FLOW Vector

FLOW-3D 모형을 이용한 어도(Fishway) Pool 내 흐름 해석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 어도(Fishway)는 댐이나 하천에 설치되어 어류가 상류로 이동할 수 있도록 돕는 수리구조물이다. 하지만 기존 어도의 설계는 어류의 생태적 특성과 물리적 환경을 충분히 반영하지 못해 기능이 미흡한 경우가 많았다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D CFD 모델을 활용하여 어도 내 Pool(휴식 공간)의 유동 특성을 분석.
    • 어류의 소상(Migration) 환경을 최적화하기 위해 월류 수심(Overflow Depth)과 유속 분포를 평가.
    • 군남홍수조절지를 대상으로 어도의 설계 조건을 검증하고 최적화 방안을 제시.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 3차원 CFD 해석 수행.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 정확히 모델링.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름을 해석.
    • 격자 설정:
      • 계산 영역은 4m × 4m 크기, 격자는 200 × 120 × 30 (총 720,000개) 사용.
      • 격자 간격은 x 방향 0.18m, y 방향 0.14m ~ 0.88m, z 방향 0.07m.
  2. 어도 설계 및 실험 조건
    • 대상지: 군남홍수조절지 내 Pool식 어도.
    • 수치 모델 검증:
      • 기존 잠실수중보 어도의 최적 월류 수심인 10 cm를 적용.
      • 초기 조건:
        • 풀 내 물의 흐름이 정지된 상태에서 격벽 상단부의 월류를 시작으로 계산.
        • 물의 물리적 성질:
          • 온도 20℃, 밀도 1,000 kg/m³, 동점성계수 1.005 × 10⁻⁶ m²/s, 중력가속도 9.81 m/s², 조도계수 0.05.
  3. 분석 항목
    • 유속 및 유동 패턴:
      • Pool 내 유입어도 노치(Notch)와 잠공(Orifice) 부분에서의 최대 유속 분석.
      • 순환류 발생 여부 및 유속의 범위 평가.
    • 월류 수심 변화에 따른 영향:
      • 월류 수심 10 cm를 기준으로, 유입 유속 증가 시 어류의 소상 환경 변화를 분석.

주요 결과

  1. 유속 및 순환류 분석
    • 월류 수심이 10 cm인 경우:
      • Pool 내 최대 유속 0.4 m/s 이하 유지.
      • 국부적 집중 유속에 의해 순환류 발생.
      • 유속의 최대 범위 0.15 m/s를 넘지 않음.
      • 이는 어류의 중간 휴식처로서 적절한 환경을 제공.
  2. 월류 수심 증가 시 어류 소상 환경 변화
    • 월류 수심이 10 cm를 초과할 경우:
      • 풀 내 유입 유속 증가로 어류의 소상 환경이 불량해질 것으로 예상.
      • 특히 어류의 돌진 속도를 초과하는 유속 발생 시 이동 어려움이 발생할 수 있음.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • 정상 상태 도달 시간을 운동에너지가 일정하게 유지되는 시점으로 간주하여 효율적인 해석을 수행.
    • 모델 결과와 기존 연구 비교:
      • 기존 잠실수중보 어도의 최적 수심 결과와 일치.
      • 어류 이동을 위한 안전하고 안정적인 유속 분포를 확보.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D를 활용한 어도 내 유동 해석이 실질적인 어류 소상 환경 평가에 유용함을 입증.
    • 월류 수심 10 cm를 유지할 때 어류의 휴식처로 최적의 환경을 제공할 수 있음.
    • 월류 수심이 증가할 경우 유입 유속이 증가하여 어류 이동에 부정적인 영향을 미칠 수 있음.
    • 격벽부의 월류 수심을 10 cm로 유지하여 어류의 소상 환경을 최적화할 필요가 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 어류의 종류 및 크기에 따른 최적 유속 및 수심 조건 추가 검토.
    • 다양한 난류 모델(예: LES, k-ω 모델) 적용 및 비교.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 어도 내 유동 예측 모델 개발.
    • 계절 및 유량 변화에 따른 어도 설계 최적화 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 어도 내 유동 특성을 정량적으로 평가하고, 어류 소상 환경을 최적화할 수 있는 설계 지침을 제시하며, 자연 생태계 보전 및 수산자원 보호에 기여할 수 있다​.

Reference

  1. 김혜성, 윤용진, 이동훈, 이은태(2007).어도 및 유인수로의 공간적 배치와 흐름 한국수자원학회 학술 발표회논문집 ,한국수자원학회 , pp. 602-606.
  2. 이진원, 강창수, 이삼희(2000). 혼합형 어도 개발 및 FLUENT 수치모형에 의한 적정성 검토 한국수
    자원학회 학술발표회논문집 한국수자원학회 , pp. 667-672.
  3. 한국수자원학회 (2005). 댐설계기준, 한국수자원학회 .
Analysis of Flow in the Pool of Fishway Using FLOW-3D ModelDownload