of the riverbed (different bridge scour formula)
Fig.14 Comparison of error evaluation parameter and RMSE methods
Fig.15 Cross-section (No.65) changes of the south-north direction’s railway bridge
Fig.16 Cross-section (No.79-1) changes of Yungchin No1.bridge
Fig.17 Riverbed elevation changes from Housheng Bridge to Chungyi Bridge in the decade(erosion and deposition trends)
Fig.18 Riverbed elevation changes from Jenyi Bridge to Chukou Bridge in the decade(erosion and deposition trends)
7. Conclusion:
본 연구는 NETSTARS V3.0 모델에 18개의 교각 세굴 공식을 성공적으로 통합하고, 실제 하천 데이터를 통해 그 유효성을 검증했습니다. 오차 평가 매개변수(Ev_sediment)를 이용한 체계적인 보정 절차는 기존 방식보다 월등한 결과를 보였으며, 이를 통해 파장강 유역에 가장 적합한 매개변수와 세굴 공식을 도출했습니다. 향후 10년 장기 예측을 통해 5개 교량의 잠재적 세굴 위험을 식별하였으며, 이 결과는 교량 관리 기관이 선제적인 유지보수 계획을 수립하는 데 중요한 참고 자료로 활용될 수 있습니다.
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Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 일반적인 RMSE 대신 Ev_sediment라는 복합적인 오차 평가 매개변수를 사용한 이유는 무엇인가요?
A1: RMSE는 시뮬레이션 값과 실제 값의 차이의 크기만을 측정하기 때문에, 하상고가 계속 변동하는 하천의 경우 오차는 작지만 실제 변동 경향을 전혀 따라가지 못하는 결과를 최적해로 오인할 수 있습니다. Ev_sediment는 RMSE에 더해 변동의 진폭과 경향성 일치율까지 종합적으로 평가하므로, 물리적으로 훨씬 더 타당하고 신뢰성 있는 보정 결과를 제공합니다.
Q2: 연구에서 18개의 다른 세굴 공식을 추가했습니다. 이렇게 많은 옵션이 필요한 이유는 무엇이며, 최적의 공식(Jain & Fischer)은 어떻게 결정되었나요?
A2: 교각 세굴은 매우 복잡한 현상으로, 각각의 공식들은 서로 다른 실험 조건과 가정 하에 개발되었습니다. 따라서 특정 하천에 어떤 공식이 가장 적합할지는 미리 알기 어렵습니다. 이 모델의 강점은 이러한 다양한 공식들을 실제 하천 데이터와 비교 테스트할 수 있다는 점입니다. 최적의 공식은 국부 세굴 보정 단계에서 18개 공식을 각각 적용했을 때 Ev_sediment 값이 가장 낮게 나오는 공식을 선택하는 방식으로 결정되었습니다. (표 3 참조)
Q3: 국부 세굴 시뮬레이션에서 “시간 지연 매개변수(idurds)”는 어떤 중요한 역할을 하나요?
A3: 이 매개변수는 계산된 세굴 깊이가 한 번의 계산 스텝에서 비현실적으로 즉시 발생하는 것을 방지하는 역할을 합니다. 계산된 총 세굴량을 지정된 시간(idurds) 동안 점진적으로 분배함으로써, 수치 모델의 안정성을 높이고 실제 물리 현상에 더 가까운 점진적인 세굴 과정을 모사할 수 있게 합니다. 본 연구에서는 1500시간이 최적의 값으로 결정되었습니다.
Q4: 장기 시뮬레이션은 여러 교량에서 세굴을 예측했습니다. 이 결과는 어떻게 검증되었나요?
A4: 논문에 따르면, 시뮬레이션 완료 후인 2013년 2월에 현장 조사를 실시했습니다. 그 결과, 모델이 세굴 위험을 예측했던 과수교 인근과 인의담(Renyitan Weir) 하류에서 실제로 심각한 침식 현상이 관찰되었습니다. 이러한 현장 검증은 모델의 장기 예측 능력에 대한 신뢰도를 크게 높여주었습니다.
Q5: 이 개선된 NETSTARS 모델을 다른 하천에도 적용할 수 있나요?
A5: 네, 가능합니다. 본 연구에서 도출된 최적의 세굴 공식이나 매개변수 값들은 파장강의 특성에 맞춰진 것이지만, 모델을 보정하고 검증하는 방법론 자체는 보편적입니다. 따라서 다른 하천 시스템에도 필요한 지형, 수리, 유사량 데이터만 확보된다면 동일한 방법론을 적용하여 해당 하천에 맞는 정밀한 교각 세굴 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
교량의 안전을 위협하는 교각 세굴 문제에 대응하기 위해, 본 연구는 NETSTARS 모델에 다수의 세굴 공식을 통합하고 체계적인 검증을 통해 신뢰성 있는 교각 세굴 시뮬레이션 도구를 개발했습니다. 특히, 진폭과 경향성까지 고려한 독자적인 오차 평가 기법을 통해 예측의 정확도를 획기적으로 개선한 것이 핵심적인 성과입니다. 이 연구 결과는 위험 교량을 사전에 식별하고 선제적인 유지보수 전략을 수립하는 데 결정적인 데이터를 제공함으로써, 사회 기반 시설의 안전성을 높이는 데 크게 기여할 것입니다.
(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.
연락처 : 02-2026-0442
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This content is a summary and analysis based on the paper “NETSTARS Improvement with Pier Scouring – A Case Study of Pa-Chang River” by “Hsiao-Wen, Wang et al.”.
이 기술 요약은 Sebastian Tejada가 2014년 University of Windsor에 제출한 석사 학위 논문 “Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가들이 분석하고 요약했습니다.
키워드
Primary Keyword: 교각 세굴
Secondary Keywords: CFD, 수리학, 하천 공학, 차폐율, 상대 조도, 유체 역학, 교량 기초 설계
Executive Summary
과제: 교각 주변의 세굴 깊이를 과도하게 예측하면 교량 기초 설계가 지나치게 보수적이 되어 건설 비용이 상승하는 문제가 있습니다.
방법: 4가지 다른 모래 재료를 사용하여 수로 폭 대비 교각 직경의 비율(차폐율)과 모래 입자 대비 교각 직경의 비율(상대 조도)을 체계적으로 변화시키며 실험실 수조 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 교각 세굴 깊이는 단순히 상대 조도(D/d50)만으로 결정되지 않으며, 수심 대 교각 직경비(흐름 천이도, H/D)와 결합될 때 훨씬 더 정확하게 예측될 수 있음을 발견하고, 이를 통합한 새로운 경험식을 제안했습니다.
결론: 흐름 천이도와 상대 조도의 상호작용을 고려한 CFD 해석은 교각 세굴 깊이 예측의 정확도를 높여 더 경제적이고 안정적인 교량 기초 설계에 기여할 수 있습니다.
과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량의 안전성은 기초를 지지하는 교각의 안정성에 크게 좌우됩니다. 강물에 의해 교각 주변의 하상 토사가 침식되는 ‘교각 세굴’ 현상은 교량 붕괴의 주요 원인으로 꼽힙니다. 이 때문에 엔지니어들은 세굴 깊이를 예측하여 교량 기초를 설계하지만, 기존의 예측 공식들은 종종 세굴 깊이를 과대평가하는 경향이 있습니다.
이러한 과대평가는 불필요하게 보수적인 기초 설계로 이어져 건설 비용을 상승시키고, 때로는 프로젝트의 경제성을 저해하는 요인이 됩니다. 따라서 세굴 현상에 영향을 미치는 다양한 변수들을 더 정확하게 이해하고, 예측 모델의 정밀도를 높이는 것은 교량 설계의 경제성과 안전성을 동시에 확보하기 위한 중요한 과제입니다. 본 연구는 기존 공식에서 충분히 고려되지 않았던 ‘차폐율’과 ‘상대 조도’라는 두 가지 매개변수가 세굴 깊이에 미치는 영향을 규명하고자 시작되었습니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 University of Windsor의 재순환 개방 채널 수조(길이 12m, 폭 1.22m, 깊이 0.91m)에서 수행되었습니다. 연구진은 실험 목적에 맞게 수조를 수정하여 모래층을 담을 수 있는 목재 상자를 설치하고, 흐름을 안정시키기 위한 장치를 추가했습니다.
실험에는 4가지 다른 입도(Fine, Medium-Fine, Medium-Coarse, Coarse)를 가진 비점착성 모래가 사용되었으며, 각 모래의 중앙 입경(d50)과 입도 분포는 ASTM C-136 체분석을 통해 정밀하게 측정되었습니다.
연구는 2단계로 진행되었습니다. – 1단계(Phase 1): 상대 조도(D/d50)의 영향을 분리하여 분석하기 위해 차폐율(D/B=5%), 흐름 천이도(H/D=3.3), 종횡비(B/H=6)를 일정하게 유지하며 실험했습니다. – 2단계(Phase 2): 차폐율과 상대 조도를 4가지 다른 조건(Series 1~4)으로 설정하고, 각 조건에서 4가지 다른 모래를 사용하여 총 15회의 실험을 수행했습니다. 모든 2단계 실험에서 수심(H)은 120mm로 일정하게 유지되었습니다.
각 실험은 48시간 동안 연속적으로 진행하여 세굴이 평형 상태에 도달하도록 했으며, 유속은 음향 도플러 유속계(ADV)로, 최종 세굴 지형은 레이저 디지털 포인트 게이지를 사용하여 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
결과 1: 세굴 깊이는 모래 입경과 교각 직경의 복합적인 함수
실험 결과, 동일한 차폐율과 상대 조도 조건에서도 모래의 종류에 따라 세굴 구멍의 형상과 깊이가 크게 달라지는 것을 확인했습니다. 특히 고운 모래(Fine, Medium-Fine)와 거친 모래(Medium-Coarse, Coarse) 사이에서 뚜렷한 거동 차이가 나타났습니다.
예를 들어, Series 1(D/B=5%, D/d50=25) 실험에서 고운 모래(Fine sand)의 정규화된 세굴 깊이(dse/D)는 2.04에 달했지만, 거친 모래(Coarse sand)에서는 0.69에 불과했습니다 (Table 4 참조). 이는 상대 조도(D/d50) 값이 같더라도, 절대적인 모래 입경과 교각 직경이 세굴 과정에 중요한 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 즉, 세굴 깊이는 단순히 두 변수의 비율만으로 설명될 수 없으며, 흐름 천이도(H/D)와 같은 다른 기하학적 매개변수와의 상호작용을 통해 결정됩니다.
결과 2: 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 결합한 새로운 예측 모델 제안
연구진은 모든 실험 데이터를 종합 분석한 결과, 정규화된 세굴 깊이(dse/D)가 흐름 천이도(H/D)와 강한 상관관계를 보이며, H/D가 증가할수록 dse/D도 증가하는 경향을 발견했습니다(Figure 25). 하지만 이 관계만으로는 데이터의 분산을 완전히 설명할 수 없었습니다.
가장 중요한 발견은 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 결합한 새로운 매개변수를 도입했을 때, 다양한 실험 조건의 데이터가 하나의 경향선으로 수렴된다는 점입니다(Figure 27). 이를 바탕으로 연구진은 다음과 같은 새로운 경험식을 제안했습니다.
이 식은 기존 모델보다 넓은 범위의 실험 조건에서 세굴 깊이를 더 일관되게 예측할 수 있는 가능성을 제시하며, 이는 교각 세굴 예측의 정확도를 한 단계 높일 수 있는 중요한 성과입니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
토목/수리 엔지니어: 본 연구에서 제안된 새로운 경험식(Eq. 10)은 교각의 최대 세굴 깊이를 예측하는 데 더 정교한 도구를 제공합니다. 이를 통해 기존의 과도하게 보수적인 설계를 피하고, 더 경제적이면서도 안전한 교량 기초 설계가 가능해질 수 있습니다.
교량 설계 컨설턴트: 상대 조도(D/d50)가 100 미만인 조건에서는 차폐율(D/B)이 세굴 깊이에 미치는 영향이 미미하다는 결론은, 특정 조건 하에서 초기 설계 변수를 단순화하고 해석의 효율성을 높이는 데 도움이 될 수 있습니다.
지반 공학팀: 고운 모래와 거친 모래 사이의 세굴 거동 차이가 명확하게 나타난 것은, 교량 건설 부지의 정확한 하상 토사 분석이 기초 안정성 평가에 얼마나 중요한지를 다시 한번 강조합니다. 현장 조사를 통해 얻은 정확한 입도 분포 데이터는 CFD 시뮬레이션의 신뢰도를 높이는 핵심 요소입니다.
논문 정보
Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour
1. 개요:
제목: Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour (차폐율과 상대 조도가 청수 조건 교각 세굴에 미치는 영향)
본 연구는 차폐율(blockage ratio)과 상대 조도(relative coarseness)가 교각 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석하기 위해 실험실에서 청수(clear water) 조건의 교각 세굴 실험을 수행했다. 4가지 다른 모래 하상 재료에 대해 차폐율과 상대 조도를 일정하게 유지하고, 모든 실험에서 수심을 일정하게 유지했다. 흐름 천이도(flow shallowness)는 거친 두 퇴적물에서는 좁은 교각 범위의 값을, 고운 두 퇴적물에서는 매우 좁은 교각 범위의 값을 가졌다. 차폐율과 상대 조도는 세굴의 지배적인 요인이 아닌 기여 요인이 되도록 범위 내에서 유지하며 4배씩 증가시켰다. 세굴에 영향을 미치는 매개변수들을 평가하고 평형 세굴 깊이와 비교했다. 상대 조도와 흐름 천이도, 그리고 평형 세굴 깊이 간의 관계를 발견했다.
3. 서론:
교각 세굴은 특히 계절적 홍수가 발생하는 지역에서 교량 붕괴 및 손상의 주요 원인이 되어 왔으며, 오랫동안 엔지니어들의 주요 관심사였다. HEC-18 방정식과 같은 기존의 세굴 깊이 예측 공식들은 널리 사용되고 있지만, 종종 결과를 과대평가하여 지나치게 보수적인 기초 설계와 건설 비용 상승을 유발한다. 본 연구는 기존 공식에 포함되지 않은 매개변수(차폐율, 상대 조도)가 세굴 과정에 어떻게 기여하는지 실험을 통해 규명하고, 예측 방법의 정확도를 개선하는 것을 목표로 한다.
4. 연구 요약:
연구 주제 배경:
교각 세굴은 하천 흐름이 교각이라는 장애물과 상호작용하며 발생하는 국부적인 하상 저하 현상이다. 이로 인해 교량 기초가 노출되어 구조적 안정성을 위협할 수 있다.
기존 연구 현황:
많은 연구자들이 세굴 현상을 연구해왔으며, HEC-18, Sheppard-Melville 방법 등 다양한 예측 공식이 개발되었다. 그러나 이러한 공식들은 현장 특이성이 강하고, 특정 매개변수(예: 차폐율, 상대 조도)의 영향을 충분히 반영하지 못하여 예측에 한계가 있었다. 특히 Lee와 Sturm(2009)은 여러 연구 데이터를 종합하여 상대 조도(D/d50)가 세굴 깊이에 미치는 경향을 제시했으나, 다른 변수와의 상호작용은 여전히 불분명했다.
연구 목적:
본 연구의 목적은 다음과 같다. 1. 4가지 다른 비점착성 재료에 대해, 각 실험 시리즈별로 차폐율과 상대 조도를 일정하게 유지하며 청수 세굴 실험을 수행한다. 2. 동일한 매개변수 조건 하에서 4가지 모래에 대해 생성된 세굴 구멍의 크기, 모양, 깊이를 비교 분석하여 유사점을 찾는다. 3. 기존 예측 공식을 개선하거나 보완적인 매개변수를 도입하여 세굴 깊이 예측의 정확도를 높이고 세굴 과정을 더 잘 이해하는 데 기여한다.
핵심 연구:
차폐율(D/B)과 상대 조도(D/d50)가 세굴 깊이에 미치는 영향을 체계적으로 분석하는 것이 핵심이다. 특히, 이 두 변수를 일정하게 유지한 상태에서 모래 입경을 변화시키고, 이로 인해 변하는 흐름 천이도(H/D)와의 상호작용을 규명하고자 했다. 최종적으로는 이들 변수를 통합하여 세굴 깊이를 더 정확하게 설명할 수 있는 관계식을 도출하는 데 중점을 두었다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
본 연구는 실험실 수조 실험을 통해 진행되었다. 연구는 두 단계(Phase 1, Phase 2)로 설계되었다. – Phase 1: 상대 조도의 영향을 독립적으로 평가하기 위해 다른 변수(차폐율, 흐름 천이도 등)를 고정했다. – Phase 2: 차폐율과 상대 조도를 4가지 다른 수준(Series 1~4)으로 설정하고, 각 수준에서 4가지 다른 모래를 사용하여 실험을 수행했다. 이를 통해 변수들 간의 상호작용을 체계적으로 분석했다.
Figure 5. Schematic of flume and cross section (D’Alessandro 2013)
데이터 수집 및 분석 방법:
데이터 수집: 유속은 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 측정했다. 각 실험은 평형 상태에 도달하도록 48시간 동안 진행되었으며, 실험 종료 후 수조의 물을 조심스럽게 배수하고 레이저 디지털 포인트 게이지와 2축 전동 트래버스 시스템을 이용해 세굴 구멍의 3차원 지형 데이터를 정밀하게 수집했다.
데이터 분석: 수집된 지형 데이터를 이용하여 세굴 구멍의 중심선 프로파일과 평면도를 작성했다. 교각 직경(D)으로 정규화된 무차원 변수(x/D, y/D, z/D)를 사용하여 결과를 비교 분석했다. 다양한 매개변수(D/d50, H/D 등)와 정규화된 평형 세굴 깊이(dse/D) 간의 관계를 그래프로 분석하여 경향성을 파악하고 새로운 경험식을 도출했다.
연구 주제 및 범위:
연구 주제: 차폐율과 상대 조도가 청수 조건 교각 세굴에 미치는 영향.
연구 범위:
비점착성 모래(중앙 입경 0.50mm ~ 2.41mm) 4종.
청수 조건(Clear-water scour, U/Uc < 1.0).
원형 교각.
차폐율(D/B): 5% ~ 15%.
상대 조도(D/d50): 25.4 ~ 76.3.
흐름 천이도(H/D): 0.7 ~ 9.3.
6. 주요 결과:
주요 결과:
상대 조도(D/d50)가 작은 값(<100)을 가질 때, 흐름 천이도(H/D)가 낮으면(<6) 모래의 중앙 입경이 세굴 깊이에 매우 중요한 영향을 미친다.
동일한 흐름 조건에서 교각 직경의 영향이 퇴적물 입자 크기보다 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미친다.
상대 조도(D/d50)가 동일하더라도 흐름 천이도(H/D)가 변하면 세굴 깊이(dse/D)가 달라지므로, 상대 조도만으로는 세굴 거동을 완전히 설명할 수 없다.
상대 조도(D/d50)가 낮은 값(<100)을 가질 때, 차폐율은 국부 세굴 깊이에 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 결합한 매개변수는 다양한 실험 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화를 더 잘 설명할 수 있다.
Figure 8. Phase 1 – Plan View
그림 목록:
Figure 1. Scour process (hodi 2009)
Figure 2. Local scour variation with flow velocity (melville & coleman 2000)
Figure 3. Influence of sediment size d/d50 on local scour (lee and sturm 2009)
Figure 4. Influence of flow shallowness on local scour, previous studies
Figure 5. Schematic of flume and cross section (d’alessandro 2013)
Figure 6. V-notch weir pump calibration curve
Figure 7. Astm granulometric analysis
Figure 8. Phase 1 – plan view
Figure 9. Phase 1 – centreline scour profile
Figure 10. Influence of relative coarseness on local scour (phase 1)
Figure 11. Series 1 profile photos
Figure 12. Series 1 centreline profile graph
Figure 13. Series 1 plan view graph
Figure 14. Series 2 profile photos
Figure 15. Series 2 centreline profile graph
Figure 16. Series 2 plan view graph
Figure 17. Series 3 profile photos
Figure 18. Series 3 centreline profile graph
Figure 19. Series 3 plan view graph
Figure 20. Series 4 profile photos
Figure 21. Series 4 centreline profile graph
Figure 22. Series 4 plan view graph
Figure 23. Influence of pier diameter on local scour – phase 2
Figure 24. Influence of relative coarseness on local scour – phase 2
Figure 25. Influence of flow shallowness on local scour – phase 2
Figure 26. Influence of flow shallowness on local scour – multiple studies
Figure 27. Influence of (h/d)*(d/d50) on local scour
7. 결론:
본 연구는 상대 조도와 차폐율이 청수 조건 교각 세굴에 미치는 영향을 두 단계의 실험을 통해 조사했다. – 상대 조도(D/d50)가 100 미만이고 흐름 천이도(H/D)가 6 미만일 때, 모래 입경은 세굴 깊이에 상당한 영향을 미친다. – 입자 크기, 수심, 교각 직경은 세굴 형상과 깊이에 영향을 주며, 그 효과는 고운 모래에서 더 두드러진다. – 유사한 흐름 조건에서는 퇴적물 입자 크기보다 교각 직경이 세굴 깊이에 더 큰 영향을 미친다. – 흐름 천이도(H/D)가 변할 경우, 상대 조도(D/d50)만으로는 세굴 거동을 완전히 설명할 수 없다. – 낮은 상대 조도(D/d50 < 100)에서는 차폐율이 국부 세굴 깊이에 미치는 영향이 미미했다. – 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)의 조합은 다양한 실험 조건에서 최대 세굴 깊이의 변화를 더 잘 설명하는 것으로 나타났다.
8. 참고 문헌:
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 2단계 실험에서 모든 실험의 수심을 120mm로 일정하게 유지한 특별한 이유가 있나요?
A1: 논문의 3.3절에 따르면, 이는 실험 장비인 펌프의 성능 제약 때문이었습니다. 일부 실험 조건에서는 요구되는 유속을 맞추기 위해 펌프의 한계를 초과하는 수심이 필요했습니다. 따라서 모든 변수를 통제하기 위해 모든 2단계 실험에서 수심(H)을 120mm로 고정하기로 결정했습니다. 이로 인해 각 실험의 흐름 천이도(H/D)와 종횡비(B/H)는 달라지게 되었고, 연구진은 이러한 변화가 세굴 과정에 미치는 영향을 분석할 수 있었습니다.
Q2: 상대 조도(D/d50)가 100 미만일 때 차폐율의 영향이 미미하다고 결론 내렸는데, 이는 어떻게 확인되었나요?
A2: 이 결론은 2단계 실험 결과의 종합적인 분석을 통해 도출되었습니다. Figure 25를 보면, 차폐율(D/B)과 상대 조도(D/d50)가 다른 여러 데이터 포인트들이 유사한 흐름 천이도(H/D) 값 근처에 흩어져 있지만, 전반적으로는 H/D와 세굴 깊이(dse/D) 사이의 뚜렷한 경향성을 따릅니다. 이는 1 < H/D < 6 범위 내에서 차폐율이나 상대 조도의 변화보다는 흐름 천이도의 변화가 세굴 깊이에 더 지배적인 영향을 미친다는 것을 시사합니다.
Q3: 본 연구에서 제안한 새로운 예측식(Eq. 10)의 가장 큰 의의는 무엇인가요?
A3: 가장 큰 의의는 기존에 개별적으로 고려되던 두 가지 중요한 무차원 변수인 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)를 하나의 통합된 매개변수로 결합했다는 점입니다. Figure 27에서 볼 수 있듯이, 이 새로운 매개변수를 사용했을 때 다양한 실험 조건에서 얻어진 데이터들이 하나의 명확한 경향선으로 수렴했습니다. 이는 이 식이 더 넓은 범위의 조건에 대해 교각 세굴 깊이를 일관성 있게 예측할 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 의미하며, 예측 모델의 일반성과 정확성을 높이는 중요한 진전입니다.
Q4: 이 연구는 서론에서 언급된 ‘예측의 과대평가’ 문제를 어떻게 해결하는 데 기여할 수 있나요?
A4: 본 연구는 세굴 깊이가 단일 변수가 아닌 여러 변수들의 복합적인 상호작용에 의해 결정된다는 것을 보여줍니다. 특히 흐름 천이도와 상대 조도의 결합 효과를 정량화한 새로운 공식을 제안함으로써, 기존 공식보다 더 세밀하고 정확한 예측을 가능하게 합니다. 이러한 정밀도 향상은 불필요하게 보수적인 안전율을 줄여, 결과적으로 더 경제적이고 합리적인 교량 기초 설계로 이어져 ‘과대평가’ 문제를 완화하는 데 기여할 수 있습니다.
Q5: 연구가 ‘청수 조건(clear-water)’에서 수행되었는데, 하상 재료가 활발히 이동하는 ‘이동상 조건(live-bed)’에서는 결과가 어떻게 달라질 수 있을까요?
A5: 논문의 2.2.5절에서는 이동상 세굴을 유속이 임계 유속보다 높아 하상 입자가 지속적으로 이동하는 조건으로 정의합니다. 본 연구에서 다루지는 않았지만, 이동상 조건에서는 세굴 구멍으로 유입되는 토사량과 유출되는 토사량이 평형을 이루는 메커니즘으로 세굴 깊이가 결정됩니다. 따라서 청수 조건에서와 같이 세굴이 점근적으로 최대 깊이에 도달하는 것과는 다른 양상을 보일 것이며, 본 연구의 결과를 직접 적용하기보다는 이동상 조건의 특성을 추가로 고려한 분석이 필요할 것입니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
교량 설계에서 교각 세굴 깊이를 과도하게 예측하는 문제는 비용 상승과 직결되는 오랜 난제였습니다. 본 연구는 흐름 천이도(H/D)와 상대 조도(D/d50)의 상호작용을 규명하고 이를 통합한 새로운 예측 모델을 제시함으로써, 이 문제에 대한 중요한 해결책을 제시합니다. 이 연구 결과는 CFD 시뮬레이션에 적용되어 더 정확하고 신뢰성 높은 세굴 예측을 가능하게 하며, 궁극적으로 더 안전하고 경제적인 사회 기반 시설 구축에 기여할 것입니다.
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이 콘텐츠는 Sebastian Tejada의 논문 “Effects of blockage and relative coarseness on clear water bridge pier scour”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 K.N.C. Karunarathna, L. Hart, T. McGrath가 2014년 5th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 논문 “[Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway]”를 기반으로 합니다. STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 복잡한 유동 기하학으로 인해 McKinlay 강 2번 교량의 교각 주변에서 심각한 세굴이 발생하여 구조적 안정성을 위협했습니다.
The Method: 복잡한 유동 패턴을 분석하고 세굴 방지 대책을 평가하기 위해 상세한 2차원(2D) 유체 역학 SOBEK 모델을 개발했습니다.
The Key Breakthrough: 2D 모델은 교각 주변의 고속 유동 구역을 정확하게 매핑했으며, 이를 통해 4가지 완화 옵션을 평가한 결과 암석 보호 공법이 가장 효과적인 해결책임을 입증했습니다.
The Bottom Line: 상세한 2D 유체 역학 모델링은 전통적인 1D 접근 방식보다 우수하며, 복잡한 교량 구조물의 효과적이고 최적화된 세굴 방지 설계를 위한 중요하고 실행 가능한 데이터를 제공합니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
앨리스 스프링스-다윈 철도 프로젝트의 일부로 건설된 McKinlay 강 2번 교량은 2006년부터 2008년까지의 홍수 기간 동안 교각 주변에서 심각한 세굴 현상을 겪었습니다. 현장은 강이 상당한 각도를 이루며 교량에 접근하고, 신규 구조물 바로 상류에 위치한 기존 철도 교량의 잔해가 유동을 복잡하게 만드는 특수한 기하학적 구조를 가지고 있었습니다. 유동이 주하천, 철도 제방의 남북 양측 등 세 방향에서 접근하면서 심각한 난류가 관찰되었고, 임시 보수 작업은 효과가 없었습니다. 이러한 상황은 교량의 장기적인 안정성에 대한 심각한 우려를 낳았으며, 정밀한 분석과 효과적인 해결책 설계가 시급한 과제였습니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 다단계 모델링 접근법을 채택했습니다.
수문 모델링 (Hydrology): 먼저, 교량까지의 352 km² 집수 지역에 대해 XP-RAFTS 모델을 개발하여 유량을 산정했습니다. 이 모델은 4개의 실제 홍수 사상(2002, 2006, 2007, 2008년)에 대해 보정되었으며, 53년간의 유량 데이터를 기반으로 한 홍수 빈도 분석을 통해 신뢰도를 높였습니다.
2D 유체 역학 모델링 (Hydrodynamic Modelling): Delft 사의 SOBEK 소프트웨어를 사용하여 상세한 2D 유체 역학 모델을 구축했습니다. 모델링 영역은 교량을 중심으로 상류 및 하류 약 2km를 포함했습니다. 특히, 교량 주변의 상세한 유동을 분석하기 위해 중첩 격자(nested grid) 기법을 사용했습니다. 교량 부근에는 2m의 조밀한 격자를, 그 외 지역에는 6m 격자를 적용했습니다.
구조물 모델링: 복잡한 유동을 정확히 모사하기 위해, 교각과 같은 수직 장애물로 인한 저항을 고려하는 SOBEK의 벽 마찰(wall friction) 항을 활용하여 교각을 2D 도메인에 직접 삽입했습니다. 이는 기존의 1D 교량 요소 모델링 방식이 복잡한 현장 조건에서 유속을 왜곡하는 문제를 해결하기 위함이었습니다. 모델은 2007년과 2008년의 실제 홍수 데이터를 사용하여 보정되었습니다.
Figure 2 – McKinlay River – New (Concrete) and Old Bridges
The Breakthrough: Key Findings & Data
상세한 2D 모델링을 통해 연구팀은 세굴 문제의 핵심 원인을 파악하고, 데이터에 기반한 최적의 해결책을 도출할 수 있었습니다.
Finding 1: 고위험 세굴 구역의 정밀한 시각화
100년 빈도 홍수(1% AEP)에 대한 기본 모델 시뮬레이션 결과, 교각 주변과 교각 사이에서 발생하는 고속 유동 구역이 명확하게 나타났습니다(Figure 6). 이 상세한 유속 분포 지도는 세굴 위험이 가장 큰 위치를 정확히 식별하게 해주었으며, 이는 표적화된 보호 공법을 설계하는 데 결정적인 정보를 제공했습니다. 2D 모델링은 유동 패턴에 대한 높은 신뢰도를 부여하여 설계의 정확성을 높였습니다.
Finding 2: 대안적 구조 변경의 비효율성 입증
연구팀은 세굴을 줄이기 위한 4가지 대안을 모델링하여 비교 분석했습니다. 1. 좌측 제방 제거: 유속 변화가 거의 없었습니다. 2. 구 교량 및 교대 제거: 구 교량 위치 주변에서는 유속이 다소 감소했으나, 신규 교량에 도달할 때쯤에는 그 효과가 미미했습니다. 3. 고수위 암거 설치: 교량에서의 유속을 약 10-20% 감소시켰으나, 추가적인 구조물 건설 비용과 철도 운행 중단 가능성으로 인해 비경제적인 것으로 판단되었습니다. 4. 유도벽(Training walls) 설치: 오히려 특정 지역의 유속을 크게 증가시켜 세굴 문제를 악화시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
이러한 비교 분석(Figures 7-10)은 대규모 구조 변경이 비용 대비 효과가 없음을 명확히 보여주었고, 기존 구조를 유지하면서 직접적인 세굴 방지 공법을 적용하는 것이 가장 합리적인 해결책임을 데이터로 입증했습니다.
Practical Implications for R&D and Operations
본 연구 결과는 교량 및 수리 구조물 설계, 유지보수와 관련된 다양한 분야의 전문가들에게 중요한 시사점을 제공합니다.
For Hydraulic Engineers: 복잡한 기하학적 구조를 가진 현장에서는 전통적인 1D 모델보다 2D 유체 역학 모델이 세굴 방지 설계에 훨씬 더 가치 있는 정보를 제공함을 보여줍니다. 고속 유동 구역을 정밀하게 식별하여 보호 공법의 범위와 규모를 최적화할 수 있습니다.
For Structural Integrity Teams: 모델을 통해 예측된 고속 유동 영역은 암석 개비온/매트리스와 같은 보호 공법을 가장 필요한 곳에 집중적으로 적용할 수 있게 하여 구조물의 장기적인 안정성을 보장합니다. 실제로 본 연구를 통해 설계된 보호 공법은 이후 여러 차례의 홍수에도 성공적으로 기능을 수행했습니다.
For Project Managers: 모델링을 통한 옵션 분석은 구 교량 철거나 암거 신설과 같은 비효율적인 대규모 구조 변경을 피하게 함으로써 상당한 비용을 절감할 수 있게 합니다. 상세한 유속 데이터에 기반하여 가장 경제적이고 효과적인 해결책을 선택할 수 있도록 지원합니다.
Paper Details
Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway
1. Overview:
Title: Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway
Author: K.N.C. Karunarathna, L. Hart, and T. McGrath
Year of publication: 2014
Journal/academic society of publication: 5th International Symposium on Hydraulic Structures
앨리스 스프링스-다윈 철도 프로젝트는 앨리스 스프링스와 다윈 사이에 1420km의 새로운 표준궤 선로를 건설하는 사업으로, McKinlay 강 2번 교량이 포함되었습니다. 2006, 2007, 2008년 홍수 기간 동안 McKinlay 강 2번 교량 교각 주변에서 심각한 세굴이 발생하여 구조물의 지속적인 안정성에 대한 우려가 제기되었습니다. 현장은 강이 상당한 각도로 교차점에 접근하고 신규 구조물 바로 상류에 기존 철도 교량의 잔해가 있는 등 복잡한 기하학적 구조를 가지고 있습니다. 이 복잡한 배치 때문에, 현장의 세굴 방지 공법 설계를 위해 교차점의 상세한 2D 유체 역학 SOBEK 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 세굴 가능성을 줄이기 위한 여러 옵션을 분석하는 데 사용되었으며, 현장 조건에 맞게 세굴 방지 공법을 최적화할 수 있었습니다. 설계된 보호 공법은 2011년에 건설되었으며, 이후 여러 차례의 유동 사상에서 성공적으로 기능을 수행했습니다.
3. Introduction:
앨리스 스프링스-다윈 철도 프로젝트의 일환으로 건설된 McKinlay 강 2번 교량에서 2006년부터 2008년까지의 홍수 기간 동안 심각한 세굴이 관찰되었습니다. 교량 하부까지 수위가 상승하고 교량 근처에서 심한 난류와 와류 효과가 관찰되었으며, 일부 교각에서는 약 3m의 세굴이 확인되었습니다. 현장은 강이 비스듬히 접근하고 상류에 구 교량이 위치하는 등 기하학적으로 복잡합니다. 유동이 세 방향에서 접근하여 상호작용하면서 상당한 난류가 발생했습니다. 이러한 복잡성 때문에, 옵션을 평가하고 세굴 방지 설계를 지원하기 위해 상세한 2D 유체 역학 모델이 개발되었습니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
앨리스 스프링스-다윈 철도에 위치한 McKinlay 강 2번 교량은 반복되는 홍수로 인해 교각 주변에 심각한 세굴이 발생하여 구조적 안정성에 위협을 받았습니다.
Status of previous research:
세굴 발생 후 임시 보수 공사가 시행되었으나 효과가 없었으며, 문제의 근본적인 원인인 복잡한 수리 현상에 대한 이해가 필요했습니다.
Purpose of the study:
상세한 2D 유체 역학 모델을 개발하여 복잡한 유동 패턴을 분석하고, 이를 바탕으로 효과적이고 최적화된 세굴 방지 공법을 설계하는 것을 목표로 했습니다.
Core study:
XP-RAFTS를 이용한 수문 분석과 SOBEK을 이용한 2D 유체 역학 모델링을 수행했습니다. 모델을 실제 홍수 사상에 대해 보정한 후, 현 상태(Base Case)의 유동 특성을 분석하고, 제방 제거, 구 교량 철거, 암거 설치, 유도벽 설치 등 4가지 대안 옵션의 효과를 시뮬레이션을 통해 비교 평가했습니다.
5. Research Methodology
Research Design:
수치 모델링을 이용한 사례 연구로, 실제 현장의 복잡한 수리 문제를 해결하기 위해 상세 모델을 구축하고 검증하는 방식으로 진행되었습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
수문 데이터: Burrundie 인근의 McKinlay 강 수위 관측소(G8180069)에서 53년간 축적된 데이터를 활용하여 홍수 빈도 분석을 수행했습니다.
지형 데이터: 프로젝트를 위해 의뢰된 지상 측량 데이터를 기반으로 2D 모델 격자를 생성했습니다. 측량 데이터에는 교량 주변의 상세 지형과 하천 단면 정보가 포함되었습니다.
모델 보정: 2007년과 2008년에 발생한 실제 홍수 사상 당시의 관측 수위 데이터를 사용하여 모델을 보정했습니다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 McKinlay 강 2번 교량 주변의 국부적인 수리 현상 분석에 초점을 맞췄습니다. 수문학적 분석, 2D 유체 역학 모델 개발 및 보정, 다양한 세굴 방지 대안의 수리학적 효과 평가를 포함했습니다.
6. Key Results:
Key Results:
2D 모델은 교각 주변의 고속 유동 영역을 성공적으로 시각화하여 세굴의 주요 원인을 명확히 규명했습니다.
4가지 대안 옵션(제방 제거, 구 교량 철거, 암거 설치, 유도벽 설치)을 평가한 결과, 직접적인 암석 보호 공법을 적용하는 기본 옵션에 비해 상당한 이점을 제공하는 대안은 없는 것으로 결론 내렸습니다.
특히 유도벽 설치(Option 4)는 유속을 악화시킬 수 있으며, 구 교량 철거(Option 2)는 수리학적 이점이 미미한 것으로 나타났습니다.
암거 설치(Option 3)는 유속 감소 효과는 있었으나 경제성이 부족했습니다.
최종적으로, 모델링 결과를 바탕으로 암석 보호 공법(dumped rock, gabion, reno mattress 등)이 최적의 해결책으로 결정되었습니다.
Figure List:
Figure 1 – The Project Study Area
Figure 2 – McKinlay River – New (Concrete) and Old Bridges
Figure 3 – XP Rafts Model
Figure 4 – Erroneous Flow Velocities at Bridge Structure – using 1-D Bridge Elements
Figure 5 – Flood Level at McKinlay River Bridge (Feb 2007) & IFD Plot for Pine Creek Rainfall
Figure 7 – Option 1 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 8 – Option 2 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 9 – Option 3 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 10 – Option 4 (1% AEP Peak Velocity and Change in Velocity)
Figure 11 – Scour Protection Design and Completed Scour Protection Work
7. Conclusion:
본 논문은 2D 유체 역학 모델이 교량의 국부적인 세굴 방지 설계에 유용한 정보를 제공하기 위해 2D로 완전히 모델링될 수 있음을 보여줍니다. 상세한 2D 모델링에서 얻은 유속 분포 지도는 교각 주변과 사이에서 고속 유동이 발생하는 위치와 그 범위를 명확히 보여주어 이해하기 쉽습니다. 이러한 접근법을 전통적인 1D 접근법과 비교하여 검증하는 것이 강력히 권장되며, 국부적인 난류와 같은 문제를 반영하는 데 있어 2D 모델의 한계를 고려하여 정보를 사용해야 함이 강조됩니다. 모델을 통해 여러 대안 옵션을 평가한 결과, 암석 개비온/매트리스 접근법이 최상의 옵션으로 결론 내려졌습니다. 이 설계는 2011년에 시공되었으며, 이후 여러 차례의 홍수에서도 성공적으로 기능을 수행했습니다.
8. References:
ADrail Design & Construction Joint Venture (AD&C-JV) (2003) Alice Springs – Darwin Railway Project Design Report 225 Hydrology -Katherine Section, 9 Aug 2003
Chow, VT (1959), Open-channel hydraulics; McGraw-Hill, New York, NY
Deltras, (2012) SOBEK Hydrodynamic, Rainfall Runoff and Real Time Control –User Manual, Deltares Rotterdamseweg, Delft June 2012 pp 497
Department of Main Roads (2002), Road Drainage Design Manual, Queensland Department of Main Roads, Brisbane, June 2002
Hargraves G (2005) Rainfall application 1.0 user manual – Estimation of Rare Design.
Department of Natural Resources and Mines (2004) Rainfall events in Queensland, Australia.
KBR (2009) McKinlay River No 2 Bridge – Pier No 3 investigation, November 2009.
KBR (2011) McKinlay River No 2 Bridge – Scour protection work, Feb 2011.
US Army Corps of Engineers (2008), HEC-RAS River System Analysis – Hydraulic Reference Manual, US Army Corps Davis, CA, March 2008, 6:23-27.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: 이 교량 분석에 전통적인 1D HEC-RAS 모델 대신 2D SOBEK 모델을 선택한 주된 이유는 무엇입니까?
A1: 현장의 복잡한 기하학적 구조 때문입니다. 강이 교량에 비스듬히 접근하고, 상류에 위치한 구 교량의 영향으로 유동이 세 방향에서 합류하여 심한 난류를 유발했습니다. 논문의 Figure 4에서 볼 수 있듯이, 1D 교량 요소를 사용했을 때 유속이 심각하게 왜곡되는 현상이 나타났습니다. 교각 저항을 고려할 수 있는 SOBEK의 2D 모델은 이러한 복잡한 유동을 훨씬 더 안정적이고 현실적으로 모사할 수 있었기 때문에 선택되었습니다.
Q2: 논문에서 2007년 홍수 사상에 대한 모델 보정 결과가 좋지 않았다고 언급했는데, 이것이 모델 예측의 신뢰도에 어떤 영향을 미쳤습니까?
A2: 논문은 이 한계를 인정하고 있습니다. 2007년 보정 결과가 좋지 않았던 것은 당시 기록된 강우량이 실제보다 과소평가되었기 때문일 수 있다고 추정했습니다. 하지만 연구의 주요 목적이 세굴 방지를 위한 ‘유속’ 분석이었기 때문에, 관측 수위에 억지로 맞추기 위해 비현실적으로 높은 조도계수를 사용하면 오히려 유속이 비보수적으로(낮게) 계산될 위험이 있었습니다. 따라서 연구팀은 결과적인 유속 분포가 여러 대안을 ‘비교 평가’하는 데 합리적이라고 판단하고 모델을 사용했습니다.
Q3: 교각을 1D 교량 요소 대신 2D 도메인에 직접 모델링한 이유는 무엇입니까?
A3: 이는 현장의 복잡한 유동 특성을 정확하게 반영하기 위함이었습니다. 서론과 3.1절에서 언급했듯이, 강이 비스듬히 흐르고 주변 지형이 복잡하여 1D 요소로는 교각 주변의 국부적인 유동 가속 및 방향 변화를 제대로 표현할 수 없었습니다. 교각을 2D 격자 내 장애물(벽 마찰 항 사용)로 직접 삽입함으로써, 교각 주위를 둘러싸고 흐르는 유동을 더 현실적으로 시뮬레이션하고, 그로 인한 유속 변화를 정밀하게 분석할 수 있었습니다.
Q4: 옵션 2는 문화유산으로 등재된 구 교량을 철거하는 방안이었습니다. 실현 가능성은 낮았지만, 모델상으로 수리학적 이점이 크게 나타났습니까?
A4: 그렇지 않았습니다. 5(ii)절에 따르면, 구 교량을 제거했을 때 그 주변에서는 일부 유속 감소 효과가 나타났지만, 유동이 신규 교량에 도달할 때쯤에는 그 영향이 미미했습니다. 즉, 순수하게 수리학적 관점에서 보더라도 구 교량 철거가 제공하는 이점은 그 비용과 가치를 상쇄할 만큼 크지 않았습니다.
Q5: 결론에서 2D 모델이 국부적인 난류를 반영하는 데 한계가 있다고 언급했습니다. 최종 세굴 방지 설계에서 이 점은 어떻게 보완되었습니까?
A5: 5절에서 이 문제를 다루고 있습니다. 2D 모델링이 전반적인 유속 분포에 대해서는 높은 신뢰도를 제공하지만, 국부적인 와류나 난류와 같은 미세한 특징까지는 포착하지 못할 수 있음을 인지했습니다. 이러한 불확실성을 보완하기 위해, 모델링된 유속을 기반으로 암석 보호공을 설계할 때 ‘안전율(factor of safety)’을 적용할 것을 권장했습니다. 이는 모델의 한계를 고려하여 설계를 더 보수적으로 수행하기 위함입니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
복잡한 유동 조건으로 인한 교량 세굴 문제는 구조물의 안전을 위협하는 심각한 과제입니다. 본 연구는 상세한 2D 유체 역학 모델링이 이러한 문제의 핵심 원인인 유속 분포를 정밀하게 파악하고, 데이터에 기반한 효과적인 해결책을 도출하는 데 얼마나 강력한 도구인지를 명확히 보여주었습니다. 비용이 많이 드는 비효율적인 구조 변경 대신, 정밀한 교량 세굴 해석을 통해 최적화된 암석 보호 공법을 적용함으로써 안전과 경제성을 모두 확보할 수 있었습니다.
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Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “Detailed Two-dimensional Modelling of a Complex Bridge Arrangement – McKinlay River No. 2 Bridge, Alice Springs to Darwin Railway” by “K.N.C. Karunarathna, L. Hart, and T. McGrath”.
이 기술 요약은 Violaine Dugué, Elham Izadinia, Sylvain Rigaud & Anton J. Schleiss가 발표한 “[PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER]” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 교각 주변에 발생하는 하향 흐름과 말굽 와류(horseshoe vortex)는 교각 기초의 안정성을 위협하는 국부 세굴(local scour)을 유발합니다.
