블레이드가 설치된 조류발전용 쉬라우드 시스템 내 유속 변화 분석

이욱재,한석종,정신택,이상호 한국해안,해양공학회 2019 한국해안해양공학회 논문집 Vol.31 No.1

Flow velocity changes in the shroud system for tidal current power generation due to experimental flow velocities and blade geometry changes were analyzed by hydraulic experiment and numerical simulation. Through the hydraulic experiment, flow velocities at inlet of shroud system and RPM according to blade geometry were measured, and numerical simulation was used to analyze flow velocity changes in shroud. When the experimental flow velocity was increased by about 28% and the shape of the airfoil was applied, the measured flow velocity at the shroud inlet tended to increase by up to about 56%. On the other hand, when airfoil-shaped blades were installed, the flow velocity at the inlet tended to increase by up to 14% compared to conventional blades, and RPM was also the highest at the same conditions. The hydraulic experiment and numerical simulation results showed an error of about 13%, and the trends of the flow velocity changes in each result are similar. Numerical simulation of the flow velocity changes in the shroud showed that the flow velocity tended to increase 1.7 times at the front of the blade compared to the inlet. The results of the flow velocity change analysis in the shroud system obtained from this study will provide the basic data necessary for the development of efficient shroud system for tidal current power generation. 유속의 크기와 블레이드의 기하학적 형상 변화에 따라 발생하는 조류발전용 쉬라우드 시스템 내 유속 변 화를 분석하기 위하여 수리모형실험과 수치해석적 방법을 이용하였다. 모형실험을 통해 시스템의 유입부에서 유속 변화와 블레이드 형상변화에 따른 고유 회전수를 계측하였으며, 수치해석을 통해 쉬라우드내 유속 변화를 분석하였 다. 실험 유속이 약 28% 증가하고, 익형의 형상을 적용하였을 때, 쉬라우드 유입부에서 계측된 유속은 최대 약 56% 증가하는 경향을 보였다. 한편, 익형 형상을 적용한 블레이드가 설치된 경우 유입부에서의 유속은 일반 블레이드에 비해 최대 14% 증가하는 경향을 보였으며, 회전수 역시 동일 조건에서 가장 높은 수치를 보였다. 수리실험과 수 치해석 결과는 약 13%의 오차를 보였으며, 각각의 결과에서 보이는 유속 변화에 대한 경향은 유사하다. 쉬라우드 내 유속 변화를 수치해석으로 분석한 결과 유입부 대비 블레이드 앞부분에서 유속은 최대 1.7배 증가하는 경향을 보였다. 본 연구를 통해 얻은 시스템 내 유속 변화 분석 결과는 효율적인 조류발전용 쉬라우드 시스템 개발에 필 요한 기초 자료를 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

직접파를 이용한 배경매질 유속정보 도출과 유속을 고려한 파형역산의 적용

이다운 ( Dawoon Lee ),정우근 ( Wookeen Chung ),신성렬 ( Sungryul Shin ),배호석 ( Ho Seuk Bae ) 한국지구물리·물리탐사학회 2017 지구물리와 물리탐사 Vol.20 No.4

