수위 - 측벽고 검토

댐 저수지 측수로 유동특성 타당성 검토 수치해석

수치해석 모형 구축

FLOW-3D를 이용하여 3차원 수치해석을 통한 유동특성 타당성설계 검토가 가능합니다. 또한 문제점을 개선시키기 위한 대안 제시도 가능합니다.

여수로 종단해석 모델
여수로 종단해석 모델
여수로 3차원 형상
여수로 3차원 형상
구 분마루고(EL. m)월류웨어폭(m)감세공 형식감세공바닥고(EL. m)감세공 길이(m)감세공 폭(m)
실시설계438.038.0정수지396.045.020.0
여수로 제원
해석영역 및 격자구성
해석영역 및 격자구성
홍수사상상류경계조건하류경계조건해석영역격자간격격자 수
(홍수위 EL. m)(홍수위 EL. m)(m) (m) (m)(개)
200년441404.98X방향 : 890
Y방향 : 750
Z방향 : 56
X방향 : 0.5 ~ 2.0
Y방향 : 0.3 ~ 6.4
Z방향 : 0.5 ~ 0.9
X방향 : 710
Y방향 : 385
Z방향 : 80
총 : 21,868,000
PMF442.6406.25
해석영역 및 격자구성

200년 홍수사상 여수로 검토

3차원 유속분포
3차원 유속분포

200년 홍수사상 방류량 결과 (EL. 441.0m)

수리계산(m3/s)수치해석(m3/s)상대오차(%)
407.74424.18(+) 3.88
200년 홍수사상 방류량 결과 (EL. 441.0m)

200년 홍수사상 시 3차원 유속분포를 위 그림에 나타내었으며, 상류홍수위 EL. 441.0m에서 방류량은 424.18m3/s로 산정되어 그 결과를 위 표에 나타내었다. 수리계산 방류량(407.74m3/s)대비 약 (+)3.88%로 실시설계 여수로 규모를 확보한 것으로 평가되었다.

접근 수로부

접근수로부 3차원 유속분포
접근수로부 3차원 유속분포
접근유속 검토
접근유속 검토

200년 홍수사상 시 접근수로부 3차원 유속분포 및 평면 접근유속 분포를 위 그림에 나타내었다. 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고 측수로 형식 변경에 따라 유입유황이 양호한 것으로 나타나며, 타당성설계에서 나타난 국부적 수면강하영역이 개선된 것으로 평가되었다. 취수탑 부근 유속도 0.5m/s이하의 저유속으로 나타나 취수탑에 의한 흐름의 영향은 미미한 것으로 나타났다.

조절부

조절부 압력분포
조절부 압력분포

그림에 조절부 종단면 압력분포를 나타내었다. 월류웨어에서 최소압력은 약 759Pa(0.077m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조물의 안전성을 확보한 것으로 나타났다.

도류부

도류부 공동지수 및 유속분포
도류부 공동지수 및 유속분포

대부분의 여수로 급류수로는 급경사를 이루고 있기 때문에 고유속의 흐름이 형성되며, 고유속의 흐름으로 인하여 수로에서는 부압이 발생하여 물속에 녹아있는 공기가 방울을 형성하며, 압력이 증가되면서 공기방울이 압궤될 때 구조물이 손상되는 공동현상(cavitation)이 발생될 수 있다. 이와 같은 공동현상을 방지하기 위해 여수로 흐름 내에 압력이 증기압 이하로 낮아지는 부위가 생기지 않도록 콘크리트 표면을 매끄럽게 하거나 공기를 혼입시키는 공기혼입장치를 설치한다.

