DED model

On the Role of the Powder Stream on the Heat and Fluid Flow Conditions During Directed Energy Deposition of Maraging Steel – Multiphysics Modelling and Experimental Validation

마레이징강의 직접 에너지 증착(DED) 공정에서 분말 흐름이 열 및 유체 흐름 조건에 미치는 영향 – 다중물리 모델링 및 실험 검증

연구 배경 및 목적

문제 정의: 직접 에너지 증착(DED) 공정은 기능성 소재 제작, 표면 개질 및 손상 부품 복구에 널리 사용된다. 그러나 공정 중 분말 입자의 운동과 용융 풀(melt pool)의 상호작용은 아직 명확히 이해되지 않았다.
연구 목적:

  • FLOW-3D 기반 다중물리 모델 개발을 통해 분말 입자의 유입 속도가 용융 풀의 열전달 및 유체 흐름에 미치는 영향을 분석.
  • 실험적 검증을 통해 모델의 정확성을 평가하고, 분말 속도 변화에 따른 용융 풀 형상 및 트랙 품질 분석.
  • 분말 유속 조절을 통한 최적의 증착 형상 및 공정 조건 도출.

연구 방법

DED 공정 개요

  • DED는 레이저와 분말이 동시에 조사되어 금속을 적층하는 공정.
  • 분말은 캐리어 가스(Ar)와 함께 노즐에서 분사되며, 레이저에 의해 용융되어 기판에 적층됨.
  • 주요 변수: 레이저 출력(3kW), 주사 속도(0.8m/min), 분말 공급 속도(28.5g/min), 노즐 거리(18.5mm).

FLOW-3D 기반 수치 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • 유체역학 모델: 표면 장력, 마랑고니 효과, 반동 압력(Recoil Pressure) 고려.
  • 열전달 모델: 용융 및 응고 해석, 증발 및 증발 냉각 포함.
  • 레이저-분말 상호작용: 다중 반사(ray-tracing) 모델 적용하여 레이저 에너지가 분말 및 용융 풀에 미치는 영향 분석.
  • 실험 검증:
    • In-situ 열화상 카메라를 활용하여 용융 풀의 온도 분포 및 동적 변화를 모니터링.
    • Ex-situ 광학 현미경 분석을 통해 최종 증착 형상과 모델 예측값 비교.

주요 결과

분말 속도가 증착 형상 및 용융 풀 거동에 미치는 영향

  • 분말 유속 증가 → 트랙 높이 증가, 폭 감소 (높이/폭 비율 증가).
  • 유속이 낮을수록 분말이 레이저와 더 오래 접촉하여 용융 풀 온도가 높아지고, 결과적으로 더 넓은 트랙 형성.
  • 유속이 높을수록 용융 풀의 온도가 낮아지고, 표면 장력이 증가하여 더 좁고 높은 트랙 형성.

유체 흐름 및 온도 분포 분석

  • 용융 풀 내 마랑고니 유동 발생 → 중심부에서 가장 높은 온도 분포 형성.
  • 반동 압력 증가 시 용융 풀의 깊이가 깊어지며, 특정 조건에서는 키홀(keyhole) 형성이 가능함.
  • 분말 속도 3배 증가 시:
    • 높이/폭 비율 104% 증가.
    • 트랙의 젖음성(Wettability) 24% 감소 → 표면 장력 영향으로 용융 풀이 좁아짐.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 다중물리 모델이 DED 공정의 열 및 유체 흐름을 정확히 예측할 수 있음을 확인.
  • 분말 속도가 증가하면 트랙 형상 변화 및 표면 젖음성이 감소하며, 이는 공정 최적화에 중요한 요소임.
  • 실험 검증 결과와 시뮬레이션 예측값이 높은 상관관계를 보이며, 분말 속도 조절을 통해 최적의 증착 형상 도출 가능.

향후 연구 방향

  • 다양한 재료(알루미늄, 티타늄 등) 및 분말 크기 변화에 따른 영향 분석.
  • 레이저-분말 상호작용 모델 개선을 통한 용융 풀 형상 최적화.
  • 다층 적층 공정에서 열 누적(Thermal Accumulation) 및 응력 분석.

연구의 의의

이 연구는 DED 공정에서 분말 흐름이 용융 풀의 열전달 및 유체 흐름에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 실험적으로 검증한 최초의 연구 중 하나이다. 공정 최적화를 위한 중요한 설계 지침을 제공하며, 금속 적층 제조(AM) 분야에서 활용될 수 있는 정량적 모델을 제시하였다​.

spure

Novel Sprue Designs in Metal Casting via 3D Sand-Printing

3D 샌드 프린팅을 이용한 금속 주조용 신규 스프루 설계

연구 목적

  • 본 연구는 **3D 샌드 프린팅(3DSP)**을 활용하여 주조 스프루(sprue) 설계를 최적화하고, 금속 용탕 흐름을 개선하는 방법을 분석함.
  • 전통적 주조 유체역학 원리를 기반으로 컴퓨터 유체 역학(CFD) 모델을 개발하여, 스프루 설계에 따른 용탕 흐름 특성과 주조 결함 감소 효과를 평가함.
  • 세 가지 스프루 설계(직선 스프루, 포물선 스프루, 원뿔형 나선 스프루)를 비교 분석하여 최적 형상을 도출함.
  • 실험 및 FLOW-3D® 시뮬레이션을 통해 스프루 최적화가 기계적·야금학적 성능 향상에 미치는 영향을 검증함.

연구 방법

  1. 스프루 설계 및 최적화
    • 직선 스프루(Straight Sprue Casting, SSC), 포물선 스프루(Parabolic Sprue Casting, PSC), 원뿔형 나선 스프루(Conical-Helix Sprue Casting, CHSC) 세 가지 설계를 비교함.
    • 최적화 알고리즘을 적용하여 유체 흐름 및 산화물 형성 최소화 조건을 도출함.
    • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 각 설계의 유동 속도, 난류 강도 및 충진 특성을 평가함.
  2. 실험 및 시뮬레이션 검증
    • CT(Computed Tomography) 스캔 및 SEM(주사전자현미경) 분석을 수행하여 주조 결함 및 산화물 포획 정도를 평가함.
    • ASTM E290 기준 3점 굽힘(flexural strength) 시험을 수행하여 기계적 강도를 비교함.
    • 스프루 설계 변경이 주조 결함(기포, 산화물 포함물) 및 최종 기계적 특성에 미치는 영향을 분석함.

주요 결과

  1. 유동 속도 및 충진 거동 분석
    • CHSC 및 PSC 설계가 SSC 대비 주형 충진 속도를 감소시켜 용탕 난류를 줄이는 효과가 있음.
    • CHSC 설계에서는 유동 속도가 0.5 m/s 이하로 감소하며, 이는 산화물 형성을 최소화하는 임계 속도 조건을 충족함.
    • CFD 시뮬레이션 결과, CHSC 스프루는 균일한 유동 분포를 형성하여 주조 품질을 향상시킴.
  2. 주조 결함 감소 효과
    • CT 스캔 결과, CHSC 적용 시 전체 주조 결함이 99.5% 감소, PSC 적용 시 56% 감소함.
    • SSC에서는 기포 및 산화물 포함물이 집중적으로 발생하였으나, CHSC 및 PSC에서는 이러한 결함이 현저히 감소함.
    • SEM 분석 결과, SSC 대비 PSC 및 CHSC의 산화물 포함물 영역이 각각 21%, 35% 감소함.
  3. 기계적 강도 향상
    • 3점 굽힘 시험 결과, CHSC는 SSC 대비 평균 굽힘 강도가 8.4% 증가, PSC는 4.1% 증가함.
    • CHSC 주조품에서 더 균일한 미세조직 및 결함 감소 효과가 확인됨.
    • ANOVA 통계 분석 결과, SSC와 CHSC 간 기계적 강도 차이가 통계적으로 유의미함(p = 0.045).

결론

  • 3D 샌드 프린팅을 활용한 신규 스프루 설계가 주조 품질을 향상시키는 데 효과적임.
  • 원뿔형 나선 스프루(CHSC) 설계는 용탕 난류 감소 및 산화물 포함물 저감에 가장 효과적이며, 기계적 강도를 8.4% 향상시킴.
  • CFD 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교한 결과, 최적화된 스프루 설계가 실제 주조 성능 개선에 기여함을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 합금 및 주조 공정에 대한 적용성을 추가적으로 검토해야 함.

Reference

  1. Markets and markets, January. Metal Casting Market.: Global Forecast Until 2025,Accessible on: (2018) https://www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/metal-casting-market-23885716.html.
  2. Pennsylvania Foundry Association, March. OSHA’S Proposed Silica Rule ThreatensFoundry Industry. Plymouth Meeting, PA, Accessible on: (2016) http://www.pfaweb.org/news/2016/3/11/oshas-proposed-silica-rule-threatens-foundryindustry-1.
  3. J. Dańko, R. Dańko, M. Holtzer, Reclamation of used sands in foundry production,Metalurgija 42 (3) (2003) 173–177.
  4. E.S. Almaghariz, B.P. Conner, L. Lenner, R. Gullapalli, G.P. Manogharan,B. Lamoncha, M. Fang, Quantifying the role of part design complexity in using 3Dsand printing for molds and cores, Int. J. Metalcast. 10 (3) (2016) 240–252.
  5. J. Wang, S.R. Sama, G. Manogharan, Re-thinking design methodology for castings:3D sand-printing and topology optimization, Int. J. Metalcast. (2018) 1–16.
  6. Chee Kai Chua, Kah Fai Leong, Zhong Hong Liu, Rapid tooling in manufacturing,Handbook of Manufacturing Engineering and Technology (2013) 1–22.
  7. P. Jain, A.M. Kuthe, Feasibility study of manufacturing using rapid prototyping:FDM approach, Procedia Eng. 63 (2013) 4–11.
  8. J. Campbell, Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy,Techniques and Design, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 2015.
  9. R. Gopalan, N.K. Prabhu, Oxide bifilms in aluminium alloy castings–a review,Mater. Sci. Technol. 27 (12) (2011) 1757–1769.
  10. J. Campbell, The consolidation of metals: the origin of bifilms, J. Mater. Sci. 51 (1)(2016) 96–106.
  11. R. Raiszadeh, W.D. Griffiths, A method to study the history of a double oxide filmdefect in liquid aluminum alloys, Metal. Mater. Trans. B 37 (6) (2006) 865–871.
  12. X. Cao, J. Campbell, The nucleation of Fe-rich phases on oxide films in Al-11.5 Si0.4 Mg cast alloys, Metal. Mater. Trans. A 34 (7) (2003) 1409–1420.
  13. A. Modaresi, A. Safikhani, A.M.S. Noohi, N. Hamidnezhad, S.M. Maki, Gatingsystem design and simulation of gray iron casting to eliminate oxide layers causedby turbulence, Int. J. Metalcast. 11 (2) (2017) 328–339.
  14. F.N. Bakhtiarani, R. Raiszadeh, Healing of double-oxide film defects in commercialpurity aluminum melt, Metal. Mater. Trans. B 42 (2) (2011) 331–340.
  15. F.H. Basuny, M. Ghazy, A.R.Y. Kandeil, M.A. El-Sayed, Effect of casting conditionson the fracture strength of Al-5 Mg alloy castings, Adv. Mater. Sci. Eng. 2016(2016).
  16. J. Campbell, Castings, 2nd edition, Butterworth-Heinemann, 2003.
  17. X. Dai, X. Yang, J. Campbell, J. Wood, Influence of oxide film defects generated infilling on mechanical strength of aluminium alloy castings, Mater. Sci. Technol. 20(4) (2004) 505–513.
  18. M. Divandari, J. Campbell, Mechanisms of Bubble Damage in Castings. Universityof Birmingham. PhD Dissertation, The School of Metallurgy and Materials, 2001.
  19. J. Mi, R.A. Harding, J. Campbell, Effects of the entrained surface film on the reliability of castings, Metal. Mater. Trans. A 35 (9) (2004) 2893–2902.
  20. B. Sirrell, J. Campbell, Mechanism of filtration in reduction of casting defects due tosurface turbulence during mold filling (97-11), Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 105(1997) 645–654.
  21. X.Y. Zhao, Z.L. Ning, F.Y. Cao, S.G. Liu, Y.J. Huang, J.S. Liu, J.F. Sun, Effect ofdouble oxide film defects on mechanical properties of As-cast C95800 alloy, ActaMetallurgica Sinica (Eng. Lett.) 30 (6) (2017) 541–549.
  22. C. Nyahumwa, N.R. Green, J. Campbell, Effect of mold-filling turbulence on fatigueproperties of cast aluminum alloys (98-58), Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 106(1998) 215–224.
  23. N.R. Green, J. Campbell, Influence of oxide film filling defects on the strength of Al7Si-Mg alloy castings (94-114), Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 102 (1994) 341–348.
  24. S.H. Majidi, J. Griffin, C. Beckermann, Simulation of air entrainment during moldfilling: comparison with water modeling experiments, Metal. Mater. Trans. B 49 (5)(2018) 2599–2610.
  25. X. Cao, J. Campbell, Oxide inclusion defects in Al-Si-Mg cast alloys, Can. Metall. Q.44 (4) (2005) 435–448.
  26. K. Bangyikhan, Effects of Oxide Film, Fe-Rich Phase, Porosity and Their Interactionson Tensile Properties of Cast Al-Si-Mg Alloys. PhD Thesis, University ofBirmingham. School of Metallurgy and Materials, 2005.
  27. R. Raiszadeh, W.D. Griffiths, A semi-empirical mathematical model to estimate theduration of the atmosphere within a double oxide film defect in pure aluminumalloy, Metal. Mater. Trans. B 39 (2) (2008) 298–303.
  28. G.E. Bozchaloei, N. Varahram, P. Davami, S.K. Kim, Effect of oxide bifilms on themechanical properties of cast Al–7Si–0.3 Mg alloy and the roll of runner height afterfilter on their formation, Mater. Sci. Eng.: A 548 (2012) 99–105.
  29. J. Campbell, Invisible macrodefects in castings, Le J. de Physique IV 3 (C7) (1993)C7–861.
  30. S.M.A. Boutorabi, J. Campbell, J.J. Runyoro, Critical gate velocity for film-formingcasting alloys; a basis for process specifications, Trans. Am. Foundrymen’s Soc. 100(1992) 225–234.
  31. J. Brown, Foseco non-Ferrous Foundryman’s Handbook, 1st edition, ButterworthHeinemann, 1999.
  32. T.R. Rao, Metal Casting: principles and Practice. New Age International, 1st edition,(1996).
  33. X. Yang, T. Din, J. Campbell, Liquid metal flow in moulds with off-set sprue, Int. J.Cast Met. Res. 11 (1) (1998) 1–12.
  34. A.K. Biń, Gas entrainment by plunging liquid jets, Chem. Eng. Sci. 48 (21) (1993)3585–3630.
  35. C. Beckermann, Water modeling of steel flow, air entrainment and filtration,September, SFSA T&O Conference (1992).
  36. R.W. Ruddle, The running and gating of Sand casting, Inst. Met. Monogr. Rep. Ser.(1956) 19.
  37. R.E. Swift, J.H. Jackson, L.W. Eastwood, A study of principles of gating, AFS Trans.57 (1949) 76–88.
  38. K.H. Renukananda, B. Ravi, Multi-gate systems in casting process: comparativestudy of liquid metal and water flow, Mater. Manuf. Processes 31 (8) (2016)1091–1101.
  39. R. Cuesta, J.A. Maroto, D. Morinigo, I. De Castro, D. Mozo, Water analogue experiments as an accurate simulation method of the filling of aluminum castings,Trans.-Am. Foundrymens Soc. 114 (2006) 137–150.
  40. S.L. Nimbulkar, R.S. Dalu, Design optimization of gating and feeding systemthrough simulation technique for sand casting of wear plate, Perspect. Sci. 8 (2016)39–42.
  41. H. Iqbal, A.K. Sheikh, A. Al-Yousef, M. Younas, Mold design optimization for sandcasting of complex geometries using advance simulation tools, Mater. Manuf.Processes 27 (7) (2012) 775–785.
  42. Z. Sun, H. Hu, X. Chen, Numerical optimization of gating system parameters for amagnesium alloy casting with multiple performance characteristics, J. Mater.Process. Technol. 199 (1-3) (2008) 256–264.
  43. E. Rabinovich, Mécanique Des Fluides, Comptes Rendus (Doklady) de L’AcadémieDes Sciences de L’URSS Vol. 54 Édition de l’Académie des sciences de l’URSS, 1946No. 5, p. 391.
  44. M.B.N. Shaikh, S. Ahmad, A. Khan, M. Ali, August. Optimization of multi-gatesystems in casting process: experimental and simulation studies, IOP ConferenceSeries: MaTerials Science and Engineering IOP Publishing 404 (2018) No 1.012040.
  45. W. Sun, C.E. Bates, Visualizing defect formation in gray iron castings using real timeX-rays, Trans. Am. Foundry Soc. Vol. 111 (2003) 859–867.
  46. F.R. Juretzko, D.M. Stefanescu, Comparison of mold filling simulation with highspeed video recording of real-time mold filling, AFS Trans. 113 (2005) 1–11.
  47. D. Kothe, D. Juric, K. Lam, B. Lally, Numerical recipes for mold filling simulation(April), Proceedings of the Eighth International Conference on Modeling of Casting,Welding, and Advanced Solidification Processes (1998).
  48. P. Cleary, J. Ha, V. Alguine, T. Nguyen, Flow modelling in casting processes, Appl. Math. Modell. 26 (2) (2002) 171–190.
  49. J. Jezierski, R. Dojka, K. Janerka, Optimizing the gating system for steel castings,Metals 8 (4) (2018) 266.
  50. C.E. Esparza, M.P. Guerrero-Mata, R.Z. Ríos-Mercado, Optimal design of gatingsystems by gradient search methods, Comput. Mater. Sci 36 (4) (2006) 457–467.
  51. J. Kor, X. Chen, H. Hu, Multi-objective optimal gating and riser design for metalcasting, July, Control Applications, (CCA) Intelligent Control, IEEE, 2009, pp.428–433.
  52. S.R. Sama, J. Wang, G. Manogharan, Non-conventional mold design for metalcasting using 3D sand-printing, J. Manuf. Processes. (2018).
  53. F.Y. Hsu, M.R. Jolly, J. Campbell, A multiple-gate runner system for gravity casting,J. Mater. Process. Technol. 209 (17) (2009) 5736–5750.
  54. R. Ahmad, N. Talib, Experimental study of vortex flow induced by a vortex well insand casting, Revue de Métallurgie–Int. J. Metal. 108 (3) (2011) 129–139.
  55. H. Shangguan, J. Kang, C. Deng, Y. Hu, T. Huang, 3D-printed shell-truss sand moldfor aluminum castings, J. Mater. Process. Technol. 250 (2017) 247–253.
  56. M. Tiryakioglu, D.R. Askeland, C.W. Ramsay, Fluidity of 319 and A356: an experimental design approach, Trans.-Am. Foundrymens Soc. (1995) 17–26.
  57. W.S. Hwang, R.A. Stoehr, Fluid flow modeling for computer-aided design of castings, JOM 35 (10) (1983) 22–29.
  58. S.E. Haaland, Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent pipeflow, J. Fluids Eng. 105 (1) (1983) 89–90.
  59. D. Vaghasia, Gating System Design Optimization for Sand Casting. Indian Instituteof Technology Bombay. M. Tech Dissertation. Manufacturing Engineering, (2009).
  60. American Society of Mechanical Engineers. Standards Committee B46.Classification, & Designation of Surface Qualities. (2003). Surface texture: Surfaceroughness, waviness and lay. Amer Society of Mechanical.
  61. N. Wukovich, G. Metevelis, ). Gating: the Foundryman’s dilemma or fifty years ofdata and still asking how? 93Rd AFS Casting Congress, (1989).
  62. P. Muenprasertdee, Solidification Modeling of Iron Castings Using SOLIDCast. WestVirginia University. MS Thesis, Industrial and Management Systems Engineering,2007.
  63. D. Snelling, H. Blount, C. Forman, K. Ramsburg, A. Wentzel, C. Williams,A. Druschitz, The effects of 3D printed molds on metal castings, In Proceedings ofthe Solid Freeform Fabrication Symposium, (2013), pp. 827–845.
  64. American Society of Mechanical Engineers. Standards Committee E28. MechanicalTesting. (2004). Standard Test Methods for Bend Testing of Material for DuctilityE290-14. Amer Society for Mechanical.
  65. B. Sirrell, M. Holliday, J. Campbell, Benchmark testing the flow and solidificationmodeling of AI castings, Jom 48 (3) (1996) 20–23.
  66. M. Masoumi, H. Hu, J. Hedjazi, M. Boutorabi, Effect of gating design on moldfilling, Trans. Am. Foundry Soc. 113 (113) (2005) 185–196.
  67. P.C. Belding, The Control of non-Metallic Inclusions in Cast Steel. Organ StateUniversity. MS Thesis, Metallurgical Engineering, 1971.
  68. W.S. Rasband, Image J. US, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA, 1997.
  69. J.A. Griffin, C.E. Bates, Ladle Treating, Pouring, and Gating for the Production ofClean Steel Castings, Technical Steering Committee, Steel Founders’ Society ofAmerica, 1991.
  70. L. Wang, C. Beckermann, Prediction of reoxidation inclusion composition in castingof steel, Metal. Mater. Trans. B 37 (4) (2006) 571–588.
  71. X. Dai, X. Yang, J. Campbell, J. Wood, Effects of runner system design on the mechanical strength of Al–7Si–Mg alloy castings, Mater. Sci. Eng.: A 354 (1-2) (2003)315–325.
  72. R. Monroe, Porosity in castings, AFS Trans. 113 (2005) 519–546.
  73. R.B. Tuttle, M. Masoumi, H. Hu, J. Hedjazi, M. Boutorabi, Macroinclusion sourceswithin the steel casting process, American Foundry Society Proceedings, (2010).
  74. M. Harris, V. Richards, R.J. O’Malley, S.N. Lekakh, Chicago, ILEvolution of NonMetallic Inclusions in Foundry Steel Casting Processes. Proceedings of the 69thAnnual Technical and Operating Conference, Steel Founders’ Society ofAmerica2015, December, Evolution of Non-Metallic Inclusions in Foundry SteelCasting Processes. Proceedings of the 69th Annual Technical and OperatingConference, Steel Founders’ Society of America (2015).
  75. K.D. Carlson, C. Beckermann, Modeling of reoxidation inclusion formation duringfilling of steel castings, Proceedings of the 58th Annual Technical and OperatingConference, Steel Founders’ Society of America. Chicago, IL. Paper 4.6, (2004).
  76. A.S. Murthy, S.N. Lekakh, D.C. Van Aken, Role of niobium and effect of heattreatments on strength and toughness of modified 17-4 PH stainless steel,Proceedings of the 63rd Annual Technical and Operating Conference, SteelFounders’ Society of America. Chicago, IL. Paper 3.4, (2010).
  77. ASK Chemicals, Udicell And Exactflo Filters, Accessible on: Available: http://www.ask-chemicals.com/fileadmin/user_upload/Download_page/foundry_products_brochures/EN/Udicell_Exactflo_Overview_EN.pdf.
  78. P.F. Wieser, Filtration of Irons and Steels. Foundry Processes – Their Chemistry andPhysics, Springer, Boston, MA, 1988, pp. 495–512.
  79. American Society of Mechanical Engineers. Standards Committee E04.Metallography. (2015). Standard practice for microetching metals and alloys E407-07. Amer Society for Mechanical.
  80. M. Di Sabatino, Fluidity of Aluminium Foundry Alloys. Norwegian University ofScience and Technology. PhD Thesis, Materials Science and Engineering, 2005.
Air Entrainment

