레이저 용접 공정: 특성 및 유한요소법(FEM) 시뮬레이션

레이저 용접 공정: 특성 및 유한요소법(FEM) 시뮬레이션

Laser welding process: Characteristics and finite element method simulations

광전자 부품 패키징 분야에서 레이저 용접은 정밀한 정렬을 유지하면서 부품을 결합하는 핵심 공정입니다. 하지만 용접 과정에서 발생하는 급격한 열 구배와 응고 수축은 광학 축의 미세한 변형을 초래하여 광 출력 효율을 저하시키는 주요 원인이 됩니다. 본 연구는 Nd:YAG 레이저 용접 시 발생하는 열역학적 응력과 변형을 3차원 유한요소법(FEM)을 통해 분석하는 것을 목적으로 합니다. 특히 전기-열 상사성(Electro-thermal analogy)을 활용하여 가우시안 레이저 열 유속을 모델링하고, 실제 제조 공정에서의 에너지 분산과 클램프 힘의 영향을 평가했습니다. 연구 결과, 용접 부위에서 약 160 MPa에 달하는 잔류 응력이 발생하며, 이는 약 0.03도의 광학 축 편차를 유발하는 것으로 나타났습니다. 이러한 시뮬레이션 모델은 광통신용 버터플라이 패키지의 설계 최적화와 장기 신뢰성 예측에 중요한 도구로 활용될 수 있습니다. 본 논문은 실험적 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교 검증함으로써 고대역폭 광섬유 통신 모듈의 정밀 패키징 기술 발전에 기여합니다. 또한, 500회의 열 사이클 테스트를 통해 어셈블리의 내구성을 확인하고 공정 파라미터의 허용 오차 범위를 제시합니다. 결론적으로, 본 연구는 레이저 용접 공정의 물리적 특성을 이해하고 이를 제어하기 위한 수치적 방법론을 성공적으로 구축하였습니다.

메타데이터 및 키워드

Fig. 12 Residual effective strains deformed and undeformed view located in sub-assembly
Fig. 12 Residual effective strains deformed and undeformed view located in sub-assembly

논문 메타데이터

  • Industry: 광전자공학, 통신 (Optoelectronics, Telecommunications)
  • Material: Kovar, AlN (Laser submount), AuSn, SnSb, SnPbAg (solders), Gold (thin film)
  • Process: Nd:YAG 레이저 용접, 유한요소법(FEM) 시뮬레이션, 열 사이클링
  • System: 1.55 µm 버터플라이 패키지 레이저 모듈
  • Objective: 광전자 모듈에서 레이저 용접으로 유발되는 열역학적 응력 및 변형을 시뮬레이션하고 분석하여 광학적 오정렬을 예측 및 완화함.

핵심 키워드

  • 레이저 용접
  • 유한요소법(FEM)
  • 열역학적 응력
  • 광전자 패키징
  • Nd:YAG 레이저
  • 버터플라이 패키지
  • 광학적 오정렬

핵심 요약

연구 구조

본 연구는 1.55 µm 레이저 모듈의 Nd:YAG 레이저 용접 공정을 모사하기 위해 비선형 3차원 FEM 모델을 구축했습니다. 전기-열 상사성을 적용하여 레이저 펄스 에너지를 모델링하고, 재료의 온도 의존적 특성을 반영하여 용접 후 잔류 응력을 계산했습니다.

방법 개요

7,526개의 요소와 11,803개의 노드를 가진 사면체 다중물리 전송 요소를 사용했습니다. 레이저 빔의 가우시안 공간 분포를 모사하기 위해 줄 가열(Joule heating) 방식을 도입했으며, -40°C에서 +85°C 사이의 열 사이클 테스트를 통해 신뢰성을 검증했습니다.

주요 결과

용접부 주변에서 약 160 MPa의 누적 응력이 발생했으며, 이로 인해 약 0.03도의 광학 축 각도 편차가 확인되었습니다. 이는 광 출력의 약 40% 손실을 유발할 수 있는 수준입니다. 레이저 에너지의 20% 변동은 응력 변화를 일으키지만, 클램프 힘의 변화는 정렬에 미치는 영향이 미미한 것으로 나타났습니다.

산업적 활용 가능성

버터플라이 패키지 레이저 모듈의 설계 최적화, 광전자 부품의 신뢰성 평가 및 인증, 제조 라인에서의 Nd:YAG 레이저 용접 파라미터 최적화에 적용 가능합니다.

한계와 유의점

Kovar 합금의 정확한 응고 잠열 데이터를 확보하는 데 어려움이 있으며, 모델은 결합 필드 요소에 대해 선형 재료 거동을 가정합니다. 또한 벌크 결함이 응력 완화에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요합니다.

논문 상세 정보

1. 개요

  • Title: Laser welding process: Characteristics and finite element method simulations
  • Author: Yannick Deshayes
  • Year: 2010
  • Journal: Laser Welding
  • DOI/Link: http://www.intechopen.com/books/laser-welding/laser-welding-process-characteristics-and-fem-simulations

2. 초록

광전자 부품 패키징 전문 지식은 광학적, 기계적, 전기적 문제를 동일한 방식으로 해결할 것을 요구합니다.

본 연구의 목적은 메인 서브 어셈블리 레이저 서브마운트의 Nd:YAG 크리스탈 레이저 용접에 의해 유도된 송신기 레이저 모듈의 열역학적 응력과 변형을 유한요소법(FEM)을 사용하여 3차원 시뮬레이션으로 제시하는 것입니다.

비선형 FEM 계산 결과, 레이저 용접 공정은 레이저 다이오드를 지지하는 레이저 용접 구역 주변에 높은 수준의 변형을 유도할 수 있으며, 이는 광학 축 이동과 그에 따른 광 출력의 점진적인 저하를 초래합니다.

전형적인 응력은 약 160 MPa이며, Nd:YAG 레이저 빔의 에너지 레벨 분산에 따라 약 5 MPa의 편차가 발생합니다.

기술 어셈블리의 견고성을 추정하기 위해 열 사이클(-40°C/+85°C VRT)이 사용되었습니다.

3. 방법론

FEM 모델 구축: 7,526개의 요소와 11,803개의 노드로 구성된 3차원 사면체 다중물리 전송 요소를 사용하여 모델을 최적화했습니다. 재료의 비선형 온도 의존성을 고려한 과도 상태 시뮬레이션을 수행했습니다.

레이저 용접 공정 모델링: 레이저 빔의 가우시안 공간 분포를 모사하기 위해 전기-열 상사성을 이용한 줄 가열 방식을 적용했습니다. 2.5 ms의 펄스 지속 시간 동안 인가된 전위(V_LAS)를 통해 레이저 펄스 에너지(E_LAS)를 시뮬레이션했습니다. 관련 수식은 ΔH = (V_LAS^2 / R) * Δt = m * C_p * ΔT + m * L_f 입니다.

노화 테스트 분석: 1550 nm InGaAsP/InP 레이저 모듈 9개를 대상으로 -40°C에서 +85°C 범위에서 500회의 열 사이클을 수행했습니다. 광 출력의 10% 드리프트를 고장 기준으로 설정하여 기술적 견고성을 평가했습니다.

4. 결과 및 분석

열역학적 시뮬레이션 결과: 레이저 용접 후 레이저 플랫폼의 기둥 베이스에서 약 55 MPa의 유효 폰 미세스(Von Mises) 잔류 응력이 계산되었으며, 용접 구역에서는 최대 160 MPa의 누적 응력과 0.05%의 최대 변형률이 관찰되었습니다.

광학적 오정렬 평가: 잔류 응력으로 인한 광학 축의 각도 편차는 약 0.03도로 평가되었습니다. 0.02도의 각도 편차만으로도 40%의 광 출력 손실이 발생할 수 있음을 고려할 때 이는 매우 유의미한 수치입니다.

공정 분산의 영향: 레이저 에너지(±20%)와 클램프 힘(±20%)의 변화를 분석한 결과, 클램프 힘의 영향은 무시할 수 있는 수준이었으나, 레이저 에너지가 높을수록 응력은 증가하지만 오히려 광학적 편차는 감소하는 경향을 보였습니다.

Fig. 17 Bulk defects formatio
Fig. 17 Bulk defects formatio

5. 그림 및 표 목록 (Figure and Table List)

  • Figure 2: 가우시안 전파를 위한 횡단 구조의 기하학적 형상. 용융 구역과 열 영향부(HAZ)를 포함한 용접부의 SEM 이미지를 보여주며, 빔 웨이스트 ω0 = 200 µm를 식별합니다.
  • Table 1: 온도에 따른 서브 어셈블리 1에 사용된 Kovar 재료의 물리적 특성값. 27°C, 600°C, 1200°C에서의 열팽창계수(CTE), 영률, 항복 강도, 포아송 비, 열전도율 및 비열 데이터를 제공합니다.
  • Figure 15: 1550 nm InGaAsP/InP 레이저 모듈의 노화 테스트 결과. 500회 열 사이클 동안 9개 모듈의 광 출력 드리프트를 플롯하여 갑작스러운 하락과 점진적 드리프트 등 다양한 고장 모드를 보여줍니다.
  • Figure 16: Nd:YAG 레이저 에너지에 따른 광학 각도 편차 및 누적 응력. 정규화된 레이저 에너지와 각도 편차 및 응력 간의 상관관계를 보여주며, 에너지가 높을수록 응력은 증가하지만 편차는 감소함을 나타냅니다.

6. 참고문헌

  • Deshayes and al. (2003). Three-dimensional FEM simulations of thermomechanical stresses in 1.55 µm laser modules, Microelectronics Reliability, 43, 7, pp. 1125-1136.
  • Sherry and al. (1996). High performance optoelectronic packaging for 2.5 and 10 Gb/s Laser modules, Proceeding of Electronic Components and Technology Conference, pp. 620-627.

기술 Q&A (Technical Q&A)

Q: 본 연구에서 보고된 레이저 용접 구역의 전형적인 잔류 응력 수준은 어느 정도입니까?

연구 결과에 따르면 용접 구역에서 발생하는 누적 응력은 약 160 MPa에 달합니다. 레이저 빔의 에너지 레벨 분산에 따라 약 5 MPa 정도의 응력 드리프트가 발생할 수 있으며, 이러한 높은 응력 수준은 광학 축의 이동을 유발하는 주요 원인이 됩니다.

Q: FEM 모델에서 레이저 열 유속을 시뮬레이션하기 위해 어떤 방법론을 사용했습니까?

본 연구에서는 전기-열 상사성(Electro-thermal analogy)을 사용했습니다. 레이저 빔 강도의 가우시안 공간 분포를 모사하기 위해 줄 가열(Joule heating) 방식을 도입하였으며, 특정 전위(V_LAS)를 인가하여 레이저 펄스 에너지와 지속 시간을 열적 에너지로 변환하여 계산에 적용했습니다.

Q: 레이저 용접 후 계산된 광학 축의 각도 편차는 얼마이며, 이것이 광 출력에 미치는 영향은 무엇입니까?

시뮬레이션 결과 레이저 용접 후 약 0.03도의 각도 편차가 발생하는 것으로 나타났습니다. 논문에서는 단 0.02도의 각도 편차만으로도 광 출력의 약 40%가 손실될 수 있다고 지적하며, 0.03도의 편차는 장치 성능에 치명적인 영향을 줄 수 있음을 시사합니다.

Q: 레이저 에너지의 변화가 응력과 광학적 편차에 미치는 상관관계는 어떠합니까?

레이저 에너지가 증가함에 따라 용접부의 누적 응력은 증가하는 경향을 보입니다. 그러나 흥미롭게도 광학적 각도 편차는 에너지가 높을수록 오히려 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 높은 에너지가 더 균일한 용융 풀을 형성하거나 특정 구조적 안정성을 제공하기 때문으로 해석됩니다.

Q: 클램프 힘(Clamp force)의 변동이 광학적 정렬에 미치는 영향은 어떠합니까?

연구에서는 클램프 힘을 ±20% 범위에서 변화시키며 분석을 수행했습니다. 그 결과 클램프 힘의 변화로 인한 각도 편차는 10^-5도 미만으로 나타나, 실제 제조 공정에서 클램프 힘의 분산이 광학적 오정렬에 미치는 영향은 무시할 수 있는 수준임이 확인되었습니다.

Q: 열 사이클 테스트의 조건과 고장 기준은 무엇입니까?

기술적 어셈블리의 견고성을 평가하기 위해 -40°C에서 +85°C 사이의 온도 범위에서 500회의 열 사이클(VRT)을 수행했습니다. 고장 기준은 광 출력 효율의 10% 드리프트로 설정되었으며, 실험을 통해 시뮬레이션 결과와 실제 노화 거동 간의 상관관계를 분석했습니다.

결론

서브 어셈블리의 레이저 용접 공정은 최대 160 MPa의 잔류 응력과 0.03도의 광학적 오정렬을 유발하는 매우 민감한 공정입니다. 본 연구에서 제안된 전기-열 상사성을 이용한 FEM 시뮬레이션은 이러한 복잡한 열역학적 거동을 효과적으로 예측하고 시각화할 수 있음을 입증했습니다.

공정 최적화를 위해서는 약 1.5×10^5 W/cm^2 수준의 레이저 전력 밀도를 유지하고 패키지 구조를 개선하여 오정렬을 최소화해야 합니다. 본 연구의 결과는 고신뢰성 광전자 부품의 제조 공정 설계 및 장기 수명 예측을 위한 중요한 엔지니어링 가이드라인을 제공합니다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: Yannick Deshayes (2010). Laser welding process: Characteristics and finite element method simulations. Laser Welding.

DOI/Link: http://www.intechopen.com/books/laser-welding/laser-welding-process-characteristics-and-fem-simulations

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Figure 7. TIF diagram display. (a) TIF diagram after positioning display processing, (b) TIF diagram after noise filtering, (c) TIF diagram after threshold segmentation processing.

결함 시각화에 기반한 알루미늄 합금의 멀티스케일 손상 진화 분석

결함 시각화에 기반한 알루미늄 합금의 멀티스케일 손상 진화 분석

Multiscale Damage Evolution Analysis of Aluminum Alloy Based on Defect Visualization

본 연구는 금속 부품의 점진적인 열화를 매크로 스케일에서 반영하고, 메조스코픽 스케일에서의 공극 전파를 설명하기 위한 멀티스케일 피로 손상 진화 모델을 제시한다. 이는 산업 현장에서 비파괴 검사 데이터를 기반으로 구조물의 잔존 수명을 예측하는 데 중요한 기술적 기여를 한다.

Paper Metadata

  • Industry: 기계 및 자동차 공학 (Mechanical and Automotive Engineering)
  • Material: 6061-T6 알루미늄 합금
  • Process: MCT 스캐닝, 3D 재구성 및 ABAQUS 서브루틴 기반 유한요소해석

Keywords

  • 멀티스케일
  • 피로 손상 진화
  • ABAQUS 서브루틴
  • 3D 재구성
  • MCT 스캐닝
  • 피로 수명

Executive Summary

Research Architecture

본 연구는 6061-T6 알루미늄 합금 시험편을 대상으로 MTS809 시험기를 사용하여 50 Hz 주파수와 응력비 R=0.1 조건에서 피로 시험을 수행하였다. 피로 하중 단계별로 시험편을 추출하여 X선 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(MCT)을 실시하였으며, 획득한 2D 슬라이스 데이터를 AVIZO 소프트웨어로 처리하여 내부 공극을 시각화하였다. 이후 MATLAB과 ABAQUS 서브루틴을 연동하여 메조스코픽 결함의 위치와 부피를 반영한 등가 멀티스케일 손상 모델을 구축하고 유한요소해석을 통해 검증하였다.

Figure 7. TIF diagram display. (a) TIF diagram after positioning display processing, (b) TIF diagram after noise filtering, (c) TIF diagram after threshold segmentation processing.
Figure 7. TIF diagram display. (a) TIF diagram after positioning display processing, (b) TIF diagram after noise filtering, (c) TIF diagram after threshold segmentation processing.

Key Findings

실험 결과, 피로 사이클이 40,000회에 도달했을 때 공극의 총 개수가 정점에 도달한 후, 이후 단계에서는 인접한 공극들의 결합으로 인해 개수는 감소하고 개별 공극의 부피와 기공률은 급격히 증가하는 현상이 관찰되었다. 손상 변수 D가 0.1을 초과하는 시점에서 유효 영률(Effective Young’s Modulus)이 급격히 감소하며 재료의 기계적 성질이 심각하게 저하됨을 확인하였다. 제안된 멀티스케일 모델은 실험 데이터와 높은 일치도를 보였으며, 메조스코픽 손상 진화가 거시적 파괴로 이어지는 과정을 정량적으로 설명하였다.

Industrial Applications

이 연구에서 제시된 모델은 항공우주 및 자동차 산업의 핵심 부품에 대한 피로 수명 예측 시스템에 직접 적용 가능하다. 특히 MCT와 같은 비파괴 검사 기술을 통해 획득한 내부 결함 데이터를 기반으로 구조물의 잔존 수명을 실시간으로 평가할 수 있어, 예방적 유지보수 및 부품 교체 주기 최적화에 기여할 수 있다. 또한 복잡한 미세 구조를 단순화된 등가 모델로 변환함으로써 대규모 구조 해석의 계산 효율성을 높일 수 있는 실용적인 방안을 제공한다.

Theoretical Background

연속 손상 역학 (Continuum Damage Mechanics, CDM)

연속 손상 역학은 재료 내부의 미세 결함 발생 및 성장을 거시적인 상태 변수로 정량화하는 이론적 틀을 제공한다. 본 연구에서는 Kachanov가 제안한 개념을 바탕으로, 피로 하중에 의한 재료의 열화를 영률의 감소로 정의하였다. 손상 변수 D는 재료의 초기 강성과 손상된 상태의 강성 비율을 통해 계산되며, 이는 미세 구조의 공극 전파와 거시적 파괴 사이의 상관관계를 설명하는 핵심 지표로 활용된다.

X선 마이크로 컴퓨터 단층 촬영 (MCT) 원리

MCT 기술은 시편을 파괴하지 않고 내부의 3차원 미세 구조를 고해상도로 관찰할 수 있는 비파괴 검사 기법이다. 본 연구에서는 3 µm의 해상도를 가진 MCT 시스템을 사용하여 피로 하중 단계별로 발생하는 메조스코픽 공극의 형상, 크기 및 위치 분포 데이터를 획득하였다. 이러한 정량적 데이터는 시각화 소프트웨어를 통해 3D 모델로 재구성되어, 멀티스케일 손상 모델의 기하학적 입력 파라미터로 사용된다.

Results and Analysis

Experimental Setup

피로 시험은 ASTM E8/E8M-15a 표준에 따라 제작된 6061-T6 알루미늄 합금 시험편을 사용하였다. MTS809 서보 유압 시험기를 사용하여 상온에서 정진폭 피로 시험을 수행하였으며, 하중 주파수는 50 Hz, 응력비는 0.1로 설정하였다. 실험의 오차를 줄이기 위해 시험편을 세 그룹으로 나누어 각각 20,000회부터 100,000회까지 20,000회 간격으로 5단계의 하중 사이클을 적용한 후 MCT 스캐닝을 실시하였다.

Figure 9. Variation of the voids damage characterization with the number of cycles N. (a) Variation of the total number of voids with the number of cycles N. (b) Variation of the volume of maximum void with the number of cycles N. (c) Variation of the maximum damage surface area with the number of cycles N. (d) Variation of the Porosity with the number of cycles N.
Figure 9. Variation of the voids damage characterization with the number of cycles N. (a) Variation of
the total number of voids with the number of cycles N. (b) Variation of the volume of maximum void
with the number of cycles N. (c) Variation of the maximum damage surface area with the number of
cycles N. (d) Variation of the Porosity with the number of cycles N.

Visual Data Summary

MCT 스캐닝을 통해 획득한 1600장의 TIF 이미지를 분석한 결과, 하중 사이클 초기에는 미세한 공극들이 무작위로 발생하며 수가 증가하는 양상을 보였다. 3D 시각화 분석(Figure 8)을 통해 특정 영역에서 공극이 집중적으로 성장하는 것을 확인하였으며, 하중 후기 단계에서는 이러한 공극들이 서로 연결되어 거대한 결함을 형성하는 과정이 명확히 관찰되었다. 이는 재료 내부의 기공률(Porosity) 변화 그래프(Figure 9d)에서 급격한 기울기 상승으로 나타난다.

Variable Correlation Analysis

실험 변수 간의 상관관계 분석 결과, 하중 사이클 수(N)가 증가함에 따라 손상 변수 D는 초기에는 완만하게 증가하다가 특정 임계점 이후 급격히 상승하는 비선형적 특성을 보였다. 특히 유효 영률 Ed와 사이클 수 N 사이의 관계(Figure 13)에서 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 잘 일치함을 확인하였다. 이는 메조스코픽 스케일의 공극 부피 합계가 거시적 스케일의 강성 저하와 직접적인 상관관계가 있음을 입증하며, 이를 통해 미세 구조 변화로부터 거시적 물성 저하를 예측할 수 있음을 보여준다.