댐설계기준에 따르면 급경사 수로내에서 평균유속이 12~15m/s 이상일 경우 공동현상에 대한 검토가 필요하고, 유속이 20m/s 이상이면 공동현상에 의한 손상이 발생할 가능성이 있다고 기술되어 있으나 USBR에서는 공동현상에 의해 손상된 댐 사례들을 조사한 결과 파손된 여수로의 흐름속도는 30m/s를 초과하며 공동지수는 0.2이하에서 발생하는 것으로 나타났다. (USBR Engineering monograph No. 42, P.36)

수리계산 결과에 따르면 유속이 20m/s를 상회하는 구간이 발생하나 유속이 30m/s이하이고 한계공동지수 0.2를 초과하지 않는 것으로 나타나 공동현상에 의한 손상은 발생되지 않을 것으로 예측된다.

도류부 공동지수 및 유속분포

도류부시점 기점거리 (m)공동지수 ( )평균유속 (m/s)
07.396.21
56.86.34
106.366.49
156.116.62
206.126.62
256.066.65
305.86.78
355.86.77
406.036.65
456.386.49
506.826.31
557.126.19
607.156.18
657.086.2
706.936.26
756.586.4
806.096.62
855.337.02
903.858.13
952.739.5
100211.09
1051.5212.5
1101.0714.82
1150.816.7
1200.6718.43
1250.5519.88
1300.5120.85
1350.4322.43
1400.4223.33
1450.3923.86
1500.3824.54
최소공동지수0.380.38

도류부 공동지수 및 유속분포

수위 – 측벽고 검토

수위 - 측벽고 검토
수위 – 측벽고 검토

수위-측벽고를 나타냈다. 여수로 내 도류벽 월류가 발생하지 않는 것으로 평가되었으며, 도류부시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안의 최소여유고가 약 2.20m로 산정되었다.

감세공 3차원 및 평면 수위분포

감세공 3차원 및 평면 수위분포
감세공 3차원 및 평면 수위분포

감세공 3차원 및 평면 수위분포로 도류부 시점으로부터 185.6m 지점에서 최고수위(EL.407.52m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 넘지 않는 것으로 나타나며, 최소여유고는 약 0.98m로 평가되었다.

감세공 유속 및 수위분포
감세공 유속 및 수위분포

감세공 중앙 종단면 유속 및 수위분포를 볼 수 있으며, 감세공 중앙종단면에서 최고수위는 EL. 407.22m로 산정되었고, 감세공에서 원활한 도수가 발생하여 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 감세공의 규모가 적정한 것으로 평가되었다. (댐설계기준, 2005, p404)

하류하천 평면 유속분포(EL. 404.0m)
하류하천 평면 유속분포(EL. 404.0m)

하류하천 평면 유속분포를 볼 수 있으며 감세공의 적정한 규모확보에 따라 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되는 것으로 평가되었다.

하류하천 호안검토
하류하천 호안검토

하류하천 평면 및 하천호안 횡단면 유속분포를 볼 수 있으며 감세공에서 하천으로 전파되는 유동이 우안호안에 미치는 영향을 평가하기 위하여 유속을 산정하였는데 우안호안에서 최대유속은 4.93m/s (EL. 404.37m)로 나타났다.

홍수사상 검토

PMF 홍수사상 여수로 방류능력 검토
PMF 홍수사상 여수로 방류능력 검토
수리계산(m3/s)수치해석(m3/s)상대오차(%)
821.42821.51(+) 0.01

PMF 홍수사상 시 3차원 유속분포에 나타난 것처럼며, 상류홍수위 EL. 442.6m에서 방류량은 821.51m3/s로 산정되어 그 결과를 표 5-5에 나타내었다. 수리계산 방류량(821.42m3/s)대비 약 (+)0.01%로 실시설계 여수로 규모를 확보한 것으로 평가되었다.

접근수로부

설계에 따른 접근수로부 3차원 유속분포
설계에 따른 접근수로부 3차원 유속분포
접근유속 검토
접근유속 검토

PMF년 홍수사상 시 접근수로부 3차원 유속분포 및 평면 접근유속 분포를 위 그림에 나타내었다. 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고 측수로 형식 변경에 따라 유입유황이 양호한 것으로 나타나며, 타당성설계에서 나타난 국부적 수면강하영역이 개선된 것으로 평가되었다. 취수탑 부근 유속도 0.5m/s이하의 저유속으로 나타나 취수탑에 의한 흐름의 영향은 미미한 것으로 나타났다.

