• Title, Summary, Keyword: 유속 분포

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Experimental Study on Vertical Velocity Distribution in the Open Channel with Smooth bed Using PIV Technique (매끄러운 하상의 개수로에서 PIV 기법을 이용한 연직유속분포의 실험적 연구)

  • Byun, Hyun-Hyuk;Yoon, Byung-Man;Ji, Un
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.614-614
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    • 2012
  • 개수로에서 혹은 수리구조물 주변에서의 흐름 및 난류 특성을 파악하기 위해서는 연직유속분포 및 수심별 평면유속분포의 측정이 필요하다. 유속분포를 측정하기 위한 방법은 음파 도플러 유속계(ADV:Acoustic Doppler Velocimetry)를 사용하는 방법과 PIV 기법을 이용하는 방법이 있다. 일반적으로 ADV는 한 지점의 유속을 시간변화에 따라 연속적으로 측정할 수 있어 난류특성의 정량적인 해석에 장점이 있으나 동시간에 여러 지점을 측정할 수 없기 때문에 난류의 공간적인 문제를 해석함에 있어서 한계가 있다. 그러나, 입자영상유속계(PIV:Particle Image Velocity)는 측정하고자 하는 단면에서 연직 횡단면의 유속분포 및 수심별 평면 유속분포 흐름장 측정이 가능하여 난류흐름의 공간적인 문제를 해석하는데 효과적일 뿐만 아니라 영상간의 시간간격을 짧게 하고, 촬영시간을 충분히 길게 한다면 개수로 내 난류특성 분석도 가능하다. 이에 본 연구의 목적은 PIV 기법을 이용하여 매끄러운 하상의 개수로에서 연직유속분포를 측정하고 그 특성을 정량적으로 분석하고자 한다. 본 연구에서는 첫째, PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속분포와 3차원 전자식 유속계를 이용하여 측정한 연직유속분포를 비교 분석하였다. 둘째, 후류법칙에 의해 계산된 연직유속분포와 PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속분포의 비교를 위해 각각의 무차원 유속분포(지점 유속/지점 마찰속도)를 계산하고 비교하였다. 마지막으로 각 흐름 조건에 따라 수심의 변화를 주어 연직유속분포를 PIV 기법으로 측정한 후 개수로의 수심변화에 따른 연직유속의 특성을 분석하였다. 분석 결과, PIV 기법을 이용하여 측정한 연직유속 성분에 비해 3차원 전자식 유속계로 측정한 연직유속 성분이 작게 나타났고 바닥에서부터 0.2h 지점까지는 무차원 유속분포(지점 유속/지점 마찰속도)가 후류법칙과 잘 맞는 경향을 보였으나 0.2h 지점부터 수표면까지는 유속이 감소하는 현상이 나타났다.

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A Study on Mean Velocity Computation from Vertical Velocity Distribution Measurements using Flow Meter and ADCP (회전식유속계와 ADCP를 이용한 연직유속분포 측정 및 평균유속 산정에 관한 연구)

  • Kang, Ki-Ho;Bae, Young-Dae;Lee, Se-Gun
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.444-448
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    • 2007
  • 자연하천에서 단위구간(측선)의 연직선상 평균유속산정을 위한 일반적인 측정방법으로는 표면유속법, 1점법, 2점법, 3점법, 4점법, 5점법, 6점법, 연직 유속분포법 등이 있으며, 본 연구에서는 지난 1년간 낙동강유역 이안, 신풍, 성덕(무계), 성덕(보현)지점에서 회전식유속계로 측정한 유속자료를 이용하여 측선별 연직분포곡선을 작성한 후 측정지점 횡단면상 수심이 얕은 양안과 상류 제약조건(수풀 또는 돌출된 바위 등)으로 인해 측선의 흐름이 왜곡되는 지점을 제외한 측선별 연직유속분포곡선을 평균하여 지점별 대표 연직유속분포곡선을 작성하였다. 지점별 대표 연직유속분포 곡선을 작성하여 평균유속을 산정한 값을 기준으로 하천유량 측정시 일반적 평균유속 산정방법인 1, 2, 3점법 및 표면유속법에 대한 변동계수를 분석한 결과 1점법은 0.064, 2점법은 0.027, 3점법은 0.043, 표면유속법은 0.126으로 1, 2, 3 점법에서는 지점별 변화가 비교적 작게 나타났으며 표면유속법에서는 유량측정 지점별 변화가 큰 것으로 나타났다. 또한, 낙동지점에서 ADCP를 이용한 유량측정시 수집된 측선별 연직유속분포자료를 이용, 측정지점의 유량별 대표 연직유속분포 곡선을 작성, 실제 하천유량측정에 널리 쓰이고 있는 평균유속 측정방법을 비교 분석하였다. 분석결과, 1점법에서는 평균유속대비 1.076, 2점법에서는 1.026, 3점법에서는 0.051로서 2, 3점법이 대체로 양호한 결과를 보이며 이는 Hulsing 등의 연직유속분포곡선을 이용하여 계산한 1점법에서 1.020, 2점법, 1.010, 3점법 1.015의 결과 추세와도 일치하였다.