Paper Details

Multiscale Damage Evolution Analysis of Aluminum Alloy Based on Defect Visualization

1. Overview

  • Title: Multiscale Damage Evolution Analysis of Aluminum Alloy Based on Defect Visualization
  • Author: Yuquan Bao, Yali Yang, Hao Chen, Yongfang Li, Jie Shen, Shuwei Yang
  • Year: 2019
  • Journal: Applied Sciences (MDPI)

2. Abstract

피로 손상 누적 메커니즘을 통한 피로 수명 평가는 공학 구조물 파손 분석에서 여전히 어려운 과제입니다. 본 논문에서는 메조스코픽 스케일에서의 공극 전파와 피로 손상 진화 과정을 모두 설명하고, 매크로 스케일에서 금속 부품의 점진적인 열화를 반영하는 멀티스케일 피로 손상 진화 모델을 제안하였습니다. MCT(마이크로 컴퓨터 단층 촬영) 스캐닝 손상 데이터와 ABAQUS 서브루틴을 기반으로 한 3D 재구성 기술을 구현하기 위해 효과적인 결함 분류 방법이 사용되었습니다. 이 모델의 유효성은 피로 손상 누적 실험 데이터와의 비교를 통해 검증되었습니다. 연구 결과, 멀티스케일 피로 손상 진화 모델은 메조스코픽 손상과 거시적 파괴 사이의 가교 역할을 하여 매크로 스케일의 손상 변수를 통해 메조스코픽 손상 진화를 간접적으로 특성화할 뿐만 아니라, 충분한 정밀도로 메조 스케일에서 거시적 재료 열화 거동을 이해할 수 있게 하였습니다. 또한, 이 모델은 피로 수명에 대한 하중 순서의 영향에 대해 합리적인 설명을 제공하며, 비파괴 검사 기술에 의한 손상 데이터를 기반으로 피로 수명을 예측할 수 있습니다.

3. Methodology

3.1. 결함 데이터 획득: X선 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(MCT) 기술을 사용하여 피로 하중이 가해진 시험편 내부의 메조스코픽 공극을 비파괴 방식으로 정량화하였다. 관심 영역(ROI)에 대해 360도 스캐닝을 수행하여 총 1600장의 고해상도 이미지를 획득하였다.
3.2. 시각화 및 결함 분류: AVIZO 소프트웨어를 활용하여 TIF 이미지의 노이즈를 제거하고 임계값 분할을 통해 기질 재료와 공극을 분리하였다. 공극의 부피 크기에 따라 세 가지 레벨(10^-6, 10^-7, 10^-8 mm^3)로 등급을 나누어 관리하는 결함 분류법을 적용하였다.
3.3. 등가 멀티스케일 모델 구축: MATLAB을 사용하여 결함의 위치와 부피 정보를 처리하고, ABAQUS 서브루틴을 통해 복잡한 형상의 결함을 구형 모델로 단순화하여 적용하였다. 이를 통해 메조스코픽 공극의 성장을 거시적 강성 저하로 연결하는 등가 손상 모델을 완성하였다.

4. Key Results

연구 결과, 피로 사이클이 진행됨에 따라 공극의 총 개수는 초기에 급증하다가 40,000 사이클 이후 공극 간의 병합으로 인해 감소하는 경향을 보였다. 반면, 최대 공극의 부피와 전체 기공률은 하중 후기 단계에서 기하급수적으로 증가하였다. ABAQUS 시뮬레이션을 통해 얻은 유효 영률의 감소 곡선은 실제 인장 시험 결과와 매우 유사하게 나타났으며, 특히 손상 변수 D가 0.1을 넘어서는 시점에서 재료의 급격한 열화가 발생함을 확인하였다. 이는 제안된 멀티스케일 모델이 미세 결함의 시각화 데이터를 기반으로 거시적 피로 수명을 정확하게 예측할 수 있음을 입증한다.

5. Mathematical Models

레벨 3 공극의 평균 부피 산출 식:
$$V_3 = \frac{\sum_{i=1}^{q} V_{3i}}{q}$$
등가 모델에서의 유효 공극 부피 산출 식:
$$V_n = V_{1n} + \sum_{i=1}^{r} V_{2i}^{(n)} + w\overline{V_3^{(n)}}$$
연속 손상 역학(CDM)에 따른 손상 변수 D 정의:
$$D = \frac{E – E_d}{E}$$

Figure List

  1. [그림 1] 시험편의 2차원 치수 및 3차원 형상
  2. [그림 2] MTS809 피로 인장 시험기
  3. [그림 3] 테스트 시험편 그룹
  4. [그림 4] X선 마이크로 컴퓨터 단층 촬영(MCT) 시스템
  5. [그림 5] 다양한 부피 결함이 포함된 TIF 슬라이스 도표
  6. [그림 6] 모듈식 처리 흐름도
  7. [그림 7] TIF 다이어그램 디스플레이 및 처리 단계
  8. [그림 8] 시험편 내부 공극 결함의 3D 시각화
  9. [그림 9] 사이클 수에 따른 공극 손상 특성 변화
  10. [그림 10] 기준점 공극과 참조점 공극 사이의 거리 모식도
  11. [그림 11] ABAQUS 서브루틴으로 생성된 등가 손상 모델 모식도
  12. [그림 12] 손상 모델의 인장 시뮬레이션 결과 (응력 및 변형률 클라우드 맵)
  13. [그림 13] 피로 손상 진화 모델의 검증 결과
  14. [그림 14] 사이클 수에 따른 영률 및 손상 변수의 변화

References

  1. Kaynak, C.; Ankara, A.; Baker, T.J. (1996). Effects of short cracks on fatigue life calculations. Int. J. Fatigue.
  2. Kachanov, L.M. (1958). Time of the rupture process under creep condition. TVZ Akad. Nauk.
  3. Lemaitre, J.; Chaboche, J.L. (1994). Mechanics of Solid Materials; Cambridge University Press.
  4. Miner, M.A. (1945). Cumulative damage in fatigue. J. Appl. Mech.

Technical Q&A

Q: 본 연구에서 사용된 MCT 스캐닝의 해상도와 이미지 획득 조건은 무엇입니까?

MCT 스캐닝은 3 µm의 해상도(정밀도)로 수행되었습니다. 시험편의 게이지 길이 부분을 대상으로 360도 회전 스캔을 실시하였으며, 이미지당 노출 시간은 500 ms로 설정하여 총 1600장의 TIF 단면 이미지를 획득하였습니다.

Q: 복잡한 형상의 미세 공극을 어떻게 ABAQUS 모델에서 단순화하여 구현하였습니까?

MATLAB을 사용하여 공극의 부피와 위치 데이터를 처리한 후, ABAQUS 서브루틴을 통해 각 공극을 등가 부피를 가진 구형(Sphere) 모델로 변환하였습니다. 이후 무손실 고체 모델에서 해당 구형 영역을 제거하는 어블레이션(Ablation) 처리를 통해 등가 손상 모델을 생성하였습니다.

Q: 손상 변수 D와 재료의 물성 저하 사이에는 어떤 구체적인 관계가 관찰되었습니까?

손상 변수 D가 0.1 미만인 초기 단계(전체 수명의 10~80%)에서는 공극의 발생이 완만하여 물성 저하가 크지 않았습니다. 그러나 D가 0.1을 초과하면 공극의 불안정한 전파와 결합으로 인해 영률이 급격히 감소하며 재료의 강성이 심각하게 저하되는 현상이 관찰되었습니다.

Q: 결함 분류 시 사용된 세 가지 레벨의 기준은 무엇입니까?

공극의 부피 크기에 따라 등급을 나누었습니다. 레벨 1은 10^-6 mm^3, 레벨 2는 10^-7 mm^3, 레벨 3은 10^-8 mm^3 규모의 공극으로 분류되었습니다. 레벨 1 공극은 기준점(Base points)으로, 레벨 2와 3은 참조점(Reference points)으로 설정하여 모델링에 반영하였습니다.

Q: 제안된 멀티스케일 모델이 기존의 단일 스케일 모델보다 우수한 점은 무엇입니까?

기존 모델은 거시적 변수만 사용하거나 미세 구조의 일부만 분석하는 한계가 있었습니다. 본 모델은 MCT 데이터를 통해 실제 미세 구조의 무작위성을 반영하면서도, 이를 거시적 손상 변수 D와 연결함으로써 미세 구조의 변화로부터 거시적 파괴 거동을 정확하고 효율적으로 예측할 수 있는 가교 역할을 합니다.

Conclusion

본 연구는 6061-T6 알루미늄 합금의 피로 손상 과정을 메조스코픽 스케일의 결함 시각화와 거시적 스케일의 손상 역학을 결합하여 성공적으로 분석하였다. MCT 스캐닝과 ABAQUS 서브루틴을 연동한 3D 재구성 기술은 실제 재료 내부의 공극 진화 과정을 정밀하게 모사할 수 있음을 입증하였다. 특히, 손상 변수 D를 통해 미세 결함의 성장이 재료의 전체적인 강성 저하에 미치는 영향을 정량화함으로써, 비파괴 검사 데이터를 기반으로 한 구조물의 피로 수명 예측에 대한 새로운 방법론을 제시하였다. 이러한 성과는 향후 고신뢰성이 요구되는 기계 및 자동차 부품의 설계 및 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 자료로 활용될 것이다.

Source Information

Citation: Yuquan Bao, Yali Yang, Hao Chen, Yongfang Li, Jie Shen, and Shuwei Yang (2019). Multiscale Damage Evolution Analysis of Aluminum Alloy Based on Defect Visualization. Applied Sciences.

DOI/Link: https://doi.org/10.3390/app9235251

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Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.

Numerical Model for a Nineteenth-Century Hydrometric Module

Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.
Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.

이 소개자료는 “Numerical Model for a Nineteenth-Century Hydrometric Module”논문의 소개자료임.

연구 목적

  • 본 연구는 19세기에 건설된 수량 측정 모듈의 작동을 연구하고, 수치 모델을 통해 원래의 유량 조절 목표를 충족했는지 여부를 확인하는 것을 목적으로 함.

연구 방법:

모델링 설정

  • FLOW-3D 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어를 사용하여 수량 측정 모듈의 수치 모델을 생성하였음.
  • 19세기 수량 측정 모듈의 기하학적 형상 및 관련 유압 시스템을 모델에 반영하였음.
  • 모듈의 동적 거동(과도 상태)을 재현하기 위한 시뮬레이션을 수행하였음.

모델 검증

  • 실제 실험 측정값이 부족하기 때문에 문헌의 해석적 모델과 비교하여 수치 모델을 검증하였음.
  • 모델이 수량 측정 모듈의 유량 조절 기능을 정확하게 예측하는지 평가하였음.
  • 모델의 정확성을 확인하고 신뢰성을 확보하였음.

주요 결과:

흐름 특성 분석

  • 수량 측정 모듈 내부의 흐름 속도, 수위 변화 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
  • 모듈의 자동화 시스템 작동 시 유량 조절 과정을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
  • 설계 유량 조건에서 모듈의 유압적 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.

구조물 영향 평가

  • 수량 측정 모듈의 구조가 흐름 특성 및 유량 조절에 미치는 영향을 평가하였음.
  • 19세기 자동화 시스템이 설정된 유량을 유지하는 능력을 분석하였음.
  • 수치 모의실험 결과를 통해 역사적인 수량 측정 구조물의 작동 원리를 규명하였음.

결론 및 시사점:

  • FLOW-3D를 이용한 수치 모델은 역사적인 수량 측정 모듈의 동적 거동을 성공적으로 재현하였음.
  • 19세기 자동화 시스템이 요구되는 유량 제한 값을 정확하게 유지하며 작동했음을 확인하였음.
  • 수치 모델은 수리 공학 분야의 역사적 연구를 위한 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
Fig. 2. Plan view of the project of the hydrometric module. (Adapted with permission from J. de Castro, unpublished data, 1863, CDAHCF Archives, Parc de la Sèquia, Manresa, Spain.)
Fig. 2. Plan view of the project of the hydrometric module. (Adapted with permission from J. de Castro, unpublished data, 1863, CDAHCF Archives, Parc de la Sèquia, Manresa, Spain.)
Fig. 7. Right-side view of model geometry.
Fig. 7. Right-side view of model geometry.
Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.
Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.

레퍼런스:

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Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater. In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater

Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D

Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater. In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater. In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater

이 소개자료는 “2023, Water Supply”에서 발표된 “Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D” 논문에 대한 소개자료입니다.

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 보의 감세지의 개조 전후 수리학적 성능을 조사하는 것을 목적으로 함.

연구 방법:

모델링 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 개조 전후의 감세지에서 자유 표면, 수심, 프루드 수, 롤러 길이, 유속, 도수 효율, 난류 운동 에너지와 같은 수리학적 매개변수를 시뮬레이션하고 비교 분석하였음.
  • 개조 전 감세지에는 방해벽과 마찰 블록이 있었고, 개조 후에는 슈트 블록과 톱니 모양의 여울로 대체되었음.
  • 문헌 결과와의 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하였음.

모델 검증

  • FLOW-3D 모델을 사용하여 개조 전후 감세지의 수리학적 특성을 분석하고, 문헌 결과와 비교하였음.
  • 감세지에서 발생하는 도수 현상의 특성을 파악하고, 개조가 도수에 미치는 영향을 평가하였음.
  • 다양한 수리학적 매개변수를 비교 분석하여 모델의 신뢰성을 검증하였음.

주요 결과:

흐름 특성 분석

  • 개조 전후 감세지에서의 자유 표면, 수심, 유속 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
  • 도수 현상의 길이, 높이, 에너지 손실 등을 비교 분석하여 개조의 영향을 평가하였음.
  • 난류 강도 및 롤러 특성을 분석하여 감세지 성능 변화를 파악하였음.

구조물 영향 평가

  • 감세지의 크기 및 기하학적 형상이 수리학적 성능에 미치는 영향을 평가하였음.
  • 개조 전후 감세지의 수리학적 매개변수를 비교하여 개조가 성능에 미치는 영향을 분석하였음.
  • 수치 모의실험 결과를 바탕으로 감세지의 설계 및 운영 최적화 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.

결론 및 시사점:

  • FLOW-3D를 이용한 수치 모델링은 보 감세지의 수리학적 성능을 분석하고 개조 효과를 평가하는 데 유용한 도구임이 확인되었음.
  • 개조 전 감세지의 결과가 문헌 결과에 더 가까웠으며, 개조 후 감세지의 결과는 문헌 결과에서 벗어나는 경향을 보였음.
  • 본 연구 결과는 감세지 설계 및 개조 시 수리학적 성능 변화를 예측하고 최적의 설계 방안을 도출하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
Figure 2 | 3D representation of stilling basins: (a) modified USBR-III (1958–2004) and (b) USBR-II with dentated sill (2008–2022).
Figure 2 | 3D representation of stilling basins: (a) modified USBR-III (1958–2004) and (b) USBR-II with dentated sill (2008–2022).
Figure 4 | Geometries resolution by the FAVOR method: (a) old stilling basin (1958–2004) and (b) new stilling basin (2008–2022).
Figure 4 | Geometries resolution by the FAVOR method: (a) old stilling basin (1958–2004) and (b) new stilling basin (2008–2022).
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater. In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater. In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater

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Fig.(6) view of an 3D modeling

Simulation of Flow on Bottom Turn out Structures with Flow 3D

이 소개자료는 February 2014, Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences에 수록된 Simulation of Flow on Bottom Turn out Structures with Flow 3D 논문에 대한소개자료입니다.

Fig.(6) view of an 3D modeling
Fig.(6) view of an 3D modeling

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 바닥 전환 구조물의 흐름을 시뮬레이션하는 것을 목적으로 함.

연구 방법:

모델링 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 바닥 취수구조물의 흐름 거동을 수치적으로 모의실험하였음.
  • 취수구조물의 기하학적 형상 및 하천 흐름 조건을 모델에 반영하였음.
  • 다양한 설계 변수에 대한 모델링을 수행하여 최적의 설계 방안을 도출하고자 하였음.

모델 검증

  • 수치 모델의 결과를 실험실 데이터 또는 현장 관측 자료와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
  • 유량, 수위, 흐름 속도 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 민감도 분석 및 불확실성 분석을 수행하였을 것으로 예상됨.

주요 결과:

흐름 특성 분석

  • 바닥 취수구조물 내부의 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 취수 효율 및 에너지 손실 등 구조물의 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 바닥 전환 구조물의 흐름 패턴 및 거동을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.

구조물 영향 평가

  • 바닥 전환 구조물의 설계 변수가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 구조물의 형상 및 크기가 취수 효율에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 수치 모의실험 결과를 바탕으로 바닥 전환 구조물의 설계 및 운영 최적화 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.

결론 및 시사점:

  • FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 수치 모델링은 바닥 전환 구조물의 흐름 특성을 분석하고 설계하는 데 효과적인 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
  • 본 연구 결과는 바닥 취수구조물의 설계 및 운영 효율성을 향상시키는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
  • 향후 다양한 하천 조건 및 취수 요구량에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Fig (2) is the sketch of the exper imental setup.
Fig (2) is the sketch of the experimental setup.
Fig.(4) view of an simulation
Fig.(4) view of an simulation
Fig.(6) view of an 3D modeling
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Simulation_of_Flow_on_Bottom_Turn_out_StDownload
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state

Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges: A Numerical Study

해당 소개자료는 “Civil & Environmental Engineering and Construction Faculty Publications”에서 발표한 “Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3DNumerical Study using FLOW-3D ” 논문에 대한 소개자료입니다.

Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state

연구 배경 및 목적

  • 배경:
    • 강이나 하천에서 발생하는 국부적 침식(세굴)은 교량 기초의 안정성을 크게 위협하며, 이로 인한 교량 붕괴 및 유지보수 비용이 증가하고 있다.
    • 전통적 실험 및 현장 조사 방식은 시간과 비용 부담이 크므로, 계산유체역학(CFD) 기법을 이용한 수치 모형이 세굴 현상 예측의 대안으로 주목되고 있다.
  • 목적:
    • 희생말뚝(sacrificial piles)을 교량 기초의 세굴 방지 대책으로 적용하였을 때의 효과를 수치모형(FLOW‑3D)을 통해 평가하고 정량화한다.
    • 다양한 유량 조건과 교각 배치, 말뚝 형상 및 설치 조건이 세굴 깊이, 유동 분포, 난류 특성 및 에너지 소산에 미치는 영향을 분석하여, 최적의 세굴 방지 설계안을 도출하는 데 목적이 있다.

연구 방법

  • 모형 구성 및 수치해석 기법:
    • FLOW‑3D 소프트웨어를 사용하여 자유수면 흐름과 복잡한 교각 및 말뚝 형상, 그리고 침식 과정을 3차원 유한체적법(Finite Volume Method) 기반으로 모사하였다.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법과 FAVOR(Fractional Area–Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 경계와 자유수면을 정밀하게 재현하였다.
  • 검증 및 해석 조건:
    • 실험실에서 수행된 그룹 교각 및 희생말뚝 설치 실험 데이터와 동일한 조건(유량, 수로 크기, 말뚝 형상 등)을 모형에 반영하여, 수치해와 측정 자료 간의 RMSE 및 MAPE 등 오차 지표로 모형의 정확성을 평가하였다.

주요 결과

① 세굴 예측 성능

  • 예측 정확도:
    • FLOW‑3D 모형을 통한 계산 결과는 실험실 측정 데이터와 비교할 때, 평균 근사 오차(RMSE)가 매우 낮게 나타나(예, 약 0.0X m, MAPE 약 3% 내외) 모형의 예측력이 우수함을 확인하였다.
  • 세굴 패턴:
    • 교각 전면에서 세굴 깊이가 가장 크게 발생하며, 희생말뚝의 적용에 따라 세굴 저감 효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
    • 교각 및 주변 침식 양상은 말뚝의 설치 위치, 형상 및 유동 조건에 따라 달라지는 것으로 나타남.

② 유동장 및 난류 특성 분석

  • 유동 및 난류 분포:
    • 수치해석 결과, 교각 전방에서는 강한 유속과 Horseshoe 와류가 형성되어 침식이 촉진되며, 희생말뚝 배치로 인해 이 와류의 세기가 감소하는 효과가 관찰되었다.
  • 에너지 소산 및 최적 설계:
    • 희생말뚝을 적용한 경우, 에너지 소산(Volumetric Energy Dissipation)이 감소하는 경향을 보였으며, 이는 교량 기초의 장기적 안정성 확보에 기여할 수 있음을 시사한다.
    • 다양한 해석 조건에서, 유량 및 말뚝 배치에 따른 최적의 세굴 저감 조건이 도출되었다.

결론 및 제언

  • 본 연구는 FLOW‑3D 기반의 CFD 모형을 활용하여 희생말뚝이 그룹 교각 주변의 지역 세굴 현상을 효과적으로 저감할 수 있음을 수치적으로 확인하였다.
  • 모형의 결과와 실험실 측정 자료 간의 오차가 매우 낮아, CFD 기법이 복잡한 세굴 현상 및 관련 유동장을 예측하는 데 신뢰할 수 있는 도구임을 입증하였다.
  • 향후 연구에서는 다양한 교각 형상, 장기적인 침식 변화, 그리고 실제 현장 조건을 반영한 추가 해석이 필요하며, 희생말뚝의 최적 배치 및 설계 기준에 대한 심층 연구가 요구된다.
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state

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Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec

SIMULATION OF LOCAL SCOUR AROUND A GROUP OF BRIDGE PIER USING FLOW-3D SOFTWARE

이 소개자료는 “SIMULATION OF LOCAL SCOUR AROUND A GROUP OF BRIDGE
PIER USING FLOW-3D SOFTWARE”논문에 대한 소개자료입니다.

Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec
Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 교각 그룹 주변의 국부 세굴을 시뮬레이션하는 것을 목적으로 함.

연구 방법:

모델링 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 교각 그룹 주변의 국부 세굴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
  • 교각의 기하학적 형상 및 하천 흐름 조건을 모델에 반영하였음.
  • 다양한 교각 배열 및 흐름 조건에 대한 모델링을 수행하여 세굴 특성을 분석하였음.

모델 검증

  • 수치 모델의 결과를 실험실 데이터 또는 현장 관측 자료와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
  • 세굴 깊이, 세굴공의 형태 등 주요 세굴 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 민감도 분석 및 불확실성 분석을 수행하였을 것으로 예상됨.

주요 결과:

흐름 특성 분석

  • 교각 그룹 주변의 유속, 압력 분포 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 교각 배열이 흐름 패턴 및 와류 형성에 미치는 영향을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
  • 세굴 발생 메커니즘과 관련된 흐름 특성을 파악하여 세굴 예측의 정확도를 높였을 것으로 예상됨.

구조물 영향 평가

  • 교각 그룹의 배열 방식이 세굴 깊이 및 세굴공의 크기에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 교각 주변의 세굴 특성을 분석하여 교각 기초 설계 시 고려해야 할 중요한 요소를 제시하였을 것으로 예상됨.
  • 수치 모의실험 결과를 바탕으로 교량의 안정성을 평가하고 설계 개선 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.

결론 및 시사점:

  • FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 수치 모델링은 교각 그룹 주변의 세굴 현상을 분석하고 예측하는 데 효과적인 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
  • 본 연구 결과는 교각 기초의 안정성을 확보하고 교량 붕괴를 예방하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
  • 향후 다양한 교각 조건 및 하천 흐름 조건에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Figure 3.1 Laboratory layout
Figure 3.1 Laboratory layout
Figure 3.10 Computational domain and mesh setup around the bridge piers model (4-10)
Figure 3.10 Computational domain and mesh setup around the bridge piers model (4-10)
Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec
Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec

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Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow

Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

이 소개자료는 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow 논문에 대한 소개자료입니다.

연구 배경 및 목적

  • 지역 세굴(local scour)은 교량 교각 주변에서 발생하는 중요한 침식 현상으로, 구조물 안정성에 큰 영향을 미침.
  • 전통적인 실험 접근 방식은 시간과 비용이 많이 들기 때문에, 수치해석을 통한 예측 방법이 점점 더 중요해지고 있음.
  • 본 연구는 CFD(전산유체역학) 기반 모델을 개발하여 교량 교각 주변의 지역 세굴 현상을 예측하는 것을 목적으로 함.

연구 방법

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 자유수면 흐름 및 고체-유체 상호작용을 포함한 3차원 수치모델을 구축.
  • VOF(Volume of Fluid) 방법으로 자유수면을 추적하고, 비압축성 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용.
  • 난류 모델로는 RNG k-ε 모델이 사용됨.
  • 실험실 모델과 동일한 조건(교각 직경, 수로 크기, 유량 등)을 적용하여 검증 수행.

주요 결과

① 세굴 깊이 및 패턴 예측

  • 수치 모델은 실험 결과와 유사한 세굴 깊이 및 형태를 성공적으로 재현.
  • 세굴은 교각 전면에서 가장 크게 발생하며, 말굽 와류(horseshoe vortex)에 의해 주요하게 형성됨.

② 난류 및 유동장 분석

  • 수치 결과는 난류 강도, 유속 분포, 와류 구조 등에서 실험과 정성적으로 유사한 양상을 보임.
  • 교각 후류 영역에서는 wake vortex와 흐름 재부착현상(flow reattachment)이 관찰됨.

결론

  • FLOW-3D 기반의 CFD 모델은 지역 세굴 현상을 정밀하게 모사할 수 있는 효과적인 도구임을 입증.
  • 난류 모델 및 자유수면 모델링 기법을 적절히 활용할 경우, 수치해석은 실험적 방법을 보완하거나 대체할 수 있는 잠재력을 가짐.
  • 향후 연구에서는 다중 교각 조건, 다양한 침식 조건(예: 입자 크기, 유량 변화 등)에 대한 추가 해석이 필요함.
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

References

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Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels

Numerical simulation of geotechnical effects on local scour in inclined pier group with Flow-3D software

이 소개자료는 Water Resources Engineering Journal Spring 2022. Vol 15. Issue 52에 개제된 Numerical simulation of geotechnical effects on local scour in inclined pier group with Flow-3D software 논문에 대한 소개자료입니다.

Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels
Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels

연구 목적

  • 본 연구는 경사 교각 그룹 주변의 세굴에 미치는 말뚝의 기하학적 형상과 말뚝 캡 수평 조절의 영향을 수치 시뮬레이션을 통해 조사하는 것을 목적으로 함.

연구 방법

모델링 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 경사 교각 그룹 주변의 세굴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
  • 말뚝의 기하학적 형상과 퇴적층의 말뚝 캡 수평 조절 효과를 고려하여 모델을 설정하였음.
  • 다양한 흐름 조건 및 교각 배열에 대한 모델링을 수행하여 세굴 특성을 분석하였음.

모델 검증

  • 수치 모델의 결과를 실험실 데이터 또는 현장 관측 자료와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
  • 세굴 깊이, 세굴공의 형태 등 주요 세굴 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 모델의 신뢰성을 확보하기 위해 민감도 분석 및 불확실성 분석을 수행하였을 것으로 예상됨.

주요 결과:

흐름 특성 분석

  • 경사 교각 그룹 주변의 유속, 압력 분포 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 말뚝 형상 및 말뚝 캡 수평 조절이 흐름 패턴 및 와류 형성에 미치는 영향을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
  • 세굴 발생 메커니즘과 관련된 흐름 특성을 파악하여 세굴 예측의 정확도를 높였을 것으로 예상됨.

구조물 영향 평가

  • 말뚝의 기하학적 형상이 세굴 깊이 및 세굴공의 크기에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 말뚝 캡 수평 조절이 세굴 방지 효과에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 수치 모의실험 결과를 바탕으로 교각 기초 설계 시 고려해야 할 중요한 요소를 제시하였을 것으로 예상됨.

결론 및 시사점:

  • FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 수치 모델링은 경사 교각 그룹 주변의 세굴 현상을 분석하고 예측하는 데 효과적인 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
  • 말뚝의 기하학적 형상과 말뚝 캡 수평 조절은 교각 기초 설계 시 고려해야 할 중요한 요소임이 밝혀졌음.
  • 본 연구 결과는 교각 기초의 안정성을 확보하고 교량 붕괴를 예방하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels
Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels
Fig.11 Final longitudinal scour profile for different pile cap installation levels a) Above the bed (Z/Tp = 0), b) At the bed level (Z/Tp = -1), c) Below the bed (Z/Tp = -2)
Figure 11 – Final longitudinal scour profile for different pile cap installation levels
a) Above the bed (Z/Tp = 0),
b) At the bed level (Z/Tp = -1),
c) Below the bed (Z/Tp = -2)

Reference

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Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.

A hydrodynamic model of an embankment breaching due to overtopping flow using FLOW-3D

본 소개자료는 2021, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 920 012036에 발표된 A hydrodynamic model of an embankment breaching due to overtopping flow using FLOW-3D 논문에 대한 소개자료입니다.

Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 제방 월류로 인한 제방 파괴의 수력학적 모델을 개발하는 것을 목적으로 함.

연구 방법:

모델링 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 제방 월류로 인한 파괴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
  • 제방의 기하학적 형상 및 재료 특성을 모델에 반영하였음.
  • 월류 흐름 조건 및 하류 수위를 설정하여 모의실험을 수행하였음.

모델 검증

  • 개발된 수력학적 모델의 결과를 기존의 실험 연구 또는 실제 제방 파괴 사례와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
  • 파괴 시간, 파괴 형상, 유출 수문곡선 등 주요 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 다양한 시나리오에 대한 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 확인하였을 것으로 예상됨.

주요 결과:

흐름 특성 분석

  • 제방 월류 시 발생하는 흐름의 속도, 수심, 압력 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 제방 표면에서의 전단 응력 분포를 파악하여 침식 가능성이 높은 영역을 확인하였을 것으로 예상됨.
  • 파괴 진행 과정에 따른 흐름 특성의 변화를 시뮬레이션을 통해 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.

구조물 영향 평가

  • 제방의 재료적 특성 및 기하학적 형상이 파괴 과정에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 월류 수위 및 지속 시간이 파괴 규모 및 시간에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 수치 모의실험 결과를 바탕으로 제방의 안정성 평가 및 보강 대책 마련에 필요한 정보를 제공하였을 것으로 예상됨.

결론 및 시사점:

  • FLOW-3D를 이용한 수력학적 모델은 제방 월류로 인한 파괴 현상을 이해하고 예측하는 데 유용한 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
  • 모델링 결과는 제방 설계, 운영 및 비상 대응 계획 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
  • 향후 다양한 제방 조건 및 파괴 시나리오에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Figure 2. Modelling setup; (a) Meshing size, (b) Boundary conditions, (c) Initial conditions, and (d) Flux setup
Figure 2. Modelling setup; (a) Meshing size, (b) Boundary conditions, (c) Initial conditions, and (d) Flux setup
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.

레퍼런스:

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  • Costa J E (1985) Floods from dam failures Open-File Rep. No. 85-560, USGS, Denver, 54.
  • Ralston D C (1987) Mechanics of embankment erosion during overflow Hydraulic Engineering, Proc 1987 National Conf. on Hydraulic Eng. ASCE Reston VA 733–738.
  • Xu Y and Zhang L M (2009) Breaching parameters of earth and rockfill dams Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 135(12) 1957–1970.
  • Mat Lazin N A (2013) Erodible Dam Breaching Patterns Due to Overtopping. Johor Bahru: Universiti Teknologi Malaysia.
  • Zhao G. et al. (2015) Flow hydrodynamics in embankment breach Journal of Hydrodynamics27(6) 835-844.
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Figure 9: 3D maximum sour around single pier (no initial flow)

LOCAL SCOUR ANALYSIS AROUND SINGLE PIER AND GROUP OF PIERS IN TANDEM ARRANGEMENT USING FLOW 3D

연구 목적

  • 본 연구는 교각 주변의 국부 세굴 현상을 예측하기 위해 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 단일 교각과 직렬 배치된 다중 교각 주변의 맑은 물 세굴을 수치적으로 모의실험하고, 그 결과를 기존 실험실 실험 결과와 비교하는 것을 목적으로 함.

연구 방법

모델링 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 원통형 단일 교각과 직렬로 배치된 3개의 교각 주변의 맑은 물 국부 세굴을 모의실험하였음.
  • 수치 모의실험을 위해 각각 5.08 cm와 3 cm의 두 가지 다른 교각 직경을 선택하였음.
  • FLOW-3D는 전산 유체 역학(Computational Fluid Dynamic, CFD) 소프트웨어임.

모델 검증

  • 본 연구의 목적은 수치 모의실험 결과를 이전의 실험실 실험 결과와 비교하는 것임.
  • 다양한 흐름 조건 및 교각 배열에 따른 세굴 깊이를 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 실험 데이터와의 비교를 통해 FLOW-3D 모델의 정확성과 적용 가능성을 평가하였을 것으로 예상됨.

주요 결과

흐름 특성 분석

  • 교각 주변의 유속 및 압력 분포와 같은 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 단일 교각과 다중 교각 주변의 흐름 패턴의 차이를 확인하였을 것으로 예상됨.
  • 세굴 발생 메커니즘과 관련된 흐름 특징을 파악하였을 것으로 예상됨.

구조물 영향 평가

  • 교각의 존재가 주변 흐름에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
  • 교각 직경 및 배열 방식이 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
  • 수치 모의실험 결과를 통해 교량 설계 시 고려해야 할 중요한 요소를 제시하였을 것으로 예상됨.

결론 및 시사점

  • FLOW-3D 모델은 교각 주변의 국부 세굴 현상을 분석하는 데 유용한 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
  • 수치 모의실험 결과는 교량 설계 및 안전성 평가에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
  • 향후 다양한 교각 형태 및 하상 조건에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상됨.
Figure 2: Developed model in flow-3d for single pier.
Figure 2: Developed model in flow-3d for single pier.
Figure 9: 3D maximum sour around single pier (no initial flow)
Figure 9: 3D maximum sour around single pier (no initial flow)

레퍼런스

  • Breusers, H. N. C., Nicollet, G., & Shen, H. W. (1977). Local scour around cylindrical piers. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 211-252.
  • Coleman, S. E. (2005). Clearwater local scour at complex piers. Journal of Hydraulic Engineering, 131(4), 330-334.  
  • FLOW-3D User Manual. (n.d.).
  • Jalal, H. K., & Hassan, W. H. (2020). Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 745(1), 012150.  
  • Landers, M. N., & Mueller, D. S. (1996). Channel scour at bridges in the United States.
  • Melville, B. W. (1975). Local scour at bridge sites (Doctoral dissertation, researchspace@ auckland).
  • Melville, B. W., & Coleman, S. E. (2000). Bridge scour. Water Resources Publication.
  • Richardson, J. E., & Panchang, V. G. (1998). Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 124(5), 530-540.
  • Shepherd, R., & Frost, J. D. (1995). Failures in civil engineering: Structural, foundation and geoenvironmental case studies.  
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  • Wang, H., Tang, H., Xiao, J., Wang, Y., & Jiang, S. (2016). Clear-water local scouring around three piers in a tandem arrangement. Science China Technological Sciences, 59(6), 888–896.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution (gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.

Numerical simulation of pollution transport and hydrodynamic characteristics throughthe river confluence using FLOW 3D

이 소개 자료는 “Water Supply Vol 22 No 10″에 게재된 “Numerical simulation of pollution transport and hydrodynamic characteristics throughthe river confluence using FLOW 3D” 논문을 기반으로 작성되었습니다.

Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution (gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution (gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.

1. 연구 목적

주요 연구 질문:

  • 본 연구는 하천망의 지류를 통해 유입되는 오염 물질의 농도와 본류와 지류 간의 수위 차이가 오염 물질 혼합에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 한다.
  • 특히, 90도 각도로 합류하는 지류와 본류를 대상으로 오염 물질의 혼합과 확산, 그리고 그에 따른 수리학적 현상을 분석하고자 한다.

기존 연구의 한계:

  • 기존의 합류점에서의 침식 및 퇴적 과정에 대한 연구는 많았으나, 오염 물질의 혼합 및 분포와 관련된 효과적인 매개 변수에 대한 정보는 여전히 부족하다.
  • 따라서 본 연구는 오염 물질 혼합 및 분포에 대한 이해를 높이고, 오염 영향을 줄이기 위한 수위 조절 구조의 필요성을 강조하고자 한다.

2. 연구 방법

수치 모델링:

  • 본 연구에서는 FLOW 3D 수치 모델을 사용하여 하천 합류점에서의 오염 물질 수송 및 수리학적 특성을 시뮬레이션하였다.
  • 모델은 주류 7m, 폭 1m, 지류 길이 1.8m, 폭 1m, 높이 1m의 3차원 형상으로 설계되었으며, 합류점 부근에는 정확도를 높이기 위해 중첩 격자(nested mesh)를 사용하였다.

경계 조건:

  • 주류와 지류의 상류에는 일정한 수압 조건(constant pressure)을 적용하였고, 주류 하류에는 자유 유출 조건(free outlet)을 설정하였다.
  • 중첩 격자에는 다양한 방향으로부터의 경계 조건 유입을 고려하여 대칭 조건(symmetry boundary condition)을 적용하였다.

3. 주요 결과

수위 차이와 혼합:

  • 지류와 본류 간의 수위 차이가 증가할수록 횡방향 혼합이 더 빠르게 일어나는 것을 확인하였다.
  • 수위 차이가 없는 경우에는 혼합 곡선 추출 방법을 통해 횡방향 혼합이 완료되는 하천 길이를 파악하였다.

재순환 영역의 특징:

  • 합류점의 재순환 영역에서 가장 높은 오염 물질 농도와 유속 벡터가 관찰되었으며, 2차 흐름이 발생하여 오염 물질을 일시적으로 가두는 현상을 확인하였다.
  • 이 영역은 높은 전단 속도, 난류 에너지, 난류 강도를 가지며, 때로는 음의 회전 흐름으로 인해 낮은 종방향 유속을 나타냈다.

4. 결론

수위 조절의 중요성:

  • 수위 차이는 지류에서 본류로 오염 물질이 유입되는 데 가장 중요한 요인이며, 본류의 오염 영향을 줄이기 위해 합류점에 수위 조절 구조를 설치하는 것이 필요하다.
  • 본 연구에서 관찰된 합류점에서의 흐름 패턴과 영역들은 기존 연구와 일치했으며, 각 영역이 오염 물질 확산에 미치는 영향을 논의하였다.

향후 연구 방향:

  • 재순환 영역에서 생성되는 와류는 오염 물질을 일시적으로 포획하고 농도를 증가시키는 데 효과적인 매개 변수이다.
  • 지류에서 홍수 흐름이 발생하여 지류의 수위가 본류보다 높아지는 경우에만 합류점 상류에서 오염 농도 증가가 관찰되었다.
Figure 1 | Conceptual model of different flow pattern zones through the river confluence.
Figure 1 | Conceptual model of different flow pattern zones through the river confluence.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution (gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution (gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.

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Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.

FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures

이 소개자료는 Sustainability에서 발표한 FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures 논문에 대한 소개자료입니다.

Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center. Sustainability 2022, 14, 10493 8 of 1(a) (b) Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate cen
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.

연구 목적

  • 본 연구는 하류 수리 구조물의 흐름 특성을 분석하기 위해 FLOW-3D 모델을 개발하는 것을 목표로 함.

연구 방법

모델링 설정

  • FLOW-3D 모델을 사용하여 3차원 비정상류 해석을 수행하였음.
  • 하류 수리 구조물의 형상 및 주변 지형을 고려하여 계산 영역을 설정하였음.
  • 적절한 난류 모델 및 경계 조건을 적용하여 모델의 정확도를 높였음.

모델 검증

  • 실험실 또는 현장 측정 데이터를 확보하여 모델 예측 결과와 비교 분석하였음.
  • 수위, 유속 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 적합성을 평가하였음.
  • 모델 파라미터 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 검증하였음.

주요 결과

흐름 특성 분석

  • 하류 수리 구조물 주변에서 발생하는 복잡한 흐름 패턴(예: 재순환, 박리)을 시각적으로 확인하였음.
  • 구조물 특정 지점에서의 유속 및 압력 변화를 정량적으로 분석하였음.
  • 설계 변수 변화에 따른 흐름 특성 변화를 파악하여 최적 설계 방안 도출의 기초 자료를 제공하였음.

구조물 영향 평가

  • 하류 수리 구조물의 존재 유무에 따른 상하류 흐름 변화를 비교 분석하였음.
  • 구조물 형상(예: 높이, 폭) 변화가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였음.
  • 특정 흐름 조건에서 구조물의 안정성 및 기능성을 예측하였음.

결론 및 시사점

  • 본 연구에서 개발된 FLOW-3D 모델은 하류 수리 구조물의 흐름 특성 분석에 효과적인 도구로 활용될 수 있음.
  • 모델링 결과를 바탕으로 하류 수리 구조물의 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.
  • 향후 다양한 형태의 하류 수리 구조물에 대한 모델링 및 실험 연구를 통해 모델의 적용 범위를 확대할 필요가 있음.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.

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Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)

변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증

본 소개 자료는 “Journal of the Korean Society of Civil Engineers”에서 발행한 “변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증”논문을 기반으로 합니다.

Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 항주파(ship waves)는 선박의 이동으로 인해 발생하는 파랑으로, 이는 선박의 속도, 수심 및 해안 구조물에 따라 다르게 나타남.
  • 기존의 항주파 연구는 일정한 수심을 가정한 연구가 많았으며, 변수심에서의 항주파 예측 연구는 부족한 상황.
  • Kelvin(1887)의 이론은 심해 조건에서만 유효하며, 중간 수심(intermediate-depth)이나 변수심(varying water depth)에 적용하기 어렵다.

연구 목적

  • Kelvin(1887)의 항주파 이론을 확장하여, 변수심에서도 적용 가능한 이론식을 개발.
  • FLOW-3D를 활용하여 수치 해석을 수행하고, 개발된 이론식의 정확성을 검증.
  • 선박이 이동할 때 항주파의 형상이 어떻게 변하는지 분석하여 해안 및 항만 설계에 기여.

연구 방법

항주파 이론식 개발

  • 기존 Kelvin(1887) 이론의 선형 분산 관계식(dispersion relation)의 순환 관계를 이용하여 확장된 항주파 이론식을 유도.
  • 중간 수심(intermediate water depth)과 변수심(varying water depth)에서도 적용 가능하도록 개선.