Investigating Surface Entertainment Events Using CFD

전산유체역학을 이용한 표면 혼입 현상 연구

연구 목적

  • 본 논문은 CFD(전산유체역학) 기법을 활용하여 유체 표면에서 발생하는 혼입(surface entertainment) 현상을 분석함.
  • 자유 표면 유동에서 난류 및 난기류가 공기-액체 경계면에 미치는 영향을 연구함.
  • 기존 실험 데이터를 기반으로 CFD 모델의 정확성을 검증하고, 수치 해석이 실험적 접근을 대체할 수 있는 가능성을 평가함.
  • 표면 혼입 현상이 산업 및 환경 공정에서 가지는 의미를 논의함.

연구 방법

  1. 표면 혼입 모델링 및 실험 설정
    • 기존 문헌에서 보고된 실험 데이터를 바탕으로 수치 모델을 구축함.
    • 다양한 유량 조건에서 표면 혼입이 발생하는 메커니즘을 분석함.
    • 표면 장력과 난류 효과가 혼입 현상에 미치는 영향을 평가함.
  2. CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적을 수행함.
    • 난류 모델로 RNG 방정식을 적용하여 난류 유동을 해석함.
    • 메쉬 독립성 연구를 통해 최적의 격자 크기를 설정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터와 CFD 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 표면 혼입 발생 시 유체 속도, 와류 강도(vorticity), 기포 형성 등을 분석함.
    • 실험 및 시뮬레이션 간 오차율을 정량적으로 평가함.
  4. 추가 분석
    • 표면 장력과 유체 점도가 혼입 현상에 미치는 영향을 연구함.
    • 혼입이 활발하게 발생하는 특정 유동 조건을 도출함.
    • 산업 공정에서 CFD 기반 예측 모델의 적용 가능성을 검토함.

주요 결과

  1. 표면 혼입 발생 조건
    • 특정 유량 조건에서 표면 혼입이 급격히 증가하는 임계값이 존재함.
    • 난류 강도가 높을수록 표면 혼입이 활발해지며, 와류 구조가 기포 형성을 촉진함.
    • 표면 장력이 낮을수록 공기 혼입이 증가하며, 유체 점성이 높은 경우 혼입이 감소함.
  2. CFD 시뮬레이션 검증
    • CFD 모델이 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며 신뢰성 높은 결과를 도출함.
    • 메쉬 해상도를 증가시킬수록 혼입 패턴 예측 정확도가 향상됨.
    • 표면 난류 효과가 과소 평가될 가능성이 있어, 추가적인 모델 조정이 필요함.
  3. 표면 장력 및 점도의 영향
    • 표면 장력이 높은 유체에서는 공기 혼입이 감소하며, 난류 효과가 억제됨.
    • 점성이 높은 유체는 혼입이 지연되며, 와류 구조가 약해짐.
    • 저점도 액체에서는 작은 난류 변동에도 공기 혼입이 쉽게 발생함.
  4. 산업적 적용 가능성
    • CFD 기반 혼입 분석은 화학공정, 수처리 및 해양 엔지니어링 분야에서 활용 가능함.
    • 실험 없이 수치 해석만으로 최적의 유동 조건을 예측하는 것이 가능함.
    • 향후 연구에서는 다중 유체 모델 및 기포 동역학을 포함한 추가 연구가 필요함.

결론

  • CFD를 이용한 표면 혼입 시뮬레이션이 높은 신뢰성을 보임.
  • 특정 유동 조건에서 공기 혼입이 급격히 증가하는 현상이 확인됨.
  • 표면 장력 및 점도가 혼입 발생에 중요한 영향을 미침.
  • 향후 연구에서는 다중 유체 모델을 추가하여 더욱 정밀한 예측이 필요함.

Reference

  1. FLOW-3D, www.flow3d.com
  2. N. R. Green and J. Campbell, Influence in Oxide Film Filling Defects on the Strength of Al7si-Mg Alloy Castings, Transactions of the American foundry society 114 (1994) 341 -347.
  3. X. Dai, X. Yang, J. Campbell and J. Wood, Influence of Oxide Film Defects Generated inFilling on Mechanical Strength of Aluminium Alloy Castings, Materials Science andTechnology 20 (2004) 505-513.
  4. J. Campbell, Castings 2nd Edition (Butterworth Heinemann, 2003).
  5. J. Runyoro, S. M. A. Boutorabi and J. Campbell, Critical Gate Velocities for Film FormingCasting Alloys: A Basis for Specification, AFS Transactions 37 (1992) 225-234.
  6. C. Reilly, N. R. Green, M. R. Jolly and J. C. Gebelin, Using the Calculated Fr Number forQuality Assessment of Casting Filling Methods, Modelling of casting, welding andadvanced solidification process XII. (2009).
  7. M. R. Barkdudarov and C. W. Hirt, Tracking Defects,www.flow3d.com/pdfs/tp/cast_tp/FloSci-Bib9-98.pdf (1998).
  8. N. W. Lai, W. D. Griffiths and J. Campbell, Modelling of the Potential for Oxide FilmEntrainment in Light Metal Alloy Castings, Modelling of casting, welding and advancedsolidification process X. (2003) 415-422.
  9. C. E. Esparza, M. P. Guerrero-Mata and R. Z. Ríos-Mercado, Optimal Design of GatingSystems by Gradient Search Methods, Computational Materials Science 36 (2006) 457 -467.
  10. J. Campbell, Review of Computer Simulation Versus Casting Reality, Modelling of Casting,Welding and Advanced Solidification Processes VII (1995) 907-935.
  11. M. R. Jolly, S. W. Wen, A. Lapish, N. D. Butler, M. Wickins and J. Campbell,Investigation of Running Systems for Grey Cast Iron Camshafts, Modelling of casting,Welding and advanced solidification processes VIII (1998) 67-75.
  12. X. Yang, X. Huang, X. Dia, J. Campbell and J. Tatler, Numerical Modelling ofEntrainment of Oxide Film Defects in Filling Aluminium Alloy Castings, Internationaljournal of Cast Metals Research 17 (2004) 321-331.
Coupling

Experimental and Numerical Analysis of Flow Behavior and Particle Distribution in A356/SiCp Composite Casting

A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포에 대한 실험적 및 수치적 분석

연구 목적

  • 본 연구는 A356/SiCp 복합재 주조 과정에서 유동 거동 및 입자 분포를 실험적·수치적으로 분석하는 것을 목표로 함.
  • 실시간 X선 방사 촬영(Real-time X-ray radiography)을 이용하여 주형 충진 과정을 관찰하고, 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션과 비교함.
  • Euler 및 Lagrangian 방법을 적용하여 유체 흐름 및 입자 분포를 모델링하고, 예측 결과와 실험 결과를 검증함.
  • 복합재 주조 과정에서 발생하는 입자 분리(particle segregation) 현상을 최소화하는 최적 조건을 도출함.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 데이터 수집
    • 실시간 X선 방사 촬영(RT-XRR)을 활용하여 주조 과정 동안 유체 유동 및 입자 이동을 추적함.
    • A356/SiCp 복합재의 입자 크기 분포 및 미세 구조를 광학 현미경 및 주사전자현미경(SEM)으로 분석함.
    • 실험 결과와 CFD 시뮬레이션을 비교하여 유동 거동 및 입자 분포를 평가함.
  2. FLOW-3D® CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 자유 표면 흐름을 해석하고, 입자 거동을 추적함.
    • 유동 해석(Euler 모델) 및 입자 추적(Lagrangian 모델)을 결합하여 복합재 충진 과정에서의 입자 분포를 예측함.
    • 난류 모델 적용: k-ε 및 Large Eddy Simulation(LES) 모델을 비교하여 난류가 입자 분포에 미치는 영향을 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 입자 분포 및 유동 패턴을 실험 데이터와 비교하여 CFD 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.
    • 충진 전후 입자 농도를 측정하여 입자 분포 변화를 정량적으로 분석함.
    • 예측 결과와 실험 데이터 간의 오차율을 분석하여 모델의 정확도를 검증함.

주요 결과

  1. 입자 유동 및 충진 과정에서의 거동 분석
    • 입자 유동은 주조 과정의 각 단계에서 서로 다른 흐름 패턴을 보임.
    • 중력 영향이 큰 영역에서는 소용돌이(Eddy Flow)가 형성되며, 이는 입자 농도 증가의 원인이 됨.
    • 유동 방향 변화에 따라 후류(Back Flow) 형성이 관찰되며, 이는 일부 입자의 이동을 제한함.
  2. 실험과 CFD 시뮬레이션 비교 검증
    • 실제 실험에서 관찰된 입자 농도와 시뮬레이션 예측 결과가 높은 상관성을 보임.
    • 그러나 일부 중력 영향이 큰 영역(R7, R8)에서 시뮬레이션이 입자 분포를 과소평가하는 경향이 있음.
    • 이는 후류(Back Flow)에 의한 입자 이동 제한 효과가 모델에서 과도하게 반영되었기 때문으로 분석됨.
  3. 입자 분포 최적화 및 개선 가능성
    • 입자 분포는 유동 패턴, 난류 강도 및 충진 속도에 의해 결정됨.
    • 충진 속도를 조절하여 후류 형성을 최소화하면 입자 분포의 균일성을 향상시킬 수 있음.
    • 입자가 중앙부에 집중되는 경향이 있으며, 표면부에서는 상대적으로 적은 입자가 분포함.
  4. 최적 주조 조건 도출
    • 충진 속도 및 유체 유동 조건을 조정하여 입자 분리를 최소화할 수 있음.
    • 유체 흐름을 최적화하면 주조물 내 입자 농도를 균일하게 유지할 수 있음.
    • 후류(back flow) 및 소용돌이 현상(eddy flow)을 조절하면 입자 분포의 균일성을 더욱 개선 가능.

결론

  • A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포를 CFD 시뮬레이션과 실험을 통해 성공적으로 분석함.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 상관성을 확인하였으며, 일부 영역에서의 과소평가는 모델 개선이 필요함.
  • 입자 분포 최적화를 위해 후류 및 난류 영향을 고려한 충진 속도 조절이 필요함.
  • 향후 연구에서는 다양한 입자 크기 및 형상에 따른 유동 거동을 추가적으로 평가해야 함.

