FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 직사각형 침전지(Rectangular Sedimentation Tank) 치수가 수리 효율(Hydraulic Efficiency)에 미치는 영향에 대한 수치적 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의: 침전지(Settling Basin)는 수처리 및 폐수 처리 공정에서 입자 침전(Sediment Separation)을 위해 중요한 역할을 한다.
침전지의 효율을 높이기 위해서는 원활하고 균일한 흐름을 유지하고, 순환 영역(Circulation Zone)을 최소화해야 한다.
기존 설계 방법은 경험적 공식에 의존하여 유체의 역학적 세부 사항을 충분히 고려하지 못하는 한계가 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 직사각형 침전지의 치수(Length/Width 및 Length/Depth 비율)가 흐름 패턴과 수리 효율에 미치는 영향을 분석.
침전지의 순환 영역 감소 및 침전 효율 최적화를 목표로 함.
L/W(길이/너비) 및 L/d(길이/깊이) 비율 변화를 통한 최적의 침전지 설계 조건 도출.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
FLOW-3D 소프트웨어의 VOF(Volume of Fluid) 기법 및 FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 지형 모델링.
k-ε 난류 모델을 사용하여 유동 패턴을 시뮬레이션.
침전지 설계:
입구(Inlet) 및 출구(Outlet) 위치와 부피는 모든 시나리오에서 동일하게 유지.
직사각형 침전지의 L/W 비율: 1, 2, 4, 8 (Case 1~4)
L/d 비율: 5, 7, 10 (Case 5, 3, 6)
모델 검증:
Shahrokhi et al. 실험 데이터와 비교하여 수치 모델의 신뢰성 평가.
침전지 치수 시나리오
L/W 비율 시나리오:
길이 증가와 너비 감소를 동시에 적용하여 순환 영역의 부피 변화 분석.
Case 1(정사각형, L/W = 1)부터 Case 4(L/W = 8)까지 비교.
L/d 비율 시나리오:
깊이 감소와 함께 길이 고정(2 m) 조건에서 순환 영역 및 에너지 분포 분석.
Case 5(L/d = 5), Case 3(L/d = 7), Case 6(L/d = 10) 비교.
주요 결과
L/W 비율 변화에 따른 영향
순환 영역 부피 감소 효과:
L/W 비율 증가 시, 순환 영역 부피가 53% → 22%로 감소.
정사각형 탱크(L/W = 1)에서 순환 영역 부피는 53%, L/W = 8에서는 22%로 감소.
유속 및 에너지 분포 변화:
최대 운동 에너지(red zone)가 80% → 30%로 감소.
이는 입자 침전 효율을 크게 개선함을 의미.
L/d 비율 변화에 따른 영향
순환 영역 감소 효과:
L/d 비율 증가(5 → 10) 시, 순환 영역 부피 54% → 16%로 감소.
깊이 감소(0.4m → 0.2m) 시, 순환 영역 감소 및 유속 균일화 효과 발생.
운동 에너지 분포 개선:
최대 운동 에너지 영역 길이가 1.5m → 0.9m로 감소.
이는 침전지 바닥에 부드럽고 균일한 흐름을 형성하여 침전 효율을 향상시킴.
모델 검증 결과
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 일치도 확인.
속도 프로파일의 평균 제곱근 오차(RMSE)가 x 방향 0.11, 0.07, 0.08, z 방향 0.13, 0.10, 0.19로 분석됨.
이는 유동 패턴 예측 정확도가 높음을 의미.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D를 활용한 침전지 설계 최적화 가능성 입증.
L/W 비율이 4 이상, L/d 비율이 7 이상일 때 최적의 침전 효율을 제공.
순환 영역 부피를 감소시켜 입자 침전 성능을 개선할 수 있음.
최적화된 설계는 건설 및 유지보수 비용 절감에도 기여할 수 있음.
향후 연구 방향:
다양한 형태의 침전지(L자형 등)를 대상으로 L/W 및 L/d 비율에 따른 추가 연구 필요.
다양한 유동 조건 및 입자 특성을 고려한 수치 모델 고도화.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 침전지 성능 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D 소프트웨어를 통해 직사각형 침전지의 치수 최적화를 위한 설계 가이드라인을 제공하며, 수처리 및 폐수 처리 공정의 효율을 극대화할 수 있는 실질적인 데이터와 설계 기준을 제시한다.
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이 소개자료는 “Numerical Model for a Nineteenth-Century Hydrometric Module”논문의 소개자료임.
연구 목적
본 연구는 19세기에 건설된 수량 측정 모듈의 작동을 연구하고, 수치 모델을 통해 원래의 유량 조절 목표를 충족했는지 여부를 확인하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어를 사용하여 수량 측정 모듈의 수치 모델을 생성하였음.
19세기 수량 측정 모듈의 기하학적 형상 및 관련 유압 시스템을 모델에 반영하였음.
모듈의 동적 거동(과도 상태)을 재현하기 위한 시뮬레이션을 수행하였음.
모델 검증
실제 실험 측정값이 부족하기 때문에 문헌의 해석적 모델과 비교하여 수치 모델을 검증하였음.
모델이 수량 측정 모듈의 유량 조절 기능을 정확하게 예측하는지 평가하였음.
모델의 정확성을 확인하고 신뢰성을 확보하였음.
주요 결과:
흐름 특성 분석
수량 측정 모듈 내부의 흐름 속도, 수위 변화 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
모듈의 자동화 시스템 작동 시 유량 조절 과정을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
설계 유량 조건에서 모듈의 유압적 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
수량 측정 모듈의 구조가 흐름 특성 및 유량 조절에 미치는 영향을 평가하였음.
19세기 자동화 시스템이 설정된 유량을 유지하는 능력을 분석하였음.
수치 모의실험 결과를 통해 역사적인 수량 측정 구조물의 작동 원리를 규명하였음.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수치 모델은 역사적인 수량 측정 모듈의 동적 거동을 성공적으로 재현하였음.
19세기 자동화 시스템이 요구되는 유량 제한 값을 정확하게 유지하며 작동했음을 확인하였음.
수치 모델은 수리 공학 분야의 역사적 연구를 위한 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
Fig. 2. Plan view of the project of the hydrometric module. (Adapted with permission from J. de Castro, unpublished data, 1863, CDAHCF Archives, Parc de la Sèquia, Manresa, Spain.)Fig. 7. Right-side view of model geometry.Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.
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Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater.
In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
이 소개자료는 “2023, Water Supply”에서 발표된 “Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D” 논문에 대한 소개자료입니다.
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 보의 감세지의 개조 전후 수리학적 성능을 조사하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 개조 전후의 감세지에서 자유 표면, 수심, 프루드 수, 롤러 길이, 유속, 도수 효율, 난류 운동 에너지와 같은 수리학적 매개변수를 시뮬레이션하고 비교 분석하였음.
개조 전 감세지에는 방해벽과 마찰 블록이 있었고, 개조 후에는 슈트 블록과 톱니 모양의 여울로 대체되었음.
문헌 결과와의 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하였음.
모델 검증
FLOW-3D 모델을 사용하여 개조 전후 감세지의 수리학적 특성을 분석하고, 문헌 결과와 비교하였음.
감세지에서 발생하는 도수 현상의 특성을 파악하고, 개조가 도수에 미치는 영향을 평가하였음.
다양한 수리학적 매개변수를 비교 분석하여 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과:
흐름 특성 분석
개조 전후 감세지에서의 자유 표면, 수심, 유속 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
도수 현상의 길이, 높이, 에너지 손실 등을 비교 분석하여 개조의 영향을 평가하였음.
난류 강도 및 롤러 특성을 분석하여 감세지 성능 변화를 파악하였음.
구조물 영향 평가
감세지의 크기 및 기하학적 형상이 수리학적 성능에 미치는 영향을 평가하였음.
개조 전후 감세지의 수리학적 매개변수를 비교하여 개조가 성능에 미치는 영향을 분석하였음.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 감세지의 설계 및 운영 최적화 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수치 모델링은 보 감세지의 수리학적 성능을 분석하고 개조 효과를 평가하는 데 유용한 도구임이 확인되었음.
개조 전 감세지의 결과가 문헌 결과에 더 가까웠으며, 개조 후 감세지의 결과는 문헌 결과에서 벗어나는 경향을 보였음.
본 연구 결과는 감세지 설계 및 개조 시 수리학적 성능 변화를 예측하고 최적의 설계 방안을 도출하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
Figure 2 | 3D representation of stilling basins: (a) modified USBR-III (1958–2004) and (b) USBR-II with dentated sill (2008–2022).
Figure 4 | Geometries resolution by the FAVOR method: (a) old stilling basin (1958–2004) and (b) new stilling basin (2008–2022).
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater.
In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
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본 소개자료는 2021, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 920 012036에 발표된 A hydrodynamic model of an embankment breaching due to overtopping flow using FLOW-3D 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 제방 월류로 인한 제방 파괴의 수력학적 모델을 개발하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 제방 월류로 인한 파괴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
제방의 기하학적 형상 및 재료 특성을 모델에 반영하였음.
월류 흐름 조건 및 하류 수위를 설정하여 모의실험을 수행하였음.
모델 검증
개발된 수력학적 모델의 결과를 기존의 실험 연구 또는 실제 제방 파괴 사례와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
파괴 시간, 파괴 형상, 유출 수문곡선 등 주요 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
다양한 시나리오에 대한 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 확인하였을 것으로 예상됨.
주요 결과:
흐름 특성 분석
제방 월류 시 발생하는 흐름의 속도, 수심, 압력 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
제방 표면에서의 전단 응력 분포를 파악하여 침식 가능성이 높은 영역을 확인하였을 것으로 예상됨.
파괴 진행 과정에 따른 흐름 특성의 변화를 시뮬레이션을 통해 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
제방의 재료적 특성 및 기하학적 형상이 파괴 과정에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
월류 수위 및 지속 시간이 파괴 규모 및 시간에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 제방의 안정성 평가 및 보강 대책 마련에 필요한 정보를 제공하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수력학적 모델은 제방 월류로 인한 파괴 현상을 이해하고 예측하는 데 유용한 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
모델링 결과는 제방 설계, 운영 및 비상 대응 계획 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 제방 조건 및 파괴 시나리오에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Figure 2. Modelling setup; (a) Meshing size, (b) Boundary conditions, (c) Initial conditions, and (d) Flux setupFigure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
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이 소개 자료는 “Water Supply Vol 22 No 10″에 게재된 “Numerical simulation of pollution transport and hydrodynamic characteristics throughthe river confluence using FLOW 3D” 논문을 기반으로 작성되었습니다.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution
(gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
1. 연구 목적
주요 연구 질문:
본 연구는 하천망의 지류를 통해 유입되는 오염 물질의 농도와 본류와 지류 간의 수위 차이가 오염 물질 혼합에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 한다.
특히, 90도 각도로 합류하는 지류와 본류를 대상으로 오염 물질의 혼합과 확산, 그리고 그에 따른 수리학적 현상을 분석하고자 한다.
기존 연구의 한계:
기존의 합류점에서의 침식 및 퇴적 과정에 대한 연구는 많았으나, 오염 물질의 혼합 및 분포와 관련된 효과적인 매개 변수에 대한 정보는 여전히 부족하다.
따라서 본 연구는 오염 물질 혼합 및 분포에 대한 이해를 높이고, 오염 영향을 줄이기 위한 수위 조절 구조의 필요성을 강조하고자 한다.
2. 연구 방법
수치 모델링:
본 연구에서는 FLOW 3D 수치 모델을 사용하여 하천 합류점에서의 오염 물질 수송 및 수리학적 특성을 시뮬레이션하였다.
모델은 주류 7m, 폭 1m, 지류 길이 1.8m, 폭 1m, 높이 1m의 3차원 형상으로 설계되었으며, 합류점 부근에는 정확도를 높이기 위해 중첩 격자(nested mesh)를 사용하였다.
경계 조건:
주류와 지류의 상류에는 일정한 수압 조건(constant pressure)을 적용하였고, 주류 하류에는 자유 유출 조건(free outlet)을 설정하였다.
중첩 격자에는 다양한 방향으로부터의 경계 조건 유입을 고려하여 대칭 조건(symmetry boundary condition)을 적용하였다.
3. 주요 결과
수위 차이와 혼합:
지류와 본류 간의 수위 차이가 증가할수록 횡방향 혼합이 더 빠르게 일어나는 것을 확인하였다.
수위 차이가 없는 경우에는 혼합 곡선 추출 방법을 통해 횡방향 혼합이 완료되는 하천 길이를 파악하였다.
재순환 영역의 특징:
합류점의 재순환 영역에서 가장 높은 오염 물질 농도와 유속 벡터가 관찰되었으며, 2차 흐름이 발생하여 오염 물질을 일시적으로 가두는 현상을 확인하였다.
이 영역은 높은 전단 속도, 난류 에너지, 난류 강도를 가지며, 때로는 음의 회전 흐름으로 인해 낮은 종방향 유속을 나타냈다.
4. 결론
수위 조절의 중요성:
수위 차이는 지류에서 본류로 오염 물질이 유입되는 데 가장 중요한 요인이며, 본류의 오염 영향을 줄이기 위해 합류점에 수위 조절 구조를 설치하는 것이 필요하다.
본 연구에서 관찰된 합류점에서의 흐름 패턴과 영역들은 기존 연구와 일치했으며, 각 영역이 오염 물질 확산에 미치는 영향을 논의하였다.
향후 연구 방향:
재순환 영역에서 생성되는 와류는 오염 물질을 일시적으로 포획하고 농도를 증가시키는 데 효과적인 매개 변수이다.
지류에서 홍수 흐름이 발생하여 지류의 수위가 본류보다 높아지는 경우에만 합류점 상류에서 오염 농도 증가가 관찰되었다.
Figure 1 | Conceptual model of different flow pattern zones through the river confluence.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution
(gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
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FLOW-3D를 이용한 다양한 정수지(Stilling Basin)에서의 수력 도약(Hydraulic Jump) 수치적 연구
Graphical Abstract
연구 배경 및 목적
문제 정의
Taunsa Barrage(파키스탄)의 정수지는 기존의 USBR Type-III Basin을 개량한 형태로, 충격 바플(Impact Baffle)과 마찰 블록(Friction Block) 포함.
하지만 운영 초기부터 바플 블록이 뽑히는 문제 발생 → 기존 사각형 바플 블록이 흐름 재부착(Flow Reattachment)과 낮은 항력(Drag) 문제를 가짐.
기존 연구에서는 쐐기형(Wedge-Shaped) 분리 블록(Splitter Blocks)의 사용이 제한적이었으며, 이들의 수력 도약(HJ) 및 에너지 소산 성능이 충분히 검토되지 않음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 USBR Type-III 및 쐐기형 바플 블록을 적용한 정수지에서의 수력 도약 및 유동 특성을 비교 분석.
자유 수면 프로파일, 롤러 길이(Roller Length), 상대 에너지 손실(Relative Energy Loss), 유속 분포 및 난류 운동 에너지(TKE) 분석.
새로운 정수지 설계가 HJ를 안정화하고 에너지 소산 성능을 향상시키는지 평가.
연구 방법
FLOW-3D 모델링 및 실험 검증
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동장 해석 수행.
Taunsa Barrage의 USBR Type-III 및 개량된 쐐기형 바플 블록 정수지 모델을 구축하여 비교 실험.
수치 모델 설정
세 가지 정수지 유형 비교
Type-A: 기존 USBR Type-III 정수지
Type-B: 쐐기형 바플 블록 적용 정수지
Type-C: USBR 바플과 쐐기형 바플 블록을 혼합한 정수지
시험 조건
두 가지 유량 조건(44 m³/s, 88 m³/s)에서 실험 수행.
유입 Froude 수(Fr) 범위: 5.75까지 고려.
경계 조건: 유입부와 유출부는 압력(P), 벽면은 No-Slip 조건 적용.
주요 결과
자유 수면 프로파일 분석
Type-B 및 Type-C 정수지에서 수력 도약(HJ)이 더 짧고 안정적으로 형성됨.
유량 증가 시 HJ의 롤러 길이가 감소하는 경향을 보임.
Type-B 및 Type-C 정수지는 USBR Type-A보다 더 높은 상대 에너지 손실을 기록하여 효율적인 에너지 소산을 확인.
유속 및 난류 운동 에너지(TKE) 분석
Type-B 및 Type-C 정수지에서 난류 운동 에너지(TKE)가 빠르게 감소하여 난류 제어 효과가 우수함.
유속 분포 결과, Type-B 및 Type-C 정수지에서 바플 블록이 흐름을 효과적으로 분산시켜 유속 감소 효과를 제공.
전반적으로 Type-C(혼합형 정수지)가 가장 효과적인 유동 제어 및 에너지 소산을 제공함.
결론 및 향후 연구
결론
쐐기형 바플 블록을 포함한 Type-B 및 Type-C 정수지는 기존 USBR Type-III 모델보다 더 높은 에너지 소산 효과를 제공.
HJ 길이가 짧아지고, 전단 응력이 감소하여 침식 가능성이 줄어듦.
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션이 정수지 설계 최적화 및 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 및 더 정밀한 난류 모델을 적용하여 연구 정밀도를 향상.
보다 높은 유량(예: 100~500 m³/s)에서의 테스트 수행.
다양한 바플 블록 형상(예: 삼각형, 원형 등) 및 배열 최적화를 통한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 정수지 설계에서의 수력 도약(HJ) 및 에너지 소산 효과를 분석한 연구로, 기존 USBR Type-III 정수지의 문제점을 개선하고, 새로운 설계 방안을 제시함으로써 대형 수리 구조물의 안정성 향상 및 침식 저감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Figure 12 At 44 m3 s, 2D illustration of the velocity contour after the HJ and at basin’s end in the Type-A stilling basin (a and b), Type-B stilling basin (c and d), and Type-C stilling basin (e and f)
Figure 14 At 88 m3 s, 2D illustration of the velocity contour after HJ and at basin’s end in the Type-A stilling basin (a and b), Type-B stilling basin (c and d), and Type-C stilling basin (e and f)
Figure 15 2D illustration of turbulent kinetic energy (TKE) and turbulent intensity (TI) at 44 m3 s discharge in (a and b) Type-A, (c and d) Type-B, and (e and f) Type-C stilling basins, respectively
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이 소개자료는 Sustainability에서 발표한 FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
연구 목적
본 연구는 하류 수리 구조물의 흐름 특성을 분석하기 위해 FLOW-3D 모델을 개발하는 것을 목표로 함.
연구 방법
모델링 설정
FLOW-3D 모델을 사용하여 3차원 비정상류 해석을 수행하였음.
하류 수리 구조물의 형상 및 주변 지형을 고려하여 계산 영역을 설정하였음.
적절한 난류 모델 및 경계 조건을 적용하여 모델의 정확도를 높였음.
모델 검증
실험실 또는 현장 측정 데이터를 확보하여 모델 예측 결과와 비교 분석하였음.
수위, 유속 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 적합성을 평가하였음.
