퇴적물의 세굴(쇄굴) 및 퇴적

퇴적물 세굴(쇄굴) 모델은 모델을 맞는 데이터로 보정하기 전에 알아야 할 수 많은 방정식을 사용한다. 자세한 방정식들은 Theory 장의 the Sediment Scour Model 절 뿐만 아니라 http://users.flow3d.com/tech-notes/default.asp.에있는 Flow Science 리포트에 기재되어 있다.

 

Sediment properties 세굴성질

세굴(쇄굴)모델은 PhysicsSediment scour 를 선택하고 나타나는 창의 펼쳐지는 메뉴에서 모델링 되어야 할 각기 다른 퇴적 종류들의 수를 지정함으로써 사용자 인터페이스에서 활성화되어야 한다. 정의될 수 있는 퇴적 종 들의 최대 수는 10개다.

Sediment Definition

 

  • Maximum packing fraction 은 최적물이 영역 내에 가라앉아 다져질 때의 최대 고상율을 조절한다. 이 값은 퇴적종의 배치에 상관없이 같다. 이의 디폴트 값은 구의 최대 패킹율인 0.64 이다. 다중 분산된 퇴적물에 대해서는 값이 더 커질 수 있다.   단일 분산된 불규칙적인 퇴적입자들에 대해서는 더 작을 수 있다.Richardson-Zaki coefficient multiplier는 퇴적입자들이 농축될 때 침전하는 이들에 대한 항력효과를 조절한다. 디폴트 값은 1.0이고 이는 입자끼리의 상호작용에 의한 항력의 증진효과가 Richardson-Zaki 모델에의해 정의된다는 것을 뜻한다.부유 퇴적물의 확산은 Molecular diffusion coefficient Turbulent diffusion multiplier 이 0이 아닌 값으로 정의되면 고려된다. Turbulent diffusion multiplier 는 보통1인 Schmidt 수의 역수이다.

     

    패킹된 퇴적층 조도는 퇴적물의 d50에의해 정의되며 bed roughness / d50 ratio 이다. d50는 패킹된 퇴적물이 있는 모든 각 셀에서 각 매 시간 단계마다 계산된다. 추천되는 비율 승수의 값은 2.5이다.

     

    각 퇴적물 종류에 대해 Name 은 선택적으로 입력될 수 있다; 이는 후처리 동안에 퇴적물의 종류를 확인하는데 도움이 된다. 이름이 주어지지 않으면 디폴트이름은 Sediment sp. n 이다. 각 종류의 Diameter 는 모사에 사용된 길이의 단위를 갖는 같은 종의 평균 입자직경이다. Density 는 모사 시 다른 곳에서도 사용된 같은 농도의 단위인 퇴적물 종류의 microscopic (입자) 농도이다. 퇴적물 농도는 디폴트 값이 없으므로 사용자에 의해 주어져야 한다.

     

    Critical Shields Number 는 입자운동이 처음으로 관찰되는 무차원의 임계전단이다. 임계 Shields 변수의 함수로써 퇴적물의 침식을 기술하는 데는 수많은 단순화 및 근사화가 있다. 세굴(쇄굴)은 확률적 현상이어서 경험적 변수를 사용하는 것이 불가피하다. 가장 좋은 결과를 위해 특정 경우에 맞는 값을 이용한다. Shields 변수가 주어지지 않으면 FLOW-3D http://users.flow3d.com/tech-notes/default.asp에 있는 Flow Science 리포트 03-14에서기술된 Soulsby-Whitehouse 방정식을 이용한 Shields 곡선으로부터 값을 계산할 것이다.

  • Sediment Scour and Deposition 세굴(쇄굴) 및 퇴적

Critical Shields Number 는 바닥 구배를 참작하기 위해 각 셀에서 매시간 단계마다 수정될 수 있다. 경사진 바닥면에서 중력의 접선성분이 다져진 바닥이 유동방향에 따라 다소간 안정되도록 하기 위해 작용한다. 결과적으로 유체가 경사면을 따라 올라가면 임계전단응력은 증가하고 유체가 내려가면 감소한다. 경사효과 조절을 활성화하기 위해 Local Adjustment of Critical Shields Number For slope effect 를 체크한다.

Angle of Repose 는 바닥의 최대 안정각(일반적으로 30-40도)을 기술하며 경사 효과를 위한 국부적인 임계 Shields 변수를 수정하는데 이용된다. 이의 디폴트 값은 32도이다.

Entrainment Coefficient 는 퇴적물이 주어진 임계 전단응력보다 큰 전단응력에서 침식하는 비율을 조절한다. Entrainment coefficient 는 세굴(쇄굴)율을 실험 데이터를 맞추거나 조절하는데 사용된다. 디폴트 값은 Mastbergen 와 Von den Berg [MVanDBerg03]의 데이터에서 0.018이다. 0의 값은 entrainment 모델을 완전히 중지시킨다.

Bed Load Coefficient 는 소류사 수송 방정식에 사용되고 임계 전단응력 보다 큰 전단응력에서 소류사 수송이 발생하는 비율을 조절한다. 사용자는 소류사 수송율 계산을 위해 Meyer-Peter 와 Mueller equation, Nielsen equation 또는 Van Rign equation 를 선택할 수 있으며 디폴트 값은 각기 8.0, 12.0 와 0.053다. 0의 값은 소류사 수송모델을 중지시킨다. Bed Load Coefficient 값은 원래 방정식을 따르는 이들 방정식들에 대해 조절할 수 있다. 예를 들면, Meyer-Peter 와 Mueller 방정식에 대해 그 후의 연구자들은 낮은 수송에 대해서는 5.0 에서 아주 높은 모래 수송은 13.0 그리고 일반적인 모래와 자갈([Rib98], [FernandezLuqueVanBeek76])들의 값은 5.7이다.