조절부

조절부 압력분포
조절부 압력분포

그림에 조절부 종단면 압력분포를 나타내었다. 월류웨어에서 최소압력은 약 1,904Pa(0.194m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조적 안전성을 확보한 것으로 나타났다.

조절부 Froude number 분포
조절부 유속 분포
조절부 Froude number 분포
조절부 Froude number 분포

조절부 종단면 유속분포 및 Froude number 분포를 나타냈으며, 웨어 전 영역에서 사류(Fr > 1)가 발생하는 것으로 평가되었다.

도류부 공동지수 및 유속분포
도류부 공동지수 및 유속분포

그림과 표에 도류부 공동지수 및 유속분포를 나타내었다. 최소 공동지수는 0.41로 나타나 USBR 기준인 유속이 30m/s이하, 공동지수가 0.2 이상으로 공동현상에 대한 안전성을 확보한 것으로 평가되었다.

수위 - 측벽고 검토
수위 – 측벽고 검토

그림에 수위-측벽고를 나타냈다. 여수로 내 도류벽 월류가 발생하지 않는 것으로 평가되었으며, 도류부시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안의 최소여유고가 약 0.71m로 산정되었다.

감세공 3차원 및 평면 수위분포
감세공 3차원 및 평면 수위분포

그림에 감세공 3차원 및 평면 수위분포를 나타냈다. 도류부 시점으로부터 189.0m 지점에서 최고수위(EL.411.14m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 약 2.64m 월류하는 것으로 나타났다.

감세공 유속 및 수위분포
감세공 유속 및 수위분포

그림에 감세공 중앙 종단면 유속 및 수위분포를 나타냈다. 감세공 중앙종단면에서 최고수위는 EL. 410.70m로 산정되었고, 감세공에서 원활한 도수가 발생하여 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 감세공의 규모가 적정한 것으로 평가되었다. (댐설계기준, 2005, p404)

하류하천 평면 유속분포(EL. 405.0m)
하류하천 평면 유속분포(EL. 405.0m)

그림에 하류하천 평면 유속분포를 나타냈다. 감세공의 적정한 규모확보에 따라 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되는 것으로 평가되었다.

여수로 방류 능력 검토

여수로의 방류능력을 검토하였다. 여수로 월류웨어의 마루고는 EL. 438.0m이며, 웨어의 폭은 38.0m이다. 여수로 방류능력 검토는 수위 EL. 438.0m부터 EL. 441.0m까지 0.6m 간격으로 여수로에 대한 방류능력을 검토하였으며, 검토결과 수리계산과 3차원 수치해석 결과의 오차범위가 5% 이내로 비슷한 결과가 나타나며, 타당성설계에서 부족하게 평가되었던 PMF 홍수사상 방류량이 개선되었다.

여수로 수위 - 방류량
여수로 수위 – 방류량
저수지수위(EL. m)수리계산(m3/s)수치해석(m3/s)상대오차(%)
438.00.000.00( ) 0.00
438.631.4033.26(+) 5.59
439.293.5699.04(+) 5.53
439.8178.86188.88(+) 5.30
440.4284.27293.46(+) 3.13
441.0407.74424.18(+) 3.88
442.6821.42821.51(+) 0.01

여수로 수위 – 방류량
여수로 수위 - 방류량 (EL. 438.6m)
여수로 수위 – 방류량 (EL. 438.6m)
여수로 수위 - 방류량 (EL. 439.2m)
여수로 수위 – 방류량 (EL. 439.2m)
저수지수위(EL. m)수리계산(m3/s)수치해석(m3/s)상대오차(%)
439.293.5699.04(+) 5.53
여수로 수위 – 방류량 (EL. 439.2m)
여수로 수위 - 방류량 (EL. 440.4m)
여수로 수위 – 방류량 (EL. 440.4m)
저수지수위(EL. m)수리계산(m3/s)수치해석(m3/s)상대오차(%)
440.4284.27293.46(+) 3.13
여수로 수위 - 방류량 (EL. 441.0m)
여수로 수위 – 방류량 (EL. 441.0m)
저수지수위(EL. m)수리계산(m3/s)수치해석(m3/s)상대오차(%)
441.0407.74424.18(+) 3.88
여수로 수위 – 방류량 (EL. 441.0m)