연구 방법: 교각 상류에 설치된 칼라(collar)에서 생성된 에어 버블 스크린이 하향 흐름을 상쇄하는 효과를 검증하기 위해 수조에서 물리적 축소 모형 실험을 수행했습니다.
핵심 발견: 최적으로 설계된 버블 스크린, 특히 초기 하상면보다 5cm 아래에 매설된 경우, 보호되지 않은 교각에 비해 최대 세굴 깊이를 최대 39%까지 감소시킬 수 있었습니다.
핵심 결론: 에어 버블 스크린은 국부 세굴을 효과적으로 제어하고 교량 기초의 안전성과 수명을 향상시키는 제어 가능하고 가역적인 혁신적 대책이 될 수 있습니다.
도전 과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유
교량의 안전은 교각 기초의 안정성에 달려 있습니다. 그러나 교각과 강물의 상호작용은 교각 주변에 국부적인 세굴을 유발하여 기초를 약화시키고, 심각한 경우 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다. 이 세굴 현상의 주원인은 교각 전면에서 발생하는 강한 하향 흐름과, 이로 인해 증폭되는 말굽 와류(horseshoe vortex)입니다.
기존에는 사석(riprap)을 이용한 하상 보호나 교각 주변에 넓은 칼라를 설치하는 등 “하드 엔지니어링(hard engineering)” 방식의 대책이 주로 사용되었습니다. 이러한 방법들은 효과적일 수 있으나, 대규모의 영구적인 구조물 설치를 필요로 하며 생태계에 미치는 영향이 크고 비가역적이라는 단점이 있습니다. 따라서 더 유연하고, 제어 가능하며, 친환경적인 새로운 세굴 방지 기술에 대한 필요성이 꾸준히 제기되어 왔습니다. 본 연구는 이러한 산업적 요구에 부응하여 ‘에어 버블 스크린’이라는 새로운 해법의 잠재력을 탐구합니다.
연구 접근법: 방법론 분석
본 연구는 스위스 로잔 연방 공과대학교(EPFL)의 수리 건설 연구소에 있는 길이 29m, 폭 2.5m의 직사각형 수로에서 수행되었습니다. 연구진은 실제와 유사한 흐름 조건을 모사하여 에어 버블 스크린의 효과를 정밀하게 측정했습니다.
실험 장치: 직경 0.162m의 원형 교각 모형을 수로 중앙에 설치했습니다.
하상 재료: 평균 입경 2.1mm의 균일한 모래를 사용하여 실제 하천의 침식 가능한 하상 조건을 재현했습니다.
버블 스크린 생성: 교각 상류 측에 연결된 반원형 칼라에 직경 4mm의 구멍 9개로 이루어진 3개의 열을 배치하고, 압축 공기 시스템을 통해 버블을 생성했습니다.
주요 변수:
유량 및 공기 주입량: 다양한 수리 조건과 버블 강도에 따른 효과를 분석했습니다.
버블 스크린 위치: 교각으로부터의 수평 거리(0.01, 0.02, 0.03m)와 수직 위치(초기 하상면, 하상면 5cm 아래 매설)를 변경하며 최적의 조건을 탐색했습니다.
측정 방법: 각 실험은 평형 상태에 가까운 세굴 지형을 얻기 위해 약 56시간 동안 연속적으로 진행되었으며, 실험 종료 후 Mini Echo Sounder를 사용하여 최종 하상 지형을 정밀하게 측정했습니다.
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
실험 결과, 에어 버블 스크린은 교각 주변의 국부 세굴을 줄이는 데 매우 효과적인 것으로 나타났습니다. 특히 설치 위치와 작동 조건에 따라 그 효과가 극대화되었습니다.
결과 1: 매설된 버블 스크린, 최대 39%의 세굴 깊이 감소 효과
가장 주목할 만한 결과는 버블 스크린을 초기 하상면보다 5cm 아래에 매설했을 때 나타났습니다.
매설된 칼라 + 버블 스크린(Figure 2f): 최대 세굴 깊이가 9.5cm로 측정되어, 참조 실험 대비 39%의 감소율을 보였습니다. 이는 버블이 생성하는 상향 흐름이 교각 전면의 강력한 하향 흐름을 효과적으로 상쇄했음을 의미합니다. 단순히 칼라만 매설한 경우(Figure 2e)와 비교했을 때, 버블 스크린의 역할이 세굴 감소에 결정적이었음을 명확히 보여줍니다.
Figure 1: (left) General view of the channel (from Istiarto, 2001), (right) Photography of the pier with the collar and the bubble screen generation system
Figure 2: (a) 참조 실험, (c) 칼라, (d) 칼라+버블, (e) 매설된 칼라, (f) 매설된 칼라+버블 실험 후의 하상 지형 등고선. (b) 수로 중심선을 따른 하상 경사 변화. 매설된 칼라와 버블 스크린을 함께 사용한 경우(f) 세굴 깊이가 가장 효과적으로 감소했습니다.
결과 2: 최적화된 세굴공 형상 제어
버블 스크린은 세굴의 깊이뿐만 아니라 공간적 범위(spatial extent)를 제어하는 데에도 뛰어난 성능을 보였습니다.
하상면에 칼라를 설치하고 버블 스크린을 가동한 경우(Figure 2d), 세굴 범위가 교각 상류 25cm, 하류 20cm로 크게 줄어들었습니다. 최대 세굴 깊이 감소율은 13%였지만, 세굴의 전체적인 확산을 억제하는 효과가 뛰어났습니다.
이는 영구적인 구조물 설치를 최소화하면서도 세굴을 효과적으로 관리할 수 있는 실용적인 대안이 될 수 있음을 시사합니다.
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 교량 설계, 유지보수 및 환경 관리 분야의 전문가들에게 중요한 통찰을 제공합니다.
토목/수리 엔지니어: 본 연구는 최적의 위치(수평 및 수직)에 설치되고 정밀하게 보정된(공기 주입량) 버블 스크린이 효과적인 비영구적 세굴 방지 대책이 될 수 있음을 보여줍니다. 최대 40%의 세굴 깊이 감소 효과는 교량 기초 설계 및 유지보수 전략 수립에 있어 중요한 데이터가 될 것입니다.
환경 계획가: 논문에 따르면 버블 스크린은 사석이나 대형 칼라 같은 “하드 엔지니어링” 방식에 비해 생태학적(산소 공급), 가역적, 비영구적이라는 장점이 있습니다. 이는 민감한 수생 환경에서 세굴 방지를 위한 보다 친환경적인 선택지를 제공합니다.
프로젝트 관리자: 하상면에 작은 폭의 칼라를 설치하는 구성(Configuration 3)은 실용적인 최적의 방안을 제시합니다. 세굴 범위를 크게 줄이고 깊이를 적절히 감소시키면서(13%), 매설 구조물에 비해 고정적이고 영구적인 시공을 줄여 비용과 환경 영향을 최소화할 수 있습니다.
논문 상세 정보
PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER
1. 개요:
제목: PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER (교각 주변 국부 세굴에 대한 에어 버블 스크린의 영향에 관한 예비 연구)
저자: Violaine Dugué, Elham Izadinia, Sylvain Rigaud & Anton J. Schleiss
발표 연도: 명시되지 않음
발표 학회/기관: provided by Infoscience – École polytechnique fédérale de Lausanne
교각과 이동상 하천 바닥의 상호작용은 교각 기초를 위협할 수 있는 국부 세굴을 야기합니다. 이 세굴은 하향 흐름에 의해 시작되고 소위 말굽 와류에 의해 증폭됩니다. 교각 주변의 세굴을 줄이기 위한 새로운 방법이 예비 실험을 통해 평가되었습니다. 교각 상류에 위치한 버블 스크린은 하향 흐름을 상쇄하고 세굴의 시작을 방지할 수 있습니다. 실험은 clear-water 세굴 조건 하에서 교각의 물리적 축소 모형을 사용하여 얕은 수로에서 수행되었습니다. 버블 스크린은 교각에 연결되고 압축 공기 시스템에 연결된 칼라를 통해 생성됩니다. 다양한 물과 공기 유량이 테스트되었으며, 버블 스크린의 수직 및 수평 위치도 조사되었습니다. 각 실험에 대해 최종 하상 지형이 측정되었고 버블 스크린이 없는 참조 실험과 비교되었습니다. 장기 실험(약 56시간)을 통해 잘 설계된 버블 스크린이 교각 주변의 국부 세굴을 줄일 수 있음이 밝혀졌습니다.
3. 서론:
교각, 접근 유동, 그리고 침식 가능한 하상 간의 상호작용은 기초의 안정성을 위협하는 국부 세굴을 초래합니다. 교각의 존재는 3차원 난류를 생성하며, 이는 하상에 충돌하여 세굴을 발생시키는 하향 속도와 세굴 효과를 증폭시키는 말굽 와류로 특징지어집니다. 이전 연구에 따르면, 교각 국부 세굴은 교각 면에 평행한 수직 흐름(유량 및 속도)의 크기와 직접적으로 관련이 있습니다. 따라서 교각 상류 면에서 수직 흐름의 크기를 줄임으로써 세굴 깊이를 줄이는 것이 가능해야 합니다. 또한 교각 면에 수직으로 장벽을 설치하여 막을 수도 있습니다. 문헌에 보고된 교각에서의 국부 세굴을 방지하거나 최소화하기 위한 두 가지 주요 제어 조치는 (i) 하상 보호 대책과 (ii) 원형 칼라 또는 나선형으로 감싼 케이블과 같은 유동 변경 대책입니다. 그러나 이러한 방법들은 일반적으로 상당한 건설 작업을 수반합니다. 본 연구의 목적은 하상 근처에 위치한 가압된 반원형 칼라에서 상승하는 기포에 의해 유도된 상향 속도를 이용하여 하상에 충돌하는 수직 속도를 상쇄하는 새로운 기술의 잠재력에 대한 첫 번째 아이디어를 얻는 것입니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교각 주변에서 발생하는 국부 세굴은 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 요인입니다. 이는 교각으로 인한 3차원 유동 구조, 특히 하향 흐름과 말굽 와류에 의해 발생합니다.
이전 연구 현황:
기존의 세굴 방지 대책은 사석 등을 이용한 하상 보호나 교각에 칼라를 설치하는 유동 변경 방식이 주를 이루었으나, 이는 대규모 공사를 필요로 하고 환경적 부담이 컸습니다. 버블 스크린은 호수 성층 파괴, 염수 침입 방지 등 다른 수리 분야에서 성공적으로 적용된 바 있으나, 교각 세굴 방지에 대한 적용은 새로운 시도입니다.
연구 목적:
본 연구는 에어 버블 스크린을 이용하여 교각 전면의 하향 흐름을 상쇄함으로써 국부 세굴을 줄일 수 있는지 그 잠재력을 평가하는 것을 목표로 합니다. 또한, 버블 스크린의 효율에 영향을 미치는 주요 인자(설치 위치, 유량 조건 등)를 파악하고자 합니다.
핵심 연구 내용:
얕은 수로에서 원형 교각 모형을 사용하여 clear-water 세굴 조건 하에 실험을 수행했습니다. 버블 스크린의 유무, 칼라의 설치 위치(하상면, 하상면 아래 매설) 등 총 5가지 구성에 대해 56시간 동안 장기 실험을 진행하고, 최종 세굴 지형을 비교 분석하여 버블 스크린의 세굴 저감 효과를 정량적으로 평가했습니다.
5. 연구 방법론
연구 설계:
참조 실험(대책 없음)과 4가지 다른 대책(칼라만 설치, 칼라+버블, 칼라 매설, 칼라 매설+버블)을 비교하는 실험 설계를 채택했습니다. 모든 실험은 동일한 수리 조건(유량 0.2 m³/s, 수심 0.24 m) 하에서 수행되었습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
실험 시작 전 초기 하상은 평탄하게 조성되었습니다. 56시간의 실험 종료 후, Mini Echo Sounder를 사용하여 정밀 격자망에 대한 최종 하상 고도를 측정했습니다. 수집된 데이터는 등고선 지도로 시각화되었고, 수로 중심선을 따른 세굴 깊이 변화를 비교 분석하여 각 대책의 효과를 정량화했습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 원형 교각 주변의 clear-water 세굴 조건에 국한됩니다. 에어 버블 스크린의 수평 및 수직 위치, 그리고 공기 주입량이 세굴 저감에 미치는 영향을 중점적으로 다룹니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
에어 버블 스크린은 교각 주변의 국부 세굴 깊이와 공간적 범위를 모두 감소시키는 데 효과적이었습니다.
가장 큰 세굴 깊이 감소 효과는 칼라를 하상면 아래 5cm에 매설하고 버블 스크린을 함께 사용했을 때 나타났으며, 보호 대책이 없는 경우에 비해 최대 세굴 깊이가 39% 감소했습니다 (15.5cm → 9.5cm).
하상면에 칼라를 설치하고 버블 스크린을 사용한 경우, 최대 세굴 깊이는 13% 감소했지만 세굴의 공간적 범위가 현저하게 줄어들어, 적은 규모의 시공으로 높은 효율을 얻을 수 있는 실용적인 방안으로 평가되었습니다.
유량 조건에 따라 버블 스크린의 거동은 두 가지 유형으로 나뉩니다: (1) 버블의 부력이 우세한 경우, 상류 측에 보호 효과가 있는 이차 흐름이 형성됩니다. (2) 하천 흐름의 관성력이 우세한 경우, 상류 측 이차 흐름은 사라지지만 하상 근처의 상향 속도는 여전히 존재하여 세굴 저감에 기여합니다.
Figure 3 : (Top) Examples of different behavior of the air-bubble screen regarding the air and water discharges: (a) Qw=0.1 m3/s and Qa=2.25 10-3 m3/s, (b) Qw=0.15 m3/s and Qa=2.25 10-3 m3/s, (c) Qw=0.2 m3/s and Qa = 3 10-3 m3/s, (d) Qw=0.18 m3/s and Qa=1.7 10-3 m3/s. (Bottom) Schemes of the two different types of flow. Dominant effect of the bubble screen (Sketch 1), Dominant effect of the base flow (Sketch 2).
Figure 목록:
Figure 1: (left) General view of the channel (from Istiarto, 2001), (right) Photography of the pier with the collar and the bubble screen generation system
Figure 2: Isolines of the bed level with an interval of 0.01 cm derived from Mini Echo Sounder measurements for the reference (a), collar (c), collar + bubble screen (d), buried collar (e) and buried collar + bubble screen (f) experiments. The same color scale has been used to simplify comparison. The dashed area near the bridge pier indicates the area bridged by means of extrapolations. (b) Streamwise evolution of the bed slope at the center line of the flume
Figure 3: (Top) Examples of different behavior of the air-bubble screen regarding the air and water discharges: (a) Qw=0.1 m³/s and Qa=2.25 10⁻³ m³/s, (b) Qw=0.15 m³/s and Qa=2.25 10⁻³ m³/s, (c) Qw=0.2 m³/s and Qa = 3 10⁻³ m³/s, (d) Qw=0.18 m³/s and Qa=1.7 10⁻³ m³/s. (Bottom) Schemes of the two different types of flow. Dominant effect of the bubble screen (Sketch 1), Dominant effect of the base flow (Sketch 2).
7. 결론:
본 연구는 교각 주변의 형태 역학을 실험적으로 조사하여 침식을 막기 위한 새로운 기술인 버블 스크린을 도입했습니다. 얻어진 결론은 다음과 같습니다: 버블 스크린이 최적의 위치(교각으로부터의 거리, 수직 고도)에 있고 공기 유량이 신중하게 선택된다면, 국부 세굴은 감소될 수 있습니다. 하상면 아래 5cm에 매설된 버블 스크린으로 얻은 최대 세굴 깊이는 보호되지 않은 교각에 비해 40% 감소했습니다. 버블 스크린과 하천 유량은 이 대책의 효율을 최적화하는 데 관련이 있는 것으로 밝혀졌습니다. 실제로, 두 가지 다른 유형의 유동 거동이 관찰되었습니다. 부력 효과가 우세할 때, 기포는 교각 앞에서 상승하고 표면 흐름이 양쪽으로 퍼져 교각의 상류 측에 이차 흐름을 생성합니다. 이 경우 버블 스크린의 효율은 최적이 될 것입니다. 하천 흐름의 관성력이 우세하면, 기포는 주 흐름에 의해 운반되고 상류 측의 버블 유도 이차 흐름은 더 이상 존재하지 않습니다. 하상 근처의 상향 속도만이 여전히 발생합니다.
8. 참고 문헌:
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Zarrati, A. R., Nazariha, M. & Mashahir, M. B. (2006). Reduction of local scour in the vicinity of bridge pier groups using collars and riprap. Journal of Hydraulic Engineering, 132(2), 154-162.
전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 실험을 56시간 동안 진행한 특별한 이유가 있나요?
A1: 네, 있습니다. 이전 연구(Istiarto & Graf, 2002)에서 56시간이 세굴 깊이가 점근적으로 평형 상태에 도달하는 데 충분한 시간임이 확인되었기 때문입니다. 이 시간 동안 최대 세굴 깊이의 약 95%가 발생하므로, 측정된 최종 지형이 평형 상태에 매우 근접하다고 볼 수 있습니다. 이는 각기 다른 대책의 효과를 신뢰성 있게 비교하기 위한 필수적인 조건입니다.
Q2: 버블 스크린의 수평 위치 중 교각에서 가장 먼 0.03m가 가장 효율적이었던 이유는 무엇인가요?
A2: 논문에서는 사전 조사를 통해 0.03m 위치가 가장 효율적임을 확인하고 장기 실험에 이 위치를 적용했다고 언급합니다. 이는 해당 거리에서 생성된 상승 기포가 교각 면 바로 앞에서 하상에 충돌하려는 하향 흐름을 가장 효과적으로 상쇄할 수 있는 최적의 공간을 제공하기 때문으로 해석됩니다. 즉, 너무 가까우면 상호작용할 시간이 부족하고 너무 멀면 효과가 분산될 수 있습니다.
Q3: Figure 3에 나타난 버블 스크린의 ‘부력 우세’와 ‘관성력 우세’ 거동의 핵심적인 차이는 무엇인가요?
A3: ‘부력 우세’ 거동(Sketch 1)은 버블의 상승력이 강물의 흐름을 이겨낼 만큼 강할 때 나타납니다. 이때 버블은 상류와 하류 양방향으로 퍼지는 표면 흐름을 만들어내며, 특히 상류 측에 세굴을 막는 보호적인 이차 흐름을 형성합니다. 반면, ‘관성력 우세’ 거동(Sketch 2)은 강물의 흐름이 너무 강해 버블이 하류로 밀려나는 경우입니다. 이때 상류 측의 보호적인 이차 흐름은 사라지지만, 하상 근처에서는 여전히 상향 유속이 존재하여 어느 정도의 세굴 저감 효과는 유지됩니다.
Q4: 버블이 없는 매설된 칼라(Figure 2e)는 오히려 세굴 범위를 넓히는 것처럼 보입니다. 칼라를 낮추는 것이 왜 이런 효과를 낳나요?
A4: 논문은 이전 연구(Zarrati et al., 2004)와 일치하게 칼라를 낮추면 세굴 범위와 깊이가 증가한다고 지적합니다. 이는 흐름이 칼라 위를 넘어 아래로 강하게 떨어지면서(plunging flow) 칼라 바로 밑에서 세굴을 유발하기 때문입니다. 이 구성에서 버블 스크린의 역할은 바로 이 하강 흐름을 상쇄하여 세굴을 줄이는 데 결정적입니다.
Q5: 버블 스크린이 전통적인 칼라나 사석보다 더 유리한 점은 무엇인가요?
A5: 논문은 여러 장점을 강조합니다. 영구적인 구조물인 칼라나 사석과 달리, 버블 스크린은 작동을 켜고 끌 수 있어 ‘제어 가능’하고, 원상 복구가 가능한 ‘가역적’이며, ‘비영구적’입니다. 또한 물에 산소를 공급하는 ‘생태학적’ 이점도 있습니다. 이러한 유연성은 환경 영향이나 적응성이 중요한 현장에서 버블 스크린을 더 우수한 대안으로 만듭니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
교각 기초를 위협하는 국부 세굴 문제는 교량의 장기적인 안전을 위해 반드시 해결해야 할 과제입니다. 본 연구는 에어 버블 스크린이라는 혁신적인 접근법이 교각 세굴 방지에 매우 효과적일 수 있음을 실험적으로 입증했습니다. 특히, 최적화된 설계는 최대 40%의 세굴 깊이 감소라는 놀라운 결과를 보여주었으며, 이는 기존의 영구적인 구조물에 대한 유연하고 친환경적인 대안이 될 수 있음을 시사합니다.
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저작권 정보
이 콘텐츠는 “Violaine Dugué” 외 저자의 논문 “[PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF AN AIR-BUBBLE SCREEN ON LOCAL SCOUR AROUND A BRIDGE PIER]”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약은 Ravi Teja Reddy Tippireddy가 2017년 Michigan Technological University에서 발표한 석사 학위 논문 “AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS”를 기반으로 하여 분석 및 요약되었습니다.
도전 과제: 교량 붕괴의 주요 원인인 교각 주변의 국부 세굴은 기존 방지책의 신뢰성 및 환경 영향 문제로 인해 새로운 해결책이 필요합니다.
연구 방법: 교각 주위에 공기를 주입하여 발생하는 기포의 부력이 세굴을 유발하는 하강 흐름을 상쇄하는지 실험적으로 검증했습니다.
핵심 발견: 공기 주입은 교각 세굴을 최대 33%까지 효과적으로 감소시켰으며, 최적의 공기-물 속도비(Va/Vw = 57.1)가 존재함을 확인했습니다.
핵심 결론: 공기 주입은 기존 구조적 대책의 한계를 보완할 수 있는 제어 가능하고 효율적인 교량 세굴 방지 기술이 될 수 있습니다.
도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?
교량의 안정성을 위협하는 가장 큰 요인 중 하나는 교각 주변에서 발생하는 ‘국부 세굴(Local Scour)’입니다. 물이 교각과 부딪히면 말굽 모양의 강력한 하강 와류(Horseshoe Vortex)가 형성되어 교각 기초 주변의 토사를 쓸어내 가고, 이는 결국 교량 붕괴로 이어질 수 있습니다.
지금까지 립랩(Riprap), 칼라(Collar), 슬롯(Slot) 등 다양한 세굴 방지책이 사용되어 왔습니다. 하지만 이러한 전통적인 방법들은 다음과 같은 한계를 가집니다.
신뢰성 문제: 홍수 시 유송 잡물에 의해 막히거나, 유동층(Live Bed) 조건에서 그 효과가 감소합니다.
환경 영향: 세굴을 완전히 방지하도록 설계되어 물고기의 서식지가 될 수 있는 소(Pool)의 형성을 막아 수중 생태계에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.
따라서 변화하는 하천 조건에 더 효과적으로 대응하고, 생태학적 영향을 최소화할 수 있는 새로운 세굴 방지 기술의 필요성이 대두되었습니다. 이 연구는 바로 이 문제에 대한 혁신적인 해답으로 ‘공기 주입’ 기술을 제안합니다.
접근 방식: 연구 방법론 분석
본 연구는 공기 주입이 교각 세굴을 얼마나 효과적으로 억제할 수 있는지 실험적으로 검증하기 위해 정밀하게 통제된 실험실 환경에서 진행되었습니다.
실험 장비: 직사각형 개수로(Flume) 내부에 모래 하상을 조성하고 원통형 교각 모델을 설치했습니다. 물은 펌프를 통해 재순환되며, 유속은 침식 발생 직전의 한계 유속(Clear-water scour) 조건으로 유지되었습니다.
핵심 기술: 교각의 상류 측 절반을 감싸는 수평 디퓨저 파이프를 통해 압축 공기를 주입했습니다. 이 파이프에는 일정한 간격으로 구멍이 뚫려 있어 균일한 공기 기포 스크린을 형성합니다.
주요 변수: 연구의 핵심은 공기 주입량의 영향을 파악하는 것이었습니다. 이를 위해 공기 속도(Va)와 물의 접근 속도(Vw)의 비(Va/Vw)를 무차원 변수로 사용하여, 다양한 공기 유량 조건에서 세굴 깊이, 세굴 속도, 하상 변화 등을 측정했습니다. 또한, 염료 테스트를 통해 공기 주입 전후의 흐름 패턴 변화를 시각적으로 관찰했습니다.
이러한 실험 설계를 통해 연구진은 공기 주입이 세굴 메커니즘에 미치는 영향을 정량적, 정성적으로 분석할 수 있었습니다.
Figure 2. Schema of flume with sections
핵심 발견: 주요 결과 및 데이터
실험 결과, 공기 주입은 교각 세굴을 줄이는 데 매우 효과적이었으며, 특히 최적의 주입 조건이 존재한다는 중요한 사실을 발견했습니다.
결과 1: 최적 공기 주입률에서 최대 33% 세굴 감소 효과
가장 주목할 만한 결과는 공기 주입이 세굴 깊이를 현저히 감소시켰다는 점입니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이, 공기를 주입하지 않은 기본 케이스(Va/Vw = 0)에 비해 공기 주입 시 세굴 깊이가 줄어들었습니다.
특히, 공기-물 속도비(Va/Vw)가 57.1일 때, 세굴 깊이가 0.67(ds/dso)로 측정되어 약 33%의 최대 감소 효과를 보였습니다. 흥미로운 점은 이 비율을 초과하여 공기를 과도하게 주입하면 오히려 세굴 감소 효과가 줄어든다는 것입니다. 이는 단순히 공기를 많이 주입하는 것보다 최적의 유량을 정밀하게 제어하는 것이 중요함을 시사합니다.
(Image Description: Figure 5 from the paper shows a plot of normalized scour depth (ds/dso) versus the air/water velocity ratio (Va/Vw). The data points form a U-shaped curve, with the minimum value (least scour) occurring at Va/Vw = 57.1.)
결과 2: 염료 테스트로 확인된 흐름 패턴의 변화
공기 주입이 어떻게 세굴을 줄이는지에 대한 해답은 염료 테스트 결과에서 명확히 드러났습니다. 그림 22는 공기 주입이 없는 경우로, 염료가 교각을 따라 수평 또는 하강하는 흐름을 보입니다. 이것이 바로 세굴을 유발하는 강력한 하강 와류입니다.
반면, 그림 23은 최적 조건에서 공기를 주입한 경우입니다. 상승하는 공기 기포들의 영향으로 염료의 흐름선이 미세하게 위쪽으로 꺾이는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 공기 기포의 부력이 하강 와류를 효과적으로 약화시키거나 상쇄하여 하상에 가해지는 침식력을 줄인다는 직접적인 증거입니다. 이 미묘하지만 결정적인 흐름 패턴의 변화가 세굴을 33%나 감소시킨 핵심 메커니즘입니다.
(Image Description: A side-by-side comparison of Figure 22(c) showing a flat dye path and Figure 23(d) showing a slightly upward-angled dye path due to air bubbles.)
R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점
본 연구 결과는 토목, 수리, 환경 분야의 엔지니어와 관리자에게 중요한 시사점을 제공합니다.
토목/수리 엔지니어: 공기 주입은 기존 세굴 방지책을 보완하거나 대체할 수 있는 새로운 설계 옵션이 될 수 있습니다. 특히, 이 연구는 최적의 공기 유량 설계를 위한 기초 데이터를 제공하며, 이는 향후 CFD 시뮬레이션을 통한 시스템 최적화의 중요한 기준이 될 것입니다.
품질 관리팀: 교량 안전 진단 시, 세굴 깊이뿐만 아니라 공기 주입 시스템의 작동 상태(유량, 압력)를 새로운 점검 기준으로 추가할 수 있습니다. 그림 5의 데이터는 특정 유량 조건이 세굴 방지에 미치는 영향을 명확히 보여줍니다.
인프라 유지보수 관리자: 공기 주입 시스템은 홍수와 같은 특정 고유량 이벤트 시에만 가동하는 ‘능동형’ 방지책으로 활용될 수 있습니다. 이는 상시 노출되어 마모되거나 유실될 수 있는 정적 방지책에 비해 유지보수 비용을 절감하고 신뢰성을 높일 수 있는 잠재력을 가집니다.
논문 상세 정보
AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS
1. 개요:
Title: AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS
Author: Ravi Teja Reddy Tippireddy
Year of publication: 2017
Journal/academic society of publication: Michigan Technological University (Open Access Master’s Thesis)
교각의 안정성과 공공의 안전에 있어 국부 세굴은 주요 관심사입니다. 국부 세굴을 다루기 위해 구조적 방지책과 흐름 변경 장치가 개발되었습니다. 많은 구조적 방호 대책은 청수 조건에서 매우 효과적이고 효율적이지만, 이동상 형태와 침출에 취약합니다. 흐름 변경 장치는 청수 조건과 이동상 형태 모두에서 효과적이지만, 막힘 현상이 발생하기 쉽고 흐름 방향 변경에 덜 효율적입니다. 본 연구는 주입된 공기 기포의 부력을 활용하여 세굴을 유발하는 하향 롤러 흐름 패턴의 영향을 줄임으로써 국부 세굴을 감소시키는 것을 목표로 합니다.
모래 하상에 교각이 박힌 직사각형 수로에서 청수 세굴 실험 연구가 수행됩니다. 공기는 원통형 교각의 상류 측 절반 주위에 감긴 수평 디퓨저 파이프를 통해 주입됩니다. 평형 상태에서 최대 국부 세굴 깊이, 수면 프로파일, 세굴 속도, 중심선 세굴 고도 및 하상 프로파일에 대한 측정이 이루어졌습니다. 공기 속도 대 물 속도의 비(Va/Vw)가 본 연구의 무차원 변수로 선택되었으며, 확장성을 위해 가장 적합한 표현으로 간주되었습니다. 공기 주입은 평형 상태에서 교각의 국부 세굴을 거의 35%까지 감소시켰습니다. 이 세굴 감소는 공기 기포 주입으로 인한 교각 주변 흐름 패턴의 변화에 기인합니다. 기본 케이스(공기 주입 없음)와 최적 케이스(Va/Vw = 57.1)에 대해 염료 테스트를 수행하여 교각 주변의 흐름 거동 변화를 관찰했습니다.
3. 서론:
세굴은 흐르는 물 속 장애물 주변에 와류가 형성되어 퇴적물이 씻겨 나가는 자연 현상입니다. 미국에서 세굴은 교량 붕괴의 주요 원인입니다. 사용 중인 많은 교량은 오래되었으며, 프로젝트 당시의 하천 및 하상 조건을 기반으로 설계 및 건설되었습니다. 하천은 수문학적 변화와 유역의 영향으로 자연 지형학의 일부로 변화하므로, 장기간에 걸친 하상 저하, 수축 세굴 및 국부 세굴로 인해 교량의 안전이 위협받을 수 있습니다. 이러한 변화는 극심한 강우 및 홍수 시 교량의 온전성에 더 큰 위험을 초래합니다.
기존의 세굴 방지책들은 유동층 조건에 취약하거나, 유송 잡물 축적, 흐름의 경사각 등에 의해 효과가 감소하는 경향이 있습니다. 또한, 구조적 방지책은 국부 세굴을 최소화하거나 제거하도록 설계되어 일부 어종이 선호하는 소(pool)의 형성을 막아 수중 생태에 영향을 줄 수 있습니다. 이 연구는 세굴을 방지하는 것이 아니라, 교량 붕괴를 막고 교각 존재로 인한 부작용을 최소화하는 수준까지 허용하는 방식으로 교량 세굴을 줄이는 것을 목표로 합니다.
4. 연구 요약:
연구 주제의 배경:
교량 붕괴의 주요 원인인 교각 세굴 문제를 해결하기 위한 기존 방지책(립랩, 칼라, 베드 실 등)은 신뢰성, 효율성, 생태학적 영향 측면에서 한계를 가지고 있습니다.
이전 연구 현황:
기존 연구들은 주로 립랩과 같은 구조적 방호책이나 슬롯, 베인과 같은 흐름 변경 장치에 집중되었습니다. 공기 기포 스크린을 흐름 패턴 및 하상 형태에 미치는 영향에 대한 연구가 있었으나, 교각 세굴 방지책으로 공기 주입을 직접적으로 다룬 연구는 거의 없었습니다.
연구 목적:
이 연구의 목적은 국부 세굴에 대한 방지책으로서 공기 주입의 사용을 실험적으로 조사하는 것입니다. 기존 방지책의 대안으로서 그 효과성을 검증하고, 교량 세굴에 대한 공기 주입의 적용 가능성을 탐구합니다. 구체적인 목표는 다음과 같습니다. 1. 공기 주입이 교량 세굴을 줄일 수 있는지 확인 2. 최대 세굴 감소를 위한 최적의 공기 주입 유량 결정
핵심 연구:
원통형 교각 주변에 설치된 디퓨저를 통해 공기를 주입하여 세굴 깊이의 변화를 측정하는 실험을 수행했습니다. 공기 유량을 다양하게 변화시키면서(공기-물 속도비 Va/Vw를 조절) 최대 세굴 깊이, 세굴 평형 도달 시간, 하상 프로파일 등을 분석하여 최적의 조건을 찾고, 염료 테스트를 통해 흐름 변화의 메커니즘을 규명했습니다.
5. 연구 방법론:
연구 설계:
실험실 내 직사각형 개수로(Flume, 길이 10.18m, 폭 0.92m)에서 실험적 연구를 수행했습니다. 수로 바닥에는 d50=0.56mm의 모래를 깔아 세굴 하상을 모사했으며, 중앙에 직경 14.2cm의 원통형 PVC 파이프를 교각으로 설치했습니다.
데이터 수집 및 분석 방법:
세굴 깊이 측정: 포인트 게이지를 사용하여 교각 전면의 최대 세굴 깊이를 시간 경과에 따라 측정했습니다. 평형 상태는 2시간 동안 0.5% 미만의 변화가 있을 때로 정의했습니다.
하상 프로파일 측정: 실험 종료 후 물을 빼고 10cm x 10cm 격자 간격으로 포인트 게이지를 사용하여 전체 하상 고도를 측정하고, MATLAB을 사용하여 등고선도를 작성했습니다.
유량 측정: 물의 유량은 수축관에 설치된 2-튜브 마노미터로, 공기 유량은 유량계로 측정했습니다.
흐름 시각화: 염료를 주입하여 공기 주입 유무에 따른 교각 주변의 흐름 패턴 변화를 사진으로 기록했습니다.
연구 주제 및 범위:
본 연구는 단일 원통형 교각에 대한 청수(Clear-water) 세굴 조건에 국한됩니다. 주요 변수는 공기 주입 유량이며, 이를 공기 속도와 물 속도의 비(Va/Vw)로 무차원화하여 분석했습니다. 디퓨저의 위치, 구멍 크기 및 각도 등 다른 설계 변수는 고정되었습니다.
6. 주요 결과:
주요 결과:
공기 주입은 평형 상태에서 교각의 국부 세굴을 최대 33%까지 감소시켰습니다.
최소 세굴(ds/dso = 0.67)은 공기-물 속도비(Va/Vw)가 57.1일 때 발생했습니다. 이 값을 초과하면 세굴 감소 효과가 다시 줄어들었습니다.
평형에 도달하는 시간은 공기 유량이 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였습니다.
공기 유량이 증가할수록 교각 후류(wake)에서의 퇴적물 축적이 증가했으며, 이는 흐름 패턴의 변화를 시사합니다.
염료 테스트 결과, 공기 주입은 세굴을 유발하는 하강 흐름을 상쇄하는 상향 흐름을 만들어내는 것으로 확인되었습니다.
Figure List:
Figure 1. View of flume looking upstream. Features are described in the numbered list below
Figure 2. Schema of flume with sections
Figure 3. Steel diffuser pipe around the upstream half of the pier (looking downstream)
Figure 4. Rate of scour with varied air flow rate
Figure 5. Scour depth variation with change in air flow rate
Figure 6. Centerline bed elevation with varied air flow rate
Figure 7. Time to equilibrium with varied air flow rate
Figure 8. Water surface elevation with varied air flow rate
Figure 9. Bed Profile for the base case of Va /Vw = 0. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 10. Bed profile for Va /Vw = 7.14. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 11. Bed profile for Va /Vw= 21.41. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 12. Bed profile for Va/Vw = 35.69. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 13. Bed profile for Va /Vw = 49.96. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 14. Bed profile for Va/Vw = 57.10. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 15. Bed profile for Va /Vw= 64.24. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 16. Bed profile for Va/Vw= 71.37. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 17. Bed profile for Va /Vw = 85.65. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 18. Bed profile for Va /Vw = 99.92. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 19. Bed profile for Va/Vw = 114.20. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 20. Bed profile for Va/Vw = 142.75. (Flow was from left to right. Contour interval was 1 cm)
Figure 21. Plain view bed profile photos from a through j resulting from varied air flow rate represented by ratio of air velocity to water flow velocity Va/Vw (Flow was from left to right)
Figure 22. Side view of the flume with dye introduced at different positions for the base case (Va/Vw = o) (Flow from left to right)
Figure 23. Side view of the flume with dye introduced at different positions for Va/Vw = 71 (Flow from left to right. Air diffuser hidden by bubbles.)
7. 결론:
원통형 교각에서 공기 주입을 세굴 방지책으로 사용하는 효과를 결정하기 위한 실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있습니다. 1. 세굴 속도는 초기 단계에서 공기 속도비가 증가함에 따라 증가하는 점근적 경향을 따릅니다. 2. 평형 상태에서의 최대 세굴 깊이와 중심선 세굴 깊이는 공기-물 속도비가 Va/Vw = 57.1에 도달할 때까지 감소하고, 그 이후에는 다시 증가합니다. 최소 세굴은 Va/Vw=57.1에서 발생했으며, 33%의 감소 효과를 보였습니다. 3. 평형에 도달하는 시간은 공기 유량이 증가함에 따라 감소합니다. 4. 하상 프로파일은 공기 속도가 증가함에 따라 교각 후류에서 더 많은 퇴적물 축적(즉, 더 적은 세굴)을 보여줍니다. 또한 하류의 퇴적물 패턴 변화는 흐름 거동의 변화를 나타냅니다.
8. 참고 문헌:
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문
Q1: 이 연구에서 왜 ‘청수 세굴(Clear-water scour)’ 조건을 선택했나요?
A1: 청수 세굴 조건은 상류에서 유입되는 퇴적물이 없이 순수하게 흐름의 힘만으로 세굴이 발생하는 상황을 의미합니다. 이 조건에서 일반적으로 가장 깊은 세굴이 발생하기 때문에, 방지책의 성능을 가장 보수적이고 가혹한 환경에서 테스트하기 위해 선택되었습니다. 이 조건에서 효과가 입증된다면, 퇴적물 유입이 있는 실제 하천 조건에서는 더 안정적인 성능을 기대할 수 있습니다.
Q2: 세굴 감소의 물리적 메커니즘은 정확히 무엇인가요?
A2: 핵심 메커니즘은 ‘부력에 의한 하강 흐름 상쇄’입니다. 교각 전면에서 발생하는 말굽 와류(horseshoe vortex)는 강력한 하강 흐름을 만들어 하상을 침식시킵니다. 이때 디퓨저에서 분출된 공기 기포들은 부력에 의해 위로 상승하려는 힘을 가집니다. 이 상승력이 하강 흐름에 직접적으로 반대 방향으로 작용하여 그 힘을 약화시키고, 결과적으로 하상에 가해지는 전단 응력을 감소시켜 세굴을 억제하는 것입니다.
Q3: 그림 5를 보면, 공기를 너무 많이 주입하면 왜 오히려 세굴이 다시 증가하나요?
A3: 논문에서 명시적으로 설명하지는 않지만, 두 가지 현상이 복합적으로 작용했을 가능성이 높습니다. 첫째, 과도한 공기 주입으로 발생한 극심한 난류가 말굽 와류를 약화시키는 긍정적 효과를 넘어, 하상 자체를 직접 교란시켜 퇴적물을 띄우는 새로운 침식 메커니즘으로 작용할 수 있습니다. 둘째, 높은 유량의 공기 주입은 흐름을 교각 중심에서 수로 양옆으로 밀어내어, 측면에서 새로운 세굴을 유발할 수 있습니다.
Q4: 무차원 변수인 Va/Vw를 사용한 이유는 무엇이며, 왜 중요한가요?
A4: Va/Vw(공기 속도/물 속도 비)는 이 연구의 결과를 특정 실험 조건에 국한되지 않고 일반화하기 위해 사용되었습니다. 이 변수는 공기 주입 시스템의 특성(유량, 디퓨저 구멍 면적 등)과 수리학적 조건(유속, 수로 단면적 등)을 모두 포함합니다. 따라서 실험실 규모의 결과를 실제 교량 설계에 적용할 때, 서로 다른 크기와 유속 조건에 맞게 결과를 확장(scaling)하고 예측하는 데 매우 유용한 지표가 됩니다.
Q5: 높은 공기 유량에서 수로 측면의 세굴이 증가했다는 점은 어떤 의미를 가지나요?
A5: 이는 공기 주입 방지책이 교각 자체는 보호하지만, 침식 문제를 다른 곳으로 전이시킬 수 있다는 중요한 가능성을 시사합니다. 특히 폭이 좁은 수로에서는 교각에서 밀려난 흐름이 제방을 침식할 수 있습니다. 따라서 이 기술을 실제 하천에 적용하기 전, 더 넓은 수로에서의 실험이나 3차원 CFD 해석을 통해 교각 주변뿐만 아니라 하천 전체의 형태학적 변화에 미치는 영향을 종합적으로 평가해야 함을 의미합니다.
결론: 더 높은 품질과 생산성을 향한 길
본 연구는 교량 세굴이라는 오랜 난제에 대해 ‘공기 주입’이라는 혁신적인 해법을 제시합니다. 실험을 통해 입증된 최대 33%의 세굴 감소 효과와 최적의 주입 조건의 발견은, 이 기술이 기존 구조적 대책의 한계를 넘어설 수 있는 효과적이고 제어 가능한 대안임을 보여줍니다. 특히 흐름 패턴을 직접 제어하여 세굴의 근본 원인을 완화하는 접근법은 향후 교량 안전 기술의 새로운 패러다임을 열 수 있습니다.
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저작권 정보
이 콘텐츠는 Ravi Teja Reddy Tippireddy의 논문 “AIR INJECTION AS A SCOUR COUNTERMEASURE AT BRIDGE PIERS”를 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
이 기술 요약 자료는 Pedro Ramos, João Pedro Pêgo & Rodrigo Maia가 2014년 3rd IAHR Europe Congress에 발표한 논문 “NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM”을 기반으로 하여 분석 및 요약되었습니다.
The Challenge: 교량 기초 주변에서 발생하는 세굴(Scour) 현상은 교량 붕괴로 이어질 수 있는 심각한 문제이며, 이를 유발하고 유지하는 구동 메커니즘에 대한 이해는 여전히 부족합니다.
The Method: 오픈소스 CFD 툴박스인 OpenFOAM을 사용하여 고립된 원형 교각 주변의 유동을 수치 시뮬레이션했으며, 평탄한 하상(초기 상태)과 평형 세굴 상태의 두 가지 고정층 구성에 대해 LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 적용했습니다.
The Key Breakthrough: 이전 연구(Fluent 사용) 대비 정규화된 구조 격자(structured mesh)를 적용한 OpenFOAM 시뮬레이션은 교각 후류에서 발생하는 와류(wake vortex)를 더 크고 현실에 가깝게 모사했으며, 이는 세굴 과정 해석의 정확도를 크게 향상시켰습니다.
The Bottom Line: 오픈소스 CFD 소프트웨어인 OpenFOAM이 적절한 격자 구성과 설정을 통해 상용 소프트웨어에 필적하는 고품질의 복잡한 수리 현상 시뮬레이션 결과를 제공할 수 있음을 입증했습니다.
The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals
교각 세굴은 하상에 위치한 교량 기초에 심각한 손상을 입히는 주요 원인으로, 전체 교량 구조의 안정성 붕괴 위험을 증가시킵니다. 포르투갈에서는 도루강의 Entre-os-Rios 교량 붕괴 사고의 부분적인 원인이 교각 세굴이었습니다. 이처럼 교각 주변의 국부 세굴은 광범위하게 연구되어 왔지만, 대부분의 연구는 실험에 기반하여 최대 평형 세굴 깊이를 예측하는 데 중점을 두었습니다.
하지만 세굴 과정을 촉발하고 유지하는 핵심적인 구동 메커니즘에 대한 지식은 여전히 부족한 실정입니다. 기존의 수치 시뮬레이션 연구들은 존재했지만, 난류 모델의 한계로 인해 와류와 같은 미세한 유동 구조의 직접적인 영향을 연구하는 데 어려움이 있었습니다. 본 연구는 수치 시뮬레이션을 통해 이 분야의 지식을 확장하고, 특히 오픈소스 CFD 툴의 성능을 검증하는 것을 목표로 합니다.
The Approach: Unpacking the Methodology
본 연구는 오픈소스 소프트웨어인 OpenFOAM을 사용하여 교각 주변 유동의 3차원 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 세굴 과정에서 와류와 같은 유동 구조의 역할을 규명하기 위해 LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델이 적용되었습니다.
시뮬레이션은 두 가지 주요 구성(Configuration)으로 진행되었습니다. 1. Configuration A (평탄한 하상): 세굴 과정이 시작되기 전의 초기 상태를 모사합니다. 2. Configuration B (세굴된 하상): 실험을 통해 얻은 평형 세굴 깊이에 도달한 후의 하상 형상을 나타냅니다.
