Figure 4. Vortex formation and Critical submergence with coarse mesh

FLOW-3D를 이용한 수평 취수구에서 와류 방지를 위한 침수 깊이 결정

Figure 4. Vortex formation and Critical submergence with coarse mesh
Figure 4. Vortex formation and Critical submergence with coarse mesh

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의:
    • 자유 수면 와류(Free Surface Vortices)는 홍수 제어, 농업 관개, 수력 발전 및 급수 시스템에서 효율 저하와 구조적 손상을 유발하는 주요 문제 중 하나이다.
    • 이러한 와류는 펌프 및 터빈의 성능을 저하시켜 진동 증가, 유량 감소, 캐비테이션(Cavitation) 및 유지보수 비용 증가 등의 문제를 초래할 수 있다.
    • 와류 형성을 방지하기 위해 취수구(Intake) 설계 시 임계 침수 깊이(Critical Submergence Depth, Sc)를 고려해야 하며, 정확한 설계 기준이 필요하다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 수평 취수구에서의 와류 형성을 방지하는 최적 침수 깊이를 수치적으로 분석.
    • Froude 수(Fr), Weber 수(We), Reynolds 수(Re) 등과 취수구 직경(Di) 간의 관계를 정량적으로 도출.
    • 수치 모델과 실험 데이터를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.

연구 방법

  1. 수리학적 실험 및 모델 설정
    • Plexiglas 재질의 실험 수조(길이 3.1m, 폭 3.1m, 깊이 2.2m)에서 실험 수행.
    • 취수구 직경(Di) 변화: 30.0cm, 25.0cm, 19.4cm, 14.4cm, 10.0cm, 5.0cm.
    • 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.
  2. 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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 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 4. Vortex formation and Critical submergence with coarse mesh
Figure 5b. Vorticity magnitude contours in Critical submergence depth
Figure 5b. Vorticity magnitude contours in Critical submergence depth

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