200년 홍수사상 결과 분석

구 분접근유속방류량(m3/s)최소압력(m)최소여유고(m)우안호안유속(m/s)
200년4m/s 이하424.180.0772.204.93
200년 홍수사상 여수로 분석결과

200년 홍수사상 시 여수로 분석결과를 위 표에 나타내었다. 200년 홍수사상 시 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고, 측수로식 여수로 변경으로 타당성설계에서 발생한 불안정 유입유황이 개선되었다.

상류 홍수위 EL.441.0m에서 방류량은 424.18m3/s로 산정되어 수리계산 방류량(407.74m3/s)대비 약 (+)3.88%로 기본설계 여수로 방류 규모를 확보한 것으로 평가되었다.

월류웨어에서 최소압력은 약 759Pa(0.077m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조물의 안전성을 확보한 것으로 나타났다. 도류부의 최대유속은 24.54m/s, 최소 공동지수는 0.38로 산정되어 USBR 기준인 유속 30m/s이하, 공동지수 0.2 이상으로 나타나 공동현상에 대한 안전성을 확보하였다. (USBR Engineering monograph No. 42, P.36)

도류부 좌안 및 우안에서는 도류벽 월류가 발생하지 않으며 도류부 시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안 최소 여유고가 약 2.20m로 산정되어 200년 홍수사상 방류 시 충분한 여유고를 확보한 것으로 나타났다.

감세공 검토결과 도류부 시점으로부터 185.6m 지점에서 최고수위(EL.407.52m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 넘지 않는 것으로 나타나며, 최소 여유고는 약 0.98m로 평가되었다. 감세공에서 도수가 발생하여 5m/s 이하의 낮은 유속이 하류하천으로 전파되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 감세공의 규모가 충분한 것으로 평가되었다. (댐설계기준, 2005, p404)

충분한 감세후 방류되어 하류하천에서 우안호안으로 범람이 일어나지 않으며, 우안호안에서 최대유속은 4.93m/s (EL.404.37m)로 산정되었다.

홍수사상 결과 분석

구 분접근유속방류량(m3/s)최소압력(m)최소여유고(m)정수지여유고(m)
PMF4m/s 이하821.510.1940.71(-) 2.64
PMF 홍수사상 여수로 분석결과

PMF 홍수사상 시 여수로 분석결과를 위 표에 나타내었다. PMF 홍수사상 시 접근유속이 4m/s 이하로 나타나 설계기준을 만족하고, 측수로식 여수로 변경으로 타당성설계에서 발생한 불안정 유입유황이 개선되었다.

상류홍수위 EL.442.6m에서 방류량은 821.51m3/s로 산정되어 수리계산 방류량(821.42m3/s)대비 약 (+)0.01%로 실시설계 여수로 규모를 확보한 것으로 평가되며, 타당성설계에서 발생한 방류 규모부족이 해소되었다.

월류웨어에서 최소압력은 약 1,904Pa(0.194m)로 부압이 발생하지 않으며, 구조물의 안전성을 확보한 것으로 나타났다. 도류부의 최대유속은 24.21m/s, 최소 공동지수는 0.41로 산정되어 USBR 기준인 유속이 30m/s이하, 공동지수가 0.2 이상으로 나타나 공동현상에 대한 안전성을 확보하였다. (USBR Engineering monograph No. 42, P.36)

도류부 좌안 및 우안에서는 도류벽 월류가 발생하지 않으며 도류부 시점으로부터 101.2m 지점에서 도류부 우안 최소여유고가 약 0.71m로 산정되어 PMF 홍수사상 방류 시 충분한 여유고를 확보한 것으로 나타났다.