해상탐사에서 얻어지는 현장자료는 바람, 파도, 조류, 배경매질의 유속 등 다양한 환경요소에 영향을 받는다. 배경매질의 유속을 제외한 대부분의 환경요소는 자료처리 단계에서 적절한 보정이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 배경매질의 유속정보가 파형역산에 미치는 영향을 분석하기 위해 배경매질의 유속정보를 고려하는 파동 방정식 모델링을 활용하여 관측자료를 생성하고, 생성된 자료를 통해 수치 실험을 진행하였다. 수치예제에는 다소 비현실적인 유속이 적용된 결과도 포함되어 있다. 이와 더불어, 탐사자료의 유속정보를 수치적 기법으로 도출하여 역산을 수행하는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 수정된 Marmousi2 모델에 적용하여 유속에 따른 결과를 얻고자 하였다. 기존의 유속을 고려하지 않은 역산 결과와 제안된 알고리즘으로 수행한 역산 결과 비교를 통해 유속의 세기가 갱신되는 물성정보에 미치는 영향을 확인하였다. Field data obtained from marine exploration are influenced by various environmental factors such as wind, waves, tidal current and flow velocity of a background medium. Most environmental factors except for the flow velocity are properly corrected in the data processing stage. In this study, the wave equation modeling considering flow velocity is used to generate observation data, and numerical experiments using the observation data were conducted to analyze the effect of flow velocity on waveform inversion. The numerical examples include the results with unrealistic flow velocities. In addition, an algorithm is suggested to numerically extract flow velocity for waveform inversion. The proposed algorithm was applied to the modified Marmousi2 model to obtain the results depending on the flow velocity. The effect of flow velocity on updated physical properties was verified by comparing the inversion results without considering flow velocity and those obtained from the proposed algorithm.

조류발전 시스템 내 블레이드 회전수 변화에 따른 효율 특성 분석

이욱재,한석종,박다인,정신택 한국해안,해양공학회 2019 한국해안해양공학회 논문집 Vol.31 No.5

The numerical simulation method was used to analyze the flow velocity change and mechanical coefficient characteristics of the blade in the shroud system that changes with the initial flow velocity and the blade rpm. In the analysis condition, the initial flow velocity was varied from 0.35 m/s to 1.0 m/s, and the blade rpm varied from 50 rpm to 300 rpm. Through this, the mechanical coefficient was estimated. The flow velocity changes tended to increase more than 1.8 times at the middle point compared to the inlet. When the flow velocity ratio was 0.75 m/s compared to the initial flow velocity of 0.5 m/s, the flow velocity ratio decreased. The mechanical coefficient using the torque of the blade also showed the highest coefficient at 0.5 m/s, and the trends were similar. On the other hand, the maximum coefficient was estimated to be about 20.88% in TSR 4.77 when the initial flow velocity was 0.5 m/s. The mechanical coefficient analysis of blades in this study is expected to provide the basic data for hydraulic model experimental. 초기 유속과 블레이드의 회전수에 따라 변화하는 쉬라우드 시스템 내 유속 변화와 블레이드의 효율 특성을 분석을 위해 수치해석 방법을 이용한 연구를 수행했다. 해석 조건으로 0.35 m/s에서 1.0 m/s까지 초기 유속 변화와 50 rpm부터 300 rpm까지 블레이드의 회전수를 변화시키며 기계적 효율을 추정했다. 유속 변화는 유입부 대비 중심부 에서 모든 경우 약 1.8배 이상 증가하는 경향을 보였으며, 초기 유속 0.5 m/s 대비 0.75 m/s에서 유속 변화율이 감소 했다. 또한 블레이드의 토크를 이용한 기계적 효율 역시 0.5 m/s의 경우 가장 높은 효율을 보였으며, 모든 경우 유사 한 경향성을 보였다. 한편 최대 효율은 초기 유속 0.5 m/s인 경우 TSR 4.77에서 약 20.88%로 산정됐다. 본 연구에 서 수행한 블레이드의 기계적 효율 분석은 수리모형실험에 필요한 기초적 자료를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

