Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state

FLOW-3D를 이용한 비침식성 하상에서 교각 주변 유동장 연구

Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 교각(Bridge Pier)은 강 또는 하천 내에 위치하는 구조물로, 주변 유속 및 난류 형성에 영향을 미쳐 침식(Scour) 현상을 유발할 수 있음.
  • 기존 연구들은 주로 침식이 발생하는 조건에서 단일 교각에 대한 실험 연구를 수행하였으며, 비침식성(non-eroding) 하상에서 다중 교각(Group Piers)의 유동 특성 연구가 부족함.
  • 침식이 시작되기 전 유동 특성을 분석하면 교각 설계 및 침식 저감 대책 수립에 기초 자료를 제공할 수 있음.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 단일 교각 및 다중 교각 배열(tandem 및 side-by-side)에서의 유동 특성을 수치적으로 분석.
  • 비침식성 하상에서 유속 분포, 난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE), 전단 응력(Shear Stress) 등을 평가.
  • 다양한 교각 배치 간격(S/D 비율)에 따른 유동 특성을 연구하여 안정적인 설계 기준 제시.

연구 방법

FLOW-3D 모델링 및 실험 검증

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동장 해석 수행.
  • 실험 데이터 검증:
    • Khatam Al-Anbia 기술대학교의 수리 실험실에서 단일 사각형 및 원형 교각(3×3cm) 모델을 사용한 실험 수행.
    • Acoustic Doppler Velocimeter (ADV)를 이용한 유속 측정 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 비교.
    • 중앙부(b/B = 0.5)에서 평균 오차율 7.44%, 측면(b/B = 0.25)에서 5.59%로 검증 성공.

수치 모델 설정

  • 비침식성 하상을 가정하여 유동장만 분석.
  • 단일 교각(사각형, 원형) 및 다중 교각(2개) 배열 실험 수행.
  • 다중 교각 배열 조건:
    • Tandem 배치 (전후 교각 간 거리: S/D = 2, 4, 6)
    • Side-by-side 배치 (나란히 배치, 거리: S/D = 2, 4, 6)

주요 결과

유속 분포(Velocity Profiles) 분석

  • 단일 교각
    • 사각형 및 원형 교각 주변 유속은 유사한 분포를 보였으며, 최대 유속은 교각 측면에서 2배 증가.
    • 교각 후면부에서 난류 및 역류(Reverse Flow) 발생.
  • 다중 교각
    • Tandem 배치:
      • 후방 교각 전면의 유속이 감소 → 전방 교각이 방패 역할 수행.
      • S/D = 2에서 난류 강도가 가장 크며, S/D ≥ 6에서는 서로 독립적인 흐름 형성.
    • Side-by-side 배치:
      • 교각 간격이 작을수록(S/D = 2) 두 교각 사이 유속이 증가하여 침식 위험 증가.
      • S/D ≥ 6에서는 두 교각이 서로 독립적인 영향을 미침.

난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE) 분석

  • TKE는 교각 후방에서 가장 높은 값을 보이며, 이는 난류 생성과 관련됨.
  • Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각이 보호 효과를 받으며, S/D = 4에서 TKE가 최대값을 기록 후 S/D = 6에서 감소.
  • Side-by-side 배치에서는 S/D = 2에서 두 교각 사이 난류가 증가했으며, S/D ≥ 6에서는 TKE가 독립적인 분포를 형성.

전단 응력(Shear Stress) 분석

  • 침식이 시작되기 전 상태에서 하상 전단 응력을 평가.
  • 단일 교각: 최대 전단 응력은 교각 전면 및 측면에서 발생.
  • 다중 교각:
    • Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각의 전단 응력이 낮아지고, S/D = 4에서 최대값을 기록.
    • Side-by-side 배치에서는 S/D = 2~4에서 교각 사이 전단 응력이 가장 높으며, S/D = 6에서는 개별 교각과 유사한 패턴을 보임.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 비침식성 하상 시뮬레이션을 통해 교각 주변 유동 특성을 정량적으로 분석 가능.
  • 단일 교각(사각형, 원형) 주변 유동 특성은 거의 유사하며, 교각 형상이 큰 차이를 만들지는 않음.
  • 다중 교각 배치에서 S/D = 2~4 구간이 가장 불안정하며, S/D ≥ 6에서는 독립적인 유동장 형성.
  • 비침식성 하상 조건에서의 유동 특성 연구를 통해 침식 시작 전에 교각 설계를 최적화할 수 있음.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 모델 적용하여 더욱 정밀한 유동 해석 수행.
  • 다양한 하상 조건(침식성 및 비침식성)에 따른 비교 연구 진행.
  • 실제 교량 구조물 적용을 위한 현장 실험 및 검증 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 비침식성 하상에서 단일 및 다중 교각 주변 유동 특성을 분석한 연구로, 교각 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.

