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댐 방수로(Spillway) 안내벽의 유동 패턴 수치 모델링: 이란 Balaroud 댐 사례 연구

연구 배경

  • 문제 정의: 댐 방수로의 안내벽(Guide Wall)은 흐름 패턴을 조절하는 중요한 구조물로, 최적의 형상을 설계하면 방수로의 성능을 향상할 수 있음.
  • 목표: Balaroud 댐의 방수로 안내벽에 대해 물리적 및 수치적 모델링을 수행하여, 최적의 안내벽 형상을 도출.
  • 접근법: CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어인 FLOW-3D를 활용하여 다양한 안내벽 설계를 비교 분석.

연구 방법

  1. 모델링 개요
    • AutoCAD를 이용하여 3D 모델 생성 후 FLOW-3D로 내보내기(STL 파일 형식).
    • 1:110 축척의 실험실 모델을 구축하고 실험 결과와 수치 해석을 비교.
  2. 수치 모델링 과정
    • 격자 생성(Meshing): 다양한 해상도로 수치 해석을 진행.
    • 경계 조건 설정: 유입 및 유출 조건을 설정하고 난류 모델 선택.
  3. 난류 모델 비교
    • K-epsilon, RNG K-epsilon, LES(Large Eddy Simulation) 모델을 비교.
    • RNG K-epsilon 모델이 가장 적합한 결과를 보임.
  4. 세 가지 안내벽 설계 평가
    • 모델 1: 유동 분리가 심하게 발생하여 부적합.
    • 모델 2: 접근 채널에서 교차파(Cross Waves) 형성.
    • 모델 3: 최소한의 유동 분리 및 교차파 제거 → 최적의 설계로 선정.

주요 결과

  • 모델 3이 가장 우수한 성능을 보이며, 교차파 발생을 최소화하고 유량을 원활하게 전달.
  • 유량-수위 곡선(Rating Curve) 분석을 통해 모델 3이 다른 설계보다 효율적임을 확인.
  • FLOW-3D의 RNG K-epsilon 난류 모델이 유동 패턴 해석에 가장 적합.

결론 및 향후 연구

  • 수치 모델링과 물리적 실험을 결합하여 최적의 안내벽 형상을 도출.
  • 최적 설계(모델 3)를 통해 방수로 성능을 개선하고, 수력 구조물의 안전성을 향상 가능.
  • 향후 연구에서는 다양한 유입 조건과 추가적인 설계 변수를 고려하여 더욱 정밀한 최적화를 수행할 필요.

이 연구는 댐 방수로 안내벽 설계의 최적화를 목표로 하며, 수치 해석 기법을 활용한 CFD 기반 설계 검증 방법론을 제시한다는 점에서 의의가 있다.

Reference

  1. M.C. Aydin, CFD simulation of free-surface flow overtriangular labyrinth side weir, Adv. Eng. Softw. 45 (1) (2012)159–166.
  2. M.C. Aydin, M.E. Emiroglu, Determination of capacity oflabyrinth side weir by CFD, Flow Meas. Instrum. 29 (2013) 1–8.
  3. H. Babaali, A. Shamsai, H. Vosoughifar, Computationalmodeling of the hydraulic jump in the stilling basin withconvergence walls using CFD codes, Arab. J. Sci. Eng. 40 (2)(2015) 381–395.
  4. P.D. Bates, S.N. Lane, R.I. Ferguson, Computational FluidDynamics: Applications in Environmental Hydraulics, Wiley,2005.
  5. T. Cebeci, Turbulence Models and Their Application: EfficientNumerical Methods with Computer Programs, Horizons Pub,2004.
  6. P.G. Chanel, An Evaluation of Computational Fluid Dynamicsfor Spillway Modeling, University of Manitoba, 2008 (Master ofScience).
  7. J. Chatila, M. Tabbara, Computational modeling of flow overan ogee spillway, Comput. Struct. 82 (22) (2004) 1805–1812.
  8. C. Chinnarasri, D. Kositgittiwong, P.Y. Julien, Model of flowover spillways by computational fluid dynamics, Proc. ICE –Water Manage. (2014) 164–175.
  9. R. Ettema, Hydraulic Modeling Concepts and Practice, ASCE,2000.
  10. D. Gessler, CFD modeling of spillway performance, ImpactsGlob. Clim. Change (2005) 1–10.
  11. G. Guyot, H. Maaloul, A. Archer, A Vortex modeling with 3DCFD, in: P. Gourbesville, J. Cunge, G. Caignaert (Eds.),Advances in Hydroinformatics, Springer, Singapore, 2014, pp.433–444.
  12. W.H. Hager, M. Pfister, Hydraulic modelling – an introduction:principles, methods and applications, J. Hydraul. Res. 48 (4)(2010) 557–558.
  13. D. Kim, J. Park, Analysis of flow structure over ogee-spillway inconsideration of scale and roughness effects by using CFDmodel, KSCE J. Civ. Eng. 9 (2) (2005) 161–169.
  14. R. Maghsoodi, M.S. Roozgar, H. Sarkardeh, H.M.Azamathulla, 3D-simulation of flow over submerged weirs,Int. J. Model. Simul. 32 (4) (2012) 237.
  15. B. Mohammadi, O. Pironneau, Analysis of the K-epsilonTurbulence Model, Wiley, 1994.
  16. F. Moukalled, L. Mangani, M. Darwish, The Finite VolumeMethod in Computational Fluid Dynamics: An AdvancedIntroduction with OpenFOAM and Matlab, SpringerInternational Publishing, 2015.
  17. Y. Nakayama, R.F. Boucher, Computational fluid dynamics, in:Y.N.F. Boucher (Ed.), Introduction to Fluid Mechanics,Butterworth-Heinemann, Oxford, 1998, pp. 249–273.
  18. A. Parsaie, A. Haghiabi, Computational modeling of pollutiontransmission in rivers, Appl. Water Sci. (2015) 1–10.
  19. A. Parsaie, A. Haghiabi, Predicting the longitudinal dispersioncoefficient by radial basis function neural network, Model.Earth Syst. Environ. 1 (4) (2015) 1–8.
  20. A. Parsaie, A. Haghiabi, A. Moradinejad, CFD modeling offlow pattern in spillway’s approach channel, Sustain. WaterResour. Manag. 1 (3) (2015) 245–251.Figure 14 Head discharge curve of the model (3).Figure 16 The rating curve of the models for the guide wall.Figure 15 Cross section of the flow through the guide wall at theflood return period 1000 year.472 S. Dehdar-behbahani, A. Parsaie
  21. A. Parsaie, H. Yonesi, S. Najafian, Predictive modeling ofdischarge in compound open channel by support vector machinetechnique, Model. Earth Syst. Environ. 1 (2) (2015) 1–6.
  22. S. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Taylor& Francis, 1980.
  23. C. Pozrikidis, Fluid Dynamics: Theory, Computation, andNumerical Simulation, Springer, US, 2009.
  24. W. Rodi, Turbulence Models and Their Application inHydraulics, Taylor & Francis, 1993.
  25. M. Suprapto, Increase spillway capacity using labyrinth weir,Proc. Eng. 54 (2013) 440–446.
  26. H.K. Versteeg, W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method, Pearson Education Limited, 2007.
  27. J.-B. Wang, H.-C. Chen, Improved design of guide wall of bank spillway at Yutang Hydropower Station, Water Sci. Eng. 3 (1) (2010) 67–74.
  28. J. Wang, H. Chen, Experimental study of elimination of vortices along guide wall of bank spillway, in: Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering, Springer, BerlinHeidelberg, 2009, pp. 2059–2063.
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