Fig. 6. Air core forming process display.

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.
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. 2. Boundary conditions of VSB in FLOW-3D.
Fig. 6. Air core forming process display.
Fig. 6. Air core forming process display.

6. 참고 문헌

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