자연형 수로 내 식생흐름 분석을 위한 실험적 연구

유용욱,김지현,지운,강준구 대한토목학회 2019 대한토목학회논문집 Vol.39 No.5

하천 내 흐름에 대한 식생 밀도의 영향을 조사하기 위해 버드나무가 활착된 하천 규모의 자연형 수로에서 유동 측정 실험을 수행하였다. 식생 내 흐름에 대한 하천 규모 실험은 식생의 반 잠김 조건에 대해 수행되었다. 수로 내 식생대(vegetation patch)는 교차로 형성된 사주의 형상으로 배 열되었고 식생 구간과 비식생 구간에서의 흐름을 비교하였다. 3차원 유동 구조는 초음파 유속계(Acoustic Doppler Velocimeter)에 의해 측정 되었고 종방향 속도의 연직 분포는 다양한 지점에서의 측정값으로부터 분석되었다. 유속은 식생대의 밀도에 따라 다른 양상을 보여 주는데, 식 생 구간와 비식생 구간에서의 흐름 속도의 차이는 밀집된 식생대 주변에서 크게 나타나며 흐름 분포의 형태는 식생대의 하류방향 하단에서 복잡 한 모습을 나타낸다. 하류에 위치한 식생대 주변의 흐름은 상류에 설치된 식생대에 의해 교란된 흐름에도 불구하고 유사한 분포를 보여준다. This study experimentally investigated the effects of high and low densities of vegetation patches on the flow characteristics in a stream-scale outdoor experimental channel with rooted willows. Stream-scale experiments on vegetated flows were carried out for an emergent condition of vegetation. Vegetation patches were arranged by alternate bar formation and the flows in vegetated and non-vegetated sections were compared. Three-dimensional flow structure was measured by ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) and the vertical distributions of longitudinal velocity were mainly analyzed from the measurements at various points. Flow velocities show different patterns depending on the density of vegetation patches. The difference in flow velocity between in the vegetated and non-vegetated sections appear to large in the dense patches and the flow becomes complicated at the downstream edge of the patch. Despite the upstream flow disturbed by the first patch, the flows over the second patch show the similar pattern.

오리피스를 적용한 스프링클러배관의 유속 및 압력 적정성에 관한 연구

김재동(Kim, Jaedong),노영재(Noh, Youngjae),김낙석(Kim, Nakseok) 한국방재학회 2020 한국방재학회논문집 Vol.20 No.5

건축물의 스프링클러 설계는 최상층 말단 스프링클러헤드를 기준으로 유량과 양정을 설계하고 있다. 따라서 필연적으로 최하층 등 펌프와 가까운 층의 경우 불필요한 유량과 양정, 유속이 발생할 수밖에 없다. 더구나 실제 화재 시 기준개수 미만으로 스프링클러헤드가 개방됨으로서 과도한 유량, 유속, 양정이 발생되고 그에 따라 수손피해 또는 물방울 입자가 작아져 효율적인 화재진압에 불리해 질수 있다. 이에 본 논문에서는 오리피스를 각 스프링클러헤드의 가지관마다 적용하여 과도한 유량, 유속, 양정을 감소시키고 건축물 각층별로 적합한 설계치를 유지하는지 확인하였다. 오리피스를 적용한 결과 유량, 유속, 양정이 감소하여 과압 방지를 할 수 있었다. The sprinkler design of buildings is based on the top-floor end sprinkler head, and the water flow rate and pressure are designed. When the floor is close to the bottom floor pump, unnecessary flow rate, pressure, and flow velocity become inevitable. Moreover, when the sprinkler head is opened to less than the actual fire time reference number, the excessive flow rate, flow velocity, and pressure are generated. Therefore, the damage to the water or droplet particle becomes less significant, which can be disadvantageous for efficient fire suppression. Therefore, in this study, we applied an orifice to the branch pipe of each sprinkler head to decrease the excessive flow rate, flow velocity, and pressure. It was confirmed that the design value was maintained for each floor of the high building. When the orifice was applied, the flow rate and positive well were reduced, which could prevent overpressure.