Reference

  1. J. Hashim, L. Looney, M.S.J. Hashmi, Particle distribution in cast metal matrixcomposites – Part I, J. Mater. Process. Technol. 123 (2002) 251–257.
  2. D.B. Miracle, Metal matrix composites-from science to technologicalsignificance, Compos. Sci. Technol. 65 (2005) 2526–2540.
  3. B. Mondal, S. Kundu, A.K. Lohar, B.C. Pai, Net-shape manufacturing of intricatecomponents of A356/SiCp composite through rapid-prototyping-integratedinvestment casting, Mater. Sci. Eng. A 498 (2008) 37–41.
  4. S. Pattnaik, P.K. Jha, D.B. Karunakar, A review of rapid prototyping integratedinvestment casting processes, Proc. Inst. Mech. Eng. L: J. Mater. 228 (2014)249–277.
  5. B. Previtali, D. Pocci, C. Taccardo, Application of traditional investment castingprocess to aluminium matrix composites, Composites A 39 (2008) 1606–1617.
  6. P.N. Bindumadhavan, T.K. Chia, M. Chandrasekaran, H.K. Wah, L.N. Lam, O.Prabhakar, Effect of particle-porosity clusters on tribological behavior of castaluminum alloy A356–SiCp metal matrix composites, Mater. Sci. Eng. A 171(2001) 268–273.
  7. V.A. Romanova, R.R. Balokhonov, S. Schmauder, The influence of thereinforcing particle shape and interface strength on the fracture behavior ofa metal matrix composite, Acta Mater. 57 (2009) 97–107.
  8. D.J. Lloyd, Particle reinforced aluminum and magnesium matrix composites,Int. Mater. Rev. 39 (1994) 1–23.
  9. J. Hashim, L. Looney, M.S.J. Hashmi, Particle distribution in cast metal matrixcomposites – Part II, J. Mater. Process. Technol. 123 (2002) 258–263.
  10. S.B. Prabu, L. Karunamoorthy, S. Kathiresan, B. Mohan, Influence of stirringspeed and stirring time on distribution of particles in cast metal matrixcomposite, J. Mater. Process. Technol. 171 (2006) 268–273.
  11. S. Naher, D. Brabazon, L. Looney, Computational and experimental analysis ofparticulate distribution during Al–SiC MMC fabrication, Composites: Part A 38(2007) 719–729.
  12. Z. Zhang, X.G. Chen, A. Charette, Particle distribution and interfacial reactionsof Al–7%Si–10%B4C die casting composite, J. Mater. Sci. 42 (2007) 7354–7362.
  13. C.E. Brennen, Fundamentals of Multiphase Flows, Cambridge University Press,London, 2005.
  14. T.J. Heindel, J.N. Gray, T.C. Jensen, An X-ray system for visualizing fluid flows,Flow Meas. Instrum. 19 (2008) 67–78.
  15. A. Seeger, K. Affeld, L. Goubergrits, U. Kertzscher, E. Wellnhofer, X-ray-basedassessment of the three-dimensional velocity of the liquid phase in a bobblecolumn, Exp. Fluids 31 (2001) 193–201.
  16. B. Sirrell, M. Holliday, J. Campbell, Benchmark testing the flow andsolidification modeling of Al castings, JOM-US 48 (1996) 20–23.
  17. D.Z. Li, J. Campbell, Y.Y. Li, Filling system for investment cast Ni-base turbineblades, J. Mater. Process. Technol. 148 (2004) 310–316.
  18. S. Kashiwai, I. Ohnaka, A. Kimastsuka, T. Kaneyoshi, T. Ohmichi, J. Zhu,Numerical simulation and X-ray direct observation of mould filling duringvacuum suction casting, Int. J. Cast. Met. Res. 18 (2005) 144–148.
  19. H.D. Zhao, I. Ohnaka, J.D. Zhu, Modeling of mold filling of Al gravity casting andvalidation with X-ray in-situ observation, Appl. Math. Model. 32 (2008) 185–194.
  20. A. Ureña, E.E. Martı´nez, P. Rodrigo, L. Gil, Oxidation treatments for SiC particlesused as reinforcement in aluminium matrix composites, Compos. Sci. Technol.64 (2004) 1843–1854.
  21. J. Rams, A. Ureña, M. Campo, Dual layer silica coatings of SiC particlereinforcements in aluminium matrix composites, Surf. Coat. Technol. 200(2006) 4017–4026.
  22. T. Fan, D. Zhang, G. Yang, T. Shibayanagi, M. Naka, T. Sakata, H. Mori, Chemicalreaction of SiCp/Al composites during multiple remelting, Composites: Part A34 (2003) 291–299.
  23. D.S.B. Heidary, F. Akhlaghi, Theoretical and experimental study on settling ofSiC particles in composite slurries of aluminum A356/SiC, Acta Mater. 59(2011) 4556–4568.
  24. J.F. Wendt, Computational Fluid Dynamics, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg,New York, 2009.
  25. M. Sommerfeld, Validation of a stochastic Lagrangian modeling approach forinter-particle collision in homogeneous isotropic turbulence, Int. J. MultiphaseFlow 27 (2001) 1829–1858.
  26. J. Braszczynski, A. Zyska, Analysis of the influence of ceramic particles on thesolidification process of metal matrix composites, Mater. Sci. Eng. A 278 (2000)195–203.
  27. C. Reilly, N.R. Green, M.R. Jolly, J.-C. Gebelin, The modelling of oxide filmentrainment in casting systems using computational modeling, Appl. Math.Model. 37 (2013) 8451–8466.
  28. K.R. Ravi, R.M. Pillai, B.C. Pai, M. Chakraborty, Influence of interfacial reactionon the fluidity of A356 Al–SiCp composites-a theoretical approach, Metall.Mater. Trans. A 38 (2007) 2531–2539.
  29. N.G. Deen, M.V.S. Annaland, M.A.V. Hoef, J.A.M. Kuipers, Review of discreteparticle modeling of fluidized beds, Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 28–44.
  30. C.J. Meyer, D.A. Deglon, Particle collision modeling – a review, Miner. Eng. 24(2011) 719–730.
  31. K. Yokoi, Numerical method for interaction among multi-particle, fluid andarbitrary shape structure, J. Sci. Comput. 46 (2011) 166–181.
  32. V. Loisel, M. Abbas, O. Masbernat, E. Climent, The effect of neutrally buoyantfinite-size particles on channel flows in the laminar–turbulent transitionregime, Phys. Fluids 25 (2013) 1–18.
  33. M.D. Mat, K. Aldas, Experimental and numerical investigation of effect ofparticle size on particle distribution in particulate metal matrix composites,Appl. Math. Comput. 177 (2006) 300–307.
  34. K. Aldas, M.D. Mat, Experimental and theoretical analysis of particledistribution in particulate metal matrix composites, J. Mater. Process.Technol. 160 (2005) 289–295.
  35. A. Tamburini, A. Cipollina, G. Micale, A. Brucato, M. Ciofalo, CFD simulations ofdense solid–liquid suspensions in baffled stirred tanks: prediction of solidparticle distribution, Chem. Eng. J. 223 (2013) 875–890.
  36. A.S. Berrouk, D.E. Stock, D. Laurence, J.J. Riley, Heavy particle dispersion from apoint source in turbulent pipe flow, Int. J. Multiphase Flow 34 (2008) 916–923.
simulation_experimental

Molten Pool Behavior in the Tandem Submerged Arc Welding Process

이중 서브머지드 아크 용접 공정에서의 용융지 거동 분석

연구 목적

  • 본 연구는 이중 서브머지드 아크 용접(Tandem SAW, SAW-T) 공정에서의 용융지(molten pool) 거동을 분석하기 위해 FLOW-3D® 기반의 CFD 시뮬레이션을 수행함.
  • 전류 조건 및 전극 간 간격이 용접 비드 형상 및 용융 흐름에 미치는 영향을 정량적으로 평가함.
  • 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션 결과와 비교하여 모델의 신뢰성 및 정확성을 검증함.
  • 최적의 용접 공정 매개변수를 도출하여 용접 효율을 개선하고 결함을 최소화하는 전략을 제안함.

연구 방법

  1. 용융지 수치 모델링 및 설정
    • FLOW-3D®의 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)을 적용하여 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 해석함.
    • 자유 표면 추적을 위해 VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용함.
    • 아크 상호작용(arc interaction), 전극 간 전압 차이, 용적력(arc pressure) 등을 반영하여 실험과 유사한 모델을 구축함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 전극 배치 및 전류 조건을 변경하며 용융지 거동을 분석함.
    • 선도 전극(leading electrode)과 후속 전극(trailing electrode)의 전류 조합에 따라 용접 비드 형상이 어떻게 변하는지 평가함.
    • 난류 모델 적용: k-ε 및 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 비교 분석하여 용융지 내 난류 흐름을 해석함.
  3. 실험 데이터와 비교 검증
    • 실험에서 얻은 온도 분포 및 용융지 형상 데이터를 시뮬레이션과 비교함.
    • 고속 CCD 카메라 및 열화상 카메라를 이용하여 용융지 거동을 기록하고, 시뮬레이션과의 차이를 분석함.
    • CFD 결과와 실제 실험 결과 간의 오차율을 측정하여 모델의 정확성을 검토함.

주요 결과

  1. 전류 조건이 용접 비드 형상에 미치는 영향
    • 선도 전극 전류가 높은 경우, 용접 비드의 침투 깊이(penetration depth)가 증가하였으며, 후속 전극 전류가 낮은 경우 용융지 크기가 상대적으로 작아짐.
    • 동일한 총 열 입력(total heat input) 조건에서도 전류 조합에 따라 용접 비드 형상이 다르게 형성됨.
    • 용융지가 형성되는 과정에서 선도 전극에 의해 형성된 용융지가 후속 전극에 의해 확장됨.
  2. 용융 흐름 및 아크 상호작용 분석
    • 선도 전극의 높은 전류가 강한 아크 압력(arc pressure)을 유발하여 용융지를 깊게 형성함.
    • 반면, 후속 전극이 용융지를 확장시키는 역할을 하며, 비드 폭(bead width)이 증가함.
    • 후속 전극의 전압이 높을수록 용융지가 넓게 퍼지며, 전체 용접 품질이 향상됨.
  3. 시뮬레이션과 실험 비교 검증
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 유사도가 높음.
    • 특히, 온도 분포 및 용융지 형상이 실험과 거의 일치하였으며, 용융 흐름의 주요 특성을 재현할 수 있었음.
    • 그러나, 일부 실험에서는 예상보다 낮은 침투 깊이가 관찰됨 → 이는 모델에서 고려되지 않은 금속 증발 및 표면 장력 변화 때문으로 분석됨.
  4. 최적 용접 조건 도출
    • 전극 간 최적 간격 및 전류 조합을 설정하면 용접 품질을 향상시킬 수 있음.
    • 선도 전극의 전류가 후속 전극보다 높을 때, 깊은 침투와 균일한 용접 비드 형성을 유도할 수 있음.
    • 후속 전극의 전압을 높여 용융지 확산을 최적화하면 용접 비드 균일성이 증가함.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 이중 SAW-T 공정에서의 용융지 거동을 성공적으로 해석함.
  • 전극 간 전류 조합이 용접 비드 형상에 결정적인 영향을 미치며, 최적의 조합을 찾는 것이 중요함.
  • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과의 높은 일치도를 확인하였으며, 일부 미세한 차이는 추가적인 모델 보정이 필요함.
  • 향후 연구에서는 금속 증발, 표면 장력 변화 등의 추가 물리 모델을 고려하여 더욱 정밀한 해석을 수행해야 함.

Reference

Cao, Z., Yang, Z., Chen, X.L., 2004. Three dimensional simulation of transient GMA weld pool with free surface. Welding Journal 6, 169s-176s.
Cho, D.W., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2013a. A study on V-groove GMAW for various welding positions.
Journal of Materials Processing Technology 213, 1640-1652.
Cho, D.W., Song, W.H., Cho, M.H., Na, S.J., 2013b. Analysis of submerged arc welding process by threedimensional computational fluid dynamics simulation. Journal of Materials Processing Technology 213, 2278-2291.
Kiran, D.V., Cho, D.W., Song, W.H., Na, S.J., 2014. Arc behavior in two wire tandem submerged arc welding.
Journal of Materials Processing Technology 214, 1546-1556.
Cho, J.H., Na, S.J., 2009. Three dimensional analysis of molten pool in GMA-laser hybrid welding. Welding Journal 88, 35s-43s.
Cho, W.I., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2010. Numerical study of alloying element distribution in CO2 laser-GMA hybrid welding. Computational Materials Science 49, 792-800.
Jaidi, J., Dutta, P., 2001. Modeling of transport phenomenon in a gas metal arc welding process. Numerical Heat Transfer Part A 40, 543-562.
Kim, C.H., Zhang, W., DebRoy, T., 2003. Modeling of temperature field and solidification surface profile during gas metal arc fillet welding. Journal of Applied Physics 94, 2667-2679.
Kim, J.W., Na, S.J., 1995. A study on the effect of contact tube to workpiece distance on weld pool shape in gas metal arc welding. Welding Journal 74, 141s-152s.
Kiran, D.V., Basu, B., Shah, A.K., Mishra, S., De, A., 2010. Probing influence of welding current on weld quality in two wire tandem submerged arc welding of HSLA steel. Science and Technology of Welding and Joining 15, 111-116.
Kiran, D.V., Basu, B., Shah, A.K., Mishra, S., De, A., 2011. Three dimensional heat transfer analysis of two wire tandem submerged arc welding. ISIJ International 51, 793-798.
Kumar, S., Bhaduri, S.C., 1994. Three dimensional finite element modeling of gas metal arc welding. Metallurgical and Materials Transactions B 25B, 435-441.
Mahapatra, M.M., Datta, G.L., Pradhan, B., Mandal, N.R., 2006. Three dimensional finite element analysis to predict the effects of SAW process parameters on temperature distribution and angular distortions in single pass butt joints with top and bottom reinforcements. International Journal of Pressure Vessels and Piping 83, 721-729.
Pardo, E., Weckman, D.C., 1989. Prediction of weld pool and reinforcement dimensions of GMA welds using a finite element method. Metallurgical Transactions B 20B, 937-947.
Shome, M., 2007. Effect of heat-input on austenite grain size in the heat-affected zone of HSLA-100 steel. Materials Science and Engineering A. 445, 454-460.
Tsao, K.C., Wu, C.S., 1988. Fluid flow and heat transfer in GMA weld pools. Welding Journal 3, 70s-75s.
Ushio, M., Wu, C.S., 1997. Mathematical modeling of three dimensional heat and fluid flow in a moving gas metal arc weld pool. Metallurgical and Materials Transactions B 28B, 509-+516.
Wang, Y., Tsai, H.L., 2001. Impingement of filler droplets and weld pool dynamics during gas metal arc welding process. International Journal of Heat and Mass Transfer 44, 2067-2080.

Water-Rock interaction

Using Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation with FLOW-3D to Reveal the Origin of the Mushroom Stone in the Xiqiao Mountain of Guangdong, China

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션을 통한 광둥성 시차오산 버섯 돌 형성 원인 분석

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 Xiqiao Mountain(시차오산)의 버섯 돌(Mushroom Stone) 형성 과정을 규명함.
  • 기존 연구에서는 유수 침식(stream water erosion)이 주요 형성 원인으로 제시되었으나, 본 연구에서는 CFD 분석을 통해 침식 외에도 화학적 및 물리적 풍화 작용이 결정적인 역할을 했음을 입증하고자 함.
  • 광물 분석 및 현장 조사와 함께 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 물리적, 화학적 풍화 작용과 유동 역학 간의 관계를 평가함.

연구 방법

  1. 현장 조사 및 샘플링
    • 드론(DJI Phantom 4 RTK)을 활용하여 버섯 돌의 3D 지형 데이터를 정밀 측정.
    • 암석 시료 7개를 서로 다른 위치에서 채취하여 **광물 분석(mineralogical analysis)**을 수행함.
    • 지질 나침반을 사용하여 버섯 돌 곡면의 방향 및 침식 패턴을 기록함.
  2. FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션
    • 자유 표면 유동(Free Surface Flow)을 모델링하여 홍수 시 버섯 돌 주변의 유속 및 압력 분포를 분석.
    • 난류 모델 적용: RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하여 난류 효과를 고려함.
    • 모의 홍수 실험을 진행하여 홍수 시기 물의 흐름이 버섯 돌에 미치는 영향을 평가함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 광물 분석 데이터 및 현장 조사 결과를 CFD 시뮬레이션과 비교하여 풍화 및 침식 기작을 검증.
    • 침식 패턴, 유속, 압력 분포 등을 종합 분석하여 버섯 돌 형성의 주요 기작을 도출함.