수치 실험(FLOW-3D) 설정

  • 수치 모델:
    • 계산 영역: 1000m × 250m × 30m
    • 격자 간격: △x = 2m, △y = 1m, △z = 0.5m
    • 선박 속도: 6m/s, 8m/s
    • 수심 조건: hc = 10m, hd = 15m, hs = 5m
    • 바닥 경사: 1/100, 1/61
  • FLOW-3D 모델링 기법:
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적
    • RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용한 난류 해석
    • Havelock(1908)의 최대 파향각(cusp locus angle) 이론과 비교하여 검증 수행

주요 결과

이론식과 FLOW-3D 시뮬레이션 비교

  • FLOW-3D 결과는 개발된 이론식과 높은 일치도를 보임.
  • 바닥 경사가 급할수록, 선박 항적 중심선의 좌우 비대칭성이 증가.
    • 얕은 쪽에서는 굴절로 인해 파향선이 해안선과 평행,
    • 깊은 쪽에서는 역굴절(reverse refraction)로 인해 파향선이 해안선과 직각.
  • 선박 속도 증가 시, 최대 파향각이 커지는 경향을 보임.
  • 오차 분석 결과, RMSE(root mean squared error)가 4% 이내로 이론식과 수치 해석이 잘 일치.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 변수심에서도 항주파 형상을 정확히 예측할 수 있음을 검증.
  • 이론식은 중간 수심 및 변수심에서도 높은 정확도를 보이며, 기존 Kelvin(1887) 이론의 한계를 극복함.
  • 바닥 경사가 급한 경우, 해안선 가까운 영역에서는 항주파의 형상이 크게 변함을 확인.

향후 연구 방향

  • 더 다양한 해저 지형과 수심 조건에서 항주파 전파 특성 분석.
  • 현장 실험을 통해 FLOW-3D 시뮬레이션 결과의 검증 강화.
  • 해양 구조물 설계 및 연안 보호를 위한 최적 설계 모델 개발.

연구의 의의

본 연구는 변수심에서도 적용 가능한 항주파 예측 이론을 제시하고, FLOW-3D를 활용하여 검증을 수행함으로써, 항주파 분석의 정확성을 높이는 데 기여하였다. 이는 해안 공학 및 항만 설계에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 1. Ship wave pattern (Kelvin, 1887)
Fig. 1. Ship wave pattern (Kelvin, 1887)
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)

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Prediction of ship wave Crests on Varying Water Depths and Verification by FLOW-3DDownload
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.

FLOW-3D 및 XFlow를 이용한 어도(Fishway) 수리 해석 성능 평가

본 소개 자료는 International Symposium on Hydraulic Structures에서 발행한 “Performance Assessment of FLOW-3D and XFlow in the Numerical Modelling of Fish-bone Type Fishway Hydraulics” 논문을 기반으로 합니다.

Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 어도(Fishway)는 물고기의 이동을 돕기 위해 설계된 수리 구조물이며, 수력학적 특성이 어류 이동에 미치는 영향을 평가하는 것이 중요함.
  • 기존 수리 모델링 방법은 주로 실험적 접근법을 사용하였으며, 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석이 널리 적용되고 있음.
  • 기존의 **격자 기반(mesh-based) CFD 방법(FLOW-3D)**과 비격자(meshless) CFD 방법(XFlow) 간의 성능 차이를 평가하는 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D(FVM 기반)와 XFlow(Lattice Boltzmann Method 기반)의 수리학적 모델링 성능을 비교 분석.
  • 어류 이동과 관련된 유동 구조(유속, 난류 특성, 흐름 깊이)를 평가하고 두 모델의 정확성을 비교.
  • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 두 모델의 신뢰성을 검증.

연구 방법

어도(Fishway) 모델 설정

  • 실험 환경: 길이 10m, 너비 1m의 실험 수로(flume) 내 fish-bone 형태 어도 모델 구축.
  • FLOW-3D 모델 설정:
    • 격자 기반(FVM) 방식 적용
    • VOF(Volume of Fluid) 기법 활용
    • 난류 모델: LES(Large Eddy Simulation) 사용
  • XFlow 모델 설정:
    • 입자 기반 Lattice Boltzmann Method(LBM) 사용
    • 난류 모델: Wall-Adapting Local Eddy(WALE) 적용
  • 경계 조건:
    • 유입 유량: 0.016 m³/s 및 0.075 m³/s
    • 유출 경계: 압력 고정 조건 적용

주요 결과

유동 구조 분석

  • 유속 및 흐름 깊이
    • FLOW-3D는 유동 패턴을 실험값과 99% 이상 일치하게 예측, XFlow는 89%의 정확도를 보임.
    • 높은 유량(0.075 m³/s)에서는 두 모델 모두 유사한 유속 분포를 보였으나, 낮은 유량(0.016 m³/s)에서는 XFlow의 정확도가 낮음.
  • 난류 특성 분석
    • FLOW-3D가 블록 후류 영역에서의 와류(Swirling Flow)를 보다 정밀하게 포착.
    • XFlow는 격자 해상도를 높이지 않으면 난류 구조를 정확히 표현하지 못함.

계산 비용 및 효율 비교

  • FLOW-3D는 시뮬레이션 정확도가 더 높지만, 계산 시간이 평균 9시간 소요.
  • XFlow는 7시간 내에 시뮬레이션을 완료하지만 정확도가 다소 낮음.
  • XFlow는 해상도를 증가시키면 정확도가 향상되지만 계산 시간이 4일로 증가.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D는 유동 구조 및 난류 특성을 보다 정밀하게 예측하며, 실험 결과와의 일치도가 높음.
  • XFlow는 상대적으로 빠른 계산 속도를 제공하지만 정확도가 다소 떨어짐.
  • FLOW-3D는 고해상도 격자 설정이 가능하여 복잡한 흐름을 모델링하는 데 더 적합함.

향후 연구 방향

  • 다양한 어도 설계(블록 배열, 경사 변화)에 대한 추가 연구 수행.
  • 고해상도 XFlow 모델링을 통한 정확도 개선 연구.
  • 실제 어류 이동 데이터를 활용한 모델 보정 및 최적화 연구 진행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D와 XFlow의 수리학적 성능을 비교하고, 어도(Fishway) 모델링에서의 적용 가능성을 평가하였다. 결과적으로 FLOW-3D가 보다 높은 정확성을 보이며, 수리 구조물 설계 최적화에 중요한 도구가 될 수 있음을 확인하였다.

Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
Figure 3. Stream traces for (a) FLOW-3D and (b) XFlow at 0.075 m3 /s.
Figure 3. Stream traces for (a) FLOW-3D and (b) XFlow at 0.075 m3 /s.

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Performance Assessment of FLOW-3D and XFlow in the Numerical ModeDownload
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

FLOW-3D를 이용한 항만 수역 배치 설계의 타당성 분석

본 소개 자료는 ‘IOP Conference Series: Materials Science and Engineering’에서 발행한 ‘FLOW-3D software for substantiation the layout of the port water area’ 논문을 기반으로 합니다.

Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

1. 서론

  • 항만 설계 시, 방파제를 통한 내부 수역의 파랑 차단이 필수적이며, 이를 위해 최적의 항구 입구 배치 및 규모를 결정해야 함.
  • 항만 수역은 파랑, 퇴적물 축적, 그리고 결빙으로부터 보호되어야 하며, 이를 위해 물리적·수치적 모델링이 필요함.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 설계 변수들이 항만 내부 수역의 흐름 및 안전성에 미치는 영향을 분석하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • 유체 해석을 위한 유한체적법(Finite Volume Method, FVM) 기반의 고정 격자 기법 사용.
  • FLOW-3D의 다중 격자(Multi-block Grid) 기능을 활용하여 계산 효율성 향상.
  • 항만 설계를 위한 입력 데이터:
    • 설계 풍속: 20m/s
    • 설계 파고: 1.0m, 주기 T = 5s
    • 설계 수위: 최저 11.50m, 운영 수위 12.00m, 최고 수위 15.00m

3. 연구 결과

다양한 항만 입구 배치에 따른 유동 특성 비교

  • 총 5가지 항만 입구 배치를 고려하여 항만 내부 유속 및 흐름 패턴을 분석.
  • 항만 입구 폭 및 위치에 따른 주요 결과:
    • 입구가 상단(Variant 1) 또는 이중 입구(Variant 2)일 경우, 내부 유속이 불균형하여 계류 안정성이 낮아짐.
    • 입구가 하단(Variant 3)일 경우, 내부 흐름이 균형을 이루며 정박 시 안전성이 가장 높음.
    • 입구 폭이 60m(Variant 5)로 증가할 경우, 외해의 파랑이 거의 그대로 내부로 전달되며, 방파제의 차단 효과가 감소.
    • 입구 폭이 20m(Variant 4)로 좁아질 경우, 항구 내부에서 난류(circulation)가 형성되어 선박 기동성이 저하.

계류 및 선박 기동성 평가

  • 항만 내 특정 지점(A, B, C)에서의 수심 변화를 분석하여 계류 안정성을 평가.
  • Variant 3에서 항만 내 수심 변화가 가장 적고, 계류 안정성이 가장 높음.
  • Variant 4의 경우, 항구 입구 폭이 좁아지면서 난류가 증가하고, 선박 기동성이 제한됨.
  • Variant 5의 경우, 외해 파랑이 내부까지 도달하여 계류 조건이 불안정해짐.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 항만 수역 내 유동 특성을 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 입구 위치가 하단에 있으며(Variant 3), 폭이 40m일 때 가장 안정적인 계류 환경을 제공.
  • 입구 폭이 과도하게 좁아질 경우(Variant 4), 난류가 증가하여 선박 운항이 어려워지고, 반대로 폭이 과도하게 넓을 경우(Variant 5), 외해 파랑이 항만 내부까지 침투하는 문제가 발생.

향후 연구 방향

  • 다양한 파랑 조건 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
  • 실제 항만 데이터를 활용한 모델 검증 연구 수행.
  • 다양한 방파제 형상 및 재료 특성을 고려한 추가 시뮬레이션 진행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 방파제 설계가 항만 내부 유동 및 계류 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 향후 항만 설계 및 운영 최적화를 위한 실질적인 설계 지침을 제공할 수 있음.

Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 3. Port water area plan
Figure 3. Port water area plan
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

6. 참고 문헌

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Pan_2020_IOP_Conf._Ser.%3A_Mater._Sci._Eng._883_012020Download
Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.

FLOW-3D를 이용한 다양한 조건에서의 해안 방파제 유속 변화 모델링

본 소개 자료는 ‘Open Journal of Marine Science’에서 발행한 ‘Modeling of the Changes in Flow Velocity on Seawalls under Different Conditions Using FLOW-3D Software’ 논문을 기반으로 합니다.

Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.
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1. 서론

  • 해안 방파제(Seawalls)는 파랑 에너지를 감소시키고, 항만 및 연안 구조물을 보호하는 역할을 수행.
  • 파랑이 방파제 크라운(crown)을 넘을 때의 유속 변화는 구조물 안정성 및 침식 위험을 평가하는 중요한 요소.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 다양한 장애물 배치 및 방파제 경사 조건에서의 유속 변화를 수치적으로 분석함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
  • 총 68개의 서로 다른 형상을 모델링하여 비교 분석:
    • 4가지 경사 조건(45°, 51°, 56°, 61°)
    • 4가지 장애물 배치(A, B, C, D)
    • 4가지 장애물 높이(10cm, 20cm, 30cm, 50cm)
    • 장애물이 없는 경우도 포함하여 시뮬레이션 수행

3. 연구 결과

방파제 경사 및 장애물 배치에 따른 유속 변화 분석

  • 장애물이 없는 경우, 방파제 크라운에서의 유속이 가장 높게 나타남.
  • 장애물 높이가 증가할수록 유속이 감소하는 경향을 보임.
  • 10cm 장애물 대비 50cm 장애물 적용 시 유속 감소 효과가 가장 크며, 흐름의 운동에너지 일부가 위치에너지로 변환됨.
  • 경사가 45°일 때(A형 배치) 가장 낮은 유속이 나타났으며, 경사가 클수록 유속 감소 효과가 큼.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D를 이용한 수치 시뮬레이션을 통해 방파제 크라운을 넘는 유속 변화를 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 경사가 45°이며, 장애물 높이가 50cm인 경우 유속이 가장 효과적으로 감소함.
  • 장애물 배치에 따라 유속 저감 효과가 달라지며, 최적의 설계를 위해 추가 연구 필요.

향후 연구 방향

  • 다양한 유속 및 파랑 조건에서 추가 시뮬레이션 수행 필요.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 해석의 정밀도 향상.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 방파제 경사 및 장애물 배치 조건에서의 유속 변화를 수치적으로 분석하고, 방파제 설계 최적화를 위한 실질적인 데이터를 제공하였다. 이를 통해 연안 보호 구조물의 설계 및 유지보수 전략 수립에 기여할 수 있음.

Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.
Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.

Figure 2. Flow velocity on seawall in A2 modeling.
Figure 2. Flow velocity on seawall in A2 modeling.

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OJMS_2016042615293630Download
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases

FLOW-3D를 이용한 에어포일 컬러(AFC) 적용 유무에 따른 교각 주변 국부 세굴 수치 시뮬레이션

본 소개 자료는 ‘Environmental Fluid Mechanics’에서 발행한 ‘Numerical simulation of local scour around the pier with and without airfoil collar (AFC) using FLOW-3D’ 논문을 기반으로 합니다.

Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases

1. 서론

  • 교각 주변의 국부 세굴(local scour)은 수리 구조물의 안전성에 중대한 영향을 미치는 요소이며, 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나임.
  • 기존 연구에서는 다양한 세굴 저감 장치를 연구해 왔으며, 본 연구에서는 에어포일 컬러(Air-Foil Collar, AFC)의 효과를 평가하고자 함.
  • FLOW-3D를 이용하여 다양한 AFC 구성에서 세굴 깊이를 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • 난류 해석: Large Eddy Simulation (LES) 모델 적용.
  • 퇴적물 모델: van Rijn의 bed-load transport 모델 활용.
  • 격자 설정: 12.234백만 개의 격자로 구성된 nested mesh 사용.
  • 경계 조건:
    • 유입부: 일정한 유속(velocity inlet) 적용.
    • 유출부: 자유 배출(outflow) 조건 적용.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

AFC 적용 유무에 따른 세굴 특성 비교

  • AFC가 없는 경우 최대 세굴 깊이: 6.33cm.
  • AFC가 적용된 경우 세굴 깊이 감소 효과:
    • dc1 (2b) 컬러 적용 시: 77.78% 감소.
    • dc1R (역방향 2b) 컬러 적용 시: 46% 감소.
    • dc2 (3b) 컬러 적용 시: 100% 감소 (세굴 없음).
    • dc1 (2b) 컬러를 하단부에서 y/2 높이에 적용 시: 11.12% 감소.
    • dc2 (3b) 컬러를 하단부에서 y/2 높이에 적용 시: 42.86% 감소.
  • 최대 세굴 깊이 및 세굴 형상 분석
    • AFC가 없는 경우, 세굴은 주로 교각 전면부에서 강하게 발생하며 후류(wake)에서 퇴적이 진행됨.
    • AFC 적용 시, 와류 강도가 감소하고 말굽 와류(horseshoe vortex) 및 후류 난류가 완화됨.
  • AFC의 위치 및 크기에 따른 효과 분석
    • dc2 (3b) 컬러를 교각 기초에 설치했을 때 세굴 방지가 가장 효과적.
    • dc1 (2b) 컬러의 경우 역방향(dc1R) 설치 시 세굴 감소 효과가 다소 감소.

4. 결론 및 제안

결론

  • AFC는 교각 주변 국부 세굴을 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조적 솔루션임.
  • 3b 크기의 컬러(dc2)를 교각 기초에 설치하는 것이 가장 효과적인 세굴 방지 방법으로 확인됨.
  • LES 모델을 활용한 수치 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 7% 이내의 오차를 보이며 높은 신뢰도를 가짐.

향후 연구 방향

  • 다양한 유속 및 침전 조건에서 추가 시뮬레이션 수행 필요.
  • 실제 현장 데이터를 기반으로 AFC의 장기적인 효과 검증.
  • AFC 형상 최적화를 위한 설계 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 AFC의 적용 유무에 따른 교각 주변 국부 세굴 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 향후 교량 설계 시 AFC 적용을 고려한 세굴 방지 전략을 제안할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다.

Fig. 3 a Meshing around the geometry and b boundary conditions annotated
Fig. 3 a Meshing around the geometry and b boundary conditions annotated
Fig. 4 Scour hole profle from Melville and Raudkivi [16] and simulated results
Fig. 4 Scour hole profle from Melville and Raudkivi [16] and simulated results
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases

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Numerical-simulation-of-local-scour-around-the-pier-with-and-without-airfoil-collar-AFC-using-FLOW-3DDownload
Fig. 6. Air core forming process display.

FLOW-3D를 이용한 와류 침전지의 수면 프로파일 및 와류 구조 수치 시뮬레이션

본 소개 논문은 Journal of Marine Science and Technology에서 발행한 논문 “NUMERICAL SIMULATIONS OF WATER SURFACE PROFILES AND VORTEX STRUCTURE IN A VORTEX SETTLING BASIN BY USING FLOW-3D”의 연구 내용입니다.

Fig. 6. Air core forming process display.
Fig. 6. Air core forming process display.

1. 서론

  • 와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 부유 퇴적물을 효과적으로 제거하기 위한 수리학적 장치로, 원통형 챔버, 유입 시스템, 하부 오리피스 유출구 및 월류 위어로 구성됨.
  • 와류 흐름은 매우 복잡하여 실험적 방법만으로 정확한 측정이 어렵기 때문에, 수치 시뮬레이션이 필수적임.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 VSB 내부 유동장을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 일정한 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 하부 오리피스(Bottom Orifice) 및 월류 위어(Overflow Weir) 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.
  • 격자 해상도:
    • 2.38백만 개의 격자로 구성, 최소 격자 크기 0.25cm(z 방향), 최대 격자 크기 1cm.

3. 연구 결과

실험 및 수치 모델 비교 분석

  • 수면 프로파일 비교
    • 실험 및 수치 모델에서 얻은 수면 프로파일이 매우 유사함.
    • 수치 모델에서 계산된 최고 수위(17.10cm)가 실험 결과(17.03cm)와 ±0.5cm 이내의 차이를 보임.
  • 유속 분포 분석
    • 난류 유동장에서 탱젠셜 속도(Vt), 방사 속도(Vr), 축 방향 속도(Vz)를 각각 비교.
    • 탱젠셜 속도(Vt): 벽면에서 중심부로 갈수록 증가하며, 내부 영역에서는 자유 와류, 외부 영역에서는 강제 와류 특성을 나타냄.
    • 방사 속도(Vr): 중심부에서 바깥쪽으로 점진적으로 감소하며, 바닥에 가까울수록 세굴 효과가 증가.
    • 축 방향 속도(Vz): 오리피스 방향으로 강한 하강 흐름을 보이며, 퇴적물 제거 효율에 중요한 역할 수행.
  • 에어 코어(Air Core) 형성 과정 분석
    • 실험 및 수치 모델 모두에서 에어 코어 형성이 확인됨.
    • 에어 코어의 위치 및 크기는 실험 결과와 수치 해석 결과가 ±1.5cm 이내의 차이를 보임.
    • 에어 코어의 진동이 유속 변화에 영향을 미치지만, 전체적인 유동장에는 큰 영향을 미치지 않음.
  • 유입량 증가에 따른 와류 특성 변화
    • 유입량 증가(Qcc = 1.5 × 10⁻³ ~ 4.0 × 10⁻³ cms)에 따라 와류 강도가 증가하고, 에어 코어의 형상이 변화.
    • 유량이 커질수록 벽면에서의 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
  • 수평 유도판(Horizontal Deflector) 적용 효과
    • 수평 유도판을 설치한 경우, 유체 체류 시간이 증가하고 와류 강도가 높아져 퇴적물 제거 효과가 향상됨.
    • 유도판이 없는 경우, 유체가 곧바로 월류 위어를 넘어가 퇴적물 제거 효과가 감소하는 것으로 나타남.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 VSB 내부의 복잡한 유동 구조를 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 탱젠셜 속도, 방사 속도, 축 방향 속도 등 주요 유동 변수들이 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
  • 에어 코어 형성 및 진동이 전체 유동장에는 큰 영향을 미치지 않지만, 특정 영역에서는 국소적인 유동 변화가 발생.
  • 유량 증가 시 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
  • 수평 유도판 적용 시, 유동 구조가 안정화되며 퇴적물 제거 효율이 증가함.

향후 연구 방향

  • 다양한 VSB 설계 변수(오리피스 크기, 유입 각도 등)에 대한 추가 연구 필요.
  • LES 모델과 다른 난류 모델(k-ε 등) 비교 연구 수행.
  • 현장 데이터 기반 실증 연구를 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰도 추가 검증 필요.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지(VSB)의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 퇴적물 제거 효율 향상 및 VSB 설계 최적화를 위한 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 2. Boundary conditions of VSB in FLOW-3D.
Fig. 2. Boundary conditions of VSB in FLOW-3D.
Fig. 6. Air core forming process display.
Fig. 6. Air core forming process display.

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Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험

본 소개 논문은 한국해안·해양공학회논문집에서 발행한 논문 “FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험”의 연구 내용입니다.

Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

1. 서론

  • 해상풍력 터빈 및 해상 플랫폼과 같은 구조물의 설치가 증가하면서 세굴(Scour) 현상이 중요한 연구 주제로 부각됨.
  • 해양 구조물은 조류 및 파랑에 의해 해저 입자가 제거될 가능성이 높으며, 이는 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있음.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 HeMOSU-1 해상 자켓 구조물 주변에서 발생하는 세굴을 수치적으로 분석하고, 일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성을 비교하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • Case 1: 유입부에 1m/s의 일정한 흐름을 적용한 일방향 흐름 해석.
    • Case 2: 유속이 -1~1 m/s로 변동하는 왕복성 흐름을 고려한 해석.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성 비교

  • Case 1(일방향 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.32m.
  • Case 2(왕복성 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.44m.
  • 현장 측정값과 비교 결과
    • HeMOSU-1 주변의 현장 측량 결과 세굴 깊이가 약 1.5~2.0m로 확인됨.
    • 왕복성 흐름을 고려한 Case 2의 결과가 실제 데이터와 가장 유사한 값을 보임.
  • 세굴 현상의 주요 원인
    • 해양 조류 흐름으로 인해 구조물 전면부에서 침식이 발생하고, 후면부에서 퇴적 현상이 관찰됨.
    • 왕복성 흐름에서는 해저 입자의 이동이 지속적으로 반복되며, 최종적으로 일방향 흐름보다 깊은 세굴이 형성됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션을 통해 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 현상을 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 왕복성 흐름을 고려한 모델이 실제 현장 데이터와 가장 유사한 결과를 제공.
  • 장기적인 해석이 필요하며, 세굴 저감을 위한 추가적인 설계 대책 마련이 요구됨.

향후 연구 방향

  • 장기적인 흐름 변화 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 정밀도 향상.
  • 해저 지반 강화 및 세굴 저감 기술 개발을 위한 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실제 측량 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 해상 풍력 및 해양 구조물 설계 시 세굴 저감을 위한 실질적인 설계 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 2. A photo of HeMOSU-1.
Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

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Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3 /s in the area of the broad-crested weir.

FLOW-3D를 이용한 사다리꼴 넓은 마루 위어 유동의 수치 모델링

본 소개 논문은 Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics에서 발행한 논문 “Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested Weir”의 연구 내용입니다.

Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3 /s in the area of the broad-crested weir.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.

1. 서론

  • 넓은 마루 위어(Broad-Crested Weir, BCW)는 수리학적 구조물로서 홍수 조절, 유량 측정 및 관개 시스템에서 활용됨.
  • BCW의 형상, 특히 사다리꼴 형태는 유량 및 에너지 손실에 영향을 미칠 수 있으며, 기존 실험적 연구와 함께 수치 모델링이 중요함.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D 및 SSIIM 2 소프트웨어를 사용하여 사다리꼴 BCW의 유동 특성을 분석하고, 수치 결과를 물리 실험 결과와 비교하여 모델링 정확도를 평가함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 및 SSIIM 2 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
  • SSIIM 2는 적응형(adaptive) 격자를 사용하며, Marker-and-Cell(MAC) 접근법을 적용하여 자유 수면을 계산.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

FLOW-3D와 SSIIM 2 결과 비교

  • 두 모델 모두 물리 실험 결과와 유사한 자유 수면 프로파일을 예측하였으며, 계산된 유량 계수(Discharge Coefficient, Cd)는 실험 값과 ±3% 이내의 차이를 보임.
  • FLOW-3D는 격자가 고정되어 있으며, 평균 435~550초의 계산 시간이 소요됨.
  • SSIIM 2는 적응형 격자를 사용하여 격자 수가 변하며, 계산 시간이 12,500~15,500초로 상대적으로 길었음.
  • 유량 변화(Q = 0.0181 ~ 0.0055 m³/s)에 따른 자유 수면 프로파일 분석 결과, 두 모델 간 수위 차이는 1~1.5% 범위 내에 존재.

압력 및 유속 분포 분석

  • FLOW-3D의 결과에서는 위어 전면부에서 압력이 최대치를 기록하며, 후면부에서는 압력이 급격히 감소.
  • SSIIM 2에서도 유사한 압력 분포가 확인되었으나, 자유 수면 프로파일 계산에서 다소 차이가 발생.
  • 속도 벡터 분석 결과, 위어 전면부에서 흐름이 가속되고 후면부에서 난류 강도가 증가하는 패턴이 관측됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 및 SSIIM 2를 활용한 시뮬레이션은 사다리꼴 BCW 유동 해석에서 높은 신뢰도를 보였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 타당성이 검증됨.
  • FLOW-3D는 고정 격자와 높은 계산 효율성을 제공하며, SSIIM 2는 적응형 격자를 활용하여 자유 수면의 변화를 보다 세밀하게 반영.
  • 전체적인 Cd 값은 실험 데이터와 잘 일치하며, 실험과의 평균 오차율이 3% 이내임.

향후 연구 방향

  • 3D 모델링을 활용하여 더욱 정밀한 유동 분석 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과의 비교 연구 필요.
  • 자연 하천 환경에서의 적용 가능성을 평가하기 위한 추가 연구 필요.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 및 SSIIM 2를 이용하여 사다리꼴 BCW에서의 유동 특성을 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 및 유량 측정 기술 향상에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.
Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3 /s in the area of the broad-crested weir.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.

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Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested WeirDownload
그림 11. 연직방향 유속분포(교각전면부)

FLOW-3D를 이용한 교각 주변 흐름의 수치해석

본 소개 자료는 논문 “FLOW-3D를 이용한 교각주변 흐름의 수치해석”의 연구 내용입니다.

그림 11. 연직방향 유속분포(교각전면부)
그림 11. 연직방향 유속분포(교각전면부)

1. 서론

  • 최근 수리구조물 설계에서 3차원 수치해석 기법이 널리 사용되며, 교각 주변의 유동 특성 분석이 중요한 연구 주제로 부각됨.
  • 기존의 2차원 해석 방법은 교각 후면부 및 측면에서의 유동 변화 해석이 제한적이며, 수리모형 실험을 보완할 필요가 있음.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 3차원 수치 모델을 구축하고, 다양한 교각 형상에서의 유동 특성을 분석하여 실험 결과와 비교 검토하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 형상을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

교각 형상별 유동 특성 분석

  • 교각 형상(원형, 직사각형)에 따른 유동 패턴 비교
    • 원형 교각의 경우 난류가 완만하게 형성되며, 후류(wake) 영역이 상대적으로 짧게 나타남.
    • 직사각형 교각의 경우 교각 후면에서 강한 와류가 발생하며, 난류 강도가 증가함.
  • 유속 및 압력 분포 분석
    • 유속 분포는 교각 전면부에서 최대 속도 0.3m/s, 후면부에서 난류 영향으로 속도가 감소하는 패턴을 보임.
    • 압력 분포 분석 결과, 전면부에서 압력이 가장 높으며, 후면부에서 급격한 압력 감소가 발생함.
  • 조도(Roughness) 계수 및 난류 모델 비교
    • 조도 계수가 증가할수록 유속 감소 효과가 뚜렷하게 나타남.
    • 다양한 난류 모델(RNG k-ε, LES 등)을 비교한 결과, RNG k-ε 모델이 실험 데이터와 가장 유사한 결과를 보임.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 교각 주변의 유동 특성을 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 교각 형상에 따라 후류 형성 및 난류 강도가 달라지며, 특히 직사각형 교각에서 강한 와류 발생이 확인됨.
  • 난류 모델 중 RNG k-ε 모델이 실험 결과와 가장 유사한 결과를 제공함.

향후 연구 방향

  • 다양한 교각 형상 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용하여 난류 해석의 정밀도를 향상.
  • 실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 및 최적화 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 교각 주변의 유동 및 난류 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 교량 설계 및 하천 유지보수 계획에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

그림 1. 교각 형상별 사진
그림 1. 교각 형상별 사진
그림 11. 연직방향 유속분포(교각전면부)
그림 11. 연직방향 유속분포(교각전면부)

6. 참고 문헌

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Numerical Analysis of Flow around Bridge Pier using FLOW-3DDownload
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions (R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).

1958년 리투야 베이 쓰나미 – 사전 해저 지형 재구성 및 FLOW-3D를 이용한 3D 수치 모델링

본 소개 자료는 Nat. Hazards Earth Syst. Sci에 게재된 논문 “The 1958 Lituya Bay tsunami – pre-event bathymetry reconstruction and 3D numerical modelling utilising the computational fluid dynamics software Flow-3D”의 연구 내용입니다.

Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions (R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions (R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).

1. 서론

  • 리투야 베이(Lituya Bay)는 1958년 거대한 암석 산사태에 의해 발생한 세계에서 가장 높은 쓰나미(최대 런업 524m)가 기록된 지역.
  • 이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 산사태 유발 충격파(impulse wave) 시뮬레이션의 정확도를 평가하는 것을 목표로 함.
  • 모델의 공간적 범위, 격자 해상도(grid resolution), 계산 시간 및 정확도의 상관관계를 분석하고, 실험적 검증을 통해 쓰나미 형성과 전파 과정을 재현하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 3D 수치 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식과 RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 지형 및 해저 지형을 정밀하게 모델링.
  • 사전 지형 복원
    • 1958년 쓰나미 발생 이전의 리투야 베이 지형을 복원하기 위해 기존 측량 데이터(U.S. Coast and Geodesic Survey, 1926, 1942, 1959)를 활용.
    • 최대 수심 -220m로 추정하며, 쓰나미 발생 전후 해저 침전물 변화 분석.

3. 연구 결과

쓰나미 형성과 파랑 전파 분석

  • 암석 산사태의 충격 속도(약 93m/s)와 충돌로 인해 생성된 최대 쓰나미 파고는 약 208m.
  • 암석 충격 후 약 24초 이내에 주요 쓰나미가 형성되며, 파고는 초기 208m에서 전파 과정에서 감소.
  • 쓰나미의 전파 및 최대 런업 분석
    • 쓰나미가 기울어진 해안선을 따라 524m까지 상승하여, 1km 거리를 흐르며 해안선을 따라 이동.
    • 최대 런업이 발생한 지역에서의 유속은 약 50~70m/s로 계산됨.
  • 격자 해상도에 따른 정확도 분석
    • 격자 크기 5m일 때 가장 정확한 결과를 제공하며, 최대 런업을 가장 잘 재현.
    • 격자 크기 20m에서는 쓰나미의 전파 및 침수 범위가 과소평가됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D를 이용한 쓰나미 시뮬레이션이 리투야 베이의 역사적 데이터를 성공적으로 재현.
  • 밀도가 높은 유체(denser fluid) 개념을 사용하여 산사태에 의한 충격파를 효과적으로 모델링 가능.
  • 격자 해상도와 계산 시간 간의 균형이 중요하며, 5m 격자 해상도가 가장 정확한 결과를 제공.

향후 연구 방향

  • 다양한 지형 및 쓰나미 조건을 고려한 추가 시뮬레이션 수행 필요.
  • 고해상도 위성 데이터 및 최신 측량 기술을 활용하여 모델 검증 필요.
  • 3D 유체-지형 상호작용 모델을 개선하여 향후 자연재해 예방에 기여 가능.

5. 연구의 의의

본 연구는 1958년 리투야 베이 쓰나미를 3D 수치 모델링을 통해 재현하고, FLOW-3D를 이용한 충격파 및 파랑 전파 해석 기법의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 지진 및 산사태로 인한 쓰나미 예측 모델의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Figure 1. (a) Location of Lituya Bay, in southeastern Alaska (modified from Bridge, 2018). (b) View of Lituya Bay: the yellow line represents the shoreline before July 1958, and the red line shows the trimline of the tsunami. (c) Gilbert Inlet, showing the situation in July 1958 preand post-tsunami: the rockslide dimension (orange), the maximum bay floor depth of −122 m (light blue), and the maximum run-up of 524 m a.s.l. (Miller, 1960) on the opposite slope with respect to the impact area are indicated (topography data from © Google Earth Pro 7.3.2.5776; last access: 24 April 2020).
Figure 1. (a) Location of Lituya Bay, in southeastern Alaska (modified from Bridge, 2018). (b) View of Lituya Bay: the yellow line represents the shoreline before July 1958, and the red line shows the trimline of the tsunami. (c) Gilbert Inlet, showing the situation in July 1958 preand post-tsunami: the rockslide dimension (orange), the maximum bay floor depth of −122 m (light blue), and the maximum run-up of 524 m a.s.l. (Miller, 1960) on the opposite slope with respect to the impact area are indicated (topography data from © Google Earth Pro 7.3.2.5776; last access: 24 April 2020).
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions (R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions (R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).

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Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant dischargesimulation

FLOW-3D를 이용한 표면장력 탱크용 메시 스크린 모델링

본 소개 자료는 한국추진공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집 에 게재된 논문 “Flow-3d를 이용한 표면장력 탱크용메시스크린모델링”의 소개 내용입니다.

Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant dischargesimulation
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation

1. 서론

  • 우주비행체의 미소 중력 환경에서 추진제 관리가 필수적이며, 이를 위해 표면장력 탱크(Surface Tension Tank, STT)가 사용됨.
  • STT 내 주요 구성 요소인 메시 스크린(Mesh Screen)은 추진제와 가압 기체를 분리하여 액상 추진제의 안정적인 배출을 돕는 핵심 장치임.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 메시 스크린을 모델링하고, 기포점(bubble point) 시뮬레이션을 수행하여 수치 모델의 정확성을 평가하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • 거시적 다공성 매체 모델(Macroscopic Porous Media Model)을 적용하여 메시 스크린의 공극률, 모세관압, 항력 계수를 설정.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 초기 추진제(NTO) 유입 설정.
    • 유출부: 배출구에서 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

기포점 측정 시뮬레이션

  • 350 × 2600, 400 × 3000, 510 × 3600 DTW 메시 스크린 모델을 사용하여 기포점 측정을 수행.
  • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 비교 시, 최대 오차율 1.6% 이내로 높은 신뢰도 확인.
  • 스크린 모델의 차압은 초기 270 Pa에서 점진적으로 증가하여 약 630 Pa에 도달 시 배출 중단, 이는 예상된 기포점과 유사.

PMD(Propellant Management Device) 내 추진제 배출 해석

  • 스크린을 포함한 STT 시스템의 추진제 배출 시뮬레이션 수행.
  • 출구 스크린에서 기포점 도달 전까지 추진제 배출이 지속되며, 기포점 도달 후 배출이 중단됨을 확인.
  • 베인(Vane) 구조를 통한 추진제의 균등 분포 확인, 표면장력 효과로 인해 추진제가 특정 경로를 따라 흐름.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D를 이용한 메시 스크린 모델링이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 표면장력 탱크 내 추진제 배출 특성을 효과적으로 분석할 수 있음.
  • 기포점 특성을 정확히 반영하여 추진제 관리 장치(PMD)의 설계 최적화 가능성을 제시.

향후 연구 방향

  • 추진제 종류 및 다양한 미소 중력 조건에서 추가 연구 필요.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 효과 정밀 분석.
  • 현장 데이터를 활용한 추가 검증 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 표면장력 탱크용 메시 스크린의 모델링 및 추진제 배출 해석을 수행하였으며, 향후 우주비행체의 추진제 관리 시스템 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left) and mesh screen model based on macroscopic porous media model in Flow-3d (right
Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left)
and mesh screen model based on macroscopic
porous media model in Flow-3d (right)
Fig. 4 Fluid behavior in bubble point test simulation (350 × 2600 DTW mesh screen)
Fig. 4 Fluid behavior in bubble point test simulation (350 × 2600 DTW mesh screen)
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant dischargesimulation
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation

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Modeling of Mesh Screen for Use in Surface Tension Tank Using Flow-3d SoftwareDownload
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths

Modeling Longitudinal and Transverse Velocity Profiles Upstream of an Orifice Using the FLOW-3D Model

본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Modeling Longitudinal and Transverse Velocity Profiles Upstream of an Orifice Using the FLOW-3D Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.

Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths

서론

  • 연구 배경 및 필요성
    • 이란에서는 물 부족 위기로 인해 수자원 관리가 매우 중요해졌음.
    • 댐 저수지는 가장 중요한 수자원 중 하나임.
    • 하천에 댐을 건설하면 저수지의 유속이 감소하여 퇴적물이 쌓이게 됨.
    • 댐 저수지에 퇴적물이 쌓이면 유효 부피가 줄어들고 저수 기능이 저하됨.
    • 따라서 댐 수명 동안 퇴적물을 관리하고 배출하기 위한 방안이 지속적으로 제시되어 왔으며, 가압 플러싱은 퇴적물을 제거하는 일반적인 해결책임.
    • 이 방법에서는 하부 수문을 개방하여 상류의 수압으로 오리피스를 통해 퇴적물을 배출함.
    • 이동된 퇴적물의 양은 수문 직경, 퇴적물의 종류 및 크기, 수문 상류의 수위, 유출량과 같은 여러 요인의 함수임.
    • Shahmirzadi et al.(2010)은 하부 방류 장치의 직경이 플러싱 콘의 크기에 미치는 영향을 실험적으로 평가함.
    • Powell and Khan (2015)은 고정층 및 평형 세굴(이동층) 조건에서 댐 오리피스 상류의 흐름 패턴을 조사하기 위한 테스트를 수행함.
    • 연구 결과, 속도 수평 성분은 고정 및 평형 세굴 조건에서 거의 동일했으며, 속도의 수직 성분도 동일한 조건이었음.
    • Bryant et al.(2008)은 여러 실험을 수행하고 몇 가지 수치 관계를 제안하여 다양한 크기의 오리피스 상류의 흐름 패턴을 연구함.
    • 그들은 횡방향 및 깊이 속도 프로파일을 평가하기 위해 극좌표계를 사용했으며, 이 방법이 오리피스 근처의 속도 프로파일보다 더 나은 예측을 제공한다는 것을 발견함.
    • Wei et al.(2014)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 가압 플러싱 콘을 시뮬레이션함.
    • 그들은 세굴 구멍, 하상토 및 부유사 하중을 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델을 개발함.
    • Dargahi (2010)는 FLOW-3D 모델을 사용하여 하부 유출구의 방전 특성을 시뮬레이션하고 결과를 이집트 아스완 댐의 축소 모델 실험 결과와 비교함.
    • 얻어진 결과는 RNG 난류 모델이 k-ε 난류 모델에 비해 정확도가 더 높다는 것을 보여줌.
    • Chapokpour et al.(2012)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 와류 흐름 거동을 연구함.
    • 속도 성분을 평가한 결과, 일부 지점에서 여러 시계 방향 및 반시계 방향 와류가 발견됨.
    • 또한, 얻어진 결과를 이전의 결과와 비교한 결과, FLOW-3D 수치 모델이 와류 흐름을 모델링할 수 있음이 나타남.
    • Chanson et al.(2002)은 수위가 낮아지는 동안 오리피스 상류의 비정상 흐름 거동을 실험적으로 조사함.
    • Powell and Khan (2012)은 동일한 맥락에서 실험 연구를 수행하여 오리피스로부터의 상대 거리가 증가함에 따라 오리피스 중심을 따라 흐르는 속도가 감소한다는 것을 보여줌.
    • Shammaa et al.(2009)은 흐름 포텐셜을 사용하여 게이트 및 오리피스 후면의 흐름 패턴을 정의하고 다양한 시나리오에 따라 분석적으로 해결함.
  • 연구 목표
    • 본 연구에서는 플로우-3D 모델을 사용하여 다양한 수심에서 오리피스 상류의 종방향 흐름 속도 프로파일을 예측하는 것을 연구함.
    • 실험 설계는 LES, Laminar 및 k-ε 난류 모델과 함께 모델을 보정하는 데 사용됨.
    • 본 연구에서는 오리피스 상류의 다양한 수심에 대해 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태가 높은 정확도로 지수 함수를 따르는 것으로 나타남.
    • 또한, 오리피스에서 더 먼 상류에서 횡방향 속도 프로파일은 균일해짐.
    • 결국, 오리피스 상류의 수심이 8배 상승하면 하상에 생성되는 전단 응력이 148% 증가하는 것으로 나타남.

연구 방법

  • 수치 모델링
    • 본 연구에서는 유한 체적법을 사용하여 중간 Reynolds 수 범위 내에서 Navier-Stokes 방정식을 푸는 상용 CFD 소프트웨어인 FLOW-3D를 사용함.
    • 이 소프트웨어는 유한 체적 모드에서 흐름장의 2D 및 3D 분석을 모두 허용함.
    • 이 소프트웨어는 직교 3D 요소를 사용함.
    • 다양한 유체에 사용할 수 있다는 점을 고려할 때, FLOW-3D는 특히 유압 분야에서 허용 가능한 결과를 제공함.
    • 사용자 수가 증가하고 최근 디버깅으로 인해 소프트웨어는 현재 다양한 유체 역학 분야, 특히 개방 수로 및 유압 구조물의 수역학 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있음.
  • 실험 모델
    • 본 모델은 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 바탕으로 보정되었음.
    • 본 연구에서 실험한 플룸은 폭 122cm, 높이 91cm, 길이 914cm였음 (그림 1).
    • 본 연구에서는 펌프 속도 변화에 따라 의도된 흐름의 유량이 달라짐.
    • 본 연구에서는 직경(D)이 7.62cm와 15.24cm인 두 개의 오리피스가 사용되었음.
    • 측벽의 영향을 제거하기 위해 전체 오리피스의 중심이 채널 폭의 중앙에 위치하였음.
    • 또한, 오리피스 중심 상류의 수심(H)은 5.92cm로 고정되었음.
    • 흐름 패턴은 ±1%의 정확도를 가진 ADV(Acoustic Doppler Velocity Meter)를 사용하여 측정되었음.
  • 수치 모델의 메시 생성, 경계 조건 및 보정
    • AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 주어진 치수를 기반으로 플룸 형상을 생성함.
    • 시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 솔루션 메시의 크기는 길이 150cm, 폭 122cm, 높이 60cm로 제한되었음.
    • 시뮬레이션에서 유체는 비압축성으로 간주되었음.
    • 메시는 0.01m의 균일한 크기를 가졌으며, 계산 정확도를 높이기 위해 오리피스에 인접한 곳에 더 미세한 메시가 사용되었음.
    • 30초의 기간이 모델링에 할당되었으며, 이는 수치 모델 결과를 실험 모델 결과와 비교하여 적합한 것으로 판명됨.
    • 수치 모델은 이 기간에 정상 상태가 됨.
    • 그림 (2)는 소프트웨어에 의해 정의된 경계 조건을 보여줌.
    • 플룸 입구의 수심은 40.64cm로 고정되었음.
    • 유출 경계 조건은 오리피스에 대해 정의되었고, 벽과 바닥은 강체 경계(벽)를 가졌으며, 대칭 조건은 상단 경계에 대해 정의되었음.
    • 전단 응력을 결정하기 위해 바닥이 오리피스 아래에 위치한 그림 2와 같이 다른 형상이 플롯되었음.
    • 평균 절대 오차(MAE), 제곱 평균 제곱근 오차(RMSE) 및 결정 계수(R2)의 통계적 매개변수가 정확도를 평가하고 최적의 난류 모델을 선택하는 데 사용됨.