이전 연구(Ramos, 2012)와의 가장 큰 차이점은 격자(mesh) 구성에 있습니다. 본 연구에서는 교각 주변과 채널 벽, 하상 근처에 더 미세하고 정규화된 분포를 갖는 구조 격자(structured mesh)를 사용했습니다(Figure 5, 6). 이는 데이터 처리 속도를 높이고 계산의 정확성을 향상시키는 핵심적인 개선 사항입니다. 유입 경계 조건으로는 평균 유속 0.32 m/s의 대수 법칙 프로파일을 적용했으며, 난류성 비압축성 유동 해석을 위해 interFoam 솔버를 사용했습니다.
The Breakthrough: Key Findings & Data
본 연구는 OpenFOAM을 활용한 시뮬레이션이 이전 Fluent 기반 연구 결과와 비교하여 몇 가지 중요한 개선점을 보여주었습니다.
Finding 1: 향상된 후류 와류(Wake Vortex) 모사
세굴 과정에서 교각 후류에서 발생하는 와류는 하상 입자를 들어 올려 하류로 이동시키는 중요한 역할을 합니다. Configuration A(평탄한 하상)에서 OpenFOAM 시뮬레이션 결과(Figure 10)는 Fluent 결과(Figure 9)보다 후류 와류 영역이 더 크고 난류성이 강하게 나타났습니다. 논문은 이 결과가 “실험실에서 관찰된 것에 더 가깝다”고 언급하며, 개선된 격자 구성이 더 현실적인 유동 구조를 모사하는 데 기여했음을 시사합니다. 이는 와류에 의한 하상 입자의 흡입 효과가 더 강하게 나타남을 의미하며, 세굴 현상 분석의 신뢰도를 높입니다.
좌: Figure 9 (Fluent 결과), 우: Figure 10 (OpenFOAM 결과). OpenFOAM 결과에서 더 넓고 강한 후류 와류가 관찰된다.
Finding 2: 항력 계수(Drag Coefficient)의 동적 거동 분석
교각에 작용하는 항력 계수는 구조물의 동적 안정성 분석에 필수적인 데이터입니다. OpenFOAM 시뮬레이션(Configuration A)을 통해 계산된 평균 항력 계수는 1.21이었습니다(Figure 15). 이는 이전 Fluent 시뮬레이션의 0.68이나 경험식에 따른 예상치인 약 0.73과는 차이가 있습니다.
하지만 더 중요한 것은 항력 계수가 시간에 따라 진동하는 패턴을 보인다는 점입니다. 이 진동은 교각 후류에서 발생하는 와류 방출(vortex shedding)로 인해 발생하는 힘의 변화를 나타내며, 이러한 진동의 주파수 정보는 교량 구조물의 동적 해석에 매우 중요한 정보를 제공합니다. OpenFOAM 결과는 이러한 동적 거동을 성공적으로 포착했습니다.
Figure 15. 시간에 따른 항력 계수의 변화. 와류 방출로 인한 주기적인 진동이 명확하게 나타난다.
Practical Implications for R&D and Operations
For Hydraulic Engineers: 이 연구는 OpenFOAM과 같은 오픈소스 툴이 적절한 격자 전략과 함께 사용될 때, 하상 전단 응력(bed shear stress)을 정확하게 예측할 수 있음을 보여줍니다. 시뮬레이션 결과(Figure 14)는 세굴이 교각 측면에서 시작될 가능성이 높다는 것을 나타내며, 이는 세굴 발생의 임계 지점을 파악하는 데 도움을 줍니다.
For Bridge Maintenance Engineers: 평형 세굴 상태(Configuration B)에 대한 시뮬레이션은 세굴이 최대로 진행되었을 때의 하상 형상과 유동 특성에 대한 통찰력을 제공합니다. 이는 교량의 정기 점검 시 중점적으로 확인해야 할 부분을 결정하고, 보수 및 보강 전략을 수립하는 데 활용될 수 있습니다.
For Bridge Design Engineers: 항력 계수의 시간에 따른 진동 데이터(Figure 15)는 와류 방출로 인한 유체-구조 상호작용(Fluid-Structure Interaction)을 고려한 교량의 동적 해석에 필수적입니다. 이 연구 결과는 설계 단계에서부터 교량의 안정성을 더욱 정밀하게 평가할 수 있는 기초 자료를 제공합니다.
Paper Details
NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM
1. Overview:
Title: NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM
Author: PEDRO RAMOS, JOÃO PEDRO PÊGO & RODRIGO MAIA
Year of publication: 2014
Journal/academic society of publication: 3rd IAHR Europe Congress, Book of Proceedings
Keywords: Scour, OpenFOAM, Large Eddy Simulation, CFD.
2. Abstract:
세굴은 하상에 위치한 교량 기초 손상의 주요 원인으로, 전체 교량 구조의 안정성 붕괴 위험을 증가시킵니다. 포르투갈에서는 도루강의 Entre-os-Rios 교량 붕괴 사고가 부분적으로 교각 세굴 때문이었습니다. 교각 주변의 국부 세굴은 광범위하게 연구되었으며, 대부분 실험 연구를 기반으로 최대 평형 깊이를 예측하는 데 중점을 둡니다. 그럼에도 불구하고, 세굴 과정을 촉발하고 유지하는 구동 메커니즘에 대한 지식은 여전히 부족합니다. 본 논문은 수치 시뮬레이션을 통해 이 분야의 지식을 추가하고자 합니다. 이 연구의 주요 목표는 OpenFOAM 툴박스를 사용하여 고립된 원형 교각 주변의 유동을 두 가지 고정층 구성, 즉 세굴 과정의 시작에 해당하는 평탄한 고정층과 실험적으로 얻은 평형 세굴 깊이에 도달한 후의 하상 형상을 대표하는 구성에 대해 수치 시뮬레이션하는 것입니다. Large Eddy Simulation 난류 모델을 적용하여 두 구성에 대한 속도 및 와도장, 하상 전단 응력, 교각의 항력 계수를 특성화할 것입니다. OpenFOAM 결과는 Ramos(2012)가 Fluent를 사용하여 얻은 데이터와 비교 검증될 것입니다. Fluent와 OpenFOAM은 산업 및 유체 역학 연구에서 널리 사용되는 두 가지 CFD 도구로, 전자는 상용 소프트웨어이고 후자는 무료 오픈 소스 소프트웨어입니다. 사용된 두 3차원 수치 모델은 세굴 과정에서 중요한 역할을 하는 말굽 와류와 같은 유동 구조를 연구할 수 있게 합니다. 두 CFD 도구의 성능을 분석하고 비교할 것입니다. 수치 결과는 참고 문헌으로 인정된 서지에서 얻은 데이터와 비교 검증될 것입니다.
3. Introduction:
교량 기초 주변의 국부 세굴은 교각의 부분적 파손이나 붕괴로 이어질 수 있습니다. 수직 원형 교각이 일정한 흐름 속에서 하상에 놓이면, 하상과 상호 작용하는 유동 패턴에 변화가 생깁니다. 특징적인 유동 구조는 말굽 와류(교각 앞에서 형성됨)와 교각의 바람이 불어가는 쪽(lee-side)에서 형성되는 후류 와류 유동 패턴(보통 와류 방출 형태)입니다(Figure 1). 또한, 교각 상류에서 유동 감속의 결과로 하향류(downflow)가 존재합니다. 이러한 변화의 전반적인 효과는 일반적으로 퇴적물 이동을 증가시켜 교각 주변의 국부 세굴을 초래합니다.
4. Summary of the study:
Background of the research topic:
교각 세굴은 교량의 안정성을 위협하는 중요한 수리 현상입니다. 유동 속에 놓인 교각은 주변 유동장을 변화시키고, 이로 인해 발생하는 말굽 와류(horseshoe vortex), 하향류(downflow), 후류 와류(trailing vortex) 등이 하상의 퇴적물 이동을 촉진하여 국부적인 침식을 유발합니다.
Figure 1. Flow around pier (reproduced from Breusers and Raudkivi, 1991).
Status of previous research:
세굴 현상에 대한 연구는 주로 실험적으로 이루어졌습니다. Twaites(1960), Bachelor(1967) 등의 공기역학 연구를 시작으로 Melville과 Raudkivi(1977) 등이 수중 세굴 현상으로 연구를 확장했습니다. 수치 시뮬레이션 분야에서는 Deng과 Piquet(1992)가 RANS 모델을 사용하여 3차원 시뮬레이션을 수행했으며, Olsen과 Melaaen(1993)이 처음으로 유동 시뮬레이션과 세굴 모델링을 결합했습니다. Roulund 등(2005)은 SST k-ω 모델을 사용했으나, 이는 와류의 직접적인 영향을 연구하기에는 한계가 있었습니다. Ramos(2012)는 이러한 한계를 극복하기 위해 LES 모델을 사용하여 Fluent로 시뮬레이션을 수행했으며, 본 연구는 이 결과를 비교 대상으로 삼습니다.
Figure 2. Scour cavity obtained in the laboratory test (Ramos, 2012).
Purpose of the study:
본 연구의 주된 목적은 오픈소스 CFD 툴인 OpenFOAM을 사용하여 교각 주변 유동을 수치 시뮬레이션하고, 그 결과를 상용 소프트웨어인 Fluent를 사용한 이전 연구(Ramos, 2012) 및 실험 데이터와 비교 검증하는 것입니다. 이를 통해 오픈소스 CFD 툴의 성능을 평가하고, 개선된 격자 기법을 적용하여 세굴을 유발하는 와류 구조에 대한 더 깊은 이해를 얻고자 합니다.
Core study:
연구의 핵심은 두 가지 하상 조건(평탄한 하상, 세굴된 하상)에 대해 OpenFOAM을 이용한 LES 시뮬레이션을 수행하는 것입니다. 시뮬레이션을 통해 속도장, 와도장, 하상 전단 응력, 교각의 항력 계수를 분석합니다. 특히, 이전 연구 대비 개선된 구조 격자를 사용하여 결과의 질을 향상시키고, 이를 Fluent 결과와 비교하여 OpenFOAM의 신뢰성과 유용성을 검증합니다.
5. Research Methodology
Research Design:
본 연구는 실험 및 수치 해석 연구(Ramos, 2012)를 참조 사례로 사용했습니다. 실험은 폭 1m, 길이 32.2m의 수로에서 직경 0.05m의 PVC 실린더를 사용하여 수행되었습니다. 하상 재료는 중간 직경 0.86mm의 석영 모래였습니다. 유량 64 L/s, 수심 0.20m 조건에서 평균 유속은 0.32 m/s였으며, 이는 입자 이동이 시작되는 임계 속도에 가깝습니다. 이 조건을 OpenFOAM을 사용하여 3차원 수치 시뮬레이션으로 재현하고, LES 난류 모델을 적용했습니다.
Data Collection and Analysis Methods:
수치 시뮬레이션 데이터는 오픈소스 시각화 툴인 Paraview를 사용하여 분석되었습니다. 속도장, 하상 전단 응력, 항력 계수 등의 데이터를 추출하여 이전 Fluent 연구 결과와 정성적, 정량적으로 비교 분석했습니다. 항력 계수는 OpenFOAM의 forceCoeffs functionObject를 사용하여 계산되었습니다.
Research Topics and Scope:
연구 범위는 고정된 하상(fixed bed)을 가진 단일 원형 교각 주변의 난류 유동 시뮬레이션에 한정됩니다. 두 가지 시나리오, 즉 세굴 전 평탄한 하상(Configuration A)과 평형 세굴 후의 하상(Configuration B)을 다룹니다. 이동상(mobile bed)이나 세굴 과정 자체의 시뮬레이션은 포함되지 않습니다.
6. Key Results:
Key Results:
Configuration A (평탄한 하상): OpenFOAM 시뮬레이션은 Fluent 시뮬레이션보다 더 크고 난류성이 강한 후류 와류를 보여주었으며, 이는 실험 관찰 결과와 더 일치합니다. 하상 전단 응력은 양쪽 시뮬레이션에서 유사한 크기(최대 약 2 Pa)를 보였으나, OpenFOAM에서 와류의 영향이 더 명확하게 나타났습니다. OpenFOAM으로 계산된 평균 항력 계수는 1.21로, Fluent의 0.68보다 높았지만 와류 방출로 인한 주기적인 진동을 잘 포착했습니다.
Configuration B (세굴된 하상): 세굴된 하상 지형으로 인해 후류 와류의 강도는 Configuration A보다 약해졌습니다. 이는 평형 상태에 도달했음을 시사합니다. 하상 전단 응력 값은 임계 전단 응력(0.5 Pa) 이하로 낮아져 추가적인 세굴이 발생하지 않는 평형 상태와 일치하는 결과를 보였습니다. 평균 항력 계수는 0.053으로 계산되었습니다.
전반적 평가: 개선된 구조 격자를 사용한 OpenFOAM 시뮬레이션은 이전 Fluent 연구에 비해 결과의 질이 향상되었으며, 특히 와류 구조 모사에서 뚜렷한 개선을 보였습니다. 두 소프트웨어의 시뮬레이션 결과는 정성적, 정량적으로 합리적인 일치를 보였습니다.
Figure List:
Figure 1. Flow around pier (reproduced from Breusers and Raudkivi, 1991).
Figure 2. Scour cavity obtained in the laboratory test (Ramos, 2012).
Figure 3. Final bed geometry (Ramos, 2012).
Figure 4. a) Velocity vs. time on a random point in a turbulent flow b) Different eddies sizes in turbulence (reproduced from Fergizer, 2002).
Figure 5. 3D representation of the meshes (left – Ramos (2012); right – OpenFOAM).
Figure 6. Details of the mesh used in OpenFOAM simulations.
Figure 7. Schematic description of the geometry and its boundary-conditions.
Figure 8. Schematic description of the configurations and the planes where are presented the velocity fields (left – side view; right – top view).
Figure 9. Fluent results to velocity field (m/s) (t=20s; Configuration A) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow (Ramos, 2012).
Figure 10. OpenFOAM results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration A) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow.
Figure 11. Fluent results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration A) in the symmetry plane of the channel (Ramos, 2012).
Figure 12. OpenFOAM results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration A) in the symmetry plane of the channel.
Figure 13. Fluent results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration A).
Figure 14. OpenFOAM results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration A).
Figure 15. Drag coefficient vs. flow time (Configuration A).
Figure 16. Fluent results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration B) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow (Ramos, 2012).
Figure 17 – OpenFOAM results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration B) in the parallel plane to the bed channel, on half depth of the flow.
Figure 18. Fluent results to velocity magnitude (m/s) (t=20s; Configuration B) in the symmetry plane of the channel (Ramos, 2012).
Figure 19. Fluent results to longitudinal velocity (m/s) (t=20s; Configuration B) in the symmetry plane of the channel (Ramos, 2012).
Figure 20. Fluent results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration B).
Figure 21. OpenFOAM results to bed shear stress (Pa) (t=20s; Configuration B).
Figure 22. Drag coefficient vs. flow time (Configuration B).
7. Conclusion:
OpenFOAM 툴박스를 사용하여 교각 주변의 유동에 대한 3차원 수치 시뮬레이션이 개발되었습니다. 평탄한 하상과 세굴된 하상 구성에 대해 LES 난류 모델을 사용하여 난류 유동을 시뮬레이션했습니다. 결과 중 일부는 상용 소프트웨어 Fluent를 사용하여 Ramos(2012)가 얻은 동일한 유동의 시뮬레이션과 비교되었습니다. Configuration A(평탄한 하상)에서는 Ramos(2012)의 연구와 달리 정규 격자를 사용하여 결과의 질을 명확하게 향상시켰습니다. 두 번째 구성(평형 세굴 깊이)에서도 정규 격자를 다시 적용했으며, 이를 위해 복잡한 모래 하상 형상으로 인한 문제를 방지하기 위해 불규칙한 하상을 단순화해야 했습니다. 와류, 특히 후류 와류 방출의 계산이 개선되었습니다. 속도장에서 말굽 와류의 출현은 명확하지 않지만, 세굴 구덩이 바로 상류에서 관찰된 교란은 긍정적인 신호입니다. 저자들의 관점에서, 각 소프트웨어(Fluent 및 OpenFOAM)로 얻은 시뮬레이션은 Ramos(2012)가 수행한 실험실 테스트에서 관찰된 예상 결과와 정성적, 정량적으로 합리적인 일치를 보입니다. 교각의 항력 계수 결과는 경험식(White, 2006)에서 주어진 값과 일치합니다.
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White, F. (2006) Fluid Mechanics. McGraw-Hill Companies; 6th edition.
Expert Q&A: Your Top Questions Answered
Q1: OpenFOAM 시뮬레이션에서 구조 격자(structured mesh)를 사용한 이유는 무엇이며, 이전 연구와 비교하여 어떤 개선을 가져왔나요?
A1: 구조 격자는 셀이 정규적인 방식으로 정렬되고 분포되어 있어 데이터 처리 속도를 높입니다. 특히 본 연구에서는 교각 주변과 경계층 근처에 셀을 미세하게 배열하여 유동 구조를 더 정확하게 포착할 수 있었습니다. 논문에 따르면, 이 개선된 격자 구성은 후류 와류(wake vortex)를 더 현실에 가깝게 모사하는 데 결정적인 역할을 했으며, 이는 이전 연구(Ramos, 2012) 대비 결과의 질을 명확하게 향상시킨 핵심 요인입니다.
Q2: OpenFOAM으로 계산된 항력 계수(평균 1.21)가 경험식 값(약 0.73)과 상당한 차이를 보입니다. 이 결과를 어떻게 해석해야 하나요?
A2: 수치 자체의 차이도 중요하지만, 더 주목할 점은 Figure 15에서 보이는 항력 계수의 주기적인 진동입니다. 이 진동은 교각 후류에서 와류가 주기적으로 방출되면서 발생하는 힘의 변화를 물리적으로 올바르게 표현한 것입니다. 이 진동의 주파수와 진폭 정보는 교량 구조물의 피로 파괴나 공진 현상 등을 분석하는 동적 해석에 매우 중요한 데이터입니다. 따라서 평균값의 차이보다는 이러한 동적 거동을 성공적으로 포착했다는 점에 더 큰 의미를 둘 수 있습니다.
Q3: OpenFOAM 시뮬레이션에서 VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용한 이유는 무엇인가요?
A3: 논문에 따르면, OpenFOAM 시뮬레이션은 20cm의 물층과 5cm의 공기층으로 구성된 2상 유동(two-phase flow)을 모사했습니다. VOF 기법은 이처럼 서로 섞이지 않는 두 유체(물과 공기)의 경계면을 추적하는 데 사용됩니다. 이는 이전 Fluent 연구에서 물만 시뮬레이션했던 것과 차이가 있으며, 자유 수면의 효과를 더 현실적으로 고려하기 위한 접근 방식입니다.
Q4: 복잡한 형상의 세굴된 하상(Configuration B)에 대해 어떻게 정규 격자를 적용했나요?
A4: 논문에서는 실제 세굴된 하상의 복잡하고 불규칙한 형상을 그대로 격자로 만드는 대신, 형상을 단순화(simplified)했다고 명시하고 있습니다. 이는 정규적인 셀 분포를 가진 구조 격자를 적용하기 위한 일종의 타협이었습니다. LES 모델이 많은 계산 시간을 요구하기 때문에, 격자 생성의 복잡성을 줄여 수치 해석 문제를 덜 복잡하게 만들기 위한 중요한 단계였습니다.
Q5: 세굴 과정에서 중요한 말굽 와류(horseshoe vortex)는 시뮬레이션에서 성공적으로 관찰되었나요?
A5: 논문에 따르면, 속도장(Figure 18, 19)에서 말굽 와류의 존재가 명확하게 나타나지는 않았습니다. 말굽 와류는 작고 복잡한 와류 시스템이라 계산하기 어렵기 때문입니다. 하지만 해당 영역에서 상당한 난류(turbulence)가 관찰되었으며, 저자들은 이를 “좋은 신호(a good signal)”라고 평가했습니다. 이는 비록 와류의 형태가 뚜렷하지 않더라도, 해당 물리 현상이 어느 정도 모사되고 있음을 시사합니다.
Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity
이 연구는 교량 붕괴의 주된 원인인 교각 세굴 시뮬레이션에서 오픈소스 CFD 소프트웨어인 OpenFOAM의 높은 잠재력을 명확히 보여주었습니다. 특히, 체계적인 구조 격자 설계를 통해 상용 소프트웨어인 Fluent에 필적하거나 일부 측면(예: 와류 모사)에서는 더 현실적인 결과를 도출할 수 있음을 입증했습니다. 이는 고가의 상용 소프트웨어에 대한 효과적인 대안을 제시하며, 더 많은 엔지니어와 연구자들이 복잡한 수리 현상 해석에 접근할 수 있는 길을 열어줍니다.
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연락처 : 02-2026-0442
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Copyright Information
This content is a summary and analysis based on the paper “NUMERICAL SIMULATION OF THE FLOW AROUND A PIER USING OPENFOAM” by “PEDRO RAMOS, JOÃO PEDRO PÊGO & RODRIGO MAIA”.
Source: ISBN 978-989-96479-2-3, 3rd IAHR Europe Congress, Book of Proceedings, 2014, Porto – Portugal.
이 문서는 FLOW-3D HYDRO 소프트웨어를 활용한 3d cfd 모델링의 주요 내용과 적용 사례를 소개합니다. CFD는 유체 흐름을 정확하게 시뮬레이션하여 수자원 인프라 설계에 활용될 수 있는 강력한 도구입니다. 특히, 복잡한 유동 현상 분석, 고위험 프로젝트 검증, 비표준 설계 평가, 그리고 다른 모델링 도구와의 연계에 유용합니다. 다양한 사용자 사례 연구를 통해 CFD의 실제 적용 가능성과 효과를 보여줍니다. 이 자료는 수자원 분야에서 CFD 모델링의 잠재력을 이해하고 활용하는 데 도움을 줍니다.
1. 💧 3D CFD 모델링의 개념과 FLOW-3D HYDRO의 주요 기능
3D CFD(전산 유체 역학)는 유체가 환경과 상호 작용하는 방식을 정확하고 상세하게 시뮬레이션하여 다양한 설계 분석에 활용할 수 있는 도구입니다.
3D CFD는 속도의 세 가지 구성 요소를 모두 다루기 때문에 1D/2D 모델의 제한적인 가정과 달리, 복잡한 위어와 같은 수직 유동 가속도가 강한 현상도 직접적으로 해석할 수 있습니다.
가상 실험실처럼 다양한 구조물 형상과 접근 유동 조건을 테스트하고, 높은 정확도가 필요하거나 비표준/고비용 설계, 다중 물리 현상 시뮬레이션 등에 적합합니다.
CFD는 물리적 모델링과 연계하여 검증 및 확인 데이터를 제공하며, 구조 설계 등의 복잡한 개념을 효과적으로 전달하는 데 도움이 됩니다.
FLOW-3D HYDRO는 토목, 환경, 해안 분야를 포함한 다양한 수자원 인프라 적용을 위한 상업용 3D CFD 솔루션으로, 첨단 자유 수면 해석, 고급 다중 물리 모델링, 전문 지원과 글로벌 적용 사례 등 다양한 특징을 지닙니다.
2. 🛠️ 깊은 터널 시스템의 환경 방류 문제 사례
영국 Mut MacDonald의 노후 복합 하수도 시스템에서 강우 시 처리장 용량을 초과하는 미처리 유량이 발생합니다.
이로 인해 미처리 하수가 환경으로 직접 방류(CSO)되어 환경 오염 문제가 발생합니다.
해당 사례는 CFD 소프트웨어를 적용해 실제 수자원 인프라의 문제를 분석한 사용자 사례입니다.
3. 🏗️ FLOW-3D HYDRO의 실제 적용 사례와 효율성
기존 인프라의 고유 설계와 높은 비용 문제를 CFD로 해결하고, 조절기 및 월류 구조의 수정과 저유속 영역 제거, 에너지 소산 극대화 등의 주요 목표를 달성하였습니다.
수문 게이트 방류량 등급 곡선 개발 및 검증을 통해 유량과 상류 수심의 관계를 제시하고, 1D 모델 검증과 침전물 축적 가능성을 파악하여 설계에 반영하였습니다.
CFD 결과는 위험 감소와 이해관계자 정보전달에 탁월한 시각적 자료 제공 등, 복잡한 인프라 설계의 효율적 프로젝트 진행에 기여하였습니다.
루이지애나 해안선 복원에는 인공 암초 적용 및 9가지 대안 시뮬레이션을 실시하여, 최대 파랑 감소와 높은 비용 효율성을 확보하였고, 실제 모니터링 결과와 2% 이내 일치, 해안선 후퇴를 약 50% 감소시켰습니다.
어도 설계에서는 다양한 어종의 수영 속도에 맞춘 정밀한 3D 유동 해석으로 높은 성공률을 달성하였으며, 모든 생활 단계를 만족시키는 설계가 가능함을 보였습니다.
기존 여수로 등급 곡선 개발에서는 87가지 시뮬레이션 자동화를 활용해 31일 소요 작업을 단 4일로 단축하고, 컴퓨팅 비용은 730달러로 절감하였습니다; CFD 결과는 물리적 모델과 3% 이내로 정확히 일치하였습니다.
3.1. ️ FLOW-3D HYDRO를 활용한 기존 인프라 문제 해결 사례
기존 인프라는 비표준 설계 필요성과 높은 비용이 발생하는 문제가 있습니다.
FLOW-3D HYDRO를 활용하여 기존 하수도 라인의 조절기 및 월류 구조를 수정하고, 드롭 샤프트에 유량 제어 게이트를 포함한 새로운 구조를 추가했습니다.
주요 목표는 인근 강으로의 방류 이벤트 감소, 침전물 축적 방지를 위한 저유속 영역 제거, 공기 혼입 최소화, 드롭 샤프트 내 에너지 소산 극대화입니다.
시뮬레이션 결과, 1년 유동 피크 이벤트에서도 모든 유량이 드롭 샤프트로 흐르고 강으로의 방류가 발생하지 않음을 확인했습니다.
3.2. ️ 하수도 시스템 개선을 위한 FLOW-3D HYDRO 적용 사례
고유속 영역 및 과도 효과 분석, 1D 모델과의 검증, 그리고 침전물이 쌓일 수 있는 저유속 영역을 식별하여 설계를 조정하였습니다.
25년 유동 피크 이벤트를 고려해, 드롭 샤프트 상류의 조절기 게이트 작동 기준을 정의하였습니다.
CFD를 활용해 게이트 방류량 등급 곡선을 개발 및 검증했으며, 유량과 상류 수심 간의 관계를 제시하였습니다.
CFD를 통한 결과는 복잡하고 고비용의 인프라 설계 프로젝트에서 위험을 줄이는 데 유용함이 입증되었으며, 다양한 이해관계자에게 정보를 전달하는 시각적 자료로도 효과적입니다.
3.3. 루이지애나 해안선 침식 문제와 인공 암초 CFD 적용
루이지애나 지역은 극심한 파랑 에너지로 심각한 해안선 침식이 발생하고 있습니다.
실제 파랑 감소 성능에 대한 정보는 제한적이며, 물리적 테스트는 비용이 매우 높습니다.
FLOW-3D HYDRO로 9가지 인공 암초 디자인과 다양한 구성에 대해, 실제 현장 파랑과 수위 조건을 이용해 시뮬레이션을 진행했습니다.
구조물 유무에 따라 파고를 비교하고, 가장 큰 파랑 감소 효과를 주는 대안을 식별했으며, 비용 효율성도 함께 고려했습니다.
CFD 모델 예측값과 모니터링 결과 오차는 2% 이내였으며, 해안선 후퇴가 약 50% 감소하는 성공적 파랑 감쇠가 확인되었습니다.
3.4. 호주 어도의 복잡한 설계 검증과 3D CFD 모델링의 효과
FLOW-3D HYDRO는 광범위한 수리 조건에서 다양한 어종과 여러 생활 단계를 모두 수용해야 하는 복잡한 어도 설계 검증에 활용됩니다.
설계의 목표는 암석 경사로 어도와 보육 슬롯이 지정된 설계 기준을 충족하는지 확인하는 것입니다.
대규모 수리학 분석과 개별 보육 슬롯의 수리학 분석을 통해 각 설계 옵션의 효율성을 평가합니다.
시뮬레이션된 유속 데이터를 바탕으로, 대상 어종의 버스트(burst) 및 유지(sustained) 수영 속도와 비교하여 어류 이동 가능성을 분석합니다.
3D CFD 모델링 결과, 13종 2700마리의 모든 생활 단계의 어류가 성공적으로 통과하여 매우 높은 성공률을 보여주었으며, 이는 실제 어류의 규모에서 어도 수리학을 직접 분석하는 데 혁신적인 방법임을 의미합니다.
3.5. FLOW-3D HYDRO 기반 자동화된 여수로 등급 곡선 개발의 혁신
1950년대부터 사용된 기존의 여수로 등급 곡선 업데이트에는 시간과 노력이 많이 드는 수동적 물리적 모델링 방식이 사용되어 왔으며, 반복적이고 비효율적인 문제가 있었습니다.
FLOW-3D HYDRO를 활용해 87개의 시뮬레이션 작업을 자동화하여, 수동 설정 대비 소요 시간을 100시간 이상에서 약 하루로 대폭 단축하였습니다.
전체 컴퓨팅 비용은 87건 시뮬레이션에 730달러이며, 오류 발생도 감소하였습니다.
최종적으로 CFD 시뮬레이션 결과는 물리적 모델 데이터와 약 3% 이내로 거의 정확히 일치하여, 전통적 물리적 모델의 31일 작업을 CFD 자동화로 4일만에 달성할 수 있었습니다.
4. 🏞️ CFD 모델링의 주요 추가 기능과 실행 고려사항
침전물 운반 및 침식(Scour) 모델링은 완전한 3D 이동상 침전물 운반 모델을 사용하여 전단 응력 기반의 바닥 하중 운반 및 유출을 계산합니다.
Flow-3D는 물고기의 직접 움직임 모델링은 지원하지 않으나, 유속과 난류 특성 등 유압 출력 데이터를 활용해 어류 이동 경로 및 생물학적 기준(예: 수영 속도) 비교에 사용할 수 있습니다.
높은 유속 영역을 시각화함으로써 어류가 이동 가능한 경로를 파악하는 데 유용합니다.
지형 데이터는 GIS 래스터(GeoTIFF), LandXML, 3D CAD(STL) 등 다양한 소스에서 가져올 수 있으며, 정확한 지형 정보 확보가 시뮬레이션의 정확성에 핵심적입니다.
시뮬레이션 런타임은 모델 복잡성, 셀 수, 하드웨어에 따라 수 분에서 수 일로 달라지며, 초기 설정은 빠른 코스 메쉬로 1시간 이내, 생산 실행은 6-12시간이 일반적입니다.
비뉴턴 유체(진흙, 광미, 파편 등)의 특수한 물리적 특성까지 모델링 가능합니다.
5. 🚀 3D CFD 모델링의 장점과 FLOW-3D HYDRO의 미래적 기회
3D CFD 모델링, 특히 FLOW-3D HYDRO는 정확성, 유연성, 위험 감소, 효과적인 의사소통 등 수자원 인프라 프로젝트에 필수적인 여러 이점을 제공합니다.
FLOW-3D HYDRO는 자유 수면 모델링, 고급 다중 물리 모듈, 직관적 인터페이스, 체계적 지원 등에서 차별화된 강점을 갖습니다.
이러한 기술 발전과 통합은 앞으로 더욱 보편화될 것으로 예상됩니다.
Q&A
Q1: FLOW-3D HYDRO는 어떤 분야의 수자원 인프라 프로젝트에 주로 활용되나요?
A1: FLOW-3D HYDRO는 토목, 환경, 해안 공학 분야를 포함한 광범위한 수자원 인프라 프로젝트에 활용됩니다. 댐 및 여수로, 이송 인프라, 강 및 환경 적용, 수처리, 항만 및 해안 적용 등 다양한 문제 해결에 사용될 수 있습니다.
Q2: 3D CFD 모델링이 1D/2D 모델링과 비교했을 때 가지는 주요 장점은 무엇인가요?
A2: 3d cfd 모델링은 속도의 세 가지 구성 요소를 모두 다루므로, 1D/2D 모델의 제한적인 가정(예: 깊이 평균 유량) 없이 복잡한 유동 현상(예: 수직 유동 가속도가 강한 위어)을 직접 해석할 수 있습니다. 또한, 가상 실험실처럼 다양한 시나리오를 테스트하고, 높은 정확도가 필요한 고위험/고비용 프로젝트에 적합하며, 복잡한 다중 물리 현상을 시뮬레이션할 수 있습니다.
Q3: FLOW-3D HYDRO를 활용한 실제 적용 사례 중 가장 인상 깊었던 것은 무엇이며, 그 이유는 무엇인가요?
A3: 여러 인상 깊은 사례가 있지만, 특히 ‘자동화된 여수로 등급 곡선 개발’ 사례가 인상 깊습니다. 1950년대부터 사용되던 수동적 물리적 모델링 방식이 31일이 소요되던 작업을 flow-3d hydro를 활용하여 단 4일 만에 완료하고, 컴퓨팅 비용도 730달러로 절감하며 물리적 모델과 3% 이내의 정확도를 보였다는 점이 기술 혁신과 효율성 측면에서 매우 뛰어난 성과를 보여주기 때문입니다.
Q4: FLOW-3D HYDRO가 물고기 이동 모델링을 직접 지원하지 않음에도 불구하고, 어도 설계에 어떻게 기여할 수 있나요?
A4: FLOW-3D HYDRO는 물고기 자체의 움직임을 직접 모델링하지는 않지만, 유속, 난류 특성 등 유압 출력 데이터를 제공합니다. 이 데이터를 활용하여 대상 어종의 수영 속도와 비교하고, 높은 유속 영역을 시각화함으로써 어류가 이동 가능한 경로를 파악하는 데 유용하게 사용될 수 있습니다. 이를 통해 어류의 모든 생활 단계를 만족시키는 정밀한 어도 설계가 가능해집니다.
FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 직사각형 침전지(Rectangular Sedimentation Tank) 치수가 수리 효율(Hydraulic Efficiency)에 미치는 영향에 대한 수치적 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의: 침전지(Settling Basin)는 수처리 및 폐수 처리 공정에서 입자 침전(Sediment Separation)을 위해 중요한 역할을 한다.
침전지의 효율을 높이기 위해서는 원활하고 균일한 흐름을 유지하고, 순환 영역(Circulation Zone)을 최소화해야 한다.
기존 설계 방법은 경험적 공식에 의존하여 유체의 역학적 세부 사항을 충분히 고려하지 못하는 한계가 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 직사각형 침전지의 치수(Length/Width 및 Length/Depth 비율)가 흐름 패턴과 수리 효율에 미치는 영향을 분석.
침전지의 순환 영역 감소 및 침전 효율 최적화를 목표로 함.
L/W(길이/너비) 및 L/d(길이/깊이) 비율 변화를 통한 최적의 침전지 설계 조건 도출.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
FLOW-3D 소프트웨어의 VOF(Volume of Fluid) 기법 및 FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 지형 모델링.
k-ε 난류 모델을 사용하여 유동 패턴을 시뮬레이션.
침전지 설계:
입구(Inlet) 및 출구(Outlet) 위치와 부피는 모든 시나리오에서 동일하게 유지.
직사각형 침전지의 L/W 비율: 1, 2, 4, 8 (Case 1~4)
L/d 비율: 5, 7, 10 (Case 5, 3, 6)
모델 검증:
Shahrokhi et al. 실험 데이터와 비교하여 수치 모델의 신뢰성 평가.
침전지 치수 시나리오
L/W 비율 시나리오:
길이 증가와 너비 감소를 동시에 적용하여 순환 영역의 부피 변화 분석.
Case 1(정사각형, L/W = 1)부터 Case 4(L/W = 8)까지 비교.
L/d 비율 시나리오:
깊이 감소와 함께 길이 고정(2 m) 조건에서 순환 영역 및 에너지 분포 분석.
Case 5(L/d = 5), Case 3(L/d = 7), Case 6(L/d = 10) 비교.
주요 결과
L/W 비율 변화에 따른 영향
순환 영역 부피 감소 효과:
L/W 비율 증가 시, 순환 영역 부피가 53% → 22%로 감소.
정사각형 탱크(L/W = 1)에서 순환 영역 부피는 53%, L/W = 8에서는 22%로 감소.
유속 및 에너지 분포 변화:
최대 운동 에너지(red zone)가 80% → 30%로 감소.
이는 입자 침전 효율을 크게 개선함을 의미.
L/d 비율 변화에 따른 영향
순환 영역 감소 효과:
L/d 비율 증가(5 → 10) 시, 순환 영역 부피 54% → 16%로 감소.
깊이 감소(0.4m → 0.2m) 시, 순환 영역 감소 및 유속 균일화 효과 발생.
운동 에너지 분포 개선:
최대 운동 에너지 영역 길이가 1.5m → 0.9m로 감소.
이는 침전지 바닥에 부드럽고 균일한 흐름을 형성하여 침전 효율을 향상시킴.
모델 검증 결과
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 일치도 확인.
속도 프로파일의 평균 제곱근 오차(RMSE)가 x 방향 0.11, 0.07, 0.08, z 방향 0.13, 0.10, 0.19로 분석됨.
이는 유동 패턴 예측 정확도가 높음을 의미.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D를 활용한 침전지 설계 최적화 가능성 입증.
L/W 비율이 4 이상, L/d 비율이 7 이상일 때 최적의 침전 효율을 제공.
순환 영역 부피를 감소시켜 입자 침전 성능을 개선할 수 있음.
최적화된 설계는 건설 및 유지보수 비용 절감에도 기여할 수 있음.
향후 연구 방향:
다양한 형태의 침전지(L자형 등)를 대상으로 L/W 및 L/d 비율에 따른 추가 연구 필요.
다양한 유동 조건 및 입자 특성을 고려한 수치 모델 고도화.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 침전지 성능 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D 소프트웨어를 통해 직사각형 침전지의 치수 최적화를 위한 설계 가이드라인을 제공하며, 수처리 및 폐수 처리 공정의 효율을 극대화할 수 있는 실질적인 데이터와 설계 기준을 제시한다.
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이 소개자료는 Sustainability에서 발표한 FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
연구 목적
본 연구는 하류 수리 구조물의 흐름 특성을 분석하기 위해 FLOW-3D 모델을 개발하는 것을 목표로 함.
연구 방법
모델링 설정
FLOW-3D 모델을 사용하여 3차원 비정상류 해석을 수행하였음.
하류 수리 구조물의 형상 및 주변 지형을 고려하여 계산 영역을 설정하였음.
적절한 난류 모델 및 경계 조건을 적용하여 모델의 정확도를 높였음.
모델 검증
실험실 또는 현장 측정 데이터를 확보하여 모델 예측 결과와 비교 분석하였음.
수위, 유속 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 적합성을 평가하였음.
모델 파라미터 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과
흐름 특성 분석
하류 수리 구조물 주변에서 발생하는 복잡한 흐름 패턴(예: 재순환, 박리)을 시각적으로 확인하였음.
구조물 특정 지점에서의 유속 및 압력 변화를 정량적으로 분석하였음.
설계 변수 변화에 따른 흐름 특성 변화를 파악하여 최적 설계 방안 도출의 기초 자료를 제공하였음.
구조물 영향 평가
하류 수리 구조물의 존재 유무에 따른 상하류 흐름 변화를 비교 분석하였음.
구조물 형상(예: 높이, 폭) 변화가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였음.
특정 흐름 조건에서 구조물의 안정성 및 기능성을 예측하였음.
결론 및 시사점
본 연구에서 개발된 FLOW-3D 모델은 하류 수리 구조물의 흐름 특성 분석에 효과적인 도구로 활용될 수 있음.
모델링 결과를 바탕으로 하류 수리 구조물의 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 형태의 하류 수리 구조물에 대한 모델링 및 실험 연구를 통해 모델의 적용 범위를 확대할 필요가 있음.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1
surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
레퍼런스
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본 소개 자료는 “Journal of the Korean Society of Civil Engineers”에서 발행한 “변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증”논문을 기반으로 합니다.
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
연구 배경 및 목적
문제 정의
항주파(ship waves)는 선박의 이동으로 인해 발생하는 파랑으로, 이는 선박의 속도, 수심 및 해안 구조물에 따라 다르게 나타남.
기존의 항주파 연구는 일정한 수심을 가정한 연구가 많았으며, 변수심에서의 항주파 예측 연구는 부족한 상황.
Kelvin(1887)의 이론은 심해 조건에서만 유효하며, 중간 수심(intermediate-depth)이나 변수심(varying water depth)에 적용하기 어렵다.
연구 목적
Kelvin(1887)의 항주파 이론을 확장하여, 변수심에서도 적용 가능한 이론식을 개발.
FLOW-3D를 활용하여 수치 해석을 수행하고, 개발된 이론식의 정확성을 검증.
선박이 이동할 때 항주파의 형상이 어떻게 변하는지 분석하여 해안 및 항만 설계에 기여.
연구 방법
항주파 이론식 개발
기존 Kelvin(1887) 이론의 선형 분산 관계식(dispersion relation)의 순환 관계를 이용하여 확장된 항주파 이론식을 유도.
중간 수심(intermediate water depth)과 변수심(varying water depth)에서도 적용 가능하도록 개선.
수치 실험(FLOW-3D) 설정
수치 모델:
계산 영역: 1000m × 250m × 30m
격자 간격: △x = 2m, △y = 1m, △z = 0.5m
선박 속도: 6m/s, 8m/s
수심 조건: hc = 10m, hd = 15m, hs = 5m
바닥 경사: 1/100, 1/61
FLOW-3D 모델링 기법:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적
RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용한 난류 해석
Havelock(1908)의 최대 파향각(cusp locus angle) 이론과 비교하여 검증 수행
주요 결과
이론식과 FLOW-3D 시뮬레이션 비교
FLOW-3D 결과는 개발된 이론식과 높은 일치도를 보임.
바닥 경사가 급할수록, 선박 항적 중심선의 좌우 비대칭성이 증가.
얕은 쪽에서는 굴절로 인해 파향선이 해안선과 평행,
깊은 쪽에서는 역굴절(reverse refraction)로 인해 파향선이 해안선과 직각.
선박 속도 증가 시, 최대 파향각이 커지는 경향을 보임.
오차 분석 결과, RMSE(root mean squared error)가 4% 이내로 이론식과 수치 해석이 잘 일치.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 변수심에서도 항주파 형상을 정확히 예측할 수 있음을 검증.
이론식은 중간 수심 및 변수심에서도 높은 정확도를 보이며, 기존 Kelvin(1887) 이론의 한계를 극복함.
바닥 경사가 급한 경우, 해안선 가까운 영역에서는 항주파의 형상이 크게 변함을 확인.
향후 연구 방향
더 다양한 해저 지형과 수심 조건에서 항주파 전파 특성 분석.
현장 실험을 통해 FLOW-3D 시뮬레이션 결과의 검증 강화.
해양 구조물 설계 및 연안 보호를 위한 최적 설계 모델 개발.
연구의 의의
본 연구는 변수심에서도 적용 가능한 항주파 예측 이론을 제시하고, FLOW-3D를 활용하여 검증을 수행함으로써, 항주파 분석의 정확성을 높이는 데 기여하였다. 이는 해안 공학 및 항만 설계에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 1. Ship wave pattern (Kelvin, 1887)
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
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본 소개 논문은 한국해안·해양공학회논문집에서 발행한 논문 “FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험”의 연구 내용입니다.
1. 서론
해상풍력 터빈 및 해상 플랫폼과 같은 구조물의 설치가 증가하면서 세굴(Scour) 현상이 중요한 연구 주제로 부각됨.
해양 구조물은 조류 및 파랑에 의해 해저 입자가 제거될 가능성이 높으며, 이는 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 HeMOSU-1 해상 자켓 구조물 주변에서 발생하는 세굴을 수치적으로 분석하고, 일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성을 비교하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
Case 1: 유입부에 1m/s의 일정한 흐름을 적용한 일방향 흐름 해석.
Case 2: 유속이 -1~1 m/s로 변동하는 왕복성 흐름을 고려한 해석.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성 비교
Case 1(일방향 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.32m.
Case 2(왕복성 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.44m.
현장 측정값과 비교 결과
HeMOSU-1 주변의 현장 측량 결과 세굴 깊이가 약 1.5~2.0m로 확인됨.
왕복성 흐름을 고려한 Case 2의 결과가 실제 데이터와 가장 유사한 값을 보임.
세굴 현상의 주요 원인
해양 조류 흐름으로 인해 구조물 전면부에서 침식이 발생하고, 후면부에서 퇴적 현상이 관찰됨.
왕복성 흐름에서는 해저 입자의 이동이 지속적으로 반복되며, 최종적으로 일방향 흐름보다 깊은 세굴이 형성됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션을 통해 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 현상을 정량적으로 분석할 수 있음.
왕복성 흐름을 고려한 모델이 실제 현장 데이터와 가장 유사한 결과를 제공.
장기적인 해석이 필요하며, 세굴 저감을 위한 추가적인 설계 대책 마련이 요구됨.
향후 연구 방향
장기적인 흐름 변화 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 정밀도 향상.
해저 지반 강화 및 세굴 저감 기술 개발을 위한 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실제 측량 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 해상 풍력 및 해양 구조물 설계 시 세굴 저감을 위한 실질적인 설계 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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본 소개 자료는 Nat. Hazards Earth Syst. Sci에 게재된 논문 “The 1958 Lituya Bay tsunami – pre-event bathymetry reconstruction and 3D numerical modelling utilising the computational fluid dynamics software Flow-3D”의 연구 내용입니다.
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges
P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions
(R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).
1. 서론
리투야 베이(Lituya Bay)는 1958년 거대한 암석 산사태에 의해 발생한 세계에서 가장 높은 쓰나미(최대 런업 524m)가 기록된 지역.