모델 파라미터 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과
흐름 특성 분석
하류 수리 구조물 주변에서 발생하는 복잡한 흐름 패턴(예: 재순환, 박리)을 시각적으로 확인하였음.
구조물 특정 지점에서의 유속 및 압력 변화를 정량적으로 분석하였음.
설계 변수 변화에 따른 흐름 특성 변화를 파악하여 최적 설계 방안 도출의 기초 자료를 제공하였음.
구조물 영향 평가
하류 수리 구조물의 존재 유무에 따른 상하류 흐름 변화를 비교 분석하였음.
구조물 형상(예: 높이, 폭) 변화가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였음.
특정 흐름 조건에서 구조물의 안정성 및 기능성을 예측하였음.
결론 및 시사점
본 연구에서 개발된 FLOW-3D 모델은 하류 수리 구조물의 흐름 특성 분석에 효과적인 도구로 활용될 수 있음.
모델링 결과를 바탕으로 하류 수리 구조물의 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 형태의 하류 수리 구조물에 대한 모델링 및 실험 연구를 통해 모델의 적용 범위를 확대할 필요가 있음.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1
surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
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본 소개 자료는 “Arabian Journal for Science and Engineering”에서 발행한 “An Investigation on Hydraulic Aspects of Rectangular Labyrinth Pool and Weir Fishway Using FLOW-3D” 논문을 기반으로 합니다.
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
연구 배경 및 목적
본 연구에서는 둑의 기하학적 매개변수(둑 모양, 둑 간격, 둑 오리피스 유무, 바닥 경사)가 흐름 체제, 유량-수심 관계, 수심 평균 유속의 변화 및 분포, 난류 특성, 어도에서의 에너지 소산 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 서로 다른 두 가지 둑 배열(직선 둑 및 사각형 미로 둑)을 사용했음.
FLOW-3D® 소프트웨어를 사용하여 흐름 조건에 미치는 영향을 조사하기 위해 전산 유체 역학 시뮬레이션을 수행했음.
계산된 표면 프로파일 및 속도를 문헌에서 실험적으로 측정된 값과 비교하여 수치 모델의 유효성을 검증했음.
연구 방법
FLOW-3D® v11.2를 사용하여 Ead et al. [6]의 실험적인 라이너 풀 둑을 검증하고 오리피스가 있는 사각형 미로 풀 둑의 영향을 조사하기 위해 CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션을 수행했음.
수치 모델의 채널 및 데이터 수집 영역의 치수는 실험실 모델의 치수와 동일함.
두 가지 유형의 풀 둑, 즉 기존식과 미로식을 고려했음.
연구 결과
수치 모델과 실험 데이터 결과, 플런징 흐름의 표면 프로파일과 정규화된 속도 프로파일에 대한 RMSE(제곱 평균 제곱근 오차)와 MAPE(평균 절대 백분율 오차)는 각각 0.014m와 3.11%로, 수치 모델이 풀 및 둑의 흐름 특성을 예측하는 능력을 확인했음.
L/B=1.83 값에서 플런징 흐름이 발생할 수 있고(L: 둑의 거리, B: 채널의 폭), 각 모델에 대해 L/B=0.61에서 스트리밍 흐름이 발생할 수 있음.
사각형 미로 둑 모델은 기존 모델보다 큰 무차원 방전 값(Q+)을 가짐.
침수 흐름에서 기존 둑 및 사각형 미로 둑의 경우 Q는 각각 1.56h 및 1.47h에 비례함(h: 둑 위의 수심).
기존 둑의 풀에서 평균 수심 속도는 사각형 미로 둑의 평균 수심 속도보다 높음.
그러나 주어진 유량, 바닥 경사 및 둑 간격에서 난류 운동 에너지(TKE) 및 난류 강도(TI) 값은 기존 둑에 비해 사각형 미로 둑에서 더 높음.
기존 둑은 사각형 미로 둑보다 에너지 소산이 적음.
미로 둑 상단, 둑 하류 벽의 모서리, 둑의 측벽과 채널 벽 사이에서 더 낮은 TKE 및 TI 값이 관찰되었음.
둑 사이의 거리와 하단 경사가 증가함에 따라 평균 수심 속도, 난류 운동 에너지의 평균값 및 난류 강도가 증가하고 풀에서 체적 에너지 소산이 감소했음.
둑에 개구부가 있으면 평균 수심 속도 및 TI 값이 증가하고 풀 내에서 가장 높은 TKE 범위가 감소하여 물고기를 위한 더 넓은 휴식 공간(더 낮은 TKE)이 생성되고 두 모델 모두에서 에너지 소산율이 감소했음.
Fig. 1 Weir fishways dimensionless discharge equations: a: Plunging flow and b: Streaming flowFig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
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기후변화로 인해 극한 강우 발생 빈도가 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위해 기존 댐의 홍수 방류 능력을 증대하는 사업이 진행 중임.
충주댐은 기존 여수로 용량(17,000 m³/s) 외에도 추가적인 홍수 방류를 위해 보조여수로(11,000 m³/s) 건설이 계획됨.
대형 수리구조물 설계에는 물리적 수리 모형 실험이 일반적으로 활용되지만, 비용과 시간이 많이 소요되고 다양한 대안을 검토하기 어려운 한계가 있음.
최근 3차원 수치해석(FLOW-3D 등)이 물리 실험을 대체할 수 있는 대안으로 떠오르고 있음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 충주댐 보조여수로 설계의 적절성을 평가하고,
월류위어(Spillway), 접근수로(Approach Channel), 도류터널(Tunnel) 등 주요 구조물의 수리학적 특성을 분석하여,
설계 기준을 만족하지 못하는 부분에 대한 개선안을 제시함.
연구 방법
FLOW-3D 모델링 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 해석 수행.
난류 모델: RNG k-ε 난류 모델 적용.
격자(grid) 설정:
구조물이 복잡한 영역은 세밀한 격자 사용, 단순한 영역은 큰 격자로 구성하여 계산 효율 최적화.
총 격자 수: 약 17,680,256개.
경계 조건(Boundary Conditions):
상류(저수지) 수위: EL. 146.0m
하류(방류 구간) 수위: EL. 89.6m
비교 분석 대상
기존 설계안
개선 설계안:
월류위어 폭 확대
접근수로 위치 조정
도류터널 직경 확대 및 형상 변경
주요 결과
① 월류위어(Spillway) 평가
기존 설계(폭 9.5m)의 방류량: 10,588.7 m³/s → 계획 방류량(11,000 m³/s)보다 411.3 m³/s 부족(3.7% 미달).
폭을 10.0m로 확대한 개선안에서는 총 방류량 11,064 m³/s 확보 가능.
② 접근수로(Approach Channel) 평가
기존 설계에서는 월류위어 좌측 교대(Pier)로 인해 와류(Vortex) 발생 → 수면 저하 및 유속 증가(4 m/s 초과).
월류위어를 83m 하류로 이동하는 개선안을 적용한 결과, 와류 감소 및 유속 4 m/s 이하로 안정화됨.
③ 도류터널(Tunnel) 평가
기존 설계: 직경 15.8m, 곡선형 3련 터널 → 터널 내 편류(偏流) 발생 및 유동 불안정 문제 확인.
개선안:
직경 16.3m로 확대하여 터널 내 통수단면비(Flow Area Ratio) 73.35%로 감소(기준 만족).
곡선형 터널을 직선형으로 변경 → 편류 감소 및 유동 안정성 확보.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 충주댐 보조여수로 설계 검토 결과, 기존 설계에서 일부 문제점(방류량 부족, 유속 초과, 편류 발생)이 확인됨.
월류위어 폭 확대(9.5m → 10.0m), 위치 이동(하류 83m), 도류터널 직경 확대(15.8m → 16.3m), 직선형 터널 적용을 통해 개선 가능.
FLOW-3D 기반 수치해석이 수리 모형 실험을 대체할 수 있으며, 다양한 설계 대안을 검토하는 데 효과적임.
향후 연구 방향
더 다양한 홍수 시나리오 적용하여 최적 설계 검토.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 활용한 세부 유동 해석 진행.
실제 시공 후 모니터링 데이터를 활용하여 모델 검증 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 대규모 수리구조물(댐 보조여수로)의 설계를 평가하고 최적화하는 방법론을 제시한 연구로, 향후 홍수 대응 및 방류시설 설계 개선에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 1. Additional Construction Plan for the Chungju Dam Spillway
Fig. 6. Discharge Passing through Each Weir
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan
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본 소개 자료는 ‘Open Journal of Marine Science’에서 발행한 ‘Modeling of the Changes in Flow Velocity on Seawalls under Different Conditions Using FLOW-3D Software’ 논문을 기반으로 합니다.
Figure 2. Flow velocity on seawall in A2 modeling.
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본 소개 논문은 Journal of Marine Science and Technology에서 발행한 논문 “NUMERICAL SIMULATIONS OF WATER SURFACE PROFILES AND VORTEX STRUCTURE IN A VORTEX SETTLING BASIN BY USING FLOW-3D”의 연구 내용입니다.
Fig. 6. Air core forming process display.
1. 서론
와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 부유 퇴적물을 효과적으로 제거하기 위한 수리학적 장치로, 원통형 챔버, 유입 시스템, 하부 오리피스 유출구 및 월류 위어로 구성됨.
와류 흐름은 매우 복잡하여 실험적 방법만으로 정확한 측정이 어렵기 때문에, 수치 시뮬레이션이 필수적임.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 VSB 내부 유동장을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 일정한 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 하부 오리피스(Bottom Orifice) 및 월류 위어(Overflow Weir) 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
격자 해상도:
2.38백만 개의 격자로 구성, 최소 격자 크기 0.25cm(z 방향), 최대 격자 크기 1cm.
3. 연구 결과
실험 및 수치 모델 비교 분석
수면 프로파일 비교
실험 및 수치 모델에서 얻은 수면 프로파일이 매우 유사함.
수치 모델에서 계산된 최고 수위(17.10cm)가 실험 결과(17.03cm)와 ±0.5cm 이내의 차이를 보임.
유속 분포 분석
난류 유동장에서 탱젠셜 속도(Vt), 방사 속도(Vr), 축 방향 속도(Vz)를 각각 비교.
탱젠셜 속도(Vt): 벽면에서 중심부로 갈수록 증가하며, 내부 영역에서는 자유 와류, 외부 영역에서는 강제 와류 특성을 나타냄.
방사 속도(Vr): 중심부에서 바깥쪽으로 점진적으로 감소하며, 바닥에 가까울수록 세굴 효과가 증가.
축 방향 속도(Vz): 오리피스 방향으로 강한 하강 흐름을 보이며, 퇴적물 제거 효율에 중요한 역할 수행.
에어 코어(Air Core) 형성 과정 분석
실험 및 수치 모델 모두에서 에어 코어 형성이 확인됨.
에어 코어의 위치 및 크기는 실험 결과와 수치 해석 결과가 ±1.5cm 이내의 차이를 보임.
에어 코어의 진동이 유속 변화에 영향을 미치지만, 전체적인 유동장에는 큰 영향을 미치지 않음.
유입량 증가에 따른 와류 특성 변화
유입량 증가(Qcc = 1.5 × 10⁻³ ~ 4.0 × 10⁻³ cms)에 따라 와류 강도가 증가하고, 에어 코어의 형상이 변화.
유량이 커질수록 벽면에서의 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
수평 유도판(Horizontal Deflector) 적용 효과
수평 유도판을 설치한 경우, 유체 체류 시간이 증가하고 와류 강도가 높아져 퇴적물 제거 효과가 향상됨.
유도판이 없는 경우, 유체가 곧바로 월류 위어를 넘어가 퇴적물 제거 효과가 감소하는 것으로 나타남.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 VSB 내부의 복잡한 유동 구조를 정량적으로 분석할 수 있음.
탱젠셜 속도, 방사 속도, 축 방향 속도 등 주요 유동 변수들이 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
에어 코어 형성 및 진동이 전체 유동장에는 큰 영향을 미치지 않지만, 특정 영역에서는 국소적인 유동 변화가 발생.
유량 증가 시 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
수평 유도판 적용 시, 유동 구조가 안정화되며 퇴적물 제거 효율이 증가함.
향후 연구 방향
다양한 VSB 설계 변수(오리피스 크기, 유입 각도 등)에 대한 추가 연구 필요.
LES 모델과 다른 난류 모델(k-ε 등) 비교 연구 수행.
현장 데이터 기반 실증 연구를 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰도 추가 검증 필요.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지(VSB)의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 퇴적물 제거 효율 향상 및 VSB 설계 최적화를 위한 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 2. Boundary conditions of VSB in FLOW-3D.
Fig. 6. Air core forming process display.
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본 소개 논문은 Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics에서 발행한 논문 “Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested Weir”의 연구 내용입니다.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.
1. 서론
넓은 마루 위어(Broad-Crested Weir, BCW)는 수리학적 구조물로서 홍수 조절, 유량 측정 및 관개 시스템에서 활용됨.
BCW의 형상, 특히 사다리꼴 형태는 유량 및 에너지 손실에 영향을 미칠 수 있으며, 기존 실험적 연구와 함께 수치 모델링이 중요함.
본 연구에서는 FLOW-3D 및 SSIIM 2 소프트웨어를 사용하여 사다리꼴 BCW의 유동 특성을 분석하고, 수치 결과를 물리 실험 결과와 비교하여 모델링 정확도를 평가함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 및 SSIIM 2 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
SSIIM 2는 적응형(adaptive) 격자를 사용하며, Marker-and-Cell(MAC) 접근법을 적용하여 자유 수면을 계산.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
FLOW-3D와 SSIIM 2 결과 비교
두 모델 모두 물리 실험 결과와 유사한 자유 수면 프로파일을 예측하였으며, 계산된 유량 계수(Discharge Coefficient, Cd)는 실험 값과 ±3% 이내의 차이를 보임.
FLOW-3D는 격자가 고정되어 있으며, 평균 435~550초의 계산 시간이 소요됨.
SSIIM 2는 적응형 격자를 사용하여 격자 수가 변하며, 계산 시간이 12,500~15,500초로 상대적으로 길었음.
유량 변화(Q = 0.0181 ~ 0.0055 m³/s)에 따른 자유 수면 프로파일 분석 결과, 두 모델 간 수위 차이는 1~1.5% 범위 내에 존재.
압력 및 유속 분포 분석
FLOW-3D의 결과에서는 위어 전면부에서 압력이 최대치를 기록하며, 후면부에서는 압력이 급격히 감소.
SSIIM 2에서도 유사한 압력 분포가 확인되었으나, 자유 수면 프로파일 계산에서 다소 차이가 발생.
속도 벡터 분석 결과, 위어 전면부에서 흐름이 가속되고 후면부에서 난류 강도가 증가하는 패턴이 관측됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 및 SSIIM 2를 활용한 시뮬레이션은 사다리꼴 BCW 유동 해석에서 높은 신뢰도를 보였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 타당성이 검증됨.
FLOW-3D는 고정 격자와 높은 계산 효율성을 제공하며, SSIIM 2는 적응형 격자를 활용하여 자유 수면의 변화를 보다 세밀하게 반영.
전체적인 Cd 값은 실험 데이터와 잘 일치하며, 실험과의 평균 오차율이 3% 이내임.
향후 연구 방향
3D 모델링을 활용하여 더욱 정밀한 유동 분석 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과의 비교 연구 필요.
자연 하천 환경에서의 적용 가능성을 평가하기 위한 추가 연구 필요.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 및 SSIIM 2를 이용하여 사다리꼴 BCW에서의 유동 특성을 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 및 유량 측정 기술 향상에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Modeling Longitudinal and Transverse Velocity Profiles Upstream of an Orifice Using the FLOW-3D Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
서론
연구 배경 및 필요성
이란에서는 물 부족 위기로 인해 수자원 관리가 매우 중요해졌음.
댐 저수지는 가장 중요한 수자원 중 하나임.
하천에 댐을 건설하면 저수지의 유속이 감소하여 퇴적물이 쌓이게 됨.
댐 저수지에 퇴적물이 쌓이면 유효 부피가 줄어들고 저수 기능이 저하됨.
따라서 댐 수명 동안 퇴적물을 관리하고 배출하기 위한 방안이 지속적으로 제시되어 왔으며, 가압 플러싱은 퇴적물을 제거하는 일반적인 해결책임.
이 방법에서는 하부 수문을 개방하여 상류의 수압으로 오리피스를 통해 퇴적물을 배출함.
이동된 퇴적물의 양은 수문 직경, 퇴적물의 종류 및 크기, 수문 상류의 수위, 유출량과 같은 여러 요인의 함수임.
Shahmirzadi et al.(2010)은 하부 방류 장치의 직경이 플러싱 콘의 크기에 미치는 영향을 실험적으로 평가함.
Powell and Khan (2015)은 고정층 및 평형 세굴(이동층) 조건에서 댐 오리피스 상류의 흐름 패턴을 조사하기 위한 테스트를 수행함.
연구 결과, 속도 수평 성분은 고정 및 평형 세굴 조건에서 거의 동일했으며, 속도의 수직 성분도 동일한 조건이었음.
Bryant et al.(2008)은 여러 실험을 수행하고 몇 가지 수치 관계를 제안하여 다양한 크기의 오리피스 상류의 흐름 패턴을 연구함.
그들은 횡방향 및 깊이 속도 프로파일을 평가하기 위해 극좌표계를 사용했으며, 이 방법이 오리피스 근처의 속도 프로파일보다 더 나은 예측을 제공한다는 것을 발견함.
Wei et al.(2014)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 가압 플러싱 콘을 시뮬레이션함.
그들은 세굴 구멍, 하상토 및 부유사 하중을 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델을 개발함.
Dargahi (2010)는 FLOW-3D 모델을 사용하여 하부 유출구의 방전 특성을 시뮬레이션하고 결과를 이집트 아스완 댐의 축소 모델 실험 결과와 비교함.
얻어진 결과는 RNG 난류 모델이 k-ε 난류 모델에 비해 정확도가 더 높다는 것을 보여줌.
Chapokpour et al.(2012)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 와류 흐름 거동을 연구함.
속도 성분을 평가한 결과, 일부 지점에서 여러 시계 방향 및 반시계 방향 와류가 발견됨.
또한, 얻어진 결과를 이전의 결과와 비교한 결과, FLOW-3D 수치 모델이 와류 흐름을 모델링할 수 있음이 나타남.
Chanson et al.(2002)은 수위가 낮아지는 동안 오리피스 상류의 비정상 흐름 거동을 실험적으로 조사함.
Powell and Khan (2012)은 동일한 맥락에서 실험 연구를 수행하여 오리피스로부터의 상대 거리가 증가함에 따라 오리피스 중심을 따라 흐르는 속도가 감소한다는 것을 보여줌.
Shammaa et al.(2009)은 흐름 포텐셜을 사용하여 게이트 및 오리피스 후면의 흐름 패턴을 정의하고 다양한 시나리오에 따라 분석적으로 해결함.
연구 목표
본 연구에서는 플로우-3D 모델을 사용하여 다양한 수심에서 오리피스 상류의 종방향 흐름 속도 프로파일을 예측하는 것을 연구함.
