FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르 배출 속도 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
- 폐광석 저수지(tailings pond)는 광산 채굴 후 배출되는 폐기물을 저장하는 인공 저수지로, 붕괴 시 하류 지역에 심각한 환경적·경제적 피해를 초래할 수 있음.
- 폐광석 모르타르(tailings mortar)는 중금속(Pb, Cu, Mn 등)을 포함하며, 붕괴 시 고속 동적 에너지 모래 흐름(high-speed dynamic energy sand flow)으로 변환되어 하류 지역에 영향을 미침.
- 기존 연구는 폐광석 모르타르의 확산 범위 및 중금속 이동 경로 분석에 초점을 맞췄으며, 배출 속도 및 유동 특성에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
- FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 유동 특성을 수치적으로 분석.
- 폐광석 모르타르의 밀도, 점도, 하류 거칠기(roughness height)가 배출 속도 및 이동 거리에 미치는 영향을 연구.
- 기존 경험식과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체-고체 경계를 추적.
- RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
- 3D CAD 모델링을 통해 폐광석 저수지 및 하류 1000m × 400m × 30m 영역을 설정.
- 격자(cell) 수: 48,592개, 격자 크기: 3m.
- 경계 조건:
- 유입부: 폐광석 저수지에서 배출되는 유체 설정.
- 유출부: 하류 개방 경계 조건 적용.
- 바닥면: 다양한 거칠기(0.25m, 0.5m, 1.0m) 적용.
실험 데이터 및 경험식 비교
- 기존 Kang(1960), Fu(2007) 등의 경험식을 사용하여 FLOW-3D 결과 검증.
- 폐광석 모르타르의 밀도(1800, 2500, 3200 kg/m³), 점도(0.5, 5, 15 kg/m/s) 변화에 따른 배출 속도 비교.
주요 결과
배출 속도 변화
- FLOW-3D 결과와 기존 경험식 비교 시 최대 오차율 3% 이내로 확인.
- 폐광석 모르타르의 배출 속도는 초기 급격히 증가한 후 점진적으로 감소하며 안정화됨.
- 밀도가 높을수록 초기 속도가 빠르지만, 일정 거리 이후 속도 차이 감소.
- 점도가 클수록 유동 저항 증가 → 유속 감소 및 이동 거리 단축.
- 거칠기(roughness height)가 클수록 배출 속도 감소 (450m에서 속도 감소율: 19.6~43.7%).
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D를 활용한 폐광석 모르타르 유동 해석이 기존 경험식과 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 검증됨.
- 밀도 및 점도 변화가 배출 속도에 영향을 미치며, 하류 지역의 거칠기 증가가 유동 속도를 효과적으로 저감할 수 있음.
- 폐광석 저수지 붕괴 시 피해 최소화를 위해 하류에 식생 및 수리 구조물 설치 필요.
향후 연구 방향
- LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 추가 난류 분석.
- 하류 지역의 실제 데이터와 비교 검증 수행.
- 다양한 저수지 형상 및 붕괴 시나리오 적용 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 배출 속도 및 유동 특성을 수치적으로 분석한 연구로, 향후 광산 안전 관리 및 재난 예방 시스템 구축에 기여할 수 있는 데이터를 제공하였다.
References
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