Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

이 소개자료는 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow 논문에 대한 소개자료입니다.

연구 배경 및 목적

  • 지역 세굴(local scour)은 교량 교각 주변에서 발생하는 중요한 침식 현상으로, 구조물 안정성에 큰 영향을 미침.
  • 전통적인 실험 접근 방식은 시간과 비용이 많이 들기 때문에, 수치해석을 통한 예측 방법이 점점 더 중요해지고 있음.
  • 본 연구는 CFD(전산유체역학) 기반 모델을 개발하여 교량 교각 주변의 지역 세굴 현상을 예측하는 것을 목적으로 함.

연구 방법

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 자유수면 흐름 및 고체-유체 상호작용을 포함한 3차원 수치모델을 구축.
  • VOF(Volume of Fluid) 방법으로 자유수면을 추적하고, 비압축성 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용.
  • 난류 모델로는 RNG k-ε 모델이 사용됨.
  • 실험실 모델과 동일한 조건(교각 직경, 수로 크기, 유량 등)을 적용하여 검증 수행.

주요 결과

① 세굴 깊이 및 패턴 예측

  • 수치 모델은 실험 결과와 유사한 세굴 깊이 및 형태를 성공적으로 재현.
  • 세굴은 교각 전면에서 가장 크게 발생하며, 말굽 와류(horseshoe vortex)에 의해 주요하게 형성됨.

② 난류 및 유동장 분석

  • 수치 결과는 난류 강도, 유속 분포, 와류 구조 등에서 실험과 정성적으로 유사한 양상을 보임.
  • 교각 후류 영역에서는 wake vortex와 흐름 재부착현상(flow reattachment)이 관찰됨.

결론

  • FLOW-3D 기반의 CFD 모델은 지역 세굴 현상을 정밀하게 모사할 수 있는 효과적인 도구임을 입증.
  • 난류 모델 및 자유수면 모델링 기법을 적절히 활용할 경우, 수치해석은 실험적 방법을 보완하거나 대체할 수 있는 잠재력을 가짐.
  • 향후 연구에서는 다중 교각 조건, 다양한 침식 조건(예: 입자 크기, 유량 변화 등)에 대한 추가 해석이 필요함.
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

References

  1. Ataie-Ashtiani, B. and Beheshti, A.A. (2006). “Experimental investigation of clearwater local scour at pile groups”. J. Hyd. Eng., ASCE, 132(10), 1100-1104.
  2. Brethour, J. M. (2001). Transient 3-D model for lifting, transporting and depositing solid material. 2001 International Symposium on Environmental Hydraulics, Tempe, Arizona (http://flow3d.info/pdfs/tp/wat_env_tp/FloSci-Bib28-01.pdf).
  3. Escarameia, M. (1998). Laboratory investigation of scour around large structures in tidal waters. Conf. Basics of Sediment Transport and Scouring. HR Wallingford (http://kfki.baw.de/conferences/ICHE/1998-Cottbus/55.pdf).
  4. May, R.W.P. and Escarameia, M. (2002). Local scour around structures in tidal flows. First International Conference on Scour Foundations, Texas A&M University.
  5. Margheritini, L., Martinelli, L., Lamberti, A. and Frigaard, P. (2006). Erosione indotta da onde e correnti di marea attorno a pali di grande diametro. XXX Convegni di Idraulica e Construzioni Idrauliche, Rome, September 2006 (http://www.idra2006.it/referee/files/L356.pdf).
  6. Olsen, N.R.B. and Melaan, M.C. (1993). “Three dimensional calculation of scour around cylinders”. J. Hyd. Eng., ASCE, 119(9),1048-1054.
  7. Richardson, E.V., and Davis (2001). Evaluating Scour at Bridged, Hydraulic Engineering Circular No. 18 – Fourth Edition. US Federal Highway Administration, Publication FHWA NHI 01-001.
  8. Roulund, A., Sumer, B.M., Fredsoe, J. and Michelsen, J. (2005). “Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile”. J. Fluid Mechanics, 534, 351-401.
Vasquez2009_CFD_scourDownload