Velocity Magnitude

FLOW-3D를 이용한 HDPE 대각선 모듈러 포장(HDP Diagonal Modular Pavement)의 속도, 유동 깊이 및 Froude 수 연구

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 기존의 아스팔트 포장 도로는 물의 자연스러운 흐름을 방해하고 홍수 위험을 증가시키는 환경적 문제를 초래한다.
    • 모듈러 포장 시스템(Modular Pavement System)은 투수성 재료와 중첩된 빈 공간 구조를 통해 강우 유출을 줄이고 지하수 재충전을 촉진할 수 있다.
    • 그러나 물리적 실험 방법은 비용이 많이 들고 시간 소모적이기 때문에, 수치 시뮬레이션을 통한 효율적 설계 방법이 필요하다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 대각선 HDPE 모듈러 포장 시스템의 수리적 특성(속도, 유동 깊이, Froude 수)을 분석.
    • 말레이시아 실제 강우 데이터를 사용하여 다양한 강우 강도(5 mm/h 및 85 mm/h)에 따른 포장의 물 흡수 능력 평가.
    • 예비 설계 방법으로서의 FLOW-3D 사용 가능성 검증.

연구 방법

  1. 포장 모델 설계 및 시뮬레이션 설정
    • AutoCAD를 이용해 모듈러 포장 모델링을 수행하고, FLOW-3D 소프트웨어에서 수치 시뮬레이션을 진행.
    • 포장 모델 구성:
      • 모듈러 포장층, 자갈층, 모래층의 3가지 레이어로 구성.
      • HDPE 모듈러 포장은 80 mm 직경, 5 mm 두께의 얇은 대각선 기둥 구조.
      • Jabatan Kerja Raya 표준에 따라 설계.
    • 수치 모델 설정:
      • FLOW-3D의 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체 흐름 및 유동 깊이 예측.
      • Navier-Stokes 방정식을 사용하여 3차원 불압축성 유동(Incompressible Flow) 시뮬레이션.
      • 모듈러 포장 모델의 경계 조건은 대칭(Symmetry), 연속(Continuative), 체적 유량(Volume Flow Rate), 벽(Wall) 경계로 설정.
  2. 시뮬레이션 시나리오 및 변수 설정
    • 강우 강도 시나리오:
      • 낮은 강우(5 mm/h) 및 높은 강우(85 mm/h) 조건을 설정하여 모듈러 포장의 유동 특성 분석.
    • 측정 변수:
      • 속도(속도의 x, y, z 성분), 유동 깊이(Flow Depth), Froude 수(Fr)를 측정.
      • Froude 수는 유속과 관성력의 비율을 나타내며, 유동 상태(서브크리티컬 또는 슈퍼크리티컬) 평가에 사용.

주요 결과

  1. 속도(X-, Y-, Z-방향) 분석
    • 시뮬레이션 결과:
      • x, y 속도는 z 속도보다 크게 나타남.
      • 200초 초기 단계에서 x 속도는 122.40 ~ 125.28 cm/h, 6000초 후에는 68.04 ~ 78.12 cm/h로 감소.
      • z 속도는 40.68 ~ 44.28 cm/h(200초)에서 22.32 ~ 30.6 cm/h(6000초)로 다소 적은 변화를 보임.
    • 속도 감소 원인 분석:
      • 낮은 토양 투수성으로 인해 강우 강도가 유속에 미치는 영향 미미.
      • 모듈러 포장 구조 내 작은 기공(Pore Space)과 모세관 현상(Capillarity) 제한으로 유속 감소.
  2. 유동 깊이(Flow Depth) 변화 분석
    • 모든 강우 강도 조건(5 mm/h, 85 mm/h)에서 유동 깊이는 425.65 mm로 일정하게 유지.
    • 포장 내 물의 유입 및 유출이 균형을 이루어 정상 상태(Steady State) 도달.
    • 포장 구조의 투수성 덕분에 강우 강도가 증가해도 표면 유출(Surface Runoff)이 발생하지 않음.
  3. Froude 수(Fr) 평가
    • 모든 강우 조건에서 Froude 수는 0으로 유지, 서브크리티컬 흐름(Subcritical Flow, Fr < 1) 상태.
    • 모듈러 포장이 물 저장 및 투수 역할을 수행하여 흐름 에너지를 낮추고 난류(Turbulence) 감소 효과.
    • 높은 Froude 수는 낮은 전단력 방출(Shear Force Discharge) 및 높은 침전물 운반 용량을 의미하지만, 본 연구에서는 낮은 Fr 값으로 침전물 운반 감소 효과 확인.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 HDPE 모듈러 포장의 수리적 특성을 정확히 분석 가능.
    • 모듈러 포장이 강우 유출을 줄이고 지하수 충전에 효과적임을 입증.
    • 말레이시아 실제 강우 데이터를 활용하여 현지 조건에서도 적합성을 보임.
    • FLOW-3D는 모듈러 포장 설계 시 예비 평가 도구로 활용 가능.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 경사(Slope) 조건에서의 모듈러 포장 성능 분석 필요.
    • 최적 강우 강도 및 침투 효율성 평가를 위한 시뮬레이션 확장.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 수리적 성능 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 HDPE 대각선 모듈러 포장의 수리적 성능을 정량적으로 평가하고, 비용 효율적인 강우 관리 및 침수 예방을 위한 설계 가이드라인을 제공하며, 도시 홍수 위험을 줄이고 지속 가능한 물 관리 정책 수립에 기여할 수 있다​.

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