Fig. 2 The scenario of simulated experiments in the present study
Fig. 2 The scenario of simulated experiments in the present study
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 9 The shear stress near the bed surface around the group pier and single pier in a non-erodible bed
Fig. 9 The shear stress near the bed surface around the group pier and single pier in a non-erodible bed

References

  1. Kirkil, G.; Constantinescu, G.; Ettema, R. Coherent structures in the flow field around a circular cylinder with scour hole. J. Hydraul. Eng. 2008, 134, 572–587.
  2. Laursen EM, Toch A (1956) Scour around bridge piers and abutments. Bulletin No. 4. Iowa Highway Research Board, Bureau of Public Roads, Iowa.
  3. Melville BW (1975) Local scour at bridge sites. School of Engineering, University of Auckland, Auckland.
  4. Raudkivi AJ, Ettema R (1985) Scour at cylindrical bridge piers in armored beds. J Hydraul Eng 111:713–731
  5. Melville BW, Sutherland AJ (1988) Design method for local scour at bridge piers. J Hydraul Eng 114:1210–1226.
  6. Breusers HNC, Raudkivi AJ (1991) ‘‘Scouring.’’ Hydraulic structures design manual, vol 2. A. A. Balkmea, Rotterdam.
  7. Yanmaz AM, Altinbilek HD (1991) Study of time-depenbent local scour around bridge piers. J Hydraul Eng 117:1247–1268.
  8. Dey S, Bose SK, Sastry GLN (1995) Clear water scour at circular piers: a model. J Hydraul Eng 121:869–876.
  9. Melville BW, Coleman SE (2000) Bridge scour. Water Resource Publicatians, LLC, Denvernd.
  10. M.N. Landers, D.S. Mueller, Channel scour at bridges in the United States, Pub. FHWA-RD-95-184. USDOT, Turner Fairbanks Hwy. Res. Ctr., McLean, Va. 1996.
  11. Zokaei, M.; Zarrati, A.R.; Salamatian, S.A.; Karimaee Tabarestani, M. Study on scouring around bridge piers protected by collar using low-density sediment. Int. J. Civ. Eng. 2013, 11, 199–205.
  12. Zarrati, R.A.; Nazariha, M.; Mashahir, M.B. Reduction of Local Scour in the Vicinity of Bridge Pier Groups Using Collars and Riprap. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 154–162.
  13. Singh, K.U.; Ahmad, Z.; Kumar, A. Turbulence characteristics of flow over the degraded cohesive bed of clay–silt–sand mixture. ISH J. Hydraul. Eng. 2017, 23, 308–318.
  14. Pandey, M.; Ahmad, Z.; Sharma, P.K. Flow-characteristics around circular pier model. In Proceedings of the HYDRO’15 International Conference, IIT ROORKEE, Roorkee, India, 17–19 December 2015.
  15. Melville, B.W. Pier and Abutment Scour: Integrated Approach. J. Hydraul. Eng. 1997, 123, 125–136.
  16. Melville, B. W. (1984). Live-bed scour at bridge piers. Journal of hydraulic engineering, 110(9), 1234-1247.
  17. Farooq, R., & Ghumman, A. R. (2019). Impact assessment of pier shape and modifications on scouring around bridge pier. Water, 11(9), 1761.
  18. 18- Liang, F., Wang, C., Huang, M., & Wang, Y. (2017). Experimental observations and evaluations of formulae for local scour at pile groups in steady currents. Marine Georesources & Geotechnology, 35(2), 245-255.
  19. Amini, A.; Melville, B.W.; Ali, T.M.; Ghazli, A.H. Clear water local scour around pile groups in shallow-water flow. J. Hydraul. Eng. 2012, 138, 177–185.
  20. Ataie-Ashtiani, B.; Beheshti, A.A. Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 1100–1104.
  21. Beg, M. Characteristics of developing scour holes around two piers placed in transverse arrangement. In Proceedings of the 5th International Conference on Scour and Erosion, San Francisco, CA, USA, 7–10 November 2010.
  22. Lanca, R.; Fael, C.; Maia, R.; Pego, J.P.; Cardoso, A.H. Clear-water scour at pile groups. J. Hydraul. Eng. 2013, 139, 1089–1098.
  23. Tafarojnoruz, A.; Gaudio, R.; Calomino, F. Bridge pier scour mitigation under steady and unsteady flow conditions. Acta Geophys. 2012, 60, 1076–1097.
  24. Zarrati, A.R.; Nazariha, M.; Mashahir, M.B. Reduction of local scour in the vicinity of bridge pier groups using collars and riprap. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 154–162.
  25. Zhou, K., Duan, J. G., & Bombardelli, F. A. (2020). Experimental and theoretical study of local 498 scour around three-group pier. Journal of Hydraulic Engineering, 146(10), 04020069.
  26. Sheppard, D. M., & Miller Jr, W. (2006). Live-bed local pier scour experiments. Journal of 485 Hydraulic Engineering, 132(7), 635-642.