실험 설계는 LES, Laminar 및 k-ε 난류 모델과 함께 모델을 보정하는 데 사용됨.
본 연구에서는 오리피스 상류의 다양한 수심에 대해 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태가 높은 정확도로 지수 함수를 따르는 것으로 나타남.
또한, 오리피스에서 더 먼 상류에서 횡방향 속도 프로파일은 균일해짐.
결국, 오리피스 상류의 수심이 8배 상승하면 하상에 생성되는 전단 응력이 148% 증가하는 것으로 나타남.
연구 방법
수치 모델링
본 연구에서는 유한 체적법을 사용하여 중간 Reynolds 수 범위 내에서 Navier-Stokes 방정식을 푸는 상용 CFD 소프트웨어인 FLOW-3D를 사용함.
이 소프트웨어는 유한 체적 모드에서 흐름장의 2D 및 3D 분석을 모두 허용함.
이 소프트웨어는 직교 3D 요소를 사용함.
다양한 유체에 사용할 수 있다는 점을 고려할 때, FLOW-3D는 특히 유압 분야에서 허용 가능한 결과를 제공함.
사용자 수가 증가하고 최근 디버깅으로 인해 소프트웨어는 현재 다양한 유체 역학 분야, 특히 개방 수로 및 유압 구조물의 수역학 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있음.
실험 모델
본 모델은 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 바탕으로 보정되었음.
본 연구에서 실험한 플룸은 폭 122cm, 높이 91cm, 길이 914cm였음 (그림 1).
본 연구에서는 펌프 속도 변화에 따라 의도된 흐름의 유량이 달라짐.
본 연구에서는 직경(D)이 7.62cm와 15.24cm인 두 개의 오리피스가 사용되었음.
측벽의 영향을 제거하기 위해 전체 오리피스의 중심이 채널 폭의 중앙에 위치하였음.
또한, 오리피스 중심 상류의 수심(H)은 5.92cm로 고정되었음.
흐름 패턴은 ±1%의 정확도를 가진 ADV(Acoustic Doppler Velocity Meter)를 사용하여 측정되었음.
수치 모델의 메시 생성, 경계 조건 및 보정
AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 주어진 치수를 기반으로 플룸 형상을 생성함.
시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 솔루션 메시의 크기는 길이 150cm, 폭 122cm, 높이 60cm로 제한되었음.
시뮬레이션에서 유체는 비압축성으로 간주되었음.
메시는 0.01m의 균일한 크기를 가졌으며, 계산 정확도를 높이기 위해 오리피스에 인접한 곳에 더 미세한 메시가 사용되었음.
30초의 기간이 모델링에 할당되었으며, 이는 수치 모델 결과를 실험 모델 결과와 비교하여 적합한 것으로 판명됨.
수치 모델은 이 기간에 정상 상태가 됨.
그림 (2)는 소프트웨어에 의해 정의된 경계 조건을 보여줌.
플룸 입구의 수심은 40.64cm로 고정되었음.
유출 경계 조건은 오리피스에 대해 정의되었고, 벽과 바닥은 강체 경계(벽)를 가졌으며, 대칭 조건은 상단 경계에 대해 정의되었음.
전단 응력을 결정하기 위해 바닥이 오리피스 아래에 위치한 그림 2와 같이 다른 형상이 플롯되었음.
평균 절대 오차(MAE), 제곱 평균 제곱근 오차(RMSE) 및 결정 계수(R2)의 통계적 매개변수가 정확도를 평가하고 최적의 난류 모델을 선택하는 데 사용됨.
연구 결과
모델 보정
앞서 언급했듯이 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 사용하여 모델을 보정하였음.
본 연구에서 사용된 침수비는 0.77이었음.
그림 (3)은 실험 데이터와 추정된 난류 모델을 사용하여 실행된 모델에서 얻은 결과를 비교한 것임.
또한, 표 (1)은 각 모델의 정확도를 결정하기 위해 통계 분석에서 얻은 결과를 제공함.
이에 따라 모든 난류 모델은 결과를 예측하는 데 합리적인 정확도를 보였으며, LES 난류 모델이 상대적으로 더 높은 정확도를 가졌음.
따라서 다른 시나리오를 실행하는 데 사용되었음.
그림 (3)에 따르면 Powell and Khan (2012)이 이미 보고한 바와 같이 상대 속도는 x/D>2에서 0이 되는 경향이 있었음.
종방향 속도 프로파일 모델링
모델을 보정 한 후 오리피스 상류의 수심이 종방향 속도 프로파일 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해 다른 세 개의 침수비 (H/D = 0.5.2.4)가 모델에 정의됨 (Bryant et al.(2008)에서 사용한 것 외에 (H/D = 0.77)).
그림 (4)는 다양한 침수비에서 종방향 속도 프로파일을 비교한 것임.
횡방향 속도 프로파일 모델링
세 개의 상대 거리(x/D = 1.2.3)에서 의도된 침수비에 대한 횡방향 속도 모델링에서 얻은 결과는 그림 (5)에 나와 있음.
그림은 오리피스에서 더 먼 상류에서 속도 변화가 감소하여 0이 되는 경향을 나타냄.
또한, 각 상대 거리에 대해 최대 속도는 오리피스를 따라 있었고, y-축을 따라 오리피스 중심에서 거리가 멀어짐에 따라 속도가 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 전단 응력 분포
그림 (6)은 의도된 침수비에 대한 오리피스 상류의 전단 응력 분포를 보여줌.
그림에서 볼 수 있듯이, 오리피스에서 유출되는 속도가 증가하여 바닥에서 더 높은 전단 응력이 발생하기 때문에 바닥의 전단 응력은 오리피스 상류의 깊이와 함께 증가함.
결과적으로 침수비가 0.5에서 4로 증가함에 따라 전단 응력은 4.31Pa에서 10.7Pa로 148% 증가함.
또한, 더 높은 침수비에서 오리피스 상류의 더 넓은 영역이 전단 응력의 영향을 받는 것으로 관찰됨.
Powell and Khan (2011)에 따르면 댐 하부 게이트를 열고 가압 플러싱을 시작하면 첫 번째 단계에서 퇴적물의 이동은 하상에 형성된 전단 응력으로 인해 시작됨.
따라서 논의된 내용에 따르면 오리피스 상류의 침수비가 증가하면 더 많은 퇴적물이 전단 응력에 의해 씻겨 내려가 물 흐름에 의해 배출될 것으로 예상됨.
결론
연구의 의의
본 연구에서는 FLOW-3D 모델을 사용하여 오리피스 상류의 흐름 패턴을 예측하는 타당성 조사를 수행함.
이와 관련하여 오리피스 상류의 다양한 수심에 대한 몇 가지 시나리오가 모델에 정의되어 다음과 같은 결과를 얻었음:
FLOW-3D 소프트웨어는 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 충분한 정확도로 모델링했음.
Laminar, k-ε. 및 LES 난류 모델은 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 예측하는 데 높은 정확도를 보였으며 거의 동일한 정확도를 가졌음.
오리피스 상류의 수심이 상승함에 따라 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태는 지수 방정식을 따르며 일정해졌음.
오리피스에서 더 먼 거리에서 속도 변화폭이 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 침수비 증가는 더 높은 전단 응력과 더 넓은 면적의 하상이 전단 응력의 영향을 받음.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
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Wei G, Brethour J, Grünzner M, Burnham J. The sedimentation scour model in FLOW-3D®. Flow Sci. Rep. 2014 Jun:3-14.
본 소개 자료는 Iranian Hydraulic Association Journal of Hydraulics에서 발행한 “Performance Evaluation of Submerged Vanes by Flow-3D Numerical Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
서론
연구 배경 및 필요성
잠수 베인은 접근 흐름에 대해 작은 받음각으로 수로 바닥에 수직으로 장착되는 흐름 패턴 변경 구조물임.
잠수 베인은 베인의 두 측면에 있는 수직 압력 구배로 인해 베인의 상단 높이 아래에서 시작하여 베인의 하류로 확장되는 2차 순환(나선형 흐름)을 생성함.
베인으로 유도된 와류는 채널 단면 내에서 퇴적물을 재분배하고 충적층의 프로파일을 변경함.
그러나 베인 주변의 국부적인 세굴은 잠수 베인 기술 사용의 문제점 중 하나임.
국부적인 세굴공의 확장은 베인의 모양과 관련이 있음.
연구 목표
본 연구에서는 1차 잠수 베인은 일반적으로 평평한 직사각형 판을 사용함.
본 연구에서는 국부적인 세굴을 줄이기 위한 대책으로 베인의 앞쪽 가장자리 일부를 잘라내는 것을 연구함.
연구 대상 베인은 직사각형 베인(기준선 베인)과 θ=30∘, 45∘, 60∘ 70∘ 및 73.3∘의 테이퍼형 앞쪽 가장자리를 갖는 다른 5개의 수정된 베인을 포함함.
본 연구는 이러한 수정이 앞쪽 가장자리에서의 수직 속도 성분과 베인 하류에서 2차 순환의 강도에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 함.
베인 주변의 흐름장을 연구하기 위해 Flow-3D 수치 모델 버전 10을 사용함.
연구 방법
연구 설계
본 연구에서는 상용 CFD 모델인 Flow-3D를 사용함.
모델 보정을 위해 실험 속도 측정을 사용하였으며, 이를 위해 재순환 수로(길이 7.30m, 폭 0.56m, 깊이 0.6m)를 사용함.
원심 펌프는 플룸 입구의 정수 탱크로 물을 배출함.
균일한 물 유입을 만들기 위해 플룸 입구에서 1m 떨어진 곳에 스크린을 설치함.
테일 게이트를 사용하여 플룸의 물 깊이(do)를 0.25m의 일정한 값으로 조정함.
베인의 치수는 Odgaard (2008)의 설계 기준, 즉 베인 높이 대 물 깊이 비율 Ho/do = 0.3, 길이 L = 3$H_o$를 사용하여 결정함.
평균 흐름 깊이 do = 0.25m는 Ho = 0.075m 및 L = 0.25m를 산출함.
흐름 프루드 수 Fr = 0.16에서 베인 V0 및 V3을 사용하여 속도 측정을 수행함.
각 테스트에서 베인은 흐름에 대해 20°의 각도로 플룸의 중심선에 설치됨.
베인으로 유도된 속도장을 연구하기 위해 플룸 전체에서 4×4 cm² 격자를 베인의 중심에서 채취함.
각 격자점에서 전자기 유속계(EVM)를 사용하여 3차원 속도 벡터(u, v, w)의 성분을 측정함.
플룸의 벽에 매우 가까운 속도는 측정하지 않음.
수치 모델링
베인의 고압 측면에서 수직 속도 성분은 위쪽(양수)이었고 저압 측면에서는 아래쪽(음수)이었음.
따라서 베인 하류에서 시계 방향의 2차 순환이 생성됨.
1차 직사각형 베인(베인 V0)의 앞쪽 가장자리에서 아래쪽 속도 성분이 분명했음.
테이퍼형 베인 V1 및 V2의 경우 베인 V0에서 앞쪽 가장자리 부분을 잘라냄으로써 음의 w-속도 성분의 크기가 각각 40% 및 69% 감소함.
베인 V3, V4 및 V5의 경우 테이퍼 각도를 늘리면 아래쪽 속도 성분이 효과적으로 감소함.
모멘트(MOM) 수량을 사용하여 베인으로 유도된 순환의 강도를 평가함.
베인의 성능을 비교하기 위해 MOM 값을 적용함.
이를 위해 베인 중심에서 하류로 2Ho 및 4Ho 거리, 즉 15cm 및 30cm 떨어진 두 단면에서 속도 데이터를 사용함.
MOM 계산에는 100개의 속도 성분(50개의 v-성분 및 50개의 w-성분)을 사용함.
따라서 이 수량은 잠수 베인의 성능 및 효율성을 평가하는 데 유용한 기준이 됨.
연구 결과
세굴 매개변수
베인의 속도 분포 및 모멘트(MOM)는 테이퍼형 베인의 앞쪽 가장자리에서 침식성 음의 속도 성분의 감소를 나타냄.
MOM 값을 기준으로 베인의 앞쪽 가장자리를 잘라내면 성능이 저하됨.
다시 말해, 이러한 수정은 직사각형 베인(베인 V0)에 비해 테이퍼형 베인의 영향을 받는 필드를 제한함.
결과에 따르면 직사각형 베인에 비해 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소함.
4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
결과 분석
이와는 반대로 테이퍼형 베인의 효율성은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고 4Ho 거리에서는 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 세굴을 줄이는 경우 설계 기준에 따라 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장하지 않음.
결론
연구의 의의
속도 분포 및 베인의 모멘텀 모멘트(MOM) 계산 결과, 베인의 선행 에지에서 절단이 선행 에지에서 음의 속도 성분을 감소시키는 데 효과적인 것으로 나타났음.
모멘텀 모멘트 계산을 기반으로 베인의 선행 에지를 절단하면 베인의 성능이 감소하고, 즉, 사각형 베인(V0)에 비해 베인의 영향을 받는 필드의 길이가 감소함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면, 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 사각형 베인에 비해 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소하고, 4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
이와는 반대로, 테이퍼형 베인의 효율은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고, 4Ho 거리에서 증가량은 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서, 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 스코어를 줄이는 경우, 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장되지 않음.
Fig. 1 Laboratory flume used in present researchFig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
Reference
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Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
1. 서론
네팔은 농업 현대화를 추진하고 있으며, 이에 따라 효율적인 관개 인프라 구축이 필요함.
Sunkoshi-Marin 유역 전환 프로젝트는 Bagmati 관개 계획을 위한 수자원을 공급하기 위해 설계됨.
헤드워크(headworks)는 하천에서 필요한 수량을 안정적으로 취수하고, 퇴적물 배출 및 홍수 방류를 위한 필수적인 수리 구조물임.
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Sunkoshi-Marin 헤드워크의 수리학적 성능을 평가하고, 구조물의 효율성과 안정성을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유속 및 압력 분석
보(Barrage) 상부 평균 유속: 9 m/s 이상(완전 개방 시).
정지분지(Stilling Basin) 최대 유속: 10 m/s.
종방향 유속 프로파일에서의 최대 유속: 16.90 m/s.
음압(negative pressure) 발생 없음 → 공동(cavitation) 현상 없음.
최소 압력: 101.356 KPa(유입축 하류에서 관측됨).
방류 용량 분석
FSL(Full Supply Level)에서 보와 언더슬루이스(Under-sluice) 동시 운영 시 방류 용량: 10,086 m³/s.
100년 빈도 홍수량(9,241 m³/s) 안전하게 방류 가능.
479.5m 헤드워터 수위에서의 최대 방류 용량: 16,547 m³/s.
10,000년 빈도 홍수를 방류하기 위해 481.00m 데크(deck) 수준이 적절함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 헤드워크의 수리학적 성능을 평가할 수 있음.
음압이 발생하지 않으며 공동현상이 우려되지 않음.
보와 언더슬루이스 구조가 퇴적물 배출 및 홍수 방류에 효과적으로 작용함.
수력 점프(hydraulic jump) 형성이 확인되며, 수위 변화에 따라 위치가 조정됨.
향후 연구 방향
다양한 수위 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
다른 난류 모델(예: LES)과 비교 연구 필요.
현장 데이터와의 비교를 통해 모델 검증 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 헤드워크의 수리적 성능을 정량적으로 분석하고, 홍수 방류 및 취수 구조물 설계 최적화에 기여할 수 있는 정보를 제공함.
Figure 2. Weir axis at head works site
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
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배플 설계 시 높이, 거리 등을 신중히 조절해야 하며, 부적절한 배플 설치는 오히려 효율 저하를 초래할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 형상의 배플을 적용한 추가 실험 수행.
실제 현장 실험을 통한 모델 검증.
다층 침전지 설계를 위한 추가 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침전지의 설계를 최적화할 수 있는 방법을 제시하고, 효율적인 수처리 시스템 구축을 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.
References
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사각형 및 원형 교각 주변 유속은 유사한 분포를 보였으며, 최대 유속은 교각 측면에서 2배 증가.
교각 후면부에서 난류 및 역류(Reverse Flow) 발생.
다중 교각
Tandem 배치:
후방 교각 전면의 유속이 감소 → 전방 교각이 방패 역할 수행.
S/D = 2에서 난류 강도가 가장 크며, S/D ≥ 6에서는 서로 독립적인 흐름 형성.
Side-by-side 배치:
교각 간격이 작을수록(S/D = 2) 두 교각 사이 유속이 증가하여 침식 위험 증가.
S/D ≥ 6에서는 두 교각이 서로 독립적인 영향을 미침.
난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE) 분석
TKE는 교각 후방에서 가장 높은 값을 보이며, 이는 난류 생성과 관련됨.
Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각이 보호 효과를 받으며, S/D = 4에서 TKE가 최대값을 기록 후 S/D = 6에서 감소.
Side-by-side 배치에서는 S/D = 2에서 두 교각 사이 난류가 증가했으며, S/D ≥ 6에서는 TKE가 독립적인 분포를 형성.
전단 응력(Shear Stress) 분석
침식이 시작되기 전 상태에서 하상 전단 응력을 평가.
단일 교각: 최대 전단 응력은 교각 전면 및 측면에서 발생.
다중 교각:
Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각의 전단 응력이 낮아지고, S/D = 4에서 최대값을 기록.
Side-by-side 배치에서는 S/D = 2~4에서 교각 사이 전단 응력이 가장 높으며, S/D = 6에서는 개별 교각과 유사한 패턴을 보임.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 비침식성 하상 시뮬레이션을 통해 교각 주변 유동 특성을 정량적으로 분석 가능.
단일 교각(사각형, 원형) 주변 유동 특성은 거의 유사하며, 교각 형상이 큰 차이를 만들지는 않음.
다중 교각 배치에서 S/D = 2~4 구간이 가장 불안정하며, S/D ≥ 6에서는 독립적인 유동장 형성.
비침식성 하상 조건에서의 유동 특성 연구를 통해 침식 시작 전에 교각 설계를 최적화할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 모델 적용하여 더욱 정밀한 유동 해석 수행.
다양한 하상 조건(침식성 및 비침식성)에 따른 비교 연구 진행.
실제 교량 구조물 적용을 위한 현장 실험 및 검증 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 비침식성 하상에서 단일 및 다중 교각 주변 유동 특성을 분석한 연구로, 교각 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 2 The scenario of simulated experiments in the present study
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 9 The shear stress near the bed surface around the group pier and single pier in a non-erodible bed
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FLOW-3D를 이용한 수문(Sluice Gate) 하부의 자유 유동 및 Sill의 영향 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
수문(Sluice Gate)은 관개 시스템 및 수로에서 수위 조절과 유량 조절을 위한 중요한 구조물임.
수문 하부에 Sill(문턱 구조물)을 설치하면 수문의 높이를 줄여 건설 비용을 절감할 수 있으며, 동시에 방류 계수(discharge coefficient)에도 영향을 미침.