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Parameter Estimation of Chiu's Two Dimensional Velocity Distribution Equations (Chiu-2차원 유속분포식의 매개변수 추정)

  • Kim, Yongseok;Yang, Sungkee
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.366-366
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    • 2017
  • 하천의 유량관측 자료는 지표수자원의 확보와 수공구조물의 설계를 위해 가장 기초적인 수문자료로써 정밀하고 지속적인 관측을 요구한다. 최근 유량 관측법은 접촉식 유속측정 방법의 단점을 보완한 전자파 표면유속계나 영상분석기법을 적용한 표면영상유속계(SIV)가 활용되고 있다. 이들 관측장비는 표면유속 관측법에 의해 유량을 측정하므로 보다 정밀한 유량자료를 확보하기 위해서는 측정 영역의 표면유속과 단면의 평균유속에 대한 해석이 필요하다. 이 연구에서는 제주도 남부지역에 위치한 강정천을 대상으로 2011년 7월부터 2015년 6월 까지 월 1~2회 현장관측한 ADCP 자료를 활용하여 Chiu(1987)가 제안한 2차원 유속분포식의 매개변수를 추정하여 정밀한 유량을 산정하였다. 또한 표면영상유속계(SIV)로 산정된 표면유속을 Chiu-2 차원 유속분포식에서 평균유속으로 환산하여 기존의 표면유속을 일률적으로 적용한 수심평균유속 환산계수인 0.85의 적용 값과 비교 분석하였다. 대상하천의 현장에서 72회 관측된 ADCP 자료를 활용하여 각각의 최대유속과 평균유속을 분석하고 엔트로피 계수(M)를 산정한 결과와 유속의 공간적 분포를 모델링하기 위해 제시되는 $_{urf}$를 산정하였으며, 산정된 계수 값을 이용하여 표면유속을 계산한 결과와 ADCP의 관측된 표면유속의 $^2$는 0.874로 나타났다. 이러한 결과는 Chiu-2차원 유속분포식을 연구대상하천에 적용하는 과정에서 추정되는 매개변수의 평균값 사용에 대한 타당성을 보여준다. 이 후 추정된 하천매개변수를 하천현장에 적용성 확인을 위해 강정천의 동일 관측지점에서 표면영상유속계(SIV)를 사용한 표면유속과 유량을 산정함과 동시에 ADCP에 의한 유속 및 유량과 비교 분석하였다. 표면영상유속계(SIV)로 분석된 유속 벡터를 Chiu-2차원 유속분포식에 적용하여 산정된 유량과 기존의 수심평균유속환산계수 0.85를 적용한 유량은 각각 $0.7171m^3/s$과 0$0.5758m^3/s$였다. ADCP 평균유량 $0.6664m^3/s$과의 오차율은 각각 7.63%, 13.64%로 나타나 Chiu-2차원 유속분포식을 적용한 유량이 수심평균유속환산계수 0.85를 적용한 유량에 비해 작은 오차율을 보였다.

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Accuracy Improvement of SIV(Surface Image Velocimetry) by using Cross-Section Velocity Distribution (횡단면 유속 분포를 이용한 표면영상유속계의 정확도 개선)