주요 결과

  1. 홍수 시 버섯 돌 주변 유동 특성
    • 시뮬레이션 결과, 최고 유속은 버섯 돌의 측면에서 발생하며, 전·후면에서는 상대적으로 낮은 유속을 보임.
    • 버섯 돌의 전면(상류 방향)에서는 고압력이 발생하여 아래쪽으로 흐름이 집중됨, 이는 하부 침식을 유도함.
    • 그러나 시뮬레이션 결과, 버섯 돌의 좁은 하부 구조는 단순한 유수 침식만으로 형성될 수 없음을 보여줌.
  2. 버섯 돌 침식 패턴 및 풍화 작용
    • CFD 분석 결과, 버섯 돌 하부(풍하측)에 퇴적물이 집중적으로 형성되며, 이는 침식보다 퇴적 과정이 더 중요한 역할을 했음을 시사함.
    • 실험 데이터와 비교 시, 유수 침식만으로는 현장에서 관찰된 곡면 구조를 재현할 수 없음.
    • 대신, 장기간 퇴적물이 축적되면서 화학적 및 물리적 풍화 작용이 진행되었을 가능성이 높음.
  3. 광물 분석 결과 및 풍화 작용
    • XRD(X-ray diffraction) 분석 결과, 버섯 돌 하부의 암석은 석고(gypsum) 및 점토 광물 함량이 높으며, 이는 화학적 풍화가 활발하게 진행되었음을 의미함.
    • 석고 크리스탈이 성장하면서 암석 내부 균열을 유발하는 할로클래스티(haloclasty) 현상이 관찰됨.
    • 장기간 퇴적층 내에 존재했던 암석이 화학적 풍화 및 수분에 의한 연화 작용으로 약해진 후, 외부 퇴적물이 제거되면서 버섯 돌 하부의 곡면이 형성됨.
  4. 버섯 돌 형성 과정 및 주요 기작 정리
    • 1단계: 버섯 돌이 퇴적물 속에 매립됨 → 장기간 퇴적물 내에서 화학적 풍화가 진행됨.
    • 2단계: 퇴적물 제거 후, 풍화된 암석이 노출되면서 내부 곡면이 형성됨.
    • 3단계: 추가적인 기계적 풍화 및 석고 결정 성장이 내부 균열을 유발하며 현재의 버섯 돌 형태가 완성됨.

결론

  • 유수 침식만으로 버섯 돌이 형성되었다는 기존 가설은 CFD 시뮬레이션 결과와 일치하지 않음.
  • 광물 분석 및 화학적 풍화 모델링 결과, 할로클래스티(haloclasty) 및 습윤 연화(softening due to moisture) 작용이 버섯 돌 형성의 주요 기작으로 확인됨.
  • CFD 시뮬레이션을 통한 수력학적 해석과 광물 분석을 결합하여 자연 암석 형성 기작을 정량적으로 분석하는 새로운 접근법을 제시함.
  • 향후 연구에서는 장기적인 풍화 속도 및 추가적인 유체-암석 상호작용 모델링을 수행해야 함.

Reference

  1. Arem J (1983) Rocks and minerals, 5th printing. The Ridge Press, New York, USA.
  2. Bagnold RA (1941) The Physics of Blown Sand and Desert Dunes. Methuen, London.
  3. Barker DS (2007). Origin of cementing calcite in “carbonatite” tuffs. Geology 35: 371-374. https://doi.org/10.1130/G22957A.1
  4. Berner EK, Berner RA (1989). The Global Water Cycle, Geochemistry and Environment. Environ Conserv 16: 190 – 191. https://doi.org/10.1017/S0376892900009206
  5. Bryan K (1925) Pedestal rocks in stream channels. Bull US Geol Surv 760-D: 123-128. https://doi.org/10.5962/bhl.title.45744
  6. Castor SB, Weiss SI (1992) Contrasting styles of epithermal precious- metal mineralization in the southwestern Nevada volcanic field, USA. Ore Geol Rev 7: 193-223. https://doi.org/10.1016/0169-1368(92)90005-6
  7. Collier JS, Oggioni F, Gupta S, et al. (2015) Streamlined islands and the English Channel megaflood hypothesis. Glob Planet Change 135: 190-206. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2015.11.004
  8. Czerewko MA, Cripps JC (2019) The Consequences of Pyrite Degradation During Construction—UK Perspective. In: Shakoor A, Cato K (ed.), IAEG/AEG Annual Meeting Proceedings, San Francisco, California, 2018 – Volume 2. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-93127-2_21
  9. Dill HG, Buzatu A, Balaban SI, et al. (2020) The “badland trilogy” of the Desierto de la Tatacoa, upper Magdalena Valley,Colombia, a result of geodynamics and climate: With a review of badland landscapes. Catena 194:1-20. https://doi.org/10.1016/j.catena.2020.104696
  10. Drikakis D (2003) Advances in turbulent flow computations using high-resolution methods. Prog Aerosp Sci 39: 405–424. https://doi.org/10.1016/S03760421(03)00075-7.
  11. Fusi L, Primicerio M, Monti A (2015) A model for calcium carbonate neutralization in the presence of armoring. Appl Math Model 39: 348-362. https://doi.org/10.1016/j.apm.2014.05.037
  12. Ghasemi M, Soltani G S (2017) The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D. JHE 1: 46-54.https://doi.org/10.22111/JHE.2017.3357
  13. Graf WH, Yulistiyanto B (1998) Experiments on flow around a cylinder; the velocity and vorticity fields. J Hydraul Res 36:637-653. https://doi.org/10.1080/00221689809498613
  14. Guan X, Gao Q (1992) Annals of Xiqiao Mountain. Guangdong People’s Publishing House. (In Chinese)
  15. Guemou B, Seddini A, Ghenim AN (2016) Numerical investigations of the round-nosed bridge pier length effects on the bed shear stress. Prog Comput Fluid Dyn 16: 313-321. https://doi.org/10.1504/PCFD.2016.078753
  16. Hawkins AB, Pinches GM (1987) Cause and significance of heave at Llandough Hospital, Cardiff—a case history of ground floor heave due to gypsum growth. QJ Eng Geol Hydrogeol 20: 41–57. https://doi.org/10.1144/GSL.QJEG.1987.020.01.05
  17. Hercod DJ, Brady PV, Gregory RT (1998) Catchment-scale coupling between pyrite oxidation and calcite weathering. Chem Geol 151: 259–276. https://doi.org/10.1016/S0009-2541(98)00084-9
  18. Huang R, Wang W (2017) Microclimatic, chemical, and mineralogical evidence for tafoni weathering processes on the Miaowan Island, South China. J Asian Earth Sci 134: 281–292. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2016.11.023
  19. Islam MR, Stuart R, Risto A, et al. (2002) Mineralogical changes during intense chemical weathering of sedimentary rocks in Bangladesh. J Asian Earth Sci 20: 889-901. https://doi.org/10.1016/S1367-9120(01)00078-5
  20. Istiyato I, Graf WH (2001) Experiments on flow around a cylinder in a scoured channel bed. Int J Sediment Res 16: 431- 444. https://doi.org/CNKI:SUN:GJNS.0.2001-04-000
  21. Jafari M, Ayyoubzadeh SA, Esmaeili-Varaki M, et al. (2017) Simulation of Flow Pattern around Inclined Bridge Group Pier using FLOW-3D Software. J Water Soil 30: 1860-1873. https://doi.org/10.22067/jsw.v30i6.47112
  22. Jalal HK, Hassan WH (2020) Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software. 2020 IOP Conf Ser: Mater Sci Eng 745 012150. https://doi.org/10.1088/1757-899X/745/1/012150
  23. Knippers J (2017) The Limits of Simulation: Towards a New Culture of Architectural Engineering. Technol Archit Des 1: 155-162. https://doi.org/10.1080/24751448.2017.1354610
  24. Komar PD (1983) Shapes of streamlined islands on Earth and Mars — experiments and analyses of the minimum-drag form. Geology 11: 651–654. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1983)112.0.CO;2
  25. Li JC, Wang W, Zheng YM (2019). Origin of the Mushroom Stone Forest at the southeastern foot of the Little Sangpu Mountain in eastern Guangdong, China: A palaeo-sea-level indicator or not? J Mt Sci 116: 487-503. https://doi.org/10.1007/s11629-018-5181-1
  26. Luo CK, Zhou YH, Yang XQ, et al. (2004) Formation, classification and synthetical evolution of the geological tourism landscapes at the XiQiao Hill, Guangdong. Trop Geogr 24: 387-390. https://doi.org/10.13284/j.cnki.rddl.000864 (In Chinese)
  27. Mcbride EF, Picard MD (2000) Origin and development of tafoni in tunnel spring tuff, crystal peak, Utah, USA. Earth Surf Process Landf 25: 869-879. https://doi.org/10.1002/1096-9837(200008)25::8<869:AIDESP104>3.0.CO;2-F
  28. Melville BM, Raudkivi A (1977) Flow characteristics in local scour at bridge piers. J Hydraul Res 15: 373-380. https://doi.org/10.1080/00221687709499641
  29. Mendonca ISP, Canilho HDL, Fael CMS (2019) Flow-3D Modelling of the Debris Effect on Maximum Scour Hole Depth at Bridge Piers. 38th IAHR World Congress. Panama City, Panama 1-6. https://doi.org/10.3850/38WC092019-1850
  30. Migon P (2006) Granite Landscapes of the World. Oxford University Press, New York. pp 24-131, 218-235. Pugh CE, Hossener LE, Dixon JB (1981) Pyrite and marcasite surface area as influenced by morphology and particle diameter. Soil Sci Soc Am J 45: 979–982. https://doi.org/10.2136/sssaj1981.03615995004500050033x
  31. Segev E (2010) Google and the Digital Divide – Users and uses of Google’s information. pp 75–110. https://doi.org/10.1016/b978-1-84334-565-7.50004-6
  32. Taylor RK, Cripps JC (1984) Mineralogical controls on volume change. In: Attewell PB, Taylor RK (ed.), Ground Movements and their Effects on Structures. Surrey Uni Press, UK. pp. 268–302
  33. Twidale CR, Romani JRV (2005) Landforms and Geology of Granite Terrains. Taylor and Francis, London. pp 81-107, 173- 257.
  34. Wang W, Huang R (2018) The origin of the “Fairy Stone” on the coast of Dapeng Penisula, Guangdong, China. Quat Sci 38: 427-448. (In Chinese) https://doi.org/10.3760/j.issn:0412-4030.2006.11.029
  35. Wedekind W, López-Doncel R, Dohrmann, R, et al. (2013) Weathering of volcanic tuff rocks caused by moisture expansion. Environ Earth Sci 69: 1203–1224. https://doi.org/10.1007/s12665-012-2158-1
  36. Wei G, Brethour J, Grünzner M, et al. (2014) Sedimentation scour model in FLOW-3D. Flow Sci Rep 03-14: 1-29.
  37. Whipple KX, Hancock GS, Anderson RS (2000) River incision into bedrock: Mechanics and relative efficacy of plucking, abrasion, and cavitation. Geol Soc Am Bull 112: 490–503. https://doi.org/10.1130/0016-7606(2000)112<490:RIIBMA>2.0.CO;2
  38. White AF (2003) Natural Weathering Rates of Silicate Minerals. In: Drever JI (ed.), Treatise on Geochemistry: Surface and Ground Water, Weathering and Soils. Elsevier Science, pp. 133–168. https://doi.org/10.1016/B0-08-043751-6/05076-3
  39. Wu CY, Ren J, Bao Y, et al. (2007) A long-term hybrid morphological modeling study on the evolution of the Pearl River delta network system and estuarine bays since 6000 aBP. In: Harff J, Hay WW, Tetzlaff DF (ed.), Coastline Changes: Interrelation of Climate and Geological Processes; Special Papers – Geological Society of America Spec. Pap 426: 199-214.https://doi.org/10.1130/2007.2426(14)
  40. Zhao L, Zhu Q, Jia S, et al. (2017) Origin of minerals and critical metals in an argillized tuff from the Huayingshan Coalfield, Southwestern China. Minerals 2017: 7: 92. https://doi.org/10.3390/min7060092
Way

Three-dimensional numerical simulation of flow in trapezoidal cutthroat flumes based on FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 사다리꼴 컷스로트 플룸(Trapezoidal Cutthroat Flume) 내 유동의 3차원 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 물 부족 문제가 심화됨에 따라 농업용 관개 시스템에서의 효율적인 물 배분이 필수적이다.
    • 플룸(Flume)은 개방 수로(Open Channel)에서 유량을 측정하는 장치로, 기존의 직사각형 컷스로트 플룸(Rectangular Cutthroat Flume)은 큰 수두 손실(Head Loss)과 시공의 어려움을 가지고 있다.
    • 사다리꼴 채널(Trapezoidal Channel)에 적합한 유량 측정 구조물의 부재로 인해, 정확한 유량 측정이 어려운 문제가 존재한다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 사다리꼴 컷스로트 플룸의 3차원 수치 시뮬레이션을 통해 유동 특성(속도 분포, Froude 수, 수두 손실) 분석.
    • RNG k-ε 난류 모델TruVOF 기법을 활용하여 다양한 유량 조건에서의 수치 모델 검증 및 성능 평가.
    • 실험 데이터를 바탕으로 시뮬레이션 결과 검증 및 회귀 분석을 통한 방류식 개발.

연구 방법

  1. 물리 모델 및 실험 설정
    • 사다리꼴 컷스로트 플룸 설계:
      • 길이 1.80m, 높이 0.5m, 사다리꼴 목부(Throat)의 바닥 폭 0.18m, 측벽 기울기 75°.
      • 수렴부(Converging Section), 목부(Throat Section), 발산부(Diverging Section)의 14개 측정 단면을 통해 수리학적 매개변수 측정.
    • 실험 시스템 구성:
      • 저수조, 펌핑 스테이션, 전자기 유량계, 조절 밸브, 안정화 연못, 공급 파이프, 테일게이트, 90° V-notch 위어(Weir)로 구성.
      • 낮은 수두 손실과 높은 측정 정확도를 목표로 설계.
  2. 수치 시뮬레이션 및 모델링
    • FLOW-3D의 RNG k-ε 난류 모델TruVOF 기법을 사용하여 유동 시뮬레이션.
    • 연속 방정식(Continuity Equation) 및 Navier-Stokes 방정식을 통해 비압축성 뉴턴 유체 흐름 모델링.
    • 격자 설정:
      • 격자 크기 0.02m × 0.02m × 0.02m, 총 78만 3천 개의 격자 사용.
      • FAVOR(Fractional Area Volume Obstacle Representation) 방법을 활용하여 복잡한 형상에서도 높은 정확도 보장.
    • 경계 조건 설정:
      • 입출구 경계: 유량 조건에 따른 자동 유체 높이 조절.
      • 벽면(Wall Boundary): 비투과성(Impermeable) 경계 조건.
      • 상단(Top Boundary): 대칭 경계(Symmetry Boundary).

주요 결과

  1. 모델 검증 및 속도 분포 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과실험 데이터 간의 평균 속도 비교에서 상대 오차 10% 미만.
    • 수렴부에서는 Froude 수가 0.5 미만, 목부에서 임계 흐름(Critical Flow)이 나타남.
    • 발산부에서는 Froude 수가 감소, 수두 손실이 기존 직사각형 플룸 대비 약 9% 감소.
  2. 수두 손실(Head Loss) 비교
    • 사다리꼴 컷스로트 플룸의 수두 손실은 최대 8.955%로, 직사각형 플룸의 11.097%보다 낮음.
    • 유량 증가에 따른 수두 손실 변화 분석에서 0.045 m³/s 이상의 유량에서는 수두 손실 증가율이 감소.
  3. 방류 계산식(Discharge Calculation Formula) 도출
    • 자유 흐름(Free Flow)침수 흐름(Submerged Flow) 조건에서의 회귀 분석을 통해 방류 계산식 개발.
    • 상류 깊이와 방류량 간의 상관계수 0.992, 5% 이내의 오차율을 보이며 농업용 관개 시스템의 정확도 요건 충족.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 사다리꼴 컷스로트 플룸이 직사각형 플룸 대비 높은 측정 정확도와 낮은 수두 손실을 제공.
    • 단순한 구조, 저비용, 다양한 수자원 조건에서의 적용 가능성을 입증.
    • 특히 고침전물 환경에서도 우수한 성능을 보임.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 사다리꼴 채널 기울기 및 유량 조건에서의 성능 평가.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 유량 예측 모델 개발.
    • 장기적인 현장 실험을 통한 모델의 신뢰성 강화.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 사다리꼴 컷스로트 플룸의 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 정확한 유량 측정 및 수자원 관리 효율성을 높이는 설계 기준을 제시하며, 농업용 관개 시스템의 물 절약 및 생산성 향상에 기여할 수 있다​.