감세공 검토결과 도류부 시점으로부터 189.0m 지점에서 최고수위(EL.411.14m)가 산정되어 감세공 측벽고(EL.408.5m)를 약 2.64m 월류하는 것으로 나타났다.

감세공에서 충분한 감세후 5m/s 이하의 낮은 유속으로 하류하천에 유입되며, 도수 후 수위가 하천수위와 일치되는 것으로 나타나 안정적인 방류가 이루어진다. (댐설계기준, 2005, p404)

A vertical jet flowing into a moving cross stream

공기 유입 / Air Entrainment

Air Entrainment / 공기 유입

FLOW-3D 의 공기 혼입 모델(air entrainment model)은 자유 표면에서 용해되지 않은 공기 혼입을 시뮬레이션하는 강력한 도구입니다. 제트 및 방수로 충돌시 관찰되는 국부적이고 난류가없는 자유 표면 혼입 기능이 있습니다. 이러한 기능은 엔지니어가 설계시 공기 유입을 예측하고, 공기유입이 안전하게 작동하도록 적절한 수정을 할 수 있게 합니다.

Spillway hydraulics / 여수로 수리장치

여수로 구조는 다양한 작동 조건을 처리 할 수 ​​있도록 설계되어야 합니다. 유동 조건이 설계 범위의 상단에 도달하면 여수로 표면의 불규칙성으로 인해 유동이 분리 될 수 있습니다. 이는 여수로 표면의 압력이 캐비테이션을 일으킬 정도로 낮아지게 합니다. 캐비테이션은 구조물의 강도에 매우 해로우며 치명적인 손상을 초래할 수 있습니다.

공기 유입은 캐비테이션의 가능성을 줄이는 수단입니다. 물이 공기에 존재하면 캐비테이션 영역의 붕괴하는 기포에 감쇠 효과를 추가하여 캐비테이션 손상을 줄입니다. 여수로의 속도가 충분히 높으면 공기를 동반시키고 캐비테이션을 줄이기 위해 폭기 장치를 추가해야합니다.

폭기 흐름의 시뮬레이션과 폭기 장치에서 포획된 공기의 예측.

왼쪽 이미지는 거시적 인 밀도에 의해 착색됩니다. 오른쪽 그래프는 폭기 장치에 유입 된 수분의 일정한 부피와 폭기 장치 이후의 수분 및 공기의 양을 비교 한 것입니다.

아래 동영상은 FLOW-3D에서 공기 유입 과정을 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다. 여기에는 공기혼입 및 드리프트 플럭스 모델의 이론에 대한 세부 정보와 FLOW-3D에서 기본 공기혼입 시뮬레이션을 설정하는 방법에 대한 데모가 포함되어 있습니다.

Fish passage design / 물고기 개체수 유지를 위한 어도 설계

공기가 물로 혼입되면 미생물의 성장을 유지하고 건강한 어류 개체군의 생존을 보장 할 수 있습니다. 그러나 과포화 상태의 용존 기체는 수생 생물에 부정적인 영향을 미치는 수질 문제가 됩니다. 공기 동반 모델의 또 다른 용도는 강의 하류로 방출되는 배수로에서 동반되는 공기의 농도를 결정하기 위해 해양 생물학에서 사용됩니다.
이 모델에 대한 더 자세한 정보는 Air Entrainment 의 Flow Science Report를 다운로드하십시오.

Air Entrainment(공기혼입) Analysis

일부 자유 표면 유동에서 난류 또는 특정 유동조건으로 인해 자유 표면에 가스(Air)가 혼입될 수 있습니다. 그러므로 유동 해석시 가스(Air) 혼입에 대한 고려를 해야합니다.

공기혼입의 예시

  • 댐 수문게이트
  • 정화장치 부문
  • Dam aerated flow region(댐 공기 유동 영역) etc.