토사재해 발생시 인적피해를 유발하는 한계수심 및 한계유속에 관한 연구

이지호,옥수연,전환돈 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.2

In this study, we suggest that the methodology which can estimate the critical depth and critical velocity based on the results of the previous experimentation with focusing on damage of human side. The case of human instability means that the human is swallowed by mud flows. We modified the drag force of mud flow for considering the difference of drag force by the fluid density. The velocity reduction factor is applied to estimate the drag force on mud flow. As a result, the mud flow was found that the critical velocity on mud flow is estimated smaller, compared with the flooding due to the density of mud flow. It means the risk of casualties on mud flow is higher than the flooding. In addition, it was found that the elderly and children are more vulnerable to mud flow, and children were ones in most danger. 본 연구에서는 인적피해에 초점을 맞추어 사람이 토사류에 휘말릴 경우의 불안정성(Human instability)을 기존 실험적 연구 성과를 기초로 하여 토사류의 한계유속과 한계수심을 산정할 수 있는 방법론을 제시하였다. 유체의 밀도에 따라 항력이 다르며, 토사류의 항력을 산정하기 위해 홍수와 토사류의 유속 감쇄계수를 적용하였다. 그 결과 토사류의 한계수심은 토사류의 밀도로 인해 홍수의 경우에 비해 작게 산정되었으며, 이는 토사재해로 인한 인명피해는 홍수시에 비해 위험성이 큼을 의미한다. 아울러 취약계층일수록 한계수심-유속 그래프가 안쪽으로 이동됨을 확인하였으며, 이중 어린아이의 경우 토사재해에 대한 위험도가 가장 큰 것으로 확인하였다.

고유속 흐름에서 하상재료에 따른 세굴 영향 연구

김광수,김동규,김영도,박용성 한국수자원학회 2019 한국수자원학회논문집 Vol.52 No.2

본 연구는 하상재료의 종류와 유속에 따른 세굴변화에 대한 연구를 진행하였고, 유속, 구성방법 및 재료와 세굴에 대한 상관관계를 정의하여 호안 및 제방의 운용성을 검토하고자 실험을 통한 연구를 진행하였다. 본 연구의 실험에 사용된 재료는 제방에 사용되고 있는 재료로 모래, 황토를 이용하였다. 실험실규모 고속수로에서 다양한 계측장비들을 이용하여 유속의 변화에 따른 재료의 세굴을 측정하였다. 이를 통해 세굴 전·후의 재료변화를 수치적으로 분석하였다. 고유속흐름에서 하상재료에 따라 세굴의 정도를 비교·평가하여 안정성에 대한 연구도 진행하였다. 실험 결과 모래의 경우 응집력이 매우 약하여 1.0 m/s 이하에서도 40% 이상의 재료가 유실이 되고 황토의 경우 모래보다 유속이 빠른 2 m/s 이상에서도 6% 이하의 재료가 유실이 되었다. 재료가 유실된 이유중 하나는 강한 응집력으로 건조균열이 발생하여 세굴에 취약한 결과를 보였다. 본 연구에서는 이러한 건조균열의 발생부터 재료가 유실되는 현상을 제거하는 방법부터 재료에 대한 구성과 유실정도를 평가 하였다. In this study, the degree of scouring according to the bed material according to the flow rate and the relationship between the flow velocity and the bed scouring were investigated in order to examine the operability of the revetment and embankment. The materials used in the experiment were sand and loess as materials used in the embankment. We measured the scouring of the material according to the change of the flow velocity by using the indoor high flow velocity experiment device and verified the flow rate. In this way, The purpose of this study was to compare and analyze changes in material before and after scouring, and compare basal scouring evaluation by bed material with high flow velocity. In case of sand, the cohesive force is very weak, so more than 40% of the material is lost even at less than 1.0 m/s. In the case of loess, less than 6% of the bed material is lost at more than 2 m/s. The reason why the material was lost was that the cohesion was so strong that the material was dried after the compaction and cracked. As a result, the material was lost from the part where the dry crack occurred. In this study, the composition and loss of bed materials were evaluated.

