CFD 기반 횡월류위어 월류량 특성 분석에 관한 연구 = CFD-Based Analysis of Lateral Weir Overflow Discharge Characteristics

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 도시지역 내 반복적으로 발생하는 내수침수 문제를 저감하기 위한 우수저류시설의 주요 구조물인 횡월류위어(side weir)의 유출특성을 분석하고, 기존 경험식(De Marchi, Hager)에 의한 월류량 산정결과와 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 해석결과를 상호 비교함으로서 보다 정밀하고 보수적인 설계 검증기준을 제시하는 것을 목적으로 한다. 연구대상지는 전라북도 순창군 쌍치면에 위치한 박시나무골천으로, 본류 복개구간의 확폭이 곤란한 현지 여건을 고려하여 복개 시점 상류부에 하도외(off-line)형 우수저류시설을 계획하였다. 대상 저류시설은 총 유효용량 16,500 m³, 유효수심 5.0 m로 계획하였으며, 횡월류위어의 제원은 월류부 길이 25 m, 물넘이 높이 0.45 m로 설정하였다. XP-SWMM(XP Stormwater and Wastewater Management Model) 분석 결과, 복개구간의 통수능은 16.4 m³/s, 저류시설 설치지점의 홍수량은 16.8 m³/s, 하류 유입량은 3.4 m³/s로 검토되어 목표 저감량은 3.8 m³/s로 산정되었다.
경험식에 의한 월류량 검토 결과, De Marchi 공식은 7.56 m³/s(C = 1.84), Hager 공식은 6.91 m³/s(C = 1.26)로 산정되었으며, FLOW-3D를 이용한 CFD 해석결과는 3.94 m³/s로 나타났다. 경험식은 CFD 결과에 비해 각각 91 %, 75 % 정도 과대 산정되는 경향을 보였으며, 이는 단순 유량계수에 의존하는 기존 공식이 자유수면 변동, 낙차부 난류, 저류조 체적 효과 등을 충분히 반영하지 못하기 때문으로 판단된다. CFD 해석은 RNG k–ε 난류모델과 VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하였으며, 격자 크기 0.10 m, 5개 격자 블록으로 구성하였다. 상류단에는 유입유량 16.8 m³/s, 하류단에는 계획홍수위 EL. 231.56 m를 경계조건으로 설정하였다. 모의결과, 월류 직하류부에서는 최대 6.7 m/s 의 가속유동이 발생한 후 낙차부에서 와류 확산에 따라 평균 3.0 m/s로 감속되었으며, 상류 자유수면은 EL. 236.50 m → EL. 237.60 m로 약 1.10 m 상승하였다. 이러한 결과는 유입유도벽, 분류벽, 감세공 등의 유입흐름 개선 및 에너지 소산시설의 필요성을 시사한다.
본 연구를 통해 확인된 가장 중요한 사실은 CFD 해석이 단순히 목표 저감량에 근접한 값을 제시하는 도구가 아니라, 가장 보수적인 최소 월류량 산정 방법이라는 점이다. 따라서 설계 과정에서 CFD 해석결과가 목표 저감량에 비해 작게 분석될 경우, 횡월류위어의 길이, 높이, 형상 등 시설 제원을 조정하여 최소한 CFD 산정 결과가 목표 저감량을 초과하도록 검증해야 한다. 이러한 절차는 설계의 안전성과 합리성을 동시에 확보하기 위한 필수적 단계로써, 향후 우수저류시설 관련 사업 등의 관련 기준 및 지침에 반영될 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to analyze the outflow characteristics of a side weir, a major hydraulic structure of stormwater detention facilities for mitigating frequent urban inundation, and to compare the overflow discharges obtained from empirical equations (De Marchi and Hager) with those derived from Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. The objective is to establish a more accurate and conservative design verification criterion for stormwater detention systems.
The case study focuses on the Baksinamugol Stream in Sunchang-gun, Jeollabuk-do, where an off-line detention facility was planned upstream of the covered section due to limited space for channel widening. The facility was designed with an effective storage capacity of 16,500 m³ and a depth of 5.0 m, while the side weir had a crest height of 0.45 m and a length of 25 m. XP-SWMM(XP Stormwater and Wastewater Management Model) modeling estimated a flow capacity of 16.4 m³/s in the covered section, an inflow of 16.8 m³/s at the detention point, and 3.4 m³/s from the downstream, yielding a target reduction discharge of 3.8 m³/s.
The empirical equations produced discharges of 7.56 m³/s (De Marchi, C = 1.84) and 6.91 m³/s (Hager, C = 1.26), while the CFD analysis using FLOW-3D yielded 3.94 m³/s. The empirical results overestimated the discharge by approximately 91 % and 75 %, respectively, as they do not consider free-surface fluctuations, turbulence, and storage volume effects that are captured by CFD. The CFD model applied the RNG k–ε turbulence model and the Volume of Fluid (VOF) method with a mesh size of 0.10 m and five grid blocks. The inflow and outflow boundaries were set to 16.8 m³/s and EL. 231.56 m, respectively. The simulation results showed a maximum velocity of 6.7 m/s at the weir toe, followed by energy dissipation and velocity reduction to approximately 3.0 m/s. The upstream free surface rose by about 1.10 m (from EL. 236.50 m to EL. 237.60 m), indicating the need for flow control and energy dissipation facilities such as guide walls and stilling basins.
The key finding of this study is that CFD analysis provides the most conservative method for estimating the minimum overflow discharge, serving as a reliable lower bound for design verification. If the CFD result is smaller than the target reduction flow, the side weir geometry (e.g., crest height, length, or layout) should be adjusted so that the CFD-estimated overflow exceeds the target flow. This ensures both hydraulic stability and design sufficiency.
Accordingly, the findings of this research should be incorporated into the technical standards and guidelines for Disaster Impact Assessments, Natural Disaster Risk Improvement Projects, and Stormwater Detention Facility Designs. Adopting CFD analysis as a mandatory design verification step will significantly enhance the reliability and sustainability of flood mitigation in urban areas.