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 산사태 유발 충격파(impulse wave) 시뮬레이션의 정확도를 평가하는 것을 목표로 함.
모델의 공간적 범위, 격자 해상도(grid resolution), 계산 시간 및 정확도의 상관관계를 분석하고, 실험적 검증을 통해 쓰나미 형성과 전파 과정을 재현하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 3D 수치 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식과 RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 지형 및 해저 지형을 정밀하게 모델링.
사전 지형 복원
1958년 쓰나미 발생 이전의 리투야 베이 지형을 복원하기 위해 기존 측량 데이터(U.S. Coast and Geodesic Survey, 1926, 1942, 1959)를 활용.
최대 수심 -220m로 추정하며, 쓰나미 발생 전후 해저 침전물 변화 분석.
3. 연구 결과
쓰나미 형성과 파랑 전파 분석
암석 산사태의 충격 속도(약 93m/s)와 충돌로 인해 생성된 최대 쓰나미 파고는 약 208m.
암석 충격 후 약 24초 이내에 주요 쓰나미가 형성되며, 파고는 초기 208m에서 전파 과정에서 감소.
쓰나미의 전파 및 최대 런업 분석
쓰나미가 기울어진 해안선을 따라 524m까지 상승하여, 1km 거리를 흐르며 해안선을 따라 이동.
최대 런업이 발생한 지역에서의 유속은 약 50~70m/s로 계산됨.
격자 해상도에 따른 정확도 분석
격자 크기 5m일 때 가장 정확한 결과를 제공하며, 최대 런업을 가장 잘 재현.
격자 크기 20m에서는 쓰나미의 전파 및 침수 범위가 과소평가됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 쓰나미 시뮬레이션이 리투야 베이의 역사적 데이터를 성공적으로 재현.
밀도가 높은 유체(denser fluid) 개념을 사용하여 산사태에 의한 충격파를 효과적으로 모델링 가능.
격자 해상도와 계산 시간 간의 균형이 중요하며, 5m 격자 해상도가 가장 정확한 결과를 제공.
향후 연구 방향
다양한 지형 및 쓰나미 조건을 고려한 추가 시뮬레이션 수행 필요.
고해상도 위성 데이터 및 최신 측량 기술을 활용하여 모델 검증 필요.
3D 유체-지형 상호작용 모델을 개선하여 향후 자연재해 예방에 기여 가능.
5. 연구의 의의
본 연구는 1958년 리투야 베이 쓰나미를 3D 수치 모델링을 통해 재현하고, FLOW-3D를 이용한 충격파 및 파랑 전파 해석 기법의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 지진 및 산사태로 인한 쓰나미 예측 모델의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges
P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions
(R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).
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본 소개 내용은 [Journal of Hydraulic and Water Engineering (JHWE)]에서 발행한 [“Investigating Effect of Changing Vegetation Height with Irregular Layout on Reduction of Waves using Flow-3D Numerical Model”] 의 연구 내용입니다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
1. 서론
해안 식생은 파랑 감쇠 효과를 제공하여 해안 침식을 방지하고 생태계를 보호하는 역할을 함.
식생의 높이, 배치 방식 및 밀도는 파랑 감쇠 효율에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 방안을 도출하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과를 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 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
식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석
식생의 배치 방식(긴-짧은, 짧은-긴, 지그재그) 및 네 가지 파랑 조건을 고려하여 감쇠율 분석.
긴-짧은(long-to-short) 배치가 가장 효과적인 감쇠 효과를 보이며, 감쇠율(POD)이 최대 36.62%에 도달.
지그재그 배치(zigzag)도 효과적이지만, 짧은-긴(short-to-long) 배치는 상대적으로 낮은 감쇠 효과를 보임.
높이 변화가 큰 배치일수록 유동 저항이 증가하여 감쇠 효과가 증대됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 식생의 기하학적 배치는 파랑 감쇠 성능에 중요한 영향을 미침.
긴-짧은(long-to-short) 패턴이 파랑 감쇠에 가장 효과적이며, 이는 최대 저항을 초기 구간에서 제공하기 때문임.
짧은-긴(short-to-long) 배치는 감쇠 효과가 낮으며, 식생 배치 전략에 있어 신중한 설계가 필요함.
향후 연구 방향
다양한 식생 밀도 및 유속 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 및 최적화 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 식생 배치 방식에 따른 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 전략을 제안하였다. 이를 통해 연안 보호 및 해안 침식 방지에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
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본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 Xiqiao Mountain(시차오산)의 버섯 돌(Mushroom Stone) 형성 과정을 규명함.
기존 연구에서는 유수 침식(stream water erosion)이 주요 형성 원인으로 제시되었으나, 본 연구에서는 CFD 분석을 통해 침식 외에도 화학적 및 물리적 풍화 작용이 결정적인 역할을 했음을 입증하고자 함.
광물 분석 및 현장 조사와 함께 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 물리적, 화학적 풍화 작용과 유동 역학 간의 관계를 평가함.
연구 방법
현장 조사 및 샘플링
드론(DJI Phantom 4 RTK)을 활용하여 버섯 돌의 3D 지형 데이터를 정밀 측정.
암석 시료 7개를 서로 다른 위치에서 채취하여 **광물 분석(mineralogical analysis)**을 수행함.
지질 나침반을 사용하여 버섯 돌 곡면의 방향 및 침식 패턴을 기록함.
FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션
자유 표면 유동(Free Surface Flow)을 모델링하여 홍수 시 버섯 돌 주변의 유속 및 압력 분포를 분석.
난류 모델 적용: RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하여 난류 효과를 고려함.
모의 홍수 실험을 진행하여 홍수 시기 물의 흐름이 버섯 돌에 미치는 영향을 평가함.
결과 비교 및 검증
광물 분석 데이터 및 현장 조사 결과를 CFD 시뮬레이션과 비교하여 풍화 및 침식 기작을 검증.
침식 패턴, 유속, 압력 분포 등을 종합 분석하여 버섯 돌 형성의 주요 기작을 도출함.
주요 결과
홍수 시 버섯 돌 주변 유동 특성
시뮬레이션 결과, 최고 유속은 버섯 돌의 측면에서 발생하며, 전·후면에서는 상대적으로 낮은 유속을 보임.
버섯 돌의 전면(상류 방향)에서는 고압력이 발생하여 아래쪽으로 흐름이 집중됨, 이는 하부 침식을 유도함.
그러나 시뮬레이션 결과, 버섯 돌의 좁은 하부 구조는 단순한 유수 침식만으로 형성될 수 없음을 보여줌.
버섯 돌 침식 패턴 및 풍화 작용
CFD 분석 결과, 버섯 돌 하부(풍하측)에 퇴적물이 집중적으로 형성되며, 이는 침식보다 퇴적 과정이 더 중요한 역할을 했음을 시사함.
실험 데이터와 비교 시, 유수 침식만으로는 현장에서 관찰된 곡면 구조를 재현할 수 없음.
대신, 장기간 퇴적물이 축적되면서 화학적 및 물리적 풍화 작용이 진행되었을 가능성이 높음.
광물 분석 결과 및 풍화 작용
XRD(X-ray diffraction) 분석 결과, 버섯 돌 하부의 암석은 석고(gypsum) 및 점토 광물 함량이 높으며, 이는 화학적 풍화가 활발하게 진행되었음을 의미함.
석고 크리스탈이 성장하면서 암석 내부 균열을 유발하는 할로클래스티(haloclasty) 현상이 관찰됨.
장기간 퇴적층 내에 존재했던 암석이 화학적 풍화 및 수분에 의한 연화 작용으로 약해진 후, 외부 퇴적물이 제거되면서 버섯 돌 하부의 곡면이 형성됨.
버섯 돌 형성 과정 및 주요 기작 정리
1단계: 버섯 돌이 퇴적물 속에 매립됨 → 장기간 퇴적물 내에서 화학적 풍화가 진행됨.
2단계: 퇴적물 제거 후, 풍화된 암석이 노출되면서 내부 곡면이 형성됨.
3단계: 추가적인 기계적 풍화 및 석고 결정 성장이 내부 균열을 유발하며 현재의 버섯 돌 형태가 완성됨.
결론
유수 침식만으로 버섯 돌이 형성되었다는 기존 가설은 CFD 시뮬레이션 결과와 일치하지 않음.
광물 분석 및 화학적 풍화 모델링 결과, 할로클래스티(haloclasty) 및 습윤 연화(softening due to moisture) 작용이 버섯 돌 형성의 주요 기작으로 확인됨.
CFD 시뮬레이션을 통한 수력학적 해석과 광물 분석을 결합하여 자연 암석 형성 기작을 정량적으로 분석하는 새로운 접근법을 제시함.
향후 연구에서는 장기적인 풍화 속도 및 추가적인 유체-암석 상호작용 모델링을 수행해야 함.
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문제 정의: 댐 붕괴(Dam Failure)는 하류 지역의 인명 및 재산 안전에 심각한 위협을 가할 수 있다.
댐 붕괴 시 발생하는 홍수는 예측이 어렵고 복잡한 수리학적 현상을 동반하며, 긴급 구조 및 대응 계획 마련이 필수적이다.
특히 Tangjiashan 산사태 댐(Tangjiashan Landslide Dam)과 같은 장애호수(Barrier Lake)의 붕괴는 갑작스러운 월류 및 사면 불안정(Slope Instability)을 초래할 수 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 3차원 수치 모델링을 통해 시뮬레이션.
초기 붕괴 수위(Initial Breach Water Level)의 민감도 분석을 통해 붕괴 유량 및 최종 붕괴 폭(Breach Width)에 미치는 영향 평가.
비상 계획 수립 및 재난 대응을 위한 기술적 참조 자료 제공.
연구 방법
댐 모델링 및 시뮬레이션 설정
모델 구축:
Autodesk Civil3D 소프트웨어를 사용하여 위성 원격 감지 데이터를 바탕으로 Tangjiashan 댐의 3D 모델 생성.
댐의 실제 지형 데이터를 1:1 비율로 반영하여 복잡한 월류 및 붕괴 과정을 시뮬레이션.
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션:
3차원 수치 모델을 통해 월류(Ovetopping) 및 붕괴 과정 재현.
계산 효율성을 높이기 위해:
모델 크기: 1100m × 700m × 150m.
붕괴 영역(Breach Area)에는 세밀한 격자(2.5m × 2.5m × 2.5m) 사용.
총 유효 격자 수: 약 390만 개.
경계 조건(Boundary Condition) 설정:
상류(Upstream): 압력 경계(Pressure Boundary).
하류(Downstream): 자유 유출(Outflow) 경계.
측면(Sides): 대칭 경계(Symmetrical Boundary).
바닥(Bottom): 벽(Wall) 경계.
상단(Top): 대기압과 동일한 압력 경계(Atmospheric Pressure).
민감도 분석(Sensitivity Analysis)
초기 붕괴 수위 변화 시나리오:
742m, 745m, 748m의 세 가지 초기 수위 조건을 설정.
각각의 초기 수위에 따른 최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow) 및 붕괴 폭 변화 분석.
침식 및 퇴적 모델링:
댐 재료의 물리적 특성(예: 건조 벌크 밀도 2200 kg/m³, 임계 Froude 수 0.05)을 반영.
모델 입력 파라미터는 기존 연구 및 현장 측정 데이터를 활용.
주요 결과
시뮬레이션 결과 분석
최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow):
742m 초기 수위에서 6937 m³/s 도달.
745m 초기 수위에서는 7597 m³/s, 9.5% 증가.
748m 초기 수위에서는 8542 m³/s, 23.1% 증가.
최종 붕괴 폭(Breach Width):
초기 수위 증가에 따라 150m → 220.8m로 47.2% 증가.
유량 도달 시간(Time to Peak Flow):
초기 수위 증가 시 도달 시간이 단축:
742m 수위에서는 5.83시간, 748m에서는 3.55시간(39.1% 감소).
모델 검증(Validation):
시뮬레이션 결과와 현장 측정 데이터 비교:
최대 붕괴 유량의 상대 오차 7.05%.
최종 붕괴 폭의 상대 오차 4.16%.
유량 도달 시간은 실제보다 약 40분 빠름.
민감도 분석 결과
초기 붕괴 수위는 붕괴 과정에 매우 민감:
수위가 높아질수록 붕괴 유량 및 하류 방출 유량이 급격히 증가.
정확한 초기 수위 측정의 중요성 강조.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 소프트웨어를 통한 Tangjiashan 댐 붕괴 시뮬레이션이 실제 현상과 높은 일치도를 보임.
초기 붕괴 수위는 붕괴 유량, 최종 붕괴 폭 및 붕괴 과정 전반에 큰 영향을 미침.
긴급 구조 및 대응 계획 수립 시 초기 수위 데이터를 정확히 반영할 필요.
본 연구 결과는 향후 장애호수 붕괴 대응 및 재난 관리 정책 수립에 중요한 기술적 참조 자료 제공.
향후 연구 방향:
수치 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 물의 밀도 변화(퇴적물 침식에 따른 영향) 고려.
다양한 초기 조건(예: 강우 패턴, 하천 유량 변화)에 따른 시나리오 분석.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 댐 붕괴 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 정량적으로 평가하고, 재난 대응 및 비상 계획 수립을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공하며, 장애호수 붕괴 시 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 기여할 수 있다.
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FLOW-3D를 이용한 활성 단층 인근 동시 산사태 발생에 따른 충격파 시뮬레이션: 터키 남동부 체틴 댐 저수지 사례 연구
연구 목적
본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 체틴 댐 저수지에서 발생할 수 있는 **충격파(impulse wave)**의 특성을 3D 수치 시뮬레이션으로 분석함.
활성 단층 지역에서 발생하는 산사태가 저수지 내에서 충격파를 유발하는 메커니즘을 연구함.
단일 산사태와 동시 다발적 산사태가 발생할 경우의 충격파 영향을 비교 분석함.
충격파의 간섭(interference) 효과가 저수지 내 파랑 특성과 댐 구조물에 미치는 영향을 평가함.
연구 방법
지질 및 지형 모델링
연구 지역은 터키 남동부 체틴 댐 저수지로, 아라비아판과 타우루스판이 만나는 조산대에 위치함.
댐과 저수지 주변의 주요 단층 구조와 산사태 가능 지역을 고려하여 3D 지형 모델을 생성함.
1/25,000 축척의 디지털 지형 데이터를 사용하여 저수지 및 주변 지형을 모델링함.
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유수면과 산사태 물질 간의 상호작용을 해석함.
RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 적용하여 유체 흐름과 충격파 전파 특성을 평가함.
부분적으로 잠긴 산사태(4900m 거리)와 완전히 노출된 산사태(800m 거리)를 각각 독립적으로 모델링하고, 이후 두 산사태가 동시에 발생하는 경우를 시뮬레이션함.
결과 비교 및 검증
개별 산사태와 동시 산사태가 발생했을 때의 충격파 높이와 전파 속도를 비교함.
실험 및 문헌 데이터를 활용하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 검증함.
충격파 간섭 현상이 발생하는 위치와 그 영향 범위를 분석함.
추가 분석
충격파의 증폭(constructive interference) 또는 감쇠(destructive interference) 여부를 평가함.
저수지 경계 및 댐 구조물과의 충돌이 파형 변화에 미치는 영향을 연구함.
충격파의 전파 거리와 수심에 따른 에너지 소산 효과를 분석함.
주요 결과
산사태별 충격파 특성
산사태 1(800m 거리, 육상 산사태): 34초 후 댐에 도달, 최대 파고 4.0m 발생.
산사태 2(4900m 거리, 부분 침수 산사태): 205초 후 댐에 도달, 최대 파고 4.2m 발생.
단일 산사태의 경우, 발생 위치에 따라 파고와 도달 시간이 달라짐.
동시 발생 산사태의 파랑 간섭 효과
두 충격파가 97초 후 상호 충돌하며 최대 5.7m의 파고를 형성함.
댐 인근에서 최종적으로 5.6m의 파고가 형성되었으며, 이는 개별 산사태보다 1.4m 증가한 수치임.
예상과 달리 충격파가 서로 상쇄되지 않고 증폭(interference amplification) 되는 현상이 관찰됨.
저수지 내 충격파 감쇠 현상
충격파는 저수지 지형과 충돌하면서 일부 감쇠됨.
산사태에서 댐까지의 거리, 산사태 질량, 충격각도에 따라 파랑의 감쇠율이 달라짐.
5km 이상 이동한 충격파는 경로 상 장애물에 의해 에너지가 감소하는 경향을 보임.
댐 안전성 및 설계 시 고려사항
활성 단층 인근의 저수지는 동시 다발적 산사태로 인한 복합 충격파 위험을 고려해야 함.
기존 단일 충격파 분석만으로는 실제 위험성을 과소평가할 가능성이 있음.
향후 연구에서는 실규모 실험과 추가적인 CFD 모델링을 통해 댐 설계 및 운영 기준을 개선해야 함.
결론
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 충격파는 개별 산사태보다 동시 산사태에서 더 높은 파고를 형성함.
충격파의 간섭 효과로 인해 댐 인근에서 5.6m의 높은 파고가 발생할 가능성이 있음.
산사태의 발생 위치, 저수지 지형, 파랑 간섭 효과 등을 종합적으로 고려해야 함.
향후 연구에서는 다중 산사태 시뮬레이션을 추가로 수행하여 댐의 안전성을 정량적으로 평가해야 함.
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3D CFD(전산유체역학) 모델링은 수력 구조물 설계 및 해석에서 중요한 도구로 사용되며, 기존의 1D 및 2D 해석 방법보다 복잡한 유체 거동을 정확하게 예측할 수 있음.
FLOW-3D HYDRO는 비정수압 유동, 자유 수면 해석, 다중 물리 모델링(예: 퇴적물 이동, 열전달, 공기 유입) 기능을 포함한 상용 3D CFD 소프트웨어임.
본 연구는 FLOW-3D HYDRO를 활용하여 Garrison 댐(미국 미주리 강)의 방수로(spillway) 해석을 수행하고, 기존 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확성을 평가함.
연구 방법
FLOW-3D HYDRO 개요
VOF(Volume of Fluid) 기법: 자유 수면 추적을 위한 핵심 기술.
FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법: 복잡한 지형을 효과적으로 격자화.
난류 모델링: RANS 및 LES 모델을 지원하여 다양한 난류 흐름 해석 가능.
다중 물리 모델링: 퇴적물 이동, 공기 유입, 열전달 등 복합적인 물리 현상 시뮬레이션 가능.
Garrison 댐 방수로 사례 연구
방수로 형상: 총 길이 1,444ft, 28개의 방수문(40ft × 29ft).
기존 물리 실험 데이터를 활용하여 CFD 시뮬레이션 결과 검증.
3단계 해석 접근법:
2D 단면 해석 – 방수로 크레스트의 유동 특성 분석.
단일 방수문 3D 해석 – 방수로 내 유속 및 압력 분포 해석.
전체 방수로 3D 해석 – 실제 조건과 동일한 환경에서 흐름 해석 수행.
모델 검증 및 최적화
다양한 격자 크기와 해석 조건을 비교하여 최적의 계산 효율 및 정확도를 확보.
실험 결과와의 비교를 통해 오차 범위 ±2.5~5% 이내로 유지됨.
자동화 도구(FLOW-3D X)를 활용하여 총 180개의 시뮬레이션을 반복 실행하고 최적의 설정 도출.
주요 결과
FLOW-3D HYDRO를 활용한 3D CFD 시뮬레이션은 방수로 방류량 예측에서 실험 데이터와 높은 일치도를 보였음.
방수로 압력 분포 해석: 특정 조건에서 국부적 음압(negative pressure)이 발생하여 공동현상(cavitation) 위험이 존재함을 확인.
2D/3D 결합 모델의 유용성: 방수로 상류 구간에서는 2D 천수 모델을, 크레스트 및 하류 구간에서는 3D 모델을 사용하여 계산 효율을 극대화.
계산 속도 최적화: 고성능 병렬 연산을 적용하여 8배의 연산 속도 향상을 달성.
결론 및 향후 연구
FLOW-3D HYDRO는 복잡한 수력 구조물의 유동 해석에 효과적인 도구이며, 실험 데이터와의 비교를 통해 신뢰성이 검증됨.
Garrison 댐 방수로 사례 연구를 통해 3D CFD 모델의 적용 가능성을 입증하고, 최적의 해석 절차(2D/3D 결합, 자동화 시뮬레이션, 병렬 연산 기법 등)를 제시함.
향후 연구에서는 공동현상 예측 모델 개선, 다양한 방수로 형상 적용, 장기적 퇴적물 이동 해석 등을 추가적으로 수행할 필요가 있음.
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Analysis on inundation characteristics by compound external forces in coastal areas
연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석
Taeuk Kanga, Dongkyun Sunb, Sangho Leec* 강 태욱a, 선 동균b, 이 상호c*
aResearch Professor, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, Korea bResearcher, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, Korea cProfessor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea a부경대학교 방재연구소 전임연구교수 b부경대학교 방재연구소 연구원 c부경대학교 공과대학 토목공학과 교수 *Corresponding Author
ABSTRACT
연안 지역은 강우, 조위, 월파 등 여러가지 외력에 의해 침수가 발생될 수 있다. 이에 이 연구에서는 연안 지역에서 발생될 수 있는 단일 및 복합 외력에 의한 지역별 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려한 외력은 강우와 폭풍 해일에 의한 조위 및 월파이고, 분석 대상지역은 남해안 및 서해안의 4개 지역이다. 유역의 강우-유출 및 2차원 지표면 침수 분석에는 XP-SWMM이 사용되었고, 폭풍 해일에 의한 외력인 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 모형과 FLOW-3D 모형이 각각 활용되었다. 단일 외력을 이용한 분석 결과, 대부분의 연안 지역에서는 강우에 의한 침수 영향보다 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 크게 나타났다. 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 지역의 침수 피해 저감을 위해서는 복합 외력을 고려한 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.
키워드
연안 지역
침수 분석
강우
폭풍 해일
복합 외력
The various external forces can cause inundation in coastal areas. This study is to analyze regional characteristics caused by single or compound external forces that can occur in coastal areas. Storm surge (tide level and wave overtopping) and rainfall were considered as the external forces in this study. The inundation analysis were applied to four coastal areas, located on the west and south coast in Republic of Korea. XP-SWMM was used to simulate rainfall-runoff phenomena and 2D ground surface inundation for watershed. A coupled model of ADCIRC and SWAN (ADCSWAN) was used to analyze tide level by storm surge and the FLOW-3D model was used to estimate wave overtopping. As a result of using a single external force, the inundation influence due to storm surge in most of the coastal areas was greater than rainfall. The results of using compound external forces were quite similar to those combined using one external force independently. However, a case of considering compound external forces sometimes created new inundation areas that didn’t appear when considering only a single external force. The analysis considering compound external forces was required to reduce inundation damage in these areas.
우리나라는 반도에 위치하여 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 해양 산업을 중심으로 부산, 인천, 울산 등 대규모의 광역도시가 발달하였을 뿐만 아니라, 창원, 포항, 군산, 목포, 여수 등의 중․소규모 도시들도 발달되어 있다. 또한, 최근에는 연안 지역이 바다를 전망으로 하는 입지 조건을 가지고 있어 개발 선호도가 높고, 이에 따라 부산시 해운대의 마린시티, 엘시티와 같은 주거 및 상업시설의 개발이 지속되고 있다(Kang et al., 2019b).
한편, 최근 기후변화에 따른 지구 온난화 현상으로 평균 해수면이 상승하고, 해수면 온도도 상승하면서 태풍 및 강우의 강도가 커지고 있어 전 세계적으로 자연 재해로 인한 피해가 증가하고 있다(Kim et al., 2016). 실제로 2020년에는 최장기간의 장마가 발생하여 부산, 울산은 물론, 전국에서 50명의 인명 피해와 3,489세대의 이재민이 발생하였다1). 특히, 연안 지역은 강우, 만조 시 해수면 상승, 폭풍 해일(storm surge)에 의한 월파(wave overtopping) 등 복합적인 외력(compound external forces)에 의해 침수될 수 있다(Lee et al., 2020). 일례로, 2016년 태풍 차바 시 부산시 해운대구의 마린시티는 강우와 폭풍 해일에 의한 월파가 발생함에 따라 대규모 침수를 유발하였다(Kang et al., 2019b). 또한, 2020년 7월 23일에 부산에서는 시간당 81.6 mm의 집중호우와 약최고고조위를 상회하는 만조가 동시에 발생하였고, 이로 인해 감조 하천인 동천의 수위가 크게 상승하여 하천이 범람하였다(KSCE, 2021).
연안 지역의 복합 외력을 고려한 침수 분석에 관한 사례로서, 우선 강우와 조위를 고려한 연구 사례는 다음과 같다. Han et al. (2014)은 XP-SWMM을 이용하여 창원시 배수 구역을 대상으로 침수 모의를 수행하였는데, 연안 도시의 침수 모의에는 조위의 영향을 반드시 고려해야 함을 제시하였다. Choi et al. (2018a)은 경남 사천시 선구동 일대에 대하여 초과 강우 및 해수면 상승 시나리오를 조합하여 침수 분석을 수행하였다. Choi et al. (2018b)은 XP-SWMM을 이용하여 여수시 연등천 및 여수시청 지역에 대하여 강우 시나리오와 해수위 상승 시나리오를 고려한 복합 원인에 의한 침수 모의를 수행하여 홍수예경보 기준표를 작성하였다. 한편, 강우, 조위, 월파를 고려한 연구 사례로서, Song et al. (2017)은 부산시 해운대구 수영만 일원에 대하여 XP-SWMM으로 월파량의 적용 유무에 따른 침수 면적을 비교하였다. Suh and Kim (2018)은 부산시 마린시티 지역을 대상으로 태풍 차바 때 EurOtop의 경험식을 ADSWAN에 적용하여 월파량을 반영하였다. Chen et al. (2017)은 TELEMAC-2D 및 SWMM을 기반으로 한 극한 강우, 월파 및 조위를 고려하여 중국 해안 원자력 발전소의 침수를 예측하고 분석하기 위한 결합 모델을 개발한 바 있다. 한편, Lee et al. (2020)은 수리‧수문학 분야와 해양공학 분야에서 사용되는 물리 모형의 기술적 연계를 통해 연안 지역의 침수 모의의 재현성을 높였다.
상기의 연구들은 공통적으로 연안 지역에 대하여 복합 외력을 고려했을 때 발생되는 침수 현상의 재현 또는 예측을 목적으로 수행되었다. 이 연구는 이와 차별하여 복합 외력을 고려하는 경우 나타날 수 있는 연안 지역의 침수 특성 분석을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 단일 외력을 독립적으로 고려했을 때 발생되는 침수 양상과 동시에 고려하는 경우의 침수 현상을 비교, 분석하였다. 복합 외력에 의한 지역적 침수 특성 분석은 우리나라 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역에 대하여 적용되었다.
연안 지역의 침수는 크게 세 가지의 메카니즘으로 발생될 수 있다. 우선, 연안 지역은 바다와 인접하고 있기 때문에 그 영향을 직접적으로 받는다. Kim (2018)에 의하면, 연안 지역의 침수는 폭풍 해일에 의해 상승한 조위와 월파로 인해 발생될 수 있다(Table 1). 특히, 경상남도의 창원과 통영, 인천광역시의 소래포구 어시장 등 남해안 및 서해안 지역의 일부는 백중사리, 슈퍼문(super moon) 등 만조 시 조위의 상승으로 인한 침수가 발생하는 지역이 존재한다(Kang et al., 2019a). 두 번째는 강우에 의한 내수 침수 발생이다. ME (2011)에서는 도시 지역의 우수 관거를 10 ~ 30년 빈도로 계획하도록 지정하고 있고, 펌프 시설은 30 ~ 50년 빈도의 홍수를 배수시킬 수 있도록 정하고 있다. 하지만 최근에는 기후변화의 영향으로 도시 지역 배수시설의 설계 빈도를 초과하는 강우가 빈번하게 나타나고 있다. 실제로 2016년의 태풍 차바 시 울산 기상관측소에 관측된 시간 최대 강우량은 106.0 mm로서, 이는 300년 빈도 이상의 강우량에 해당하였다(Kang et al., 2019a). 따라서 배수시설의 설계 빈도 이상의 강우는 연안 도시 지역의 침수를 유발할 수 있다. 세 번째, 하천이 인접한 연안 도시에서는 하천의 범람으로 인해 침수가 발생할 수 있다. 하천의 경우, 기본계획이 수립되기는 하지만, 설계 빈도를 상회하는 강우의 발생, 제방, 수문 등 홍수 방어시설의 기능 저하, 예산 등의 문제로 하천기본계획 이행의 지연 등에 의해 범람할 가능성이 존재한다.
Table 1.
Type of natural hazard damage in coastal areas (Kim, 2018)
Item
Risk factor
Facilities damage
∙ Breaking of coastal facilities by wave – Breakwater, revetment, lighters wharf etc. ∙ Local scouring at the toe of the structures by wave ∙ Road collapse by wave overtopping
Inundation damage
∙ Inundation damage by wave overtopping ∙ Inundation of coastal lowlands by storm surge
Erosion damage
∙ Backshore erosion due to high swell waves ∙ Shoreline changes caused by construction of coastal erosion control structure ∙ Sediment transport due to the construction of artificial structures
상기의 내용을 종합하면, 연안 지역은 조위 및 월파에 의한 침수, 강우에 의한 내수 침수, 하천 범람에 의한 침수로 구분될 수 있다. 이 연구에서는 폭풍 해일에 의한 조위 상승 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 유발 외력으로 고려하였다. 하천 범람의 경우, 상대적으로 사례가 희소하여 제외하였다.
2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법
이 연구에서는 조위 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 발생에 관한 외력 조건으로 고려하였다. 따라서 해당 외력 조건을 고려하여 침수 분석을 수행할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같이 수리‧수문 및 해양공학 분야에서 사용되는 물리 기반 모형의 연계를 통해 조위, 월파, 강우를 고려한 침수 분석 방법을 제시하였고, 이 연구에서는 해당 방법을 이용하였다.
Fig. 1.
Connection among the models for inundation analysis in coastal areas (Lee et al., 2020)
우선, 태풍에 의해 발생되는 폭풍 해일의 영향을 분석하기 위해서는 태풍에 의해 발생되는 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등을 고려하여 해수면의 변화 양상 및 조석-해일-파랑을 충분히 재현 가능해야 한다. 이 연구에서는 국내․외에서 검증 및 공인된 폭풍 해일 모형인 ADCIRC 모형과 파랑 모형인 UnSWAN이 결합된 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and UnSWAN)을 이용하였다. 정수압 가정의 ADCSWAN은 월파량 산정에 단순 경험식을 적용하는 단점이 있지만 넓은 영역을 모의할 수 있고, FLOW-3D는 해안선의 경계를 고해상도로 재현이 가능하다. 이에 연구에서는 먼 바다 영역에 대해서는 ADCSWAN을 이용하여 분석하였고, 연안 주변의 바다 영역과 월파량 산정에 대해서는 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 한편, 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역에서 발생하는 강우-유출 현상과 우수 관거 등의 배수 체계에 대한 분석이 가능해야 한다. 또한, 배수 체계로부터 범람한 물이 지표면을 따라 흘러가는 현상을 해석할 수 있어야 하고, 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 이러한 현상을 모의할 수 있고, 도시 침수 모의에 활용도가 높은 XP-SWMM을 이용하였다.
2.3 침수 분석 대상지역
연구의 대상지역은 조위 및 월파에 의한 침수와 강우에 의한 내수 침수의 영향이 복합적으로 발생할 수 있는 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역이다. Table 2는 침수 분석 대상지역을 정리하여 나타낸 표이고, Fig. 2는 각 지역의 유역 경계를 나타낸 그림이다.
Table 2.
Target region for inundation analysis
Classification
Administrative district
Target region
Area (km2)
Main cause of inundation
Pump facility
Number of major outfall
The south coast
Haundae-gu, Busan
Marine City area
0.53
Wave overtopping
–
9
Haundae-gu, Busan
Centum City area
4.76
Poor interior drainage at high tide level
1
2
The west coast
Gunsan
Jungang-dong area
0.79
Poor interior drainage at high tide level
2
3
Boryeong
Ocheon Port area
0.41
High tide level
–
5
Fig. 2.
Watershed area
남해안의 분석 대상지역 중 부산시 해운대구의 마린시티는 바다 조망을 중심으로 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 개발지역이다. 마린시티는 2016년 태풍 차바 및 2018년 태풍 콩레이 등 태풍 내습 시 월파에 의한 해수 월류로 인해 도로 및 상가 일부가 침수를 겪은 지역이다. 부산시 해운대구의 센텀시티는 과거 수영만 매립지였던 곳에 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 신도시 지역이다. 센텀시티 유역의 북쪽은 해발고도 El. 634 m의 장산이 위치하는 등 산지 특성도 가지고 있어 상대적으로 유역 면적이 넓고, 배수시설의 규모도 크고 복잡하다. 하지만 수영강 하구의 저지대 지역에 위치함에 따라 강우 시 내수 배제가 불량하고, 특히 만조 시 침수가 잦은 지역이다.
서해안 분석 대상지역 중 전라북도 군산시의 중앙동 일원은 군산시 내항 내측에 조성된 구도시로서, 금강 및 경포천 하구에 위치하는 저지대이다. 이에 따라 군산시 풍수해저감종합계획에서는 해당 지역을 3개의 영역으로 구분하여 내수재해 위험지구(영동지구, 중동지구, 경암지구)로 지정하였고, 이 연구에서는 해당 지역을 모두 고려하였다. 한편, 군산시 중앙동 일원은 특히, 만조 시 내수 배제가 매우 불량하여 2개의 펌프시설이 운영되고 있다. 충청남도 보령시의 오천면에 위치한 오천항은 배후의 산지를 포함한 소규모 유역에 위치한다. 서해안의 특성에 따라 조석 간만의 차가 크고, 특히 태풍 내습 시 폭풍 해일에 의한 침수가 잦은 지역이다. 산지의 강우-유출수는 복개된 2개의 수로를 통해 바다로 배제되고, 상가들이 위치한 연안 주변 지역에는 강우-유출수 배제를 위한 3개의 배수 체계가 구성되어 있다.
3. 연구 결과
3.1 침수 모의 모형 구축
XP-SWMM을 이용하여 분석 대상지역별 침수 모의 모형을 구축하였다. 적절한 침수 분석 수행을 위해 지역별 수치지형도, 도시 공간 정보 시스템(urban information system, UIS), 하수 관망도 등의 수치 자료와 현장 조사를 통해 유역의 배수 체계를 구성하였다. 그리고 2차원 침수 분석을 위해 무인 드론 및 육상 라이다(LiDAR) 측량을 수행하여 평면해상도가 1 m 이하인 고해상도 수치지형모형(digital terrain model, DTM)을 구성하였고, 침수 모의 격자를 생성하였다.
Fig. 3은 XP-SWMM의 상세 구축 사례로서 부산시 마린시티 배수 유역에 대한 소유역 및 관거 분할 등을 통해 구성한 배수 체계와 고해상도 측량 결과를 이용하여 구성한 수치표면모형(digital surface model, DSM)을 나타낸다. Fig. 4는 각 대상지역에 대해 XP-SWMM을 이용하여 구축한 침수 모의 모형을 나타낸다. 침수 분석을 위해서는 침수 모의 영역에 대한 설정이 필요한데, 다수의 사전 모의를 통해 유역 내에서 침수가 발생되는 지역을 검토하여 결정하였다.
Fig. 3.
Analysis of watershed drainage system and high-resolution survey for Marine City
Fig. 4.
Simulation model for inundation analysis by target region using XP-SWMM
복합 외력에 의한 침수 영향을 검토하기 위해서는 외력 조건에 대한 빈도와 지속기간의 설정이 필요하다. 이 연구에서는 재해 현상이 충분히 나타날 수 있도록 강우와 조위 및 월파의 빈도를 모두 100년으로 설정하였다. 이때, 조위와 월파량의 산정에는 만조(약최고고조위) 시, 100년 빈도에 해당하는 태풍 내습에 따른 폭풍 해일의 발생 조건을 고려하였다.
지역별 강우 발생 특성과 유역 특성을 고려하기 위해 MOIS (2017)의 방재성능목표 기준에 따라 임계 지속기간을 결정하여 대상지역별 강우의 지속기간으로 설정하였다. 이때, 강우의 시간 분포는 MLTM (2011)의 Huff 3분위를 이용하였다. 그리고 조위와 월파의 경우, 일반적인 폭풍 해일의 지속기간을 고려하여 5시간으로 결정하였다. 한편, 침수 모의를 위한 계산 시간 간격, 2차원 모의 격자 등의 입력자료는 분석 대상지역의 유역 규모와 침수 분석 대상 영역을 고려하여 결정하였다. 참고로 침수 분석에 사용된 수치지형모형은 1 m 급의 고해상도로 구성되었지만, 2차원 침수 모의 격자의 크기는 지역별로 3 ~ 4 m이다. 이는 연구에서 사용된 XP-SWMM의 격자 수(100,000개) 제약에 따른 설정이나, Sun (2021)은 민감도 분석을 통해 2차원 침수 분석을 위한 적정 격자 크기를 3 ~ 4.5 m로 제시한 바 있다.
Table 3은 이 연구에서 설정한 침수 모의 조건과 분석 방법을 정리하여 나타낸 표이다.
Table 3.
Simulation condition and method
Classification
Target region
Simulation condition
Simulation method
Rainfall
Storm surge
Simulation time interval
2D grid size
Return period
Duration
Temporal distribution
Return period
Duration
Watershed routing
Channel routing
2D inundation
The south coast
Marine City area
100 yr
1 hr
3rd quartile of Huff’s method
100
5 hr
5 min
10 sec
1 sec
3 m
Centum City area
1 hr
100
5 min
10 sec
1 sec
4 m
The west coast
Jungang-dong area
2 hr
100
5 min
10 sec
1 sec
3.5 m
Ocheon Port area
1 hr
100
1 min
10 sec
1 sec
3 m
3.2.2 복합 재해의 동시 고려
이 연구의 대상지역들은 모두 소규모의 해안가 도시지역이고, 이러한 지역에 대한 강우의 임계지속기간은 1시간 ~ 2시간이나, 이 연구에서 분석한 폭풍 해일의 지속기간은 5시간으로 강우의 지속기간과 폭풍 해일의 지속기간이 상이하다. 이에 이 연구에서는 서로 다른 지속기간을 가진 강우와 폭풍 해일 또는 조위를 고려하기 위해 강우의 중심과 폭풍 해일의 중심이 동일한 시간에 위치하도록 설정하였다(Fig. 5).
XP-SWMM은 폭풍 해일이 지속되는 5시간 전체를 모의하도록 설정하였고, 폭풍 해일이 가장 큰 시점에 강우의 중심이 위치하도록 강우 발생 시기를 결정하였다. 다만, 부산 마린시티의 경우, 폭풍 해일에 의한 피해가 주로 월파에 의해 발생되므로 강우의 중심과 월파의 중심을 일치시켰고(Fig. 5(a)), 상대적으로 조위의 영향이 큰 3개 지역은 강우의 중심과 조위의 중심을 맞추었다. Fig. 5(b)는 군산시 중앙동 지역의 복합 외력에 의한 침수 분석에 사용된 강우와 조위의 조합이다.
한편, 100년 빈도의 확률강우량만을 고려한 침수 분석에서는 유역 유출부의 경계조건으로 우수 관거의 설계 조건을 고려하여 약최고고조위가 일정하게 유지되도록 설정하였다.
Fig. 5.
Consideration of external force conditions with different durations
3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려
XP-SWMM에 ADCSWAN 및 FLOW-3D 모형에 의해 산정된 월파량을 입력하기 위해 해안가 지역에 절점을 생성하여 월파 현상을 구현하였다. XP-SWMM에서 월파량을 입력하기 위한 절점의 위치는 FLOW-3D 모형에서 월파량을 산정한 격자의 중심 위치이다.
Fig. 6(a)는 마린시티 지역에 대한 월파량 입력 지점을 나타낸 것으로서, 유역 경계 주변에 동일 간격으로 원으로 표시한 지점들이 해당된다. Fig. 6(b)는 XP-SWMM에 월파량 입력 지점들을 반영하고, 하나의 절점에 월파량 시계열을 입력한 화면을 나타낸다.
Fig. 6.
Considering wave overtopping on XP-SWMM
3.3 침수 모의 결과
3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과
Fig. 7은 단일 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, Fig. 7의 왼쪽 그림들은 지역별로 100년 빈도 강우에 의한 침수 모의 결과를 나타내고, Fig. 7의 오른쪽 그림들은 만조 시 100년 빈도 폭풍 해일에 의한 침수 모의 결과이다. 대체로 강우에 의한 침수 영역은 유역 중․상류 지역의 유역 전반에 걸쳐 발생하였고, 폭풍 해일에 의한 침수 영역은 해안가 전면부에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 폭풍 해일에 의한 조위 상승과 월파의 영향이 상류로 갈수록 감소하기 때문이다.
한편, 4개 지역 모두에서 공통적으로 강우에 비해 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 상대적으로 크게 분석되었다. 이러한 결과는 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 대비한 침수 피해 저감 노력이 보다 중요함을 의미한다.
Fig. 7.
Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)
3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과
Fig. 8은 복합 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, 강우 및 폭풍 해일을 동시에 고려함에 따라 발생된 침수 영역을 나타낸다. 복합 외력을 고려하는 경우, 단일 외력만을 고려한 분석 결과(Fig. 7)보다 침수 영역은 넓어졌고, 침수심은 깊어졌다.
복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였고, 이는 일반적으로 예상할 수 있는 결과이다. 주목할만한 결과는 군산시 중앙동의 침수 분석에서 나타났다. 즉, 군산시 중앙동의 경우, 단일 외력만을 고려한 침수 모의 결과에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하였다(Fig. 8(c)). 이와 관련된 상세 내용은 3.4절의 고찰에서 기술하였다.
Fig. 8.
Simulation results by compound external forces
3.4 결과 고찰
외력 조건별 침수의 영향을 정량적으로 비교하기 위해 침수 면적을 이용하였다. 이 연구에서는 강우만에 의해 유발된 침수 면적을 기준(기준값: 1)으로 하고, 폭풍 해일(조위+월파량)에 의한 침수 면적과 복합 외력에 의한 침수 면적의 상대적 비율로 분석하였다(Table 4).
Table 4.
Impact evaluation for inundation area by external force
Condition
Marine City, Busan
Centum City, Busan
Jungang-dong area, Gunsan
Ocheon Port area, Boryeong
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Single external force
Rainfall (①)
0.0164
1.0
0.0759
1.0
0.0457
1.0
0.0175
1.0
Storm surge (②)
0.0363
2.21
0.0685
0.90
0.1463
3.20
0.0412
2.35
Compound external forces
Combination (①+②)
0.0524
3.19
0.1505
1.98
0.2632
5.76
0.0473
2.70
분석 결과, 부산 센텀시티를 제외한 3개 지역은 모두 폭풍 해일에 의한 침수 면적이 강우에 의한 침수 면적에 비해 2.2 ~ 3.2배 넓은 것으로 분석되었다. 한편, 복합 외력에 의한 침수 면적은 마린시티와 센텀시티의 경우, 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합과 유사하게 나타났다. 이는 각각의 외력에 의한 침수 영역이 상이하여 거의 중복되지 않음을 의미한다. 반면에, 오천항에서는 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합이 복합 외력에 의한 면적보다 크게 나타났다. 이는 오천항의 경우, 유역면적이 작고 배수 체계가 비교적 단순하여 강우와 폭풍 해일에 의한 침수 영역이 중복되기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 7(d)).
군산시 중앙동 일대의 경우, 복합 외력에 의한 침수 면적이 각각의 독립적인 외력 조건에 의한 침수 면적의 합에 비해 37.1% 크게 나타났다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 복합 외력 조건에서만 나타난 우수 관거(Fig. 8(c)의 A 구간)에 대하여 종단을 검토하였다(Fig. 9). Fig. 9(a)는 강우만에 의해 분석된 우수 관거 내 흐름 종단을 나타내고, Fig. 9(b)는 폭풍 해일만에 의한 우수 관거의 종단이다. 그림을 통해 각각의 독립적인 외력 조건 하에서는 해당 구간에서 침수가 발생되지 않은 것을 볼 수 있다. 다만, 강우만을 고려하더라도 우수 관거는 만관이 된 상태를 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 반면에, 만관 상태에서 폭풍 해일이 함께 고려됨에 따라 해수 범람과 조위 상승에 의해 우수 배제가 불량하게 되었고, 이로 인해 침수가 유발된 것으로 분석되었다(Fig. 9(c)). 따라서 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단할 수 있고, 단일 외력의 고려만으로는 침수를 예상하기 어려운 지역임을 알 수 있다.
Fig. 9.
A part of drainage profiles by external force in Jungang-dong area, Gunsan
4. 결 론
이 연구에서는 외력 조건에 따른 연안 지역의 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려된 외력 조건은 두 가지로서 강우와 폭풍 해일(조위와 월파)이다. 분석 대상 연안 지역으로는 남해안에 위치하는 2개 지역(부산시 해운대구의 마린시티와 센텀시티)과 서해안의 2개 지역(군산시 중앙동 일원 및 보령시 오천항)이 선정되었다.
복합 외력을 고려한 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역의 강우-유출 현상과 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있는 침수 모의 모형이 요구되는데, 이 연구에서는 XP-SWMM을 이용하였다. 한편, 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 및 FLOW-3D 모형이 이용되었다.