기존 연구에서는 수문 자체의 유량 계수를 연구했으나, Sill의 형상과 높이가 방류 계수에 미치는 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D 모델을 이용하여 수문 하부에 설치된 Sill의 형상, 높이 및 위치가 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
실험 데이터와 수치 모델을 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
Sill 형상이 사각형(Rectangular)과 반원형(Semicircular)일 때 방류 계수의 변화를 평가.
방류 계수 보정식을 도출하여 설계 최적화를 지원.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
격자(cell) 크기 최적화 분석 후 0.025 배율로 설정.
경계 조건:
유입부: 실험 유량 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
실험 데이터 검증
Alhamid(1998) 및 Akoz et al.(2009)의 실험 데이터를 이용하여 FLOW-3D 결과 검증.
수문 하류 유속 및 압력 분포 비교하여 평균 오차율 3% 이내 확인.
비교 분석 대상
Sill이 없는 수문 (기준 모델)
사각형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
반원형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
주요 결과
Sill의 높이 변화가 방류 계수에 미치는 영향
Sill을 추가하면 방류 계수가 증가하며, 특정 높이에서 최대치 도달 후 감소.
최적의 방류 계수 증가율
사각형 Sill(P/w = 2) → 방류 계수 8.3% 증가
반원형 Sill(P/w = 0.5) → 방류 계수 23% 증가
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 큼.
Sill의 위치가 방류 계수에 미치는 영향
사각형 Sill의 시작점에서 수문까지의 거리(5cm, 10cm, 15cm) 비교.
거리 증가 시 방류 계수 감소 → 즉, Sill이 수문에 가까울수록 효과가 큼.
압력 분포 변화
Sill이 있으면 수문 하부에서 음압(Negative Pressure) 발생 → 방류 계수 증가 유발.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 압력 분포 변화가 크며, 방류 계수 향상 효과가 더 뚜렷함.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 수치 해석 결과, Sill 추가 시 방류 계수가 증가함을 확인.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 크며, 최적의 P/w 비율이 각각 0.5, 2.0으로 도출됨.
Sill의 위치가 방류 계수에 영향을 미치며, 수문에 가까울수록 방류 계수 증가율이 큼.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용한 난류 해석 추가 연구.
다양한 유량 조건 및 실제 현장 실험과 비교 검증 수행.
Sill의 형상 최적화를 위한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 수문 하부의 Sill이 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석한 연구로, 관개 수로 설계 최적화 및 수문 구조 개선에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
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취수 구조물은 홍수 조절, 관개, 전력 생산, 상수 공급 등을 위해 사용되며, 이러한 구조물에서 발생하는 와류(Vortex)는 시스템 효율과 안정성을 저하시킬 수 있음.
와류는 공기 유입, 진동, 캐비테이션(cavitation), 방류량 감소 등 다양한 운영 문제를 유발할 수 있음.
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 3D 수치 모델을 구축하고, 취수 구조물에서 공기 유입형 와류(Air-entraining vortex)의 발생 조건을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 및 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
와류 형성 조건 분석
취수구의 직경, 벽면 간격, 수위(Submergence depth), 유량 등의 변수에 따라 와류 형성 여부가 달라짐.
실험 결과와 비교 시, FLOW-3D는 와류를 효과적으로 예측하지만, 일부 임계 수위(Submergence depth)에서 실험 결과와 차이가 발생함.
벽면 간격(Sidewall clearance)이 작을수록 와류 형성이 더욱 뚜렷하게 나타나며, LES 모델이 laminar 모델보다 더 정확한 결과를 제공함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D는 취수 구조물에서의 와류 형성을 정량적으로 예측하는데 효과적이며, 벽면 간격 및 유량 변화에 따른 흐름 특성을 분석할 수 있음.
LES 모델은 난류 효과를 보다 정밀하게 반영하여 보다 신뢰성 높은 결과를 제공.
반와류 장치(Anti-vortex plate) 사용 시, 와류 형성이 현저히 감소함을 확인.
향후 연구 방향
다양한 취수 구조물 형상 및 유속 조건에서의 추가 연구 필요.
LES 모델과 실험 데이터를 비교하여 모델의 정확도를 더욱 개선.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 취수 구조물에서의 와류 형성 조건을 분석하고, LES 모델을 이용하여 난류 효과를 보다 정밀하게 반영하는 방법을 제시하였다. 향후 취수 구조물 설계 및 운영 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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FLOW-3D 및 HEC-RAS를 이용한 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동의 수치 모델링
1. 서론
수치유체역학(CFD)의 발전으로 다양한 수리 구조물의 성능을 평가하는 연구가 활발하게 이루어짐.
본 연구에서는 FLOW-3D(k-ε 모델)와 HEC-RAS(정상유동 모델)를 사용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 모의함.
실험 데이터를 활용하여 두 모델의 정확도를 비교 분석하며, 특히 정수제 전·후방 및 계단부에서의 유동 특성을 평가함.
2. 연구 방법
모델 설정 및 시뮬레이션 조건
FLOW-3D 모델
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 이용하여 복잡한 구조 형상 반영.
HEC-RAS 모델
Steady-Flow 모듈을 이용하여 정상유동 해석.
수위 프로파일을 에너지 방정식을 이용하여 계산.
수력 점프(hydraulic jump) 및 과도 흐름(supercritical flow) 예측.
경계 조건 설정
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유동 패턴 분석
정수제 상류부:
HEC-RAS와 FLOW-3D 모두 상류부에서의 수위 분포를 정확하게 예측(평균 오차: 0.52%, 0.59%).
정수제 상부 흐름:
HEC-RAS는 점진적인 흐름을 정확히 계산하지 못하고 불연속적인 프로파일을 생성함.
FLOW-3D는 점진적인 흐름 변화를 보다 정확하게 시뮬레이션(평균 오차: 1.57%, HEC-RAS: 2.48%).
낙수(nape flow) 및 수력 점프(hydraulic jump) 형성:
HEC-RAS는 수직면을 지나가는 흐름을 제대로 시뮬레이션하지 못함.
FLOW-3D는 수력 점프 위치를 보다 정확하게 예측.
임계수심(yc) 및 전면수심(yb) 분석
FLOW-3D 예측 값(yc/yb 비율 = 1.5687)이 실험값(1.5)과 가장 유사.
HEC-RAS는 yb를 과대 예측하여 yc/yb 비율이 1.0193으로 나타남.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D는 점진적 흐름, 난류, 수력 점프의 위치 등을 보다 정밀하게 예측하는데 유리함.
HEC-RAS는 장거리 채널에서 정상유동을 빠르게 분석하는 데 효과적이나, 급격한 흐름 변화가 있는 경우 부정확할 수 있음.
낙수 영역에서 HEC-RAS는 곡면 흐름을 제대로 재현하지 못하지만, FLOW-3D는 이를 보다 현실적으로 모의.
향후 연구 방향
다양한 계단 형상 및 유량 조건에서의 추가 연구 필요.
실제 현장 데이터를 이용한 모델 검증 연구 진행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D와 HEC-RAS를 활용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 수치적으로 분석하고, 두 모델의 성능을 비교하였다. FLOW-3D는 난류 흐름과 수력 점프를 보다 정밀하게 예측하는 데 유용하며, HEC-RAS는 정상 유동 조건에서 경제적인 해석이 가능함을 확인하였다.
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화력발전소의 안정적 운영을 위해 순환수취수펌프장(CWP Chamber)의 설계가 필수적임.
ANSI(1998) 설계기준에 따르면 확산각(Spreading Angle)은 20° 이내여야 하나, 현장 조건상 이를 만족할 수 없는 경우가 존재함.
본 연구는 FLOW-3D를 활용한 3D 수치해석을 수행하여, 안정적인 유동 조건을 확보할 수 있는 최적의 설계를 검토하는 것이 목적임.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 구조물 형상을 정확하게 반영.
경계 조건:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
수치 모델 검증
Rodi(1997)의 사각형 구조물 주위 흐름 실험 데이터와 비교하여 모델 검증 수행.
실험과의 비교 결과, 종방향 유속 분포가 잘 일치함을 확인함.
3. 연구 결과
순환수취수펌프장 내 흐름 분석
유입 유속: 1.5 m/s ~ 2.5 m/s 범위에서 변화.
배플(Baffle) 적용 시 유속 저감 및 유동 균등화 효과 확인.
배플에서 발생하는 분리 흐름 각도는 약 15° ~ 20°이며, 이를 고려하여 하류에 배플을 배치함으로써 설계 유속(0.5 m/s 이하)을 만족시킴.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 수치 모델이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 안정적인 유동 조건을 예측하는 데 유용함.
배플을 적용한 설계를 통해 유속을 효과적으로 감소시킬 수 있음.
순환수취수펌프장 설계 시, 배플의 배치와 크기를 고려하는 것이 중요함.
향후 연구 방향
다양한 유량 조건에서 배플 형상 및 배열 최적화 연구.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 순환수취수펌프장의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 최적의 설계를 도출하여 화력발전소의 안정적 운영을 지원할 수 있는 데이터를 제공한다.
Fig. 2. CWP chamber
Fig. 8. Velocity development around column (unit : m/s)
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댐 건설은 효율적인 저수지 조성, 저장 및 최적 활용을 목표로 하며, 이에 따라 수리학적 설계가 중요함.
여수로(spillway)는 댐의 보조 구조물로서 초과 유량을 안전하게 하류로 방출하는 역할을 수행하며, 이 과정에서 잠재적 에너지를 운동 에너지로 변환하여 하류부 침식을 초래할 수 있음.
계단식 여수로(stepped spillway)는 유입 공기를 증가시키고 흐름 속도를 줄여 운동 에너지 소산을 향상시키는 효과가 있음.
본 연구는 FLOW-3D를 이용한 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가하는 것을 목표로 함.
2. 실험 모델
실험 장치 개요:
계단식 여수로 모델과 모래 바닥을 포함한 수조로 구성.
다양한 유량과 경사 조건에서 실험 수행.
배플 블록(Block A~E)은 거친 표면을 가지며, 인접한 블록과 90° 회전된 형태로 배치됨.
기존 연구(Kamyab Moghaddam et al.)에서 사용된 실험 방법론을 적용하여 모델 검증 수행.
3. 수치 모델링
FLOW-3D 모델 설정:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 복잡한 형상을 해석 가능하게 함.
경계 조건 설정:
유입부(X min): 부피 유량 조건(Volume flow rate) 적용.
유출부(X max): 자유 배출(Outflow) 경계 조건 설정.
벽면(Y min, Y max): 대칭 경계 조건(Symmetry) 적용.
상단(Z max) 및 바닥(Z min): 각각 자유 수면 및 고체 경계 설정.
4. 모델링 결과
FLOW-3D 시뮬레이션과 실험 비교 결과:
평균 제곱근 오차(RMSE) = 0.02, 즉 실험 결과와 매우 높은 일치도 확인.
배플 블록이 유동 난류를 증가시켜 전체 에너지의 77%를 소산하는 것으로 나타남.
상대적 에너지 소산율(∆E/E₀) 분석:
유량이 증가할수록 에너지 소산율은 감소하지만, 배플 블록이 없는 경우보다 높은 소산 효과 유지.
실험 및 수치 해석 결과의 에너지 소산율 차이는 최대 2% 이내로 매우 낮음.
5. 결론 및 제안
결론
배플형 계단식 여수로는 기존 계단식 여수로보다 높은 에너지 소산 효과를 가짐.
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 데이터와 높은 신뢰도로 일치하며, 수리학적 거동 분석에 효과적임.
배플 블록의 배열과 형상이 유동 난류 및 에너지 소산에 중요한 영향을 미침.
향후 연구 방향
장기적인 캐비테이션(cavitation) 및 구조적 안전성 분석 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 추가적인 최적 설계 연구 진행.
다양한 배플 블록 형상 및 배치 조건에서의 추가 실험 수행.
6. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 실험적으로 검증하였다. 향후 여수로 설계 최적화 및 홍수 방지 인프라 구축에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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대형 댐의 붕괴는 하류 지역에 심각한 홍수 피해를 초래하며, 인명 및 재산 손실이 발생할 위험이 큼.
기존 댐 붕괴 분석은 주로 1차원 모델을 사용하였으나, 복잡한 수리학적 특성을 반영하기 어려움.
FLOW-3D를 이용한 2차원 및 3차원 수치 모델링을 통해 홍수 흐름을 보다 정확히 예측하는 것이 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 어퍼 고트반드 댐(Upper Gotvand Dam) 붕괴 시 홍수 시뮬레이션 수행.
홍수 진행 속도 및 침수 영향 범위를 분석하여, 인명 피해를 최소화할 수 있는 비상 대응 계획(EAP) 수립.
기존 수리 실험 및 다른 수치 모델과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
대상 댐: 어퍼 고트반드 댐 (Upper Gotvand Dam)
이란 카룬(Karun) 강에 위치한 높이 182m의 대형 암석 및 토석 댐.
총 저수 용량 5.1 billion m³, 평균 연간 유량 13.3 billion m³.
하류 지역에는 고트반드(Gotvand) 및 쇼슈타르(Shushtar) 도시가 위치하여 홍수 위험성이 높음.
FLOW-3D 모델 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
Navier-Stokes 방정식 기반 유동 해석 적용.
격자 크기: 1000m × 159m 도메인에 대해 비균일 격자 적용.
경계 조건:
상류: 초기 저수지 용량(5.1 billion m³) 설정.
하류: 자유 방출 조건 적용 (dry bed).
벽면: No-slip 조건 적용.
시뮬레이션 수행
붕괴 시나리오: 댐이 순간적으로 완전 붕괴하는 조건으로 설정.
타임 스텝: 0.5초 간격으로 22.1초 동안 시뮬레이션 진행.
주요 결과
홍수 전파 속도 분석
붕괴 후 2.2초: 저수지 전면 수축 시작.
붕괴 후 9.5초: 홍수 흐름이 1km 하류까지 도달.
붕괴 후 10분 이내: 쇼슈타르(Shushtar) 도시까지 홍수 도달 예상.
유속 변화 분석
초기 저수지 내 유속: 0.002 ~ 0.361 m/s.
붕괴 후 홍수 흐름 속도 증가: 최대 41.8 m/s.
고트반드(Gotvand) 도시에 6분 이내 홍수가 도달할 것으로 예상됨.
비상 대응 계획(Emergency Action Plan, EAP) 수립
고트반드 및 쇼슈타르 지역에 대한 즉각적인 대피 명령 필요.
홍수 위험 지역 식별 및 대피 경로 설정.
홍수 도달 예상 시간을 고려한 경고 시스템 도입.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 댐 붕괴 시 홍수 확산 및 유속 변화를 정량적으로 분석 가능.
홍수 전파 속도를 기반으로 실질적인 비상 대응 계획(EAP) 수립이 가능함.
하류 지역에 미치는 영향을 고려하여 방재 인프라 구축 필요.
향후 연구 방향
다양한 붕괴 시나리오(부분 붕괴, 점진적 붕괴) 분석.
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 해석 정밀도 향상.
다른 홍수 모델(HEC-RAS, TELEMAC)과의 비교 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 대형 댐 붕괴 시 홍수 흐름을 예측하고, 인명 피해를 최소화하기 위한 비상 대응 계획을 수립한 연구로, 향후 댐 안전 관리 및 홍수 대비 시스템 구축에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
Figure 1. Upper Gotvand Dam
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation
Figure 7. The distribution of velocity (m/s)
References
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프리즘형 채널 대비 수렴형 채널이 동일한 유량에서도 더 높은 위어 크레스트 수위를 형성하여 방류 효율성이 증가.
수위 및 유속 분포 분석
위어 상류 및 중간부에서 수면 경사가 하강하는 경향, 그러나 위어 끝에서는 상승하는 패턴 확인.
최대 유속이 수렴 채널에서 위어 시작점 근처에서 발생, 반면 횡방향 유속은 위어 중앙부에서 최대값 도달.
에너지 손실 분석 결과, 하류 채널 폭 감소(b/B ↓)에 따라 에너지 손실 감소, 이는 유량 분배 효율 증가로 연결됨.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 높은 일치도를 보이며(R² = 0.98), 수렴형 측방 위어의 유동 특성을 효과적으로 예측 가능.
수렴형 채널에서 위어의 효율성이 증가하며, 하류 채널 폭이 줄어들수록 위어 상류 수위가 상승하여 방류량이 증가.
b/B 비율이 작을수록(즉, 하류 채널이 좁을수록) 위어의 성능이 개선됨.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 분석 수행.
다양한 채널 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 하천 및 관개 시스템 적용을 위한 최적 설계 모델 연구.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 수렴형 측방 위어의 유동 및 에너지 특성을 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수렴형 채널 설계를 통해 위어 성능을 최적화할 수 있음을 입증하며, 실무 적용 가능성이 높음.
References
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이를 해결하기 위해 어도(fishway)가 설치되지만, 현재 어도 설계는 어류의 이동 특성과 유동 특성을 충분히 고려하지 못하고 있음.
기존 연구는 주로 수리 실험(laboratory experiment)에 의존했으나, 이는 시간·비용의 제약이 크므로 수치 해석(numerical simulation)을 통한 검토가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도(Baffled Fishway) 내 유동 특성을 수치적으로 해석.
수리 실험 결과와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 평가.
어도 내 유속 분포 및 난류 특성을 분석하여 최적의 설계 방안을 도출.
연구 방법
수리 실험(Laboratory Experiment)
길이 25m × 폭 0.8m × 높이 0.8m의 개수로(rectangular flume)에서 실험 수행.
0.45m × 0.007m × 0.4m 크기의 도류벽(baffles) 5개 배치.
유량 조건: 46 L/s
유속 측정 위치: 도류벽 중앙 및 하류 3개 지점
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 적용.
격자(cell) 크기 0.015m, 비균일(non-uniform) 격자 적용.
경계 조건:
유입부: 실험 유량(46 L/s) 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
주요 결과
유속 분포 분석
수리 실험과 FLOW-3D 결과 비교 시, 최대 오차율 13% 이내로 나타남.
도류벽과 도류벽 사이에서는 유속 변화가 크며, 도류벽 중앙부에서 난류 강도가 증가.
FLOW-3D 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 보이며, 신뢰성이 높음.
최대 유속 발생 지점 비교
최대 유속 발생 위치는 실험과 수치 모델에서 유사하게 나타남(오차율 6%).
도류벽 시작 지점에서 유속이 가장 높았으며, 도류벽 하류에서는 난류로 인해 유속이 감소.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 도류벽식 어도 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 확보 가능.
어도 내 유동 특성을 정확히 예측하여 최적 설계를 위한 기초 자료로 활용 가능.
도류벽 간격 및 형상을 조정하면 어류 이동을 돕는 유속을 형성할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 어도 형상(슬롯형, 계단식)과 비교 연구 수행.
어종별 이동 특성을 반영한 최적 유속 범위 검토.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도의 유동 특성을 분석한 연구로, 향후 어도 설계 및 최적화를 위한 수치 모델 활용 가능성을 제시하였다.