  • Yu, Kwon-Kyu;Kim, Seo-Jun;Yoon, Byung-Man
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1898-1902
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    • 2009
  • 영상 분석에서는 적절한 탐색 범위를 결정하는 것이 측정의 정확도에 큰 영향을 미친다. 탐색 범위는 흐름장의 상태에 따라 달라진다. 탐색 범위를 작게 잡을 경우 분석 시간이 절약되고 정확도를 높일 수 있으나, 지나치게 작게 되는 경우는 오히려 유속 분포 추정에 큰 오류를 범할 가능성이 있다. 반면에 탐색 범위를 크게 잡을 경우에는 유속 분포 추정에 큰 오류를 범할 가능성은 줄어들지만, 분석 시간이 길게 되며 전반적인 정확도는 낮아지게 된다. 따라서, 적절한 탐색 범위의 설정은 영상 분석의 정확도 향상에서 큰 관건이 된다. 실험실 수로의 경우 유속 분포에 대해 사전에 알고 있는 경우가 많으며, 유속이나 수위가 크게 변하지 않으므로, 적절한 탐색 범위의 선정이 어렵지 않다. 그러나, 현장 적용을 위한 고정식 표면영상유속계의 경우, 수위와 유량이 급변하고 또한 수위에 따른 유속 분포의 변화가 매우 심하므로 적절한 탐색 범위의 선정이 용이하지 않다. 본 연구에서는 고정된 탐색 범위를 설정하여 일차적으로 유속 분포를 추정하고, 여기서 얻은 유속 분포에 기반하여 탐색 영역을 보다 정밀하게 설정하고 재탐색을 하는 방법을 적용하였다. 이러한 유속 분포에 기반한 탐색 영역의 설정을 통하여 유속 분포 추정의 정확성을 크게 향상시킬 수 있다. 괴산댐 하류에 위치한 수전교에서 2008년 7월 $23{\sim}24$일 동안의 영상 자료를 이용한 추정 결과, 추정 유량의 오차를 절반 정도 줄여서 측정의 정확도를 향상시킬 수 있었다.

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Quadratic Parabolic Equation to Estimate the Vertical Velocity Distribution in the Natural Streamflow (자연하천의 연직방향 유속분포 추정을 위한 포물선식)

  • Park, Seung-Gi;Kim, Tae-Cheol
    • Journal of Korea Water Resources Association
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    • v.33 no.2
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    • pp.169-179
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    • 2000
  • The study was carried out to investigate the characteristics of vertical velocity distribution measured by current meter at Kangkyung station in Keum river during the period of 1995 to 1997. It suggests the quadratic parabola equation to estimate the vertical velocity profile only from the measurement data of surface velocity. The equation was found to be statistically very stable and showed high significance to express the surface velocity and bottom velocity. The vertical velocity profile was detennined by the relationships to the surface velocity, and a coefficient of the quadratic parabolic equation. The equation was verified to the reserved survey data, and the results were confirmed to be good for the estimation of the characteristics of the vertical velocity distribution. The vertical velocity profile can be applied to calculating the mean velocity and discharge, and to analyse the dispersion of pollutant materials in the streamflow.

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Evolution of Velocity Distribution due to Secondary Currents in Sharp Open Channel Bend (급변곡선수로에서 이차류에 의한 유속분포 변화)

  • Kim Tae Won;Park Jae Hyeon;Lee Kil Seong;Lim Chang Hwa
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.362-366
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    • 2005
  • 종방향 유속의 연직분포 흐름 특성을 파악하기 위해서 중심각이 $180^{\circ}$인 급변곡선수로에서 실험을 수행하였다. 3차원 유속장 측정은 side-looking ADV를 이용하였다. 실험결과, 흐름이 하류 방향으로 진행함에 따라서 최대 종방향 유속이 하상 근처에서 발생하였으며, 이차류에 의한 이송모멘텀의 분포 값이 바뀌는 단면에서 종방향 유속의 연직분포가 대수분포를 만족하지 않음을 파악하였다 직선하천과는 달리 만곡부 내에서 흐름이 하류방향으로 진행함에 따라서 종방향 유속의 연직분포가 변형되는 현상과 관련된 메카니즘은 지형학적 원인에 의한 원심력 작용은 이차류를 발생시키며, 이로 인해 이송 모멘텀이 종방향 유속의 연직분포를 변형시킨다.

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The Vertical Distribution of Longitudinal Velocity in Sharp Open Channel Bends (급변만곡부에서 종방향 유속의 연직분포)

  • Lee, Kil-Seong;Kim, Tae-Won;Park, Jae-Hyeon
    • Journal of Korea Water Resources Association
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    • v.39 no.12
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    • pp.1023-1030
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    • 2006
  • The characteristics of the longitudinal velocity in a $180^{\circ}$ constant-radius, recirculating laboratory channel were investigated. Three-dimensional velocity fields were measured using a side-looking ADV. The shortcomings of existing equations for longitudinal velocity are discussed. An eddy viscosity model is adopted in the downstream momentum equation. A mathematical equation was developed to describe the vertical distribution of longitudinal velocity. The comparisons of the longitudinal velocity show generally good agreement. It is found that the curvature change in the curved channel affects the vertical location of maximum velocity and the vertical profile of longitudinal velocity.

