개수로 흐름에서 튜브다발흐름조절기의 난류저감 효과에 대한 실험연구
Experimental Study of the Effect of Tube Bundle Flow Conditioners on Turbulent Reduction in Open Channel Flows
- 주제(키워드) 도움말 개수로 흐름 , 난류 강도 , 난류 운동 에너지 , 유동 제어 , 정류 장치
- 발행기관 국립강릉원주대학교 일반대학원
- 지도교수 도움말 백중철
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 도움말 일반대학원 토목공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/kangnung/000000012395
- UCI I804:42001-000000012395
- 본문언어 한국어
초록/요약 도움말
수리학적 실험에서 유입부의 불규칙한 흐름은 계측 데이터의 신뢰성을 저하시키는 주요 원인이 된다. 이를 해결하기 위해 다양한 정류 장치가 사용되고 있으나, 기존의 다공판이나 스크린 방식은 개수로 환경에서 와류를 효과적으로 제어하는 데 한계를 보인다. 이에 본 연구에서는 폴리카보네이트 소재의 튜브다발흐름조절기(Tube Bundle Flow Conditioner)를 개수로에 적용하여, 그 정류 성능과 난류 저감 효과를 실험적으로 규명하였다. 실험은 직사각형 수로에서 수행되었으며, 정밀한 유동 특성 분석을 위해 음향 도플러 유속계(ADV)를 사용하여 64 Hz의 고주파수로 순간 유속을 측정하였다. 연구는 크게 두 가지 단계로 진행되었다. 첫째, 기존의 다공판 방식과 튜브다발 방식의 성능을 비교하였으며, 둘째, 인위적인 교란을 통해 강한 교란이 발생한 악조건에서의 제어 성능을 평가하였다. 성능 평가는 평균 유속 분포, 난류 강도(Turbulence Intensity), 난류 운동 에너지(TKE) 등의 정량적 지표를 통해 이루어졌다. 실험 결과, 튜브다발 흐름조절기는 기존 다공판 방식 대비 월등한 난류 저감 성능을 보였다. 다공판 적용 시와 비교하여 튜브다발 적용 시 주 흐름 방향의 난류 강도는 약 1/6 수준으로 안정화되었으며, 횡 방향 및 연직 방향의 난류 강도 또한 각각 74%, 85% 이상 감소하였다. 특히, 인위적인 교란으로 인해 난류 강도가 약 58.5%에 달하는 고난류 흐름 조건에서도, 튜브다발흐름조절기를 통과한 직후 난류 강도가 14.4%로 급감하여 약 75%의 저감 효율을 기록하였다. 또한, 유입된 난류 운동 에너지(TKE)의 95% 이상이 장치 통과 이후 소산됨을 확인하였다. 유속 분포 및 수심별 유속 분포 분석을 통해, 튜브다발 내의 유로들이 유입된 와류(Eddies)를 파쇄(Breakdown)하여 흐름의 직진성을 회복시키는 것을 확인하였다. 결과적으로 튜브다발 흐름조절기 통과 후 수심의 3배 거리 지점에서는 정상 유입 조건과 거의 동일한 완전 발달 난류(Fully Developed Turbulence) 상태로 흐름이 신속하게 회복되었다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 튜브다발흐름조절기는 강한 유입 교란이 존재하는 환경에서도 짧은 이격 거리 내에 유동을 효과적으로 안정화시킬 수 있음을 입증하였다. 이는 공간적 제약으로 인해 충분한 직관부 확보가 어려운 수로 실험이나 정밀한 유량 측정이 요구되는 현장에서 데이터의 정확도와 신뢰도를 확보하는 데 크게 기여할 것으로 판단된다.
more목차 도움말
제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구동향 3
1.2.1 국내 연구 동향 3
1.2.2 국외 연구 동향 5
1.3 연구내용 및 방법 6
제 2 장 이론적 배경 7
2.1 개수로 흐름의 정의 및 기본 원리 7
2.1.1 개수로 흐름의 정의 및 기본 원리 7
2.1.2 단면의 기하학적 특성 7
2.1.3 Froude 수와 흐름 상태 8
2.2 유동 특성 및 평가 지표 9
2.2.1 순간 유속과 레이놀즈 분해 9
2.2.2 평균 유속 및 유속 분포 11
2.2.3 난류 강도 12
2.2.4 난류 운동 에너지 13
제 3 장 튜브다발흐름조절기 수리실험 장치 및 방법 14
3.1 실험 장치 14
3.1.1 개수로 제원 및 순환 시스템 14
3.1.2 튜브다발흐름조절기 17
3.1.3 측정 장비 20
3.2 실험 조건 및 방법 23
3.2.1 실험 조건 23
3.2.2 실험 절차 27
제 4 장 실험 결과 및 분석 28
4.1 수로 저수조의 정류장치의 종류에 따른 결과 및 분석 28
4.2 교란과 정류에 따른 흐름 특성 30
4.2.1 실험 결과 30
4.2.2 단면 유속 분포 비교 31
4.2.3 수심별 유속 분포 46
4.2.4 튜브다발흐름조절기의 난류 강도 감소 효과 분석 50
4.2.5 난류 운동 에너지의 변화 및 소산 55
4.3 유입 교란에 대한 정류 성능 평가 59
4.3.1 정량적 난류 저감 효율 평가 59
4.3.2 유동 구조의 회복 및 안정화 메커니즘 59
제 5 장 결론 61
참고 문헌 64
