3차원 자유수면해석을 이용한 사다리꼴 Piano Key (PK) Weir의 방류 능력 평가

Abstract

Recently, as abnormal weather conditions occur frequently due to global warming, the intensity of concentrated heavy rain increases, increasing the risk of dam collapse due to flooding overflow. Pan-national measures such as the central government's project to increase dimensional capacity are essential to prepare for disasters, Piano key weir, a modified form of Labyrinth weir, is a repair structure that is installed at low cost regardless of the spillway's occupied area and has a great advantage of showing discharge capacity about four times higher than the existing ogee weir. However, there is no design standard for Piano key Weir, and research on optimal design factors to improve discharge capacity is continuously proposed. Research on the application of trapezoidal Piano Key Weir and auxiliary design factors, which have been proven to show higher discharge capacity than basic Piano Key Weir, is also actively underway, but further research is still needed to analyze the impact between various design factors. In this study, various major design factors and new auxiliary design factors of trapezoidal Piano Weir were applied to analyze the impact and flow characteristics of design factors and evaluate the discharge capacity to present optimal design factors. The main design factors (Case A) were designed into a total of 9 models by crossing the width ratios of 1.25, 1.75, 2.25, and the sidewall angles of 2°, 4°, and -2°, and the discharge coefficient increase and decrease rate was investigated. The auxiliary design factor (Case B) is the previously studied square Sq-parapet and the newly proposed tri-parapet, and is added to the model showing high discharge capacity among the 9 models. The discharge capacity and flow characteristics of each model were analyzed using computational fluid dynamics (CFD) simulations that interpret mathematical governing equations in a numerical manner. When compared to the reference model based on the width ratio and the width ratio of the side wall angles, which are the main design factors, the lower the water level at all side wall angles, the greater the discharge capacity, but the lower the water level. If the side wall angle is greater than 0, the discharge capacity increases in proportion to the width ratio, but if the angle is less than 0, the width ratio 1.75 and 2.25 show a tendency to decrease as the water level increases. When the side wall angle is 2°, it can be seen that the discharge capacity increases stably for all widths and the discharge capacity increases at all water levels. Next, when compared based on the side wall angle, the side wall angle -2° showed the highest discharge capacity at the low water level, but at the width ratios of 1.75 and 2.25 -2° showed a tendency to decrease the discharge capacity. Finally, the width ratio 1.25 and sidewall angle –2° models with stable discharge capacity for all water levels, the width ratio 2.25 and sidewall angle 2° models were selected, with up to 14.7% and 13.6%, respectively. As a result of flow flow analysis, it was confirmed that the low flow rate of the inlet crest reduces flow inertia force and improves sidewall accessibility, so the flow is evenly distributed to improve the efficiency of the crest. In addition, it was confirmed that as the water level increased, the interference in the water nappe intensified, and the slope of the discharge curve gradually became gentle, and undercurrent occurred, reducing the discharge efficiency. As a result of applying Sq-parapet and Tri-parapet to the two selected models, it was confirmed that the discharge efficiency of Tri-parapet was significantly improved compared to the existing Sq-parapet, and it increased by up to 53.8% and 49.5%. In the future, this study is expected to improve the model in consideration of the effect of the width ratio and sidewall angle of the trapezoidal Piano key weir on efficiency under limited space, and based on this, it is expected to be used as an additional design guideline to increase actual discharge capacity.