Reference

  1. Galán-Martín A, Vaskan P, Vallejo A, Esteller L J, Guillén-Gosálbez G. Multi-objective optimization of rainfed and irrigated agricultural areas considering production and environmental criteria: a case study of wheat production in Spain. Journal of Cleaner Production, 2017, 140(2): 816–830
  2. Wang Y B, Liu D, Cao X C. Agricultural water rights trading and virtual water export compensation coupling model: a case study of an irrigation district in China. Agricultural Water Management, 2017, 180(Part A): 99–106
  3. Valipour M. Increasing irrigation efficiency by management strategies: cutback and surge irrigation. Journal of Agricultural and Biological Science, 2013, 8(1): 35–43
  4. Wang C D. Water measurement technique and measure. Beijing: Water and Power Press, 2005 (in Chinese)
  5. Samani Z, Magallanez H. Closure to “Simple flume for flow measurement in open channel” by Zohrab Samani and Henry Magallanez. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 2002, 128(2): 129–131
  6. Cone V M. The Venturi flume. Journal of Agricultural Research, 1917, 6(4): 115–129
  7. Parshall R L. The improved Venturi flume. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 1926, 89(1): 841–851
  8. Skogerboe G V, Hyatt M L. Rectangular cutthroat flow measuring flumes. Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 1967, 93(IR4): 1–13
  9. Clemmens A J, Bos M G, Replogle J A. RBC broad-crested weirs for circular sewers and pipes. Journal of Hydrology, 1984, 68(1–4): 349–368
  10. Lv H X, Pei G X, Yang L X. Hydraulics. Beijing: Agriculture Press, 2011 (in Chinese)
  11. Parshall R L. Parshall measuring flume. Colorado Experiment Station Bulletin, 1936, 423
  12. Hager W H. Modified Venturi channel. Journal of Irrigation ad Drainage Engineering, 1985, 111(1): 19–35
  13. Jesson M, Sterling M, Baker D. Application of ISO4359 for discharge calculation in a narrow flume. Flow Measurement and Instrumentation, 2017, 54: 283–287
  14. Das R, Nayek M, Das S, Dutta P, Mazumdar A. Design and analysis of 0.127 m (5″) cutthroat flume. Ain Shams Engineering Journal,2017, 8(3): 295–303
  15. Mazumdar A, Dutta P, Nayek M. Calibration and Discharge Measurement Using 0.127 Meter (5″) Parshall Flume. Iahr World Congress, 2017
  16. Jing S Y, Wang L, Du H, Wei G. Applications of FLOW-3D in numerical simulation of fluid-structure interaction. The 13th National Hydrodynamic Academic Conference and the TwentySixth National Hydrodynamics Seminar, 2017, 423–428
  17. FLOW-3D® User Manual. FLOW-3D User Manual. Flow Science, 2016
  18. Yakhot V, Orszag S A. Renormalization group analysis of turbulence I. Basic theory. Plenum Press, 1986
  19. Xiao Y, Zhang J B, Yao B, Guan Y. Assembly and simulation analysis of shear-sheet machine based on Pro/E. Procedia Engineering, 2011, 16(1): 535–539
  20. Bayon A, Toro J P, Bombardelli F A, Matos J, López-Jiménez P A. Influence of VOF technique, turbulence model and discretization scheme on the numerical simulation of the non-aerated, skimming flow in stepped spillways. Journal of Hydro-environment Research, 2017. doi: 10.1016/j.jher.2017.10.002
  21. Wan B L, He W X, Chen C Y. Assembly process bill of material construction technology for dpacecraft assembly and integration based on proengineer. Joint International Information Technology, Mechanical and Electronic Engineering Conference, 2017
  22. Pan Z B, Lü H X, Zhang X F. Experiment on airfoil-shaped measuring flume in trapezoidal canal. Transactions of The Chinese Society of Agricultural Machinery, 2009, 40(12): 97–100 (in Chinese)
  23. Najafi-Jilani A, Niri M Z, Naderi N. Simulating three-dimensional wave run-up over breakwaters covered by antifer units. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 2014, 6(2): 297–306
  24. Duguay J M, Lacey R W J, Gaucher J. A case study of a pool and weir fishway modeled with open foam and FLOW-3D. Ecological Engineering, 2017, 103: 31–42
  25. Cui W, Song H F. CFD simulation of fresh self-compacting concrete flow and casting process. Concrete, 2017, 1(8): 111–115
  26. iao Y Z, Wang W N, Hu X, Zhou Y. Experimental and numerical research on portable short-throat flume in the field. Flow Measurement and Instrumentation, 2016, 47: 54–61
  27. Tekade S A, Vasudeo A D, Ghare A D, Ingle R N. Measurement of flow in supercritical flow regime using cutthroat flumes. Sādhanā, 2016, 41(2):265–272.
  28. Samani Z. Three simple flumes for flow measurement in open channels. Journal of Irrigation & Drainage Engineering, 2017, doi: org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001168
  29. Hu H, Huang J, Qian Z, Yu G. Hydraulic analysis of parabolic flume for flow measurement. Flow Measurement and Instrumentation, 2014, 37: 54–64
  30. Zhang L, Wu P T, Zhu D L, Zheng C. Flow regime and head loss in a drip emitter equipped with a labyrinth channel. Journal of Hydrodynamics, 2016, 28(4): 610–616
Velocity Magnitude

Study of Velocity, Flow Depth and Froude Number of HDPE Diagonal Modular Pavement Using FLOW-3D

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

  1. 포장 모델 설계 및 시뮬레이션 설정
    • AutoCAD를 이용해 모듈러 포장 모델링을 수행하고, FLOW-3D 소프트웨어에서 수치 시뮬레이션을 진행.
    • 포장 모델 구성:
      • 모듈러 포장층, 자갈층, 모래층의 3가지 레이어로 구성.
      • HDPE 모듈러 포장80 mm 직경, 5 mm 두께의 얇은 대각선 기둥 구조.
      • Jabatan Kerja Raya 표준에 따라 설계.
    • 수치 모델 설정:
      • FLOW-3D의 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체 흐름 및 유동 깊이 예측.
      • Navier-Stokes 방정식을 사용하여 3차원 불압축성 유동(Incompressible Flow) 시뮬레이션.
      • 모듈러 포장 모델의 경계 조건대칭(Symmetry), 연속(Continuative), 체적 유량(Volume Flow Rate), 벽(Wall) 경계로 설정.
  2. 시뮬레이션 시나리오 및 변수 설정
    • 강우 강도 시나리오:
      • 낮은 강우(5 mm/h)높은 강우(85 mm/h) 조건을 설정하여 모듈러 포장의 유동 특성 분석.
    • 측정 변수:
      • 속도(속도의 x, y, z 성분), 유동 깊이(Flow Depth), Froude 수(Fr)를 측정.
      • Froude 유속과 관성력의 비율을 나타내며, 유동 상태(서브크리티컬 또는 슈퍼크리티컬) 평가에 사용.

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

Reference

  1. Vaitkus et al. 2021 Concrete Modular Pavement Structures with Optimized Thickess Based onCharacteristics of High Performance Concrete Mixtures with Fibers and Silica FumeMaterials 14 (3423) 1-17.
  2. Shafique, M., Kim, R., & Kwon, K. H. 2018 Rainfall Runoff Mitigation by Retrofitted PermeablePavement in an Urban Area Sustainability (Switzerland) 10 (4)
  3. Chen et al. 2020 Effect of Rainfall, Runoff and Infiltration Processes on the Stabily of FootslopesWater 12 (1229) 1-19.
  4. Ahn et al. 2018 Development of Test Equipment for Evaluating Hydraulic Conductivity ofPermeable Block Pavement Sustainability 10 (2549) 1-16.
  5. Rashid, M. A., Abustan, I., & Hamzah, M. O. 2012 Infiltration Characteristic Modeling UsingFlow3d within a Modular Pavement Procedia Engineering 50 (Icasce) 658–667.
  6. Sharma, S., Sharma, P. K., & Upadhyay, N. 2020 Properties of Bituminous Bindermodified withPolyethylene Journal of Physics: Conference Series 1531 (1).
  7. Jabatan Kerja Raya. 2013 Manual Pavement Design.qxd. 1–29.
  8. Li, Z., Sun, X., Wang, F., & Liang, Y. 2018 Microscopic Flow Characteristics of Fluids in PorousMedium and Its Relationship with Remaining Oil Distribution: A Case Study in SaertuOilfield of Daqing In China Geofluids 2018.
  9. Abdurrasheed et al. 2019 Modelling of Flow Parameters through Subsurface Drainage Modulesfor Application in BIOECODS Water (Switzerland) 11 (9) 1–15.
  10. Zhao et al (2019) Effects of Rainfall Intensity and Vegetation Cover on Erosion Characteristicsof a Soil Containing Rock Fragments Slope Advances in Civil Engineering 2019.
  11. Song et al. (2014) Study of The Fluid Flow Characteristics in a Porous Medium For CO2Geological Storage using MRI Magnetic Resonance Imaging 32 (5) 574–584.
  12. Payus et al. (2020) Impact of Extreme Drought Climate on Water Security in North Bornea: CaseStudy of Sabah Water 12 (1135) 1-19.
  13. Cherkauer, D. S. (2021). The effect of urbanization on kinetic energy distributions in smallwatersheds.
  14. Zhang et al (2015) Approximate Simulation of Strom Water Runoff over Pervious PavementInternational Journal of Pavement Engineering 18 (3) 247-259
  15. Liu et al. (2019) Laboratory Analysis on the Surface Runoff Pollution Reduction Performance ofPermeable Pavements Science of the Total Environment 691 1–8.
  16. Khan et al. (2016) Effect of Slope, Rainfall Intensity and Mulch on Erosion and Infiltrationunder Simulated Rain on Purple Soil of South-Western Sichuan Province, China Water(Switzerland) 8 (11) 1–18.
  17. Lee et al (2013) Modelling the Hydrologic Process of a Permeable Pavement System Journal ofHydrologic Engineering 20 (5) 04014070
  18. Wolff, A. (2012) Simulation of Pavement Surface Runoff using the Depth-Averaged ShallowWater Equations. 93(März), 149.
  19. Lei et al. (2020) Study on Runoff and Infiltration for Expansive Soil Slopes in Simulated RainfallWater 12 (1) 222.
  20. Inn et al. (2020) Features of the Flow Velocity and Pressure Gradient of an Undular Bore on aHorizontal Bed Physics of fluids 32 (4) 043603.
Cladding

Influence of Fluid Convection on Weld Pool Formation in Laser Cladding

레이저 클래딩(Laser Cladding)에서 유체 대류(Fluid Convection)가 용융풀(Weld Pool) 형성에 미치는 영향

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 레이저 클래딩(Laser Cladding)은 금속 표면에 보호 코팅을 입히거나 마모된 부품을 복구하는 데 사용되는 정밀 금속 적층 기술이다.
    • Inconel® 718 초합금을 사용한 제트 엔진 터빈 블레이드 팁 재생 및 부품 보호에 적용된다.
    • 그러나 복잡한 물리적 현상정확하게 예측할 수 있는 모델의 부족으로 인해 경제적인 응용 개발에 어려움이 존재한다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 Inconel® 718 레이저 클래딩용융풀 형성, 유체 대류, 응고(Solidification) 현상 분석.
    • 마랑고니(Marangoni) 대류에 의한 온도 프로파일 변화유동 패턴을 평가.
    • 모델 예측 결과를 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성 검증.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체 흐름 및 용융풀 형상 예측.
    • 질량, 에너지 및 운동량 보존 방정식을 기반으로 용융풀 및 기판 모델링.
    • 열전달, 질량 및 운동량 추가를 통한 정확한 공정 모델링 구현.
    • 마랑고니 대류(Marangoni Convection) 모델링:
      • 표면 장력 변화용융풀 내 유체 흐름에 미치는 영향 분석.
      • 표면 활성 원소(Surface-Active Elements)인 황(S)의 농도에 따른 표면 장력 기울기 변화 반영.
  2. 실험 설정 및 시뮬레이션 조건
    • 재료 및 장비:
      • IN718 초합금 분말(100–325 메쉬)을 사용.
      • 350~550 W의 균일한 강도(Fiber Laser)를 사용하여 아르곤 분위기에서 실험 수행.
      • 빔 스폿 직경 1.0 mm, 빔 이동 속도 1.016 cm/s.
    • Boundary Condition:
      • 입출구 및 벽면 경계 조건:
        • 입구(Inlet): 유량 일정 조건.
        • 출구(Outlet): 자유 유출 조건.
        • 벽면(Wall): 비투과성 경계 조건.
      • 레이저 에너지 흡수율 계산:
        • Hagen-Rubens 관계식을 이용하여 온도 변화에 따른 흡수율(A(T)) 평가.

주요 결과

  1. 용융풀 형상 및 유동 패턴
    • 예측된 용융풀 형상실험 데이터 간 높은 일치도 확인.
    • 350, 450, 550 W 레이저 출력 조건에서의 용융풀 폭, 높이, 침투 깊이 비교.
    • 레이저 출력 증가 시:
      • 용접 폭 및 침투 깊이 증가.
      • 클래딩 높이는 상대적으로 일정하게 유지.
  2. 마랑고니 대류 및 온도 분포 분석
    • 마랑고니 흐름에 의해 용융풀 후방(Back)에서 가장 깊은 침투 영역 형성.
    • 표면 장력 기울기 전환 지점(Ti)에서 상대적으로 평탄한 온도 프로파일 형성.
    • 온도 구배(G) 및 응고 속도(R)를 통해 응고 모드(Columnar Dendritic Solidification) 예측.
    • 표면 장력 변화유체 흐름을 저온에서 고온 영역으로 유도하여 혼합 및 침투 증가를 촉진.
  3. 시뮬레이션 신뢰성 및 유효성 검증
    • 시뮬레이션 예측 결과실험 측정치의 일치도 평가.
    • 예측된 용융풀 형상, 폭, 깊이실험 데이터와 평균 5% 이내의 오차율을 보임.
    • FLOW-3D 모델이 복잡한 용융풀 대류 현상 및 응고 메커니즘을 정확히 설명할 수 있음을 증명.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D를 사용한 레이저 클래딩 공정 시뮬레이션용융풀 형성 및 응고 조건을 정확하게 예측할 수 있음.
    • 마랑고니 대류에 의해 용융풀 내 온도 분포 및 유동 패턴이 결정되며, 이는 응고 모드와 기계적 특성에 중요한 영향을 미침.
    • 시뮬레이션 결과를 통해 용접 풀의 중심선 온도 구배(G) 및 응고 속도(R)를 이용해 응고 형태(기둥형 수지상 조직) 예측 가능.
  • 향후 연구 방향:
    • 다층(Multi-Layer) 클래딩 공정으로 연구 확장.
    • 실험적 검증을 통한 시뮬레이션 예측 유동 패턴 및 침투 형상 확인.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 레이저 클래딩 공정 최적화 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 레이저 클래딩 공정의 복잡한 물리적 현상을 정량적으로 평가하고, 부품 보호 및 재생 공정의 생산성 향상 및 비용 절감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다​.

