식생된 개수로 흐름에서의 난류의 비등방성

Abstract

본 논문은 식생된 개수로 흐름에서 난류의 비등방성이 평균유속 및 난류구조에 미치는 영향을 파악하기 위한 수치모의 연구이다. 비등방성 난류모형인 레이놀즈응력모형을 이용하여 식생이 없는 일반 개수로 흐름과 침수 및 정수식생된 개수로 흐름에서의 평균유속 및 난류구조를 수치모의하였다. 수치모의 결과를 기존의 실험결과 및 k-<TEX>$\epsilon$</TEX> 모형과 응력대수식모형에 의한 계산 결과와 비교하였다. 식생이 없는 일반 개수로 흐름과 정수식생된 개수로 흐름에서의 평균유속과 레이놀즈응력을 계산한 결과 등방성 및 비등방성 난류모형에 의한 해석 결과의 차이가 거의 나타나지 않았다. 즉, 난류의 비등방성의 영향이 매우 작은 것으로 나타났다. 그러나 자유수면 및 바닥 근처에서 발생되는 난류의 감쇠효과에 의한 난류의 비등방성은 레이놀즈응력이 가장 잘 예측하는 것으로 나타났다. 침수식생된 개수로 흐름의 경우 식생높이 부근에서 난류의 비등방성이 강하게 발생하는 것으로 나타났다. 계산된 평균유속 및 난류구조는 레이놀즈응력모형이 다른 모형 보다 가장 정확한 예측을 수행하였으며, 등방성 모형인 k-<TEX>$\epsilon$</TEX> 모형은 식생높이 보다 높은 영역에서 평균유속 및 난류강도를 각각 과대 및 과소 예측하는 것으로 나타났다. 또한 계산된 결과를 이용하여 식생된 개수로 흐름에서의 부유사량을 산정한 결과 등방성 난류모형이 부유사량을 과소 산정하는 것으로 나타났다. This paper investigates the impacts of turbulent anisotropy on the mean flow and turbulence structures in vegetated open-channel flows. The Reynolds stress model, which is an anisotropic turbulence model, is used for the turbulence closure. Plain open-channel flows and vegetated flows with emergent and submerged plants are simulated. Computed profiles of the mean velocity and turbulence structures are compared with measured data available in the literature. Comparisons are also made with the predictions by the k-<TEX>$\epsilon$</TEX> model and by the algebraic stress model. For plain open-channel flows and open-channel flows with emergent vegetation, the mean velocity and Reynolds stress profiles by isotropic and anisotropic turbulence models were hardly distinguished and they agreed well with measured data. This means that the mean flow and Reynolds stress is hardly affected by anisotropy of turbulence. However, anisotropy of turbulence due to the damping effect near the bottom and free surface is successfully simulated only by the Reynolds stress model. In open-channel flows with submerged vegetation, anisotropy of turbulence is strengthenednear the vegetation height. The Reynolds stress model predicts the mean velocity and turbulence intensity better than the algebraic stress model or the k-<TEX>$\epsilon$</TEX> model. However, above the vegetation height, the k-<TEX>$\epsilon$</TEX> model overestimates the mean velocity and underestimates turbulence intensity Sediment transport capacity of vegetated open-channel flows is also investigated by using the computed profiles. It is shown that the isotropic turbulence model underestimates seriously suspended load.