Hydraulic Boundary Conditions

하천이나 강의 도달 범위(river reach)를 수치로 모델링하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 주요 과제 중 하나는 실제 모델에 적합한 수력 경계 조건(Hydraulic Boundary Conditions)을 정의하는 방법입니다. CFD 엔지니어들이 실무에 적용하는 일반적인 방법은 선택한 단면의 강에서 유체 높이 및 체적 유량 또는 배출량과 관련된 등급 곡선을 사용합니다. 이러한 데이터를 FLOW-3D에서 사용자에게 제공하기 위해 최근에 새로운 평가 곡선 경계 조건이 개발되었습니다. 이 조건의 추가로 이제 CFD분야 중 강이나 하천 관련 업무를 수행하는 엔지니어는 관심있는 여러 유형의 흐름을 보다 쉽게 ​​모델링 할 수 있습니다. 예를 들면 다음과 같습니다.

  • 수력 구조물 설계를위한 홍수 웨이브 시뮬레이션 (3D 모델)
  • 강 유역 또는 전체 유역의 홍수 시뮬레이션 (2D 얕은 물)
  • “순수 방전”조건은 게이지 데이터를 사용할 수 없고 체적 유량(시간에 따라 달라짐) 만 알려진 경계 조건 설정으로 가능합니다.

새로운 경계 조건은 유동 개발을 위한 추가 모델링 공간이 필요하지 않으므로 입구 경계에서 속도 프로파일이 필요한 다른 응용 분야에  유용합니다.

The Rating-Curve Boundary Condition

등급 곡선은 유체 상승과 강의 방류 흐름과 관련된 단면 하천 특성입니다. 등급-곡선 경계 조건을 사용하면 입구 및 출구 경계 유형 모두에 대한 등급 곡선을 지정할 수 있습니다. 등급 곡선 조건은 시간 의존적인 “볼륨 유량” 경계 조건과 함께 정의할 수 있습니다. 따라서 시간에 의존하는 유체 표고 데이터를 수동으로 입력할 필요가 없으므로 홍수 파동 시나리오를 보다 편리하게 모델링할 수 있습니다. 유출구에 등급 곡선 BC를 사용하면 유출구에 시간 의존적인 압력을 더 이상 지정할 필요가 없습니다. 등급 곡선은 항상 경계에 통합된 시뮬레이션된 볼륨 유량에 해당하는 유체 고도를 제공합니다. 이를 통해 사용자는 자유 표면 표고에 대한 파동 변형 관련 출구 경계 조건을 가질 수 있습니다.

FLOW-3D 는 500 개 이상의 데이터 포인트가 입력 정보로 지정된 외부 파일을 읽을 수 있습니다. 이를 통해 임의의 하천 프로파일에 대해 매우 정확한 레이팅 커브를 입력 할 수 있습니다.

이 비디오는 홍수파 시뮬레이션의 예를 보여줍니다. 입구 경계 조건에는 사고 홍수 파와 관련된 초임계 흐름을 생성하는 등급 곡선이 있습니다. 출구에는 하위 임계 흐름에 대한 등급 곡선 경계 조건이 있습니다. 이러한 경계 조건의 조합은 시간 의존적인 홍수파와 함께 모델링된 도메인에서 유압 점프를 형성합니다. 네 개의 차트는 변화하는 볼륨 유량에 해당하는 경계에서 유체 표고의 변화를 보여 줍니다.

The Volume Flow Rate Boundary Condition

하천의 유속만 입구 경계에서 알 수 있고, 유체 수위정보에 대한 정보를 사용할 수 없는 경우 새로운 경계 유형인 유출만이 유입구에 대해 선택 될 수 있습니다. 그런 다음 FLOW-3D 는 입구 경계 영역에 인접한 영역의 유동 상황에 따라 유체 표고를 설정합니다. 사용자가 제공해야하는 유일한 입력은 볼륨 배출 속도 (시간에 따라 다름)에 따라 최소 유체 상승입니다. 최소 유체 표고는 예를 들어 유동이 아 임계에서 초 임계 정으로 변경되는 것을 방지하는 방법으로 사용됩니다.

이 비디오는 유입구 경계가 하위 임계 볼륨 유량으로 변경되었다는 점을 제외하고 이전 비디오와 동일한 설정을 보여 줍니다. 유입구가 더 이상 초임계 흐름을 강제하지 않기 때문에 모델링된 도메인은 전체에서 하위임계 흐름 상태를 유지합니다.

The Inlet Profile Boundary Condition / 입구 단면 경계 조건

새로 구현된 모든 경계 조건에는 경계 조건 면에 걸쳐 균일한 속도 프로파일이 있습니다. “프로파일 개발 길이”를 줄이는 것이 세 번째 유형의 유압 경계 조건인 유입구 프로파일의 목표입니다. 자연 유입구의 경우 FLOW-3D는 경계에 있는 수심을 도메인 내부의 인접 메쉬 셀과 동일하게 자동 설정합니다. 이렇게 하면 입구 경계 부근의 수위 상승이 방지되고, 물 표면이 영역 내에서 상승할 때 입구의 수면이 상승할 수 있습니다(또는 그 반대).

직사각형 flume에서 완전히 발달된 흐름의 횡단면도