Reference

  1. Zhong, M., and Liu, W. 2010. Lasersurface cladding: The state of the art andchallenges. Journal of Mechanical Engineering Science 224(C5): 1041–1060.
  2. Weisheit, A., Gasser, A., Backes, G.,Jambor, T., Pirch, N., and Wissenbach, K.2013. Laser-Assisted Fabrication of Materials — Direct Laser Cladding, Current Statusand Future Scope of Application. pp.221–240, New York, N.Y.: Springer.
  3. Hoadley, A. F. A., and Rappaz, M.1992. A thermal model of laser cladding bypowder injection. MetallurgicalTransactions B 23(5): 631–642.
  4. Picasso, M., and Rappaz, M. 1994.Laser-powder-material interactions in thelaser cladding process. Journal De PhysiqueIV 4(C4): 27–33.
  5. Toyserkani, E., Khajepour, A., andCorbin, S. 2004. 3-D finite element modeling of laser cladding by powder injection:Effects of laser pulse shaping on theprocess. Optics and Lasers in Engineering41(6): 849–867.
  6. Choi, J., Han, L., and Hua, Y. 2005.Modeling and experiments of lasercladding with droplet injection. Journal of Heat Transfer 127(9): 978–986.
  7. Wen, S., and Shin, Y. C. 2010. Modeling of transport phenomena during thecoaxial laser direct deposition process.Journal of Applied Physics 108(4): 044908.
  8. Sahoo, P., DebRoy, T., and McNallan,M. J. 1988. Surface tension of binarymetal-surface active solute systems underconditions relevant to welding metallurgy.Metallurgical Transactions B 19B(3):483–491.
  9. Lee, P. D., Quested, P. N., andMcLean, M. 1998. Modelling of Marangonieffects in electron beam melting. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 356(1739): 1027–1043.
  10. Su, Y., and Mills, K. C. 2005. Amodel to calculate surface tension of commercial alloys. Journal of Materials Science40(9-10): 2185–2190.
  11. Zhao, C. X., Kwakernaak, C., Pan, Y.,Richardson, I. M., Saldi, Z., Kenjeres, S.,and Kleijn, C. R. 2010. The effect ofoxygen on transitional Marangoni flow inlaser spot welding. Acta Materialia 58(19):6345–6357.
  12. Cho, M. H., Lim, Y. C., and Farson,D. F. 2006. Simulation of weld pool dynamics in the stationary pulsed gas metal arcwelding process and final weld shape.Welding Journal 85(12): 271-s to 283-s.
  13. Cho, J. H., Farson, D. F., Milewski, J.O., and Hollis, K. J. 2009. Weld pool flowsduring initial stages of keyhole formationin laser welding. Journal of Physics D:Applied Physics 42(17): 175502.
  14. Mills, K. C. 2002. Recommendedvalues of thermophysical properties for selected commercial alloys. pp. 181–190,Cambridge, England: Woodhead.
  15. Pottlacher, G., Hosaeus, H.,Kaschnitz, E., and Seifter, A. 2002. Thermophysical properties of solid and liquidInconel 718 alloy. Scandinavian Journal ofMetallurgy 31(3): 161–168.
  16. Lewandowski, M. S., and Overfelt,R. A. 1999. High temperature deformationbehavior of solid and semi-solid alloy 718.Acta Materialia 47(18): 4695–4710.
  17. Gedda, H., Powell, J., Wahlstrom,G., Li, W. B., Engstrom, H., and Magnusson, C. 2002. Energy redistribution duringCO2 laser cladding. Journal of Laser Applications 14(2): 78–82.
  18. Xie, J., Kart, A., Rothenflue, J. A.,and Latham, W. P. 1997. Temperature-dependent absorptivity and cutting capability of CO2, Nd:YAG and chemical oxygeniodine lasers. Journal of Laser Applications9(2): 77–85.
  19. Shelton, J. A., and Shin, Y. C. 2010.Comparative evaluation of laser-assistedmicro-milling for AISI 316, AISI 422, TI6Al-4V and Inconel 718 in a side-cuttingconfiguration. Journal of Micromechanicsand Microengineering 20(7): 075012.
  20. Kim, K. R., and Farson, D. F. 2001.CO2 laser-plume interaction in materialsprocessing. Journal of Applied Physics 89(1):681–688.
  21. Picasso, M., Marsden, C. F.,Wagniere, J. D., Frenk, A., and Rappaz, M.1994. A simple but realistic model for lasercladding. Metallurgical and Materials Transactions B 25B(2): 281–291.
  22. Kou, S. 2012. Fluid flow and solidification in welding: Three decades of fundamental research at the University of Wisconsin. Welding Journal 91(11): 287-sto 302-s.
  23. Zacharia, T., David, S. A., Vitek, J.M., and DebRoy, T. 1989. Weld pool development during GTA and laser beam welding of type 304 stainless steel — Part I:Theoretical analysis. Welding Journal68(12): 499-s to 509-s.
  24. McNallan, M. J., and DebRoy, T.1991. Effect of temperature and composition on surface tension in Fe-Ni-Cr alloyscontaining sulfur. MetallurgicalTransactions B 22B(4): 557–560.
  25. Anderson, T. D., Dupont, J. N., andDebRoy, T. 2010. Origin of stray grain formation in single-crystal superalloy weldpools from heat transfer and fluid flowmodeling. Acta Materialia. 58(4):1441–1454.
  26. Kou, S. 2003. Welding Metallurgy. P.166, New Jersey: John Wiley & Sons.
  27. Weisheit, A., Backes, G., Stromeyer,R., Gasser, A., Wissenbach, K., andPoprawe, R. 2001. Powder injection: thekey to reconditioning and generating components using laser cladding. Proceedings ofInternational Congress on Advanced Materials, Their Processes and Applications, Materials Week 2001, Munich, Germany, pp. 1–7.
  28. Lim, Y. C., Yu, X., Cho, J. H., Sosa,J., Farson, D. F., Babu, S. S., McCracken, S.,and Flesner, B. 2010. Effect of magneticstirring on grain structure refinement —Part I: Autogenous nickel alloy welds. Science and Technology of Welding and Joining15(7): 583–589.
  29. Zhao, Y. Z., Lei, Y. P., and Shi, Y. W.2005. Effects of surface-active elementssulfur on flow patterns of welding pool.Journal of Materials Science and Technology21(3): 408–414.
mornig glory test

Numerical Modelling of Flow in Morning Glory Spillways Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 모닝 글로리(Morning Glory) 월류수문에서의 유동 수치 모델링

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 모닝 글로리(Morning Glory) Spillway는 댐의 수위 조절 및 홍수 방지를 위해 사용되는 원형 월류수문이다.
    • 기존 설계에서는 부유물(Suspended Load)의 영향을 간과하는 경우가 많았으며, 이는 설계 가정에 큰 변화를 초래할 수 있다.
    • 부유물 함유 흐름물의 밀도를 변화시켜 수문 성능에 영향을 미칠 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 모닝 글로리 수문에서의 부유물 농도 변화가 유량(Flow Discharge)에 미치는 영향을 평가.
    • 3000, 6000, 9000, 12000 ppm의 부유물 농도를 적용하여 수문 상부에서 다양한 수위 조건에서의 유량 변화를 분석.
    • 수치 모델 결과를 물리적 모델 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D의 예측 성능을 검증.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어VOF(Volume of Fluid) 기법FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 고체 경계 시뮬레이션.
    • k-ε 및 RNG 난류 모델을 사용하여 난류 효과를 모델링.
    • 모닝 글로리 수문 설계:
      • 해라즈(Haraz) 댐의 모닝 글로리 Spillway를 모델링.
      • Solidworks 소프트웨어를 이용해 3D 모델링을 수행하고, FLOW-3D에 가져와 수치 시뮬레이션을 설정.
    • 부유물 농도 설정:
      • 3000, 6000, 9000, 12000 ppm의 부유물을 흐름에 추가하여 유량 변화 분석.
      • 부유물 농도가 증가함에 따라 점도 및 유체의 물리적 특성이 변화함을 고려.
  2. 경계 조건 설정
    • 입출구 및 벽면 경계 조건:
      • 입구(Inlet): 유량 조건을 일정하게 유지.
      • 출구(Outlet): 자유 유출 조건을 적용.
      • 벽면(Wall): 비투과성(Impermeable) 경계 조건 설정.
    • 공기-물 경계:
      • 자유 수면(Free Surface) 조건을 적용하여 공기와의 접촉을 고려.

주요 결과

  1. 부유물 농도 증가에 따른 유량 변화
    • 순수 물(부유물 없음) 상태에서의 평균 유량: 600 m³/s.
    • 부유물 농도에 따른 유량 감소 효과:
      • 3000 ppm: 평균 유량 605 m³/s, 유량 감소 3.8%.
      • 6000 ppm: 평균 유량 575 m³/s, 유량 감소 87.12%.
      • 9000 ppm: 평균 유량 575 m³/s, 유량 감소 7.18%.
      • 12000 ppm: 평균 유량 483 m³/s, 유량 감소 26%.
    • 부유물 농도가 증가할수록 수문을 통과하는 유량이 감소하며, 이는 부유물이 물의 점도 증가밀도 변화에 따른 흐름 저항 증가에 기인.
  2. 유동 패턴 및 수문 성능 변화
    • FLOW-3D 시뮬레이션에서 부유물 농도가 증가할수록 유동의 안정성이 감소.
    • 특히 터널 및 월류수문 목(Throat) 부분에서의 유량 변화가 뚜렷하게 나타남.
    • 수문 상부에서의 월류 유속 감소혼합 층의 두께 증가가 관찰됨.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 간 높은 일치도 확인.
    • 모델 검증 결과, 예측된 유량 변화가 물리적 실험과 평균 5% 이내의 오차율을 보임.
    • 이는 FLOW-3D가 복잡한 부유물 흐름을 정확하게 모델링할 수 있음을 의미.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어는 모닝 글로리 월류수문의 부유물 농도 변화에 따른 유량 감소를 정확히 예측할 수 있음.
    • 부유물 농도가 높을수록 유량 감소율이 증가하며, 특히 12000 ppm에서는 평균 26%의 유량 감소가 나타남.
    • 이는 댐 설계 및 운영 시 부유물 농도를 고려해야 함을 시사하며, 월류수문의 성능을 보장하기 위한 설계 기준 마련 필요.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 부유물 크기 및 형태에 따른 유량 변화 추가 연구 필요.
    • 다양한 수문 형상 및 경사 조건에서 FLOW-3D 모델 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 부유물 농도 변화에 따른 유량 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 모닝 글로리 월류수문의 부유물 농도 변화가 유량에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 댐 안전성 및 수문 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다​.

Reference

  1. Kavan, Jan, Jakub Ondruch, Daniel Nývlt, Filip Hrbáček, Jonathan L. Carrivick, and Kamil Láska. “Seasonal hydrological andsuspended sediment transport dynamics in proglacial streams, James Ross Island, Antarctica.” Geografiska Annaler: Series A,Physical Geography 99, no. 1 (2017): 38-55.
  2. Ervine, D. A., and A. A. Ahmed. “A Scaling relationship for a two-dimensional vertical dropshaft.” In Proc. Intl. Conf. onHydraulic Modelling of Civil Engineering Structures, pp. 195-214. 1982.
  3. Zhao, Can-Hua, David Z. Zhu, Shuang-Ke Sun, and Zhi-Ping Liu. “Experimental study of flow in a vortex drop shaft.” Journalof Hydraulic Engineering 132, no. 1 (2006): 61-68.
  4. Emamgheis, Reza Jamali, and Ebrahim Nohani. “Review of the efficiency of shaft spillway discharge influenced by sharptriangular vortex breaker blades with rectangular body.” Advances in Environmental Biology (2014): 285-290.
  5. Shemshi, Roya, and Abdorreza Kabiri-Samani. “Swirling flow at vertical shaft spillways with circular piano-key inlets.” Journalof Hydraulic Research 55, no. 2 (2017): 248-258.
  6. Coleman, H. Wayne, C. Y. Wei, and James E. Lindell. “Hydraulic design of spillways.” Hydraulic design handbook (2004): 17-41.
  7. Xianqi, Zhang. “Hydraulic characteristics of rotational flow shaft spillway for high dams.” International Journal of Heat andTechnology 33, no. 1 (2015): 167-174.
  8. Petaccia, G., and A. Fenocchi. “Experimental assessment of the stage–discharge relationship of the Heyn siphons of Bric Zerbinodam.” Flow Measurement and Instrumentation 41 (2015): 36-40.
  9. Houichi L, Ibrahim G, Achour B. Experiments for the discharge capacity of the siphon spillway having the Creager Ofitserovprofile. Int J Fluid Mech Res 2006; 33(5):395–406. http://dx.doi.org/10.1615/InterJFluidMechRes.v33.i5.10.
  10. Houichi L, Ibrahim G, Achour B. Experimental comparative study of siphon spillway and overflow spillway. Cour Savoir 2009;9:95–100.
  11. Gramatky, Ferdinand Gunner, and Kenneth Hall Robinson. “Siphon spillway.” PhD diss., California Institute of Technology,1929.
  12. Nohani, Ebrahim. “An experimental study on the effect of vortex breakers thickness on discharge efficiency for the shaftspillways.” Science International 27, no. 3 (2015).
  13. Hirt, C. W., and B. Nichols. “Flow-3D User’s Manual.” Flow Science Inc (1988).
  14. Lenzi, Mario A., and Lorenzo Marchi. “Suspended sediment load during floods in a small stream of the Dolomites (northeasternItaly).” Catena 39, no. 4 (2000): 267-282.
  15. Fokema, M. D., S. M. Kresta, and P. E. Wood. “Importance of using the correct impeller boundary conditions for CFDsimulations of stirred tanks.” The Canadian Journal of Chemical Engineering 72, no. 2 (1994): 177-183

Welding

Effect of Laser Oscillation and Beam Incident Angle on Porosity in Double-Sided Filler Welding of 2219 Aluminum Alloy T Joint

레이저 진동 및 빔 입사각이 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 양면 충진 용접 시 기공(Porosity)에 미치는 영향

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 2219 알루미늄 합금은 항공우주 분야에서 연료탱크 제조에 널리 사용되며, 고강도 및 우수한 용접성을 제공한다. 그러나 레이저 빔 용접(LBW, Laser Beam Welding)키홀(Keyhole) 불안정성불순물로 인해 기공(Porosity) 결함이 발생한다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 시뮬레이션을 이용하여 빔 진동(Laser Oscillation) 및 빔 입사각(Beam Incident Angle)이 기공 형성 메커니즘에 미치는 영향을 분석.
    • 2219 Al-Cu 합금 T 조인트의 양면 레이저 빔 충진 용접(DLBW)과 진동 레이저 빔 충진 용접(DLBOW)을 비교.
    • 빔 입사각(20°~40°)과 빔 진동기공 억제기계적 특성에 미치는 영향을 실험 및 시뮬레이션을 통해 평가.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 시뮬레이션 조건
    • 재료 및 장비:
      • 2219-T8 알루미늄 합금을 피부재(Skin), 2219-T6 알루미늄 합금을 스트링거(Stringer)로 사용.
      • Dual Fiber Laser System을 활용하여 양면에서 동시에 용접 수행.
      • 3D X-ray CT 스캔을 통해 용접부 내 기공의 3차원 위치 및 형태 분석.
      • IPG YLS-6000 및 YLS-10000 레이저 시스템 사용.
      • FLOW-3D v12 소프트웨어의 Flow WELD 모듈을 이용하여 키홀 동작 및 기공 형성 시뮬레이션 수행.
  2. 시뮬레이션 모델링
    • Cartesian 좌표계에서 모델을 구축하고, Gaussian Heat Source를 적용.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 가스-액체-고체 접합 모델링.
    • 표면 장력, 반동 압력, 열 부력 등의 구동력(driving forces)을 고려하여 실험 결과와의 일치도를 높임.
  3. 레이저 용접 변수
    • 빔 입사각: 20°, 30°, 40°.
    • 레이저 출력: 3500 W (DLBW), 3900 W (DLBOW).
    • 용접 속도: 20 mm/s.
    • 와이어 공급 속도: 5 m/min.
    • 진동 주파수: 300 Hz.
    • 진동 진폭: 1.0 mm.

주요 결과

  1. 기공 형성 메커니즘
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과:
      • DLBW(Dual Laser Beam Welding)에서는 키홀 불안정성으로 인해 큰 기포(Bubble) 형성기공 결함 증가.
      • DLBOW(Dual Laser Beam Oscillation Welding)에서는 빔 진동이 키홀을 안정화시켜 기공 억제 효과가 나타남.
      • 20° 입사각에서 기공률이 0.26%로 가장 낮았으며, 기계적 특성도 가장 우수함.
      • 기공 크기DLBW에서 2.15 mm, DLBOW에서 0.85 mm로, 진동 레이저기공 크기를 60% 이상 감소시킴.
  2. 기계적 특성 개선
    • 20° 입사각 DLBOW에서 후프 인장 강도(Hoop Tensile Strength)는 403 MPa, T-Pull 인장 강도302 MPa로 측정됨.
    • 이는 기초 금속(Base Metal) 강도 대비 각각 89.5%, 71.6% 수준을 기록.
    • 빔 입사각 증가인장 강도 감소:
      • DLBW: 후프 강도 352 MPa → 313 MPa, T-Pull 강도 302 MPa → 214 MPa.
      • DLBOW: 후프 강도 403 MPa → 364 MPa, T-Pull 강도 301 MPa → 284 MPa.
  3. 미세구조(Microstructure) 분석
    • DLBOW에서는 미세 결정립(Equiaxed Grain Zone, EQZ)이 작아지고, 부분 용융대(Partially Melted Zone, PMZ) 폭 감소.
    • DLBW에서는 ‘V’ 형태의 용접 단면이 관찰되었으며, DLBOW에서는 ‘W’ 형태로 변화.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 레이저 빔 진동 및 작은 입사각2219 알루미늄 합금 T 조인트의 기공 억제에 효과적.
    • 20° 입사각 DLBOW에서 기공률 0.26%로 기계적 특성 개선기공 결함 감소.
    • FLOW-3D 시뮬레이션키홀 불안정성기공 형성 메커니즘을 정량적으로 설명할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 용접 속도 및 레이저 출력 조건에서 기공 억제 메커니즘 추가 분석.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 기공 예측 모델 개발.
    • 산업 응용을 위한 최적화 설계 연구.

연구의 의의

이 연구는 레이저 빔 진동 및 입사각 조절을 통한 기공 억제 메커니즘을 규명하고, 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 용접 품질을 향상시킬 수 있는 실질적인 설계 지침을 제공하며, 항공우주 산업의 경량화 및 생산성 증대에 기여할 수 있다​.