연안 지역별 침수 모의는 100년 빈도의 강우와 폭풍 해일을 독립적으로 고려한 경우와 복합적으로 고려한 경우를 구분하여 수행되었다. 우선, 외력을 독립적으로 고려한 결과, 대체로 폭풍 해일만 고려한 경우가 강우만 고려한 경우에 비해 침수 영향이 크게 나타났다. 따라서 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 의한 침수 피해 방지 계획이 상대적으로 중요한 것으로 분석되었다. 두 번째, 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수 모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 결과는 독립적인 외력 조건에서는 우수 관거가 만관 또는 그 이하의 상태가 되지만, 두 가지의 외력이 동시에 고려됨에 따라 우수 관거의 통수능 한계를 초과하여 나타났다. 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단되었고, 해당 지역의 적절한 침수 방지 대책 수립을 위해서는 복합적인 외력 조건이 고려되어야 함을 시사하였다.
현행, 자연재해저감종합계획에서는 침수와 관련된 재해 원인 지역을 내수재해, 해안재해, 하천재해 등으로 구분하고 있다. 하지만 이 연구에서 검토된 바와 같이, 연안 지역의 침수 원인은 복합적으로 나타날 뿐만 아니라, 복합 외력을 고려함에 따라 추가적으로 나타날 수 있는 침수 위험 지역도 존재한다. 따라서 기존의 획일적인 재해 원인의 구분보다는 지역의 특성에 맞는 복합적인 재해 원인을 검토할 필요가 있음을 제안한다.
Acknowledgements
본 논문은 행정안전부 극한 재난대응 기반기술 개발사업의 일환인 “해안가 복합재난 위험지역 피해저감 기술개발(연구과제번호: 2018-MOIS31-008)”의 지원으로 수행되었습니다.
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한국농어촌공사는 수리시설안전진단사업을 통하여 노후 및 기능 저하된 농업생산기반시설물에 대하여 정밀안전진단을 실시하여 사전에 재해, 재난을 대비하고 있습니다.
측수로형 여수로는 계획 홍수량이하의 홍수량이 유입시엔 안정적으로 방류가 일어나나 계획 홍수량 이상의 홍수량이 유입되면 물넘이에서 불완전 월류가 발생하며 방류량이 충분하지 않게 됩니다. 측수로형 여수로는 설계당시의 홍수량에 비해 늘어난 현재에 맞게 변경된 홍수량이 유입할 경우 물넘이에서 불완전월류가 발생하는지를 확인하게 됩니다.
현재 농어촌공사와 농어촌연구원, 수자원공사, 학계 등에서는 전 세계에서 오랜 기간 학계의 연구활동을 통한 수많은 논문 검증과 현장 사용을 통해 검증된 FLOW-3D 수치해석 프로그램을 이용하고 있습니다.
특히, 농어촌공사의 정밀안전진단을 실시할 때 설계홍수량의 저수지 유입 시 물넘이에서 불완전월류가 발생하는지를 확인하고, 불완전월류 발생 시 수위 상승 영향을 분석해 안전성 검토 후 문제가 발견되면 보수·보강 방안을 제시할 수 있는 대표적인 3차원 수치해석 프로그램인 FLOW-3D 를 사용하고 있습니다.
2024년 한국농어촌공사 안전진단본부 여수로 불완전월류 정밀안전진단 FLOW-3D 수치 해석교육 장면
농어촌공사 정밀안전진단 업무 수행시 수치해석이 필요하십니까? 수치해석에 대해 궁금하신 사항이나 용역 의뢰가 필요하시면 언제든지 아래 연락처로 연락 주시기 바랍니다.
<담당자 연락처>
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당사에는 20년 이상 수치해석 수처리 분야의 수치해석 연구에 전념하고 있는 전문 연구인력과 다양한 기술적 경험과 전문 수치해석 용역 서비스를 제공하는 숙련된 기술팀이 준비되어 있습니다.
저수지 정밀안전진단 수치해석 과업 예시
과업의 범위
3차원 수치해석을 통한 OO저수지의 측수로부 수면 검토
측수로 불완전 월류 발생 여부 및 제방 여유고 검토
수치해석 과업 세부내용
가능최대홍수량과 200년, 100년 빈도의 홍수량에 대해 각각의 측수로부 3차원 수치해석
경계조건
가. 수위
만수위
홍수위 – 100년 빈도 – 200년 빈도 – 가능최대홍수량(PMF)
나. 홍수량
100년 빈도의 홍수량
200년 빈도의 홍수량
가능최대홍수량(PMF)
저수지 수위별 방류량 검토 및 제방 여유고 검토
경계조건에 대해 측수로부 물넘이 수면 형상 검토
수위별 방류량을 제공된 수리계산값과 수치해석 결과값을 비교하여 방류 능력 검토
수위에 따른 물넘이 수위를 검토하여 제방 여유고 검토
※ 수위별 수리계산값은 발주처에서 제공
성과물
100년빈도, 200년빈도 및 가능최대홍수량(PMF) 유입에 따른 측수로부 불완전 월류 여부로 인한 제방 여유고 안정성 검토
1Ph.D Student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University 2Director, Water Resources & Environment Department, HECOREA 3Director, Water Resources Department, ISAN 4Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University
1홍익대학교 건설환경공학과 박사과정 2㈜헥코리아 수자원환경사업부 이사 3㈜이산 수자원부 이사 4홍익대학교 건설환경공학과 교수
ABSTRACT
최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다. 수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다.
키워드 : 보조 여수로, FLOW-3D, 수치모의, 호안 안정성, 소류력
1. 서 론
최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로 유입되는 홍수량이 설계 홍수량보다 증가하여 댐 안정성 확보가 필요한 실정이다(Office for Government Policy Coordination, 2003). MOLIT & K-water(2004)에서는 기존댐의 수문학적 안정성 검토를 수행하였으며 이상홍수 발생 시 24개 댐에서 월류 등으로 인한 붕괴위험으로 댐 하류지역의 극심한 피해를 예상하여 보조여수로 신설 및 기존여수로 확장 등 치수능력 증대 기본계획을 수립하였고 이를 통하여 극한홍수 발생 시 홍수량 배제능력을 증대하여 기존댐의 안전성 확보 및 하류지역의 피해를 방지하고자 하였다. 여기서 보조 여수로는 기존 여수로와 동시 또는 별도 운영하는 여수로로써 비상상황 시 방류 기능을 포함하고 있고(K-water, 2021), 최근에는 기존 여수로의 노후화에 따라 보조여수로의 활용방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 기존 및 보조 여수로의 방류량 조합에 따른 하류 영향을 분석하고 하류 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오를 검토하고자 한다.
기존의 댐 여수로 검토에 관한 연구는 주로 수리실험을 통하여 방류조건 별 흐름특성을 검토하였으나 최근에는 수치모형 실험결과가 수리모형실험과 비교하여 근사한 것을 확인하는 등 점차 수치모형실험을 수리모형실험의 대안으로 활용하고 있다(Jeon et al., 2006; Kim, 2007; Kim et al., 2008). 국내의 경우, Jeon et al.(2006)은 수리모형 실험과 수치모의를 이용하여 임하댐 바상여수로의 기본설계안을 도출하였고, Kim et al.(2008)은 가능최대홍수량 유입 시 비상여수로 방류에 따른 수리학적 안정성과 기능성을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하여 검토하였다. 또한 Kim and Kim(2013)은 충주댐의 홍수조절 효과 검토 및 방류량 변화에 따른 상·하류의 수위 변화를 수치모형을 통하여 검토하였다. 국외의 경우 Zeng et al.(2017)은 3차원 수치모형인 Fluent를 활용한 여수로 방류에 따른 흐름특성 결과와 측정결과를 비교하여 수치모형 결과의 신뢰성을 검토하였다. Li et al.(2011)은 가능 최대 홍수량(Probable Maximum Flood, PMF)조건에서 기존 여수로와 신규 보조 여수로 유입부 주변의 흐름특성에 대하여 3차원 수치모형 Fluent를 활용하여 검토하였고, Lee et al.(2019)는 서로 근접해있는 기존 여수로와 보조여수로 동시 운영 시 방류능 검토를 수리모형 실험 및 수치모형 실험(FLOW-3D)을 통하여 수행하였으며 기존 여수로와 보조 여수로를 동시운영하게 되면 배수로 간섭으로 인하여 총 방류량이 7.6%까지 감소되어 댐의 방류능력이 감소하였음을 확인하였다.
그러나 대부분의 여수로 검토에 대한 연구는 여수로 내에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였고. 이에 기존 여수로와 보조 여수로 방류운영에 따른 하류하천의 흐름특성 변화 및 호안 안정성 평가에 관한 추가적인 검토가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안 안정성분석을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 이용하여 검토하였다. 또한 다양한 방류 배분 비율 및 허용 방류량 조건 변화에 따른 하류하천의 흐름특성 및 소류력 분석결과를 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 기준과 비교하여 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 최적의 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.
2. 본 론
2.1 이론적 배경
2.1.1 3차원 수치모형의 기본이론
FLOW-3D는 미국 Flow Science, Inc에서 개발한 범용 유체역학 프로그램(CFD, Computational Fluid Dynamics)으로 자유 수면을 갖는 흐름모의에 사용되는 3차원 수치해석 모형이다. 난류모형을 통해 난류 해석이 가능하고, 댐 방류에 따른 하류 하천의 흐름 해석에도 많이 사용되어 왔다(Flow Science, 2011). 본 연구에서는 FLOW-3D(version 12.0)을 이용하여 홍수 시 기존 여수로의 노후화에 대비하여 보조 여수로의 활용방안에 대한 검토를 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다.
2.1.2 유동해석의 지배방정식
1) 연속 방정식(Continuity Equation)
FLOW-3D는 비압축성 유체에 대하여 연속방정식을 사용하며, 밀도는 상수항으로 적용된다. 연속 방정식은 Eqs. (1), (2)와 같다.
(1)
∇·v=0
(2)
∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ
여기서, ρ는 유체 밀도(kg/m3), u, v, w는 x, y, z방향의 유속(m/s), Ax, Ay, Az는 각 방향의 요소면적(m2), RSOR는 질량 생성/소멸(mass source/sink)항을 의미한다.
2) 운동량 방정식(Momentum Equation)
각 방향 속도성분 u, v, w에 대한 운동방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 다음 Eqs. (3), (4), (5)와 같다.
여기서, Gx, Gy, Gz는 체적력에 의한 가속항, fx, fy, fz는 점성에 의한 가속항, bx, by, bz는 다공성 매체에서의 흐름손실을 의미한다.
2.1.3 소류력 산정
호안설계 시 제방사면 호안의 안정성 확보를 위해서는 하천의 흐름에 의하여 호안에 작용하는 소류력에 저항할 수 있는 재료 및 공법 선택이 필요하다. 국내의 경우 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서 계획홍수량 유하 시 소류력 산정 방법을 제시하고 있다. 소류력은 하천의 평균유속을 이용하여 산정할 수 있으며, 소류력 산정식은 Eqs. (6), (7)과 같다.
여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), I는 에너지경사, C는 Chezy 유속계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.
2) Manning 조도계수를 고려한 공식
Chezy 유속계수를 대신하여 Manning의 조도계수를 고려하여 소류력을 산정할 수 있다.
(7)
τ=γn2V2R1/3
여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), n은 Manning의 조도계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.
FLOW-3D 수치모의 수행을 통하여 하천의 바닥 유속을 도출할 수 있으며, 본 연구에서는 Maning 조도계수롤 고려하여 소류력을 산정하고자 한다. 소류력을 산정하기 위해서 여수로 방류에 따른 대안부의 바닥유속 변화를 검토하여 최대 유속 값을 이용하였다. 최종적으로 산정한 소류력과 호안의 재료 및 공법에 따른 허용 소류력과 비교하여 제방사면 호안의 안정성 검토를 수행하게 된다.
2.2 하천호안 설계기준
하천 호안은 계획홍수위 이하의 유수작용에 대하여 안정성이 확보되도록 계획하여야 하며, 호안의 설계 시에는 사용재료의 확보용이성, 시공상의 용이성, 세굴에 대한 굴요성(flexibility) 등을 고려하여 호안의 형태, 시공방법 등을 결정한다(MOLIT, 2019). 국내의 경우, 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서는 다양한 호안공법에 대하여 비탈경사에 따라 설계 유속을 비교하거나, 허용 소류력을 비교함으로써 호안의 안정성을 평가한다. 호안에 대한 국외의 설계기준으로 미국의 경우, ASTM(미국재료시험학회)에서 호안블록 및 식생매트 시험방법을 제시하였고 제품별로 ASTM 시험에 의한 허용유속 및 허용 소류력을 제시하였다. 일본의 경우, 호안 블록에 대한 축소실험을 통하여 항력을 측정하고 이를 통해서 호안 블록에 대한 항력계수를 제시하고 있다. 설계 시에는 항력계수에 의한 블록의 안정성을 평가하고 있으나, 최근에는 세굴의 영향을 고려할 수 있는 호안 안정성 평가의 필요성을 제기하고 있다(MOLIT, 2019). 관련된 국내·외의 하천호안 설계기준은 Table 1에 정리하여 제시하였고, 본 연구에서 하천 호안 안정성 평가 시 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)과 ASTM 시험에서 제시한 허용소류력 및 허용유속 기준을 비교하여 각각 0.28 kN/m2, 5.0 m/s 미만일 경우 호안 안정성을 확보하였다고 판단하였다.
Table 1.
Standard of Permissible Velocity and Shear on Revetment
Country (Reference)
Material
Permissible velocity (Vp, m/s)
Permissible Shear (τp, kN/m2)
Korea
River Construction Design Practice Guidelines (MOLIT, 2016)
Vegetated
5.0
0.50
Stone
5.0
0.80
USA
ASTM D’6460
Vegetated
6.1
0.81
Unvegetated
5.0
0.28
JAPAN
Dynamic Design Method of Revetment
–
5.0
–
2.3. 보조여수로 운영에 따른 하류하천 영향 분석
2.3.1 모형의 구축 및 경계조건
본 연구에서는 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 보조여수로의 활용방안에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안안정성 평가를 수행하기 위해 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 기존 여수로 및 보조 여수로는 치수능력 증대사업(MOLIT & K-water, 2004)을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하여 구축하였다. ○○댐은 설계빈도(100년) 및 200년빈도 까지는 계획홍수위 이내로 기존 여수로를 통하여 운영이 가능하나 그 이상 홍수조절은 보조여수로를 통하여 조절해야 하며, 또한 2011년 기존 여수로 정밀안전진단 결과 사면의 표층 유실 및 옹벽 밀림현상 등이 확인되어 노후화에 따른 보수·보강이 필요한 상태이다. 이에 보조여수로의 활용방안 검토가 필요한 것으로 판단하여 본 연구의 대상댐으로 선정하였다. 하류 하천의 흐름특성을 예측하기 위하여 격자간격을 0.99 ~ 8.16 m의 크기로 하여 총 격자수는 49,102,500개로 구성하였으며, 여수로 방류에 따른 하류하천의 흐름해석을 위한 경계조건으로 상류는 유입유량(inflow), 바닥은 벽면(wall), 하류는 수위(water surface elevation)조건으로 적용하도록 하였다(Table 2, Fig. 1 참조). FLOW-3D 난류모형에는 혼합길이 모형, 난류에너지 모형, k-ϵ모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ϵ모형, LES 모형 등이 있으며, 본 연구에서는 여수로 방류에 따른 복잡한 난류 흐름 및 높은 전단흐름을 정확하게 모의(Flow Science, 2011)할 수 있는 RNG k-ϵ모형을 사용하였고, 하류하천 호안의 안정성 측면에서 보조여수로의 활용방안을 검토하기 위하여 방류시나리오는 Table 3에 제시된 것 같이 설정하였다. Case 1 및 Case 2를 통하여 계획홍수량에 대하여 기존 여수로와 보조 여수로의 단독 운영이 하류하천에 미치는 영향을 확인하였고 보조 여수로의 방류량 조절을 통하여 호안 안정성 측면에서 보조 여수로 방류능 검토를 수행하였다(Case 3 ~ Case 6). 또한 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천의 영향 검토(Case 7 ~ Case 10) 및 방류 배분에 따른 허용 방류량을 호안 안정성 측면에서 검토를 수행하였다(Case 11 ~ Case 14).
수문은 완전개도 조건으로 가정하였으며 하류하천의 계획홍수량에 대한 기존 여수로와 보조여수로의 배분량을 조절하여 모의를 수행하였다. 여수로는 콘크리트의 조도계수 값(Chow, 1959)을 채택하였고, 댐 하류하천의 조도계수는 하천기본계획(Busan Construction and Management Administration, 2009) 제시된 조도계수 값을 채택하였으며 FLOW-3D의 적용을 위하여 Manning-Strickler 공식(Vanoni, 2006)을 이용하여 조도계수를 조고값으로 변환하여 사용하였다. Manning-Strickler 공식은 Eq. (8)과 같으며, FLOW-3D에 적용한 조도계수 및 조고는 Table 4와 같다.
(8)
n=ks1/68.1g1/2
여기서, kS는 조고 (m), n은 Manning의 조도계수, g는 중력가속도(m/s2)를 의미한다.
시간에 따라 동일한 유량이 일정하게 유입되도록 모의를 수행하였으며, 시간간격(Time Step)은 0.0001초로 설정(CFL number < 1.0) 하였다. 또한 여수로 수문을 통한 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우는 연속방정식을 만족하고 있다고 가정하였다. 이는, 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우 유속의 변동 값 역시 1.0%이내이며, 수치모의 결과 1.0%의 유속변동은 호안의 유속설계기준에 크게 영향을 미치지 않는다고 판단하였다. 그 결과 모든 수치모의 Case에서 2400초 이내에 결과 값이 수렴하는 것을 확인하였다.
Table 2.
Mesh sizes and numerical conditions
Mesh
Numbers
49,102,500 EA
Increment (m)
Direction
Existing Spillway
Auxiliary Spillway
∆X
0.99 ~ 4.30
1.00 ~ 4.30
∆Y
0.99 ~ 8.16
1.00 ~ 5.90
∆Z
0.50 ~ 1.22
0.50 ~ 2.00
Boundary Conditions
Xmin / Ymax
Inflow / Water Surface Elevation
Xmax, Ymin, Zmin / Zmax
Wall / Symmetry
Turbulence Model
RNG model
Table 3.
Case of numerical simulation (Qp : Design flood discharge)
Case
Existing Spillway (Qe, m3/s)
Auxiliary Spillway (Qa, m3/s)
Remarks
1
Qp
0
Reference case
2
0
Qp
3
0
0.58Qp
Review of discharge capacity on auxiliary spillway
4
0
0.48Qp
5
0
0.45Qp
6
0
0.32Qp
7
0.50Qp
0.50Qp
Determination of optimal division ratio on Spillways
8
0.61Qp
0.39Qp
9
0.39Qp
0.61Qp
10
0.42Qp
0.58Qp
11
0.32Qp
0.45Qp
Determination of permissible division on Spillways
12
0.35Qp
0.48Qp
13
0.38Qp
0.53Qp
14
0.41Qp
0.56Qp
Table 4.
Roughness coefficient and roughness height
Criteria
Roughness coefficient (n)
Roughness height (ks, m)
Structure (Concrete)
0.014
0.00061
River
0.033
0.10496
Fig. 1
Layout of spillway and river in this study
2.3.2 보조 여수로의 방류능 검토
본 연구에서는 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천 대안부의 유속분포 및 수위분포를 검토하기 위해 수치모의 Case 별 다음과 같이 관심구역을 설정하였다(Fig. 2 참조). 관심구역(대안부)의 길이(L)는 총 1.3 km로 10 m 등 간격으로 나누어 검토하였으며, Section 1(0 < X/L < 0.27)은 기존 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간, Section 2(0.27 < X/L < 1.00)는 보조 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간으로 각 구간에서의 수위, 유속, 수심결과를 확인하였다. 기존 여수로의 노후화에 따른 보조 여수로의 방류능 검토를 위하여 Case 1 – Case 6까지의 결과를 비교하였다.
보조 여수로의 단독 운영 시 기존 여수로 운영 시 보다 하류하천의 대안부의 최대 유속(Vmax)은 약 3% 감소하였으며, 이는 보조 여수로의 하천 유입각이 기존 여수로 보다 7°작으며 유입하천의 폭이 증가하여 유속이 감소한 것으로 판단된다. 대안부의 최대 유속 발생위치는 하류 쪽으로 이동하였으며 교량으로 인한 단면의 축소로 최대유속이 발생하는 것으로 판단된다. 또한 보조 여수로의 배분량(Qa)이 증가함에 따라 하류하천 대안부의 최대 유속이 증가하였다. 하천호안 설계기준에서 제시하고 있는 허용유속(Vp)과 비교한 결과, 계획홍수량(Qp)의 45% 이하(Case 5 & 6)를 보조 여수로에서 방류하게 되면 허용 유속(5.0 m/s)조건을 만족하여 호안안정성을 확보하였다(Fig. 3 참조). 허용유속 외에도 대안부에서의 소류력을 산정하여 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 소류력(τp)과 비교한 결과, 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 계획홍수량의 45% 이하일 경우 허용소류력(0.28 kN/m2) 조건을 만족하였다(Fig. 4 참조). 각 Case 별 호안설계조건과 비교한 결과는 Table 5에 제시하였다.
하류하천의 수위도 기존 여수로 운영 시 보다 보조 여수로 단독 운영 시 최대 수위(ηmax)가 약 2% 감소하는 효과를 보였으며 최대 수위 발생위치는 수충부로 여수로 방류시 처오름에 의한 수위 상승으로 판단된다. 기존 여수로의 단독운영(Case 1)의 수위(ηref)를 기준으로 보조 여수로의 방류량이 증가함에 따라 수위는 증가하였으나 계획홍수량의 58%까지 방류할 경우 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보되었다(Fig. 5 참조). 그러나 계획홍수량 조건에서는 월류에 대한 위험성이 존재하기 때문에 기존여수로와 보조여수로의 적절한 방류량 배분 조합을 도출하는 것이 중요하다고 판단되어 진다.
Fig. 2
Region of interest in this study
Fig. 3
Maximum velocity and location of Vmax according to Qa
Fig. 4
Maximum shear according to Qa
Fig. 5
Maximum water surface elevation and location of ηmax according to Qa
Table 5.
Numerical results for each cases (Case 1 ~ Case 6)
Case
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
1 (Qa = 0)
9.15
0.54
No Good
No Good
2 (Qa = Qp)
8.87
0.56
No Good
No Good
3 (Qa = 0.58Qp)
6.53
0.40
No Good
No Good
4 (Qa = 0.48Qp)
6.22
0.36
No Good
No Good
5 (Qa = 0.45Qp)
4.22
0.12
Accpet
Accpet
6 (Qa = 0.32Qp)
4.04
0.14
Accpet
Accpet
2.3.3 기존 여수로와 보조 여수로 방류량 배분 검토
기존 여수로 및 보조 여수로 단독운영에 따른 하류하천 및 호안의 안정성 평가를 수행한 결과 계획홍수량 방류 시 하류하천 대안부에서 호안 설계 조건(허용유속 및 허용 소류력)을 초과하였으며, 처오름에 의한 수위 상승으로 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 계획 홍수량 조건에서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분을 통하여 호안 안정성을 확보하고 하류하천에 방류로 인한 피해를 최소화할 수 있는 배분조합(Case 7 ~ Case 10)을 검토하였다. Case 7은 기존 여수로와 보조여수로의 배분 비율을 균등하게 적용한 경우이고, Case 8은 기존 여수로의 배분량이 보조 여수로에 비하여 많은 경우, Case 9는 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로에 비하여 많은 경우를 의미한다. 최대유속을 비교한 결과 보조 여수로의 배분 비율이 큰 경우 기존 여수로의 배분량에 의하여 흐름이 하천 중심에 집중되어 대안부의 유속을 저감하는 효과를 확인하였다. 보조여수로의 방류량 배분 비율이 증가할수록 기존 여수로 대안부 측(0.00<X/L<0.27, Section 1) 유속 분포는 감소하였으나, 신규여수로 대안부 측(0.27<X/L<1.00, Section 2) 유속은 증가하는 것을 확인하였다(Fig. 6 참조). 그러나 유속 저감 효과에도 대안부 전구간에서 설계 허용유속 조건을 초과하여 제방의 안정성을 확보하지는 못하였다. 소류력 산정 결과 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량 보다 크면 감소하는 것을 확인하였고 일부 구간에서는 허용 소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 7 참조).
따라서 유속 저감효과가 있는 배분 비율 조건(Qa>Qe)에서 Section 2에 유속 저감에 영향을 미치는 기존 여수로 방류량 배분 비율을 증가시켜 추가 검토(Case 10)를 수행하였다. 단독운영과 비교 시 하류하천에 유입되는 유량은 증가하였음에도 불구하고 기존 여수로 방류량에 의해 흐름이 하천 중심으로 집중되는 현상에 따라 대안부의 유속은 단독 운영에 비하여 감소하는 것을 확인하였고(Fig. 8 참조), 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 조건을 만족하는 구간이 발생하여 호안 안정성도 확보한 것으로 판단되었다. 최종적으로 각 Case 별 수위 결과의 경우 여수로 동시 운영을 수행하게 되면 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 9 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 6에 제시하였다.
Fig. 6
Maximum velocity on section 1 & 2 according to Qa
Fig. 7
Maximum shear on section 1 & 2 according to Qa
Fig. 8
Velocity results of FLOW-3D (a: auxiliary spillway operation only , b : simultaneous operation of spillways)
Fig. 9
Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to Qa
Table 6.
Numerical results for each cases (Case 7 ~ Case 10)
Case (Qe & Qa)
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
7 Qe : 0.50QpQa : 0.50Qp
8.10
6.23
0.64
0.30
No Good
No Good
No Good
No Good
8 Qe : 0.61QpQa : 0.39Qp
8.88
6.41
0.61
0.34
No Good
No Good
No Good
No Good
9 Qe : 0.39QpQa : 0.61Qp
6.22
7.33
0.24
0.35
No Good
No Good
Accept
No Good
10 Qe : 0.42QpQa : 0.58Qp
6.39
4.79
0.30
0.19
No Good
Accept
No Good
Accept
2.3.4 방류량 배분 비율의 허용 방류량 검토
계획 홍수량 방류 시 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 검토 결과 Case 10(Qe = 0.42Qp, Qa = 0.58Qp)에서 방류에 따른 하류 하천의 피해를 최소화시킬 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 대안부 전 구간에 대하여 호안 설계조건을 만족하지 못하였다. 따라서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류 배분 비율을 고정시킨 후 총 방류량을 조절하여 허용 방류량을 검토하였다(Case 11 ~ Case 14).
호안 안정성 측면에서 검토한 결과 계획홍수량 대비 총 방류량이 감소하면 최대 유속 및 최대 소류력이 감소하고 최종적으로 계획 홍수량의 77%를 방류할 경우 하류하천의 대안부에서 호안 설계조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 10, Fig. 11 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 7에 제시하였다. 또한 Case 별 수위 검토 결과 처오름으로 인한 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 12 참조).
Table 7.
Numerical results for each cases (Case 11 ~ Case 14)
Case (Qe & Qa)
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
11 Qe : 0.32QpQa : 0.45Qp
3.63
4.53
0.09
0.26
Accept
Accept
Accept
Accept
12 Qe : 0.35QpQa : 0.48Qp
5.74
5.18
0.23
0.22
No Good
No Good
Accept
Accept
13 Qe : 0.38QpQa : 0.53Qp
6.70
4.21
0.28
0.11
No Good
Accept
Accept
Accept
14 Qe : 0.41QpQa : 0.56Qp
6.54
5.24
0.28
0.24
No Good
No Good
Accept
Accept
Fig. 10
Maximum velocity on section 1 & 2 according to total outflow
Fig. 11
Maximum shear on section 1 & 2 according to total outflow
Fig. 12
Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to total outflow
3. 결 론
본 연구에서는 홍수 시 기존 여수로의 노후화로 인한 보조 여수로의 활용방안에 대하여 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다. 여수로 방류로 인한 하류하천의 흐름특성을 검토하기 위하여 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하였고, 여수로 지형은 치수능력 증대사업을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하였다. 하류하천 조도 계수 및 여수로 방류량은 하천기본계획을 참고하여 적용하였다. 최종적으로 여수로 방류로 인한 하류하천의 피해를 최소화 시킬 수 있는 적절한 보조 여수로의 활용방안을 도출하기 위하여 보조 여수로 단독 운영과 기존 여수로와의 동시 운영에 따른 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다.
수문은 완전 개도 상태에서 방류한다는 가정으로 계획 홍수량 조건에서 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천 대안부의 유속 및 수위를 검토한 결과 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대 유속 및 최대 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천으로 유입각도가 작아지고, 유입되는 하천의 폭이 증가되기 때문이다. 그러나 계획 홍수량 조건에서 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 유속(5.0 m/s)과 허용 소류력(0.28 kN/m2)과 비교하였을 때 호안 안정성을 확보하지 못하였으며, 계획홍수량의 45% 이하 방류 시에 대안부의 호안 안정성을 확보하였다. 수위의 경우 여수로 방류에 따른 대안부에서 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성을 확인하였고 이를 통하여 기존 여수로와의 동시 운영 방안을 도출하는 것이 중요하다고 판단된다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 측면에서 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 및 총 방류량을 변화시켜가며 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다. 배분 비율의 경우 기존 여수로와 보조 여수로의 균등 배분(Case 7) 및 편중 배분(Case 8 & Case 9)을 검토하여 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 중심부로 집중되어 대안부의 최대유속, 최대소류력 및 최대수위가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 근거로 기존 여수로의 방류 비율을 증가(Qe=0.42Qp, Qa=0.58Qp)시켜 검토한 결과 대안부 일부 구간에서 허용 유속 및 허용소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 기존 여수로와 보조 여수로의 동시 운영을 통하여 적절한 방류량 배분 비율을 도출하는 것이 방류로 인한 하류하천의 피해를 저감하는데 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 설계홍수량 방류 시 전 구간에서 허용 유속 및 소류력 조건을 만족하지 못하였다. 최종적으로 전체 방류량에서 기존 여수로의 방류 비율을 42%, 보조 여수로의 방류 비율을 58%로 설정하여 허용방류량을 검토한 결과, 계획홍수량의 77%이하로 방류 시 대안부의 최대유속은 기존여수로 방류의 지배영향구간(section 1)에서 3.63 m/s, 기존 여수로와 보조 여수로 방류의 영향구간(section 2)에서 4.53 m/s로 허용유속 조건을 만족하였고, 산정한 소류력도 각각 0.09 kN/m2 및 0.26 kN/m2로 허용 소류력 조건을 만족하여 대안부 호안의 안정성을 확보하였다고 판단된다.
본 연구 결과는 기후변화 및 기존여수로의 노후화로 인하여 홍수 시 기존여수로의 단독운영으로 하류하천의 피해가 발생할 수 있는 현시점에서 치수증대 사업으로 완공된 보조 여수로의 활용방안에 대한 기초자료로 활용될 수 있고, 향후 계획 홍수량 유입 시 최적의 배분 비율 및 허용 방류량 도출에 이용할 수 있다. 다만 본 연구는 여수로 방류에 따른 제방에 작용하는 수충력은 검토하지 못하고, 허용 유속 및 허용소류력은 제방과 유수의 방향이 일정한 구간에 대하여 검토하였다. 또한 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토하여 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.
Acknowledgements
본 결과물은 K-water에서 수행한 기존 및 신규 여수로 효율적 연계운영 방안 마련(2021-WR-GP-76-149)의 지원을 받아 연구되었습니다.
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Korean References Translated from the English
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Examinations of Damage Mechanism on the Chuteway Slabs of Spillway under Various Flow Conditions
Yoo, Hyung Ju ;
Shin, Dong-Hoon ;
Lee, Seung Oh
유형주 (홍익대학교 공과대학 건설환경공학과) ;
신동훈 (K-water연구원 물인프라안전연구소) ;
이승오 (홍익대학교 공과대학 건설환경공학과)
Published : 2021.06.03
Abstract
최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로의 유입량이 설계 당시보다 증가하여 댐의 안전성 확보가 필요하다(감사원, 2003). 이에 건설교통부(2003)는 기후변화와 댐 노후화에 대비하여 치수능력증대사업을 추진하여 댐의 홍수배제능력을 확보하였고, 환경부(2020)에서는 40년 이상 경과된 댐을 대상으로 스마트 안전관리체계 구축을 통한 선제적 보수보강, 성능개선 및 자산관리로 댐의 장수명화를 목적으로 댐의 국가안전대진단을 추진하고 있다. 이에 본 연구에서는 댐 시설(여수로)의 노후도 평가 시 활용 될 수 있는 여수로 표면손상 원인규명에 대하여 3차원 수치모형(FLOW-3D 및 COMSOL Multiphysics)을 통해 검토하고자 한다. 연구대상 댐은 𐩒𐩒댐으로 지형 및 여수로를 구축하였으며, 계획방류량(200년 빈도) 및 최대방류량(PMF) 조건에서 모의를 수행하였다. 수치모의 계산의 정확도 검토를 위하여 Baffle의 설치를 통하여 시간에 따른 유량의 변화를 설계 값과 비교하였고 오차가 1.0% 이내를 만족하는 것을 확인하였다. 여수로 표면손상의 다양한 원인 중 기존연구(USBR, 2019)를 통하여 공동침식(Cavitation Erosion) 및 수력잭킹(Hydraulic Jacking)에 초점을 두었으며 방류조건 별 공동지수(Cavitation Index)산정을 통하여 공동침식 위험 구간을 확인하였다. 이음부의 균열 및 공동으로 인한 표층부 콘크리트의 탈락현상을 가속화시키는 수력잭킹 검토를 위하여 국부모형을 구축하였고 음압력(Negative Pressure), 정체압력(Stagnation Pressure), 양압력(Uplift Pressure)의 분포를 확인하였다. 최종적으로 COMSOL Multiphysics를 통하여 압력분포에 따른 구조해석을 수행하여 폰 미세스(Von Mises) 등가응력 및 변위를 검토하여 콘크리트의 탈락가능성을 확인하였다. 본 연구는 여수로 공동부 및 균열부에서의 손상메커니즘을 확인할 수 있는 기초적인 연구이지만 향후에는 다양한 지형조건 및 흐름조건에서의 압력분포 분석 및 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)모의를 수행한다면 구조물 노후도 및 잔존수명 평가에 필요한 손상한계함수 도출이 가능할 것으로 기대된다.
Keyword : 3D Hydraulic Modeling,CFD, CFD Model, Computational Fluid Dynamics, Dam Hydraulics, Hydrology structure damage
급격한 변화나 예기치 못한 노후화로 인해 댐에서 복잡한 문제가 발생하는 경우 20세기에 개발된 산업 표준 설계 방정식과 방법론이 많은 경우 올바른 솔루션을 제공할 수는 없습니다. 다행스럽게도 엔지니어들은 적절한 조치나 수리를 적용할 수 있도록 유압 상황을 확인하기 위해 전산유체역학(CFD) 모델을 사용할 수 있게 되었습니다.
About the Expert:
Matthew Hickox, PE, brings civil engineering expertise in stormwater and river design, planning, and construction phase services. His experience is founded on a solid understanding of hydrologic modeling, 1- and 2-dimensional hydraulic modeling, in-stream hydraulic structures, scour protection measures, culvert and bridge hydraulics, and the regulatory environment for stormwater projects.
How Does CFD Work in Practice?
최근의 한 사례에서 하천 수문학 및 지형학은 낮은 수두 전환 댐 주변에서 변경되었습니다. 지난 수십 년 동안 빠르게 발전해 온 도시 지역의 하류에 있는 모래 바닥 하천 시스템에 위치한 댐의 문제는 주변 하천 시스템에서 일어나는 여러 가지 일들로 인해 복잡해졌습니다. 증가하는 도시화는 배출 빈도를 증가시켰을 뿐만 아니라 기본 흐름을 증가시켰습니다. 수리학적으로 가파른 시스템은 일시적인 지류에서 연간 베이스 흐름으로의 변화가 상류가 침식됨에 따라 퇴적물 부하도 증가했음을 의미했습니다.
이 조합은 전환 댐의 하류 수로가 지난 15년 동안 3-4피트 감소했고, 배수가 감소된 정수장 apron에서 속도가 증가했으며 구조물 표면에 마모를 유발하는 퇴적물 하중이 감소했음을 의미합니다. 이러한 문제 중 어느 것도 전환 댐의 원래 설계의 잘못이 아니었지만 변화하는 하천 수문 및 지형학으로 인해 원래 설계자가 예상하지 못한 조건이 발생했습니다.
기존 구조물의 단위 너비 CFD 모델은 기존 현장 조건으로 인해 정수기 계류장에 수압 점프가 형성되지 않았다는 현장 관찰을 확인했습니다. 1).
Figure 1. Existing conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure.
설계 표고(열화 전)에서 하류 하류 바닥 표고와 함께 개발된 유사한 단위 너비 CFD 모델은 원래 설계가 정수 유역 계류장과 배수로 전면 근처에서 수압 점프를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이 단위 너비 CFD 모델은 구조에 영향을 미치는 수력학의 가치 있는 검증을 제공하지만 구조 손상이 구조 중간에서 매우 뚜렷하고 다른 영역에서는 거의 손대지 않았기 때문에 이것만으로는 충분하지 않습니다. (그림 2)
Figure 2. Original design conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure. The only difference with Figure 1 is the downstream bed elevation.
전체 기존 조건 CFD 모델은 정수조 앞치마 마모의 범위와 그에 따른 손상을 확인했습니다. (그림 3 및 4)
Figure 3. Existing conditions CFD model results showing velocity streamlines at 2-year event discharge. High velocities are areas of significant abrasion damage, low velocity areas have little or no abrasion damage.Figure 4. Existing conditions shows rebar exposed from significant abrasion damage to stilling basin apron in high velocity areas
이 구조물에 대한 수리를 위한 예비 설계 동안 간단한 분석에 따르면 구조물의 미수를 높이는 것이 방수로 토우 근처의 구조물에 수력학적 점프를 만드는 데 도움이 될 것이며, 이는 정수 유역 계류장과 계류장을 가로지르는 극한 속도를 감소시킬 것입니다. 따라서 구조의 마모를 크게 줄입니다(그림 5 참조). 이 예비 제안 조건 CFD 모델은 엔드 실 높이만 높였습니다. 구조물 하류의 하천 시스템의 상태와 지형은 나머지 설계 수명 동안 구조물의 안정성을 보장하기 위해 모든 최종 설계 조건에 대해 평가되어야 합니다.
Figure 5. Preliminary design check to verify velocities under a raised tailwater condition at a 2-year event discharge. Velocity cross section slices shown.
CFD 모델은 설계 상황이 확립된 설계 방정식 및 절차의 한계 내에 깔끔하게 속하지 않을 때 유압을 확인하는 또 다른 도구를 제공합니다. 구조와 유역의 개요에 대해 자세히 설명하는 전체적인 관점은 프로젝트 현장의 현재와 미래의 상태를 평가하는 데 필요합니다. 이 예에서 구조의 설계 및 작동은 원래 설계와 매우 유사하게 유지됩니다. 구조 주변에서 변경된 것은 하천 시스템입니다. CFD는 현장 조건 변경으로 인해 예기치 않은 수리력 및 구조 손상이 발생할 때 복잡한 수리력을 분석할 수 있는 도구 상자의 또 다른 도구를 제공합니다.
CFD 또는 여기 Ayres에서 제공하는 유압 엔지니어링 서비스에 대한 자세한 내용은 Matthew Hickox, PE에게 문의하십시오.
EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW UNDER RADIAL GATES
submitted by MAHMUT TANYERİ in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Civil Engineering, Middle East Technical University by, Prof. Dr. Halil Kalıpçılar Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences Prof. Dr. Ahmet Türer Head of the Department, Civil Engineering Prof. Dr. Mete Köken Supervisor, Civil Engineering, METU Prof. Dr. İsmail Aydın Co-Supervisor, Civil Engineering, METU
Abstract
방사형 게이트는 여수로에서 일반적으로 사용됩니다. 부분 게이트 개구부에서 60년대에 수행된 실험 작업에서 얻은 경험 방정식을 사용하여 통과하는 방전을 계산합니다.
그러나 이러한 방정식에서 얻은 배출 값과 유한 체적 방법 및 수리적 모델을 기반으로 한 수치 계산에서 얻은 값 사이에는 약간의 불일치가 있습니다. 이러한 차이의 원인을 밝히는 것이 목적입니다.
이를 위해 다양한 게이트 구성에 대한 실험과 수치 계산이 수행되었습니다. 수많은 수치 시뮬레이션에서 나온 경향을 활용하여 연구 말미에 새로운 방전 방정식을 도출했습니다.
하나의 수리학적 매개변수와 두 개의 기하학적 매개변수가 있는 제안된 방정식을 사용하면 설계자가 지루한 정격 곡선 없이도 쉽게 배출을 계산할 수 있습니다.
방사형 수문(또는 테인터 수문)은 특히 수두가 높은 댐에서 홍수 방출을 제어하기 위해 광범위하게 사용되는 오버플로 수문 유형 중 하나입니다. 그것은 강철 곡선 리프, 지지 암 및 슈트 채널의 측벽에 장착된 고정 조인트로 구성됩니다.
게이트는 하류의 물 수요를 충족시키거나 상류 수두를 조절하기 위해 원하는 각도로 피벗 지점을 중심으로 쉽게 회전할 수 있습니다. 방사형 게이트는 다른 유형에 비해 많은 장점이 있습니다. 그들의 가장 놀라운 특성은 게이트를 움직이는 데 필요한 호이스트 힘이 적다는 것입니다.
이는 상류의 물이 게이트에 양력을 가할 수 있는 아치형 덕분에 에너지 소비도 감소합니다. 더욱이, 방사형 게이트는 슬롯이 필요하지 않으며, 시간이 지남에 따라 떠다니는 파편이 그 안에 쌓일 수 있기 때문에 때때로 작동 문제를 일으킬 수 있습니다. 그 활용 분야는 여러 가지가 있지만, 본 연구의 범위는 오지형 여수로에만 수반되는 방사형 게이트로 제한됩니다.
부분적으로 열리면 래디얼 게이트 아래를 통과하는 흐름은 다양한 수리적 및 기하학적 요인의 영향을 받습니다. 따라서 정확한 배출 추정은 어려운 문제입니다. 이 문제는 주로 게이트 근처에서 유선형 동작의 복잡성으로 인해 발생합니다.
유동 영역은 고도의 곡선 유선을 포함하기 때문에 유속에 대한 해석적 솔루션이 불가능합니다. 이러한 이유로 방전은 대부분 실험적 모델에서 조사되었으며 이에 따라 실증적 관계가 도출되었습니다.
방전 방정식은 유선의 총 에너지 변환과 관련된 베르누이 방정식을 기반으로 개발되었습니다. 게이트 바로 아래의 평균 속도는 에너지 방정식에서 추론할 수 있으며, 게이트 개방의 순 면적을 곱하면 체적 유량의 이론적인 값을 얻을 수 있습니다.
그러나 실제로는 바닥 게이트 립과 같은 날카로운 모서리를 유선이 완벽하게 따라갈 수 없고 마찰로 인해 이론 속도가 약간 감소하기 때문에 실제로 분사되는 워터젯의 단면적이 수축합니다.
이러한 효과 때문에 실제 배출량을 추정하기 위해 배출 계수라고 하는 경험적 보정 계수가 방정식에 도입됩니다(Tokyay, 2019). 사례 연구로 터키의 민간 엔지니어링 회사인 TEMELSU(2018)에서 수행한 Lower Kaleköy 댐에 속한 방사형 여수로의 수리학적 계산을 조사했습니다.
그들은 세계적으로 인기 있는 수력 설계 책인 ‘Design of Small Dams’에 제공된 배출 계수 등급 곡선을 사용하여 이러한 계산을 수행했습니다. 이러한 곡선을 기반으로 산출된 토출량 값을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램에서 생성한 수치모델 결과와 비교하였다.
게이트가 부분적으로 열린 경우 이러한 결과 사이에 명백한 불일치가 있는 것으로 관찰되었습니다. 일반적으로 제안된 경험식은 시뮬레이션에 비해 최대 20%까지 유량을 과소평가한다.
본 연구의 목적은 크게 두 가지이다. 첫 번째 목표는 언급된 실험식과 수치해석 간의 불일치 이유를 조사하는 것이고, 두 번째 목표는 어떤 수리적 및 기하학적 매개변수가 방사형 게이트 아래의 배출에 실제로 영향을 미치는지 탐구하는 것입니다.
먼저 METU 수력학 연구소에서 건설한 Lower Kaleköy 댐의 물리적 모델에서 미리 결정된 수문 개구부의 배출 값을 측정했습니다. 이러한 실험에서 얻은 데이터 세트를 수치 모델의 결과와 비교하여 일치 여부를 확인했습니다.
이러한 방식으로 수치적 결과를 검증한 후 원래 수력 조건이 동일하게 유지되는 경우 수치 모델의 게이트 위치, 배수로 형상과 같은 다양한 구성을 시뮬레이션했습니다.
분석은 연구 전반에 걸쳐 모델 규모로 수행되었습니다. 상술한 효과와 관련된 연구 결과, 수치해를 기반으로 새로운 방전방정식을 공식화하였다. 마지막으로 기존 실험식과 새로운 공식에서 얻은 결과를 수치해와 비교하여 정확도를 관찰하였다.