Air entrainment physical processes(공기 혼입 물리 프로세스)

  • Entrained air transprot(혼입 공기 수송 모델)
    : 혼입계수(The Entrainment rate coefficient)는 0.5가 적합
    : 표면장력(The surface tension) 고려
  • Bulking : Variable density(가변 밀도 모델)
    : 유입 유체의 밀도 조정은 유체 및 공기 밀도의 조합을 설명하기 위해 자동으로 계산됩니다. 결과적으로, 체적 유량은 유체 및 혼입 된 공기 혼합물의 총 체적 유량이며, 경계(Boundary)에서 공기의 농도를 정의 할 때 사용자가 고려해야합니다.
  • Turbulence model(RANS, RNG etc.)
    : 공기 혼입(Air entrainment) 모델을 사용할 때 적절한 난류모델을 고려해야 합니다. 난류 모델에 대한 설명은 아래 링크를 참조하시길 바랍니다.

/wp-admin/post.php?post=2873&action=edit

  • Buoyancy : Variable density + Drift-Flux(부력의 효과)
    : 부력(Buoyancy force) 효과를 고려하면 드리프트 플럭스 모델(Drift-Flux model)과의 상호 작용을 설명 할 수 있습니다. 이 경우, 기포는 밀도의 차이로 인해 유체 내에서 이동할 수 있으며 유체 운동에 영향을 줄 수 있습니다.

공기 혼입 모델(Air entrainement model) 해석 사례

Micro-porosity(=Micro-shrinkage) Defects, (미세기포(=미세수축공)에 의한 결함)

Micro-porosity(=Mirco-shrinkage) Defects (미세기포(=미세수축공)에 의한 결함)

FLOW-3D는 특별히 응고 과정 후반에  발생하는 미세수축공의 발생 위치를 예측하기 위한 모델을 갖고 있습니다. 이 정보를 이용하여 설계방안을 조정하고 중요한 결함을 방지 할 수 있습니다. 어떤 주조 부품들은 용탕이 응고하는 동안의 수축에 의한 gas pocket이나 porosity(or shrinkage)이 표면에 드러나면 불량품으로 판정받게 됩니다. 대부분의 크기가 큰 수축공은 응고중 피딩(feeding)을 가능하게 하는 적절한 금형 설계 방법에 의해 제거될 수 있습니다. 용탕의 응고수축을 보상하도록 충분한 feeding이 발생할 때, 미세수축공(micro-porosity, micro-shrinkage)은 일반적으로 발생하지 않습니다. 미세수축공은 충진시 공기혼입에 의한 기포와 발생원인이 상이한 것으로 응고말기 수지상(dendrite)조직에 충분한 용탕이 공급되지 않을 경우 주로 발생하며 일반적으로 부피 비율이 1 % 이하 정도의 작은 기포의 분포의미합니다. 그러므로 미세수축공이 나타날 수 있는 위치 및 가능성을 예측하는 수단을 갖는다는 것은 고품질 주조품의 생산에 매우 중요합니다. FLOW-3D의 미세수축공 모델(micro-porosity model )은 이러한 목적을 위해 개발되었습니다.

Air Entrapment Defects (공기혼입, 기포결함)

Air Entrapment Defects (공기혼입, 기포결함)

FLOW-3D 내의 Air entrapment model은 충진 동안 금형내에서 혼입되는 공기의 양을 추정하기 위해 사용됩니다. 이 모델은 기본적인 물리적 메커니즘을 기반으로 하고 있으며 정확한 미세기포의 예측이 가능합니다. 고속으로 분사되는 용탕과 공기의 혼합을 예측하는 모델로 사용자는 공기 혼입 결함을 방지하기 위한 시뮬레이션을 수행할 수 있으며, 여러 시행 착오 과정을 줄일 수 있습니다. Air entrapment model에 대한 자세한 내용은 모델링 기능 섹션을 방문하십시오.