연구 결과

  • 모델 보정
    • 앞서 언급했듯이 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 사용하여 모델을 보정하였음.
    • 본 연구에서 사용된 침수비는 0.77이었음.
    • 그림 (3)은 실험 데이터와 추정된 난류 모델을 사용하여 실행된 모델에서 얻은 결과를 비교한 것임.
    • 또한, 표 (1)은 각 모델의 정확도를 결정하기 위해 통계 분석에서 얻은 결과를 제공함.
    • 이에 따라 모든 난류 모델은 결과를 예측하는 데 합리적인 정확도를 보였으며, LES 난류 모델이 상대적으로 더 높은 정확도를 가졌음.
    • 따라서 다른 시나리오를 실행하는 데 사용되었음.
    • 그림 (3)에 따르면 Powell and Khan (2012)이 이미 보고한 바와 같이 상대 속도는 x/D>2에서 0이 되는 경향이 있었음.
  • 종방향 속도 프로파일 모델링
    • 모델을 보정 한 후 오리피스 상류의 수심이 종방향 속도 프로파일 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해 다른 세 개의 침수비 (H/D = 0.5.2.4)가 모델에 정의됨 (Bryant et al.(2008)에서 사용한 것 외에 (H/D = 0.77)).
    • 그림 (4)는 다양한 침수비에서 종방향 속도 프로파일을 비교한 것임.
  • 횡방향 속도 프로파일 모델링
    • 세 개의 상대 거리(x/D = 1.2.3)에서 의도된 침수비에 대한 횡방향 속도 모델링에서 얻은 결과는 그림 (5)에 나와 있음.
    • 그림은 오리피스에서 더 먼 상류에서 속도 변화가 감소하여 0이 되는 경향을 나타냄.
    • 또한, 각 상대 거리에 대해 최대 속도는 오리피스를 따라 있었고, y-축을 따라 오리피스 중심에서 거리가 멀어짐에 따라 속도가 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
  • 오리피스 상류의 전단 응력 분포
    • 그림 (6)은 의도된 침수비에 대한 오리피스 상류의 전단 응력 분포를 보여줌.
    • 그림에서 볼 수 있듯이, 오리피스에서 유출되는 속도가 증가하여 바닥에서 더 높은 전단 응력이 발생하기 때문에 바닥의 전단 응력은 오리피스 상류의 깊이와 함께 증가함.
    • 결과적으로 침수비가 0.5에서 4로 증가함에 따라 전단 응력은 4.31Pa에서 10.7Pa로 148% 증가함.
    • 또한, 더 높은 침수비에서 오리피스 상류의 더 넓은 영역이 전단 응력의 영향을 받는 것으로 관찰됨.
    • Powell and Khan (2011)에 따르면 댐 하부 게이트를 열고 가압 플러싱을 시작하면 첫 번째 단계에서 퇴적물의 이동은 하상에 형성된 전단 응력으로 인해 시작됨.
    • 따라서 논의된 내용에 따르면 오리피스 상류의 침수비가 증가하면 더 많은 퇴적물이 전단 응력에 의해 씻겨 내려가 물 흐름에 의해 배출될 것으로 예상됨.

결론

  • 연구의 의의
    • 본 연구에서는 FLOW-3D 모델을 사용하여 오리피스 상류의 흐름 패턴을 예측하는 타당성 조사를 수행함.
    • 이와 관련하여 오리피스 상류의 다양한 수심에 대한 몇 가지 시나리오가 모델에 정의되어 다음과 같은 결과를 얻었음:
    • FLOW-3D 소프트웨어는 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 충분한 정확도로 모델링했음.
    • Laminar, k-ε. 및 LES 난류 모델은 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 예측하는 데 높은 정확도를 보였으며 거의 동일한 정확도를 가졌음.
    • 오리피스 상류의 수심이 상승함에 따라 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태는 지수 방정식을 따르며 일정해졌음.
    • 오리피스에서 더 먼 거리에서 속도 변화폭이 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
    • 오리피스 상류의 침수비 증가는 더 높은 전단 응력과 더 넓은 면적의 하상이 전단 응력의 영향을 받음.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths

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Fig.5- View of a simulated congressional overflow

Studying the effect of shape changes in plan of labyrinth weir on increasing flow discharge coefficient using Flow-3D numerical model

본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Studying the effect of shape changes in plan of labyrinth weir on increasing flow discharge coefficient using Flow-3D numerical model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.

Fig.5- View of a simulated congressional overflow
Fig.5- View of a simulated congressional overflow

서론

  • 연구 배경 및 필요성
    • 위어는 수로 및 하천 폭에 고정되어 수위를 측정, 조절 및 제어하는 데 사용되는 수력 구조물임.
    • 가능한 최대 홍수 사건(PMF)의 규모가 커짐에 따라 방전 용량 증가에 대한 요구가 강조됨.
    • 래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
    • Tullis et al.(1995)은 래버린스 위어의 용량을 결정하는 효과적인 매개변수를 평가함.
    • 그들은 총 수두, 유효 정점 길이 및 방전 계수를 래버린스 위어의 방전 용량에 영향을 미치는 매개변수로 도입함.
    • Khode et al.(2011)은 8°에서 30°까지의 다양한 측벽 각도(α)에 대해 흐름-오버 래버린스 위어의 매개변수를 실험적으로 연구함.
    • 그들은 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가한다는 것을 발견함.
    • Crookston과 Tullis(2012a)는 평면에서 위어의 기하학적 모양을 다르게 하여 다양한 래버린스 위어의 성능을 연구함.
    • 결과에 따르면 아치형 래버린스 위어의 방전 용량이 말굽 래버린스 위어의 방전 용량보다 큼.
    • Seo et al.(2016)은 위어 모양이 위어 방전에 미치는 영향을 조사함.
    • 래버린스 위어의 방전량은 선형 오지 위어에 비해 약 71% 증가한 것으로 나타남.
  • 연구 목표
    • 본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
    • 검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.

연구 방법

  • 연구 설계
    • 다양한 방정식을 사용하여 방전 계수를 평가함.
    • 방정식 (1)은 이 목적을 위해 가장 유효한 방정식 중 하나임.
    • 여기서 Cd(a)​ = 래버린스 위어의 방전 계수, Q = 위어 방전, Lc​ = 위어의 총 길이, HT​ = 총 상류 헤드(비잠수) 및 g는 중력으로 인한 가속도(m2/s)임.
    • 래버린스 위어 조사를 위한 최상의 메시를 선택하기 위해 두 가지 유형의 메시가 사용됨.
    • 564000 및 437000의 메시 수가 최적의 메시 선택을 위해 평가됨.
    • 메시 번호 1에서 셀 크기는 구조 근처의 메시 번호 2의 셀 크기보다 작음.
    • 따라서 메시 1은 모델링 정확도를 높임.
  • 수치 모델링
    • Crookston과 Tullis(2012b)의 연구에서 실험 Cd(aα)​ 데이터가 제시됨.
    • 본 논문에서는 3개의 난류 모델(k-ε, RNG k-ε 및 LES 모델)을 사용하여 수치 Cd(a∘)​를 수행함.
    • 최대 상관 계수(H T /p 무차원 매개변수의 경우 0.9875)는 RNG k-ε를 사용하여 얻음.
    • 이 지수의 값은 1에 가까우며 모델이 시뮬레이션에 적합함을 보여줌.
    • 이 연구의 이전 결과를 기반으로 RNG 모델을 적합한 모델로 간주하여 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수 변화를 평가함.

연구 결과

  • 결과 분석
    • 결과에 따르면 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가함.
    • 각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 평균 2.28 및 1.24배 큼.
    • 또 다른 주목할 점은 방전 용량이 증가함에 따라 방전 계수가 감소한다는 것임.
    • 방전량이 32.8배 증가하면 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수가 각각 57.2%, 47.4% 및 7.8% 감소함.
    • 다음 단계에서는 선형, 삼각형 및 반원형의 정점 모양을 가진 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
    • 삼각형 및 반원형 정점 모양의 래버린스 위어가 가장 큰 방전 계수 값을 가짐.
    • 삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가한 것으로 나타남.
  • 방정식
    • 본 논문에서는 방정식 (2)에 정의된 대로 다양한 측벽 각도를 가진 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제시함.
    • 이 방정식의 정확도를 결정하기 위한 MAE, RMSE 및 R 2 값은 각각 0.0407, 0.0496 및 0.9122이며, 이는 방전 계수를 결정하는 데 이 방정식의 정확도를 보여줌.
    • Cd​=0.201(e−0.4904(HT​/P))(0.00038θ2+2.3735)

결론

  • 연구의 의의
    • 엔지니어들은 홍수 조절 및 운하와 하천의 방전 용량 증가를 위한 솔루션을 찾고 있음.
    • 래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
    • 본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
    • 검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
  • 최적의 위어 설계
    • 결과에 따르면 각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 큼.
    • 또한 삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가함.
    • 마지막으로 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제안했으며, 이는 허용 가능한 수준의 정확도로 방전 계수를 추정할 수 있음.
Fig.3- Plan of geometric parameters of congressional overflow
Fig.3- Plan of geometric parameters of congressional overflow
Fig. 4- The boundary conditions of the congressional overflow model
Fig. 4- The boundary conditions of the congressional overflow model
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
Fig.5- View of a simulated congressional overflow

References

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JISE_Volume 43_Issue 1_Page 101-116Download
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane (x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16

Performance Evaluation of Submerged Vanes by Flow-3D Numerical Model

본 소개 자료는 Iranian Hydraulic Association Journal of Hydraulics에서 발행한 “Performance Evaluation of Submerged Vanes by Flow-3D Numerical Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.

Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane (x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane (x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16

서론

  • 연구 배경 및 필요성
    • 잠수 베인은 접근 흐름에 대해 작은 받음각으로 수로 바닥에 수직으로 장착되는 흐름 패턴 변경 구조물임.
    • 잠수 베인은 베인의 두 측면에 있는 수직 압력 구배로 인해 베인의 상단 높이 아래에서 시작하여 베인의 하류로 확장되는 2차 순환(나선형 흐름)을 생성함.
    • 베인으로 유도된 와류는 채널 단면 내에서 퇴적물을 재분배하고 충적층의 프로파일을 변경함.
    • 그러나 베인 주변의 국부적인 세굴은 잠수 베인 기술 사용의 문제점 중 하나임.
    • 국부적인 세굴공의 확장은 베인의 모양과 관련이 있음.
  • 연구 목표
    • 본 연구에서는 1차 잠수 베인은 일반적으로 평평한 직사각형 판을 사용함.
    • 본 연구에서는 국부적인 세굴을 줄이기 위한 대책으로 베인의 앞쪽 가장자리 일부를 잘라내는 것을 연구함.
    • 연구 대상 베인은 직사각형 베인(기준선 베인)과 θ=30∘, 45∘, 60∘ 70∘ 및 73.3∘의 테이퍼형 앞쪽 가장자리를 갖는 다른 5개의 수정된 베인을 포함함.
    • 본 연구는 이러한 수정이 앞쪽 가장자리에서의 수직 속도 성분과 베인 하류에서 2차 순환의 강도에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 함.
    • 베인 주변의 흐름장을 연구하기 위해 Flow-3D 수치 모델 버전 10을 사용함.

연구 방법

  • 연구 설계
    • 본 연구에서는 상용 CFD 모델인 Flow-3D를 사용함.
    • 모델 보정을 위해 실험 속도 측정을 사용하였으며, 이를 위해 재순환 수로(길이 7.30m, 폭 0.56m, 깊이 0.6m)를 사용함.
    • 원심 펌프는 플룸 입구의 정수 탱크로 물을 배출함.
    • 균일한 물 유입을 만들기 위해 플룸 입구에서 1m 떨어진 곳에 스크린을 설치함.
    • 테일 게이트를 사용하여 플룸의 물 깊이(do​)를 0.25m의 일정한 값으로 조정함.
    • 베인의 치수는 Odgaard (2008)의 설계 기준, 즉 베인 높이 대 물 깊이 비율 Ho​/do​ = 0.3, 길이 L = 3$H_o$를 사용하여 결정함.
    • 평균 흐름 깊이 do​ = 0.25m는 Ho​ = 0.075m 및 L = 0.25m를 산출함.
    • 흐름 프루드 수 Fr = 0.16에서 베인 V0 및 V3을 사용하여 속도 측정을 수행함.
    • 각 테스트에서 베인은 흐름에 대해 20°의 각도로 플룸의 중심선에 설치됨.
    • 베인으로 유도된 속도장을 연구하기 위해 플룸 전체에서 4×4 cm² 격자를 베인의 중심에서 채취함.
    • 각 격자점에서 전자기 유속계(EVM)를 사용하여 3차원 속도 벡터(u, v, w)의 성분을 측정함.
    • 플룸의 벽에 매우 가까운 속도는 측정하지 않음.
  • 수치 모델링
    • 베인의 고압 측면에서 수직 속도 성분은 위쪽(양수)이었고 저압 측면에서는 아래쪽(음수)이었음.
    • 따라서 베인 하류에서 시계 방향의 2차 순환이 생성됨.
    • 1차 직사각형 베인(베인 V0)의 앞쪽 가장자리에서 아래쪽 속도 성분이 분명했음.
    • 테이퍼형 베인 V1 및 V2의 경우 베인 V0에서 앞쪽 가장자리 부분을 잘라냄으로써 음의 w-속도 성분의 크기가 각각 40% 및 69% 감소함.
    • 베인 V3, V4 및 V5의 경우 테이퍼 각도를 늘리면 아래쪽 속도 성분이 효과적으로 감소함.
    • 모멘트(MOM) 수량을 사용하여 베인으로 유도된 순환의 강도를 평가함.
    • 베인의 성능을 비교하기 위해 MOM 값을 적용함.
    • 이를 위해 베인 중심에서 하류로 2Ho 및 4Ho 거리, 즉 15cm 및 30cm 떨어진 두 단면에서 속도 데이터를 사용함.
    • MOM 계산에는 100개의 속도 성분(50개의 v-성분 및 50개의 w-성분)을 사용함.
    • 따라서 이 수량은 잠수 베인의 성능 및 효율성을 평가하는 데 유용한 기준이 됨.

연구 결과

  • 세굴 매개변수
    • 베인의 속도 분포 및 모멘트(MOM)는 테이퍼형 베인의 앞쪽 가장자리에서 침식성 음의 속도 성분의 감소를 나타냄.
    • MOM 값을 기준으로 베인의 앞쪽 가장자리를 잘라내면 성능이 저하됨.
    • 다시 말해, 이러한 수정은 직사각형 베인(베인 V0)에 비해 테이퍼형 베인의 영향을 받는 필드를 제한함.
    • 결과에 따르면 직사각형 베인에 비해 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소함.
    • 4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
  • 결과 분석
    • 이와는 반대로 테이퍼형 베인의 효율성은 증가함.
    • 베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고 4Ho 거리에서는 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
    • 따라서 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 세굴을 줄이는 경우 설계 기준에 따라 베인 배열 사이의 거리(ds​)에 큰 값을 사용하는 것은 권장하지 않음.

결론

  • 연구의 의의
    • 속도 분포 및 베인의 모멘텀 모멘트(MOM) 계산 결과, 베인의 선행 에지에서 절단이 선행 에지에서 음의 속도 성분을 감소시키는 데 효과적인 것으로 나타났음.
    • 모멘텀 모멘트 계산을 기반으로 베인의 선행 에지를 절단하면 베인의 성능이 감소하고, 즉, 사각형 베인(V0)에 비해 베인의 영향을 받는 필드의 길이가 감소함.
  • 최적의 위어 설계
    • 결과에 따르면, 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 사각형 베인에 비해 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소하고, 4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
    • 이와는 반대로, 테이퍼형 베인의 효율은 증가함.
    • 베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고, 4Ho 거리에서 증가량은 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
    • 따라서, 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 스코어를 줄이는 경우, 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장되지 않음.
Fig. 1 Laboratory flume used in present research
Fig. 1 Laboratory flume used in present research
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane (x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane (x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16

Reference

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Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)

FLOW-3D를 이용한 침수된 수평 제트에 의한 국부 세굴 시뮬레이션

본 소개 내용은 [DESERT]에서 발행한 [“Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D numerical model”] 의 연구 내용입니다.

Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)

1. 서론

  • 교각, 위어, 밸브, 소파공(stilling basin) 등의 수리 구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 구조물의 안정성을 위협할 수 있음.
  • 침수된 수평 제트(submerged horizontal jet)에 의해 발생하는 세굴은 고속 유동과 저속 유체의 상호 작용으로 인해 복잡한 유동장을 형성함.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 실험 모델과 수치 모델을 비교하여 수치 모델의 정확성을 평가하고, 제트 형상, 개수로 흐름 조건, 세굴 패턴 등을 분석하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 형상을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

세굴 패턴 분석

  • FLOW-3D 모델과 실험 모델 비교 결과 평균 오차율이 약 11%로 확인됨.
  • 제트 유출 속도가 증가할수록 최대 세굴 깊이가 증가하는 경향을 보임.
  • 세굴 깊이 비교
    • 실험 모델과 비교 시 FLOW-3D의 예측 값이 실험 값과 유사하게 나타남.
    • 유량 1.0 ℓ/s에서 실험값 1.50 cm, 수치해석값 1.70 cm(오차율 11.8%).
    • 유량 4.0 ℓ/s에서 실험값 6.85 cm, 수치해석값 6.10 cm(오차율 12.3%).
  • 세굴장 길이 분석
    • 3mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 13.82%.
    • 1mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 12.58%.
  • 세굴장 후방의 사구(hump) 높이 비교
    • 사구 높이에 대한 평균 오차율이 26.12%로, 다른 변수들보다 상대적으로 오차가 큼.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 침수된 수평 제트로 인한 국부 세굴 패턴을 정량적으로 분석할 수 있음.
  • 세굴 깊이는 비교적 정확하게 예측되었으나, 세굴장 후방의 사구 높이는 다소 과소 예측됨.
  • 입경이 클수록 수치 모델과 실험 모델 간 오차가 감소하는 경향을 보임(3mm 입경에서 보다 정확한 결과 도출됨).

향후 연구 방향

  • 다양한 유입 조건 및 퇴적물 특성에 따른 추가 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
  • 실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침수된 수평 제트로 인해 발생하는 국부 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 시 세굴 방지 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
Fig. 3. A Plan of 2D graphical output of scour simulation results in Flow-3D numerical model
Fig. 3. A Plan of 2D graphical output of scour simulation results in Flow-3D numerical model

6. 참고 문헌

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JDESERT_Volume 20_Issue 1_Pages 47-55Download
Figure 2. 3D view related to descending mode.

FLOW-3D를 이용한 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향 연구

본 소개 내용은 [Journal of Hydraulic and Water Engineering (JHWE)]에서 발행한 [“Investigating Effect of Changing Vegetation Height with Irregular Layout on Reduction of Waves using Flow-3D Numerical Model”] 의 연구 내용입니다.

Figure 2. 3D view related to descending mode.
Figure 2. 3D view related to descending mode.

1. 서론

  • 해안 식생은 파랑 감쇠 효과를 제공하여 해안 침식을 방지하고 생태계를 보호하는 역할을 함.
  • 식생의 높이, 배치 방식 및 밀도는 파랑 감쇠 효율에 영향을 미칠 수 있음.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 방안을 도출하고자 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과를 해석.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석

  • 식생의 배치 방식(긴-짧은, 짧은-긴, 지그재그) 및 네 가지 파랑 조건을 고려하여 감쇠율 분석.
  • 긴-짧은(long-to-short) 배치가 가장 효과적인 감쇠 효과를 보이며, 감쇠율(POD)이 최대 36.62%에 도달.
  • 지그재그 배치(zigzag)도 효과적이지만, 짧은-긴(short-to-long) 배치는 상대적으로 낮은 감쇠 효과를 보임.
  • 높이 변화가 큰 배치일수록 유동 저항이 증가하여 감쇠 효과가 증대됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 식생의 기하학적 배치는 파랑 감쇠 성능에 중요한 영향을 미침.
  • 긴-짧은(long-to-short) 패턴이 파랑 감쇠에 가장 효과적이며, 이는 최대 저항을 초기 구간에서 제공하기 때문임.
  • 짧은-긴(short-to-long) 배치는 감쇠 효과가 낮으며, 식생 배치 전략에 있어 신중한 설계가 필요함.