Figure 3.3 General View of the Experimental SetupFigure 3.4 Upstream View of the Radial Gated-SpillwayFigure 3.5 Side View of the Radial Gate During OperationFigure 4.2 Mesh Detail of the 3D ModelsFigure 4.7 Mesh Details of the 2D Numerical ModelFigure 4.12 Velocity Magnitude Contours of T1, T2, T3 and T4 at the Design Head
(d=10cm)
Taeuk KangaDongkyun SunbSangho Leec* 강 태욱a선 동균b이 상호c* aResearch Professor, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, KoreabResearcher, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, KoreacProfessor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea a부경대학교 방재연구소 전임연구교수b부경대학교 방재연구소 연구원c부경대학교 공과대학 토목공학과 교수*Corresponding Author
ABSTRACT
연안 지역은 강우, 조위, 월파 등 여러가지 외력에 의해 침수가 발생될 수 있다. 이에 이 연구에서는 연안 지역에서 발생될 수 있는 단일 및 복합 외력에 의한 지역별 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려한 외력은 강우와 폭풍 해일에 의한 조위 및 월파이고, 분석 대상지역은 남해안 및 서해안의 4개 지역이다. 유역의 강우-유출 및 2차원 지표면 침수 분석에는 XP-SWMM이 사용되었고, 폭풍 해일에 의한 외력인 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 모형과 FLOW-3D 모형이 각각 활용되었다. 단일 외력을 이용한 분석 결과, 대부분의 연안 지역에서는 강우에 의한 침수 영향보다 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 크게 나타났다. 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 지역의 침수 피해 저감을 위해서는 복합 외력을 고려한 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.키워드연안 지역 침수 분석 강우 폭풍 해일 복합 외력
The various external forces can cause inundation in coastal areas. This study is to analyze regional characteristics caused by single or compound external forces that can occur in coastal areas. Storm surge (tide level and wave overtopping) and rainfall were considered as the external forces in this study. The inundation analysis were applied to four coastal areas, located on the west and south coast in Republic of Korea. XP-SWMM was used to simulate rainfall-runoff phenomena and 2D ground surface inundation for watershed. A coupled model of ADCIRC and SWAN (ADCSWAN) was used to analyze tide level by storm surge and the FLOW-3D model was used to estimate wave overtopping. As a result of using a single external force, the inundation influence due to storm surge in most of the coastal areas was greater than rainfall. The results of using compound external forces were quite similar to those combined using one external force independently. However, a case of considering compound external forces sometimes created new inundation areas that didn’t appear when considering only a single external force. The analysis considering compound external forces was required to reduce inundation damage in these areas.KeywordsCoastal area Inundation analysis Rainfall Storm surge Compound external forces
우리나라는 반도에 위치하여 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 해양 산업을 중심으로 부산, 인천, 울산 등 대규모의 광역도시가 발달하였을 뿐만 아니라, 창원, 포항, 군산, 목포, 여수 등의 중․소규모 도시들도 발달되어 있다. 또한, 최근에는 연안 지역이 바다를 전망으로 하는 입지 조건을 가지고 있어 개발 선호도가 높고, 이에 따라 부산시 해운대의 마린시티, 엘시티와 같은 주거 및 상업시설의 개발이 지속되고 있다(Kang et al., 2019b).
한편, 최근 기후변화에 따른 지구 온난화 현상으로 평균 해수면이 상승하고, 해수면 온도도 상승하면서 태풍 및 강우의 강도가 커지고 있어 전 세계적으로 자연 재해로 인한 피해가 증가하고 있다(Kim et al., 2016). 실제로 2020년에는 최장기간의 장마가 발생하여 부산, 울산은 물론, 전국에서 50명의 인명 피해와 3,489세대의 이재민이 발생하였다1). 특히, 연안 지역은 강우, 만조 시 해수면 상승, 폭풍 해일(storm surge)에 의한 월파(wave overtopping) 등 복합적인 외력(compound external forces)에 의해 침수될 수 있다(Lee et al., 2020). 일례로, 2016년 태풍 차바 시 부산시 해운대구의 마린시티는 강우와 폭풍 해일에 의한 월파가 발생함에 따라 대규모 침수를 유발하였다(Kang et al., 2019b). 또한, 2020년 7월 23일에 부산에서는 시간당 81.6 mm의 집중호우와 약최고고조위를 상회하는 만조가 동시에 발생하였고, 이로 인해 감조 하천인 동천의 수위가 크게 상승하여 하천이 범람하였다(KSCE, 2021).
연안 지역의 복합 외력을 고려한 침수 분석에 관한 사례로서, 우선 강우와 조위를 고려한 연구 사례는 다음과 같다. Han et al. (2014)은 XP-SWMM을 이용하여 창원시 배수 구역을 대상으로 침수 모의를 수행하였는데, 연안 도시의 침수 모의에는 조위의 영향을 반드시 고려해야 함을 제시하였다. Choi et al. (2018a)은 경남 사천시 선구동 일대에 대하여 초과 강우 및 해수면 상승 시나리오를 조합하여 침수 분석을 수행하였다. Choi et al. (2018b)은 XP-SWMM을 이용하여 여수시 연등천 및 여수시청 지역에 대하여 강우 시나리오와 해수위 상승 시나리오를 고려한 복합 원인에 의한 침수 모의를 수행하여 홍수예경보 기준표를 작성하였다. 한편, 강우, 조위, 월파를 고려한 연구 사례로서, Song et al. (2017)은 부산시 해운대구 수영만 일원에 대하여 XP-SWMM으로 월파량의 적용 유무에 따른 침수 면적을 비교하였다. Suh and Kim (2018)은 부산시 마린시티 지역을 대상으로 태풍 차바 때 EurOtop의 경험식을 ADSWAN에 적용하여 월파량을 반영하였다. Chen et al. (2017)은 TELEMAC-2D 및 SWMM을 기반으로 한 극한 강우, 월파 및 조위를 고려하여 중국 해안 원자력 발전소의 침수를 예측하고 분석하기 위한 결합 모델을 개발한 바 있다. 한편, Lee et al. (2020)은 수리‧수문학 분야와 해양공학 분야에서 사용되는 물리 모형의 기술적 연계를 통해 연안 지역의 침수 모의의 재현성을 높였다.
상기의 연구들은 공통적으로 연안 지역에 대하여 복합 외력을 고려했을 때 발생되는 침수 현상의 재현 또는 예측을 목적으로 수행되었다. 이 연구는 이와 차별하여 복합 외력을 고려하는 경우 나타날 수 있는 연안 지역의 침수 특성 분석을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 단일 외력을 독립적으로 고려했을 때 발생되는 침수 양상과 동시에 고려하는 경우의 침수 현상을 비교, 분석하였다. 복합 외력에 의한 지역적 침수 특성 분석은 우리나라 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역에 대하여 적용되었다.
연안 지역의 침수는 크게 세 가지의 메카니즘으로 발생될 수 있다. 우선, 연안 지역은 바다와 인접하고 있기 때문에 그 영향을 직접적으로 받는다. Kim (2018)에 의하면, 연안 지역의 침수는 폭풍 해일에 의해 상승한 조위와 월파로 인해 발생될 수 있다(Table 1). 특히, 경상남도의 창원과 통영, 인천광역시의 소래포구 어시장 등 남해안 및 서해안 지역의 일부는 백중사리, 슈퍼문(super moon) 등 만조 시 조위의 상승으로 인한 침수가 발생하는 지역이 존재한다(Kang et al., 2019a). 두 번째는 강우에 의한 내수 침수 발생이다. ME (2011)에서는 도시 지역의 우수 관거를 10 ~ 30년 빈도로 계획하도록 지정하고 있고, 펌프 시설은 30 ~ 50년 빈도의 홍수를 배수시킬 수 있도록 정하고 있다. 하지만 최근에는 기후변화의 영향으로 도시 지역 배수시설의 설계 빈도를 초과하는 강우가 빈번하게 나타나고 있다. 실제로 2016년의 태풍 차바 시 울산 기상관측소에 관측된 시간 최대 강우량은 106.0 mm로서, 이는 300년 빈도 이상의 강우량에 해당하였다(Kang et al., 2019a). 따라서 배수시설의 설계 빈도 이상의 강우는 연안 도시 지역의 침수를 유발할 수 있다. 세 번째, 하천이 인접한 연안 도시에서는 하천의 범람으로 인해 침수가 발생할 수 있다. 하천의 경우, 기본계획이 수립되기는 하지만, 설계 빈도를 상회하는 강우의 발생, 제방, 수문 등 홍수 방어시설의 기능 저하, 예산 등의 문제로 하천기본계획 이행의 지연 등에 의해 범람할 가능성이 존재한다.
Table 1.
Type of natural hazard damage in coastal areas (Kim, 2018)
Item
Risk factor
Facilities damage
∙ Breaking of coastal facilities by wave – Breakwater, revetment, lighters wharf etc. ∙ Local scouring at the toe of the structures by wave ∙ Road collapse by wave overtopping
Inundation damage
∙ Inundation damage by wave overtopping ∙ Inundation of coastal lowlands by storm surge
Erosion damage
∙ Backshore erosion due to high swell waves ∙ Shoreline changes caused by construction of coastal erosion control structure ∙ Sediment transport due to the construction of artificial structures
상기의 내용을 종합하면, 연안 지역은 조위 및 월파에 의한 침수, 강우에 의한 내수 침수, 하천 범람에 의한 침수로 구분될 수 있다. 이 연구에서는 폭풍 해일에 의한 조위 상승 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 유발 외력으로 고려하였다. 하천 범람의 경우, 상대적으로 사례가 희소하여 제외하였다.
2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법
이 연구에서는 조위 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 발생에 관한 외력 조건으로 고려하였다. 따라서 해당 외력 조건을 고려하여 침수 분석을 수행할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같이 수리‧수문 및 해양공학 분야에서 사용되는 물리 기반 모형의 연계를 통해 조위, 월파, 강우를 고려한 침수 분석 방법을 제시하였고, 이 연구에서는 해당 방법을 이용하였다.
Fig. 1.
Connection among the models for inundation analysis in coastal areas (Lee et al., 2020)
우선, 태풍에 의해 발생되는 폭풍 해일의 영향을 분석하기 위해서는 태풍에 의해 발생되는 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등을 고려하여 해수면의 변화 양상 및 조석-해일-파랑을 충분히 재현 가능해야 한다. 이 연구에서는 국내․외에서 검증 및 공인된 폭풍 해일 모형인 ADCIRC 모형과 파랑 모형인 UnSWAN이 결합된 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and UnSWAN)을 이용하였다. 정수압 가정의 ADCSWAN은 월파량 산정에 단순 경험식을 적용하는 단점이 있지만 넓은 영역을 모의할 수 있고, FLOW-3D는 해안선의 경계를 고해상도로 재현이 가능하다. 이에 연구에서는 먼 바다 영역에 대해서는 ADCSWAN을 이용하여 분석하였고, 연안 주변의 바다 영역과 월파량 산정에 대해서는 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 한편, 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역에서 발생하는 강우-유출 현상과 우수 관거 등의 배수 체계에 대한 분석이 가능해야 한다. 또한, 배수 체계로부터 범람한 물이 지표면을 따라 흘러가는 현상을 해석할 수 있어야 하고, 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 이러한 현상을 모의할 수 있고, 도시 침수 모의에 활용도가 높은 XP-SWMM을 이용하였다.
2.3 침수 분석 대상지역
연구의 대상지역은 조위 및 월파에 의한 침수와 강우에 의한 내수 침수의 영향이 복합적으로 발생할 수 있는 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역이다. Table 2는 침수 분석 대상지역을 정리하여 나타낸 표이고, Fig. 2는 각 지역의 유역 경계를 나타낸 그림이다.
Table 2.
Target region for inundation analysis
Classification
Administrative district
Target region
Area (km2)
Main cause of inundation
Pump facility
Number of major outfall
The south coast
Haundae-gu, Busan
Marine City area
0.53
Wave overtopping
–
9
Haundae-gu, Busan
Centum City area
4.76
Poor interior drainage at high tide level
1
2
The west coast
Gunsan
Jungang-dong area
0.79
Poor interior drainage at high tide level
2
3
Boryeong
Ocheon Port area
0.41
High tide level
–
5
Fig. 2.
Watershed area
남해안의 분석 대상지역 중 부산시 해운대구의 마린시티는 바다 조망을 중심으로 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 개발지역이다. 마린시티는 2016년 태풍 차바 및 2018년 태풍 콩레이 등 태풍 내습 시 월파에 의한 해수 월류로 인해 도로 및 상가 일부가 침수를 겪은 지역이다. 부산시 해운대구의 센텀시티는 과거 수영만 매립지였던 곳에 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 신도시 지역이다. 센텀시티 유역의 북쪽은 해발고도 El. 634 m의 장산이 위치하는 등 산지 특성도 가지고 있어 상대적으로 유역 면적이 넓고, 배수시설의 규모도 크고 복잡하다. 하지만 수영강 하구의 저지대 지역에 위치함에 따라 강우 시 내수 배제가 불량하고, 특히 만조 시 침수가 잦은 지역이다.
서해안 분석 대상지역 중 전라북도 군산시의 중앙동 일원은 군산시 내항 내측에 조성된 구도시로서, 금강 및 경포천 하구에 위치하는 저지대이다. 이에 따라 군산시 풍수해저감종합계획에서는 해당 지역을 3개의 영역으로 구분하여 내수재해 위험지구(영동지구, 중동지구, 경암지구)로 지정하였고, 이 연구에서는 해당 지역을 모두 고려하였다. 한편, 군산시 중앙동 일원은 특히, 만조 시 내수 배제가 매우 불량하여 2개의 펌프시설이 운영되고 있다. 충청남도 보령시의 오천면에 위치한 오천항은 배후의 산지를 포함한 소규모 유역에 위치한다. 서해안의 특성에 따라 조석 간만의 차가 크고, 특히 태풍 내습 시 폭풍 해일에 의한 침수가 잦은 지역이다. 산지의 강우-유출수는 복개된 2개의 수로를 통해 바다로 배제되고, 상가들이 위치한 연안 주변 지역에는 강우-유출수 배제를 위한 3개의 배수 체계가 구성되어 있다.
3. 연구 결과
3.1 침수 모의 모형 구축
XP-SWMM을 이용하여 분석 대상지역별 침수 모의 모형을 구축하였다. 적절한 침수 분석 수행을 위해 지역별 수치지형도, 도시 공간 정보 시스템(urban information system, UIS), 하수 관망도 등의 수치 자료와 현장 조사를 통해 유역의 배수 체계를 구성하였다. 그리고 2차원 침수 분석을 위해 무인 드론 및 육상 라이다(LiDAR) 측량을 수행하여 평면해상도가 1 m 이하인 고해상도 수치지형모형(digital terrain model, DTM)을 구성하였고, 침수 모의 격자를 생성하였다.
Fig. 3은 XP-SWMM의 상세 구축 사례로서 부산시 마린시티 배수 유역에 대한 소유역 및 관거 분할 등을 통해 구성한 배수 체계와 고해상도 측량 결과를 이용하여 구성한 수치표면모형(digital surface model, DSM)을 나타낸다. Fig. 4는 각 대상지역에 대해 XP-SWMM을 이용하여 구축한 침수 모의 모형을 나타낸다. 침수 분석을 위해서는 침수 모의 영역에 대한 설정이 필요한데, 다수의 사전 모의를 통해 유역 내에서 침수가 발생되는 지역을 검토하여 결정하였다.
Fig. 3.
Analysis of watershed drainage system and high-resolution survey for Marine City
Fig. 4.
Simulation model for inundation analysis by target region using XP-SWMM
복합 외력에 의한 침수 영향을 검토하기 위해서는 외력 조건에 대한 빈도와 지속기간의 설정이 필요하다. 이 연구에서는 재해 현상이 충분히 나타날 수 있도록 강우와 조위 및 월파의 빈도를 모두 100년으로 설정하였다. 이때, 조위와 월파량의 산정에는 만조(약최고고조위) 시, 100년 빈도에 해당하는 태풍 내습에 따른 폭풍 해일의 발생 조건을 고려하였다.
지역별 강우 발생 특성과 유역 특성을 고려하기 위해 MOIS (2017)의 방재성능목표 기준에 따라 임계 지속기간을 결정하여 대상지역별 강우의 지속기간으로 설정하였다. 이때, 강우의 시간 분포는 MLTM (2011)의 Huff 3분위를 이용하였다. 그리고 조위와 월파의 경우, 일반적인 폭풍 해일의 지속기간을 고려하여 5시간으로 결정하였다. 한편, 침수 모의를 위한 계산 시간 간격, 2차원 모의 격자 등의 입력자료는 분석 대상지역의 유역 규모와 침수 분석 대상 영역을 고려하여 결정하였다. 참고로 침수 분석에 사용된 수치지형모형은 1 m 급의 고해상도로 구성되었지만, 2차원 침수 모의 격자의 크기는 지역별로 3 ~ 4 m이다. 이는 연구에서 사용된 XP-SWMM의 격자 수(100,000개) 제약에 따른 설정이나, Sun (2021)은 민감도 분석을 통해 2차원 침수 분석을 위한 적정 격자 크기를 3 ~ 4.5 m로 제시한 바 있다.
Table 3은 이 연구에서 설정한 침수 모의 조건과 분석 방법을 정리하여 나타낸 표이다.
Table 3.
Simulation condition and method
Classification
Target region
Simulation condition
Simulation method
Rainfall
Storm surge
Simulation time interval
2D grid size
Return period
Duration
Temporal distribution
Return period
Duration
Watershed routing
Channel routing
2D inundation
The south coast
Marine City area
100 yr
1 hr
3rd quartile of Huff’s method
100
5 hr
5 min
10 sec
1 sec
3 m
Centum City area
1 hr
100
5 min
10 sec
1 sec
4 m
The west coast
Jungang-dong area
2 hr
100
5 min
10 sec
1 sec
3.5 m
Ocheon Port area
1 hr
100
1 min
10 sec
1 sec
3 m
3.2.2 복합 재해의 동시 고려
이 연구의 대상지역들은 모두 소규모의 해안가 도시지역이고, 이러한 지역에 대한 강우의 임계지속기간은 1시간 ~ 2시간이나, 이 연구에서 분석한 폭풍 해일의 지속기간은 5시간으로 강우의 지속기간과 폭풍 해일의 지속기간이 상이하다. 이에 이 연구에서는 서로 다른 지속기간을 가진 강우와 폭풍 해일 또는 조위를 고려하기 위해 강우의 중심과 폭풍 해일의 중심이 동일한 시간에 위치하도록 설정하였다(Fig. 5).
XP-SWMM은 폭풍 해일이 지속되는 5시간 전체를 모의하도록 설정하였고, 폭풍 해일이 가장 큰 시점에 강우의 중심이 위치하도록 강우 발생 시기를 결정하였다. 다만, 부산 마린시티의 경우, 폭풍 해일에 의한 피해가 주로 월파에 의해 발생되므로 강우의 중심과 월파의 중심을 일치시켰고(Fig. 5(a)), 상대적으로 조위의 영향이 큰 3개 지역은 강우의 중심과 조위의 중심을 맞추었다. Fig. 5(b)는 군산시 중앙동 지역의 복합 외력에 의한 침수 분석에 사용된 강우와 조위의 조합이다.
한편, 100년 빈도의 확률강우량만을 고려한 침수 분석에서는 유역 유출부의 경계조건으로 우수 관거의 설계 조건을 고려하여 약최고고조위가 일정하게 유지되도록 설정하였다.
Fig. 5.
Consideration of external force conditions with different durations
3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려
XP-SWMM에 ADCSWAN 및 FLOW-3D 모형에 의해 산정된 월파량을 입력하기 위해 해안가 지역에 절점을 생성하여 월파 현상을 구현하였다. XP-SWMM에서 월파량을 입력하기 위한 절점의 위치는 FLOW-3D 모형에서 월파량을 산정한 격자의 중심 위치이다.
Fig. 6(a)는 마린시티 지역에 대한 월파량 입력 지점을 나타낸 것으로서, 유역 경계 주변에 동일 간격으로 원으로 표시한 지점들이 해당된다. Fig. 6(b)는 XP-SWMM에 월파량 입력 지점들을 반영하고, 하나의 절점에 월파량 시계열을 입력한 화면을 나타낸다.
Fig. 6.
Considering wave overtopping on XP-SWMM
3.3 침수 모의 결과
3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과
Fig. 7은 단일 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, Fig. 7의 왼쪽 그림들은 지역별로 100년 빈도 강우에 의한 침수 모의 결과를 나타내고, Fig. 7의 오른쪽 그림들은 만조 시 100년 빈도 폭풍 해일에 의한 침수 모의 결과이다. 대체로 강우에 의한 침수 영역은 유역 중․상류 지역의 유역 전반에 걸쳐 발생하였고, 폭풍 해일에 의한 침수 영역은 해안가 전면부에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 폭풍 해일에 의한 조위 상승과 월파의 영향이 상류로 갈수록 감소하기 때문이다.
한편, 4개 지역 모두에서 공통적으로 강우에 비해 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 상대적으로 크게 분석되었다. 이러한 결과는 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 대비한 침수 피해 저감 노력이 보다 중요함을 의미한다.
Fig. 7.
Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)
3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과
Fig. 8은 복합 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, 강우 및 폭풍 해일을 동시에 고려함에 따라 발생된 침수 영역을 나타낸다. 복합 외력을 고려하는 경우, 단일 외력만을 고려한 분석 결과(Fig. 7)보다 침수 영역은 넓어졌고, 침수심은 깊어졌다.
복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였고, 이는 일반적으로 예상할 수 있는 결과이다. 주목할만한 결과는 군산시 중앙동의 침수 분석에서 나타났다. 즉, 군산시 중앙동의 경우, 단일 외력만을 고려한 침수 모의 결과에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하였다(Fig. 8(c)). 이와 관련된 상세 내용은 3.4절의 고찰에서 기술하였다.
Fig. 8.
Simulation results by compound external forces
3.4 결과 고찰
외력 조건별 침수의 영향을 정량적으로 비교하기 위해 침수 면적을 이용하였다. 이 연구에서는 강우만에 의해 유발된 침수 면적을 기준(기준값: 1)으로 하고, 폭풍 해일(조위+월파량)에 의한 침수 면적과 복합 외력에 의한 침수 면적의 상대적 비율로 분석하였다(Table 4).
Table 4.
Impact evaluation for inundation area by external force
Condition
Marine City, Busan
Centum City, Busan
Jungang-dong area, Gunsan
Ocheon Port area, Boryeong
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Single external force
Rainfall (①)
0.0164
1.0
0.0759
1.0
0.0457
1.0
0.0175
1.0
Storm surge (②)
0.0363
2.21
0.0685
0.90
0.1463
3.20
0.0412
2.35
Compound external forces
Combination (①+②)
0.0524
3.19
0.1505
1.98
0.2632
5.76
0.0473
2.70
분석 결과, 부산 센텀시티를 제외한 3개 지역은 모두 폭풍 해일에 의한 침수 면적이 강우에 의한 침수 면적에 비해 2.2 ~ 3.2배 넓은 것으로 분석되었다. 한편, 복합 외력에 의한 침수 면적은 마린시티와 센텀시티의 경우, 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합과 유사하게 나타났다. 이는 각각의 외력에 의한 침수 영역이 상이하여 거의 중복되지 않음을 의미한다. 반면에, 오천항에서는 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합이 복합 외력에 의한 면적보다 크게 나타났다. 이는 오천항의 경우, 유역면적이 작고 배수 체계가 비교적 단순하여 강우와 폭풍 해일에 의한 침수 영역이 중복되기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 7(d)).
군산시 중앙동 일대의 경우, 복합 외력에 의한 침수 면적이 각각의 독립적인 외력 조건에 의한 침수 면적의 합에 비해 37.1% 크게 나타났다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 복합 외력 조건에서만 나타난 우수 관거(Fig. 8(c)의 A 구간)에 대하여 종단을 검토하였다(Fig. 9). Fig. 9(a)는 강우만에 의해 분석된 우수 관거 내 흐름 종단을 나타내고, Fig. 9(b)는 폭풍 해일만에 의한 우수 관거의 종단이다. 그림을 통해 각각의 독립적인 외력 조건 하에서는 해당 구간에서 침수가 발생되지 않은 것을 볼 수 있다. 다만, 강우만을 고려하더라도 우수 관거는 만관이 된 상태를 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 반면에, 만관 상태에서 폭풍 해일이 함께 고려됨에 따라 해수 범람과 조위 상승에 의해 우수 배제가 불량하게 되었고, 이로 인해 침수가 유발된 것으로 분석되었다(Fig. 9(c)). 따라서 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단할 수 있고, 단일 외력의 고려만으로는 침수를 예상하기 어려운 지역임을 알 수 있다.
Fig. 9.
A part of drainage profiles by external force in Jungang-dong area, Gunsan
4. 결 론
이 연구에서는 외력 조건에 따른 연안 지역의 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려된 외력 조건은 두 가지로서 강우와 폭풍 해일(조위와 월파)이다. 분석 대상 연안 지역으로는 남해안에 위치하는 2개 지역(부산시 해운대구의 마린시티와 센텀시티)과 서해안의 2개 지역(군산시 중앙동 일원 및 보령시 오천항)이 선정되었다.
복합 외력을 고려한 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역의 강우-유출 현상과 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있는 침수 모의 모형이 요구되는데, 이 연구에서는 XP-SWMM을 이용하였다. 한편, 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 및 FLOW-3D 모형이 이용되었다.
연안 지역별 침수 모의는 100년 빈도의 강우와 폭풍 해일을 독립적으로 고려한 경우와 복합적으로 고려한 경우를 구분하여 수행되었다. 우선, 외력을 독립적으로 고려한 결과, 대체로 폭풍 해일만 고려한 경우가 강우만 고려한 경우에 비해 침수 영향이 크게 나타났다. 따라서 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 의한 침수 피해 방지 계획이 상대적으로 중요한 것으로 분석되었다. 두 번째, 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수 모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 결과는 독립적인 외력 조건에서는 우수 관거가 만관 또는 그 이하의 상태가 되지만, 두 가지의 외력이 동시에 고려됨에 따라 우수 관거의 통수능 한계를 초과하여 나타났다. 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단되었고, 해당 지역의 적절한 침수 방지 대책 수립을 위해서는 복합적인 외력 조건이 고려되어야 함을 시사하였다.
현행, 자연재해저감종합계획에서는 침수와 관련된 재해 원인 지역을 내수재해, 해안재해, 하천재해 등으로 구분하고 있다. 하지만 이 연구에서 검토된 바와 같이, 연안 지역의 침수 원인은 복합적으로 나타날 뿐만 아니라, 복합 외력을 고려함에 따라 추가적으로 나타날 수 있는 침수 위험 지역도 존재한다. 따라서 기존의 획일적인 재해 원인의 구분보다는 지역의 특성에 맞는 복합적인 재해 원인을 검토할 필요가 있음을 제안한다.
Acknowledgements
본 논문은 행정안전부 극한 재난대응 기반기술 개발사업의 일환인 “해안가 복합재난 위험지역 피해저감 기술개발(연구과제번호: 2018-MOIS31-008)”의 지원으로 수행되었습니다.
References
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Hyung Ju Yoo1 Sung Sik Joo2 Beom Jae Kwon3 Seung Oh Lee4* 유 형주1 주 성식2 권 범재3 이 승오4* 1Ph.D Student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University2Director, Water Resources & Environment Department, HECOREA3Director, Water Resources Department, ISAN4Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University 1홍익대학교 건설환경공학과 박사과정 2㈜헥코리아 수자원환경사업부 이사 3㈜이산 수자원부 이사 4홍익대학교 건설환경공학과 교수*Corresponding Author
ABSTRACT
최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다.
그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다.
이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다.
수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다.
따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다.
이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다.
그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다.
키워드
보조 여수로, FLOW-3D, 수치모의, 호안 안정성, 소류력
Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate change increased and the aging of the existing spillway, it is necessary to establish a plan to utilize an auxiliary spillway to minimize the flood damage of downstream rivers. Most studies have been conducted on the review of flow characteristics according to the operation of auxiliary spillway through the hydraulic experiments and numerical modeling. However, the studies on examination of flood damage in the downstream rivers and the stability of the revetment according to the operation of the auxiliary spillway were relatively insufficient in the literature. In this study, the stability of the revetment on the downstream river according to the outflow conditions of the existing and auxiliary spillway was examined by using 3D numerical model, FLOW-3D. The velocity, water surface elevation and shear stress results of FLOW-3D were compared with the permissible velocity and shear stress of design criteria. It was assumed the sluice gate was fully opened. As a result of numerical simulations of various auxiliary spillway operations during flood season, the single operation of the auxiliary spillway showed the reduction effect of maximum velocity and the water surface elevation compared with the single operation of the existing spillway. The stability of the revetment on downstream was satisfied under the condition of outflow less than 45% of the design flood discharge. However, the potential overtopping damage was confirmed in the case of exceeding the 45% of the design flood discharge. Therefore, the simultaneous operation with the existing spillway was important to ensure the stability on design flood discharge condition. As a result of examining the allocation ratio and the total allowable outflow, the reduction effect of maximum velocity was confirmed on the condition, where the amount of outflow on auxiliary spillway was more than that on existing spillway. It is because the flow of downstream rivers was concentrated in the center due to the outflow of existing spillway. The permissible velocity and shear stress were satisfied under the condition of less than 77% of the design flood discharge with simultaneous operation. It was found that the flood damage of downstream rivers can be minimized by setting the amount allocated to the auxiliary spillway to be larger than the amount allocated to the existing spillway for the total outflow with simultaneous operation condition. However, this study only reviewed the flow characteristics around the revetment according to the outflow of spillway under the full opening of the sluice gate condition. Therefore, the various sluice opening conditions and outflow scenarios will be asked to derive more efficient utilization of the auxiliary spillway in th future.KeywordsAuxiliary spillway FLOW-3D Numerical simulation Revetment stability Shear stress
1. 서 론
최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로 유입되는 홍수량이 설계 홍수량보다 증가하여 댐 안정성 확보가 필요한 실정이다(Office for Government Policy Coordination, 2003). MOLIT & K-water(2004)에서는 기존댐의 수문학적 안정성 검토를 수행하였으며 이상홍수 발생 시 24개 댐에서 월류 등으로 인한 붕괴위험으로 댐 하류지역의 극심한 피해를 예상하여 보조여수로 신설 및 기존여수로 확장 등 치수능력 증대 기본계획을 수립하였고 이를 통하여 극한홍수 발생 시 홍수량 배제능력을 증대하여 기존댐의 안전성 확보 및 하류지역의 피해를 방지하고자 하였다. 여기서 보조 여수로는 기존 여수로와 동시 또는 별도 운영하는 여수로로써 비상상황 시 방류 기능을 포함하고 있고(K-water, 2021), 최근에는 기존 여수로의 노후화에 따라 보조여수로의 활용방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 기존 및 보조 여수로의 방류량 조합에 따른 하류 영향을 분석하고 하류 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오를 검토하고자 한다.
기존의 댐 여수로 검토에 관한 연구는 주로 수리실험을 통하여 방류조건 별 흐름특성을 검토하였으나 최근에는 수치모형 실험결과가 수리모형실험과 비교하여 근사한 것을 확인하는 등 점차 수치모형실험을 수리모형실험의 대안으로 활용하고 있다(Jeon et al., 2006; Kim, 2007; Kim et al., 2008). 국내의 경우, Jeon et al.(2006)은 수리모형 실험과 수치모의를 이용하여 임하댐 바상여수로의 기본설계안을 도출하였고, Kim et al.(2008)은 가능최대홍수량 유입 시 비상여수로 방류에 따른 수리학적 안정성과 기능성을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하여 검토하였다. 또한 Kim and Kim(2013)은 충주댐의 홍수조절 효과 검토 및 방류량 변화에 따른 상·하류의 수위 변화를 수치모형을 통하여 검토하였다. 국외의 경우 Zeng et al.(2017)은 3차원 수치모형인 Fluent를 활용한 여수로 방류에 따른 흐름특성 결과와 측정결과를 비교하여 수치모형 결과의 신뢰성을 검토하였다. Li et al.(2011)은 가능 최대 홍수량(Probable Maximum Flood, PMF)조건에서 기존 여수로와 신규 보조 여수로 유입부 주변의 흐름특성에 대하여 3차원 수치모형 Fluent를 활용하여 검토하였고, Lee et al.(2019)는 서로 근접해있는 기존 여수로와 보조여수로 동시 운영 시 방류능 검토를 수리모형 실험 및 수치모형 실험(FLOW-3D)을 통하여 수행하였으며 기존 여수로와 보조 여수로를 동시운영하게 되면 배수로 간섭으로 인하여 총 방류량이 7.6%까지 감소되어 댐의 방류능력이 감소하였음을 확인하였다.
그러나 대부분의 여수로 검토에 대한 연구는 여수로 내에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였고. 이에 기존 여수로와 보조 여수로 방류운영에 따른 하류하천의 흐름특성 변화 및 호안 안정성 평가에 관한 추가적인 검토가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안 안정성분석을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 이용하여 검토하였다. 또한 다양한 방류 배분 비율 및 허용 방류량 조건 변화에 따른 하류하천의 흐름특성 및 소류력 분석결과를 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 기준과 비교하여 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 최적의 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.
2. 본 론
2.1 이론적 배경
2.1.1 3차원 수치모형의 기본이론
FLOW-3D는 미국 Flow Science, Inc에서 개발한 범용 유체역학 프로그램(CFD, Computational Fluid Dynamics)으로 자유 수면을 갖는 흐름모의에 사용되는 3차원 수치해석 모형이다. 난류모형을 통해 난류 해석이 가능하고, 댐 방류에 따른 하류 하천의 흐름 해석에도 많이 사용되어 왔다(Flow Science, 2011). 본 연구에서는 FLOW-3D(version 12.0)을 이용하여 홍수 시 기존 여수로의 노후화에 대비하여 보조 여수로의 활용방안에 대한 검토를 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다.
2.1.2 유동해석의 지배방정식
1) 연속 방정식(Continuity Equation)
FLOW-3D는 비압축성 유체에 대하여 연속방정식을 사용하며, 밀도는 상수항으로 적용된다. 연속 방정식은 Eqs. (1), (2)와 같다.
(1)
∇·v=0
(2)
∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ
여기서, ρ는 유체 밀도(kg/m3), u, v, w는 x, y, z방향의 유속(m/s), Ax, Ay, Az는 각 방향의 요소면적(m2), RSOR는 질량 생성/소멸(mass source/sink)항을 의미한다.
2) 운동량 방정식(Momentum Equation)
각 방향 속도성분 u, v, w에 대한 운동방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 다음 Eqs. (3), (4), (5)와 같다.
여기서, Gx, Gy, Gz는 체적력에 의한 가속항, fx, fy, fz는 점성에 의한 가속항, bx, by, bz는 다공성 매체에서의 흐름손실을 의미한다.
2.1.3 소류력 산정
호안설계 시 제방사면 호안의 안정성 확보를 위해서는 하천의 흐름에 의하여 호안에 작용하는 소류력에 저항할 수 있는 재료 및 공법 선택이 필요하다. 국내의 경우 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서 계획홍수량 유하 시 소류력 산정 방법을 제시하고 있다. 소류력은 하천의 평균유속을 이용하여 산정할 수 있으며, 소류력 산정식은 Eqs. (6), (7)과 같다.
여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), I는 에너지경사, C는 Chezy 유속계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.
2) Manning 조도계수를 고려한 공식
Chezy 유속계수를 대신하여 Manning의 조도계수를 고려하여 소류력을 산정할 수 있다.
(7)
τ=γn2V2R1/3
여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), n은 Manning의 조도계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.
FLOW-3D 수치모의 수행을 통하여 하천의 바닥 유속을 도출할 수 있으며, 본 연구에서는 Maning 조도계수롤 고려하여 소류력을 산정하고자 한다. 소류력을 산정하기 위해서 여수로 방류에 따른 대안부의 바닥유속 변화를 검토하여 최대 유속 값을 이용하였다. 최종적으로 산정한 소류력과 호안의 재료 및 공법에 따른 허용 소류력과 비교하여 제방사면 호안의 안정성 검토를 수행하게 된다.
2.2 하천호안 설계기준
하천 호안은 계획홍수위 이하의 유수작용에 대하여 안정성이 확보되도록 계획하여야 하며, 호안의 설계 시에는 사용재료의 확보용이성, 시공상의 용이성, 세굴에 대한 굴요성(flexibility) 등을 고려하여 호안의 형태, 시공방법 등을 결정한다(MOLIT, 2019). 국내의 경우, 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서는 다양한 호안공법에 대하여 비탈경사에 따라 설계 유속을 비교하거나, 허용 소류력을 비교함으로써 호안의 안정성을 평가한다. 호안에 대한 국외의 설계기준으로 미국의 경우, ASTM(미국재료시험학회)에서 호안블록 및 식생매트 시험방법을 제시하였고 제품별로 ASTM 시험에 의한 허용유속 및 허용 소류력을 제시하였다. 일본의 경우, 호안 블록에 대한 축소실험을 통하여 항력을 측정하고 이를 통해서 호안 블록에 대한 항력계수를 제시하고 있다. 설계 시에는 항력계수에 의한 블록의 안정성을 평가하고 있으나, 최근에는 세굴의 영향을 고려할 수 있는 호안 안정성 평가의 필요성을 제기하고 있다(MOLIT, 2019). 관련된 국내·외의 하천호안 설계기준은 Table 1에 정리하여 제시하였고, 본 연구에서 하천 호안 안정성 평가 시 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)과 ASTM 시험에서 제시한 허용소류력 및 허용유속 기준을 비교하여 각각 0.28 kN/m2, 5.0 m/s 미만일 경우 호안 안정성을 확보하였다고 판단하였다.
Table 1.
Standard of Permissible Velocity and Shear on Revetment
Country (Reference)
Material
Permissible velocity (Vp, m/s)
Permissible Shear (τp, kN/m2)
Korea
River Construction Design Practice Guidelines (MOLIT, 2016)
Vegetated
5.0
0.50
Stone
5.0
0.80
USA
ASTM D’6460
Vegetated
6.1
0.81
Unvegetated
5.0
0.28
JAPAN
Dynamic Design Method of Revetment
–
5.0
–
2.3. 보조여수로 운영에 따른 하류하천 영향 분석
2.3.1 모형의 구축 및 경계조건
본 연구에서는 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 보조여수로의 활용방안에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안안정성 평가를 수행하기 위해 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 기존 여수로 및 보조 여수로는 치수능력 증대사업(MOLIT & K-water, 2004)을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하여 구축하였다. ○○댐은 설계빈도(100년) 및 200년빈도 까지는 계획홍수위 이내로 기존 여수로를 통하여 운영이 가능하나 그 이상 홍수조절은 보조여수로를 통하여 조절해야 하며, 또한 2011년 기존 여수로 정밀안전진단 결과 사면의 표층 유실 및 옹벽 밀림현상 등이 확인되어 노후화에 따른 보수·보강이 필요한 상태이다. 이에 보조여수로의 활용방안 검토가 필요한 것으로 판단하여 본 연구의 대상댐으로 선정하였다. 하류 하천의 흐름특성을 예측하기 위하여 격자간격을 0.99 ~ 8.16 m의 크기로 하여 총 격자수는 49,102,500개로 구성하였으며, 여수로 방류에 따른 하류하천의 흐름해석을 위한 경계조건으로 상류는 유입유량(inflow), 바닥은 벽면(wall), 하류는 수위(water surface elevation)조건으로 적용하도록 하였다(Table 2, Fig. 1 참조). FLOW-3D 난류모형에는 혼합길이 모형, 난류에너지 모형, k-ϵ모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ϵ모형, LES 모형 등이 있으며, 본 연구에서는 여수로 방류에 따른 복잡한 난류 흐름 및 높은 전단흐름을 정확하게 모의(Flow Science, 2011)할 수 있는 RNG k-ϵ모형을 사용하였고, 하류하천 호안의 안정성 측면에서 보조여수로의 활용방안을 검토하기 위하여 방류시나리오는 Table 3에 제시된 것 같이 설정하였다. Case 1 및 Case 2를 통하여 계획홍수량에 대하여 기존 여수로와 보조 여수로의 단독 운영이 하류하천에 미치는 영향을 확인하였고 보조 여수로의 방류량 조절을 통하여 호안 안정성 측면에서 보조 여수로 방류능 검토를 수행하였다(Case 3 ~ Case 6). 또한 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천의 영향 검토(Case 7 ~ Case 10) 및 방류 배분에 따른 허용 방류량을 호안 안정성 측면에서 검토를 수행하였다(Case 11 ~ Case 14).
수문은 완전개도 조건으로 가정하였으며 하류하천의 계획홍수량에 대한 기존 여수로와 보조여수로의 배분량을 조절하여 모의를 수행하였다. 여수로는 콘크리트의 조도계수 값(Chow, 1959)을 채택하였고, 댐 하류하천의 조도계수는 하천기본계획(Busan Construction and Management Administration, 2009) 제시된 조도계수 값을 채택하였으며 FLOW-3D의 적용을 위하여 Manning-Strickler 공식(Vanoni, 2006)을 이용하여 조도계수를 조고값으로 변환하여 사용하였다. Manning-Strickler 공식은 Eq. (8)과 같으며, FLOW-3D에 적용한 조도계수 및 조고는 Table 4와 같다.
(8)
n=ks1/68.1g1/2
여기서, kS는 조고 (m), n은 Manning의 조도계수, g는 중력가속도(m/s2)를 의미한다.
시간에 따라 동일한 유량이 일정하게 유입되도록 모의를 수행하였으며, 시간간격(Time Step)은 0.0001초로 설정(CFL number < 1.0) 하였다. 또한 여수로 수문을 통한 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우는 연속방정식을 만족하고 있다고 가정하였다. 이는, 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우 유속의 변동 값 역시 1.0%이내이며, 수치모의 결과 1.0%의 유속변동은 호안의 유속설계기준에 크게 영향을 미치지 않는다고 판단하였다. 그 결과 모든 수치모의 Case에서 2400초 이내에 결과 값이 수렴하는 것을 확인하였다.
Table 2.
Mesh sizes and numerical conditions
Mesh
Numbers
49,102,500 EA
Increment (m)
Direction
Existing Spillway
Auxiliary Spillway
∆X
0.99 ~ 4.30
1.00 ~ 4.30
∆Y
0.99 ~ 8.16
1.00 ~ 5.90
∆Z
0.50 ~ 1.22
0.50 ~ 2.00
Boundary Conditions
Xmin / Ymax
Inflow / Water Surface Elevation
Xmax, Ymin, Zmin / Zmax
Wall / Symmetry
Turbulence Model
RNG model
Table 3.
Case of numerical simulation (Qp : Design flood discharge)
Case
Existing Spillway (Qe, m3/s)
Auxiliary Spillway (Qa, m3/s)
Remarks
1
Qp
0
Reference case
2
0
Qp
3
0
0.58Qp
Review of discharge capacity on auxiliary spillway
4
0
0.48Qp
5
0
0.45Qp
6
0
0.32Qp
7
0.50Qp
0.50Qp
Determination of optimal division ratio on Spillways
8
0.61Qp
0.39Qp
9
0.39Qp
0.61Qp
10
0.42Qp
0.58Qp
11
0.32Qp
0.45Qp
Determination of permissible division on Spillways
12
0.35Qp
0.48Qp
13
0.38Qp
0.53Qp
14
0.41Qp
0.56Qp
Table 4.
Roughness coefficient and roughness height
Criteria
Roughness coefficient (n)
Roughness height (ks, m)
Structure (Concrete)
0.014
0.00061
River
0.033
0.10496
Fig. 1
Layout of spillway and river in this study
2.3.2 보조 여수로의 방류능 검토
본 연구에서는 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천 대안부의 유속분포 및 수위분포를 검토하기 위해 수치모의 Case 별 다음과 같이 관심구역을 설정하였다(Fig. 2 참조). 관심구역(대안부)의 길이(L)는 총 1.3 km로 10 m 등 간격으로 나누어 검토하였으며, Section 1(0 < X/L < 0.27)은 기존 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간, Section 2(0.27 < X/L < 1.00)는 보조 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간으로 각 구간에서의 수위, 유속, 수심결과를 확인하였다. 기존 여수로의 노후화에 따른 보조 여수로의 방류능 검토를 위하여 Case 1 – Case 6까지의 결과를 비교하였다.
보조 여수로의 단독 운영 시 기존 여수로 운영 시 보다 하류하천의 대안부의 최대 유속(Vmax)은 약 3% 감소하였으며, 이는 보조 여수로의 하천 유입각이 기존 여수로 보다 7°작으며 유입하천의 폭이 증가하여 유속이 감소한 것으로 판단된다. 대안부의 최대 유속 발생위치는 하류 쪽으로 이동하였으며 교량으로 인한 단면의 축소로 최대유속이 발생하는 것으로 판단된다. 또한 보조 여수로의 배분량(Qa)이 증가함에 따라 하류하천 대안부의 최대 유속이 증가하였다. 하천호안 설계기준에서 제시하고 있는 허용유속(Vp)과 비교한 결과, 계획홍수량(Qp)의 45% 이하(Case 5 & 6)를 보조 여수로에서 방류하게 되면 허용 유속(5.0 m/s)조건을 만족하여 호안안정성을 확보하였다(Fig. 3 참조). 허용유속 외에도 대안부에서의 소류력을 산정하여 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 소류력(τp)과 비교한 결과, 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 계획홍수량의 45% 이하일 경우 허용소류력(0.28 kN/m2) 조건을 만족하였다(Fig. 4 참조). 각 Case 별 호안설계조건과 비교한 결과는 Table 5에 제시하였다.
하류하천의 수위도 기존 여수로 운영 시 보다 보조 여수로 단독 운영 시 최대 수위(ηmax)가 약 2% 감소하는 효과를 보였으며 최대 수위 발생위치는 수충부로 여수로 방류시 처오름에 의한 수위 상승으로 판단된다. 기존 여수로의 단독운영(Case 1)의 수위(ηref)를 기준으로 보조 여수로의 방류량이 증가함에 따라 수위는 증가하였으나 계획홍수량의 58%까지 방류할 경우 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보되었다(Fig. 5 참조). 그러나 계획홍수량 조건에서는 월류에 대한 위험성이 존재하기 때문에 기존여수로와 보조여수로의 적절한 방류량 배분 조합을 도출하는 것이 중요하다고 판단되어 진다.