그림 1. 개수로 실험 장치 및 어도 설치 (b) 어도 설치 후
그림 4. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
References
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Figure 5 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 40s
연구 배경 및 목적
문제 정의
폐광석 저수지(tailings pond)는 광산 채굴 후 배출되는 폐기물을 저장하는 인공 저수지로, 붕괴 시 하류 지역에 심각한 환경적·경제적 피해를 초래할 수 있음.
폐광석 모르타르(tailings mortar)는 중금속(Pb, Cu, Mn 등)을 포함하며, 붕괴 시 고속 동적 에너지 모래 흐름(high-speed dynamic energy sand flow)으로 변환되어 하류 지역에 영향을 미침.
기존 연구는 폐광석 모르타르의 확산 범위 및 중금속 이동 경로 분석에 초점을 맞췄으며, 배출 속도 및 유동 특성에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 유동 특성을 수치적으로 분석.
폐광석 모르타르의 밀도, 점도, 하류 거칠기(roughness height)가 배출 속도 및 이동 거리에 미치는 영향을 연구.
기존 경험식과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체-고체 경계를 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
3D CAD 모델링을 통해 폐광석 저수지 및 하류 1000m × 400m × 30m 영역을 설정.
격자(cell) 수: 48,592개, 격자 크기: 3m.
경계 조건:
유입부: 폐광석 저수지에서 배출되는 유체 설정.
유출부: 하류 개방 경계 조건 적용.
바닥면: 다양한 거칠기(0.25m, 0.5m, 1.0m) 적용.
실험 데이터 및 경험식 비교
기존 Kang(1960), Fu(2007) 등의 경험식을 사용하여 FLOW-3D 결과 검증.
폐광석 모르타르의 밀도(1800, 2500, 3200 kg/m³), 점도(0.5, 5, 15 kg/m/s) 변화에 따른 배출 속도 비교.
주요 결과
배출 속도 변화
FLOW-3D 결과와 기존 경험식 비교 시 최대 오차율 3% 이내로 확인.
폐광석 모르타르의 배출 속도는 초기 급격히 증가한 후 점진적으로 감소하며 안정화됨.
밀도가 높을수록 초기 속도가 빠르지만, 일정 거리 이후 속도 차이 감소.
점도가 클수록 유동 저항 증가 → 유속 감소 및 이동 거리 단축.
거칠기(roughness height)가 클수록 배출 속도 감소 (450m에서 속도 감소율: 19.6~43.7%).
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 폐광석 모르타르 유동 해석이 기존 경험식과 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 검증됨.
밀도 및 점도 변화가 배출 속도에 영향을 미치며, 하류 지역의 거칠기 증가가 유동 속도를 효과적으로 저감할 수 있음.
폐광석 저수지 붕괴 시 피해 최소화를 위해 하류에 식생 및 수리 구조물 설치 필요.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 추가 난류 분석.
하류 지역의 실제 데이터와 비교 검증 수행.
다양한 저수지 형상 및 붕괴 시나리오 적용 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 배출 속도 및 유동 특성을 수치적으로 분석한 연구로, 향후 광산 안전 관리 및 재난 예방 시스템 구축에 기여할 수 있는 데이터를 제공하였다.
Figure 2 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 10s
Figure 3 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 20s
Figure 4 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 30s
Figure 5 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 40s
References
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횡월류 위어(Side Weir)는 인공수로나 자연하천에서 홍수 조절, 취수 및 배수 등의 목적으로 사용되며, 유량 조절의 핵심 요소이다.
특히 만곡수로(Meandering Channel)에서는 곡률 반경이 유량계수(Discharge Coefficient, CmC_mCm)에 미치는 영향이 크며, 정확한 유량계수 산정이 필요하다.
기존 연구들은 주로 직선 수로에서 수행되었으며, 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수 연구는 부족한 실정이다.
연구 목적:
FLOW-3D 수치 모델을 이용하여 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수를 분석.
직선 수로와 만곡 수로에서의 유량계수를 비교하여 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 규명.
기존 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
모델링 및 실험 설정
FLOW-3D를 사용하여 만곡수로(180°) 및 직선 수로를 모델링.
유량계수 산정을 위해 곡률 반경(RcR_cRc)과 수로 폭(bbb)의 비율(Rc/bR_c/bRc/b)을 변화시키며 시뮬레이션 수행.
기존 연구(Agaccioglu, 1998)에서 수행된 수리 실험 데이터를 활용하여 모델 검증.
위어 높이(www), 위어 폭(LLL), 유입 유량(QQQ) 등의 변수 변경을 통해 유량계수 변화 분석.
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 모의.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 사용하여 횡월류 위어의 구조적 형상을 정확히 표현.
RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 사용하여 난류 유동 해석 수행.
격자(Grid) 설정 최적화:
기본 격자 크기: 2cm × 2cm × 2cm.
횡월류 위어 주변의 정밀 해석을 위해 0.5cm 크기의 세부 격자 적용.
주요 결과
곡률 반경 변화에 따른 유량계수 분석
Rc/bR_c/bRc/b 비율이 작아질수록(즉, 곡률 반경이 작아질수록) 횡월류 위어의 유량계수 감소.
Rc/bR_c/bRc/b가 1.25 이하가 되면 유량계수가 다시 증가하는 경향을 보임.
최대 유량계수는 Rc/b=0.5R_c/b = 0.5Rc/b=0.5에서 발생.
직선 수로 대비 만곡 수로에서 유량계수가 최대 20% 이상 감소할 수 있음.
유량 변화에 따른 유량계수 변화
유입 유량이 증가할수록 유량계수 또한 증가하는 경향을 보임.
곡률 반경이 작을수록 유량이 증가할 때 유량계수 변화 폭이 커짐.
Rc/b=2.5R_c/b = 2.5Rc/b=2.5일 때, 유량 증가에 따른 유량계수 변화가 가장 적음.
FLOW-3D 모델 검증 및 비교 분석
FLOW-3D 결과와 기존 실험 데이터(Agaccioglu, 1998) 비교 결과 높은 신뢰도(R² > 0.95) 확인.
프루드 수(FrFrFr) 증가에 따른 유량계수 변화 경향이 실험 결과와 유사.
기존 연구와 비교하여 3차원 유체 시뮬레이션이 만곡수로 내 유동 해석에 효과적임을 입증.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D는 횡월류 위어의 유량계수를 산정하는 데 신뢰성 높은 모델임을 입증.
곡률 반경(RcR_cRc)이 작아질수록 유량계수가 감소하지만, 특정 임계값(Rc/b=1.25R_c/b = 1.25Rc/b=1.25 이하) 이후에는 다시 증가.
직선 수로 대비 만곡 수로에서의 유량계수 차이를 보정하는 새로운 유량계수 산정 방법 제안 가능.
향후 연구 방향:
다양한 위어 형상(삼각형, 반원형 등)에 따른 유량계수 변화 연구.
만곡수로에서의 2차 흐름과 와류(Vortex)가 유량계수에 미치는 영향 분석.
실제 하천 및 저류지 적용을 위한 대규모 실험 검증 연구 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 횡월류 위어의 유량계수를 수치적으로 분석하고, 기존 실험 데이터와 비교하여 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 정량적으로 제시하며, 향후 수로 설계 및 홍수 관리 시스템 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
윤세의, 이종태 (1990). 만곡수로에서의 곡률반경 변화에 따른 흐름특성. 한국수문학회지, 23(4), 435-444.
Agaccioglu, H., Yalcin, Y. (1998). Side-Weir Flow in Curved Channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 124(3), 163-175.
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Cheong, H. F. (1991). Discharge coefficient of lateral diversion from trapezoidal channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 117(4), 461-475.
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FLOW-3D를 이용한 강 곡류에서 L자형 Spur Dike 주변 유속 분포에 대한 수리학적 조건 변화의 영향 분석
Figure 7. Distribution of the flow rate around the spur dike with a discharge of 25 liters per second
연구 배경 및 목적
문제 정의
하천에서 침식 및 퇴적 문제는 지속적인 문제로, 강변 보호 및 수로 안정화를 위해 Spur Dike(사석 둑)이 널리 사용됨.
특히, 곡류(river bend)에서는 원심력 및 부차류(secondary flow)로 인해 침식이 심화되므로, 효과적인 구조물 설계가 필수적임.
기존 연구는 주로 직선 수로에서의 Spur Dike 영향을 다루었으며, 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike의 유동 및 침식 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike가 유속 및 침식 패턴에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
Spur Dike의 배치 각도(30°, 45°, 60°, 75°, 90°)와 유량 변화(18, 20, 22, 25 L/s)가 유속 및 난류 강도에 미치는 영향 비교.
최적의 Spur Dike 배치 조건을 도출하여 침식 저감을 위한 설계 지침 제공.
연구 방법
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 특성 모사.
격자(cell) 크기 0.1m, 총 2,061,329개 셀 사용.
경계 조건:
유입부: 실험에서 측정된 유량 조건 적용.
유출부: 하류 수위 적용.
Spur Dike 길이: 15cm, 배치 각도: 30°~90°(15° 간격).
주요 결과
Spur Dike 배치 각도와 유속 분포
Spur Dike의 각도가 작을수록(30°) 유속 및 난류 강도가 높았음.
90° 배치에서는 유속 감소 및 난류 강도 최소화 → 즉, 곡류 후반부의 Spur Dike는 효과가 감소함.
Spur Dike 배치를 30°, 45°, 60°에서 집중하는 것이 효과적이며, 75° 및 90°에서는 추가적인 효과가 미미함.
유량 변화와 침식 영향
유량 증가(18 → 25 L/s) 시, Spur Dike 전면에서 유속 및 난류 강도 증가.
Froude 수 증가 시, Spur Dike 전면 및 하류 침식 심화.
두 개 이상의 Spur Dike가 배치될 경우, 첫 번째 Spur Dike에서 난류 및 침식이 집중됨.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 수치 해석 결과, Spur Dike의 배치 각도에 따라 유속 및 침식 패턴이 크게 달라짐을 확인.
Spur Dike를 30°, 45°, 60°에 배치하는 것이 난류 및 침식을 줄이는 데 효과적.
90°에서 Spur Dike의 영향이 급격히 감소하므로 추가 설치는 비효율적.
유량이 증가할수록 Spur Dike 전면에서 난류가 증가하며, 침식이 심화됨.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
다양한 Spur Dike 형상(T자형, U자형)과 비교 분석.
실제 하천에서의 실험적 검증 수행.
연구의 의의
이 연구는 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike의 유속 및 침식 패턴을 FLOW-3D를 이용해 분석한 연구로, 하천 정비 및 침식 방지를 위한 최적 설계를 위한 기초 데이터를 제공한다.
Figure 7. Distribution of the flow rate around the spur dike with a discharge of 25 liters per second
Figure 8. Flow pattern around the spur dikes in three dimensional form at numerical model
Figure 9. formation of scour and deposition around the spur dike in the original model
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유량 변화에 따른 Froude 수 범위: 1.1≤Fr≤201.1 \leq Fr \leq 201.1≤Fr≤20.
취수구 주변의 유동장 및 와류 발생을 고속 카메라와 유량 측정 센서를 이용하여 분석.
FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션 설정
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면 유동을 모델링.
RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성을 해석.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 취수구 형상을 정밀 모델링.
격자(Grid) 설정 최적화:
외부 영역(Grid size = 0.1m).
내부 영역(Grid size = 0.07m, 취수구 주변 고해상도 적용).
LES(Large Eddy Simulation) 모델 적용 시 해석 정확도가 향상됨을 확인.
주요 결과
임계 침수 깊이(Critical Submergence Depth) 분석
Froude 수, Weber 수, Reynolds 수가 증가할수록 임계 침수 깊이(Sc/Di) 증가.
취수구 직경(Di)가 증가할수록 임계 침수 깊이가 감소하는 경향을 보임.
Sc/Di 값이 실험 결과와 비교했을 때 평균 오차 5~10% 이내로 높은 정확도 확인.
유동 패턴 및 난류 강도 분석
취수구 주변 와류 강도는 Froude 수 증가 시 급격히 증가.
LES 난류 모델 적용 시 난류 해석 정확도가 향상됨을 확인.
SSIIM 모델과 비교한 결과, FLOW-3D가 더 정밀한 유동 분석 결과를 제공.
최적 침수 깊이 산정 식 도출
실험 및 시뮬레이션 데이터를 기반으로 임계 침수 깊이(Sc)를 예측하는 새로운 경험식 도출:
Froude 수(Fr), Reynolds 수(Re), Weber 수(We) 등과 취수구 직경(Di) 간의 관계를 포함하는 포괄적인 모델을 제안.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 시뮬레이션이 수평 취수구에서 와류 형성을 방지하는 임계 침수 깊이 예측에 유용함을 입증.
Froude 수, Weber 수, Reynolds 수와 취수구 직경 간의 정량적 관계를 도출하여 설계 기준을 제공.
LES 난류 모델 적용 시 해석 정확도가 증가하므로, 향후 연구에서는 더욱 정밀한 난류 모델 활용 필요.
향후 연구 방향:
다양한 취수구 형상(수직, 사각형 등)에 따른 침수 깊이 변화 연구.
대형 취수구 및 댐 취수 시스템 적용을 위한 현장 검증 실험 수행.
AI 및 머신러닝 기법을 활용한 실시간 취수구 설계 최적화 연구.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 수평 취수구에서 와류 형성을 방지하기 위한 최적 침수 깊이를 도출하고, 기존 실험 데이터를 기반으로 정량적 관계를 검증하였다. 이를 통해 수력 발전소, 농업용 관개 및 산업용 취수 시스템 설계 시 실질적인 엔지니어링 데이터를 제공할 수 있음을 입증하였다.
Figure 2. Vortex strength scale used by Dargin and Anderson for classification of free surface vortices at intakes
Figure 4. Vortex formation and Critical submergence with coarse mesh
Figure 5b. Vorticity magnitude contours in Critical submergence depth
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광정수로 위어(broad-crested weir)는 수위 조절, 유량 측정 및 에너지 감쇠에 널리 사용되는 수리학적 구조물임.
기존 실험 연구는 비용이 높고 시간이 소요되므로 FLOW-3D를 이용한 CFD(전산유체역학) 기반 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 사용하여 다양한 상·하류 경사 조건에서 광정수로 위어의 유동 특성을 수치적으로 분석.
방출 계수(discharge coefficient, Cd), 에너지 등고선(energy grade line, H1) 및 평균 유속을 계산하여 위어 형상의 영향을 평가.
실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D의 예측 정확도를 검증.
연구 방법
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
Navier-Stokes 방정식 기반의 유체 거동 해석 수행.
난류 모델: k-ε 모델 적용.
경계 조건:
유입: 부피 유량 조건(volumetric flow rate).
유출: 지정 압력 조건(specified pressure).
벽면: No-slip 조건 적용.
메쉬 크기: FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 적절한 격자 크기 선정.
실험 및 검증 방법
실험 모델: 수평 유량 수조(flume) 내 다양한 위어 형상 실험.
위어 유형: 네 가지 형상(ARB, BRA, VRB, BRV) 비교 분석.
유량(Q): 0.004~0.018 m³/s 범위에서 분석 수행.
주요 결과
방출 계수(Cd) 분석
유입면의 경사가 증가할수록 방출 계수 Cd가 감소.
Cd 값의 변동 범위: Hager 공식 적용 시 높은 Cd 값, Bazin 공식 적용 시 Cd 값이 선형적으로 증가하는 경향 확인.
유량 증가 시 Cd 값도 점진적으로 증가, 그러나 하류 경사는 Cd에 미미한 영향을 미침.
에너지 등고선(H1) 및 유속 분석
유입 경사가 증가할수록 에너지 등고선(H1) 값이 증가하여 흐름 저항 증가.
하류 경사는 H1 값에 거의 영향을 주지 않음.
유속 분석 결과, 같은 유량에서 유입 경사가 작을수록 흐름 속도가 감소.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D는 광정수로 위어의 유동 특성을 정확하게 예측할 수 있음.
유입 경사가 증가할수록 방출 계수 감소 및 유속 증가, 반면 하류 경사는 유동 특성에 거의 영향을 미치지 않음.
Cd 값은 Bazin 공식이 Hager 공식보다 실험값과 더 높은 일치도를 보임.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과 비교 연구.
다양한 위어 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 하천 환경에서의 적용 가능성 연구.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 광정수로 위어의 유동 및 방출 계수를 정량적으로 분석하고, CFD 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수리학적 설계 최적화를 위한 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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스키점프형 여수로는 유속이 20m/s를 초과할 때 사용되는 중요한 구조물이며, 에너지 소산을 위한 핵심 설계 요소임.
기존의 물리 실험은 비용이 높고 시간이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 통한 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 스키점프형 여수로의 유동 특성을 수치적으로 분석.
실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
여수로의 제트 궤적(jet trajectory), 압력 분포 및 에너지 소산 특성 분석.
연구 방법
실험 및 수치 모델 개요
연구 대상: IS 7365 (2010) 표준을 따른 전통적인 스키점프형 여수로.
실험 조건:
수로 크기: 폭 0.30m, 깊이 0.30m, 길이 6m의 유리제 수리 실험 수로.
연속된 곡면 립(lip) 각도 35°, 반경 0.0915m.
유량(Q): 0.00431 ~ 0.00962 m³/s 범위.
FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 장애물 영역 설정.
경계 조건:
유입: 지정 속도 조건.
유출: 지정 압력 조건.
벽면: No-slip 조건 적용.
주요 결과
유동 및 에너지 소산 특성 분석
스키점프형 여수로에서 유동이 곡면을 따라 흐르면서 에너지가 점진적으로 소산됨.
FLOW-3D 결과와 실험 데이터의 에너지 소산율 비교
최대 오차율 15.69%로 나타났으며, 실험과 높은 일치도를 보임.
유량이 증가할수록 에너지 소산율이 감소하는 경향 확인.
제트 궤적 및 압력 분포 분석
시뮬레이션 결과와 실험값이 3D 유동장 및 압력 분포에서 일치함을 확인.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 스키점프형 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 효과적으로 예측 가능.
유량 변화에 따른 에너지 소산율 감소 경향을 확인하였으며, 추가적인 최적화 연구 필요.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 분석 수행.
다양한 여수로 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 댐 적용 사례와 비교 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 스키점프형 여수로의 유동 및 에너지 소산 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 댐 설계 및 홍수 방지 인프라 구축에 중요한 데이터와 분석 방법을 제공한다.
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FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 다양한 모양의 교각 주변의 국부적인 세굴에 대한 수치적 연구
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry
연구 배경 및 목적
문제 정의
세굴은 흐르는 물의 침식 작용으로 인해 하천의 바닥과 제방에서 발생하는 자연적인 현상이다.
본 연구에서는 FLOW-3D를 사용하여 교각 주변의 세굴 지형, 깊이 및 퇴적을 정확하게 예측할 수 있는지 조사하고자 한다.
비점착성 하상 퇴적물의 세굴을 시뮬레이션하고 정성적 및 정량적 분석을 제시한다.
