이론적 공식, 실험 및 3D 수치 모델링을 통한 여수로 유량 곡선 연구 – 인도네시아 리암 키와 댐 사례 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
- 리암 키와 댐(Riam Kiwa Dam)은 홍수 조절 및 농업·음용수를 공급하기 위해 인도네시아에 건설될 예정임.
- 댐의 여수로(spillway)는 2개의 비가동(uncontrolled) 및 5개의 가동(gated) 여수로로 구성되며, 총 길이는 77.5m.
- 기존 설계는 경험적·이론적 공식을 사용하여 수행되었으며, 이러한 공식은 1D 흐름을 가정하여 실제 복잡한 유동 특성을 완전히 반영하지 못하는 한계가 있음.
- 물리적 모델 실험 및 3D 수치 모델링(FLOW-3D)을 통해 기존 공식의 한계를 보완하고, 보다 정확한 유량 곡선을 도출하는 것이 필요.
연구 목적
- 이론적 공식, 실험, 3D 수치 모델링(FLOW-3D)을 이용하여 여수로 유량 곡선을 비교·분석.
- 실제 실험과 수치 해석을 결합하여 모델의 신뢰성을 평가하고, 댐 설계 최적화를 위한 방향성을 제시.
- 여수로 개폐 조건(Scenario 1: 폐쇄, Scenario 2: 개방)에 따른 유량 곡선 변화를 검토.
연구 방법
실험 모델
- 실험실에서 1:50 축척의 물리적 모델 구축.
- 프루드 유사성(Froude similarity) 적용하여 축척 모델과 실제 구조물의 동역학적 유사성을 확보.
- 실험 데이터: 수위(water depth) 및 유속(velocity) 측정.
수치 모델(FLOW-3D) 설정
- VOF(Volume of Fluid) 기법 적용하여 자유 표면 추적.
- RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 특성 모사.
- 격자(cell) 크기 0.1m, 총 2,061,329개 셀 사용.
- 경계 조건:
- 유입부: 실험에서 측정된 유량 조건 적용.
- 유출부: 하류 수위 적용.
이론적 공식 적용
- 경험적 방정식:
- Q = 유량(m³/s)
- C = 방류 계수(2.1)
- B = 여수로 길이(m)
- H = 총 에너지 수두(m)
주요 결과
Scenario 1 (모든 가동 여수로 폐쇄 시)
- 실험, 이론적 공식, FLOW-3D 비교 결과:
- 낮은 유량(수위 150.5m 이하)에서는 이론적 공식 및 FLOW-3D 모두 오차율 10% 이상 발생.
- 높은 유량(수위 152m 이상)에서는 이론적 공식과 FLOW-3D의 정확도가 향상(오차율 <10%).
- FLOW-3D가 실험 결과와 더 유사한 경향을 보임.
Scenario 2 (모든 가동 여수로 개방 시)
- 실험, 이론적 공식, FLOW-3D 비교 결과:
- 낮은 유량(수위 146m 이하)에서는 오차율 10% 이상.
- 수위 147.5m부터 FLOW-3D가 이론적 공식보다 더 높은 정확도를 보임.
- 고유량(수위 154m 이상)에서는 두 모델 모두 정확도가 향상(오차율 <10%).
결론 및 향후 연구
결론
- 낮은 유량에서는 이론적 공식과 FLOW-3D 모두 정확도가 낮았으나, 높은 유량에서는 정확도가 개선됨.
- FLOW-3D는 이론적 공식보다 실험과 더 유사한 결과를 도출하여 보다 정밀한 해석이 가능함을 확인.
- 수치 모델링을 활용하면 실험 비용을 절감할 수 있으며, 실제 설계 최적화에 기여할 수 있음.
향후 연구 방향
- 스케일 효과(Scale Effect) 분석을 통한 실험·수치 모델링 정밀도 향상.
- LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
- 비가동 및 가동 여수로의 유량 최적화를 위한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 이론적 공식, 실험, 수치 모델링을 결합하여 여수로 유량 곡선을 분석한 연구로서, 향후 댐 설계 및 홍수 조절 시스템 최적화에 실질적으로 기여할 수 있는 데이터를 제공한다.
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