흐름의 분류

개수로 내의 흐름은 여러 가지 기준에 의해 다양하게 분류할 수 있다.

그러나 수심을 포함하는 흐름특성의 시간적 및 공간적 변화양상에 따라 대략 다음과 같이 분류할 수 있다.

정상류와 부정류

정상류(Steady flow): 개수로 내 흐름의 수심이 시간에 따라 변하지 않고 일정한 흐름

부정류 또는 비정상류(Unsteady flow): 시간에 따라 시시각각으로 변하는 흐름

tip

많은 경우에 개수로 내 흐름문제는 정상류 조건 하에서 풀이를 진행하게 된다.

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그러나 홍수류에서와 같이 흐름의 특성이 시간에 따라 급격하게 변화할 경우에는 부정류의 이론에 의거 해석되어야 하며, 개수로에 설치되는 각종 통제구조물(Control structure)의 경우는 이에 속한다.

정상류

개수로 내 흐름이 정상류일 경우 흐름의 질량보존법칙을 설명해주는 연속방정식(Continuity equation)은 다음과 같이 표시된다.

$Q = AV$

여기서 $Q$는 개수로의 임의 단면에서의 유량이며, $V$는 단면에서의 평균유속이고, $A$는 흐름방향에 수직인 흐름단면의 면적이다.

대부분의 정상류 문제에서 유량은 어떤 구간 내에서 일정하다고 가정되며, 따라서 흐름의 연속성이 성립하므로, 다음과 같다.

$Q = A_{1}V_{1} = A_{2}V_{2} = A_{3}V_{3} = \cdots$

부정류

만약 고려중인 개수로 구간 내로 추가적인 흐름이 유입하거나 유출될 경우에는 위에서 살펴본 식이 성립하지 않으며, 이러한 흐름은 공간적 변화류(Spatially varied flow)로서 불연속적 흐름에 속한다.

개수로 내 부정류의 연속방정식은 흐름 자체의 특성이 시간에 따라 변하므로, 평균유속과 단면적이 시간의 함수가 된다.

따라서 연속방정식은 시간에 따른 평균유속과 수심의 변화를 나타내는 항으로 구성되는 미분방정식으로 표시된다.

등류와 부등류

개수로 내 흐름의 수심이 수로구간 내의 모든 단면에서 동일할 경우, 즉 공간적으로 변하지 않을 경우 그 흐름을 등류(Uniform flow)라 한다. 개수로 내 등류는 수심이 시간에 따라 변하는지 혹은 변하지 않는지의 여부에 따라 정상류일 수도 있고 부정류일 수도 있겠다.

등류

정상등류(Steady uniform flow)는 수심이 공간적으로 뿐만 아니라 시간적으로도 변하지 않는 흐름으로서 개수로 내 흐름 중 가장 간단하면서도 실질적인 흐름이다.

부정등류(Unsteady uniform flow)는 흐름의 수심이 공간적으로는 변하지 않으나 시간적으로 변하는 흐름으로서 이론적으로는 가능하나 자연계에서는 존재하지 않는 흐름이다. 따라서 등류라 하면 정상등류를 의미하게 된다.

부등류

개수로 내의 부등류(Varied flow 또는 Non-uniform flow)란 흐름의 수심이 공간적으로 변하는 흐름으로서 정상류일 수도 있고 부정류일 수도 있다.

부정등류는 자연계에 존재할 수 없으므로 부정류라 하면 자연히 부정부등류(Unsteady varied 혹은 Unsteady non-uniform flow)를 의미하며 홍수파라든지 고조파 등이 이에 속한다.