Reference

  1. S. Malarvizhi, K. Raghukandan, N. Viswanathan, Fatigue behaviour of post weldheat treated electron beam welded AA2219 aluminium alloy joints, Materials & Design29(8) (2008) 1562-1567.
  2. Q. Li, A.-p. Wu, Y.-j. Li, G.-q. Wang, B.-j. Qi, D.-y. Yan, L.-y. Xiong, Segregationin fusion weld of 2219 aluminum alloy and its influence on mechanical properties ofweld, Transactions of Nonferrous Metals Society of China (English Edition) 27(2)(2017) 258-271.
  3. H. Wang, Y. Yi, S. Huang, Investigation of quench sensitivity of high strength 2219aluminum alloy by TTP and TTT diagrams, Journal of Alloys and Compounds 690(2017) 446-452.
  4. J. Schumacher, I. Zerner, G. Neye, K. Thormann, Laser beam welding of aircraftfuselage panels, ICALEO, 2002.
  5. B. Han, W. Tao, Y. Chen, New technique of skin embedded wire double-sided laserbeam welding, Optics and Laser Technology 91 (2017) 185-192.
  6. J. Enz, S. Riekehr, V. Ventzke, N. Kashaev, N. Huber, Process optimization for thelaser beam welding of high-strength aluminum–Lithiumalloys, Schweißen undSchneiden 64(8) (2012) 482–485.
  7. A. Matsunawa, N. Seto, J.-D. Kim, M. Mizutani, S. Katayama, Dynamics of keyholeand molten pool in high power CO2 laser welding, High-Power Lasers inManufacturing, November 1, 1999 – November 5, 1999, Society of Photo-OpticalInstrumentation Engineers, Osaka, Jpn, 2000, pp. 34-45.
  8. N. Seto, S. Katayama, A. Matsunawa, Porosity formation mechanism andsuppression procedure in laser welding of aluminum alloys, Welding International 15(3)(2001) 191-202.
  9. V. Ventzke, S. Riekehr, M. Horstmann, P. Haack, N. Kashaev, One-sided Nd: YAGlaser beam welding for the manufacture of T-joints made of aluminium alloys foraircraft construction, Welding and Cutting 13(4) (2014) 245-249.
  10. W.A. Sudnik, V.A. Erofeev, Computational simulation of laser fillet and tailored blank welding, International Conference on Lasers, Applications, and Technologies2005 – High-Power Lasers and Applicatons, May 11, 2005 – May 15, 2005, SPIE, St.Petersburg, Russia, 2006, pp. Russian Ministry of Education and Science, Russia;Russian Foundation for Basic Research, Russia; Russian Union of Physicists, Russia;SPIE Russia Chapter.
  11. A.C. Oliveira, R.H.M. Siqueira, R. Riva, M.S.F. Lima, One-sided laser beamwelding of autogenous T-joints for 6013-T4 aluminium alloy, Materials & Design(1980-2015) 65 (2015) 726-736.
  12. N.S. Shanmugam, G. Buvanashekaran, K. Sankaranarayanasamy, S. RameshKumar, A transient finite element simulation of the temperature and bead profiles of Tjoint laser welds, Materials & Design 31(9) (2010) 4528-4542.
  13. M. Miyagi, Y. Kawahito, H. Kawakami, T. Shoubu, Dynamics of solid-liquidinterface and porosity formation determined through x-ray phase-contrast in laserwelding of pure Al, Journal of Materials Processing Technology 250 (2017) 9-15.
  14. C. Zhang, M. Gao, D. Wang, J. Yin, X. Zeng, Relationship between poolcharacteristic and weld porosity in laser arc hybrid welding of AA6082 aluminum alloy,Journal of Materials Processing Technology 240 (2017) 217-222.
  15. J. Xu, Y. Rong, Y. Huang, P. Wang, C. Wang, Keyhole-induced porosity formationduring laser welding, Journal of Materials Processing Technology 252 (2018) 720-727.
  16. Y. Hao, L. Li, Y. Sun, C. Shao, F. Lu, Dynamic behavior of keyhole and moltenpool under different oscillation paths for galvanized steel laser welding, InternationalJournal of Heat and Mass Transfer 192 (2022) 122947.
  17. T. Liu, Z. Mu, R. Hu, S. Pang, Sinusoidal oscillating laser welding of 7075aluminum alloy: Hydrodynamics, porosity formation and optimization, InternationalJournal of Heat and Mass Transfer 140 (2019) 346-358.
  18. W. Tao, Z. Yang, C. Shi, D. Dong, Simulating effects of welding speed on meltflow and porosity formation during double-sided laser beam welding of AA6056-T4/AA6156-T6 aluminum alloy T-joint, Journal of Alloys and Compounds 699 (2017)638-647.
  19. Z. Yang, X. Zhao, W. Tao, C. Jin, Effects of keyhole status on melt flow and flowinduced porosity formation during double-sided laser welding of AA6056/AA6156aluminium alloy T-joint, Optics & Laser Technology 109 (2019) 39-48.
  20. G. Xu, L. Li, H. Wang, P. Li, Q. Guo, Q. Hu, B. Du, Simulation and experimentalstudies of keyhole induced porosity in laser-MIG hybrid fillet welding of aluminumalloy in the horizontal position, Optics and Laser Technology 119 (2019).
  21. S. Pang, W. Chen, J. Zhou, D. Liao, Self-consistent modeling of keyhole and weldpool dynamics in tandem dual beam laser welding of aluminum alloy, Journal ofMaterials Processing Technology 217 (2015) 131-143.
  22. F. Teichmann, S. Müller, K. Dilger, On the occurrence of weld bead porosityduring laser vacuum welding of high pressure aluminium die castings, Procedia CIRP74 (2018) 438-441.
  23. E. Punzel, F. Hugger, T. Dinkelbach, A. Bürger, Influence of power distributionon weld seam quality and geometry in laser beam welding of aluminum alloys, ProcediaCIRP 94 (2020) 601-604.
  24. F. Fetzer, M. Sommer, R. Weber, J.-P. Weberpals, T. Graf, Reduction of pores bymeans of laser beam oscillation during remote welding of AlMgSi, Optics and Lasersin Engineering 108 (2018) 68-77.
  25. Z. Wang, J.P. Oliveira, Z. Zeng, X. Bu, B. Peng, X. Shao, Laser beam oscillatingwelding of 5A06 aluminum alloys: Microstructure, porosity and mechanical properties,Optics & Laser Technology 111 (2019) 58-65.
  26. L. Wang, Y. Liu, C. Yang, M. Gao, Study of porosity suppression in oscillatinglaser-MIG hybrid welding of AA6082 aluminum alloy, Journal of Materials ProcessingTechnology 292 (2021) 117053.
  27. L. Chen, G. Mi, X. Zhang, C. Wang, Effects of sinusoidal oscillating laser beamon weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding,Journal of Materials Processing Technology 298 (2021) 117314.
  28. S. Chen, Y. Wu, Y. Li, M. Chen, Q. Zheng, X. Zhan, Study on 2219 Al-Cu alloyT-joint used dual laser beam bilateral synchronous welding: Parameters optimizationbased on the simulation of temperature field and residual stress, Optics & LaserTechnology 132 (2020) 106481.
  29. Z. Wan, Q. Wang, Y. Zhao, T. Zhao, J. Shan, D. Meng, J. Song, A. Wu, G. Wang,Improvement in tensile properties of 2219-T8 aluminum alloy TIG welding joint byPMZ local properties and stress distribution, Materials Science and Engineering: A 839(2022) 142863.
  30. C. Huang, S. Kou, Partially melted zone in aluminum welds: Solute segregationand mechanical behavior, Welding Journal (Miami, Fla) 80(1) (2001) 9-17.
FLOW Vector

Analysis of Flow in the Pool of Fishway Using FLOW-3D Model

FLOW-3D 모형을 이용한 어도(Fishway) Pool 내 흐름 해석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 어도(Fishway)는 댐이나 하천에 설치되어 어류가 상류로 이동할 수 있도록 돕는 수리구조물이다. 하지만 기존 어도의 설계는 어류의 생태적 특성과 물리적 환경을 충분히 반영하지 못해 기능이 미흡한 경우가 많았다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D CFD 모델을 활용하여 어도 내 Pool(휴식 공간)의 유동 특성을 분석.
    • 어류의 소상(Migration) 환경을 최적화하기 위해 월류 수심(Overflow Depth)과 유속 분포를 평가.
    • 군남홍수조절지를 대상으로 어도의 설계 조건을 검증하고 최적화 방안을 제시.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 3차원 CFD 해석 수행.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 정확히 모델링.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름을 해석.
    • 격자 설정:
      • 계산 영역은 4m × 4m 크기, 격자는 200 × 120 × 30 (총 720,000개) 사용.
      • 격자 간격은 x 방향 0.18m, y 방향 0.14m ~ 0.88m, z 방향 0.07m.
  2. 어도 설계 및 실험 조건
    • 대상지: 군남홍수조절지 내 Pool식 어도.
    • 수치 모델 검증:
      • 기존 잠실수중보 어도의 최적 월류 수심인 10 cm를 적용.
      • 초기 조건:
        • 풀 내 물의 흐름이 정지된 상태에서 격벽 상단부의 월류를 시작으로 계산.
        • 물의 물리적 성질:
          • 온도 20℃, 밀도 1,000 kg/m³, 동점성계수 1.005 × 10⁻⁶ m²/s, 중력가속도 9.81 m/s², 조도계수 0.05.
  3. 분석 항목
    • 유속 및 유동 패턴:
      • Pool 내 유입어도 노치(Notch)와 잠공(Orifice) 부분에서의 최대 유속 분석.
      • 순환류 발생 여부유속의 범위 평가.
    • 월류 수심 변화에 따른 영향:
      • 월류 수심 10 cm를 기준으로, 유입 유속 증가 시 어류의 소상 환경 변화를 분석.

주요 결과

  1. 유속 및 순환류 분석
    • 월류 수심이 10 cm인 경우:
      • Pool 내 최대 유속 0.4 m/s 이하 유지.
      • 국부적 집중 유속에 의해 순환류 발생.
      • 유속의 최대 범위 0.15 m/s를 넘지 않음.
      • 이는 어류의 중간 휴식처로서 적절한 환경을 제공.
  2. 월류 수심 증가 시 어류 소상 환경 변화
    • 월류 수심이 10 cm를 초과할 경우:
      • 풀 내 유입 유속 증가로 어류의 소상 환경이 불량해질 것으로 예상.
      • 특히 어류의 돌진 속도를 초과하는 유속 발생이동 어려움이 발생할 수 있음.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • 정상 상태 도달 시간운동에너지가 일정하게 유지되는 시점으로 간주하여 효율적인 해석을 수행.
    • 모델 결과와 기존 연구 비교:
      • 기존 잠실수중보 어도의 최적 수심 결과와 일치.
      • 어류 이동을 위한 안전하고 안정적인 유속 분포를 확보.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D를 활용한 어도 내 유동 해석이 실질적인 어류 소상 환경 평가에 유용함을 입증.
    • 월류 수심 10 cm를 유지할 때 어류의 휴식처로 최적의 환경을 제공할 수 있음.
    • 월류 수심이 증가할 경우 유입 유속이 증가하여 어류 이동에 부정적인 영향을 미칠 수 있음.
    • 격벽부의 월류 수심을 10 cm로 유지하여 어류의 소상 환경을 최적화할 필요가 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 어류의 종류 및 크기에 따른 최적 유속 및 수심 조건 추가 검토.
    • 다양한 난류 모델(예: LES, k-ω 모델) 적용 및 비교.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 어도 내 유동 예측 모델 개발.
    • 계절 및 유량 변화에 따른 어도 설계 최적화 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 어도 내 유동 특성을 정량적으로 평가하고, 어류 소상 환경을 최적화할 수 있는 설계 지침을 제시하며, 자연 생태계 보전 및 수산자원 보호에 기여할 수 있다​.

Reference

  1. 김혜성, 윤용진, 이동훈, 이은태(2007).어도 및 유인수로의 공간적 배치와 흐름 한국수자원학회 학술 발표회논문집 ,한국수자원학회 , pp. 602-606.
  2. 이진원, 강창수, 이삼희(2000). 혼합형 어도 개발 및 FLUENT 수치모형에 의한 적정성 검토 한국수
    자원학회 학술발표회논문집 한국수자원학회 , pp. 667-672.
  3. 한국수자원학회 (2005). 댐설계기준, 한국수자원학회 .
Scouring

FLOW-3D Modelling of the Debris Effect on Maximum Scour Hole Depth at Bridge Piers

교각 주변 최대 세굴 깊이에 대한 부유물(Debris)의 영향 분석: FLOW-3D 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥의 침식을 유발하여 교량의 구조적 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
    • 홍수 시에는 유량 증가부유물 증가로 인해 세굴 현상이 더욱 심화된다.
    • 부유물은 교각 주변에 쌓여 흐름을 방해하고, 난류(Turbulence) 증가전단응력(Shear Stress) 증대로 이어져 세굴을 악화시킨다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D CFD 모델을 사용하여 부유물 형태 및 위치가 원형 교각 주변의 최대 세굴 깊이에 미치는 영향을 평가.
    • 삼각형 및 직사각형 부유물을 수면에 떠있는 경우(floating)와 하상(sand bed)에 놓인 경우로 구분하여 비교.
    • 실험 결과와의 비교 검증을 통해 모델의 신뢰성을 평가.

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 활용한 3차원 CFD 해석 수행.
  • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 흐름을 모델링.
  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 통해 자유 수면(free surface)을 추적.
  • 모델 검증:
    • Robalo (2014)의 실험 데이터를 사용하여 평균 속도 및 세굴 깊이 비교.
    • 실험 채널은 길이 12.0m, 폭 0.83m, 높이 1.0m의 직사각형 콘크리트 플룸(fluvial hydraulic channel) 사용.
  1. 부유물(Debris) 유형 및 조건
    • 부유물 형태: 삼각형(Triangular)직사각형(Rectangular).
    • 부유물 위치:
      • 수면(floating debris): 부유물이 흐름을 막아 세굴을 증대시킴.
      • 하상(sand bed debris): 세굴 억제(countermeasure) 역할을 하여 세굴 깊이를 줄이는 효과.
    • 하상 재료:
      • 천연 석영 모래(Quartz Sand) 사용, D50 = 0.86 mm, 밀도 2666 kg/m³.
      • 평균 접근 유속(U) = 0.317 m/s, 수심 0.15 m 설정.
  2. 모델 검증 및 비교 분석
    • FLOW-3D 결과와 실험 결과 비교:
      • 평균 속도 프로파일 비교 시, 실험과 유사한 흐름 발달을 보여 모델의 신뢰성 확보.
      • 그러나 이동 가능한 하상(movable bed)을 적용했을 때, 평균 30%의 편차가 발생.
    • Shields (1936) 기준과의 비교:
      • 실험에서는 Neil (1967) 및 Garde (1970) 공식을 사용하여 한계 유속(Uc) 0.314 m/s를 평가.
      • FLOW-3D에서는 Shields 기준(Uc 0.403 m/s)을 사용하여 20% 높은 값을 적용.
      • 이는 세굴 깊이 과소 예측의 주요 원인으로 분석.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 및 부유물 영향 비교
    • 부유물 없는 경우:
      • 세굴 깊이 0.06 m.
    • 부유물 유형에 따른 세굴 깊이:
      • 직사각형 부유물(수면): 세굴 깊이 0.07 m (가장 큰 세굴).
      • 삼각형 부유물(수면): 세굴 깊이 0.05 m.
      • 삼각형 부유물(하상): 세굴 깊이 0.04 m, 세굴 감소 효과 ≈ 40%.
  2. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • 고정된 하상(fixed bed) 시뮬레이션에서는 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 그러나 이동 가능한 하상(movable bed) 적용 시, 실험 결과와 평균 30% 편차 발생.
    • Shields 기준의 한계:
      • Uc 평가 방법의 차이가 주요 원인으로 분석.
      • Shields 기준은 한계 전단응력(Threshold Shear Stress)을 과대 평가하여 세굴 깊이를 과소 예측.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 모델은 부유물 유형 및 위치에 따른 세굴 깊이 변화를 예측할 수 있음.
    • 수면에 떠 있는 직사각형 부유물세굴을 가장 크게 증가시키며, 삼각형 부유물(하상)은 세굴을 줄이는 효과가 있음.
    • Shields 기준의 적용세굴 깊이 과소 예측의 원인으로, 국내 하천 조건에 맞는 보정 필요.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 난류 모델(예: LES, k-ω 모델) 적용 및 비교.
    • 다양한 하상 조건 및 교각 형상에 대해 추가 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 세굴 예측 모델 개발.
    • 부유물의 재질, 크기 및 배열에 따른 세굴 영향 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용한 교각 주변 부유물의 세굴 영향 분석을 통해 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 데이터를 제공하며, 홍수 시 구조물 안전성을 높이는 데 기여할 수 있다​.

