Skew bridge flow modelling (a) Plan view of experimental set up of DECKP, (b) 3D plan view of DECKP from Flow 3D

비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름의 3D 수치 모델링

3D Numerical Modelling of Flow Around Skewed Bridge Crossing

(“비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름의 3D 수치 모델링”)

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 비스듬한(스큐) 교량 횡단부 주변의 수면 흐름을 시뮬레이션하고 실험 데이터와 비교하여 모델의 성능을 평가함.
  • 실험실 규모에서 다양한 스큐 각도(30°, 45°)를 적용하여 수면 프로파일 변화를 분석함.
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 기반으로 한 FLOW-3D의 수치 해석 결과와 실험 데이터를 비교하여 정확도를 검증함.
  • 교량 설계 및 홍수 관리에 있어 3D 수치 모델의 활용 가능성을 탐구함.

연구 방법

  1. 실험 모델 설정
    • 영국 버밍엄 대학교 수리 실험실에서 다양한 교량 구조(아치형, 평면형 등)를 대상으로 실험 수행함.
    • 22m 길이, 1.213m 너비, 0.4m 깊이의 복합 수로(compound channel)에서 교량 흐름 실험을 진행함.
    • 실험 데이터는 기존 연구에서 활용된 1D 및 2D 모델과 비교 검증함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • FAVOR(유체 부피 기법)를 적용하여 교량 구조를 모델링함.
    • 난류 모델로 k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 사용하여 수치 해석 진행함.
    • 메쉬 독립성 연구를 수행하여 최적의 격자 크기를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험실에서 측정한 자유표면 프로파일과 FLOW-3D 결과를 비교하여 모델 신뢰도를 평가함.
    • 다양한 흐름 조건(유량 변화, 교량 구조 차이 등)에 따른 모델 성능을 분석함.
    • 실험값과 계산값 간 오차를 정량적으로 분석하고, 오차의 주요 원인을 규명함.
  4. 추가 분석
    • 1D, 2D, 3D 모델 간 비교를 수행하여 모델별 장단점을 평가함.
    • 실험 데이터와 수치 모델의 차이를 최소화하기 위한 보정 기법을 검토함.

주요 결과

  1. 수면 프로파일 비교
    • FLOW-3D 시뮬레이션은 실험 데이터와 유사한 수면 프로파일을 재현함.
    • 30°와 45° 스큐 각도에서 측정된 최대 백워터(afflux) 값이 유사하게 나타남.
    • 교량 형상 및 흐름 조건 변화에 따른 수면 변화 패턴을 정확히 예측함.
  2. 스큐 각도와 유량의 영향
    • 스큐 각도가 증가할수록 백워터 높이가 증가함.
    • 유량 증가 시 백워터 영향이 커지며, 45° 각도에서는 30°보다 평균 7~23% 높은 백워터 발생함.
    • 난류 특성이 강한 구간에서는 수치 모델이 일부 오차를 보임.
  3. FLOW-3D의 정확성 평가
    • 실험값과 모델 예측값의 평균 오차율은 30°에서 3.5%, 45°에서 2.2%로 나타남.
    • 실험실 조건에서는 모델이 비교적 정확한 결과를 제공하나, 자연 하천 환경에서 추가 검증이 필요함.
    • 메쉬 해상도와 난류 모델의 선택이 결과에 중요한 영향을 미침.
  4. 설계 및 적용성 평가
    • FLOW-3D는 복잡한 교량 주변 흐름 해석에 유용한 도구임.
    • 3D 모델을 활용하면 1D, 2D 모델보다 높은 정확도로 수면 변화를 예측할 수 있음.
    • 향후 연구에서는 침식 및 고유 유량 변화를 포함한 실험 검증이 필요함.

결론

  • FLOW-3D는 비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있음.
  • 스큐 각도가 증가할수록 백워터가 증가하는 경향이 확인됨.
  • 수치 모델과 실험 데이터 간 평균 오차는 3.5%~2.2% 범위로 나타남.
  • 향후 연구에서는 더 높은 난류 해상도 및 자연 하천 환경에서 추가적인 검증이 필요함.

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