  27. Keshavarzi, A., Shrestha, C. K., Melville, B., Khabbaz, H., Ranjbar-Zahedani, M., & Ball, J. 449 (2018). Estimation of maximum scour depths at upstream of front and rear piers for two in-line 450 circular columns. Environmental Fluid Mechanics, 18(2), 537-550.
  28. Richardson, E. V. and Davis, S. R. (2001). Evaluating scour at bridges, Hydraulic Engineering Circular No. 18, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
  29. Elliott, K. and Baker, C. (1985). “Effect of pier spacing on scour around bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 111, No. 7, pp. 1105-1109, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1985) 111:7(1105).
  30. Gao, D. G., Posada, L. G., and Nordin, C. F. (1993). Pier scour equations used in the People’s Republic of China: REVIEW AND SUMMARY, Tech. Rep., Department of Civil Engineering, Colorado State University, Fort Collins, Colorado.
  31. Melville, B. W. and Coleman, S. E. (2000). Bridge scour, Littleton, Colorado: Water Resources Publications.
  32. Ghasemi, M.; Soltani, S. The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D. J. Hydrosci. Environ. 2017, 1, 46–54.
  33. Flow Science. Flow-3D: Version 9.3: User Manual; Flow Science: Santa Fe, NM, USA, 2008.
  34. Zhang, Q.; Zhou, X.L.; Wang, J.H. Numerical investigation of local scour around three adjacent piles with different arrangements under current. Ocean Eng. 2017, 142, 625–638.
  35. Hassan, Z.F.; Karim, I.R.; Al-Shukur, A.-H.K. Numerical Simulation of Local Scour around Tandem Bridge Piers. J. Water Resour. Res. Dev. 2020, 3, 1–10.
  36. Ataie-Ashtiani, B., & Aslani-Kordkandi, A. (2012). Flow field around side-by-side piers with and without a scour hole. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 36, 152-166.
  37. Cengel, Y.A.; Cimbala, J.M. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 2014; ISBN 9780073380322.
  38. Daneshfaraz R, Ghahramanzadeh A, Ghaderi A, Joudi AR, Abraham J, (2016). Investigation of the Effect of Edge Shape on Characteristics of Flow under Vertical Gates. Journal of American Water Works Association, Doi.org/10.5942/jawwa.2016.108.0102.
  39. Tang, J. H., & Puspasari, A. D. (2021). Numerical simulation of local scour around three cylindrical piles in a tandem arrangement. Water, 13(24), 3623.
  40. Ghasemi, M.; Soltani, S. The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D. J. Hydrosci. Environ. 2017,1, 46–54.
  41. Zhang, Q.; Zhou, X.L.; Wang, J.H. Numerical investigation of local scour around three adjacent piles with different arrangements under current. Ocean Eng. 2017, 142, 625–638.
  42. Jalal, H.K.; Hassan, W.H. Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020, 745, 012150.
  43. Omara, H.; Tawfik, A. Numerical study of local scour around bridge piers. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2018, 151, 012013.
  44. Nazari-Sharabian, M.; Nazari-Sharabian, A.; Karakouzian, M.; Karami, M. Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using Flow-3D. Civ. Eng. J. 2020, 6, 1091–1103.
  45. Raudkivi, A. (1998). Loose Boundary Hydraulics. 4th edition. Balkema, Rotterdam, The Netherlands.
  46. Cook, W., Barr, P.J., and Halling, M.W. (2015). Bridge failure rate, Journal of Performance of Constructed Facilities, 29(3). 1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000571,04014080.
  47. Omara, H., & Tawfik, A. (2018, May). Numerical study of local scour around bridge piers. In IOP conference series: earth and environmental science (Vol. 151, No. 1, p. 012013). IOP Publishing.
  48. White, F.M. Viscous Fluid Flow, 2nd ed; McGraw-Hill University of Rhode Island: Rhode Island, NE, USA, 1991.
  49. Ahmadi, M., Kuriqi, A., Nezhad, H. M., Ghaderi, A., & Mohammadi, M. (2022). Innovative configuration of vertical slot fishway to enhance fish swimming conditions. Journal of Hydrodynamics, 34(5), 917-933.
  50. Karimaei Tabarestani, M. (2020). Study on time development of horse-shoe vortex diameter and shear stress at bridge pier. Water Resources Engineering, 13(44), 51-65. (In Persian)
  51. Besharati M H, Hakimzadeh H. 3D NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW PATTERN AND BED SHEAR STRESS AROUND CONICAL PIERS. Marine Engineering 2010; 6 (11):63-70. (In Persian)
  52. Sumer BM, Fredsoe J (2002) The mechanics of scour in the marine environment. Advance series on ocean engineering, Toh Tuck link. World Scientific Publishing Com. Pty, Toh Tuck Link.
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