A method of discharge estimation based on probabilistic velocity distribution function (확률론적 유속분포 공식을 활용한 유량 산정 방법)

  • Lee, Chan-Joo;Kim, Dong-Gu;Kwon, Seong-Il;Kim, Yong-Jeon
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1781-1786
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    • 2009
  • 최근 들어 하천의 자동유량측정에 많이 활용되고 있는 고정식 음파도플러유속계는 여러 개의 셀 유속 자료를 제공한다. 이러한 유속 자료들은 단면의 특정 위치에 고정되어 있어 수심 변화에 따라 변화하는 최대유속 구역을 직접 측정할 수 없으므로 최대유속과 평균유속 사이의 단순한 관계를 활용하여 유량 산정을 하기는 곤란하다. 다만, 단면상의 여러 지점에 대한 유속 측정치를 얻을 수 있다는 점을 이용하여 모의된 유속분포와 결부하면 유량을 산정하는데 활용 가능하다. 본 연구에서는 Chiu(1988)가 제안한 단면의 무차원적 유속분포를 모의하는 확률론적 유속분포 공식과 고정식 ADVM의 유속자료를 활용하여 유량을 산정하는 방법을 검토하였다. 유속분포 공식의 주요 매개변수 중에서 최대유속과 평균유속의 관계를 나타내는 �� 은 ADVM이 설치된 단면 및 인접 단면에서 ADCP로 측정한 자료를 이용하여 도출하였으며, $\beta$와 h는 국내 하천에 대한 자료 분석을 통해 얻어진 값을 사용하였다. 2006년부터 2007년까지의 유량이 비교적 안정된 11개 케이스의 댐 방류량 조건 및 동일한 지점에서 개발된 유속지수법 유량과 상호 비교하였으며, 그 결과 댐방류량 대비 상대오차가 평균 6.44%로 유속지수법의 7.43%에 비해 약간 크지만 유량 산정이 비교적 정확하게 이루어짐을 확인할 수 있었다. 또한 연속 유량 측정 결과 여수로 방류량에 대해서 약 10.6%의 오차를 나타내고 있었다. 한편, 보다 고유속 구역을 측정할 목적으로 2008년에 기존의 ADVM에 추가로 1.25m 높은 위치에 홍수 측정을 위한 저주파 ADVM을 설치하여 운영할 경우 2008년의 4개 케이스에 대해 댐방류량 대비 2.1%의 상대오차를 나타내어 3.9%의 유속지수법에 비해 약간의 개선효과가 있었으며, 이 역시 유량을 비교적 잘 산정하는 것으로 나타났다.

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Discharge Computation in Natural Rivers Using Chiu's Velocity Distribution and Estimation of Maximum Velocity (자연하천에서 Chiu의 유속분포와 최대유속 추정을 이용한 유량산정)

  • Kim, Chang-Wan;Lee, Min-Ho;Yoo, Dong-Hoon;Jung, Sung-Won
    • Journal of Korea Water Resources Association
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    • v.41 no.6
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    • pp.575-585
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    • 2008
  • It is essential to obtain accurate and highly reliable streamflow data for water resources planning, evaluation and management as well as design of hydraulic structures. A new discharge computation method proposed in this research uses Chiu's velocity distribution and estimation of maximum velocity. This method shows acceptable channel discharges comparing these by the exiting velocity-area method. When velocity-area method is used, it is required to observe velocities at every specified point and vertical line using a velocity meter like Price-AA. If the method proposed in this research, is used, however it is not necessary to observe all point velocities needed in the velocity-area method. But this method can not be applied for the cases of very complex and strongly asymmetric channel cross-sections because Chiu's velocity distribution using entropy concept may be quite biased from that of natural rivers.

Development of the Formula for the Vertical Profile of the Longitudinal Velocity in Sharp Open Channel Bend (급변곡선수로에서 종방향 유속의 연직분포식 개발)

  • Kim Tae Won;Lee Kil Seong;Park Jae Hyeon;Lee Sang Ho
    • Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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    • pp.1123-1127
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    • 2005
  • 종방향 유속의 연직분포 흐름 특성을 파악하기 위해서 중심각이 $180^{\circ}$인 단일 만곡부에서 실험을 수행하였다. 실험결과를 분석한 후 종방향 유속의 연직분포 흐름특성을 재현하기 위해서 원주형 종방향 운동 방정식에 와점성 개념을 도입하였다. Rozovskii의 종방향 그리고 연직방향 유속식들을 도입하여 이론식을 개발하였다. 이론식의 수리학적 변수들은 원심력 항, Chezy 계수, 그리고 전단유속 항들로 구성되어 있다. 이론식은 곡률반경을 따라 변화하는 만곡부 내에서 종방향 유속의 연직분포가 변형되는 현상을 재현하고 있다. 이론식은 본 연구에서 실험을 통해 취득한 관측자료와 비교한 결과 잘 일치함을 보여주고 있다.

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