Fig. 2
Region of interest in this study
Fig. 3
Maximum velocity and location of Vmax according to Qa
Fig. 4
Maximum shear according to Qa
Fig. 5
Maximum water surface elevation and location of ηmax according to Qa
Table 5.
Numerical results for each cases (Case 1 ~ Case 6)
Case
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
1 (Qa = 0)
9.15
0.54
No Good
No Good
2 (Qa = Qp)
8.87
0.56
No Good
No Good
3 (Qa = 0.58Qp)
6.53
0.40
No Good
No Good
4 (Qa = 0.48Qp)
6.22
0.36
No Good
No Good
5 (Qa = 0.45Qp)
4.22
0.12
Accpet
Accpet
6 (Qa = 0.32Qp)
4.04
0.14
Accpet
Accpet
2.3.3 기존 여수로와 보조 여수로 방류량 배분 검토
기존 여수로 및 보조 여수로 단독운영에 따른 하류하천 및 호안의 안정성 평가를 수행한 결과 계획홍수량 방류 시 하류하천 대안부에서 호안 설계 조건(허용유속 및 허용 소류력)을 초과하였으며, 처오름에 의한 수위 상승으로 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 계획 홍수량 조건에서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분을 통하여 호안 안정성을 확보하고 하류하천에 방류로 인한 피해를 최소화할 수 있는 배분조합(Case 7 ~ Case 10)을 검토하였다. Case 7은 기존 여수로와 보조여수로의 배분 비율을 균등하게 적용한 경우이고, Case 8은 기존 여수로의 배분량이 보조 여수로에 비하여 많은 경우, Case 9는 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로에 비하여 많은 경우를 의미한다. 최대유속을 비교한 결과 보조 여수로의 배분 비율이 큰 경우 기존 여수로의 배분량에 의하여 흐름이 하천 중심에 집중되어 대안부의 유속을 저감하는 효과를 확인하였다. 보조여수로의 방류량 배분 비율이 증가할수록 기존 여수로 대안부 측(0.00<X/L<0.27, Section 1) 유속 분포는 감소하였으나, 신규여수로 대안부 측(0.27<X/L<1.00, Section 2) 유속은 증가하는 것을 확인하였다(Fig. 6 참조). 그러나 유속 저감 효과에도 대안부 전구간에서 설계 허용유속 조건을 초과하여 제방의 안정성을 확보하지는 못하였다. 소류력 산정 결과 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량 보다 크면 감소하는 것을 확인하였고 일부 구간에서는 허용 소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 7 참조).
따라서 유속 저감효과가 있는 배분 비율 조건(Qa>Qe)에서 Section 2에 유속 저감에 영향을 미치는 기존 여수로 방류량 배분 비율을 증가시켜 추가 검토(Case 10)를 수행하였다. 단독운영과 비교 시 하류하천에 유입되는 유량은 증가하였음에도 불구하고 기존 여수로 방류량에 의해 흐름이 하천 중심으로 집중되는 현상에 따라 대안부의 유속은 단독 운영에 비하여 감소하는 것을 확인하였고(Fig. 8 참조), 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 조건을 만족하는 구간이 발생하여 호안 안정성도 확보한 것으로 판단되었다. 최종적으로 각 Case 별 수위 결과의 경우 여수로 동시 운영을 수행하게 되면 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 9 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 6에 제시하였다.
Fig. 6
Maximum velocity on section 1 & 2 according to Qa
Fig. 7
Maximum shear on section 1 & 2 according to Qa
Fig. 8
Velocity results of FLOW-3D (a: auxiliary spillway operation only , b : simultaneous operation of spillways)
Fig. 9
Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to Qa
Table 6.
Numerical results for each cases (Case 7 ~ Case 10)
Case (Qe & Qa)
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
7 Qe : 0.50QpQa : 0.50Qp
8.10
6.23
0.64
0.30
No Good
No Good
No Good
No Good
8 Qe : 0.61QpQa : 0.39Qp
8.88
6.41
0.61
0.34
No Good
No Good
No Good
No Good
9 Qe : 0.39QpQa : 0.61Qp
6.22
7.33
0.24
0.35
No Good
No Good
Accept
No Good
10 Qe : 0.42QpQa : 0.58Qp
6.39
4.79
0.30
0.19
No Good
Accept
No Good
Accept
2.3.4 방류량 배분 비율의 허용 방류량 검토
계획 홍수량 방류 시 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 검토 결과 Case 10(Qe = 0.42Qp, Qa = 0.58Qp)에서 방류에 따른 하류 하천의 피해를 최소화시킬 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 대안부 전 구간에 대하여 호안 설계조건을 만족하지 못하였다. 따라서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류 배분 비율을 고정시킨 후 총 방류량을 조절하여 허용 방류량을 검토하였다(Case 11 ~ Case 14).
호안 안정성 측면에서 검토한 결과 계획홍수량 대비 총 방류량이 감소하면 최대 유속 및 최대 소류력이 감소하고 최종적으로 계획 홍수량의 77%를 방류할 경우 하류하천의 대안부에서 호안 설계조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 10, Fig. 11 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 7에 제시하였다. 또한 Case 별 수위 검토 결과 처오름으로 인한 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 12 참조).
Table 7.
Numerical results for each cases (Case 11 ~ Case 14)
Case (Qe & Qa)
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
11 Qe : 0.32QpQa : 0.45Qp
3.63
4.53
0.09
0.26
Accept
Accept
Accept
Accept
12 Qe : 0.35QpQa : 0.48Qp
5.74
5.18
0.23
0.22
No Good
No Good
Accept
Accept
13 Qe : 0.38QpQa : 0.53Qp
6.70
4.21
0.28
0.11
No Good
Accept
Accept
Accept
14 Qe : 0.41QpQa : 0.56Qp
6.54
5.24
0.28
0.24
No Good
No Good
Accept
Accept
Fig. 10
Maximum velocity on section 1 & 2 according to total outflow
Fig. 11
Maximum shear on section 1 & 2 according to total outflow
Fig. 12
Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to total outflow
3. 결 론
본 연구에서는 홍수 시 기존 여수로의 노후화로 인한 보조 여수로의 활용방안에 대하여 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다. 여수로 방류로 인한 하류하천의 흐름특성을 검토하기 위하여 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하였고, 여수로 지형은 치수능력 증대사업을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하였다. 하류하천 조도 계수 및 여수로 방류량은 하천기본계획을 참고하여 적용하였다. 최종적으로 여수로 방류로 인한 하류하천의 피해를 최소화 시킬 수 있는 적절한 보조 여수로의 활용방안을 도출하기 위하여 보조 여수로 단독 운영과 기존 여수로와의 동시 운영에 따른 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다.
수문은 완전 개도 상태에서 방류한다는 가정으로 계획 홍수량 조건에서 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천 대안부의 유속 및 수위를 검토한 결과 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대 유속 및 최대 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천으로 유입각도가 작아지고, 유입되는 하천의 폭이 증가되기 때문이다. 그러나 계획 홍수량 조건에서 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 유속(5.0 m/s)과 허용 소류력(0.28 kN/m2)과 비교하였을 때 호안 안정성을 확보하지 못하였으며, 계획홍수량의 45% 이하 방류 시에 대안부의 호안 안정성을 확보하였다. 수위의 경우 여수로 방류에 따른 대안부에서 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성을 확인하였고 이를 통하여 기존 여수로와의 동시 운영 방안을 도출하는 것이 중요하다고 판단된다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 측면에서 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 및 총 방류량을 변화시켜가며 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다. 배분 비율의 경우 기존 여수로와 보조 여수로의 균등 배분(Case 7) 및 편중 배분(Case 8 & Case 9)을 검토하여 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 중심부로 집중되어 대안부의 최대유속, 최대소류력 및 최대수위가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 근거로 기존 여수로의 방류 비율을 증가(Qe=0.42Qp, Qa=0.58Qp)시켜 검토한 결과 대안부 일부 구간에서 허용 유속 및 허용소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 기존 여수로와 보조 여수로의 동시 운영을 통하여 적절한 방류량 배분 비율을 도출하는 것이 방류로 인한 하류하천의 피해를 저감하는데 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 설계홍수량 방류 시 전 구간에서 허용 유속 및 소류력 조건을 만족하지 못하였다. 최종적으로 전체 방류량에서 기존 여수로의 방류 비율을 42%, 보조 여수로의 방류 비율을 58%로 설정하여 허용방류량을 검토한 결과, 계획홍수량의 77%이하로 방류 시 대안부의 최대유속은 기존여수로 방류의 지배영향구간(section 1)에서 3.63 m/s, 기존 여수로와 보조 여수로 방류의 영향구간(section 2)에서 4.53 m/s로 허용유속 조건을 만족하였고, 산정한 소류력도 각각 0.09 kN/m2 및 0.26 kN/m2로 허용 소류력 조건을 만족하여 대안부 호안의 안정성을 확보하였다고 판단된다.
본 연구 결과는 기후변화 및 기존여수로의 노후화로 인하여 홍수 시 기존여수로의 단독운영으로 하류하천의 피해가 발생할 수 있는 현시점에서 치수증대 사업으로 완공된 보조 여수로의 활용방안에 대한 기초자료로 활용될 수 있고, 향후 계획 홍수량 유입 시 최적의 배분 비율 및 허용 방류량 도출에 이용할 수 있다. 다만 본 연구는 여수로 방류에 따른 제방에 작용하는 수충력은 검토하지 못하고, 허용 유속 및 허용소류력은 제방과 유수의 방향이 일정한 구간에 대하여 검토하였다. 또한 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토하여 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.
Acknowledgements
본 결과물은 K-water에서 수행한 기존 및 신규 여수로 효율적 연계운영 방안 마련(2021-WR-GP-76-149)의 지원을 받아 연구되었습니다.
References
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이 조사의 목적은 실험 모델 f Khaled Hamad의 박사 학위 논문 인 Submerged Vanes의 실험적 난류 분석을 기반으로 FLOW 3D 컴퓨터 패키지를 사용하여 3 차원 수치 모델링을 개발하여 수치 및 실험 모델 둘 사이의 속도와 압력 결과를 비교하는 것입니다.
이 조사는 모래층에 설치된 침수 베인과 상호 작용할 때 흐름의 거동을 평가하고 이러한 유형의 수력 구조물을 구현할 때 퇴적물 수송 능력이 어떻게 변하는지 분석했습니다.
보정된 모델을 얻기 위해 민감도 분석이 수행되었고 보정은 메쉬 크기, 계산 비용, 시뮬레이션 시간 및 난류 모델을 정의했습니다. 원하는 결과가 얻어 질 때까지 23 번의 테스트가 수행되었고 실험 모델과 같았습니다.
난류 분석은 보정 된 모델 속도, 레이놀즈 전단, 난류 운동 에너지 및 그 소산 속도, 난류 강도 및 Kolmogorov 스케일로 수행되었습니다. 실험 모델과 수치 모델에서 얻은 결과를 비교했습니다. 수치 모형과 실험 모형의 결과를 비교하여 차이와 오차의 비율을 결정하여 수치 모형의 값을 검증 하였습니다.
FIGURA 1.2. (ARRIBA) EROSIÓN DE UN BANCO DE SEDIMENTOS POR LA CORRIENTE
NATURAL;(ABAJO) MITIGACIÓN DE LA EROSIÓN MEDIANTE LA INSTALACIÓN DE PANELES
SUMERGIDOS
FUENTE: (Odgaard, 2009)FIGURA 1.3. REDISTRIBUCIÓN DEL FLUJO POR ACCIÓN DE PANELES SUMERGIDOS
DENTRO DE UNA SECCIÓN TRANSVERSAL DEL CANAL
FUENTE: (Odgaard, 2009)FIGURA 2.2. BOSQUEJO DE LA CIRCULACIÓN INDUCIDA POR UNA SERIE DE TRES
PANELES SUMERGIDOS
FUENTE: (Odgaard, 2009)FIGURA 2.3. ESQUEMA QUE MUESTRA EL CAMBIO PROVOCADO POR TRES PANELES
SUMERGIDOS EN EL PERFIL DE LA CAMA DE SEDIMENTOS
FUENTE: (Odgaard, 2009)FIGURA 2.4. ESQUEMA DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
FUENTE: (Sarango, 2013)FIGURA 2.5. FORMAS DEL TRANSPORTE DE SEDIMENTOS
FUENTE: (Garcia & Maza, 1996)FOTOGRAFÍA 3.1. VISTA EN PLANTA DEL CANAL
FUENTE: (Hamad, 2015)FOTOGRAFÍA 3.2. PANEL SUMERGIDO INSTALADO
FUENTE: (Hamad, 2015)FOTOGRAFÍA 3.3. SISTEMA DE COORDENADAS DEL PANEL SUMERGIDO
FUENTE: (Hamad, 2015)FIGURA 4.9. DISTRIBUCIÓN DE PRESIONES SOBRE EL PANEL SUMERGIDO
ELABORADO: Jurado – Oñate, 2020FOTOGRAFÍA 4.1. TOPOGRAFÍA FINAL DEL LECHO DE ARENA EN MODELO
EXPERIMENTAL
FUENTE: (Hamad, 2015)FIGURA 4.15. TOPOGRAFÍA FINAL DEL LECHO DE ARENA TRAZADA EN MATLAB
FUENTE: (Hamad, 2015)TABLA 4.6. TENSIONES DE REYNOLDS TANTO PARA EL MODELO NUMÉRICO (PRUEBA 23)
COMO PARA EL MODELO EXPERIMENTAL PARA LOS PUNTOS DE ESTUDIO
In order to study the impact of tailings reservoir dam failure on downstream villages，the effectiveness and necessity of engineering measures are analyzed by comparing the changes in the flow rate of the point before and after the engineering measures are taken and the flow rate through the section. In this paper，an actual tailings reservoir is used as an example to simulate three -dimensional numerical values through FLOW -3D software. Taking a tailings reservoir as an example，a three-dimensional numerical model of the physical terrain and houses and villages within 3 km of the tailings reservoir and its downstream is established，and the dynamic process of the gradual dam failure of the tailings reservoir is simulated. And on the basis of the original tailings reservoir model，a dam is added at the foot of the dam to compare and analyze the impact of dam failure on the downstream. The results showed that after the engineering measures were taken，the water level of the monitoring point decreased significantly，the flow rate of the section flow slowed down，and delays the section time at which the maximum flow rate occurs. It is proved that the engineering measures are effective
Korea Abstract
Tailings reservoir 댐 고장이 하류 마을에 미치는 영향을 연구하기 위해 엔지니어링 조치를 취하기 전과 후 지점의 유량 변화와 섹션을 통한 유량을 비교하여 엔지니어링 조치의 효과 및 필요성을 분석합니다.
이 논문에서 실제 tailings reservoir는 FLOW-3D 소프트웨어를 통해 3 차원 수치 값을 시뮬레이션 하기 위한 예로 사용됩니다. tailings reservoir를 예로 들어, 물리적 지형과 그 안의 주택과 마을에 대한 3 차원 수치 모델 tailings reservoir의 3km와 그 하류가 확립되고, 광미 저수지의 점진적인 댐 고장의 동적 과정이 시뮬레이션됩니다.
그리고 원래 tailings reservoir 모델을 기반으로 댐 아래에 댐이 추가됩니다. 댐 고장이 하류에 미치는 영향을 비교하고 분석합니다.
결과는 엔지니어링 조치를 취한 후 모니터링 지점의 수위가 감소하는 것으로 나타났습니다. 대폭적으로 단면 흐름의 유속이 느려지고 최대 유속이 발생하는 구간 시간이 지연됩니다. 엔지니어링 조치가 효과적인 것으로 입증되었습니다.
Jiahao Hu1, Chengwei Na1 and Yi Wang1
Key words：Tailings pond, Gradual dam break, Sedimentation, FLOW-3D
Jae-Seol Shim†, Jinah Kim†, Dong-Chul Kim‡, Kiyoung Heo†, Kideok Do†, Sun-Jung Park ‡ † Coastal Disaster Research Center, Korea Institute of Ocean Science & Technology, 426-744, Ansan, Gyeonggi, Korea jsshim@kiost.ac jakim@kiost.ac kyheo21@kiost.ac kddo@kiost.ac ‡ Technology R&D Institute Hyein E&C Co., Ltd., Seoul 157-861, Korea skkkdc@chol.com Nayana_sj@nate.com
ABSTRACT
Shim, J., Kim, J., Kim, D., Heo, K., Do, K., Park, S., 2013. Storm surge inundation simulations comparing threedimensional with two-dimensional models based on Typhoon Maemi over Masan Bay of South Korea. In: Conley, D.C., Masselink, G., Russell, P.E. and O’Hare, T.J. (eds.), Proceedings 12th International Coastal Symposium (Plymouth, England), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 65, pp. 392-397, ISSN 0749-0208. Severe storm surge inundation was caused by the typhoon Maemi in Masan Bay, South Korea in September 2003. To investigate the differences in the storm surge inundation simulated by three-dimensional (3D) and two-dimensional models, we used the ADvanced CIRCulation model (ADCIRC) and 3D computational fluid dynamics (CFD) model (FLOW3D). The simulation results were compared to the flood plain map of Masan Bay following the typhoon Maemi. To improve the accuracy of FLOW3D, we used a high-resolution digital surface model with a few tens of centimeterresolution, produced by aerial LIDAR survey. Comparison of the results between ADCRIC and FLOW3D simulations shows that the inclusion of detailed information on buildings and topography has an impact, delaying seawater propagation and resulting in a reduced inundation depth and flooding area. Furthermore, we simulated the effect of the installation of a storm surge barrier on the storm surge inundation. The barrier acted to decrease the water volume of the inundation and delayed the arrival time of the storm surge, implying that the storm surge barrier provides more time for residents’ evacuation.
Keywords: Typhoon Maemi, digital surface elevation model, Reynolds-Averaged NavierStokes equations.
2003 년 9 월 대한민국 마산만 태풍 매미에 의해 심한 폭풍 해일 침수가 발생했습니다. 3 차원 (3D) 및 2 차원 모델로 시뮬레이션 한 폭풍 해일 침수의 차이를 조사하기 위해 ADvanced CIRCulation 모델 ( ADCIRC) 및 3D 전산 유체 역학 (CFD) 모델 (FLOW3D).
시뮬레이션 결과는 태풍 매미 이후 마산만 범람원 지도와 비교되었다. FLOW-3D의 정확도를 높이기 위해 우리는 항공 LIDAR 측량으로 생성된 수십 센티미터 해상도의 고해상도 디지털 표면 모델을 사용했습니다.
ADCRIC과 FLOW3D 시뮬레이션의 결과를 비교하면 건물과 지형에 대한 자세한 정보를 포함하면 해수 전파가 지연되고 침수 깊이와 침수 면적이 감소하는 것으로 나타났습니다.
또한, 폭풍 해일 침수에 대한 폭풍 해일 장벽 설치의 효과를 시뮬레이션했습니다. 이 장벽은 침수 물량을 줄이고 폭풍 해일 도착 시간을 지연시키는 역할을 하여 폭풍 해일 장벽이 주민들의 대피에 더 많은 시간을 제공한다는 것을 의미합니다.
INTRODUCTION
2003 년 9 월 12 일 태풍 매미로 인한 강한 폭풍 해일이 남해안을 강타했습니다. 마산 만 일대는 심한 폭풍우 침수로 인해 최악의 피해를 입었고 광범위한 홍수를 겪었습니다. 따라서 마산 만에 예방 체계를 구축하기 위해 폭풍 해일에 의한 침수에 대한 수치 예측을 시도하는 선행 연구가 수행되었다 (Park et al. 2011).
그러나 일반적인 2 차원 (2D) 또는 3 차원 (3D) 수압 가정을 사용할 때 지형의 해상도는 복잡한 해안 구조를 표현하기에 충분하지 않습니다. 따라서 우리는 마산 만의 고해상도 지형도를 통해 전산 유체 역학 (CFD)의 침수 시뮬레이션을 제시한다.
태풍 매미는 2003 년 9 월 12 일 12시 (UTC)에 한반도에 상륙하여 남동부 해안을 따라 추적했습니다 (그림 1). 2003 년 9 월 13 일 6시 (UTC)에 동 일본해로 이동하여 온대 저기압이되었습니다.
풍속과 기압면에서 한국을 강타한 가장 강력한 태풍 중 하나입니다. 특히 마산 만에 접해있는 마산시는 폭풍 해일 홍수로 최악의 피해를 입어 32 명이 사망하고 심각한 해안 피해를 입었다. 태풍이 지나가는 동안 중앙 기압은 950hPa, 진행 속도는 45kmh-1로 마산항의 조 위계를 통해 최대 약 2.3m의 서지 높이를 기록했다.
마산 만에 접한 주거 및 상업 지역은 홍수가 심했고 지하 시설은 폭풍 해일로 침수로 어려움을 겪었습니다 (Yasuda et al. 2005). 이 논문에서는 3D CFD 모델 (FLOW 3D)과 2D ADvanced CIRCulation 모델 (ADCIRC)을 사용하여 기록 된 마산 만에서 가장 큰 폭풍 해일 중 하나에 의해 생성 된 해안 침수를 시뮬레이션했습니다.
건물의 높이와 공간 정보를 포함하는 디지털 표면 모델 (DSM)은 LiDAR (Airborne Light Detection and Ranging)에 의해 만들어졌으며, 폭풍 해일 침수 모델, 즉 3D CFD 모델 (FLOW 3D)의 입력 데이터로 사용되었습니다. ). 또한 ADCIRC의 시뮬레이션 결과는 FLOW3D의 경계 조건으로 사용됩니다.
본 연구의 목적은 극심한 침수 높이와 해안 육지로의 범람을 포함하여 마산 만에서 태풍 매미로 인한 폭풍 해일 침수를 재현하는 것이다.
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Figure 1. The best track and the central pressures of the
typhoon Maemi from the Joint Typhoon Warning Center
(JTWC). Open circles indicate the locations of the typhoon in 3
h intervals. Filled circles represent locations of the cited
stations; A, B, C and D indicate Jeju, Yeosu, Tongyoung, and
Masan, respectively.Figure 2. Model domain with FEM mesh for Typhoon Maemi.Figure 3. Validation of surge height for the four major tidal
stations on the south coast of the Korea.Figure 4. Inundation depth results from (a) ADCIRC, (b)
FLOW3D, and (c) inundation field surveying hazard map
following typhoon Maemi.Figure 5. Inundation depth results computed by Flow3D at each
time period following arrival of storm surge wave at harbor
mouth.Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no
barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the
entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the
seawall.
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Reproduction of Flood Inundation in Marine City, Busan During the Typhoon Chaba Invasion Using ADCSWAN and FLOW-3D Models
요 약 : 최근 연안지역의 대규모 개발로 인해 고파랑 내습과 강한 태풍으로 발생된 월파는 연안지역의 많은 인명 및 재산피해를 발생시 켰으나 연안지역의 특성을 고려한 침수·범람 연구는 미비한 실정이다. 본 연구는 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 모델과 FLOW-3D 모델을 적용 하여 해일 및 파랑의 복합요소에 대한 침수범람을 재현하기 위한 방법론에 대한 연구이다. 본 연구에서는 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 모 델을 이용하여 FLOW-3D 모델의 경계자료(해수위, 파랑)를 추출하고, FLOW-3D 모델 입력값으로 적용하여 태풍 차바 통과시 부산 마린시 티를 대상으로 해일과 월파에 의한 침수범람을 재현하였다. 또한 기존 월파량 경험식과 FLOW-3D 모델로 계산된 월파량을 비교하였으며, 침수범람은 한국국토정보공사의 침수흔적도를 활용하여 정성적인 검증을 수행하여, 본 연구의 유효성을 검토하였다.
연안지역에 인접한 도시지역의 침수피해는 일반적인 도 시침수피해의 특성뿐만 아니라 연안지역의 조위상승 및 월 파현상이 포함된 복합적인 형태의 침수피해가 발생한다. 최근 지구온난화로 인한 기후변화는 평균해수면 상승과 태풍 의 강도 증가로 인해 해안지역의 재해 위험을 높이고 있지 만, 해안지역의 대규모 매립과 개발로 인해 인명손실과 재 산피해를 야기하는 위험도를 증가시켰다. 해안지역은 만조시 해수면 상승, 폭풍해일로 인한 월류 및 월파와 같은 요인에 의해 침수가 발생할 수 있다. 실제로 2003년 태풍 매미로 인한 마산만 조수가 예보치와 비교하여 2 m 이상 상승하여 많은 지역이 침수 및 인명·재산 피해가 발생되었으며, 2016년 태풍 차바는 폭풍해일 내습시 동반되 는 고파랑 발생으로 부산 해운대구 마린 시티에 대규모 침 수범람을 발생시켰다. 그러나 국내 연안도시지역의 특성을 고려한 월파 및 침수에 대한 연구는 미비한 실정이다(Song et al., 2017). 하지만 복잡한 지형이나 연안지역의 경우 방파 제 및 구조물의 형상에 따른 월파를 정밀하게 계산하기 위 해 3차원 전산유체 수치모형(CFD)의 가능성 여부가 검토되 어 왔다. 그러나 지금까지 대부분의 전산유체 수치모형은 그 적용성의 한계성과 큰 영역에 대해 직접 수치모의 하여 월파량을 산정한 예는 드물다. Le Roy et al.(2014)는 프랑스 도시지역에서 월파로 인한 해 안 홍수 문제를 해결하기 위해 XBeach 수치모델 및 경험적 (EurOtop) 모델을 사용하여 최대 월파량과 처오름을 추정하 였다. 우리나라의 설계기준서인 “항만 및 어항 설계기준(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014)” 경우에는 월파량 산정은 Goda 도표를 단순 직립식 구조물 및 소파호안에 적용하는 것을 제안하였다(Goda, 1970; Goda et al., 1975; Goda, 1985) 월파량 산정과 관련된 최근 연구 경향은 월파량 산정식을 대부분 지수함수 형태로 표현하고 있으며, 여유고와 입사파 고를 입력변수로 하여 월파량 산정이 가능하도록 제시하고 있다(van der Meer and Janssen, 1995; Franco and Franco, 1999; EurOtop, 2007; Anderson and Burcharth, 2009 등). 태풍에 의해 발생하는 폭풍해일의 영향을 예측하기 위해 서는 기본적으로 태풍에 의한 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등에 의한 해수면 변화 양상 및 조석-해일-파랑에 대해 충분 히 재현 가능해야 한다(Kang et al., 2019). 본 연구에서는 태풍 차바 내습시 폭풍해일 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and SWAN)모델과 FLOW-3D 수치 모형 결합을 통해 월파 특성을 재현하고 경험식을 통한 월 파량을 비교·검토하였다.
연구 개요 2.1 대상 태풍
본 연구의 대상지역은 대한민국 부산 해안가에 위치한 수 변도시로, 수영만 매립지 일부에 조성된 주거형 타운 지역 이다. 주요 건물이 해안선에 인접해 있으며, 지역 주민의 바 다를 볼 수 있는 조망권 확보를 위해 월파로 인한 방지대책 이 제한적으로 설치되어 있다. 이러한 지역적 특성으로 인 해 2016년 태풍 차바와 2018년 태풍 콩 라이(Kong-Rai) 때 폭 우와 폭풍해일 동반으로 월파와 강우로 인해 마린 시티 주 변의 많은 도로와 상가 침수가 발생되었다.
Fig. 1. Typhoon Chaba route (KMA & JMA)
ADCSWAN과 FLOW-3D 모델을 이용한 태풍 차바 내습 시 부산 마린시티의 침수범람 재현
Fig. 2. Marine City during Typhoon Chaba in 2016.
2016년 발생한 제 18호 태풍 ‘차바(이하 Chaba로 표기함)’ 는 2016년 9월 28일 오전 3시에 중심기압 1,000 hPa, 최대풍속 18 m/s, 강풍 반경 280 km 크기의 ‘소형’ 열대폭풍으로 미국 괌 동쪽 약 590 km 부근 해상에서 발생하여 한반도의 제주 특별자치도 서귀포시와 경상남도 거제시, 부산광역시를 순 차적으로 통과하여 10월 6일 0시에 일본 센다이 서쪽 약 380 km부근 해상에서 중심기압 985 hPa의 온대저기압으로 세력 이 약화되면서 소멸하였다. 태풍의 일시별 정보와 피해사진 을 Fig. 1 및 Fig. 2에 제시하였다.
2.2 적용 모델 2.2.1 ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) model
태풍에 의해 발생되는 폭풍해일의 영향을 예측하기 위해 서는 지형적인 특성과 태풍에 의한 기압강하, 해상풍, 진행 속도 등에 의한 해수면 변화 양상 및 조석-해일-파랑에 대 해 충분히 재현 가능해야 한다(Ferreira et al., 2014a, 2014b). 본 연구에서는 태풍에 의해 발생 가능한 현상에 대해 기존 의 다양한 연구에서 적용 및 활용성이 확보된 폭풍해일ADCIRC(ADvanced CIRCulation) 모델과 SWAN(Simulating WAves Nearshore) 파랑모델이 결합된 ADCSWAN(coupled model of ADCIRC and SWAN) 모델을 이용하였다(Dietrich et al., 2011; Suh et al., 2015; Xie et al., 2016; Deb and Ferreira, 2018). 사용한 ADCIRC 모델은 유한요소 유체역학모델로, 수직적 으로 통합된 일반파 연속방정식(generalised wave continuity equation: GWCE)과 운동량 방정식(각각 식(1)과 (2))을 적용하 는 2D 버전(Luettich and Westerink, 2004)을 사용하였다.
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Fig. 3. Mesh and depth map for the storm surge model of ADCSWAN model.Fig. 5. Simulation boundary of FLOW3D Model [a) Input boundary of wave and storm surge, b) output boundary of wave
overtopping rate].Fig. 6. Verification of tidal level and storm surge during Typhoon Chaba(1618), Pre : tidal predication.Fig. 7. Verification of significant wave height the Typhoon Chaba.Fig. 8. Averaged overtopping rate by empirical formula and FLOW3D model at Marine City during Typhoon Chaba.Fig. 9. Comparison of inundation results due to Typhoon Chaba [a)Archived inundation map on Marine City area, b) Simulation
results obtained from wave overtopping).
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결 론
본 연구에서는 폭풍해일 모델과 3차원 전산유체 모델 연 계를 통해 태풍 차바 통과시 마린시티를 대상으로 침수범람 을 재현하였다. 먼저, 기존 월파량 경험식(EurOtop, 2016)과 FLOW-3D모델 로 산정된 월파량을 비교하였으며. 비교결과 경험식으로 산 정된 월파량은 2.237 m³/m/s이며, FLOW-3D로 계산된 월파량 은 6.438 m³/m/s로 약 2.8배의 차이를 보였다. 이는 경험식이 고파랑에 의한 처오름 등 실제 현상재현에 한계점을 가지고 있기 때문으로 사료된다. 태풍 차바로 인한 수위상승과 폭풍해일 등의 복합적 피해 가 발생한 부산 마린시티 적용결과 현장조사(침수흔적도)와 정량적 비교는 불가능하지만 침수범람 범위의 경우 현장조 사와 비교하여 유효한 결과를 도출할 수 있었다. 기존 월파량 추정은 경험식을 적용하여 산정하였으나, 본 연구에서는 동적모델(FLOW-3D)을 적용하여 월파량을 산정 하였다. 동적모델을 적용할 경우 해당지역의 보다 정확한 형상을 구현할 수 있다는 점에서 기존 경험식에 비하여 정 도 높은 월파량 재현이 가능한 것으로 판단된다. 현재 우리나라 연안을 대상으로 제작된 해안침수예상도 는 해일에 의한 침수범람을 외력요인으로 하고 있으나, 실제 발생하는 침수범람은 해일뿐만 아니라 월파의 영향이 크 게 발생하기도 한다. 본 연구에서는 해일과 월파에 의한 복 합원인에 의한 침수범람을 재현하기 위한 방법론에 대한 연 구를 수행하였다.
References
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Numerical Simulation Test of Scour around Offshore Jacket Structure using FLOW-3D
J Korean Soc Coast Ocean Eng. 2015;27(6):373-381Publication date (electronic) : 2015 December 31doi : https://doi.org/10.9765/KSCOE.2015.27.6.373Dong Hui Ko*, Shin Taek Jeong,**, Nam Sun Oh****Hae Poong Engineering Inc.**Department of Civil and Environmental Engineering, Wonkwang University***Ocean·Plant Construction Engineering, Mokpo Maritime National University 고동휘*, 정신택,**, 오남선***
*(주)해풍기술**원광대학교 토목환경공학과***목포해양대학교 해양·플랜트건설공학과
Abstract
해상풍력 기기, 해상 플랫폼과 같은 구조물이 해상에서 빈번하게 설치되면서 세굴에 관한 영향도 중요시되고 있다. 이러한 세굴 영향을 검토하기 위해 세굴 수치모의 실험을 수행한다. 일반적으로 수치모의 조건은 일방향 흐름에 대해서만 검토가 이뤄지고 있으며 서해안과 같은 왕복성 조류 흐름에 대해서는 검토되지 않는다. 본 연구에서는 서해안에 설치된 HeMOSU-1호 해상 자켓구조물 주변에서 발생하는 세굴 현상을 FLOW-3D를 이용하여 수치모의하였다. 해석 조건으로는 일방향 흐름과 조석현상을 고려한 왕복성 흐름을 고려하였으며, 이를 현장 관측값과 비교하였다. 10,000초 동안의 수치모의 결과, 일방향의 흐름 조건에서는 1.32 m의 최대 세굴심이 발생하였으며, 양방향 흐름 조건에서는 1.44 m의 최대 세굴심이 발생하였다. 한편, 현장 관측값의 경우 약 1.5~2.0 m의 세굴심이 발생하여 양방향의 흐름에 대한 해석 결과와 근사한 값을 보였다.
As offshore structures such as offshore wind and offshore platforms have been installed frequently in ocean, scour effects are considered important. To test the scour effect, numerical simulation of scour has been carried out. However, the test was usually conducted under the uni-directional flow without bi-directional current flow in western sea of Korea. Thus, in this paper, numerical simulations of scour around offshore jacket substructure of HeMOSU-1 installed in western sea of Korea are conducted using FLOW-3D. The conditions are uni-directional and bi-directional flow considering tidal current. And these results are compared to measured data. The analysis results for 10,000 sec show that under uni-directional conditions, maximum scour depth was about 1.32 m and under bi-directional conditions, about 1.44 m maximum scour depth occurred around the structure. Meanwhile, about 1.5~2.0 m scour depths occurred in field observation and the result of field test is similar to result under bi-directional conditions.
1. 서 론
최근 해상풍력기기, 해상플랫폼과 같은 해상구조물 설치가 빈번해지면서 해상구조물의 안정성을 저하시키는 요인에 대한 대응 연구가 필요하다. 특히 해상에서의 구조물 설치는 육상과 달리 수력학적 하중이 작용하게 되기 때문에 파랑에 의한 구조물과의 진동, 세굴 현상에 대하여 철저한 사전 검토가 요구된다. 특히, 해상 기초에서 발생하는 세굴은 조류 및 파랑 등 유체 흐름과 구조물 사이의 상호작용으로 인해 해저 입자가 유실되는 현상으로 정의할 수 있으며 해상 외력 조건에 포함되어 설계시 고려하도록 제안하고 있다(IEC, 2009).구조물을 해상에 설치하게 되면 구조물이 흐름을 방해하는 장애요인으로 작용하여 구조물 주위에 부분적으로 더 빠른 유속이 발생하게 된다. 이러한 유속 변화는 압력 분포 변화에 기인하게 되어 해양구조물 주위에 아래로 흐르는 유속(downflow), 말굽형 와류(horseshoe vortex) 그리고 후류 와류(wake vortex)가 나타난다. 결국, 유속과 흐름의 변화를 야기하고 하상전단응력과 유사이동 능력을 증가시켜 해저 입자를 유실시키며 구조물의 안정성을 위협하는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 세굴 현상이 계속 진행되면 해상풍력 지지구조물 기초의 지지력이 감소하게 될 뿐만 아니라 지지면의 유실로 상부반력 작용에 편심을 유발하여 기초의 전도를 초래한다. 또한 세굴에 의한 기초의 부등 침하가 크게 발생하면 상부 해상풍력 지지구조물에 보다 큰 단면력이 작용하므로 세굴에 의한 붕괴가 발생할 수 있다. 이처럼 세굴은 기초지지구조물을 붕괴하고, 침하와 얕은 기초의 변형을 초래하며, 구조물의 동적 성능을 변화시키기 때문에 설계 및 시공 유지관리시 사전에 세굴심도 산정, 세굴 완화 대책 등을 고려하여야 한다.또한 각종 설계 기준서에서는 세굴에 대해 다양하게 제시하고 있다. IEC(2009), ABS(2013), BSH(2007), MMAF(2005)에서는 세굴에 대한 영향을 검토할 것을 주문하지만 심도 산정 등 세굴에 대한 구체적인 내용은 언급하지 않고 전반적인 내용만 수록하고 있다. 그러나 DNV(2010), CEM(2006)에서는 경험 공식을 이용한 세굴 심도 산정 등 구체적인 내용을 광범위하게 수록하고 있어 세굴에 대한 영향 검토시 활용가능하다. 그 외의 기준서에서는 수치 모델 등을 통한 세굴 검토를 주문하고 있어 사용자들이 직접 판단하도록 제안하고 있다.그러나 세굴은 유속, 수심, 구조물 폭, 형상, 해저입자 등에 의해 결정되기 때문에 세굴의 영향 정도를 정확하게 예측하기란 쉽지 않지만 수리 모형 실험 또는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석을 통해 지반 침식 및 퇴적으로 인한 지형변화를 예측할 수 있다. 한편, 침식과 퇴적 등 구조물 설치로 인한 해저 지형 변화를 예측하는 모델은 다양하지만, 본 연구에서는 Flowscience의 3차원 유동해석모델인 Flow-3D 모델을 사용하였다.해상 구조물은 목적에 따라 비교적 수심이 낮은 지역에 설치가 용이하다. 국내의 경우, 서남해안과 같이 비교적 연안역이 넓고 수심이 낮은 지역에 구조물을 설치하는 것이 비용 및 유지관리 측면에서 유리할 수 있다. 그러나 국내 서남해안 지역은 왕복성 흐름, 즉 조류가 발생하는 지역으로 흐름의 방향이 시간에 따라 변화하게 된다. 따라서, 세굴 수치 모의시 이러한 왕복성 흐름을 고려해야한다. 그러나 대부분의 수치 모델 적용시 조류가 우세한 지역에서도 일방향의 흐름에 대해서만 검토하며 왕복성 흐름에 의한 지층의 침식과 퇴적작용으로 인해 발생하는 해저 입자의 상호 보충 효과는 배제되게 된다. 또한 이로 인해 수치모델 결과에 많은 의구심이 발생하게 되며 현실성이 결여된 해석으로 보여질 수 있다. 이러한 왕복흐름의 영향을 검토하기 위해 Kim and Gang(2011)은 조류의 왕복류 흐름을 고려하여 지반의 수리 저항 성능 실험을 수행하였으며, 양방향이 일방향 흐름보다 세굴이 크게 발생하는 것을 발표하였다. 또한 Kim et al.(2012)은 흐름의 입사각에 따른 수리저항 실험을 수행하였으며 입사각이 커짐에 따라 세굴률이 증가하는 것으로 나타났다.본 연구에서는 단일방향 고정유속 그리고 양방향 변동유속조건에서 발생하는 지형 변화와 세굴 현상을 수치 모의하였으며, 이러한 비선형성 흐름변화에 따른 세굴 영향 정도를 검토하였다. 더불어 현장 관측 자료와의 비교를 통해 서남해안과 같은 왕복성 흐름이 발생하는 지역에서의 세굴 예측시 적절한 모델 수립 방안을 제안하고자 한다.
2. 수치해석 모형
본 연구에서는 Autodesk의 3D max 프로그램을 이용하여 지지구조물 형상을 제작하였으며, 수치해석은 미국 Flowscience가 개발한 범용 유동해석 프로그램인 FLOW-3D(Ver. 11.0.4.5)를 사용하였다. 좌표계는 직교 좌표계를 사용하였으며 복잡한 3차원 형상의 표현을 위하여 FAVOR 기법(Fractional Area/Volume Obstacle Representation Method)을 사용하였다. 또한 유한차분법에 FAVOR 기법을 도입한 유한체적법의 접근법을 사용하였으며 직교좌표계 에서 비압축성 유체의 3차원 흐름을 해석하기 위한 지배방정식으로는 연속방정식과 운동방정식이 사용되었다. 난류모형으로는 RNG(renormalized group)모델을 사용하였다.
2.1 FLOW-3D의 지배방정식
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2.1.1 연속방정식
직교좌표계 (x,y,z)에서 비압축성 유체는 압축성 유체의 연속방정식에서 유도될 수 있으며 다음 식 (1)과 같다.
(1)
∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ 여기서, u, v, w는 (x,y,z) 방향별 유체속도, Ax, Ay, Az는 각 방향별 유체 흐름을 위해 확보된 면적비 (Area fraction), ρ는 유체 밀도, RSOR은 질량생성/소멸(Mass source/sink)항이다.
2.1.2 운동방정식
본 모형은 3차원 난류모형이므로 각각의 방향에 따른 운동량 방정식은 다음 식(2)~(4)와 같다.
ρVffz=wsz−{∂∂x(Axτxz)+R∂∂y(Ayτyz)+∂∂z(Azτzz)+ζx(Axτzz)}ρVffz=wsz−{∂∂x(Axτxz)+R∂∂y(Ayτyz)+∂∂z(Azτzz)+ζx(Axτzz)}여기서, wsx, wsy, wsz는 벽전단응력이며, 벽전단응력은 벽 근처에서 벽 법칙 (law of the wall)을 따르며, 식 (8)~(13)에 의해 표현되어진다.
Flow-3D 모델에서 사용하는 sediment scour model은 해저입자의 특성에 따라 해저 입자의 침식, 이송, 전단과 흐름 변화로 인한 퇴적물의 교란 그리고 하상 이동을 계산한다.
2.1.3.1 The critical Shields parameter
무차원 한계소류력(the dimensionless critical Shields parameter)은 Soulsby-Whitehouse 식에 의해 다음 식 (14)와 같이 나타낼 수 있다(Soulsby, 1997).
(14)
θcr,i=0.31+1.2R∗i+0.055[1−exp(−0.02R∗i)]θcr,i=0.31+1.2Ri*+0.055[1−exp(−0.02Ri*)]여기서 무차원 상수, R∗iRi*는 다음 식 (15)와 같다.
(15)
R∗i=ds,i0.1(ρs,i−ρf)ρf∥g∥ds,i−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√μfRi*=ds,i0.1(ρs,i−ρf)ρf‖g‖ds,iμf여기서 ρs, i는 해저 입자의 밀도, ρf는 유체 밀도, ds, i는 해저입자 직경, g는 중력가속도이다.한편, 안식각에 따라 한계소류력은 다음 식 (16)과 같이 표현될 수 있다.
(16)
θ′cr,i=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2ψi−sin2ψsin2β−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√tanψiθcr,i′=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2ψi−sin2ψsin2βtanψi여기서, β는 하상 경사각, ψi는 해저입자의 안식각, ψ는 유체와 해저경사의 사잇각이다.또한 local Shields number는 국부 전단응력, τ에 기초하여 다음 식 (17)과 같이 계산할 수 있다.
(17)
θi=τ∥g∥ds,i(ρs,i−ρf)θi=τ‖g‖ds,i(ρs,i−ρf)여기서, ||g||g 는 중력 벡터의 크기이며, τ는 식 (8)~(13)의 벽 법칙을 이용하여 계산할 수 있다.
2.1.3.2 동반이행(Entrainment)과 퇴적
다음 식은 해저 지반과 부유사 사이의 교란을 나타내는 동반이행과 퇴적 현상을 계산한다. 해저입자의 동반이행 속도의 계산식은 다음 식 (18)과 같으며 부유사로 전환되는 해저의 양을 계산한다.
(18)
ulift,i=αinsd0.3∗(θi−θ′cr,i)1.5∥g∥ds,i(ρs,i−ρf)ρf−−−−−−−−−−−−−−√ulift,i=αinsd*0.3(θi−θcr,i′)1.5‖g‖ds,i(ρs,i−ρf)ρf여기서, αi는 동반이행 매개변수이며, ns는 the packed bed interface에서의 법선벡터, µ는 유체의 동점성계수 그리고 d*은 무차원 입자 직경으로 다음 식 (19)와 같다.
(19)
d∗=ds,i[ρf(ρs,i−ρf)∥g∥μ2]1/3d*=ds,i[ρf(ρs,i−ρf)‖g‖μ2]1/3또한 퇴적 모델에서 사용하는 침강 속도 식은 다음 식 (20)같이 나타낼 수 있다.
하상이동 모델은 해저면에 대한 단위 폭당 침전물의 체적흐름을 예측하는데 사용되며 다음 식 (21)과 같이 표현되어진다.
(21)
Φi=βi(θi−θ′cr,i)1.5Φi=βi(θi−θcr,i′)1.5여기서 Φi는 무차원 하상이동률이며 βi는 일반적으로 8.0의 값을 사용한다(van Rijn, 1984).단위 폭당 체적 하상이동률, qi는 다음 식 (22)와 같이 나타낼 수 있다.