최근 지구온난화로 인해 이상기후가 빈번하게 발생함에 따라 집중 호우의 강도 증가하게 되어 홍수의 월류로 인한 댐 붕괴의 위험도가 높아지고 있는 실정이다. 재해 대비를 위해 중앙정부에서 추진하는 치수 능력 증대 사업과 같은 범국가적 대책이 필수적으로 요구되며, 이를 위한 다양한 구조물적 대책 중 래버린스 위어 (Labyrinth weir)를 개조한 형태인 Piano key 위어는 여수로의 점유 면적과 관계없이 저비용으로 설치되며 기존 오즈 위어 (Ogee weir)보다 약 4배 이상 높은 방류 능력을 나타내는 큰 장점이 있는 수리 구조물이다. 하지만 현재 Piano key 위어의 설계 기준이 없으며 방류 능력 향상을 위한 최적 설계인자 연구가 지속적으로 제안되고 있다. 기본 Piano Key 위어보다 더 높은 방류 능력을 보이는 것으로 증명된 사다리꼴 Piano key 위어와 보조 설계인자 적용에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있지만 설계인자가 많고 복잡하기 때문에 다양한 설계인자 간의 영향 분석을 위한 추가 연구가 여전히 필요한 실정이다. 본 연구에서는 사다리꼴 Piano key 위어의 다양한 주요 설계인자와 새로운 보조 설계인자를 적용하여 설계인자 영향과 유동특성을 분석하고 방류 능력을 평가하여 최적 설계인자를 제시하였다. 주요 설계인자 (Case A)는 폭 비율 1.25, 1.75, 2.25, 측벽 각도는 2°, 4°, -2°를 서로 교차하여 총 9가지의 모델로 설계하였으며 유량 계수 증감률을 조사하였다. 보조 설계인자 (Case B)는 선행연구의 사각형 Sq-parapet과 새롭게 제시하는 형태인 삼각형 Tri-parapet을 적용하였으며, 9가지 모델 중 높은 방류 능력을 나타내는 모델에 추가하였다. 수학적 지배방정식들을 수치해석적인 방법으로 복잡한 물리 현상을 해석하는 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션을 이용하여 각 모델 별 방류 능력 및 유동 특성에 대해 분석하였다. 주요 설계인자인 폭 비율과 측벽 각도 중 폭 비율을 기준으로 기준 모델과 비교했을 때 모든 측벽 각도에서 수위가 낮을수록 큰 폭으로 방류 능력이 증가하지만 수위가 높을수록 증가폭이 감소하는 경향을 확인하였다. 측벽 각도가 0보다 크면 폭 비율과 비례하여 방류 능력이 증가하지만 각도가 0보다 작을 땐 폭 비율 1.75와 2.25의 경우 수위가 증가할수록 오히려 감소하는 추세를 나타낸다. 측벽각도가 2°일 때 모든 폭에 대하여 안정적으로 방류 능력이 증가하며 모든 수위에서 방류 능력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 다음으로 측벽각도를 기준으로 비교하였을 때, 낮은 수두에서 측벽각도 –2°가 가장 높은 방류 능력을 나타냈지만 폭 비율 1.75와 2.25에서 –2°는 방류능력이 오히려 감소하는 추세를 보였다. 최종적으로 모든 수위에 대하여 안정적으로 방류 능력이 증가하는 폭 비율 1.25와 측벽각도 –2° 모델과 폭 비율 2.25와 측벽각도 2° 모델이 선정되었으며 각각 최대 14.7%와 13.6%의 증가율이 나타났다. 유동 흐름 분석 결과 inlet crest의 낮은 유속은 유동 관성력을 감소시키고 측벽 접근성을 향상시키므로 흐름이 고르게 분포하여 마루의 효율성 향상시키는 것을 확인하였다. 또한 수위가 증가함에 따라 수맥간섭이 심해져 방류곡선의 경사가 점차 완만해지며 잠류가 발생하여 방류 효율이 감소하는 것을 확인하였다. 9가지 모델 중 가장 큰 방류 효율이 나타난 두 모델에 Sq-parapet과 Tri-parapet을 적용한 결과 기존의 Sq-parapet보다 Tri-parapet의 방류 효율이 크게 개선되었음을 확인하였으며 최대 53.8%, 49.5% 증가하였다. 추후 본 연구를 통해 제한된 공간 하에서 사다리꼴 Piano key 위어의 폭 비율과 측벽 각도가 효율성에 미치는 영향을 고려하여 모델을 개선하고, 이를 바탕으로 실제 치수능력 증대를 위한 추가 설계 지침으로 활용될 것으로 기대된다.