FLOW-3D를 이용한 헤드워크의 수리 성능 평가

1. 서론

• 네팔은 농업 현대화를 추진하고 있으며, 이에 따라 효율적인 관개 인프라 구축이 필요함.
• Sunkoshi-Marin 유역 전환 프로젝트는 Bagmati 관개 계획을 위한 수자원을 공급하기 위해 설계됨.
• 헤드워크(headworks)는 하천에서 필요한 수량을 안정적으로 취수하고, 퇴적물 배출 및 홍수 방류를 위한 필수적인 수리 구조물임.
• 본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Sunkoshi-Marin 헤드워크의 수리학적 성능을 평가하고, 구조물의 효율성과 안정성을 분석하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

• VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
• RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
• FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 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

유속 및 압력 분석

• 보(Barrage) 상부 평균 유속: 9 m/s 이상(완전 개방 시).
• 정지분지(Stilling Basin) 최대 유속: 10 m/s.
• 종방향 유속 프로파일에서의 최대 유속: 16.90 m/s.
• 음압(negative pressure) 발생 없음 → 공동(cavitation) 현상 없음.
• 최소 압력: 101.356 KPa(유입축 하류에서 관측됨).

방류 용량 분석

• FSL(Full Supply Level)에서 보와 언더슬루이스(Under-sluice) 동시 운영 시 방류 용량: 10,086 m³/s.
• 100년 빈도 홍수량(9,241 m³/s) 안전하게 방류 가능.
• 479.5m 헤드워터 수위에서의 최대 방류 용량: 16,547 m³/s.
• 10,000년 빈도 홍수를 방류하기 위해 481.00m 데크(deck) 수준이 적절함.

4. 결론 및 제안

결론

• FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 헤드워크의 수리학적 성능을 평가할 수 있음.
• 음압이 발생하지 않으며 공동현상이 우려되지 않음.
• 보와 언더슬루이스 구조가 퇴적물 배출 및 홍수 방류에 효과적으로 작용함.
• 수력 점프(hydraulic jump) 형성이 확인되며, 수위 변화에 따라 위치가 조정됨.

향후 연구 방향

• 다양한 수위 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
• 다른 난류 모델(예: LES)과 비교 연구 필요.
• 현장 데이터와의 비교를 통해 모델 검증 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 헤드워크의 수리적 성능을 정량적으로 분석하고, 홍수 방류 및 취수 구조물 설계 최적화에 기여할 수 있는 정보를 제공함.

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