Scouring

교각 주변 최대 세굴 깊이에 대한 부유물(Debris)의 영향 분석: FLOW-3D 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥의 침식을 유발하여 교량의 구조적 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
    • 홍수 시에는 유량 증가와 부유물 증가로 인해 세굴 현상이 더욱 심화된다.
    • 부유물은 교각 주변에 쌓여 흐름을 방해하고, 난류(Turbulence) 증가 및 전단응력(Shear Stress) 증대로 이어져 세굴을 악화시킨다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D CFD 모델을 사용하여 부유물 형태 및 위치가 원형 교각 주변의 최대 세굴 깊이에 미치는 영향을 평가.
    • 삼각형 및 직사각형 부유물을 수면에 떠있는 경우(floating)와 하상(sand bed)에 놓인 경우로 구분하여 비교.
    • 실험 결과와의 비교 검증을 통해 모델의 신뢰성을 평가.

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 활용한 3차원 CFD 해석 수행.
  • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 흐름을 모델링.
  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 통해 자유 수면(free surface)을 추적.
  • 모델 검증:
    • Robalo (2014)의 실험 데이터를 사용하여 평균 속도 및 세굴 깊이 비교.
    • 실험 채널은 길이 12.0m, 폭 0.83m, 높이 1.0m의 직사각형 콘크리트 플룸(fluvial hydraulic channel) 사용.
  1. 부유물(Debris) 유형 및 조건
    • 부유물 형태: 삼각형(Triangular) 및 직사각형(Rectangular).
    • 부유물 위치:
      • 수면(floating debris): 부유물이 흐름을 막아 세굴을 증대시킴.
      • 하상(sand bed debris): 세굴 억제(countermeasure) 역할을 하여 세굴 깊이를 줄이는 효과.
    • 하상 재료:
      • 천연 석영 모래(Quartz Sand) 사용, D50 = 0.86 mm, 밀도 2666 kg/m³.
      • 평균 접근 유속(U) = 0.317 m/s, 수심 0.15 m 설정.
  2. 모델 검증 및 비교 분석
    • FLOW-3D 결과와 실험 결과 비교:
      • 평균 속도 프로파일 비교 시, 실험과 유사한 흐름 발달을 보여 모델의 신뢰성 확보.
      • 그러나 이동 가능한 하상(movable bed)을 적용했을 때, 평균 30%의 편차가 발생.
    • Shields (1936) 기준과의 비교:
      • 실험에서는 Neil (1967) 및 Garde (1970) 공식을 사용하여 한계 유속(Uc) 0.314 m/s를 평가.
      • FLOW-3D에서는 Shields 기준(Uc 0.403 m/s)을 사용하여 20% 높은 값을 적용.
      • 이는 세굴 깊이 과소 예측의 주요 원인으로 분석.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 및 부유물 영향 비교
    • 부유물 없는 경우:
      • 세굴 깊이 0.06 m.
    • 부유물 유형에 따른 세굴 깊이:
      • 직사각형 부유물(수면): 세굴 깊이 0.07 m (가장 큰 세굴).
      • 삼각형 부유물(수면): 세굴 깊이 0.05 m.
      • 삼각형 부유물(하상): 세굴 깊이 0.04 m, 세굴 감소 효과 ≈ 40%.
  2. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • 고정된 하상(fixed bed) 시뮬레이션에서는 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 그러나 이동 가능한 하상(movable bed) 적용 시, 실험 결과와 평균 30% 편차 발생.
    • Shields 기준의 한계:
      • Uc 평가 방법의 차이가 주요 원인으로 분석.
      • Shields 기준은 한계 전단응력(Threshold Shear Stress)을 과대 평가하여 세굴 깊이를 과소 예측.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 모델은 부유물 유형 및 위치에 따른 세굴 깊이 변화를 예측할 수 있음.
    • 수면에 떠 있는 직사각형 부유물이 세굴을 가장 크게 증가시키며, 삼각형 부유물(하상)은 세굴을 줄이는 효과가 있음.
    • Shields 기준의 적용이 세굴 깊이 과소 예측의 원인으로, 국내 하천 조건에 맞는 보정 필요.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 난류 모델(예: LES, k-ω 모델) 적용 및 비교.
    • 다양한 하상 조건 및 교각 형상에 대해 추가 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 세굴 예측 모델 개발.
    • 부유물의 재질, 크기 및 배열에 따른 세굴 영향 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용한 교각 주변 부유물의 세굴 영향 분석을 통해 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 데이터를 제공하며, 홍수 시 구조물 안전성을 높이는 데 기여할 수 있다​.

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