RANS(Reynolds Average Navier Stokes) 방정식과 k-ε 모델 및 2차 정확도의 난류 방법을 사용한다.
연구 목적
다양한 모양(원형, 사각형, 다이아몬드형, 육각형, 에어포일형)의 교각에 대한 세굴 깊이를 비교 분석한다.
시간 변화에 따른 세굴 깊이의 변화를 검증한다.
교각 주변의 속도 분포를 분석한다.
세굴 깊이를 줄이기 위한 대책(collar 설치)의 효과를 평가한다.
연구 방법
수치 모델(FLOW-3D) 설정
RANS(Reynolds Average Navier Stokes) 방정식과 k-ε 모델을 사용하여 난류를 모델링한다.
VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유 표면 흐름을 추적한다.
비점착성 모래의 세굴을 시뮬레이션하기 위해 적절한 경계 조건과 물리적 모델을 설정한다.
다양한 모양의 교각(원형, 사각형, 다이아몬드형, 육각형, 에어포일형)에 대한 3D 모델을 생성한다.
격자 독립성 테스트를 수행하여 적절한 격자 크기를 결정한다.
주요 결과
원형 교각의 경우 다른 모양에 비해 세굴 깊이가 만족스러운 결과를 보였다.
에어포일 모양의 경우 예상보다 세굴이 훨씬 크게 발생했다.
교각의 업스트림에서 다운스트림보다 세굴이 더 크게 발생했다.
FLOW-3D 소프트웨어는 세굴 깊이를 예측하는 데 몇 가지 제한사항이 있는 것으로 나타났다.
collar를 설치하면 세굴 깊이가 감소하는 것을 확인했다.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D는 교각 주변의 세굴 현상을 시뮬레이션하는 데 유용한 도구임을 확인했다.
교각 모양은 세굴 깊이에 큰 영향을 미치며, 원형 교각이 가장 안정적인 것으로 나타났다.
collar 설치는 세굴 깊이를 줄이는 효과적인 방법이다.
향후 연구 방향
다양한 흐름 조건과 토사 조건에 대한 추가 연구가 필요하다.
FLOW-3D의 세굴 예측 정확도를 향상시키기 위한 모델 개선이 필요하다.
실제 교량에 대한 적용 가능성을 평가하기 위한 현장 연구가 필요하다.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 교각 주변의 세굴 현상을 분석하고, 다양한 교각 모양과 collar 설치 효과를 비교 평가했다.
연구 결과는 교량 설계 및 유지 관리에 유용한 정보를 제공하며, 향후 교량 안전성 향상에 기여할 수 있다.
Figure 5~6 Horse shoe and wake vortex around a cylinderical element
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry (a) circular pier (b) square pier and (c) diamond pier
Figure 23 scouring depth at equilibrium condition in 3D geometry (d) hexagonal pier and (e) airfoil pier
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이론적 공식, 실험 및 3D 수치 모델링을 통한 여수로 유량 곡선 연구 – 인도네시아 리암 키와 댐 사례 연구
Figure 7. Scenario 2 View of flow over the spillway crest experiment (upper) and FLOW-3D (lower)
연구 배경 및 목적
문제 정의
리암 키와 댐(Riam Kiwa Dam)은 홍수 조절 및 농업·음용수를 공급하기 위해 인도네시아에 건설될 예정임.
댐의 여수로(spillway)는 2개의 비가동(uncontrolled) 및 5개의 가동(gated) 여수로로 구성되며, 총 길이는 77.5m.
기존 설계는 경험적·이론적 공식을 사용하여 수행되었으며, 이러한 공식은 1D 흐름을 가정하여 실제 복잡한 유동 특성을 완전히 반영하지 못하는 한계가 있음.
물리적 모델 실험 및 3D 수치 모델링(FLOW-3D)을 통해 기존 공식의 한계를 보완하고, 보다 정확한 유량 곡선을 도출하는 것이 필요.
연구 목적
이론적 공식, 실험, 3D 수치 모델링(FLOW-3D)을 이용하여 여수로 유량 곡선을 비교·분석.
실제 실험과 수치 해석을 결합하여 모델의 신뢰성을 평가하고, 댐 설계 최적화를 위한 방향성을 제시.
여수로 개폐 조건(Scenario 1: 폐쇄, Scenario 2: 개방)에 따른 유량 곡선 변화를 검토.
연구 방법
실험 모델
실험실에서 1:50 축척의 물리적 모델 구축.
프루드 유사성(Froude similarity) 적용하여 축척 모델과 실제 구조물의 동역학적 유사성을 확보.
실험 데이터: 수위(water depth) 및 유속(velocity) 측정.
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법 적용하여 자유 표면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 특성 모사.
격자(cell) 크기 0.1m, 총 2,061,329개 셀 사용.
경계 조건:
유입부: 실험에서 측정된 유량 조건 적용.
유출부: 하류 수위 적용.
이론적 공식 적용
경험적 방정식:
Q = 유량(m³/s)
C = 방류 계수(2.1)
B = 여수로 길이(m)
H = 총 에너지 수두(m)
주요 결과
Scenario 1 (모든 가동 여수로 폐쇄 시)
실험, 이론적 공식, FLOW-3D 비교 결과:
낮은 유량(수위 150.5m 이하)에서는 이론적 공식 및 FLOW-3D 모두 오차율 10% 이상 발생.
높은 유량(수위 152m 이상)에서는 이론적 공식과 FLOW-3D의 정확도가 향상(오차율 <10%).
FLOW-3D가 실험 결과와 더 유사한 경향을 보임.
Scenario 2 (모든 가동 여수로 개방 시)
실험, 이론적 공식, FLOW-3D 비교 결과:
낮은 유량(수위 146m 이하)에서는 오차율 10% 이상.
수위 147.5m부터 FLOW-3D가 이론적 공식보다 더 높은 정확도를 보임.
고유량(수위 154m 이상)에서는 두 모델 모두 정확도가 향상(오차율 <10%).
결론 및 향후 연구
결론
낮은 유량에서는 이론적 공식과 FLOW-3D 모두 정확도가 낮았으나, 높은 유량에서는 정확도가 개선됨.
FLOW-3D는 이론적 공식보다 실험과 더 유사한 결과를 도출하여 보다 정밀한 해석이 가능함을 확인.
수치 모델링을 활용하면 실험 비용을 절감할 수 있으며, 실제 설계 최적화에 기여할 수 있음.
향후 연구 방향
스케일 효과(Scale Effect) 분석을 통한 실험·수치 모델링 정밀도 향상.
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
비가동 및 가동 여수로의 유량 최적화를 위한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 이론적 공식, 실험, 수치 모델링을 결합하여 여수로 유량 곡선을 분석한 연구로서, 향후 댐 설계 및 홍수 조절 시스템 최적화에 실질적으로 기여할 수 있는 데이터를 제공한다.
Figure 5. Discharge rating curve for Scenario 1 and Scenario 2
Figure 6. Scenario 1 View of flow over the spillway crest experiment (upper) and FLOW-3D (lower)
Figure 7. Scenario 2 View of flow over the spillway crest experiment (upper) and FLOW-3D (lower)
References
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Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
연구 배경 및 목적
문제 정의
댐 구조물의 필수적인 요소 중 하나인 여수로(spillway)는 홍수 방류 시 댐을 보호하는 중요한 역할을 수행함.
기존의 오지(ogee)형 여수로와 달리, 계단형 여수로(stepped spillway)는 유체의 에너지 소산을 증가시켜 캐비테이션(cavitation) 위험을 감소시키는 장점이 있음.
계단형 여수로에서 유동 형태(nappe flow, transition flow, skimming flow)가 다르게 나타나며, 유속, 압력, 공기 유입 등의 변화가 발생함.
연구 목적
Flow-3D를 활용하여 계단형 여수로에서의 난류 유동을 수치적으로 해석하고 실험 결과와 비교.
여수로 경사의 변화가 공기 유입(air entrainment), 유속 분포(velocity distribution), 동압(dynamic pressure)에 미치는 영향을 분석.
다양한 유량 조건에서 수치 해석 결과와 기존 실험 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
수치 해석 설정
CFD(전산유체역학) 모델: Flow-3D 사용
난류 모델: RNG k-ε 모델 적용
자유 수면 추적: VOF(Volume of Fluid) 기법 활용
격자 설정: 직교 격자(orthogonal mesh) 사용, 셀 크기 0.015m
모델 실험 조건:
경사 변화: 50° → 30° 및 50° → 18.6°
단수(step height): 0.06m
유량 조건: 0.1 m³/s 및 0.235 m³/s
주요 결과
공기 유입(air entrainment) 및 유속 분포 분석
경사 변화 후 공기 유입 증가 → 동일 유량에서 계단 경사가 낮을수록 공기 함유량 상승.
실험 결과와 비교 시 모델의 공기 유입 예측이 높은 신뢰도를 가짐.
유속 분포 분석 결과, 계단 경사 감소 시 유속이 더 균일하게 분포하며 난류 발생이 감소.
동압(dynamic pressure) 분석
실험 데이터와 비교 시 경사 변화 전후 압력 분포가 유사한 경향을 보임.
경사 변화 후, 계단면의 압력 변동이 증가하나, 전체적인 패턴은 실험 결과와 잘 일치.
실험 데이터 대비 압력 차이는 10% 이내로 나타남.
결론 및 향후 연구
결론
Flow-3D를 활용한 계단형 여수로의 수치 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성이 검증됨.
경사 변화가 공기 유입과 유속 분포에 큰 영향을 미치며, 유량 조건에 따라 최적 설계가 필요.
계단형 여수로 설계 시, 경사와 유량 조건을 고려하여 최적의 유동 상태를 확보하는 것이 중요함.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델 적용을 통한 세밀한 유동 해석.
다양한 계단 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 댐 및 홍수 방류 시스템 적용을 위한 현장 실험 데이터와 비교 연구.
연구의 의의
이 연구는 Flow-3D를 활용하여 계단형 여수로의 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 여수로 설계 최적화 및 댐 안전성 향상을 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 1 Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016)
Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
Figure 5 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number
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FLOW-3D 수치 모델의 검증: 소형 수력 발전소(SHPP) 터빈 취수구 구조의 물리적 유압 모델과의 비교 및 실용적 활용
Fig. 8. Proposed form of the intake bottom
연구 배경 및 목적
문제 정의:
드라바 강(Drava River) 유역의 Zlatoličje 수력 발전소(HPP)에서 Melje 소형 수력 발전소(SHPP)의 터빈 취수구 구조물을 건설할 계획이 진행됨.
소형 수력 발전소는 생태 유량(Biological Minimum Discharge)을 활용하여 전력을 생산하므로 효율적인 취수구 설계가 필수적.
물리적 유압 모델은 비용이 높아 대신 FLOW-3D 기반의 3D 수치 모델을 활용하여 취수구 구조 검증 수행.
물리적 모델과 수치 모델을 병행 검증하여 최적 설계 도출.
연구 방법
물리적 유압 모델 구축
모형 제작:
Zlatoličje HPP의 도수로(Headrace Channel) 및 SHPP Melje의 취수구 구조를 1:20 축척으로 제작.
도수로 구간(길이 120m) 중 상류 39m, 하류 54m 포함하여 취수구와 자유 표면 흐름에서 압력 흐름으로 전환되는 구간까지 재현.
경계 조건 설정:
Zlatoličje HPP 총 유량(QZLAT) = 530 m³/s.
SHPP Melje 최소 유량(QSHPP) = 20 m³/s (해수면 기준 고도 252.90m).
SHPP Melje 최대 유량(QSHPP) = 20 m³/s (고도 253.30m).
실험은 2003년 현장 유량 측정 데이터 및 2D 수치 모델(SMS-RMA2) 결과를 반영하여 수행.
연구 목표:
취수구 설계 형태의 유압 효율성 검증 및 최적화 수행.
취수구 각 요소(상류 모서리, 하류 모서리, 피어 배치, 취수구 하부 형상)의 수리적 성능 분석.
유량 측정, 속도 측정, 수두 분포 측정을 통한 최적 설계 도출.
FLOW-3D 기반 수치 모델 구축
3D 지오메트리 생성:
ACAD에서 모델링 후 STL 파일로 변환, FLOW-3D 내 유한체적 격자(Finite Volume Mesh) 생성.
모델 영역을 3개 블록으로 구분하여 격자 최적화:
블록 1: 15,000개 셀 (Δx = 1m, Δy = 1m, Δz = 0.2m).
블록 2: 480,000개 셀 (Δx = 0.5m, Δy = 0.5m, Δz = 0.2m).
블록 3: 719,200개 셀 (Δx = 0.25m, Δy = 0.25m, Δz = 0.1m).
경계 조건 설정:
블록 1: 유량 조건 (Vz 유량).
블록 2: 실험 모델의 수위 측정값 반영.
블록 3: 유량 조건 적용하여 최종 배출 경계 설정.
수치 해석 방법:
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 적용.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 이용하여 취수구 형상 정밀 재현.
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 활용하여 자유 표면 흐름 해석.
주요 결과
물리적 모델 분석 결과
상류 모서리(Upstream Corner)
초기 설계에서는 소규모 역류(Return Flow) 발생 확인됨.
모서리를 둥글게 수정(Rounding-Off)하면 역류가 감소하고 흐름이 원활해짐.
피어 배치(Orientation of Piers)
초기 설계에서는 중앙 및 하류 피어의 방향이 불규칙하여 난류(Turbulence Zone) 발생.
피어 방향을 조정하면 유동 저항 감소 및 수두 손실 최소화 가능.
하류 모서리(Downstream Corner)
기존 설계에서는 흐름이 분기되면서 정체 영역(Dead Zone) 형성.
하류 벽 기하 구조를 조정하여 유동 저항을 줄이고 정체 영역 제거 가능.
취수구 하부(Intake Bottom)
기존 설계에서는 트래시 랙(Trashrack) 이후 수평 소용돌이(Vortex) 발생.
하부를 완만한 기울기로 변경하면 흐름이 원활해지고 압력 손실 감소.
FLOW-3D 수치 모델 분석 결과
수치 모델 결과가 물리적 모델과 유사한 패턴을 보이며 신뢰성 검증됨.
취수구 하부 유동을 비교한 결과:
기존 설계에서는 트래시 랙 이후 역류 발생.
최적화 설계에서는 유선(Streamline)이 원활하게 진행되며 역류 제거됨.
속도 분포 비교:
3D ADV(Acoustic Doppler Velocimeter) 측정 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과 비교 시 평균 오차 5% 이내.
특정 지점에서는 수치 모델이 실측 데이터보다 속도를 과소평가하는 경향 확인됨.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 수치 모델이 취수구 설계 최적화에 유용하게 활용 가능함을 입증.
피어 방향 최적화, 하류 벽 기하 수정, 취수구 하부 형상 변경을 통해 수두 손실 최소화 가능.
물리적 모델을 병행 활용하면 정밀한 취수구 설계 검증이 가능.
FLOW-3D는 최적화 도구로 유용하지만, 정밀한 조정에는 물리적 모델 병행 필요.
향후 연구 방향:
곡선 좌표 시스템 적용이 가능한 CFD 모델 개발 필요.
더 정밀한 유량 조건 설정을 위한 추가 데이터 확보 필요.
실제 발전소 운영 데이터와의 비교 연구 수행 필요.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 기반 수치 모델을 활용하여 소형 수력 발전소의 취수구 설계를 최적화할 수 있음을 입증하였으며, 물리적 모델과의 비교를 통해 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이는 수력 발전소 설계 최적화 및 효율 향상을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공할 수 있다.
Fig. 3. Proposed intake form
Fig. 5. Proposed form of the intake bottom
Fig. 8. Proposed form of the intake bottom
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Flow-3D를 이용한 다양한 중간 사이클을 갖는 사다리꼴 아치형 미로 위어의 방류 계수 수치 해석
Fig. 8 Pattern of flow running over the trapezoidal labyrinth weir
연구 배경 및 목적
문제 정의
기존의 선형 위어(linear weir)는 폭이 제한적이기 때문에 방류 용량이 낮은 단점이 있음.
미로 위어(labyrinth weir)는 동일한 수두(hydraulic head) 조건에서 보다 긴 크레스트 길이를 제공하여 방류 용량을 증가시키는 효과적인 방법임.
특히 사다리꼴 아치형 미로 위어(trapezoidal arced labyrinth weir)는 공간 제약이 있는 댐 구조물에서 높은 효율을 보이는 설계 방식임.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 다양한 아크 반경(R/w1)을 가진 사다리꼴 아치형 미로 위어의 방류 계수(discharge coefficient)를 수치적으로 분석.
실험실 실험 결과와 비교하여 수치 모델의 신뢰성을 검증.
위어 설계 변수(아크 반경, 사이클 수 등)가 방류 계수에 미치는 영향을 규명.
연구 방법
실험 모델 및 수치 시뮬레이션 설정
실험은 길이 12m, 폭 0.6m, 높이 0.6m의 개수로(rectangular flume)에서 수행됨.
FLOW-3D를 활용하여 3차원 유체 해석 수행.
난류 모델: k-ω 모델 사용.
자유 수면 추적: VOF(Volume of Fluid) 기법 적용.
실험 조건: 아크 반경 비(R/w1) = 5, 10, 15에 대해 분석 수행.
주요 결과
수치 해석과 실험 결과 비교
전반적으로 수치 해석 결과가 실험 데이터와 유사한 경향을 보였음.
수치 해석 결과의 방류 계수 값이 실험보다 다소 낮게 나타남.
아크 반경이 증가할수록 수치 해석 결과와 실험값 간의 차이가 커짐(R/w1=5에서는 1.2% 차이, R/w1=15에서는 18.9% 차이 발생).
방류 계수 변화 분석
수두가 증가할수록 방류 계수 감소 → 이는 공기 유입 및 난류 효과 때문임.
아크 반경 증가 시 방류 계수 상승 → 수리학적 효율성이 높아짐.
최적 설계를 위해서는 적절한 아크 반경과 사이클 수 조합이 필요.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션이 미로 위어의 방류 계수를 예측하는 데 효과적임을 확인.
수치 모델과 실험 모델 간의 차이는 아크 반경 증가 시 더욱 두드러짐, 이는 난류 모델의 한계 때문일 가능성이 큼.
사다리꼴 아치형 미로 위어는 기존 위어 대비 높은 방류 성능을 제공하며, 제한된 공간에서의 수리학적 설계에 유리함.
향후 연구 방향
다양한 난류 모델(RNG k-ε, LES)과 비교 분석 수행.
위어 형상 및 경계 조건을 추가적으로 최적화하여 방류 성능 향상.
실제 댐 및 수로 구조물에 적용하여 현장 데이터와 비교 검증.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 사다리꼴 아치형 미로 위어의 방류 성능을 정량적으로 평가하고, 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 향후 위어 설계 최적화 및 실용적 적용 가능성을 높이는 기초 데이터로 활용될 수 있음.
