Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)

본 소개 내용은 [DESERT]에서 발행한 [“Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D numerical model”] 의 연구 내용입니다.

1. 서론

교각, 위어, 밸브, 소파공(stilling basin) 등의 수리 구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 구조물의 안정성을 위협할 수 있음.
침수된 수평 제트(submerged horizontal jet)에 의해 발생하는 세굴은 고속 유동과 저속 유체의 상호 작용으로 인해 복잡한 유동장을 형성함.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 실험 모델과 수치 모델을 비교하여 수치 모델의 정확성을 평가하고, 제트 형상, 개수로 흐름 조건, 세굴 패턴 등을 분석하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 형상을 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

세굴 패턴 분석

FLOW-3D 모델과 실험 모델 비교 결과 평균 오차율이 약 11%로 확인됨.
제트 유출 속도가 증가할수록 최대 세굴 깊이가 증가하는 경향을 보임.
세굴 깊이 비교
- 실험 모델과 비교 시 FLOW-3D의 예측 값이 실험 값과 유사하게 나타남.
- 유량 1.0 ℓ/s에서 실험값 1.50 cm, 수치해석값 1.70 cm(오차율 11.8%).
- 유량 4.0 ℓ/s에서 실험값 6.85 cm, 수치해석값 6.10 cm(오차율 12.3%).
세굴장 길이 분석
- 3mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 13.82%.
- 1mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 12.58%.
세굴장 후방의 사구(hump) 높이 비교
- 사구 높이에 대한 평균 오차율이 26.12%로, 다른 변수들보다 상대적으로 오차가 큼.

4. 결론 및 제안

결론

FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 침수된 수평 제트로 인한 국부 세굴 패턴을 정량적으로 분석할 수 있음.
세굴 깊이는 비교적 정확하게 예측되었으나, 세굴장 후방의 사구 높이는 다소 과소 예측됨.
입경이 클수록 수치 모델과 실험 모델 간 오차가 감소하는 경향을 보임(3mm 입경에서 보다 정확한 결과 도출됨).

향후 연구 방향

다양한 유입 조건 및 퇴적물 특성에 따른 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침수된 수평 제트로 인해 발생하는 국부 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 시 세굴 방지 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 3. A Plan of 2D graphical output of scour simulation results in Flow-3D numerical model

FLOW-3D를 이용한 침수된 수평 제트에 의한 국부 세굴 시뮬레이션

1. 서론

2. 연구 방법

3. 연구 결과

4. 결론 및 제안

5. 연구의 의의

6. 참고 문헌