 

 

Packed sediment components 다져진 퇴적 요소

이 모델 및 다른 물리적 모델, 모사 시 요소의 형상과 격자를 지정한 후에 부유 및 다져진 퇴적물의 초기의 배치가 정의되어야 한다. 다져진 퇴적물 구역을 생성하기 위해 다른 것과 마찬가지로 요소를 생성하나 Meshing & Geometry Geometry Component Component type 옆의 펼쳐진 메뉴로부터 Packed sediment 를 선택한다.

packed-sediment-packed-component-type

일단 요소들이 Packed sediment 로 정의되면 이 요소의 각 부 요소로 가서 Packed sediment properties Packed Sediment Fractions 를 정의한다. 여기서 Physics Sediment scour 에서 정의된 다양한 퇴적물 종의 분율을 제공한다. 이들은 자동적으로 100%가 되도록 정규화될 것이다.

packed-sediment-properties

 

Initial sediment concentrations 초기 퇴적 농도

초기 부유퇴적물 구역을 정의하기 위해 Meshing & Geometry Initial 로 간다. 여기의 General 가지로 가면 Suspended sediment concentration 가지 내에 있는 계산영역 내의 모든 유체에 대해 각종의 부유 퇴적농도를 지정할 수 있다- 여기서 부유 퇴적물의 전반적 농도를 정의할 수 있다. 단지 정의된 구역 내 퇴적물을 정의하기 위해 Add 버튼을 클릭해서 Fluid regions 를 생성한다; 여기에 entitled Suspended sediment concentration 라고 된 가지가 또한 있는데 이로부터 그 유체지역의 부유 퇴적물 농도를 정의할 수 있다. 모든 농도들은 모사 시 다른 곳에서 사용된 농도와 같은 질량/체적의 단위로 입력된다.

suspended-concentration-intial-condition

Note

침전물 농도는 질량 농도, 즉 농도는 물 / 침전물 혼합물의 단위 부피당 침전물 종의 질량을 정의한다

 

Sediment concentrations at boundary conditions and sources

영역 경계에서 부유퇴적물의 경계조건 정보를 주는 것이 중요하다. 다져진 퇴적물은 흐르지 않으므로 이에 대한 자세한 정보는 경계에서 필요하지 않다. Meshing & Geometry Mesh Operations Mesh block x Boundaries 로부터 부유퇴적물을 추가하는데 필요한 경계면을 선택한다. 단지 유체가 유입되는 경계만이 해당한다. 경계면 대화상자로부터 Sediment 버튼을 선택한다: 여기서 유입되는 유체에 있는 다양한 퇴적 종들의 농도를 입력한다. 시간에 따른 표에 의한 데이터는 또한 버튼을 선택함으로써 주어질 수 있다.

부유퇴적물을 Mass-momentum sources 에 추가하기 위해 전과 같이 질량/모멘텀 소스(Activate Mass-Momentum Source참조)를 생성한다. Mass flow rate 는 정수의 농도 또는 고형물을 포함하는 혼합물의 Volume flow rate 에 근거한다. 부유퇴적물을 이 소스에 추가하기 위해 대화창의 SourceSediments 절에서 Sediment concentration 을 정한다. 이 변수는 고형물을 포함하는 체적유량에 대한 혼합물에서의 고형물의 질량유량의 비율로써 정의된다-즉, 모사 시 사용하는 밀도와 같은 단위의 전체농도.

부유 퇴적물은 또한 질량소스에서 추가될 수 있다. 요소를 생성하고 이를 질량소스 (Mass Sources 참조)로 정의한다. Mass flow rate 는 증류수 농도에 근거해야 하고 추가 퇴적농도는 Component PropertiesMass sourceSourceSediments 대화 가지에 있는 Sediment concentration 장에서 지정된다.

 

Sediment modeling considerations

퇴적물 모사의 정확성에 영향을 주고 고려되어야 할 인자들은:

  • 밀도변화 : 기본적으로 유체 밀도가 부유 된 부유 퇴적물의 함수로 계산 될 수 있도록 가변 밀도 모델이 활성화됩니다. 사용자는 Physics ® Density 평가 모델에서 Constant uniform density를 선택하여 유체 밀도에 대한 침전물 효과를 무시할 수 있습니다.
  • 난류모델링: 퇴적세굴(쇄굴)은 벽 근처 전단응력의 정확한 값을 필요로 하므로 정확한 난류모델이 난류유동에 대해 선택되어야 한다. Maximum turbulent mixing length 의 사용자 지정 값을 갖는 Physics Viscosity and turbulence 의 Renormalized group (RNG) model 이 추천되는 처음 모델인데 이는 Dynamically computed maximum turbulent mixing length 가 단상유동에 대해 개발된 알고리즘이기 때문이다. 격자가 바닥근처 속도 및 전단응력계산이 정확하도록 적절한 크기를 가져야 한다. 이 방법에 대한 상세 기술은 Wall Effects: Slip, Shear, and Component Roughness 절에 주어져있다.
  • 포함된 모델 및 사용자 수정의 제약: 퇴적 세굴(쇄굴)모델의 지배방정식은 경험적이며 이들이 유도된 데이터에 대해서만 타당하다고 알려져 있다. 이들은 임계 Shields 변수, entrainment, 소류사 수송 및 입자 침전속도에 대한 수많은 경험식이 들어 있으며 특정 모사는 FLOW-3D 에서 제공된 식과 다른 모델을 필요로 할지도 모른다. 모든 세굴(쇄굴) 함수들은 제공된 편집모듈 scour_critic.F, scour_lift.F, scour_bedload_rate.F 그리고 scour_uset.F. 에서 수정 가능하다.