개수로(흐름의 분류)

흐름의 분류

 개수로의 흐름은 여러 가지 형식으로 분류될 수 있으며, 또한 여러 가지 방법으로 기술될 수 있다. 흐름은 시간적 및 공간적으로 수로의 일정한 단면이나 구간에 대하여 유속, 유량, 수심 등의 수리적 요소가 변화하느냐, 변하지 않느냐에 따라 수리학적 특성은 크게 좌우된다. 또한 개수로의 흐름은 점성효과와 중력효과에 따라 그 상태를 구분할 수 있다.

 먼저 흐름으 형식을 시간적 및 공간적 관점에서 그 거동을 구분할 수 있으며, 시간적인 관점에서는 정상류(steady flow)와 비정상류(unsteady flow)로 나누고 공간적인 관점에서 등류(uniform flow)와 부등류(non-uniform flow)로 나눌 수 있다.

 

 1) 정상류와 비정상류

 정상류와 비정상류의 구분은 시간이 기준이다. 개수로의 일정한 단면에서 유속, 유량, 수심 등의 수리학적 특성이 시간에 따라 일정하다면 정상류이고 수리학적 특성이 변화한다면 비정상류이다. 일반적으로 개수로 문제에서는 흐름이 정상류라는 조건이 전제되고 있으나, 흐름 상태의 시간적 변화가 주된 문제라면 그 흐름은 비정상류로서 취급되어야 한다. 예를 들면 수로의 어느 구간에 대하여 유입수량과 유출수량이 같으면 정상류가 되며, 홍수파가 통과하는 하천 또는 감조하천의 밀도류와 같이 수심이나 유속이 시간적으로 변화하는 흐름은 비정상류이다.

 

 2) 등류와 부등류

 등류와 부등류의 구분은 공간이 기준이다. 개수로의 흐름은 수로의 모든 단면에 있어서 수리학적 특성이 동일할 때 등류라고 하며, 수로의 모든 단면에서 수리학적 특성이 다를 때, 이 흐름을 부등류라고 한다. 일반적으로 등류는 수로의 단면과 경사가 일정한 긴수로에서 볼 수 있으며, 부등류는 단면형이나 경사가 변하는 수로, 하구에서 수리학적 특성이 외적인 조건으로 정해지는 경우와 같이 가속류 또는 배수(backwater)가 발생할 때 볼 수 있다.

 개수로의 수리학에서 취급되는 등류의 형식으로서 수로의 모든 구간에 있어서 수리학적 특성이 시간에 따라 변화하느냐, 변화하지 않느냐에 따라 정상등류(steady uniform flow)와 비정상등류(unsteady uniform flow)로 구분된다. 그러나 비정상등류는 수면이 수로면과 평행을 하면서 시간에 따라 변화할 때 일어나는 것으로서, 이것은 실제로 불가능한 상태이다 따라서 앞으로 사용되는 등류라는 용어는 정상등류를 의미한다. 또한 수리특성이 수로구간에 따라서 변할 때 이 흐름을 변화류(varied flow)라 한다. 이 흐름은 정상류 또는 비정상류로 나타날 수 있으나, 비정상등류의 발생은 아주 드문 경우이므로 변화류라는 용어는 비정상변화류(unsteady varied flow)를 의미한다.

 변화류는 다시 급변류(rapidly varied flow)와 점변류(gradually varied flow)로 구분할 수 있으며, 비교적 수로의 짧은 구간에서 수심이 변화하는 국부적인 현상은 급변류의 대표적인 형태이고, 이와 반대로 수심의 변화가 수로의 긴 구간에서 걸쳐서 발생하는 형태를 점변류라 한다.

 일반적으로 급변류는 국부적인 현상인 도수(hydraulic jump)와 단락(hydraulic drop)이 있으며, 점변류는 배수곡적(back water curve)과 저하곡선(drop down curve)을 들 수 있다.

 

 3) 층류와 난류

 흐름의 상태를 점성효과와 중력효과의 관점에서 살펴보면 흐름의 상태나 거동은 기본적으로 관성력(inertia force)과 점성력(viscous force)의 관계 및 관성력과 중력(gravity force)의 관계에 따라 달라진다. 관성에 대한 점성의 효과는 Reynols수로 표시된다. 이들의 상대적인 효과에 의하여 흐름의 상태가 거동의 특성이 지배되며, 점성의 효과에 따라 층류(laminar flow)와 난류(trubulent flow)로 구분할 수 있다.

 점성력이 관성력에 비하여 강하게 되면 흐름의 상태는 층류(laminar flow)이며, 이때는 물입자의 이동이 직선운동을 하게 된다. 그러나 점성력이 관성력에 비하여 약하면 그 흐름의 상태는 난류(turbulent flow)가 되며, 이때는 물 입자의 이동이 불규칙한 경로를 가지게 된다. 그리고 층류와 난류의 흐름의 사이인 중간층에서는 천이상태인 천이류(transitional flow)가 된다.

 

 4) 상류와 사류

 중력의 효과에 따라 상류와 사류로 각각 구분할 수 있다. 흐름의 상태에 미치는 중력의 효과는 중력에 대한 관성력의 비로써 표시되며, 이 비를 Froude수 라고 한다. 중력이 관성력에 비하여 클 때는 흐름이 중력에 지배되어 흐름은 느리게 되며, 이 때의 흐름을 상류(subcritial flow)라 한다. 그러나 중력이 관성력에 비하여 작을 때는 흐름에 있어서 관성력이 우세하게 되어 흐름이 빠르게 되며, 이때의 흐름을 사류(supercritial flow)라 한다. 그리고 흐름이 상류에서 사류로 바뀔 때, 즉 중력과 관성력이 같은 경우를 한계상태라 하고 이 흐름을 한계류(critical flow)라 한다.