Fig. 1 The trapezoidal arced labyrinth weir with different middle cycles and its parameters (present study)
Fig. 3 A view of the trapezoidal arced labyrinth weirs
Fig. 8 Pattern of flow running over the trapezoidal labyrinth weir
References
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소수력 발전소는 발전량을 최대화하기 위해 규모를 크게 하는 것이 바람직하지만, 방류수로의 기능을 저해하지 않는 범위 내에서 결정해야 함
따라서 적정 규모를 결정하기 위해서는 수리학적 고려가 필요
본 연구에서는 현재 방류수로의 흐름 특성 자료를 이용하여 3차원 흐름 모형인 FLOW-3D 모형을 구축하고, 구축된 모형을 이용하여 소수력 발전소의 규모에 따른 방류수로 상류 지점의 수위 증가 양상을 예측하고, 발전소 건설에 따른 흐름 변화 양상을 분석하는 것을 목적으로 함
연구 방법
삼천포 소수력발전 실용화 기술사업의 일환으로 관측된 방류수로 및 방류해역의 흐름자료 및 선정된 대안에 대하여 댐의 규모(높이, 가동보 설치 규모)에 따른 방류수로의 수위변화를 예측하기 위하여 FLOW-3D 흐름 모형을 구축
구축된 모형을 이용하여 다양한 설계조건(주로, 발전시설 우안에 설치되는 냉각수 방류량 월류를 위한 가동보의 높이 변화)에 대한 방류수로의 수위 및 유속변화 양상을 예측·분석했으며, 최적의 소수력 발전소 규모 결정에 필요한 검토자료로 이용
FLOW-3D 모형은 댐 여수로의 흐름 해석을 포함하여 다양한 수리 구조물에서의 흐름 해석에 널리 활용되고 있는 모형으로, 적절한 모형의 보정 및 검증만 수행된다면 매우 정확하게 흐름장을 재현할 수 있기 때문에 수리 실험 대체 수단으로의 가능성이 검토되고 있음
연구 결과
삼천포 소수력발전소 건설은 상류의 수위 증가를 유발하며, 설계 유량 156톤/초, 발전소 가동보 높이 3.8m 기준에 대한 방류수로 Weir 상류지점의 수위는 4.97m로 현 상태 4.32m보다 65cm 정도 증가하는 것으로 파악됨
Reference
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Manitoba Hydro는 기존 발전소의 효율성을 개선하는 Supply Efficiency Improvement Program을 진행 중임.
Kelsey 발전소(224MW)는 Upper Nelson River에 위치하며, 7개의 발전 유닛을 보유.
발전소 입구 채널에는 암반 장애물(rock knob)이 존재하여 비균일한 유동을 발생시키며, 특히 유닛 6, 7의 효율에 영향을 미침.
터빈 재설치(re-runnering) 후 유량이 1700m³/s에서 2200m³/s로 증가할 것으로 예상되므로, 최적의 유입 유동 조건 평가가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 Kelsey 발전소의 기존 및 개선된 유입 유동을 시뮬레이션.
발전소 입구에서 발생하는 유속 분포를 분석하여 터빈 제조업체에 제공.
암반 장애물의 영향을 평가하고, 재설치 후 유량 증가에 따른 유동 변화를 분석.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
FLOW-3D를 사용하여 3차원 수치 모델을 구축.
발전소 설계도면을 기반으로 주요 입구 구성 요소를 모델링, 단 작은 구조물(트래시 랙, 게이트 가이드 등)은 제외.
세 가지 운영 시나리오(Case 1~3) 설정:
Case 1: 유닛 1~7 전부 재설치 후 완전 개방(Full Gate, FG)
Case 2: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 상태 유지(FG)
Case 3: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 최적 게이트(Best Gate, BG)
경계 조건:
상류: 일정 수위 조건 적용
하류: 질량 소모(mass sink) 방식 사용하여 발전기 유량 반영
격자 설정:
입구 채널은 상대적으로 큰 격자 사용, 발전소 입구는 세밀한 격자로 설정하여 정확도 향상.
주요 결과
유동 특성 분석
Case 1(전 유닛 재설치)에서 유속 분포가 가장 균일하게 나타남.
Case 2, 3에서는 암반 장애물로 인해 유닛 6, 7에서 강한 와류(vortex) 형성, 이는 효율 저하 가능성이 있음.
실제 1990년 현장 실험과 비교 시, 모델링 결과가 높은 정확도로 일치.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 모델이 Kelsey 발전소 유입부 유속 분포를 정확히 재현 가능함을 확인.
암반 장애물이 유닛 6, 7의 유동을 왜곡하며, 터빈 효율을 저하시킬 가능성이 있음.
터빈 제조업체가 최적 설계를 수행할 수 있도록 유속 데이터를 제공.
향후 연구 방향
터빈 재설치 후 실측 데이터와 모델 비교 검증.
암반 장애물 제거 또는 유동 개선 방안 연구.
다른 발전소 적용을 위한 추가적인 CFD 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 발전소 유입부 유동을 분석하고, 터빈 재설치 후 유동 변화를 예측하는 기법을 제시하였다. 이를 통해 발전소 운영 효율을 극대화하고, 최적 설계를 지원할 수 있는 유용한 데이터를 제공하였다.
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Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
FLOW-3D를 이용한 피아노 키 위어(PKW)의 기초 코(Nose) 형상이 유동 수력학에 미치는 영향에 대한 실험적 및 수치적 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의:
위어(Weir)는 댐에서 과도한 수량을 조절하고 배수 네트워크에서 유량을 조절하는 필수적인 구조물이다.
특히 피아노 키 위어(Piano Key Weir, PKW)는 기존 위어보다 효율적인 방류 성능을 제공하는 구조적 개선이 이루어진 형태이다.
PKW의 방류 효율을 결정하는 주요 요소 중 하나는 기초 코(Base Nose)의 형상이다.
기초 코의 형태 변화가 유동 패턴, 유량, 방류 계수(Cd) 등에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 수치적으로 시뮬레이션할 필요가 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 PKW의 다양한 기초 코 형상(평평, 삼각형, 반원형, 방추형)이 수리학적 특성에 미치는 영향 분석.
실험 데이터와 수치 모델의 비교 검증을 통해 FLOW-3D의 신뢰성 평가.
PKW의 방류 효율을 극대화할 수 있는 최적의 기초 코 형상 제시.
연구 방법
실험 설정 및 물리 모델 구축
실험실 환경: Bou Ali Sina University의 유체 실험실에서 실험 수행.
PKW 모델 제작: 0.6cm 두께의 아크릴판을 레이저 절단 후 접착하여 제작.
유량 측정: 디지털 초음파 유량계를 이용하여 측정 및 검증.
유입-유출 키 폭 비(Wi/Wo) 변화 실험: 0.71, 0.83, 1.0, 1.2, 1.4의 5가지 비율 적용.
기초 코 형상: 평평(Flat), 삼각형(Triangular), 반원형(Semi-Cylindrical), 방추형(Spindle) 총 4가지 모델 비교.
수치 시뮬레이션 설정
FLOW-3D를 사용하여 PKW 모델링 및 유동 시뮬레이션 수행.
메싱(Grid) 최적화: 약 250만 개의 셀로 모델링하여 정확도 향상.
RNG k-ε 난류 모델 적용하여 난류 흐름을 해석.
수치 모델과 실험 데이터를 비교하여 오차 분석 수행.
주요 결과
기초 코 형상에 따른 방류 효율 비교
PKW1.2S(방추형 기초 코) 모델이 가장 높은 방류 계수(Cd) 기록.
PKW1.2TR(삼각형 코) 모델이 두 번째로 높은 방류 효율을 보이며, 반원형과 평평한 코 모델보다 우수한 성능.
PKW1.2 및 PKW1.2CL(반원형) 모델은 흐름의 급격한 변형과 와류 증가로 인해 방류 효율이 감소.
PKW1.2S와 PKW1.2TR 모델은 PKW1.2(평평한 코) 대비 Cd가 각각 27%, 20% 증가.
유동 패턴 및 난류 분석
기초 코 형상이 방류 패턴에 영향을 미쳐 흐름의 방향과 세기가 달라짐.
PKW1.2(평평한 코)는 유출 키와 충돌하는 순간 흐름이 급격히 방해받아 유속과 방류 효율 감소.
PKW1.2S(방추형 코) 모델에서는 유속 변화가 완만하며 흐름이 원활히 배출됨.
난류 강도가 감소하고 흐름의 에너지 손실이 최소화됨으로써 최적의 방류 성능 확보.
수치 시뮬레이션 검증 및 오차 분석
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 비교 결과 높은 일치도 확인.
방류 계수(Cd), 수두(H), 방류량(Q)의 오차 분석 결과 평균 RMSE < 0.005, MAE < 0.002로 매우 낮은 값 기록.
모델의 결정 계수(R²) 값이 0.98 이상으로, 실험 데이터와의 높은 상관관계 입증.
결론 및 향후 연구
결론:
기초 코 형상 변화가 PKW의 방류 성능에 중요한 영향을 미침.
방추형(Spindle) 기초 코를 적용한 PKW1.2S 모델이 가장 높은 방류 효율을 보이며, 기존 평평한 코보다 27% 향상.
삼각형 기초 코(PKW1.2TR)도 방류 효율을 20% 증가시키며 우수한 대안으로 제시 가능.
FLOW-3D 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하여 위어 설계 최적화 도구로 활용 가능.
향후 연구 방향:
다양한 유입-유출 키 폭 비(Wi/Wo)에 대한 추가 연구 수행.
다양한 유량 조건에서 방류 효율 최적화 연구 진행.
실제 댐 및 하천에서 적용할 수 있는 대형 PKW 모델에 대한 수치적 연구 확장.
연구의 의의
본 연구는 PKW의 기초 코 형상이 방류 성능에 미치는 영향을 실험적 및 수치적으로 분석하여 최적 설계를 제안하였으며, FLOW-3D를 활용한 수치 해석 기법이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보임을 입증하였다. 이는 댐 및 수리 구조물 설계 시 방류 효율 향상을 위한 설계 지침을 제공할 수 있다.
Figure (4) Schematic Representation of PKW with base noses shape, Showcasing Variations in Nose Designs
Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
Figure (18) Cross-Sectional View of Stream Lines and Contours Representing Average Flow Velocity in Models with Various Nose shapes, Focused at the Center of the Nose
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Fig. 4. Pressure value according to the 6 different discharges (a) Case 1 (Discharge 56.57cms)
Flow-3D를 이용한 다목적 수로 터널의 마찰 손실 산정
연구 배경 및 목적
문제 정의:
최근 기후변화로 인해 극한 홍수 발생 빈도가 증가하고 있으며, 도시 유역의 배수시설 용량 부족으로 도시 홍수가 빈번하게 발생함.
홍수를 방지하기 위해 수로 터널을 개발하여 범람 지역의 홍수량을 우회 또는 저류하는 방식이 필요함.
기존의 수로 터널과 다르게 도로 기능과 배수 기능을 동시에 수행하는 **다목적 수로 터널(multi-purpose stormwater tunnel)**이 제안됨.
연구 목적:
Flow-3D를 활용하여 다기능 수로 터널의 마찰 손실(friction loss)을 수치적으로 분석.
실험 및 이론식과 비교하여 마찰 손실 예측 정확도를 평가.
터널 형상이 마찰 손실에 미치는 영향을 분석하여 설계 시 고려해야 할 사항을 도출.
연구 방법
수치 모델링 및 실험 개요
SMART 터널(말레이시아) Mode I을 참고하여 수로 터널 설계 적용.
FLOW-3D를 이용한 3D 수치 시뮬레이션 수행:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 흐름을 모델링.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
Darcy-Weisbach 공식을 적용하여 마찰 손실 계산.
경계 조건 및 격자 설정
입출구 경계 조건:
유입: 유량 경계 조건 (Discharge = 56.57 ~ 150.0 m³/s).
유출: 자유 유출 경계 조건 적용.
격자 수: 3,963,280개의 격자를 사용하여 비원형 단면의 영향을 정밀 분석.
마찰 손실 계산 방법
마찰 손실계수 산정:
실험 데이터(Kim et al., 2016)와 비교하여 수치 모델 검증.
이론적 원형 관 마찰 손실 값과 비교하여 터널 형상의 영향을 분석.
베르누이 방정식과 Darcy-Weisbach 공식을 활용하여 마찰 손실 계수 도출.
주요 결과
마찰 손실 분석
비원형 단면 터널에서는 원형 관보다 더 높은 마찰 손실 발생.
층류(Laminar flow) 영역에서 마찰 손실 증가 폭이 더 큼 (최대 1.5배).
난류(Turbulent flow) 영역에서는 원형 관과의 차이가 줄어듦.
수치 시뮬레이션 vs 실험 vs 이론 비교
실험 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 높은 일치도를 보임.
이론적 원형 관 마찰 손실 값은 모든 경우에서 가장 낮게 나타남, 이는 비원형 단면에서 발생하는 추가적인 유동 저항 때문으로 분석됨.
유량 증가에 따른 마찰 손실 변화
유량이 증가할수록 터널 내 유동 저항이 증가하며, 상부 내벽이 하부보다 더 높은 압력을 받음.
Reynolds 수가 커질수록 난류 효과로 인해 마찰 손실 차이가 감소하는 경향을 보임.
결론 및 향후 연구
결론
Flow-3D 기반 시뮬레이션이 수리 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
비원형 단면에서 추가적인 마찰 손실이 발생하며, 기존 원형 관 마찰 손실 계수를 적용할 경우 설계 유량 산정에 오류가 발생할 수 있음.
터널의 설계 시 단면 형상의 영향을 고려한 맞춤형 마찰 손실 계수 적용 필요.
향후 연구 방향
다양한 터널 형상(비대칭, 다각형 단면)에 대한 추가 연구.
다층 구조(복층 터널)에서 마찰 손실 영향 분석.
실제 도로 터널 부대시설(배기구, 통풍구 등)이 마찰 손실에 미치는 영향 평가.
연구의 의의
이 연구는 도심지 홍수 방지를 위한 다기능 수로 터널의 수리적 성능을 수치적으로 분석하고, 기존 원형 관과의 차이를 정량적으로 평가함으로써 실무 설계에 적용 가능한 데이터를 제공하였다.
Fig. 1. Double-deck TBM tunnel example-2
Fig. 4. Pressure value according to the 6 different discharges (a) Case 1 (Discharge 56.57cms)
Fig. 5. Hydraulic grade line along the stormwater tunnel using FLOW-3D
References
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FLOW-3D 모델이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 평균 오차율이 5% 이하로 나타남.
격자 크기가 20,000개 이상일 때 모델 정확도가 최적화됨.
낙차 구조의 형상 및 유입 조건에 따라 난류 강도가 다르게 나타남.
에너지 손실 및 하류 유동 특성
수로 길이가 증가할수록 에너지 손실이 감소하며, 하류 수심이 증가함.
낙차 구조 설계에 따라 난류 강도가 달라지며, 이를 고려한 최적 설계가 필요함.
낙차 구조 후단부에 역류(backflow)가 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위한 추가 설계가 요구됨.
결론
FLOW-3D를 활용한 수치 해석이 수직 낙차 구조물의 유동 특성을 정확하게 예측할 수 있음을 확인함.
하류 수심, 유입 속도 및 난류 모델이 유동 특성 및 에너지 손실에 미치는 영향을 분석함.
CFD 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 높은 상관관계를 보이며, 낙차 구조물 설계 최적화를 위한 유용한 도구임을 입증함.
향후 연구에서는 다양한 수리학적 조건을 반영한 추가적인 검증이 필요함.
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Flow 3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m
해일의 전파 속도는 초기 파고 및 하천 형상에 따라 달라지며, 좁은 수로에서 감쇠가 느려지는 경향을 보임.
측정 지점별 파고 감소율을 분석한 결과, 해일 감쇠율이 비선형적으로 나타남.
이는 수면 저항 및 흐름 분산에 따른 에너지 손실이 비균일하게 발생하기 때문으로 해석됨.
결론
산사태 유입각이 해일 발생의 주요 변수이며, 60°에서 최대 파고가 발생함.
수심이 깊을수록 해일 감쇠가 더 빠르게 진행되며, 초기 파고가 낮아짐.
FLOW-3D® 기반 시뮬레이션을 통해 선형 하천 저수지에서의 산사태 해일 전파 및 감쇠 메커니즘을 규명할 수 있음.
향후 연구에서는 다양한 하천 형상 및 실제 지형 조건을 반영한 추가 분석이 필요함.
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본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 사용하여 방수로(spillway) 유동 거동을 모델링하고, 이를 실험 모델 결과와 비교 분석하는 것을 목표로 함.
기존 연구에서는 CFD 모델이 실험 결과와 유사한 경향을 보였으나, 다양한 방수로 형상과 수문 개방 조건을 고려한 종합적인 분석이 부족했음.
본 연구에서는 세 가지 다른 방수로 사례를 대상으로 CFD 시뮬레이션을 수행하고, 유량 특성 및 정확도를 평가함.
연구 방법
수리 실험 및 CFD 모델 구축
세 가지 방수로 형상을 선택하여 실험 및 수치 해석을 수행함.
실험 데이터와 CFD 결과를 비교하여 유량 곡선(rating curve)의 일치도를 분석함.
FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 표면 흐름을 해석하고, 난류 모델을 통해 흐름 특성을 분석함.
Navier-Stokes 방정식을 활용하여 유동 및 수문 개방 조건에서의 방수로 거동을 평가함.
실험 데이터와 비교 검증
실험실 수리 모델에서 측정된 유량 데이터와 CFD 결과를 비교하여 시뮬레이션의 신뢰도를 검증함.
CFD 결과가 실험 모델과 어느 정도의 오차 범위를 가지는지 분석함.
주요 결과
CFD 시뮬레이션과 실험 결과 비교
FLOW-3D®를 사용한 CFD 시뮬레이션은 실험 데이터와 높은 상관관계를 보였음.
특히 유량 곡선(rating curve) 분석 결과, P/Hd(수문 높이 대비 유량 계수) 값이 모델 정확도에 중요한 영향을 미침.
일부 방수로 형상에서는 CFD 결과가 실험보다 약간 낮은 유량을 예측하였으며, 이는 난류 모델 및 경계 조건 설정의 차이에 기인함.
방수로 형상에 따른 유동 특성 차이
방수로 설계에 따라 유속 분포 및 난류 특성이 달라지는 경향을 보였음.
특정 방수로 구조에서는 수문 개방 비율이 증가할수록 CFD 모델과 실험 간 오차가 감소하는 패턴이 나타남.
모델 신뢰도 및 한계점 분석
CFD 결과가 실험 모델과 대체로 일치하였으나, 특정 고유량 조건에서의 오차를 줄이기 위해 추가적인 보정이 필요함.
난류 모델 최적화 및 메쉬 해상도 향상을 통해 모델의 신뢰도를 더욱 개선할 수 있음.
결론
FLOW-3D® CFD 시뮬레이션은 방수로 유동 해석에 신뢰할 수 있는 도구이며, 실험 데이터와 높은 일치도를 보임.
P/Hd 매개변수가 CFD 모델의 정확도에 중요한 영향을 미치며, 이를 고려한 모델링 접근이 필요함.
