Scouring

쌍둥이 말뚝 주변 유동장에 대한 3차원 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각이나 말뚝(pile) 주위에서 발생하는 국부적인 세굴(scour)은 구조물의 안정성에 중요한 영향을 미친다.
  • 연구 목적: FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 두 개의 말뚝(쌍둥이 말뚝) 주위의 유동 패턴과 세굴 메커니즘을 수치적으로 시뮬레이션하고, 실험 데이터를 활용하여 검증하는 것이다.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 난류 모델
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 RNG k-ε 난류 모델을 기반으로 유동 해석 수행.
    • 말뚝의 배치: 병렬(side-by-side) 배치 및 직렬(tandem) 배치 두 가지를 고려.
    • 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
  2. 계산 영역 및 격자(Grid) 설정
    • 비균일(non-uniform) 격자 분포를 사용하여 말뚝 주변의 유동을 정밀하게 모델링.
    • 최소 격자 크기: 0.009 m, 최대 격자 크기: 0.039 m.
    • 메쉬 개수: x 방향 400개, y 방향 110개, z 방향 40개.
  3. 경계 조건
    • 유입 속도 및 압력을 각각 입출력 경계 조건으로 설정.
    • 상류에서 개발된 유동을 프로파일로 생성하여 말뚝이 존재하는 구역의 유입 경계 조건으로 적용.

주요 결과

  1. 유동 패턴 분석
    • 병렬 배치(Side-by-side):
      • 말뚝 사이에서 제트(Jet) 유동이 발생하며 비대칭적인 흐름 형성.
      • 배치 간격이 증가할수록 후류(Vortex shedding) 현상이 뚜렷해짐.
    • 직렬 배치(Tandem):
      • 앞쪽 말뚝이 후방 말뚝을 보호하는 Sheltering 효과 발생.
      • Reynolds 수와 배치 간격(S/d)에 따라 와류 형성 패턴이 변화.
      • 후류에서 강한 난류 구조가 나타나며, Wake Vortex가 형성됨.
  2. 실험과의 비교
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 전반적으로 유동 패턴이 잘 일치함.
    • 그러나 말뚝 사이의 복잡한 유동장에서는 일부 차이가 발생하여 추가적인 모델 보정이 필요함.
  3. Reynolds 수와 배치 간격의 영향
    • 말뚝 간 간격(S/d)이 증가할수록 앞쪽 말뚝의 보호 효과가 감소하고, 후방 말뚝 주변에서 강한 와류가 형성됨.
    • 낮은 Reynolds 수에서는 단일 말뚝과 유사한 흐름 패턴을 보이나, 높은 Reynolds 수에서는 와류가 더욱 강하게 나타남.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D를 활용한 3D 유동 시뮬레이션은 말뚝 주변 유동 패턴과 세굴 메커니즘을 효과적으로 분석할 수 있음을 확인함.
  • 실험 데이터와 전반적으로 높은 일치도를 보였으나, 말뚝 사이의 복잡한 유동장에서 추가적인 모델 개선이 필요함.
  • 향후 연구에서는 더 다양한 Reynolds 수와 배치 조건을 고려한 추가 실험 및 난류 모델 비교 분석이 필요함.

연구의 의의

이 연구는 교량 기초 및 해양 구조물 설계에서 말뚝 주변의 유동과 세굴 예측을 정밀하게 분석할 수 있는 CFD 기반 접근법을 제시하였으며, 향후 말뚝 배치 최적화 및 구조물 안전성 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.

Reference

  1. Akilli AA, Karakus C (2004) Flow characteristics of circular cylinders arranged side-by- side in shallow water. Flow Meas Instrum 15(4):187–189
  2. Amini A, Mohammad TM (2017) Local scour prediction in complex pier. Mar Georesour Geotechnol 35(6):857–864
  3. Amini A, Melville B, Thamer M, Halim G (2012) Clearwater local scour around pile groups in shallow-water flow. J Hydraul Eng (ASCE) 138(2):177–185
  4. Amini A, Mohd TA, Ghazali H, Bujang H, Azlan A (2011) A local scour prediction method for pile cap in complex piers. ICE-water Manag. 164(2):73–80
  5. Aslani A (2008) Experimental evaluation of flow pattern around double piles. MSc thesis, Sharif University, Tehran Gu ZF, Sun TF (1999) On interference between two circular cylinders in staged arrangement at high sub-critical Reynolds numbers. J Wind Eng Ind Aerodyn 80:287–309
  6. Hang-Wook P, Hyun P, Yang-Ki C (2014) Evaluation of the applicability of pier local scour formulae using laboratory and field data. Mar Georesour Geotechnol. https://doi.org/10.1080/1064119X.2014.954658
  7. Hannah CR (1978) Scour at pile groups. Research Rep. No. 78-3, Civil Engineering, Univ. of Canterbury, Christchurch Hosseini R, Amini A (2015) Scour depth estimation methods around pile groups. J Civ Eng KSCE 19(7):2144–2156
  8. Lanca R, Fael C, Maia R, Peˆgo J, Cardoso A (2013) Clear-water scour at pile groups. J Hydraul Eng. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000770
  9. Mohamed HI (2013) Numerical simulation of flow and local scour at two submerged-emergent tandem cylindrical piers. J Eng Sci 41(1):1–19
  10. Palau-Salvador G, Stoesser T, Rodi W (2008) LES of the flow around two cylinders in tandem. J Fluids Struct 24(8):1304–1312
  11. Papaionannou GV, Yuea DKP, Triantafylloua MS, Karniadakis GE(2008) On the effect of spacing on the vortex-induced vibrations of tandem cylinders. J Fluids Struct 24:833–854
  12. Price SJ, Paidoussis MP (1989) The flow induced response of a single flexible cylinder in an in-line array of rigid cylinder. J Fluid Struct 3:61–82
  13. Raudkivi AJ (1998) Loose boundary hydraulics. A. A. Balkema, Rotterdam, pp 8–28. https://doi.org/10.1080/02508069608686502
  14. Salim MS, Cheah SC (2009) Wall y + strategy for dealing with wallbounded turbulent flows. In: Proceedings of the international multiconference of engineers and computer scientists, vol II, IMECS, Hong Kong
  15. Shin JH, Park HI (2010) Neural network formula for local scour at piers using field data. Mar Georesour Geotechnol 28(1):37–48 Sicilian JM, Hirt CW, Harper RP (1987) FLOW-3D. Computational modeling power for scientists and engineers. Report FSI-87-00- 1. Flow Science. Los Alamos, NM
  16. Solaimani N, Amini A, Banejad H, Taheri P (2017) The effect of pile spacing and arrangement on bed formation and scour hole dimensions in pile groups. Int J River Basin Manag 15(2):219–225
  17. Sumer BM, Fredsøe J (2002) The mechanics of scour in the marine environment. World Scientific, Farrer Road, Singapore
  18. Sumer B, Chua L, Cheng N, Fredsøe J (2003) Influence of turbulence on bed load sediment transport. J Hydraul Eng. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:8(585)
  19. Sun TF, Gu ZF, He DX, Zhang LL (1992) Fluctuating pressure on two circular cylinder at high Reynolds number. J Wind Eng Ind Aero. 42:577–588
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