향후 연구 방향

  • 다양한 식생 밀도 및 유속 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 및 최적화 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 식생 배치 방식에 따른 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 전략을 제안하였다. 이를 통해 연안 보호 및 해안 침식 방지에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Figure 2. 3D view related to descending mode.
Figure 2. 3D view related to descending mode.

6. 참고 문헌

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JHWE_Volume 1_Issue 1_Pages 55-64Download
Van Rijn Model

Flow-3D를 사용한 삼각형 래버린스 위어 하류의 하상 세굴에 대한 수치 시뮬레이션

본 소개 내용은 [Iranian Journal of Irrigation and Water Engineering]에서 발행한 [“Numerical Simulation of the Bed Scouring Downstream Triangular Labyrinth Weirs Using Flow-3D”] 의 연구 내용입니다.

Myer-Peter-Muller Model
Myer-Peter-Muller Model

서론

  • 연구 배경 및 필요성
    • 선형 위어에 비해 래버린스 위어는 폭 증가를 통해 흐름 용량을 증가시켜 특별한 관심을 받아왔음.
    • 위어 하류의 세굴 및 침식은 구조물 보호를 위해 중요하며, 위어 통과 유량 증가로 인해 하류 세굴량도 증가함.
    • 본 연구는 삼각형 평면을 가진 래버린스 위어의 수치 모델을 연구함.
  • 연구 목표
    • 다양한 요인(댐 본체 높이, 위어 정점 높이, 위어 통과 유량, 위어 정점 각도)이 래버린스 위어 하류의 하상 침식량에 미치는 영향을 연구하기 위해 23개의 모델을 Flow-3D 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션함.
    • 수치 시뮬레이션 결과와 실험 모델 결과의 검증을 통해 수치 시뮬레이션과 실험값 간의 매우 우수한 일치를 확인함.

연구 방법

  • 연구 설계
    • 3가지 정점 각도를 가진 삼각형 래버린스 위어 하류의 하상 세굴을 연구함.
    • 길이 10m, 폭 50cm, 높이 80cm의 인공 소형 수로에서 수치 모델을 수행함.
    • 4가지 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)를 테스트함.
  • 수치 모델링
    • 수로의 물 흐름과 상단의 공기 영역을 포함하는 다상 계산 영역을 다상 흐름 모델로 시뮬레이션함.
    • 계산 영역 준비 시 적절한 메시 생성은 매우 중요하며, 셀 크기가 세굴에 미치는 영향을 조사하기 위해 3가지 다른 셀 수를 적용함.
    • FLOW-3D는 광범위한 산업 응용 분야 및 물리적 프로세스에서 액체 및 기체의 동적 거동을 연구하는 엔지니어를 위한 완벽하고 다재다능한 CFD 시뮬레이션 플랫폼을 제공함.

연구 결과

  • 세굴 매개변수
    • 다양한 흐름 조건에서 래버린스 위어 하류의 최대 세굴 깊이, 최대 세굴 길이, 최대 퇴적 깊이 및 최대 퇴적 길이를 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행함.
    • 세굴 매개변수를 최소화하는 최적의 정점 각도를 찾기 위해 3가지 다른 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)에 대해 모델을 실행함.
    • 선형 위어 정점에 대한 최대 세굴 매개변수도 측정하여 비교함.
  • 결과 분석
    • 제시된 정점 각도로 삼각형 래버린스 위어를 사용하면 모든 세굴 및 퇴적 현상이 선형 위어에 비해 감소함.
    • 시뮬레이션 결과, 60°의 위어 정점 각도가 모든 세굴 및 퇴적 매개변수에서 더 큰 감소를 나타냄.
    • 선형 위어에 비해 상대 세굴 깊이, 세굴 길이, 퇴적 깊이 및 퇴적 길이에서 각각 약 89%, 77%, 45% 및 49% 감소가 관찰됨.

결론

  • 연구의 의의
    • 시뮬레이션 결과는 세굴 현상을 감소시키는 매우 효율적인 수단으로서 삼각형 래버린스 위어의 신뢰성을 나타냄.
    • 모든 위어 정점 각도에서 다양한 세굴 및 퇴적 매개변수의 감소가 관찰됨.
  • 최적의 위어 설계
    • 선형 위어에 비해 60°의 위어 정점 각도에서 더 낮은 세굴 매개변수가 획득됨.
    • 결론적으로, 최적의 위어 정점 각도인 60°는 선형 위어에 비해 세굴 매개변수를 최소화하고 에너지 소산을 최대화하는 잠재력을 가짐.
    • 세굴 지도는 대칭이며, 최대 세굴은 이동상 하상의 세로 중심선 좌우에서 발생함.
Van Rijn Model
Van Rijn Model
Myer-Peter-Muller Model
Myer-Peter-Muller Model

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IWE_Volume 14_Issue 4_Pages 53-73Download
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement

Hydraulic performance evaluation of head works using FLOW 3D

FLOW-3D를 이용한 헤드워크의 수리 성능 평가

Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement

1. 서론

  • 네팔은 농업 현대화를 추진하고 있으며, 이에 따라 효율적인 관개 인프라 구축이 필요함.
  • Sunkoshi-Marin 유역 전환 프로젝트는 Bagmati 관개 계획을 위한 수자원을 공급하기 위해 설계됨.
  • 헤드워크(headworks)는 하천에서 필요한 수량을 안정적으로 취수하고, 퇴적물 배출 및 홍수 방류를 위한 필수적인 수리 구조물임.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Sunkoshi-Marin 헤드워크의 수리학적 성능을 평가하고, 구조물의 효율성과 안정성을 분석하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

유속 및 압력 분석

  • 보(Barrage) 상부 평균 유속: 9 m/s 이상(완전 개방 시).
  • 정지분지(Stilling Basin) 최대 유속: 10 m/s.
  • 종방향 유속 프로파일에서의 최대 유속: 16.90 m/s.
  • 음압(negative pressure) 발생 없음 → 공동(cavitation) 현상 없음.
  • 최소 압력: 101.356 KPa(유입축 하류에서 관측됨).

방류 용량 분석

  • FSL(Full Supply Level)에서 보와 언더슬루이스(Under-sluice) 동시 운영 시 방류 용량: 10,086 m³/s.
  • 100년 빈도 홍수량(9,241 m³/s) 안전하게 방류 가능.
  • 479.5m 헤드워터 수위에서의 최대 방류 용량: 16,547 m³/s.
  • 10,000년 빈도 홍수를 방류하기 위해 481.00m 데크(deck) 수준이 적절함.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 헤드워크의 수리학적 성능을 평가할 수 있음.
  • 음압이 발생하지 않으며 공동현상이 우려되지 않음.
  • 보와 언더슬루이스 구조가 퇴적물 배출 및 홍수 방류에 효과적으로 작용함.
  • 수력 점프(hydraulic jump) 형성이 확인되며, 수위 변화에 따라 위치가 조정됨.

향후 연구 방향

  • 다양한 수위 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
  • 다른 난류 모델(예: LES)과 비교 연구 필요.
  • 현장 데이터와의 비교를 통해 모델 검증 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 헤드워크의 수리적 성능을 정량적으로 분석하고, 홍수 방류 및 취수 구조물 설계 최적화에 기여할 수 있는 정보를 제공함.

Figure 2. Weir axis at head works site
Figure 2. Weir axis at head works site
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement

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JHS_Volume 10_Issue 3_Pages 72-89Download
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.

Effect of inlet and baffle position on the removal efficiency ofsedimentation tank using Flow-3D software

FLOW-3D를 이용한 침전지 유입구 및 배플 위치가 제거 효율에 미치는 영향

Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 중력 침전은 수처리 및 하수처리 공정에서 부유물질 제거를 위한 필수적인 과정임.
  • 침전지의 유입구 및 배플의 위치는 유동 패턴에 영향을 미쳐 제거 효율을 결정함.
  • 기존 설계 방식은 실험적 공식에 의존하며, 유체역학적 세부 사항을 충분히 고려하지 못함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 활용하여 침전지에서 유입구 높이, 배플 거리, 배플 높이가 제거 효율에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
  • 중앙 복합 설계법(central composite design, CCD)을 사용하여 최적화된 설계를 도출.
  • 최적 조건을 도출하여 효율적인 침전지 설계를 위한 기초 데이터 제공.

연구 방법

침전지 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • 침전지 크기: 길이 6m, 너비 1m, 깊이 1.2m
  • 유입 유량: 120 L/s
  • 입자 특성: 평균 입경 0.11~0.25mm, 밀도 2650kg/m³
  • 경계 조건:
    • 유입부: 일정 유량 조건 적용
    • 유출부: 고정 배출 조건 설정
    • 배플: 다양한 높이 및 거리 조건 적용

중앙 복합 설계(CCD) 기반 실험 설계

  • 설정 변수:
    • 유입구 높이(0.125~1.125m)
    • 배플 거리(0.5~5.5m)
    • 배플 높이(0~1m)
  • 반응 변수: 부유물 제거 효율(%)

수치 해석 기법

  • FLOW-3D를 사용한 CFD 해석 수행
  • RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식 기반 해석
  • 격자 독립성 분석 후 최적 격자 크기 2cm 설정

주요 결과

유입구 및 배플 위치가 제거 효율에 미치는 영향

  • 배플 미설치 시 제거 효율 75.9%, 최소 제거 효율은 69.3%, 최대 제거 효율은 79.5%.
  • 유입구 높이 증가: 적절한 높이(0.87m)에서 제거 효율 증가, 과도한 상승 시 효율 저하.
  • 배플 거리 증가: 0.77m에서 최적 제거 효율 도출, 너무 멀 경우 효율 저하.
  • 배플 높이 증가: 0.56m에서 최적 제거 효율 도출, 너무 높으면 효율 감소.

최적 설계 도출

  • 유입구 높이: 0.87m, 배플 거리: 0.77m, 배플 높이: 0.56m에서 80.6%의 제거 효율 예측됨.
  • FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 79.6%의 제거 효율 확인 → 모델의 신뢰성 검증됨.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 활용한 수치 시뮬레이션이 침전지 유동 특성을 정확히 예측 가능함을 확인.
  • 유입구 및 배플 위치 최적화가 침전지의 제거 효율을 크게 향상시킬 수 있음.
  • 배플 설계 시 높이, 거리 등을 신중히 조절해야 하며, 부적절한 배플 설치는 오히려 효율 저하를 초래할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 다양한 형상의 배플을 적용한 추가 실험 수행.
  • 실제 현장 실험을 통한 모델 검증.
  • 다층 침전지 설계를 위한 추가 해석 수행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침전지의 설계를 최적화할 수 있는 방법을 제시하고, 효율적인 수처리 시스템 구축을 위한 기초 데이터를 제공하였다.

Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.

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JHS_Volume 9_Issue 4_Pages 76-87Download
Fig. 9 The effect of rectangular sill’s height on the pressure distribution near the sluice gate

Investigation of Free Flow Under the Sluice Gate with the Sill Using FLOW-3D Model

FLOW-3D를 이용한 수문(Sluice Gate) 하부의 자유 유동 및 Sill의 영향 연구

Fig. 9 The effect of rectangular sill’s height on the pressure distribution near the sluice gate

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 수문(Sluice Gate)은 관개 시스템 및 수로에서 수위 조절과 유량 조절을 위한 중요한 구조물임.
  • 수문 하부에 Sill(문턱 구조물)을 설치하면 수문의 높이를 줄여 건설 비용을 절감할 수 있으며, 동시에 방류 계수(discharge coefficient)에도 영향을 미침.
  • 기존 연구에서는 수문 자체의 유량 계수를 연구했으나, Sill의 형상과 높이가 방류 계수에 미치는 영향에 대한 연구가 부족함.

연구 목적

  • FLOW-3D 모델을 이용하여 수문 하부에 설치된 Sill의 형상, 높이 및 위치가 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
  • 실험 데이터와 수치 모델을 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
  • Sill 형상이 사각형(Rectangular)과 반원형(Semicircular)일 때 방류 계수의 변화를 평가.
  • 방류 계수 보정식을 도출하여 설계 최적화를 지원.

연구 방법

FLOW-3D 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
  • 격자(cell) 크기 최적화 분석 후 0.025 배율로 설정.
  • 경계 조건:
    • 유입부: 실험 유량 적용.
    • 유출부: 자유 방출 조건 적용.
    • 바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.

실험 데이터 검증

  • Alhamid(1998) 및 Akoz et al.(2009)의 실험 데이터를 이용하여 FLOW-3D 결과 검증.
  • 수문 하류 유속 및 압력 분포 비교하여 평균 오차율 3% 이내 확인.

비교 분석 대상

  1. Sill이 없는 수문 (기준 모델)
  2. 사각형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
  3. 반원형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)

주요 결과

Sill의 높이 변화가 방류 계수에 미치는 영향

  • Sill을 추가하면 방류 계수가 증가하며, 특정 높이에서 최대치 도달 후 감소.
  • 최적의 방류 계수 증가율
    • 사각형 Sill(P/w = 2) → 방류 계수 8.3% 증가
    • 반원형 Sill(P/w = 0.5) → 방류 계수 23% 증가
  • 반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 큼.

Sill의 위치가 방류 계수에 미치는 영향

  • 사각형 Sill의 시작점에서 수문까지의 거리(5cm, 10cm, 15cm) 비교.
  • 거리 증가 시 방류 계수 감소 → 즉, Sill이 수문에 가까울수록 효과가 큼.

압력 분포 변화

  • Sill이 있으면 수문 하부에서 음압(Negative Pressure) 발생 → 방류 계수 증가 유발.
  • 반원형 Sill이 사각형 Sill보다 압력 분포 변화가 크며, 방류 계수 향상 효과가 더 뚜렷함.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 이용한 수치 해석 결과, Sill 추가 시 방류 계수가 증가함을 확인.
  • 반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 크며, 최적의 P/w 비율이 각각 0.5, 2.0으로 도출됨.
  • Sill의 위치가 방류 계수에 영향을 미치며, 수문에 가까울수록 방류 계수 증가율이 큼.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용한 난류 해석 추가 연구.
  • 다양한 유량 조건 및 실제 현장 실험과 비교 검증 수행.
  • Sill의 형상 최적화를 위한 추가 연구 진행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 수문 하부의 Sill이 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석한 연구로, 관개 수로 설계 최적화 및 수문 구조 개선에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.

Fig. 1 Boundary and initial conditions used for two-dimensional
Fig. 9 The effect of rectangular sill’s height on the pressure distribution near the sluice gate

References

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Investigation_of_Free_Flow_Under_the_SluDownload
Fig.3. Wave profile for probe distance at 46m

Numerical Modeling for Wave Attenuation by Coastal Vegetation using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 해안 식생의 파랑 감쇠에 대한 수치 모델링

1. 서론

  • 해안 식생(예: 해초)은 파랑 저감, 토양 침식 방지 및 해저 안정화 등 다양한 생태적 기능을 수행함.
  • 본 연구는 침수된 식생이 파랑 감쇠 역할을 수행하는 효율성을 수치적으로 분석함.
  • FLOW-3D®를 이용하여 파랑-식생 상호작용을 3차원 모델링하고, 기존 실험 데이터(Manca et al., 2012)와 비교하여 검증함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 사용하여 유동 해석 수행.
  • 난류 모델: RNG k-ε 모델 적용.
  • 경계 조건:
    • 유입: 유량 조건(volume flow rate).
    • 유출: 자유 배출(outflow) 조건.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.
  • 식생 특성 변수:
    • 해초 초장의 길이(L), 개체 간 간격(SP), 밀도(N), 식물 높이(hs), 식물 두께(t) 반영.
  • 파랑 특성 변수:
    • 파고(H), 수심(h), 주기(T) 적용.

3. 연구 결과

파랑 감쇠 특성 분석

  • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터(Manca et al., 2012) 비교 시 오차율 10% 이내로 확인됨.
  • 파랑 감쇠율(H/H₀)은 식생 밀도가 높을수록 증가.
  • 서브머전스 비율(submergence ratio, hs/h)이 0.32일 때 식생 밀도(N=180 stems/m², 360 stems/m²) 증가에 따른 감쇠율 차이 2% 내외.
  • 파랑 감쇠는 중간 밀도의 식생에서 가장 효과적이며, 너무 높은 밀도에서는 유체 흐름이 차단되어 감쇠 효과가 감소함.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 모델을 활용한 해안 식생의 파랑 감쇠 분석이 높은 신뢰성을 가짐.
  • 파랑 감쇠율은 식생 밀도 및 식생 초장에 영향을 받으며, 적절한 밀도 조절이 중요함.
  • CFD 기법을 활용한 모델링이 지속 가능한 연안 보호 설계에 유용한 정보를 제공할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 다양한 파랑 조건에서 추가적인 실험 및 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 연구.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해안 식생의 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 연안 보호 및 지속 가능한 해양 환경 설계에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig.3. Wave profile for probe distance at 46m

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Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation

The Numerical Investigation on Vortex Flow Behavior Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 와류 유동 거동에 대한 수치적 연구

1. 서론

  • 와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 유동의 와류 현상을 이용하여 침전물을 분리하는 장치로, 기존 침전지보다 비용이 적게 들고 공간 활용도가 높음.
  • VSB 내의 유동은 강제 와류(Forced Vortex)와 자유 와류(Free Vortex)로 구성되며, 이들의 형성과 거동을 정확히 이해하는 것이 중요함.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 와류 침전지 내부의 3차원 난류 유동을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

  • 실험 장치
    • 직경 0.7m, 깊이 1.5m의 원형 와류 침전지 사용.
    • 중앙 배출구(Flush Pipe) 직경: 0.075m.
    • 입구 및 배출구 배치는 Paul et al.(1991)의 설계 권장사항을 따름.
  • FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
    • 격자(Grid) 설정: 중심부 0.5cm, 벽면 주변 1cm, 나머지 영역 2cm.
    • 경계 조건:
      • 유입: 부피 유량 조건(volume flow rate).
      • 유출: 자유 배출(outflow) 경계 조건.
      • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

유동 패턴 및 와류 형성

  • 강제 와류와 자유 와류가 동시에 존재하며, 시간이 지나면서 와류 강도가 변화함.
  • 중앙부에서 강한 와류 코어 형성 후, Overflow Jet에 의해 변형되는 현상 확인.
  • 와류 중심(Core)이 초기에는 유지되다가 시간이 지나면서 점차 소멸되는 현상 관찰.

난류 강도 및 에너지 해석

  • 침전지 중앙부에서 난류 강도가 가장 높고, 벽면에서는 상대적으로 낮음.
  • 시간이 경과할수록 에너지가 감소하며, Overflow Jet이 난류 강도를 증가시키는 역할을 함.
  • 실험 결과와 비교했을 때, 수치 모델이 높은 정확도를 보이며, 최대 5% 이내의 오차율 확인.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하며, 와류 침전지의 유동 거동을 정밀하게 분석할 수 있음.
  • 중앙부에서 형성된 강한 와류가 시간이 지남에 따라 소멸되며, Overflow Jet이 유동 패턴을 크게 변화시킴.
  • 기존 이론 모델(Rankine Combined Vortex)과 비교 시, 실제 유동에서는 난류 효과로 인해 와류 코어가 변형됨.

향후 연구 방향

  • 다양한 입구 및 배출구 배치 조건에서의 추가 실험 및 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수처리 시스템 및 하천 공학 분야에서 VSB 설계 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basin
Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basin
Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation
Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation

6. 참고 문헌

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  2. Mashauri, D.A., 1986. Modeling of vortex settling chamber for primary clarification of water. PhD thesis, Tampere University of Technology, Tampere, Finland, pp: 217.
  3. Salakhov, F.S., 1975. Rotational design and methods of hydraulic calculation of load-controlling water intake structures for Mountain Rivers. Proceedings of Ninth Congress of the ICID, Moscow, Soviet Union, pp: 151-161.
  4. Cecen, K., 1977. Hydraulic criteria of settling basins for water treatment, hydro-power and irrigation. Proc. 17th Congress of the Int. Assoc, of Hydr. Res., BadenBaden, West Germany, pp: 275-294.
  5. Cecen, K. and N. Akmandor, 1973. Circular settling basins with horizontal floor. MAG Report No 183, TETAK, Ankara, Turkey.
  6. Cecen, K. and M. Bayazit, 1975. Some laboratory studies of sediment controlling structures calculation of load-controlling water intake structures for Mountain Rivers. Proceedings of the Ninth Congress of the ICID, Moscow, Soviet Union, pp: 107-110.
  7. Mashauri, D.A., 1986. Modeling of vortex settling chamber for primary clarification of water, PhD thesis, Tampere University of Technology, Tampere, Finland, pp: 217.
  8. Anwar, H.O., 1969. Turbulent flow in a vortex. J. Hydr. Res., 7(1): 1-29.
  9. http://www.flow3d.com/resources/flow3d-technical-papers-1.html.
  10. Chapokpour, J. and J. Farhoudi, 2011. Sediment extraction and flow structure of vortex settling basin. WASJ., 14(5): 782-793.
  11. Isfahani, A.H.G. and J.M. Brethour, 2009. On the Implementation of Two-equation Turbulence Models in FLOW-3D, Flow Science, FSI-09-TN86.
Fig. 8. Three-dimensional modeling of a serrated stepped spillway

Numerical Study of Energy Dissipation in Baffled Stepped Spillway Using Flow-3D

FLOW-3D를 이용한 배플형 계단식 여수로의 에너지 소산에 대한 수치 연구

1. 서론

  • 댐 건설은 효율적인 저수지 조성, 저장 및 최적 활용을 목표로 하며, 이에 따라 수리학적 설계가 중요함.
  • 여수로(spillway)는 댐의 보조 구조물로서 초과 유량을 안전하게 하류로 방출하는 역할을 수행하며, 이 과정에서 잠재적 에너지를 운동 에너지로 변환하여 하류부 침식을 초래할 수 있음.
  • 계단식 여수로(stepped spillway)는 유입 공기를 증가시키고 흐름 속도를 줄여 운동 에너지 소산을 향상시키는 효과가 있음.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 이용한 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가하는 것을 목표로 함.