항공사진분석 자료를 이용한 2차원 하천흐름 해석모형의 검증

서일원(Seo Il Won),김성은(Kim Sung Eun),Minoura Yasuhisa,Ishikawa Tadaharu 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 B Vol.31 No.6B

수리해석 모형들은 하천의 흐름에 대한 연구에 이용되거나 수공구조물의 설계 및 하천의 설계 등 실무에 널리 사용되고 있다. 이들 수리해석 모형은 실측자료를 통한 보정이 필요하나 홍수시 유속을 측정하는 것 자체가 위험한 작업이기 때문에 홍수시 하천의 2차원 유속분포에 대한 실측자료가 전무한 실정이다. 이러한 이유로 2차원 수치모형의 결과는 보통 몇 개 지점의 실측된 자료를 비교함으로써 보정 및 검증을 실시하고 있다. 더욱이 설계 홍수량에 대한 모형의 보정은 1차원 모형인 HEC-RAS의 모의결과를 이용하여 보정하고 있다. 본 연구에서는 일본의 토네강(Tone river)에서 홍수시 촬영한 항공사진을 분석하여 추출한 유속벡터 자료를 이용하여 하천설계 실무 및 연구 등에 널리 사용되어지고 있는 2차원 수치모형인 RAMS의 RAM2 SMS의 RMA2와 1차원 모형인 HEC-RAS 모형의 검증을 실시하였다. 또한 HEC-RAS결과를 이용한 2차원 모형의 보정에 대한 타당성을 검토하였다. 검토결과 HEC-RAS 및 RAM2 RMA2 모형의 수위모의 결과 모두 관측점의 수위와 비슷한 결과을 보이고 있었으나 유속모의의 경우 고수부지에서의 2차원 모형에 의한 유속결과와 항공사진으로 부터 추출된 유속결과가 차이를 보이고 있었다. 또한 1차원 모형에 의한 결과와 항공사진으로부터 추출된 유속장을 단면평균한 유속과 비교한 결과 큰 오차가 발생하고 있는 것으로 나타났다. The hydrodynamic models are widely used in the research for analysis of flow characteristics and design of hydraulic structure and river channel. These models need to be calibrated with observed data. But there are few field data of two-dimensional flow velocity in flood because the direct measurement of the flood flow velocity are very dangerous. For this reason the results of two-dimensional numerical models are usually calibrated and verified with only a few observed data. Moreover the verification of numerical models for the design flood is usually carried out using the result of one-dimensional model HEC-RAS. In this study using the flow velocity profile extracted from the aerial photos of a flood of the Tone River in Japan two-dimensional numerical models RAM2 in RAMS RMA2 in SMS and one-dimensional numerical model HEC-RAS which are most widely used in research and design work are verified and the validity for verification of two-dimensional models with HEC-RAS is reviewed. The results showed that the water surface elevation of HEC-RAS RAM2 and RMA2 models have similar results with observed data. But the velocity results of RAM2 and RMA2 models in the floodplain have some difference with the velocity from aerial photo analysis. And the velocity result of HEC-RAS has big difference with the sectional averaged value of velocity from aerial photo analysis.

Effects of bed material on scouring under high-velocity flow conditions

Kim Gwang Soo,Jung Dong Gyu,Kim Young Do,Park Yong Sung 한국수자원학회 2019 한국수자원학회논문집 Vol.52 No.2