(22)
qb,i=fb,i Φi[∥g∥(ρs,i−ρfρf)d3s,i]1/2qb,i=fb,i Φi[‖g‖(ρs,i−ρfρf)ds,i3]1/2여기서, fb, i는 해저층의 입자별 체적률이다.또한 하상이동 속도를 계산하기 위해 다음 식 (23)에 의해 해저면층 두께를 계산할 수 있다.
(23)
δi=0.3ds,id0.7∗(θiθ′cr,i−1)0.5δi=0.3ds,id*0.7(θiθcr,i′−1)0.5그리고 하상이동 속도 식은 다음 식 (24)와 같이 계산되어진다.
Fig. 1.Iso-water depth contour map in western sea of Korea.
본 해석 대상 해역은 서해안의 조석 현상이 뚜렷한 지역으로 조류 흐름이 지배적이며 위도의 조화분석의 결과를 보면 조석형태수가 0.21로서 반일주조 형태를 취한다. 또한 북동류의 창조류와 남서류의 낙조류의 특성을 보이며 조류의 크기는 대상 영역에서 0.7~1 m/s의 최강유속 분포를 보이는 것으로 발표된 바 있다. 또한 대상 해역의 시추조사 결과를 바탕으로 해저조건은 0.0353 mm 로 설정하였고(KORDI, 2011), 수위는 등수심도를 바탕으로 15 m로 하였다.한편, 풍황자원 분석을 통한 단지 세부설계 기초자료 제공, 유속, 조류 등 해양 환경변화 계측을 통한 환경영향평가 기초자료 제공을 목적으로 Fig. 2와 같이 해상기상탑(HeMOSU-1호)을 설치하여 운영하고 있다. HeMOSU-1호는 평균해수면 기준 100 m 높이이며, 중량은 100 톤의 자켓구조물로 2010년 설치되었다. 본 연구에서는 HeMOSU-1호의 제원을 활용하여 수치 모의하였으며, 2013년 7월(설치 후 약 3년 경과) 현장 관측을 수행하였다.
Fig. 2.A photo of HeMOSU-1.
2.2.2 모델 구성
본 연구에서는 왕복성 조류의 영향을 살펴보기 위해 2 case에 대하여 해석하였다. 먼저, Case 1은 1 m/s의 고정 유속을 가진 일방향 흐름에 대한 해석이며, Case 2는 -1~1 m/s의 유속분포를 가진 양방향 흐름에 대한 해석이다. 여기서 (-)부호는 방향을 의미한다. Fig. 3은 시간대별 유속 분포를 나타낸 것이다.
Fig. 3.Comparison of current speed conditions.
2.2.3 구조물 형상 및 격자
HeMOSU-1호 기상 타워 자켓 구조물 형상은 Fig. 4, 격자 정보는 Table 1과 같으며, 본 연구에서는 총 2,883,000 개의 직교 가변 격자체계를 구성하였다.
계산영역의 경계 조건으로, Case 1의 경우, 유입부는 유속 조건을 주었으며 유출부는 outflow 조건을 적용하였다. 그리고 Case 2의 경우, 왕복성 흐름을 표현하기 위해 유입부와 유출부 조건을 유속 조건으로 설정하였다. 또한 2가지 경우 모두 상부는 자유수면을 표현하기 위해 pressure로 하였으며 하부는 지반 조건의 특성을 가진 wall 조건을 적용하였다. 양측면은 Symmetry 조건으로 대칭면으로 정의하여 대칭면에 수직한 방향의 에너지와 질량의 유출입이 없고 대칭면에 평행한 방향의 유동저항이 없는 경우로 조건을 설정하였다. 본 연구에서 케이스별 입력 조건을 다음 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Basic information of two scour simulation tests
Case
Structure type
Velocity
Direction
Analysis time
Case 1
Jacket
1 m/s
Unidirectional
10,000 sec
Case 2
−1~1 m/s
Bidirectional
FLOW-3D는 자유표면을 가진 유동장의 계산에서 정상상태 해석이 불가능하므로 비정상유동 난류해석을 수행하게 되는데 정지 상태의 조건은 조위를 설정하였다. 또한 유속의 초기 흐름은 난류상태의 비정상흐름이 되므로 본 해석에서는 정상상태의 해석 수행을 위해 1,000초의 유동 해석을 수행하였으며 그 후에 10,000초의 sediment scour 모델을 수행하였다. 해수의 밀도는 1,025 kg/m3의 점성유체로 설정하였으며 RNG(renormalized group) 난류 모델을 적용하였다.Go to :
3. 수치모형 실험 결과
3.1 Case 1
본 케이스에서는 1 m/s의 유속을 가진 흐름이 구조물 주변을 흐를 때, 발생하는 세굴에 대해서 수치 모의하였다. Fig. 6은 X-Z 평면의 유속 분포도이고 Fig. 7은 X-Y 평면의 유속 분포이다. 구조물 주변에서 약간의 유속 변화가 발생했지만 전체적으로 1 m/s의 정상 유동 상태를 띄고 있다.
Fig. 6.Current speed distribution in computational domain of case 1 at t = 10,000 sec (X–Z plane).
Fig. 7.Current speed distribution in computational domain of case 1 at t = 10,000 sec (X–Y plane).
이러한 흐름과 구조물과의 상호 작용에 의한 세굴 현상이 발생되며 Fig. 8에 구조물 주변 지형 변화를 나타내었다. 유속이 발생하는 구조물의 전면부는 대체로 침식이 일어나 해저지반이 초기 상태보다 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 또한 전면부의 지반이 유실되어 구조물 후면부에 최대 0.13 m까지 퇴적된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8.Sea-bed elevation change of case 1 at t = 10,000 sec.
일방향 흐름인 Case 1의 경우에는 Fig. 9와 같이 10,000초 후 구조물 주변에 최대 1.32 m의 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 구조물 뒤쪽으로는 퇴적이 일어났으며, 구조물 전면부에는 침식작용이 일어나고 있다.
Fig. 9.Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1).
3.2 Case 2
서해안은 조석현상으로 인해 왕복성 조류 흐름이 나타나고 있으며 대상해역은 -1~1 m/s의 유속분포를 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려한 왕복성 흐름에 대해서 수치모의하였다.다음 Fig. 10은 X-Z 평면의 유속 분포도이며 Fig. 11은 X-Y 평면의 유속 분포도이다.
Fig. 10.Current speed distribution in computational domain of case 2 at t = 10,000 sec (X–Z plane).
Fig. 11.Current speed distribution in computational domain of case 2 at t = 10,000 sec (X–Y plane).
양방향 흐름인 Case 2의 경우에는 Fig. 12와 같이 10,000초후 구조물 주변에 최대 1.44 m의 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 구조물 내부에 조류 흐름 방향으로 침식 작용이 일어나고 있는 것으로 나타났다.
Fig. 12.Sea-bed elevation change of case 2 at t = 10,000 sec.
Fig. 13.Scour phenomenon around jacket substructure(Case 2).
3.3 현장 관측
본 연구에서는 수치모의 실험의 검증을 위해 HeMOSU-1호 기상 타워를 대상으로 하여 2013년 7월 1일 수심 측량을 실시하였다.HeMOSU-1호 주변의 수심측량은 Knudsen sounder 1620과 미국 Trimble사의 DGPS를 이용하여 실시하였다. 매 작업시 Bar-Check를 실시하고, 수중 음파속도는 1,500 m/s로 결정하여 조위 보정을 통해 수심을 측량하였다. 측량선의 해상위치자료는 DGPS를 사용하여 UTM 좌표계로 변환을 실시하였다. 한편, 수심측량은 해면이 정온할 때 실시하였으며 관측 자료의 변동성을 제거하기 위해 2013년 7월 1일 10시~13시에 걸쳐 수심 측량한 자료를 동시간대에 국립해양조사원에서 제공한 위도 자료를 활용해 조위 보정하였다. 다음 Fig. 14는 위도 조위 관측소의 현장관측시간대 조위 시계열 그래프이다.
Fig. 14.Time series of tidal data at Wido (2013.7.1).
2013년 7월 1일 오전 10시부터 오후 1시에 걸쳐 수심측량한 결과를 이용하여 0.5 m 간격으로 등수심도를 작성하였으며 그 결과는 Fig. 15와 같다. 기상탑 내부 해역은 선박이 접근할 수 없기 때문에 측량을 실시하지 않고 Blanking 처리하였다.
Fig. 15.Iso-depth contour map around HeMOSU-1.
대상 해역의 수심은 대부분 -15 m이나 4개의 Jacket 구조물 주변에서는 세굴이 발생하여 수심의 변화가 나타났다. 특히 L-3, L-4 주변에서 최대 1.5~2.0 m의 세굴이 발생한 것으로 보였으며, L-4 주변에서는 넓은 범위에 걸쳐 세굴이 발생하였다. 창조류는 북동, 낙조류는 남서 방향으로 흐르는 조류 방향성을 고려하였을 때, L-4 주변은 조류방향과 동일하게 세굴이 발생하고 있었으며, 보다 상세한 세굴형태는 원형 구조물 내부 방향의 세굴 심도를 측정하여 파악하여야 할 것으로 판단된다.관측결과 최대 1.5~2.0 m인 점을 고려하면 양방향 흐름을 대상으로 장기간에 걸쳐 모의실험을 진행하는 경우, 실제 현상에 더 근접하는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.Go to :
4. 결론 및 토의
본 연구에서는 자켓구조물인 해상기상탑 HeMOSU-1 주변에서 발생하는 세굴현상을 검토하기 위하여 2013년 7월 1일 현장 관측을 수행하고, FLOW-3D를 이용하여 수치모의 실험을 수행하였다. 실험 조건으로는 먼저 1 m/s의 유속을 가진 일방향 흐름과 -1~1 m/s의 흐름 분포를 가진 왕복성 흐름에 대해서 수치모의를 수행하였다. 그 결과 일방향 흐름의 경우, 10,000 초에 이르렀을 때 1.32 m, 왕복성 흐름의 경우 동일 시간에서 1.44 m의 최대 세굴심도가 발생하였다. 동일한 구조물에 대해서 현장 관측 결과는 1.5~2.0 m로 관측되어 일방향 흐름보다 왕복성 흐름의 경우 실제 현상에 더 근사한 것으로 판단되었다. 이는 일방향 흐름의 경우, Fig. 8에서 보는 바와 같이 구조물 후면에 퇴적과 함께 해저입자의 맞물림이 견고해져 해저 지반의 저항력이 커지는 현상에 기인한 것으로 판단된다. 반면 양방향 흐름의 경우, 흐름의 변화로 인해 맞물림이 약해지고 이로 인해 지반의 저항력이 일방향 흐름보다 약해져 세굴이 더 크게 발생하는 것으로 판단되었다.또한 장시간에 걸쳐 모델링을 수행하는 경우, 보다 근사한 결과를 얻을 수 있을 것을 사료되며, 신형식 기초 구조물을 개발하여 세굴을 저감할 수 있는 지 여부를 판단하는 등의 추가 연구가 필요하다.Go to : International Electrotechnical Commission (IEC). (2009). IEC 61400-3: Wind turbines – Part 3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines, Edition 1.0, IEC.
감사의 글
본 연구는 지식경제 기술혁신사업인 “승강식 해상플랫폼을 가진 수직 진자운동형 30kW급 파력발전기 개발(과제번호 :20133010071570)”와 첨단항만건설기술개발사업인 “해상풍력 지지구조 설계기준 및 콘크리트 지지구조물 기술 개발(과제번호:20120093)”의 일환으로 수행되었습니다.Go to :
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하천 복원 노력을 지원하기 위해 우리는 하천 파괴 속도를 늦출 필요가 있습니다. 이 연구는 하천 곡률 보호를 위해 구불 구불 한 하천이 곧게 펴질 때 수리적 복잡성 손실에 대한 자세한 설명을 제공합니다.
전산 유체 역학 (CFD) 모델링을 사용하여 채널 곡률 (C)이 잘 확립된 사행 굽힘 (C = 0.77)에서 곡률이 없는 직선 채널 (C = 0)로 저하되는 9 개의 시뮬레이션에서 유동 역학의 차이를 문서화했습니다.
공변량을 제어하고 수리적 복잡성에 대한 손실률을 늦추기 위해 각 9 개 채널 구현은 동등한 베드 형태 지형을 가졌습니다. 분석된 수력학적 변수에는 흐름 표면 고도, 흐름 방향 및 횡단 단위 배출, 흐름 방향, 가로 방향 및 수직 방향의 유속, 베드 전단 응력, 흐름 함수 및 채널 베드에서의 수직 저 유량 유속 비율이 포함되었습니다.
수력 복잡성의 손실은 처음에 수로를 C = 0.77에서 C = 0.33 (즉, 수로의 반경이 수로 폭의 3 배임) 할 때 점차적으로 발생했으며, 추가 직선화는 수력 복잡성에 대한 급속한 손실을 초래했습니다.
다른 연구에서는 수리적 복잡성이 중요한 하천 서식지를 제공하고 생물 다양성과 양의 상관 관계가 있음을 보여주었습니다. 이 연구는 강을 풀 때 수력학적 복잡성이 점진적으로 사라졌다가 빠르게 사라지는 방법을 보여줍니다.
To assist river restoration efforts we need to slow the rate of river degradation. This study provides a detailed explanation of the hydraulic complexity loss when a meandering river is straightened in order to motivate the protection of river channel curvature. We used computational fluid dynamics (CFD) modeling to document the difference in flow dynamics in nine simulations with channel curvature (C) degrading from a well-established tight meander bend (C = 0.77) to a straight channel without curvature (C = 0). To control for covariates and slow the rate of loss to hydraulic complexity, each of the nine-channel realizations had equivalent bedform topography. The analyzed hydraulic variables included the flow surface elevation, streamwise and transverse unit discharge, flow velocity at streamwise, transverse, and vertical directions, bed shear stress, stream function, and the vertical hyporheic flux rates at the channel bed. The loss of hydraulic complexity occurred gradually when initially straightening the channel from C = 0.77 to C = 0.33 (i.e., the radius of the channel is three-times the channel width), and additional straightening incurred rapid losses to hydraulic complexity. Other studies have shown hydraulic complexity provides important riverine habitat and is positively correlated with biodiversity. This study demonstrates how hydraulic complexity can be gradually and then rapidly lost when unwinding a river, and hopefully will serve as a cautionary tale.
Figure 1. Geometries and bed topography settings of the nine computational fluid dynamics (CFD)
simulations with channel curvature (C) changed from 0.77 to 0Figure 2. Flow surface elevation (h) normalized by H at C = 0.77, C = 0.33, and C = 0 conditions.
n denotes the lateral coordination with n = 0 at channel center and B denotes the channel width.Figure 3. Normalized flow surface profiles for the nine simulations at the point bar apex 1.5 s/B.
The insert plot shows the second order derivative of normalized flow surface elevation in the transverse
direction, Fh00(n/B), which gives the convexity or concavity of the surface profile curves.Figure 4. Streamwise unit discharge qs/UH for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.Figure 5. Transverse unit discharge qn/UH for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 9. Distribution of river channel bed shear Cf for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.Figure 10. Normalized vertical hyporheic flux vzbed/U at 2 mm below sediment surface for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions. Positive indicates upwelling of groundwater into the river channel.Figure 12. Transverse stream function distribution ψ/UBH reveals the secondary circulation of transverse flow cells rotating at the meander apex 1.5 s/B for channel curvature C = 0.77 (A), C = 0.33 (B), and C = 0 (C), with positive values representing clockwise rotation direction when facing upstream, and negative values representing counter-clockwise rotation when facing upstream.
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연구자 : Yu-Ren Chen 지도교수 : Dr John R C Hsu June 2012
기술과 수치 알고리즘의 발전으로 파도가 해양이나 항만 구조물에 미치는 영향에 대한 많은 연구가 개발되었으며,보다 정확한 결과를 얻기 위해 고효율 수치 계산 소프트웨어를 사용할 수 있습니다. 현재 내부 파 생성, 전송, 파동의 물리적 메커니즘은 국내외 해양 분야에서 중요한 연구 주제 중 하나입니다.
이 연구는 FLOW-3D 전산 유체 역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 소프트웨어를 사용하여 상층의 담수와 하층의 담수를 시뮬레이션합니다. 바닷물의 밀도 계층화 유체는 중력 혼합 붕괴 방식을 사용하여 내부 파도를 생성하고 긴 경사와 같은 일반적인 장애물을 통해 파형 진화 및 유동장 분포를 탐구합니다.
짧은 플랫폼 사다리꼴 경사와 이등변 삼각형. 이 기사에서는 또한 소프트웨어 작동 설정과 FLOW-3D를 내부 파 실험에 적용하는 방법을 소개하고, 이전 실험 조건과 결과를 참조하여 내부 파 전송 과정을 시뮬레이션합니다. 시뮬레이션 결과는 실험 데이터를 확인하고 첫 번째 분석을 시뮬레이션합니다.
중력 붕괴 방식의 게이트의 개방 속도가 내부 파의 전송 시간 및 진폭에 미치는 영향; 시뮬레이션 결과는 게이트 개방 속도가 빠르고 내부 파의 진폭이 크고 전송 속도가 빠릅니다. ; 반대로 게이트 개방 속도가 느리면 내부 파의 진폭이 작고 전송 속도가 느리지 만 둘 다 비선형 비례 관계.
이 연구는 또한 다양한 장애물 (긴 기울기, 사다리꼴 기울기가있는 짧은 플랫폼, 이등변 삼각형)을 통한 내부 고독 파의 전송 과정을 시뮬레이션하고 단일 장애물을 통과하는 내부 파도의 파형 진화, 와류 및 유동장 변화를 논의합니다.
연구를 통해 우리가 매우 미세한 그리드를 사용하고 수치 시뮬레이션의 그래픽 출력을 열심히 분석 할 수 있다면 실험실 실험 관찰보다 내부 고독 파의 전송 특성을 더 잘 이해할 수 있다고 믿습니다.
요약
서로 다른 특성을 가진 두 유체의 계면에있는 파동을 계면 파라고합니다. 바다에서는 표층의 기압 변화에 의해 형성된 바람 장이 공기와 바다의 경계 파인 해면에 불어 올 때 변동을 일으킨다. 기체 또는 유체의 밀도 층화가 발생할 때 외부 힘 (예 : 바람, 압력, 파도 및 조류, 중력 등)에 의해 교란되면 내부 파도라고하는 경계면에서 변동이 발생할 수 있으므로 내부 파도가 발생할 수 있습니다. 웨이브는 밀도가 다른 층화 된 유체의 웨이브 현상입니다.
대기의 내부 파도와 같이 일상 생활에서 볼 수있는 내부 파도는 특히 오후 또는 비가 내리기 전에 깊고 얕은 altocumulus 구름 층으로 하늘에 자주 나타납니다. 대기 중의 내부 파의 움직임은 공기의 흐름에 영향을 주어 기류를 상승시키고 공기 중의 수증기가 물방울로 응축되어 구름이되도록합니다.
반대로 기류가 가라 앉으면 수증기가 응결이 쉽지 않습니다. 구름이 있어도 내부의 파도가 응결하기 어렵습니다. 소산되어 루버와 같은 altocumulus 구름을 형성합니다. 안정된 밀도와 층화 상태의 자연 수체는 외부 세계에 의해 교란 될 때 내부 파동 운동을 겪게됩니다.
예를 들어, 밀도가 안정되고 층화가 분명한 호수에서 바람 장은 수면에 파도에서 파생 된 내부 파동을 일으켜 물의 질량이 전달되고 호수 가장자리로 물이 축적되어 수위가 높아집니다. 위치 에너지를 형성하는 축적 영역; 수역이 가라 앉기 시작하면 위치 에너지를 운동 에너지로 변환하고 남미 콜롬비아의 Babine Lake의 내부 파동 거동과 같은 내부 파동 운동을 생성 할 수도 있습니다 (Farmer, 1978). ). 염분, 밀도 또는 온도가 안정된 바다에서는 조수와 지형의 영향으로 수역이 행성의 중력에 따라 움직입니다.
격렬한 기복이있는 지형을 통과 할 때 내부 파동이 발생합니다. ; 중국 해에서 발견되는 남쪽 내부 파도에서와 같이 (Hsu et al., 2000). 파동은 심해에서 얕은 물로 전달되며, 얕아 짐, 깨짐, 혼합, 소용돌이, 굴절, 회절 및 반사가있을 것입니다. 내부 파 전달은 일종의 파동이기 때문에 위에서 언급 한 파동 특성도 갖습니다.
해양 내부 파도는 길이가 수백 미터에서 수십 킬로미터에 이르는 광범위한 파장을 가지고 있으며,주기는 몇 분 정도 빠르며 수십 시간 정도 느리며 진폭은 몇 미터에서 수백 미터. 해양 내부 파도가 움직일 때 층화 위와 아래의 물 흐름 방향이 반대가되어 현재 전단 작용으로 인해 층화 경계면에서 큰 비틀림 힘이 발생합니다.
바다에 기초 말뚝과 같은 구조물이있는 경우 석유 시추 플랫폼의 고정 케이블은 큰 비틀림을 견딜 수 없어 파손될 가능성이 매우 높습니다 (Bole et al. 1994). 빽빽한 클라인 경계 근처에서 항해하는 잠수함이 해양 내부 파도 활동을 만나게되면 내부 파도에 의한 상승 전류로 인해 잠수함이 해저에 수면에 닿거나 충돌하여 잠수함이 손상 될 수 있습니다.
그러나 바다의 내부 파는 바람직하지 않으며 매우 중요한 역할을합니다. 예를 들어, 내부 파가 심해 지역에서 근해 대륙붕으로 전달되면 상하수 체가 교환됩니다. 해저에 영양분을 운반합니다. 선반 가장자리까지 생물학적 성장을 촉진하고 해당 지역의 생태 환경을 조절하며 (Osborne and Bruch et al., 1980; Sandstorm and Elliot et al., 1984) 어업 자원을 풍부하게합니다.
위에서 언급 한 항목 외에도 해저에 대한 케이블 및 파이프 라인, 수중 음파 탐지기, 해양 생물 환경, 군사 활동 등이 해양 내부 파도의 영향에 포함되므로 해양 내부 파도에 대한 연구가 매우 중요합니다.
최근 내부 파를 연구하는 방법에는 분석 이론 도출, 현장 조사 및 관찰, 실험실 실험 분석이 포함됩니다. 그러나 과학 기술의 급속한 발전, 발전과 발전, 컴퓨터의 대중화, 수치 계산 방법의 진화로 해양 공학과 관련된 많은 파동 효과는 일반적으로 수치 시뮬레이션 방법으로 해결됩니다.
또한 수치 연산 방법의 비용이 현장 조사 관측 및 실험실 실험 해석보다 저렴하고 시뮬레이션 결과를 더 빨리 얻을 수 있기 때문에 본 논문에서는 전산 유체 역학 (전산 유체 역학, 참조)의 FLOW-를 선정 하였다. 3D 소프트웨어는 내부 파 생성, 전송, 장애물 통과, 점차 소멸하는 움직임 과정을 시뮬레이션하고, 내부 파의 변화 과정을 분석하고 비교하기 위해 이전 실험실 모델 실험을 참조합니다.
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이 문서에서는 FLOW-3D에서 사용할 수 있는 일부 Utility Program에 대해 설명합니다. 유틸리티 프로그램의 목적은 시뮬레이션을 수행할 때 반드시 필요한 것은 아니지만 특정 작업을 쉽게 수행할 수 있도록 돕는 것입니다. 각 개별 유틸리티의 사용법은 다음과 같습니다.
파일 변환 및 STL 품질 검사 도구
FLOW-3D는 중립 형식인 STL파일 형식만 지원하며 대부분의 CAD 패키지에서 STL형식을 지원하지만 형상을 STL형식으로 만들 수 없는 이유가 있을 수 있습니다. 이로 인해 FLOW-3D 사용자는 여러 파일 변환 유틸리티를 사용할 필요가 있을 수 있습니다. 또한 STL 파일 품질을 확인하는데 사용할 수 있는 여러 유틸리티도 사용할 수 있습니다. 아래 나열된 이러한 유틸리티는 다음 섹션에서 자세히 설명합니다.
Cad2Stl : 다양한 CAD 형식에서 변환 파일을 사용하는.STL파일
Topo2STL : 파일을topo형식에서.STL파일로 변환하는 데 사용
MiniMagics :.STL파일의 오류를 확인하는 데 사용
qAdmesh :.STL파일의 오류를 확인하고 사소한 문제를 해결하는데 사용
Cad2Stl
Cad2Stl 은 다른 CAD 파일 형식을 FLOW-3D에서 사용되는 STL 파일 형식으로 변환하기 위한 파일 변환 도구입니다. Cad2Stl 은 다음 파일 형식을 STL 형식으로 변환합니다.
Autodesk 3D Max :.3ds
Autodesk 별명 :.obj
IGES: .igs,.iges
BREP :.brep
단계 : .stp,.step
아바쿠스 6.2+ :.inp
NASTRAN :.blk
Marc Mentat : 고정 형식과 쉼표로 구분.dat
Cad2Stl 은 파일에서 역 법선 벡터를 보정하는 기능도 있습니다. 이 유틸리티는 유지 보수 계약이 유효한 모든 FLOW-3D 고객에게 무료로 제공되며 FLOW-3D Usre Site의 유틸리티 페이지에서 다운로드 할 수 있습니다.
Cad2Stl 은 Flow Science Japan에서 FLOW-3D 사용자를 위해 개발되었습니다 .
변환 목록에 변환할 파일 추가
추가 -변환 목록에 파일을 추가합니다.
제거 -변환 목록에서 파일을 제거합니다. 제거하려면 변환 목록에서 파일을 강조 표시하고 제거를 선택하십시오.
기본적으로 파일 이름은 import file 이름과 일치하는 CAD파일을 STL파일 이름으로 지정하는데 변경이 필요하면 더블 클릭하고 이름을 바꾸면 변경할 수 있습니다.
구체화 옵션을 사용하여 STL 파일의 품질을 선택하십시오. 선택하고 볼 수 있는 네 가지 수준의 정확도가 있습니다. 파일이 변환될 때마다 STL로 작성된 파일이 표시되므로 사용자가 만족스럽거나 더 높은 수준의 세분화가 필요한지 여부를 결정할 수 있습니다. 정확성이 향상되면 파일 크기는 증가하지만 처리 시간은 크게 증가하지 않습니다. 다른 파일 형식을 한 번에 로드하고 변환할 수 있습니다. 또한 변환 프로세스가 완료되면 파일을 로드하고 표시하기 위한 대화 상자가 열립니다. 이것은 BREP, IGES및 STEP 파일 형식에만 적용됩니다.
원하는 작업을 선택하십시오. 다른 파일 형식을 한 번에 로드하고 변환할 수 있습니다. 또한 변환 프로세스가 완료되면 파일을 로드하고 표시하기 위한 대화 상자가 열립니다.
변환 -파일을 변환합니다. 한 파일을 변환하려면 로드할 파일 목록에서 해당 파일을 강조 표시하여 변환하십시오.
모두 변환 -모든 파일을 변환
표시 -변환된 파일을 강조 표시합니다
면 방향 수정 -일반 수정 루틴
변환 목록 숨기기 -더 나은 부품 표시를 위해 보기 화면을 증가 시킵니다.
와이어 프레임 오버레이 -각 STL 패싯의 패싯 모서리를 오버레이 합니다. 이것은 오른쪽 하단의 확인란입니다.
로그 지우기 – 변환 로그 텍스트 상자에 대한 모든 데이터 출력을 지웁니다.
종료 -프로그램을 닫습니다
qAdmesh
qAdmesh는 .STL파일에 오류 가 있는지 확인하는 도구이며 연결이 끊어진 패싯, 반전된 법선, 연결이 끊어진 패싯 및 누락된 패싯과 같은 사소한 문제를 해결하는 데 사용할 수 있습니다. qAdmesh를 시작하려면:
GUI에서: Model Setup 탭의 Tools ‣ qAdmesh로 이동하십시오.
Windows: 바탕 화면 아이콘을 클릭하거나 시작 메뉴에서 FLOW-3D v12.0 폴더의 형상 도구 하위 디렉토리에 있는 Admesh 항목으로 이동하십시오.
Linux의 경우: $F3D_HOME/utilities/qAdmesh을 실행하십시오.
명령: qAdmesh를 열고 찾아보기 버튼을 사용하여 지오메트리 파일을 로드 하십시오. 문제를 해결하고 수정 사항으로 새 형상 파일을 생성하려면 기본 옵션을 그대로 두고 출력 유형을 선택하고 새 형상 파일의 경로를 지정하십시오. 이진 STL 은 ASCII STL 옵션 보다 작은 파일을 생성하므로 권장됩니다 (이진 및 ASCII 형식 만 FLOW-3D 로 인식됨). 그런 다음 적용을 클릭하여 파일을 확인하고 수정하십시오.
qAdmesh program
qAdmesh의 출력은 인터페이스의 메시지 섹션에 표시됩니다. 출력에는 감지된 오류와 출력 옵션이 선택된 경우 이러한 문제점을 해결하기 위해 수행할 조치가 표시됩니다.
사용자 정의 검사 옵션은 파일을 고정할 때 프로그램이 어떤 작업을 수행하는지에 대한 자세한 제어를 제공할 수 있습니다. 또한 변형 및 공차 탭에는 .STL 파일의 회전, 미러링, 크기 조정, 변환 및 병합 기능을 제공하는 옵션이 있습니다.
qAdmesh는 무료 유틸리티입니다만 FSI에서 지원하지 않습니다. qAdmesh가 문제를 해결하는 능력은 심각도에 따라 다릅니다. 문제의 수가 증가함에 따라 qAdmesh 가 문제를 해결할 수 있는 가능성이 줄어 듭니다. 문제를 해결할 수 없는 경우 CAD 패키지를 사용하여 .STL 파일을 재생성 하는 것이 좋습니다.
MiniMagics
MiniMagics 는 무료 STL파일 시각화 및 복구 유틸리티입니다. 설치는 FLOW-3D 홈 디렉토리 의 Utilites 폴더에서 찾을 수 있으며 파일 분석 및 복구를 위한 유용한 도구로 qAdmesh에서 수행된 수정 사항을 시각화하거나 qAdmesh의 대안으로 사용할 수 있습니다.
$F3D_HOME/UtilitiesSTL
Topo2STL
FLOW-3D가 지원하는 유일한 CAD 파일 형식은 .STL이지만 형식을 포함하여 다른 형식의 지형 데이터를 갖는 것은 드문 일이 아닙니다. Topo2STL의 유틸리티로 변환할 수 있습니다. Topo2STL 은 Windows 시스템에서만 사용 가능하며 유틸리티 드롭 다운 메뉴에서 액세스 할 수 있습니다.
명령
지형 파일은 다음 형식의 ASCII 파일입니다. 각 선은 점을 나타내며 동일한 단위 시스템에서 3 개의 좌표 (일반적으로 피트 또는 미터)를 포함합니다. 좌표는 공백으로 구분됩니다. 선의 좌표 순서는 XYZ 여야 합니다. 여기서 Z는 표고입니다. 두 좌표는 동일한 XY 점을 공유할 수 없습니다. 포인트의 순서 (파일의 줄)는 중요하지 않습니다. 좌표를 포함하지 않는 머리글 줄이나 꼬리 줄이 없어야 합니다.
Topo2stl.exe유틸리티가 추출된 위치에 있는 파일을 실행하여 Topo2STL에 액세스 할 수 있습니다.
유틸리티를 시작하면 변환할 파일을 선택하라는 topo 파일 찾아보기 창이 나타납니다. 파일 찾아보기 창을 이용하여 파일을 선택합니다.
topo파일이 선택되면, Topo2STL의 창이 나타나고, X, Y의 범위와 Z 계산할 topo데이터 익스텐트가 계산되면 Topo 데이터 익스텐트 및 데이터의 총 포인트 수에 대한 정보가 Information: Topo data extents 아래에 표시됩니다.
Topo2STL
Topo2STL
변환에 필요한 사용자 입력은 공간 분해능 및 STL 최소 Z 좌표입니다. 기본적으로 공간 해상도는 0.002 * min (X 범위, Y 범위)이고 STL 최소 Z 좌표는 ZMIN-(ZMAX-ZMIN)입니다. 여기서 ZMIN 및 ZMAX는 Topo 데이터의 범위입니다.
공간 해상도는 STL 파일을 생성하는 동안 Topo 데이터가 얼마나 정밀하게 분석되는지 제어합니다.
STL 최소 Z 좌표는 Topo 데이터의 ZMAX보다 작은 값이어야 합니다. 이것은 STL파일의 최소 Z 두께를 효과적으로 설정합니다.
Browse 버튼은 파일 출력 위치를 설정하는 데 사용할 수 있습니다.
변환을 클릭하면 변환 프로세스가 시작됩니다. 이 시점에서 변환 취소를 사용하여 변환이 완료되거나 종료될 때까지 Topo2STL 창을 닫을 수 없습니다.
Topo2STL
변환이 완료 (또는 종료)되면 변환 단추가 변환 추가로 변경되어 사용자가 변환할 다른 Topo 파일을 선택할 수 있습니다.
Topo2STL
FSAI를 사용한 유한 요소 메쉬 파일 형식 변환
FSAI의 도구에서 유한 요소 메시를 변환하는 유틸리티입니다 Abaqus6.2 이후 형식과 NASTRAN 벌크 형식에 사용되는 형식을 변환하는 FSAI는 유틸리티 드롭 다운 메뉴에서 액세스 할 수 있습니다. FSAI를 사용하려면 다음을 수행하십시오. EXODUS II
적절한 모드에서 유틸리티를 엽니다 (초기 메쉬의 Abaqus 형식인지 NASTRAN 형식인지 여부에 따라 다름 )
파일에서 생성 필드에서 입력 유한 요소 메쉬를 찾습니다.
생성된 파일 위치 필드에서 원하는 출력 위치를 찾으십시오.
생성된 파일 이름 필드에서 원하는 출력 파일 이름을 설정하십시오.
생성을 누릅니다.
노트
이 FSAI 프로그램을 사용하려면 FLOW-3D 와 별개의 라이센스가 필요합니다. 자세한 내용은 FLOW-3D 영업 담당자에게 문의하십시오.
계산기
유틸리티 드롭 다운 메뉴에 여러 계산기가 추가되어 알려진 매개 변수 (예: 유체 속성 등)를 기반으로 입력 수량을 추정할 수 있습니다. 사용 가능한 계산기는 다음을 계산합니다.
냉각 채널의 열전달 계수
재료 특성 및 시뮬레이션 시간에 따른 열 침투 깊이
샷 슬리브의 유체 높이
고압 다이캐스팅을 위한 피스톤 속도
밸브 압력 계수
MPDB (Material Properties Database) 확장
MPDB (Material Properties Database)는 FLOW-3D 와 별도로 Flow Science, Inc 에서 구입할 수 있는 타사 데이터베이스입니다. 여기에는 문헌의 다양한 온도 의존성 고체 재료 특성이 포함되어 있습니다. FLOW-3D용 MPDB는 사용자가 FLOW-3D의 기본 데이터베이스와 호환되는 파일 형식을 내보낼 수 있도록 하여 데이터를 FLOW-3D 로 편리하게 가져올 수 있는 MPDB 독점 버전입니다. MPDB의 재료 특성은 대부분 고체상입니다. 따라서 FLOW-3D의 모든 모델 고체 특성을 요구하는 데이터, 특히 유체 구조 상호 작용, 응고 및 열 응력 진화 모델을 활용할 수 있습니다.
MPDB는 다양한 형식으로 데이터를 내보낼 수 있는 독립형 데이터베이스로 사용될 수 있습니다. MPDB에 대한 일반적인 지침은 JAHM Software, Inc.를 방문하십시오. 여기에서는 FLOW-3D 와 함께 MPDB를 사용하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. FLOW-3D 와 제대로 통합하려면 MPDB 용 실행 파일이 Windows와 Linux에 있어야 합니다. 실행 파일은 FLOW-3D GUI에 의해 감지되며 재료 메뉴 아래 MPDB에서 재료 가져오기 메뉴 항목 이 활성화됩니다. 이러한 조건 중 하나라도 충족되지 않으면 FLOW-3D GUI를 통해 액세스 할 수 없습니다. MPDB%F3D_HOME%\Utilities$F3D_HOME/UtilitiesMPDB_for_FLOW-3D
FLOW-3D MPDB
material를 클릭 MPDB에서 가져오기 및 사용자 인터페이스 MPDB는 별도의 창에서 열립니다. 재료는 주요 요소로 분류되었습니다. Materials 탭, 테이블에서 요소를 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하여, 사용자는 해당 요소를 포함하는 물질의 목록을 볼 수 있습니다.
(Material Properties Database)
예를 들어 다음 그림은 철 (Fe)이 포함된 데이터베이스의 재료 목록을 보여줍니다.
FLOW-3D MPDB(Fe)
사용자는 다른 합금, 세라믹, 유리 또는 기타 분류되지 않은 재료를 분류하는 다른 탭으로 전환할 수도 있습니다. 다음 그림은 Al & Cu 합금 목록을 보여줍니다.
재료가 식별되면 재료를 두 번 클릭하면 해당 재료에 사용할 수 있는 속성 목록이 있는 별도의 창이 나타납니다. 예를 들어 Fe 및 Ni 합금에서 1006 (UNS G10060)을 엽니다. 이러한 속성이 모두 FLOW-3D에 사용되는 것은 아닙니다.
FLOW-3D MPDB(1006(UNS G10060))
각 속성은 이 창의 오른쪽에서 선택할 수 있는 다른 형식으로 파일에 표시, 플로팅 또는 저장할 수 있습니다. 그러나 이러한 속성 중 일부가 FLOW-3D 로 인식되는 것은 아닙니다.
FLOW-3D 와 호환되는 파일 형식을 생성하려면 재료 창을 닫고 FLOW-3D/SolidWorks/ANSYS 메뉴에서 시작하십시오. 재료의 특성으로 FLOW-3D로 가져올 수 있는 세 가지 파일 형식이 있습니다. 유체 데이터베이스 형식(.f3d_dbf 확장), 고체 데이터베이스 형식 (.f3d_dbs 확장), 일반 쉼표로 구분된 값(CSV형식)으로 부터 시뮬레이션에 적합한 FLOW-3D 호환 형식을 선택하십시오. MPDB의 재료는 대부분 고체이지만 사용자가 응고된 유체의 특성을 가져오려면 FLOW-3D에서 응고된 유체 특성이 유체 특성의 일부이므로 Fluids 데이터베이스 형식을 선택해야 합니다. 솔리드 및 유체 데이터베이스 파일 형식과 파일은 현재 사용자의 문서 폴더와 Windows 및 Linux에 저장됩니다.
이러한 위치는 FLOW-3D의 데이터베이스가 사용자 정의 재료를 찾는 곳입니다. MPDB에서 이러한 위치로 내보낸 모든 자료는 FLOW-3D의 기본 데이터베이스에 의해 선택됩니다.
1006 (UNS G10060) 철 합금을 선택하십시오.
FLOW-3D MPDB(UNS G10060)
이전에 사용 가능했던 일부 특성은 FLOW-3D 와 관련이 없기 때문에 사용 불가능 합니다. 각 속성이 처리되자 마자 플롯 되거나 해당 데이터가 표시되면 참조 및 메모 섹션이 활성화됩니다. 참조 탭 속성에서 찍은 위치를 나타내는 참고 섹션은 일반적으로 데이터의 구성과 정확성에 관한 사항이 포함되어 있습니다.
온도에 따른 특성의 동작을 이해하는 데 도움이 되도록 각 특성을 플롯 할 수 있습니다. 또한 데이터의 유효성에 대한 경고가 있을 수 있습니다.
예를 들어 열전도도를 먼저 플로팅하면 저온 경고가 표시됩니다. 온도의 함수로 플롯을 표시하기 전에 .f3d_dbs파일을 쓰려면 데이터베이스에 추가 버튼을 클릭하고 다음 창에서 파일에 쓸 속성을 선택하십시오. 사용 가능한 단계에 대한 속성을 선택할 수 있습니다. 속성이 선택되면 데이터 쓰기 및 닫기를 클릭하십시오.
재료 창을 닫습니다. FLOW-3D/SolidWorks/ANSYS 메뉴에서 데이터베이스를 닫습니다.
FLOW-3D MPDB(Low temperature warning)FLOW-3D MPDB(Temperature Plot)
.f3d_dbs파일을 쓰려면 데이터베이스에 추가 버튼을 클릭하고 다음 창에서 파일에 쓸 속성을 선택하십시오. 사용 가능한 단계에 대한 속성을 선택할 수 있습니다. 속성이 선택되면 데이터 쓰기 및 닫기를 클릭하십시오. 재료 창을 닫습니다. FLOW-3D/SolidWorks/ANSYS 메뉴에서 데이터베이스를 닫습니다.
경우에 따라 재료에 사용자에게 필요한 속성이 없습니다. 데이터베이스에 사용 가능한 속성을 추가한 후 이러한 상황에서 누락된 속성은 유사한 속성을 가진 합금 (사용자의 위험 부담)에서 얻을 수 있습니다. 데이터베이스가 열려있는 동안 FLOW-3D에서 사용될 하나의 재료에 대해 속성을 혼합하고 일치시킬 수 있습니다.
FLOW-3D MPDB(Select properties to write to file)
데이터베이스를 닫은 후 파일 이름을 묻는 메시지가 사용자에게 표시됩니다. 기본값은 MPDB 가 재료에 지정하는 것입니다. FLOW-3D 가 재료를 사용자 정의 재료로 인식하도록 파일의 위치와 확장자가 미리 설정되어 있습니다.
FLOW-3D MPDB(File locate position)
CSV파일을 선택한 경우에도 동일한 프로세스가 적용됩니다. 데이터가 파일에 기록되면 각 테이블 형식 속성 창의 값 가져오기 버튼에서 데이터를 검색할 수 있습니다.
첫 번째 열은 항상 온도입니다.
FLOW-3D MPDB(csv file)
grfedit를 사용하여 flsgrf 파일 편집
명령 줄 유틸리티이므로 runscript와 같은 적절한 환경에서 실행해야 합니다 ( Runscripts 사용 참조 ).
Runscripts 사용
실행 스크립트는 작업 문제 디렉토리에서 실행되도록 설계되었습니다. 스크립트는 $F3D_HOME/local디렉토리에 있습니다. 스크립트를 사용하려면 다음 환경 변수를 설정해야합니다.
F3D_HOME: FLOW-3D 설치 디렉터리 의 경로를 지정합니다 .
F3DTKNUX_LICENSE_FILE: FLOW-3D 라이선스 서버 의 위치를 지정 합니다.
PATH: PATH포함하도록 환경 변수를 수정해야합니다. $F3D_HOME/local그렇지 않으면 실행 스크립트를 찾을 수 없습니다.
F3D_VERSION: 사용할 솔버 버전을 지정합니다. 유효한 옵션은 double배정 밀도 버전 및 prehyd사용자 지정 배정 밀도 솔버입니다.
명령 줄에서 실행하려면 :
명령 프롬프트 또는 터미널을 엽니 다.
필요한 환경 변수를 설정하십시오.
Windows : FLOW-3D 를 시작하는 데 사용되는 배치 파일에서 환경을 복사하여 수행 할 수 있습니다 . 배치 파일의 내용은 FLOW-3D 아이콘 을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭 하고 편집을 선택 하여 액세스 할 수 있습니다 .
Linux : 설치 디렉토리 에서 파일을 flow3dvars.sh가져옵니다 local.
솔버가 실행중인 디렉토리로 변경하십시오.
원하는 runscript 명령을 입력하십시오. runhyd<ext2>
grfedit를 연 후 사용자에게 소스 파일 (flsgrf.*데이터가 복사될 파일)의 경로를 묻는 메시지가 표시됩니다. 파일의 전체 경로 (예 c:\users\username\FLOW-3D\simulation\flsgrf.simulation:)를 입력하고 <enter>를 누르십시오.
이제, 파일 입력 확장의 목표 예를 들어, (데이터를 기록할 위치로 파일) 파일을 new_output. 데이터가 파일에 기록됩니다 c:\users\username\FLOW-3D\simulation\flsgrf.new_output. 대상 파일이 존재하면 파일을 덮어쓰거나 대상 파일에 데이터를 추가하라는 메시지가 표시됩니다. 대상 파일의 시간보다 늦게 시뮬레이션 시간을 가진 소스 파일 편집 만 추가됩니다.
이 시점에서 프로그램은 어떤 히스토리 데이터 편집, 데이터 편집 재시작 및 대상 파일에 쓰기 위해 선택된 데이터 편집을 묻습니다. 프롬프트에 따라 작성할 데이터 편집을 선택하십시오.
대상 파일을 작성한 후 프로그램이 닫히고 다른 flsgrf.*파일처럼 사용할 수 있습니다.
노트
grfedit는 FLOW-3D v11.1 이상에서 작성된 결과 파일에서만 작동합니다.
소스 flsgrf.*파일은 grfedit에 의해 수정되지 않습니다
FLOW-3D/MP의 출력 파일로 작업할 때는 flsgrf1의 위로 flsgrf 교체 하십시오 .
![Figure 2. (a) Current density voltage (J-V) characteristic curves of the two solar cell
where the ‘star ’ indicates the data points from real cell while the continuous lines are
simulated J-V curves that match closely to these curves. (a) Cell-A [12], (b) Cell-B[3]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-1022.webp)
![Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier [7]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-747.webp)
![Fig. 5. Simulation boundary of FLOW3D Model [a) Input boundary of wave and storm surge, b) output boundary of wave overtopping rate].](https://www.flow3d.co.kr/wp-content/uploads/Fig.-5.-Simulation-boundary-of-FLOW3D-Model-a-Input-boundary-of-wave-and-storm-surge-b-output-boundary-of-wave-overtopping-rate..png)