향후 연구에서는 더욱 복잡한 방수로 형상 및 비선형 유동 조건을 고려한 모델 개선이 필요함.
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Fr을 활용한 설계 기준을 도출하여, 수력 구조물 설계 및 유지관리에서 활용 가능성을 검토함.
실무 엔지니어링에서 Fr을 효과적으로 적용할 수 있는 방법을 제안함.
주요 결과
Fr과 유동 특성의 관계
Fr 값이 증가할수록 난류 강도가 증가하고, 에너지 소산이 필요함.
Fr 값이 1에 가까울수록 유동 안정성이 높아지며, 최적 설계 조건으로 고려 가능함.
여수로와 같은 급경사 흐름에서는 높은 Fr 값이 관찰되었으며, 에너지 소산 구조물 필요성이 확인됨.
CFD 및 실험 검증 결과
CFD 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 평균 오차율은 5% 이내로 나타나 신뢰성이 높음.
Fr을 기반으로 유량 및 속도를 예측하는 모델이 실험값과 높은 상관성을 보임.
다양한 수력 구조물에서 Fr을 활용한 해석 기법이 적용 가능함을 확인함.
Fr 기반 설계 적용 가능성
Fr을 활용하면 구조물의 최적 유동 조건을 도출할 수 있으며, 기존 설계 기준을 보완할 수 있음.
수로 및 여수로 설계에서 Fr을 고려한 흐름 안정화 기법이 필요함.
유지관리 측면에서도 Fr을 활용하면 유동 상태를 빠르게 평가할 수 있음.
산업적 적용 및 향후 연구 방향
Fr을 활용한 설계 최적화는 수력 구조물의 효율성과 안정성을 높이는 데 기여할 수 있음.
향후 연구에서는 다양한 흐름 조건에서 Fr을 적용한 추가 실험 및 해석이 필요함.
실무 적용성을 높이기 위해 Fr 기반 설계 가이드라인을 개발할 필요가 있음.
결론
프로우드 수(Fr)는 수력 구조물의 유동 조건을 정량적으로 평가하는 데 효과적임.
Fr 값이 1에 가까울수록 유동 안정성이 높아지며, 설계 기준으로 활용 가능함.
CFD 및 실험 데이터 검증 결과, Fr을 이용한 해석 기법이 높은 신뢰성을 보임.
향후 연구에서는 다양한 수력 구조물에서 Fr 기반 설계 최적화 연구가 필요함.
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본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 Xiqiao Mountain(시차오산)의 버섯 돌(Mushroom Stone) 형성 과정을 규명함.
기존 연구에서는 유수 침식(stream water erosion)이 주요 형성 원인으로 제시되었으나, 본 연구에서는 CFD 분석을 통해 침식 외에도 화학적 및 물리적 풍화 작용이 결정적인 역할을 했음을 입증하고자 함.
광물 분석 및 현장 조사와 함께 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 물리적, 화학적 풍화 작용과 유동 역학 간의 관계를 평가함.
연구 방법
현장 조사 및 샘플링
드론(DJI Phantom 4 RTK)을 활용하여 버섯 돌의 3D 지형 데이터를 정밀 측정.
암석 시료 7개를 서로 다른 위치에서 채취하여 **광물 분석(mineralogical analysis)**을 수행함.
지질 나침반을 사용하여 버섯 돌 곡면의 방향 및 침식 패턴을 기록함.
FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션
자유 표면 유동(Free Surface Flow)을 모델링하여 홍수 시 버섯 돌 주변의 유속 및 압력 분포를 분석.
난류 모델 적용: RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하여 난류 효과를 고려함.
모의 홍수 실험을 진행하여 홍수 시기 물의 흐름이 버섯 돌에 미치는 영향을 평가함.
결과 비교 및 검증
광물 분석 데이터 및 현장 조사 결과를 CFD 시뮬레이션과 비교하여 풍화 및 침식 기작을 검증.
침식 패턴, 유속, 압력 분포 등을 종합 분석하여 버섯 돌 형성의 주요 기작을 도출함.
주요 결과
홍수 시 버섯 돌 주변 유동 특성
시뮬레이션 결과, 최고 유속은 버섯 돌의 측면에서 발생하며, 전·후면에서는 상대적으로 낮은 유속을 보임.
버섯 돌의 전면(상류 방향)에서는 고압력이 발생하여 아래쪽으로 흐름이 집중됨, 이는 하부 침식을 유도함.
그러나 시뮬레이션 결과, 버섯 돌의 좁은 하부 구조는 단순한 유수 침식만으로 형성될 수 없음을 보여줌.
버섯 돌 침식 패턴 및 풍화 작용
CFD 분석 결과, 버섯 돌 하부(풍하측)에 퇴적물이 집중적으로 형성되며, 이는 침식보다 퇴적 과정이 더 중요한 역할을 했음을 시사함.
실험 데이터와 비교 시, 유수 침식만으로는 현장에서 관찰된 곡면 구조를 재현할 수 없음.
대신, 장기간 퇴적물이 축적되면서 화학적 및 물리적 풍화 작용이 진행되었을 가능성이 높음.
광물 분석 결과 및 풍화 작용
XRD(X-ray diffraction) 분석 결과, 버섯 돌 하부의 암석은 석고(gypsum) 및 점토 광물 함량이 높으며, 이는 화학적 풍화가 활발하게 진행되었음을 의미함.
석고 크리스탈이 성장하면서 암석 내부 균열을 유발하는 할로클래스티(haloclasty) 현상이 관찰됨.
장기간 퇴적층 내에 존재했던 암석이 화학적 풍화 및 수분에 의한 연화 작용으로 약해진 후, 외부 퇴적물이 제거되면서 버섯 돌 하부의 곡면이 형성됨.
버섯 돌 형성 과정 및 주요 기작 정리
1단계: 버섯 돌이 퇴적물 속에 매립됨 → 장기간 퇴적물 내에서 화학적 풍화가 진행됨.
2단계: 퇴적물 제거 후, 풍화된 암석이 노출되면서 내부 곡면이 형성됨.
3단계: 추가적인 기계적 풍화 및 석고 결정 성장이 내부 균열을 유발하며 현재의 버섯 돌 형태가 완성됨.
결론
유수 침식만으로 버섯 돌이 형성되었다는 기존 가설은 CFD 시뮬레이션 결과와 일치하지 않음.
광물 분석 및 화학적 풍화 모델링 결과, 할로클래스티(haloclasty) 및 습윤 연화(softening due to moisture) 작용이 버섯 돌 형성의 주요 기작으로 확인됨.
CFD 시뮬레이션을 통한 수력학적 해석과 광물 분석을 결합하여 자연 암석 형성 기작을 정량적으로 분석하는 새로운 접근법을 제시함.
향후 연구에서는 장기적인 풍화 속도 및 추가적인 유체-암석 상호작용 모델링을 수행해야 함.
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FLOW-3D의 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체 흐름 및 유동 깊이 예측.
Navier-Stokes 방정식을 사용하여 3차원 불압축성 유동(Incompressible Flow) 시뮬레이션.
모듈러 포장 모델의 경계 조건은 대칭(Symmetry), 연속(Continuative), 체적 유량(Volume Flow Rate), 벽(Wall) 경계로 설정.
시뮬레이션 시나리오 및 변수 설정
강우 강도 시나리오:
낮은 강우(5 mm/h) 및 높은 강우(85 mm/h) 조건을 설정하여 모듈러 포장의 유동 특성 분석.
측정 변수:
속도(속도의 x, y, z 성분), 유동 깊이(Flow Depth), Froude 수(Fr)를 측정.
Froude 수는 유속과 관성력의 비율을 나타내며, 유동 상태(서브크리티컬 또는 슈퍼크리티컬) 평가에 사용.
주요 결과
속도(X-, Y-, Z-방향) 분석
시뮬레이션 결과:
x, y 속도는 z 속도보다 크게 나타남.
200초 초기 단계에서 x 속도는 122.40 ~ 125.28 cm/h, 6000초 후에는 68.04 ~ 78.12 cm/h로 감소.
z 속도는 40.68 ~ 44.28 cm/h(200초)에서 22.32 ~ 30.6 cm/h(6000초)로 다소 적은 변화를 보임.
속도 감소 원인 분석:
낮은 토양 투수성으로 인해 강우 강도가 유속에 미치는 영향 미미.
모듈러 포장 구조 내 작은 기공(Pore Space)과 모세관 현상(Capillarity) 제한으로 유속 감소.
유동 깊이(Flow Depth) 변화 분석
모든 강우 강도 조건(5 mm/h, 85 mm/h)에서 유동 깊이는 425.65 mm로 일정하게 유지.
포장 내 물의 유입 및 유출이 균형을 이루어정상 상태(Steady State) 도달.
포장 구조의 투수성 덕분에 강우 강도가 증가해도 표면 유출(Surface Runoff)이 발생하지 않음.
Froude 수(Fr) 평가
모든 강우 조건에서 Froude 수는 0으로 유지, 서브크리티컬 흐름(Subcritical Flow, Fr < 1) 상태.
모듈러 포장이 물 저장 및 투수 역할을 수행하여 흐름 에너지를 낮추고 난류(Turbulence) 감소 효과.
높은 Froude 수는 낮은 전단력 방출(Shear Force Discharge) 및 높은 침전물 운반 용량을 의미하지만, 본 연구에서는 낮은 Fr 값으로 침전물 운반 감소 효과 확인.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 HDPE 모듈러 포장의 수리적 특성을 정확히 분석 가능.
모듈러 포장이 강우 유출을 줄이고 지하수 충전에 효과적임을 입증.
말레이시아 실제 강우 데이터를 활용하여 현지 조건에서도 적합성을 보임.
FLOW-3D는 모듈러 포장 설계 시 예비 평가 도구로 활용 가능.
향후 연구 방향:
다양한 경사(Slope) 조건에서의 모듈러 포장 성능 분석 필요.
최적 강우 강도 및 침투 효율성 평가를 위한 시뮬레이션 확장.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 수리적 성능 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 HDPE 대각선 모듈러 포장의 수리적 성능을 정량적으로 평가하고, 비용 효율적인 강우 관리 및 침수 예방을 위한 설계 가이드라인을 제공하며, 도시 홍수 위험을 줄이고 지속 가능한 물 관리 정책 수립에 기여할 수 있다.
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문제 정의: 댐 붕괴(Dam Failure)는 하류 지역의 인명 및 재산 안전에 심각한 위협을 가할 수 있다.
댐 붕괴 시 발생하는 홍수는 예측이 어렵고 복잡한 수리학적 현상을 동반하며, 긴급 구조 및 대응 계획 마련이 필수적이다.
특히 Tangjiashan 산사태 댐(Tangjiashan Landslide Dam)과 같은 장애호수(Barrier Lake)의 붕괴는 갑작스러운 월류 및 사면 불안정(Slope Instability)을 초래할 수 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 3차원 수치 모델링을 통해 시뮬레이션.
초기 붕괴 수위(Initial Breach Water Level)의 민감도 분석을 통해 붕괴 유량 및 최종 붕괴 폭(Breach Width)에 미치는 영향 평가.
비상 계획 수립 및 재난 대응을 위한 기술적 참조 자료 제공.
연구 방법
댐 모델링 및 시뮬레이션 설정
모델 구축:
Autodesk Civil3D 소프트웨어를 사용하여 위성 원격 감지 데이터를 바탕으로 Tangjiashan 댐의 3D 모델 생성.
댐의 실제 지형 데이터를 1:1 비율로 반영하여 복잡한 월류 및 붕괴 과정을 시뮬레이션.
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션:
3차원 수치 모델을 통해 월류(Ovetopping) 및 붕괴 과정 재현.
계산 효율성을 높이기 위해:
모델 크기: 1100m × 700m × 150m.
붕괴 영역(Breach Area)에는 세밀한 격자(2.5m × 2.5m × 2.5m) 사용.
총 유효 격자 수: 약 390만 개.
경계 조건(Boundary Condition) 설정:
상류(Upstream): 압력 경계(Pressure Boundary).
하류(Downstream): 자유 유출(Outflow) 경계.
측면(Sides): 대칭 경계(Symmetrical Boundary).
바닥(Bottom): 벽(Wall) 경계.
상단(Top): 대기압과 동일한 압력 경계(Atmospheric Pressure).
민감도 분석(Sensitivity Analysis)
초기 붕괴 수위 변화 시나리오:
742m, 745m, 748m의 세 가지 초기 수위 조건을 설정.
각각의 초기 수위에 따른 최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow) 및 붕괴 폭 변화 분석.
침식 및 퇴적 모델링:
댐 재료의 물리적 특성(예: 건조 벌크 밀도 2200 kg/m³, 임계 Froude 수 0.05)을 반영.
모델 입력 파라미터는 기존 연구 및 현장 측정 데이터를 활용.
주요 결과
시뮬레이션 결과 분석
최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow):
742m 초기 수위에서 6937 m³/s 도달.
745m 초기 수위에서는 7597 m³/s, 9.5% 증가.
748m 초기 수위에서는 8542 m³/s, 23.1% 증가.
최종 붕괴 폭(Breach Width):
초기 수위 증가에 따라 150m → 220.8m로 47.2% 증가.
유량 도달 시간(Time to Peak Flow):
초기 수위 증가 시 도달 시간이 단축:
742m 수위에서는 5.83시간, 748m에서는 3.55시간(39.1% 감소).
모델 검증(Validation):
시뮬레이션 결과와 현장 측정 데이터 비교:
최대 붕괴 유량의 상대 오차 7.05%.
최종 붕괴 폭의 상대 오차 4.16%.
유량 도달 시간은 실제보다 약 40분 빠름.
민감도 분석 결과
초기 붕괴 수위는 붕괴 과정에 매우 민감:
수위가 높아질수록 붕괴 유량 및 하류 방출 유량이 급격히 증가.
정확한 초기 수위 측정의 중요성 강조.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 소프트웨어를 통한 Tangjiashan 댐 붕괴 시뮬레이션이 실제 현상과 높은 일치도를 보임.
초기 붕괴 수위는 붕괴 유량, 최종 붕괴 폭 및 붕괴 과정 전반에 큰 영향을 미침.
긴급 구조 및 대응 계획 수립 시 초기 수위 데이터를 정확히 반영할 필요.
본 연구 결과는 향후 장애호수 붕괴 대응 및 재난 관리 정책 수립에 중요한 기술적 참조 자료 제공.
향후 연구 방향:
수치 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 물의 밀도 변화(퇴적물 침식에 따른 영향) 고려.
다양한 초기 조건(예: 강우 패턴, 하천 유량 변화)에 따른 시나리오 분석.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 댐 붕괴 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 정량적으로 평가하고, 재난 대응 및 비상 계획 수립을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공하며, 장애호수 붕괴 시 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 기여할 수 있다.
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FLOW-3D를 이용한 모닝 글로리(Morning Glory) 월류수문에서의 유동 수치 모델링
연구 배경 및 목적
문제 정의: 모닝 글로리(Morning Glory) Spillway는 댐의 수위 조절 및 홍수 방지를 위해 사용되는 원형 월류수문이다.
기존 설계에서는 부유물(Suspended Load)의 영향을 간과하는 경우가 많았으며, 이는 설계 가정에 큰 변화를 초래할 수 있다.
부유물 함유 흐름은 물의 밀도를 변화시켜 수문 성능에 영향을 미칠 수 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 모닝 글로리 수문에서의 부유물 농도 변화가 유량(Flow Discharge)에 미치는 영향을 평가.
3000, 6000, 9000, 12000 ppm의 부유물 농도를 적용하여 수문 상부에서 다양한 수위 조건에서의 유량 변화를 분석.
수치 모델 결과를 물리적 모델 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D의 예측 성능을 검증.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
FLOW-3D 소프트웨어의 VOF(Volume of Fluid) 기법 및 FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 고체 경계 시뮬레이션.
k-ε 및 RNG 난류 모델을 사용하여 난류 효과를 모델링.
모닝 글로리 수문 설계:
해라즈(Haraz) 댐의 모닝 글로리 Spillway를 모델링.
Solidworks 소프트웨어를 이용해 3D 모델링을 수행하고, FLOW-3D에 가져와 수치 시뮬레이션을 설정.
부유물 농도 설정:
3000, 6000, 9000, 12000 ppm의 부유물을 흐름에 추가하여 유량 변화 분석.
부유물 농도가 증가함에 따라 점도 및 유체의 물리적 특성이 변화함을 고려.
경계 조건 설정
입출구 및 벽면 경계 조건:
입구(Inlet): 유량 조건을 일정하게 유지.
출구(Outlet): 자유 유출 조건을 적용.
벽면(Wall): 비투과성(Impermeable) 경계 조건 설정.
공기-물 경계:
자유 수면(Free Surface) 조건을 적용하여 공기와의 접촉을 고려.
주요 결과
부유물 농도 증가에 따른 유량 변화
순수 물(부유물 없음) 상태에서의 평균 유량: 600 m³/s.
부유물 농도에 따른 유량 감소 효과:
3000 ppm: 평균 유량 605 m³/s, 유량 감소 3.8%.
6000 ppm: 평균 유량 575 m³/s, 유량 감소 87.12%.
9000 ppm: 평균 유량 575 m³/s, 유량 감소 7.18%.
12000 ppm: 평균 유량 483 m³/s, 유량 감소 26%.
부유물 농도가 증가할수록 수문을 통과하는 유량이 감소하며, 이는 부유물이 물의 점도 증가 및 밀도 변화에 따른 흐름 저항 증가에 기인.
유동 패턴 및 수문 성능 변화
FLOW-3D 시뮬레이션에서 부유물 농도가 증가할수록 유동의 안정성이 감소.
특히 터널 및 월류수문 목(Throat) 부분에서의 유량 변화가 뚜렷하게 나타남.
수문 상부에서의 월류 유속 감소와 혼합 층의 두께 증가가 관찰됨.
FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 간 높은 일치도 확인.
모델 검증 결과, 예측된 유량 변화가 물리적 실험과 평균 5% 이내의 오차율을 보임.
이는 FLOW-3D가 복잡한 부유물 흐름을 정확하게 모델링할 수 있음을 의미.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 소프트웨어는 모닝 글로리 월류수문의 부유물 농도 변화에 따른 유량 감소를 정확히 예측할 수 있음.
부유물 농도가 높을수록 유량 감소율이 증가하며, 특히 12000 ppm에서는 평균 26%의 유량 감소가 나타남.
이는 댐 설계 및 운영 시 부유물 농도를 고려해야 함을 시사하며, 월류수문의 성능을 보장하기 위한 설계 기준 마련 필요.
향후 연구 방향:
다양한 부유물 크기 및 형태에 따른 유량 변화 추가 연구 필요.
다양한 수문 형상 및 경사 조건에서 FLOW-3D 모델 검증.
AI 및 머신러닝을 활용한 부유물 농도 변화에 따른 유량 예측 모델 개발.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 모닝 글로리 월류수문의 부유물 농도 변화가 유량에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 댐 안전성 및 수문 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다.
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