본 연구는 하상재료의 종류와 유속에 따른 세굴변화에 대한 연구를 진행하였고, 유속, 구성방법 및 재료와 세굴에 대한 상관관계를 정의하여 호안 및 제방의 운용성을 검토하고자 실험을 통한 연구를 진행하였다. 본 연구의 실험에 사용된 재료는 제방에 사용되고 있는 재료로 모래, 황토를 이용 하였다. 실험실규모 고속수로에서 다양한 계측장비들을 이용하여 유속의 변화에 따른 재료의 세굴을 측정하였다. 이를 통해 세굴 전·후의 재료변 화를 수치적으로 분석하였다. 고유속흐름에서 하상재료에 따라 세굴의 정도를 비교·평가하여 안정성에 대한 연구도 진행하였다. 실험 결과 모래의 경우 응집력이 매우 약하여 1.0 m/s 이하에서도 40% 이상의 재료가 유실이 되고 황토의 경우 모래보다 유속이 빠른 2 m/s 이상에서도 6% 이하 의 재료가 유실이 되었다. 재료가 유실된 이유중 하나는 강한 응집력으로 건조균열이 발생하여 세굴에 취약한 결과를 보였다. 본 연구에서는 이러한 건조균열의 발생부터 재료가 유실되는 현상을 제거하는 방법부터 재료에 대한 구성과 유실정도를 평가 하였다. In this study, the degree of scouring according to the bed material according to the flow rate and the relationship between the flow velocity and the bed scouring were investigated in order to examine the operability of the revetment and embankment. The materials used in the experiment were sand and loess as materials used in the embankment. We measured the scouring of the material according to the change of the flow velocity by using the indoor high flow velocity experiment device and verified the flow rate. In this way, The purpose of this study was to compare and analyze changes in material before and after scouring, and compare basal scouring evaluation by bed material with high flow velocity. In case of sand, the cohesive force is very weak, so more than 40% of the material is lost even at less than 1.0 m/s. In the case of loess, less than 6% of the bed material is lost at more than 2 m/s. The reason why the material was lost was that the cohesion was so strong that the material was dried after the compaction and cracked. As a result, the material was lost from the part where the dry crack occurred. In this study, the composition and loss of bed materials were evaluated.

월류 시 마운드형태 방조제에 작용하는 압력과 유속 산정

김태형(Taehyung Kim),Yeh Harry,김성웅(Sungwoung Kim),최명호(Myoungho Choi) 한국지반환경공학회 2015 한국지반환경공학회논문집 Vol.16 No.3

해일에 의한 바닷물의 월류는 방조제 구조물에 피해를 유발시킨다. 지금까지 발생된 마운드 형태 방조제의 파괴 유형 조사결과, 육지 쪽 마루부 파손과 선단부의 세굴이 대표적인 파괴 사례로 지목되었다. 이와 같은 파괴를 유발하는 가장 큰 원인은 월류에 의해 발생된 압력과 유속이다. 본 연구에서는 에너지 관점에서 마운드 형태 방조제에서 압력과 유속을 산정할 수 있는 이론해를 제안하고 검증하였다. 이를 위해 방조제 마루부와 선단부에 흐름을 유사정적비회전류로 보고 동심원유선이 형성된다고 가정하였다. 한계흐름조건과 베르누이정리를 이용하여 방조제 마루부와 배면 선단부에서의 작용하는 압력 및 유속 산정식을 유도하였다. 이들 식을 이용하여 동심원유선 및 월류고를 가정하여 마루부와 선단부에서 압력과 유속을 산정하였다. 그 결과 마루부에서는 부의 압력이 선단부에서는 양의 압력이 각각 크게 작용하는 것으로 나타났으며 유속에 의한 전단응력도 작용하는 것을 확인하였다. 또한 제안된 이론해의 적용 한계에 대한 고찰도 이루어졌다. Wave overflow can cause a failure of sea dike structure. Based on the results of the field surveys on mound-type sea dike, the failure of vicinity of crown and the scouring of toe at the landward was revealed as the most representative failure example. One of the main factors related to this failure pattern is overflow-induced pressure and velocity. Thus, in this study the analytical equations which can determine the pressure and the velocity induced by overflow in sea dike were proposed and verified. To accomplish this, assumed that the flow is quasi-steady and irrotational, and concentric circular streamlines around the vicinity of crown and toe of the sea dike. Flow was assumed as critical state and Bernoulli equation was used to develop the equations that can determine the pressure and velocity at the vicinity of crown and toe of the sea dike. Using these equations, the pressure and the velocity were calculated in condition of various overflow depths and radiuses of circular streamline. Based on the calculation results, while a negative pressure was occurred at the vicinity of crown, a significant amount of positive pressure occurred at the toe. The existence of flow-induced shear stresses was also confirmed. In addition, the limitation of the proposed equations was discussed.