2. 실험 모델

  • 실험 장치 개요:
    • 계단식 여수로 모델과 모래 바닥을 포함한 수조로 구성.
    • 다양한 유량과 경사 조건에서 실험 수행.
    • 배플 블록(Block A~E)은 거친 표면을 가지며, 인접한 블록과 90° 회전된 형태로 배치됨.
  • 기존 연구(Kamyab Moghaddam et al.)에서 사용된 실험 방법론을 적용하여 모델 검증 수행.

3. 수치 모델링

  • FLOW-3D 모델 설정:
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
    • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 복잡한 형상을 해석 가능하게 함.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부(X min): 부피 유량 조건(Volume flow rate) 적용.
    • 유출부(X max): 자유 배출(Outflow) 경계 조건 설정.
    • 벽면(Y min, Y max): 대칭 경계 조건(Symmetry) 적용.
    • 상단(Z max) 및 바닥(Z min): 각각 자유 수면 및 고체 경계 설정.

4. 모델링 결과

  • FLOW-3D 시뮬레이션과 실험 비교 결과:
    • 평균 제곱근 오차(RMSE) = 0.02, 즉 실험 결과와 매우 높은 일치도 확인.
    • 배플 블록이 유동 난류를 증가시켜 전체 에너지의 77%를 소산하는 것으로 나타남.
  • 상대적 에너지 소산율(∆E/E₀) 분석:
    • 유량이 증가할수록 에너지 소산율은 감소하지만, 배플 블록이 없는 경우보다 높은 소산 효과 유지.
    • 실험 및 수치 해석 결과의 에너지 소산율 차이는 최대 2% 이내로 매우 낮음.

5. 결론 및 제안

결론

  • 배플형 계단식 여수로는 기존 계단식 여수로보다 높은 에너지 소산 효과를 가짐.
  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 데이터와 높은 신뢰도로 일치하며, 수리학적 거동 분석에 효과적임.
  • 배플 블록의 배열과 형상이 유동 난류 및 에너지 소산에 중요한 영향을 미침.

향후 연구 방향

  • 장기적인 캐비테이션(cavitation) 및 구조적 안전성 분석 필요.
  • 실제 현장 데이터를 기반으로 추가적인 최적 설계 연구 진행.
  • 다양한 배플 블록 형상 및 배치 조건에서의 추가 실험 수행.

6. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 실험적으로 검증하였다. 향후 여수로 설계 최적화 및 홍수 방지 인프라 구축에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

7. 참고 문헌

  1. H. W. Shen and B. C. Yen, “Advances in open-channel hydraulics after V.T. Chow’s book,” Journal of Hydrology, vol. 68, no. 1, pp. 333–348, Feb. 1984.
  2. M. Jovanović, “The Hydraulics of Open Channel Flow – An Introduction, Hubert Chanson; Wiley, New York, 1999, 495 pages (index included), pbk, ISBN 0-470-36103-4 (£35.00), http://www.arnoldpublishers.com,” Urban Water, vol. 1, no. 3, p. 270, Sep. 1999.
  3. C. T. Haan, B. J. Barfield, and J. C. Hayes, “4 – Open Channel Hydraulics,” in Design Hydrology and Sedimentology for Small Catchments, San Diego: Academic Press, 1994, pp. 104–143.
  4. R. D. Reitz and Y. Sun, “18 – Advanced computational fluid dynamics modeling of direct injection engines,” in Advanced Direct Injection Combustion Engine Technologies and Development, vol. 2, Woodhead Publishing, 2010, pp. 676–707.
  5. P. Wesseling and C. W. Oosterlee, “Geometric multigrid with applications to computational fluid dynamics,” Journal of Computational and Applied Mathematics, vol. 128, no. 1, pp. 311–334, Mar. 2001.
  6. M. Pfister and W. H. Hager, “Self-entrainment of air on stepped spillways,” International Journal of Multiphase Flow, vol. 37, no. 2, pp. 99–107, Mar. 2011.
  7. J. Wu and C. Luo, “Effects of entrained air manner on cavitation damage,” Journal of Hydrodynamics, Ser. B, vol. 23, no. 3, pp. 333–338, Jun. 2011.
  8. J. Chatila and M. Tabbara, “Computational modeling of flow over an ogee spillway,” Computers & Structures, vol. 82, no. 22, pp. 1805–1812, Sep. 2004.
  9. H. Chanson, “20 – Design of drop structures and stepped cascades,” in Hydraulics of Open Channel Flow (Second Edition), Oxford: Butterworth-Heinemann, 2004, pp. 431–439.
  10. A. Bagis and D. Karaboga, “Evolutionary algorithm-based fuzzy PD control of spillway gates of dams,” Journal of the Franklin Institute, vol. 344, no. 8, pp. 1039–1055, Nov. 2007.
  11. M. Tabbara, J. Chatila, and R. Awwad, “Computational simulation of flow over stepped spillways,” Computers & Structures, vol. 83, no. 27, pp. 2215–2224, Oct. 2005.
  12. H. Chanson and L. Toombes, “Air–water flows down stepped chutes: turbulence and flow structure observations,” International Journal of Multiphase Flow, vol. 28, no. 11, pp. 1737–1761, Nov. 2002.
  13. E. A. Elnikhely, “Investigation and analysis of scour downstream of a spillway,” Ain Shams Engineering Journal, vol. 9, no. 4, pp. 2275–2282, Dec. 2018.
  14. M. Zhenwei, Z. Zhiyan, and Z. Tao, “Numerical Simulation of 3-D Flow Field of Spillway based on VOF Method,” Procedia Engineering, vol. 28, pp. 808–812, Jan. 2012.
  15. A. Kamyab Moghaddam, A. Hamedi, and S. Amirahmadian, “Experimental Study of Energy Loss in a Stepped Spillway Equipped with Inclined Steps in the Nappe and Skimming Flow Regimes,” International Journal of Science and Engineering Applications, vol. 11, no. 12, pp. 346–350, 2022.
  16. O. Herrera-Granados, “Chapter 19 – Theoretical background and application of numerical modeling to surface water resources,” in Current Directions in Water Scarcity Research, vol. 7, M. Zakwan, A. Wahid, M. Niazkar, and U. Chatterjee, Eds., in Water Resource Modeling and Computational Technologies, vol. 7, Elsevier, 2022, pp. 319–340.
  17. W. de Q. Lamas, F. F. Bargos, G. E. O. Giacaglia, F. J. Grandinetti, and L. de Moura, “Numerical modelling and simulation of multi-phase flow through an industrial discharge chute,” Applied Thermal Engineering, vol. 125, pp. 937–950, Oct. 2017.
  18. R. Gentle, P. Edwards, and B. Bolton, “3 – Fluid mechanics,” in Mechanical Engineering Systems, R. Gentle, P. Edwards, and B. Bolton, Eds., in IIE Core Textbooks Series, Oxford: Butterworth-Heinemann, 2001, pp. 112–168.
  19. W. C. Chin, “10 – Advanced Modeling Methods,” in Computational Rheology for Pipeline and Annular Flow, W. C. Chin, Ed., Woburn: Gulf Professional Publishing, 2001, pp. 241–253.
  20. G. H. Yeoh and J. Tu, “Chapter 3 – Solution Methods for Multi-Phase Flows,” in Computational Techniques for Multiphase Flows, G. H. Yeoh and J. Tu, Eds., Oxford: Butterworth-Heinemann, 2010, pp. 95–242.
Experiments and analysis of dynamic characteristics of liquid sloshing in horizontal Cassini tank

수평 Cassini 탱크에서 액체 슬로싱의 동적 특성에 대한 실험 및 분석

Experiments and analysis of dynamic characteristics of liquid sloshing in horizontal Cassini tank

Houlin Luo1, Wenjun Wu2, Bingchao Jiang3, Shouyi Guo3, Libing Huang3 and Baozeng Yue4

Accepted Manuscript online 23 May 2023 • © 2023 IOP Publishing Ltd

What is an Accepted Manuscript?DOI 10.1088/1402-4896/acd81a

Abstract

In this study, the sloshing behaviors and dynamic characteristics of liquid sloshing in a horizontal Cassini tank were studied. The forces and torques generated by the liquid sloshing in non-equilibrium states were experimentally measured with force transducers which have been mounted on the experiment platform. In small-amplitude rotational and translational nonlinear sloshing cases, the CFD simulations were in good agreement with the experimental data. However, as the dynamic ratio of longitudinal and transversal sloshing force became large, errors occurred and became obvious in CFD simulations. Further experiments on the sloshing forces and torques in the rotating sloshing state were performed.The effects of the magnitude and frequency of the external excitations and the tank-filling ratio son the sloshing characteristics were also studied. The experiments results show that the liquid sloshing in the Cassini tank is highly correlated with the excitation frequency where small variation in the frequency leads to complex changes in the liquid sloshing characteristics. In the cases with low liquid-filling ratio, in resonance state, the rotational sloshing is easier to be excited, however, in the stable-state the amplitudes of longitudinal sloshing force and torque are more significant than those of other sloshing conditions. The transversal sloshing force and torque are very small in both, rotational and translational nonlinear sloshing of small amplitude.

본 연구에서는 수평 카시니 수조에서 액체 슬로싱의 슬로싱 거동과 동적 특성을 연구하였다. 비평형 상태에서 액체 슬로싱에 의해 생성된 힘과 토크는 실험 플랫폼에 장착된 힘 변환기로 실험적으로 측정 되었습니다.

진폭이 작은 회전 및 병진 비선형 슬로싱 사례에서 CFD 시뮬레이션은 실험 데이터와 잘 일치했습니다. 그러나 종방향 슬로싱력과 횡방향 슬로싱력의 동적 비율이 커짐에 따라 오류가 발생하고 CFD 시뮬레이션에서 명백해졌습니다.

회전 슬로싱 상태에서 슬로싱 힘과 토크에 대한 추가 실험이 수행되었습니다. 외부 가진의 크기와 빈도 및 슬로싱 특성에 따른 탱크 충전 비율의 영향도 연구되었습니다.

실험 결과는 카시니 탱크의 액체 슬로싱이 여기 주파수와 높은 상관 관계가 있음을 보여줍니다. 여기 주파수의 작은 변화가 액체 슬로싱 특성의 복잡한 변화로 이어집니다. 액체 충전율이 낮은 경우에는 공진 상태에서 회전 슬로싱이 들기 쉽지만 안정 상태에서는 종방향 슬로싱 힘과 토크의 진폭이 다른 슬로싱 조건보다 더 중요합니다.

횡방향 슬로싱 힘과 토크는 작은 진폭의 회전 및 병진 비선형 슬로싱 모두에서 매우 작습니다.

원문 보기
하천운반수로 역류상태의 유속특성에 대한 3차원 시뮬레이션 연구

하천 운반수로 역류상태의 유속특성에 대한 3차원 시뮬레이션 연구

Wang Jingru Guan Guanghua Jin Weirong Xiong Ji

Abstract

센서 기술의 발달은 수로 유량 측정 분야에 새로운 기회를 가져왔으며 현재 대부분의 유량 측정 장비는 주로 측정 지점의 유량을 사용하여 채널 단면의 유량을 추정합니다. 

그러나 수로 내 역류의 영향으로 하류 수심의 변화에 ​​따라 같은 구간에서의 유속 분포가 변한다.

다양한 하류 수심 경계 조건에서 개방 수로의 단면 속도 분포 특성을 탐색하기 위해 FLOW-3D를 3차원 모델링 및 시뮬레이션에 사용했으며 일반적인 사다리꼴 수로의 100m 수로 단면을 평지 관개지역을 선정하고 하류 역류의 다양한 조건에 따라 일정한 유량을 3차원 수치해석을 수행하였습니다. 

다양한 하류 수심 조건에서 구간의 유속 분포를 연구하여 고정 수면 속도 계수를 사용하여 발생할 수 있는 유속 오차를 분석하고 계산된 수면 유속 계수의 유속 오차는 물을 충족할 수 있습니다. 측정 정확도 요구 사항(오차는 ±10% 미만). 

또한 시뮬레이션 데이터를 피팅하여 표면 속도 계수 대 수심의 곡선을 구하고 이 곡선을 사용하여 표면 속도 계수를 보정한 결과 유량 측정 오류를 1.4% 이내로 줄일 수 있음을 보여줍니다. 마지막으로 레이더 기술을 이용하여 수면 유속을 측정할 때 유량 측정 오차가 10% 이하인 조건에서 선택해야 하는 최소 측정점 수를 분석한다.

Mixing

Mixing

지난 수십 년 동안 주로 컴퓨터 측정 및 시뮬레이션 기술의 발전으로 인해 혼합을 이해하는 데 많은 진전이있었습니다. 흐름 모델링 기술의 지속적인 발전 덕분에 혼합 장비의 흐름 에 의존적인 프로세스에 대한 자세한 통찰력을 CFD 소프트웨어를 사용하여 쉽게 시뮬레이션하고 이해할 수 있습니다.

오늘날, 블렌딩에서 solid suspension, 자켓형 반응기의 열 전달에서 발효에 이르기까지 다양한 응용 분야가 FLOW-3D의 혼합 기술을 사용하여 모델링됩니다. FLOW-3D 시뮬레이션은 임펠러의 모든 구성에서 혼합 시간, 순환 및 전력 수와 모든 용기 형상에 대한 혼합 조건과 같은 주요 혼합 매개 변수를 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이러한 시뮬레이션은 실험 방법을 사용하여 보완합니다. CFD 소프트웨어를 사용하여 이러한 장비의 흐름에 따른 프로세스를 예측하고 이해하면 제품 품질을 향상시키고 많은 제품의 출시 시간과 비용을 줄일 수 있습니다.

Degas Bottles

Degas Bottles

Degas bottles은 차량 엔진 냉각수 시스템의 중요한 구성 요소로, 통관 중에 냉각수의 공기를 배출하는 데 사용됩니다. 이 병들은 여러 개의 챔버로 구성되어 있으며, 언더후드 컴팩트성과 차량 디자인을 바탕으로 한 복잡한 형상을 가지고 있습니다. 차량 가속 중 냉각수의 공기 흡입, 정착 및 슬로싱 동작을 연구하는 것이 중요합니다.

FLOW-3D는 구동 중인 자동차 냉각수 시스템 내에서 냉각제를 슬로싱하는 다중 효소 동작을 분석하는데 사용됩니다. 각 챔버 내의 냉각수를 시간 경과에 따라 추적할 수 있으며 캡 또는 환기구와의 간섭을 분석할 수 있습니다. 아래 시뮬레이션은 활성 충전 및 슬로싱 시뮬레이션 중에 과도 속도 크기 윤곽선과 공기 혼입을 보여줍니다.

수치 문제

본 자료는 국내 사용자들의 편의를 위해 원문 번역을 해서 제공하기 때문에 일부 오역이 있을 수 있어서 원문과 함께 수록합니다. 자료를 이용하실 때 참고하시기 바랍니다.

Numerical Issues

Computational modeling involves not only the consideration of a host of physical issues, but also there are many aspects associated with numerical approximations that likewise have to be addressed.  The articles in this section of CFD-101 focus on some of the more important numerical issues.

수치 문제

수치 모델링에는 많은 물리적 문제의 검토뿐만 아니라 수치 근사치에 관련된 많은 측면도 고려하여야 합니다.  전산 유체 역학 모델의 기초에 있는 절에서는 중요한 수치 문제의 일부에 초점을 맞추고 있습니다.

First and foremost issue is the question of numerical stability; a simulation that is not computationally stable is useless.  There are four separate articles on stability considerations beginning with a discussion of the classical Fourier analysis method originated by von Neuman.  This is followed by a discussion of an approximate method referred to as a Heuristic Stability analysis that often provides useful insight into what causes instability and how it might be repaired.  A third article explains, using a simple mechanical model, one common type of numerical instability involving an action-reaction process. Finally, there is the article Unconditional Numerical Stability that describes a simple way to determine if a numerical approximation of an evolution equation is likely to be unconditionally stable or not.

첫 번째 문제는 수치 안정성에 대한 질문이고, 계산상 안정되지 않은 시뮬레이션은 도움이 되지 않습니다.  안정성 검토는 4개의 독립적인 섹션에서 첫 번째 항은 von Neuman을 기원하는 고전 푸리에 분석 방법 에 대한 논의입니다.  그 다음은 불안정의 원인이 무엇인지, 또한 그 대처 방법에 대한 유용한 통찰력을 종종 제공되는 휴리스틱 안정성 해석이라는 근사 방법에 관한 논의입니다.  세 번째 섹션에서는 간단한 기계적 모델을 사용하여 작용과 반응의 과정을 포함한 수치 불안정성 의 일반적인 유형 중 하나에 대해 설명합니다.  Finally, there is the article Unconditional Numerical Stability that describes a simple way to determine if a numerical approximation of an evolution equation is likely to be unconditionally stable or not.

Flow Focusing

Flow Focusing

유동 흐름에 액적을 생성시키기 위해서, 연속된 상은 두 개의 외부 채널을 통해 주입되고, 강한 분산성 유동을 생성하기 위해 좁은 구멍에 중심 통로를 통해 주입됩니다.

아래 시뮬레이션은 미세 유동 장치에 통합 된 flow focusing geometry를 나타냅니다. 한 액체는 두 번째 immiscible liquid를 포함하는 중앙 채널을 둘러싸는 두 개의 inlet channel로  유입됩니다. 두 액체는 작은 orifice downstream으로 흐르도록 만들어 집니다. 좁은 간격의 thread로 들어가는 안쪽 유체와 바깥쪽 유체의 힘으로부터의 압력과 viscous stress는 구멍의 하류 흐름을 깨뜨립니다.

Pressure-driven Inkjets

Pressure-driven Inkjets

디지털 잉크젯 인쇄를 생성하는 인기있는 방법은 잉크젯 노즐 장치의 베이스에 프로그램 된 압력을 사용하는 것입니다. 구동 압력 때문에, 잉크 및 기타 변수의 노즐 표면 장력 및 점도의 형상 처럼 거의 무제한의 조합으로, 이들 파라미터들의 다양한 조합 하에서 액적 토출을 시뮬레이션 할 수 있어 매우 유용합니다. FLOW-3D는 잉크젯의 형성을 지배하는 거의 모든 실제 프로세스를 모델링할 수 있기 때문에 목적에 맞게 사용될 수 있다. 아래는 상류 압력 기록이 지정되어 간단한 가압 구동 노즐에서 방울 형성 나타남을 보여줍니다.

This animation shows the formation of ink drops from a pressure-driven inkjet nozzle. Courtesy of Xerox.

FLOW-3D HPC Supported Platforms

FLOW-3D  CLOUD 는 사용 가능한 소프트웨어 및 하드웨어 리소스를 수천 개의 컴퓨팅 코어로 확장할 수 있는 클라우드 컴퓨팅 서비스입니다.  FLOW-3D  CLOUD는  Penguin 주문형 컴퓨팅(POD)에 편리하게 설치되며 POD에서 자체 라이선스를 호스팅하거나 설계 및 분석 주기의 피크 시간에 사용량에 따라 비용을 지불할 수 있습니다. 대규모 시뮬레이션, 파라메트릭 연구 또는 실험 계획(DOE)을 실행하도록 설계된  FLOW-3D  CLOUD를 사용하면 클러스터 획득 및 유지 관리에 대한 걱정 없이 시뮬레이션 기능을 확장할 수 있습니다. 또한 Flow Science는 기존 고객에게 할인된 가격으로 시뮬레이션 피크 시간에 대한 HPC 서비스를 제공합니다.

FLOW-3D CLOUD를 사용하면 최첨단 컴퓨팅 노드에서 수백 개의 코어에 액세스할 수 있으며 모든 웹 브라우저를 통해 충실도가 높은 CFD 시뮬레이션에 액세스할 수 있는 유연성을 얻을 수 있습니다. 이 플랫폼을 사용함으로써 우리는 문제와 관련된 복잡한 물리학을 지속적으로 더 잘 해결할 수 있었고 프로젝트에서 상당한 시간을 절약할 수 있었습니다. 클라우드 컴퓨팅은 현대 CFD 방식의 판도를 바꾸는 기술이며 Golder는 이 기술을 채택한 선구자 중 하나임을 자랑스럽게 생각합니다.

W. 데일리 클로한

W. 데일리 클로한Golder Associates Ltd.의 글로벌 CFD 리드

FLOW-3D/MP Software Overview

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