목차 (Table of Contents)

• 국문 요약 i
• 목 차 iii
• 표 목 차 ⅵ
• 그림 목차ⅶ
• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 기존 연구 동향2
• 1.2.1 기존 경험식 기반 연구 동향 2
• 1.2.2 CFD 기반 연구 동향 4
• 1.2.3 제도적실무적 배경 5
• 1.2.4 기존 경험식과 CFD 결과 비교 연구(선행연구 분석) 6
• 1.2.5 시사점7
• 1.3 연구 목적 8
• 1.4 연구 범위 및 방법9
• Ⅱ. 이론적 배경10
• 2.1 횡월류위어의 개념 및 종류10
• 2.1.1 횡월류위어의 개념10
• 2.1.2 횡월류위어의 종류10
• 2.1.3 횡월류 흐름의 기본 개념11
• 2.2 유체역학적 특성 16
• 2.2.1 공간적으로 변화하는 유동 16
• 2.2.2 에너지 변동과 프라우드수 16
• 2.2.3 유량계수와 월류 효율16
• 2.2.4 난류와 와류 형성 17
• 2.2.5 세굴 및 퇴적 특성17
• 2.3 FLOW-3D 이론 및 특징 18
• 2.3.1 지배방정식 및 해석 원리19
• 2.3.2 난류모델19
• 2.3.3 자유수면 해석 기법 21
• 2.3.4 난류모델 구성 및 RNG k-ε 모델 선정 이유 21
• Ⅲ. 연구방법 23
• 3.1 해석 대상 및 기하학적 조건 23
• 3.1.1 해석 대상 23
• 3.1.2 대상지역 피해현황24
• 3.1.3 대상시설의 기하학적 조건 26
• 3.2 격자구성 36
• 3.2.1 기본 격자 체계36
• 3.2.2 멀티블록(Multi-Block) 기법 36
• 3.2.3 경계 및 내부 처리37
• 3.3 해석 케이스 설정38
• 3.3.1 횡월류위어의 유량계수 공식 선정 38
• 3.3.2 유량계수 산정 39
• 3.3.3 횡월류량 공식 43
• 3.3.4 CFD(FLOW-3D) 해석 46
• 3.4 해석 절차 46
• 3.4.1 대상 모델 준비46
• 3.4.2 기하학적 구성 47
• 3.4.3 조건설정47
• 3.4.4 시뮬레이션 48
• 3.4.5 결과해석48
• Ⅳ. 수치해석 결과 및 평가 50
• 4.1 해석의 개요 50
• 4.2 횡월류 유출 특성50
• 4.2.1 수위 분포 및 변화 특성 50
• 4.2.2 유속 분포 및 변화 특성 52
• 4.2.3 월류량의 시간적 변화56
• 4.3 경험식과의 비교 58
• 4.3.1 De Marchi 공식과 CFD 결과 비교58
• 4.3.2 Hager 공식과 CFD 결과 비교59
• 4.3.3 경험식과 CFD 결과의 상호 보완성59
• 4.4 CFD 해석의 적합성 평가 61
• 4.4.1 경험식과 CFD 결과의 정합성 검토61
• 4.4.2 국부 유동 특성 재현 능력 61
• 4.4.3 설계 검증 도구로서의 의의 62
• Ⅴ. 결론 및 향후 과제63
• 5.1 결론63
• 5.2 향후 과제 63
• 참고문헌 74
• Abstract 77