Reference

  1. Baykal, C., Sumer, B.M., Fuhrman, D.R., Jacobsen, N.G. e FredsØe, J. (2015). “Numerical investigation of flow and scour around a vertical circular cylinder”. Philos Trans A MAth Phys Eng Sci, 373(2033): 20140115.
  2. Dias, A.J.P. (2018). Study the impact of debris on cavities erosion at bridge piers”. MSc Thesis, University of Beira Interior (in Portuguese).
  3. Dias, A.J.P., Fael, C.S. and Núñez-González, F. (2019). Effect of debris on local scour at bridge piers. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 471–022024.
  4. Franzetti, S., Radice, A., Rabitti, M. and Rossi, G. (2011). Hydraulic design and preliminary performance evaluation of countermeasure against debris accumulation and resulting local pier scour on River Po in Italy. Journal of Hydraulic Engineering, 137(5), 615–620.
  5. Garde, R.J. (1970). Initiation of motion on a hydrodynamically rough surface. Critical velocity approach, JIP 6(2) India.
  6. Ghasemi, M. and Soltani-Gerdefaramarzi, S. (2017). The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D. Journal of Hydrosciences and Environment, 1(2), 46–54.
  7. Hemdan, N.T., Abdallah, M.Y., Mohamed, A.G., Basiouny, M., Abd-Elmaged, A.B.A. (2016). Experimental study on the effect of permeable blockage at front of one pier on scour depth at mult-vents bridge supports. Journal of Engineering Sciences, Assiut University, Faculty of Engineering, 44(1), 27–39.
  8. Li, G., Lang, L. and Ning, J. (2013). 3D Numerical Simulation of Flow and Local Scour around a Spur Dike. Proceedings of the 35th IAHR World Congress, Chengdu, China.
  9. Mehnifard, M.A., Dalfardi, S., Baghdadi, H. and Seirfar, Z. (2014). Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D numerical model. Desert 20–1, 47–55.
  10. Meyer-Peter, E. and Müller, R., (1948), Formulas for bed-load transport. Proceedings of the 2nd Meeting of the International Association for Hydraulic Structures Research. 39–64.
  11. Mohamed, H.I. (2012). Numerical Simulation of Flow and Local Scour at Two Submerged-emergent Tandem Cylindrical Piers”. Journal of Engineering Sciences, Assiut University, 41(1).
  12. Moussa, Y.A.M., Nasr-Allah, T.H. and Abd-Elhasseb, A. (2016). Studying the effect of partial blockage on multivents bridge pier scour experimentally and numerically. Ain Shams Engineering Journal, 9(4), 1439-1450.
  13. Neil, C.R. (1967). Mean velocity criterion for scour of coarse uniform bed-material. Proceeding of of the XII IAHR Congress, Fort Collins, Colorado, 4654.
  14. Pagliara, S. and Carnacina, I. (2010). Temporal scour evolution at bridge piers: roughness and porosity. Journal of Hydraulic Research, 48 (1), 3–13.
  15. Rahimi, E., Qaderi, K., Rahimpour, M. and Ahmadi, M.M. (2017). Effect of Debris on Pier Group Scour: An Experimental Study. JKSCE ournal of Civil Engineering,1–10.
  16. Ramos, C. M. (2005) – Drainage in Transport Infrastructure and Bridges Hydraulics. National Laboratory for Civil Engineering, Book, Chapter C2 (in Portuguese)
  17. Robalo, R.M.T. (2014). Influence of vertical cylindrical elements permeability on flow behavior, MSc Thesis. University of Beira Interior (in Portuguese).
  18. Shields, A.F. (1936). Application of similarity principles and turbulence research to bed-load movement. Vol 26. Simarro, G., Fael, C. and Cardoso, A. (2011). Estimating equilibrium scour depth at cylindrical piers in experimental studies. Journal of Hydraulic Engineering, 137 (9), 1089–1093.
  19. Simons, D.B., and Sentürk, F. (1992). Sediment transport technology. Fort Collins, Colorado, USA, Water Resources Publications.
  20. Soulsby, R.L. and Whitehouse, R.J.S.W., (1997). Threshold of sediment motion in Coastal Environments. Proceedings of Combined Australian Coastal Engineering and Port Conference, EA, 49–154.
  21. Vasquez, J.A. and Walsh, B.W. (2009). CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow. Proceedings of the 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, Vancouver, Canada.
  22. Winterwerp, J.C., Bakker, W.T., Mastbergen, D.R. and Van Rossum, H., (1992) Hyperconcentrated sand-water mixture flows over erodible bed. Journal of Hydraulic Engineering, 118, 1508–1525.
  23. Zevenbergen, L.W., Lagasse, P.F. and Clopper, P.E. (2007). Effects of Debris on Bridge Pier Scour. World Environmental and Water Resources Congress 2007: Restoring Our Natural Habitat, 1–10
FLOW-3D MESH

Characterizing Flow Losses Occurring in Air Vents and Ejector Pins in High-Pressure Die Castings

고압 다이캐스팅에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실 특성화

연구 목적

  • 본 논문은 **FLOW-3D®**를 사용하여 **고압 다이캐스팅(HPDC)**에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실을 수치적으로 분석함.
  • 주조 과정에서 발생하는 **기공(porosity), 공기 함유량, 유동 손실 계수(loss coefficient)**를 측정하고 모델링함.
  • 실험 데이터를 바탕으로 CFD 모델을 보정하여 실제 다이캐스팅 공정의 유동 손실을 예측함.
  • 공기 배출 및 유동 손실을 효과적으로 제어할 수 있는 주조 설계 최적화 방안을 제안함.

연구 방법

  1. 공기 유동 및 손실 모델링
    • 공기 유동 손실은 배출구, 이젝터 핀, 잔류 누출 경로에서 발생하는 것으로 가정됨.
    • FLOW-3D®의 단열 기포 모델(Adiabatic Bubble Model)을 활용하여 유동 손실을 분석함.
    • Darcy 마찰계수 및 Moody 다이어그램을 활용한 기존 이론 모델과 비교 검증함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 유체 유동을 분석하기 위해 압력 강하(pressure drop) 및 공기 배출 경로를 모델링함.
    • 공기 유동을 비압축성 가스로 모델링한 경우단열 기포 모델을 적용한 경우를 비교 분석함.
    • 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 평가함.
  3. 실험 데이터 기반 검증
    • 실험은 Littler DieCast에서 수행되었으며, 금속이 없는 상태에서 공기 유동 실험을 진행함.
    • 다음의 5가지 조건에서 실험을 수행함.
      1. 모든 배출구 개방 (All Open)
      2. 배큠 밸브 닫힘 (Vacuum Closed)
      3. 분할선 닫힘 (Parting Line Closed)
      4. 이젝터 핀 및 분할선 닫힘 (Ejector and Parting Line Closed)
      5. 모든 배출구 닫힘 (All Closed)
    • 압력 변화 곡선을 측정하여 유동 손실을 정량화함.
  4. 추가 분석
    • 배출구 크기, 이젝터 핀 배치, 누출 경로 변화에 따른 유동 손실 변화를 분석함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터를 비교하여 손실 계수를 보정함.
    • 고압 다이캐스팅에서 공기 배출 효율을 높일 수 있는 설계 변경안을 평가함.

주요 결과

  1. 유동 손실 및 압력 강하 분석
    • 실험 결과, 배큠 밸브가 주요 배출 경로이며, 밸브가 닫힐 경우 내부 압력이 증가함.
    • 이젝터 핀이 열려 있을 경우에도 압력 강하가 크지 않음 (압력 차 2psi 이하).
    • 분할선 배출은 압력에 거의 영향을 미치지 않으며, 배출 설계 시 주요 고려 대상이 아님.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 검증
    • “All Closed” 실험과 CFD 결과 비교 시, 압력 차이가 5% 이내로 유사하게 예측됨.
    • 단열 기포 모델(Adiabatic Bubble Model)을 적용한 경우, 실험과 가장 일치하는 압력 곡선을 보임.
    • 잔류 누출(Residual Leak)이 존재할 경우, 모델과 실험 간 차이가 발생하며, 이는 금형 설계 시 고려해야 함.
  3. 배출 경로 최적화 가능성
    • 배큠 밸브가 없는 경우에도, 연장된 러너 시스템이 자연 배출구 역할을 수행할 수 있음.
    • 잔류 누출 경로(shot sleeve, parting line 등)가 전체 유동 손실에 미치는 영향이 큼.
    • 이젝터 핀 및 잔류 배출구를 최적화하면 배큠 밸브 없이도 효과적인 공기 배출 가능.
  4. 설계 개선 및 향후 연구 방향
    • FLOW-3D®를 활용하여 밸브 형상 및 배출 경로 최적화 가능.
    • 잔류 누출을 고려한 CFD 모델을 추가적으로 보정할 필요가 있음.
    • 실제 금속 충진 실험과 결합하여 기공 형성 및 공기 배출 성능을 종합적으로 분석해야 함.

결론

  • FLOW-3D® 시뮬레이션은 고압 다이캐스팅의 공기 유동 손실 분석에 효과적임.
  • 배큠 밸브가 없어도 연장된 러너 시스템을 활용하여 공기 배출 가능함.
  • 단열 기포 모델을 적용한 CFD 결과가 실험과 가장 높은 일치도를 보임.
  • 향후 연구에서는 금속 충진 과정까지 포함한 종합적인 유동 해석이 필요함.

Reference

  1. White, F.M., Fluid Mechanics, 4th ed., p 256, John Fellows Publishing Co., New York, NY (1940)
  2. Flow of Fluids Through Valves, Fittings, and Pipe, Crane Technical Paper No. 410, Joliet, IL: Crane Co., 1988.
  3. C.W. Hirt and B.D. Nichols, “Volume-of-Fluid (VOF) Method for the Dynamics of. Free Boundaries,” J.
    Comp. Phys., 39, 1981, pp. 201-225.
  4. FLOW-3D® v 9.4 Manual
  5. Mold Filling Simulation of High Pressure Die Casting for Predicting Gas Porosity, Modeling of asting, Welding, and Advanced Solidification Processes X, TMS (The Mineral, Metals, & Materials Society), 2003, pp. 335
  6. Modeling of Air Venting in Pressure Die Casting Process, Nouri-Borujerdi, A., Goldak, J.A., AD, Journal of Manufacturing and Science and Engineering, ASME, 2004
Welding

CFD Simulations for Laser Welding of Aluminum Alloys Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금 레이저 용접의 CFD 시뮬레이션

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 알루미늄 합금의 레이저 용접(Laser Welding) 공정을 수치적으로 분석함.
  • 용접 공정에서 발생하는 기공(porosity) 형성 및 용융지(melt pool) 동역학을 해석하여 품질 향상 방안을 제시함.
  • 레이저 빔 경사각 및 용접 속도가 기공 형성 및 용접 품질에 미치는 영향을 평가함.
  • 실험 데이터를 CFD 모델링과 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 검증함.

연구 방법

  1. 실험 및 모델링 설정
    • AA5182 알루미늄 합금 판재(1mm + 2mm)를 사용하여 원격 레이저 용접을 수행함.
    • 6kW 연속파 광섬유 레이저(IPG)를 사용하고, Galvo 미러로 빔을 조준함.
    • 레이저 경사각을 -15°에서 45°까지 변화시키며 용접 실험을 진행함.
    • 고속 CCD 카메라를 사용하여 용융지 형성과 기공 발생을 기록함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 자유 표면 유동을 추적함.
    • 레이저-재료 상호작용, 상변화, 유체 유동, 응고 과정을 포함한 CFD 모델 구축.
    • Fresnel 흡수 모델을 사용하여 빔 각도에 따른 에너지 흡수를 반영함.
    • 메쉬 독립성 연구를 수행하여 최적의 격자 해상도를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험과 시뮬레이션을 비교하여 기공 형성 메커니즘을 분석함.
    • 용접 속도 증가가 기공 형성에 미치는 영향을 실험적으로 검증함.
    • 기공 억제 전략을 도출하여 용접 품질 향상을 위한 설계 지침을 제안함.
  4. 추가 분석
    • 용접 속도 및 레이저 경사각 변화가 용융지 내 난류 구조 및 기공 형성에 미치는 영향을 분석함.
    • 고출력 레이저 용접 시 키홀(Keyhole) 안정성을 평가함.
    • 향후 연구 방향으로 다중 재료 용접 및 다이캐스팅 부품 용접에 대한 추가 연구를 제안함.

주요 결과

  1. 기공 형성 및 용접 품질 분석
    • 고출력(6kW) 및 높은 용접 속도(12m/min)에서 키홀이 안정적으로 유지됨.
    • 키홀 벽면이 붕괴할 때 기공이 형성되며, 용접 속도가 높을수록 기공 억제 효과가 증가함.
    • 레이저 빔 경사각이 45°일 때 후면 용융지에 난류가 줄어들며, 기공 형성이 감소함.
  2. 용융지 유동 패턴 및 난류 영향
    • 레이저 빔이 수직(0°)일 때, 후면 용융지가 불안정하여 기공이 쉽게 발생함.
    • 30° 이상의 경사각에서는 용융지 유동이 균형을 이루며 기공 형성이 감소함.
    • 마랑고니 대류(Marangoni convection)와 재충돌(Recoil pressure) 영향이 용융지 유동에 주요한 역할을 함.
  3. 시뮬레이션 검증 및 오차 분석
    • 실험 결과와 시뮬레이션 비교 시 기공 면적 비율 차이 평균 오차 5~8% 수준으로 확인됨.
    • 실험에서는 키홀 붕괴로 인해 발생한 기공 크기가 시뮬레이션보다 다소 크게 측정됨.
    • 레이저 초점 위치 오차가 실험과 시뮬레이션 결과 차이의 원인 중 하나로 분석됨.
  4. 용접 공정 최적화 방안
    • 고출력(6kW) + 높은 용접 속도(12m/min) + 경사각 45° 조합이 기공 최소화에 효과적임.
    • 키홀이 안정적인 상태에서 후면 용융지 난류 감소 시 기공 형성이 억제됨.
    • 향후 연구에서 레이저 빔 모양 및 펄스 변조 기법을 적용하여 추가 실험이 필요함.

결론

  • FLOW-3D 시뮬레이션은 레이저 용접 공정의 기공 형성 예측에 효과적임.
  • 높은 용접 속도와 레이저 경사각 증가가 기공 억제에 유리함.
  • 실험과 시뮬레이션 간 높은 상관관계를 보이며, 일부 차이는 초점 위치 및 난류 모델 영향으로 판단됨.
  • 향후 연구에서는 다이캐스팅 부품 및 다중 재료 용접 적용성 연구가 필요함.

Reference

  1. L.J. Zhang, J.X. Zhang, A. Gumenyuk, M. Rethmeier, S.J. Na, Numerical simulation of full penetration laser welding of thick steel plate with high power high brightness laser, Journal of Materials Processing Technology, Volume 214, Issue 8, 2014.
  2. Flow Science, Inc., 2017. FLOW 3D User Manual V11.2.
  3. Runqi Lin, Hui-ping Wang, Fenggui Lu, Joshua Solomon, Blair E. Carlson, Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 108, Part A, 2017.
Numerical-modelling

A Study of the Conditions of Energy Dissipation in Stepped Spillways with Λ-shaped step Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 Λ자형 계단식 여수로의 에너지 소산 조건 연구

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 Λ자형 계단식 여수로(stepped spillway)의 에너지 소산 효과를 분석함.
  • 기존 계단식 여수로와 Λ자형 계단식 여수로의 유동 특성을 비교하여 에너지 소산 성능을 평가함.
  • 다양한 유량 조건에서 난류 구조 및 수력 특성을 해석하여 최적의 설계 조건을 탐색함.
  • 수치 해석을 통해 실험적 연구의 한계를 보완하고, 여수로 설계 최적화 가능성을 검토함.

연구 방법

  1. 여수로 모델링 및 실험 설정
    • Λ자형 계단식 여수로와 기존 계단식 여수로를 비교하기 위해 3D 모델을 구축함.
    • 다양한 유량 조건에서 수면 형상, 속도 분포, 공기 혼입 효과 등을 평가함.
    • 실험 데이터를 통해 시뮬레이션 결과를 검증하고, 모델의 신뢰성을 평가함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유수면 흐름을 해석함.
    • 난류 모델로 RNG k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 사용하여 유동 특성을 분석함.
    • 메쉬 독립성 검토를 통해 최적의 해상도를 설정하고 계산 정확도를 높임.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터를 바탕으로 에너지 소산율 및 유동 패턴을 비교 분석함.
    • Λ자형 계단식 여수로와 기존 계단식 여수로 간의 차이를 정량적으로 평가함.
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간의 평균 오차율을 계산하여 모델의 정확성을 검증함.
  4. 추가 분석
    • 유량 변화가 여수로 내 유동 특성 및 에너지 소산에 미치는 영향을 연구함.
    • 공기 혼입 현상이 여수로 성능에 미치는 영향을 평가함.
    • 향후 연구 방향으로 추가적인 실험적 검증 및 최적 설계 기법을 제안함.

주요 결과

  1. 에너지 소산 성능 비교
    • Λ자형 계단식 여수로는 기존 계단식 여수로보다 평균 12~18% 높은 에너지 소산율을 보임.
    • 높은 유량 조건에서도 안정적인 유동을 유지하며, 월류(overflow) 및 난류 강도가 감소함.
    • 기존 계단식 여수로에 비해 낙하한 물이 계단 표면에서 분산되면서 충격 에너지가 감소함.
  2. 유동 패턴 및 난류 구조
    • Λ자형 계단식 여수로에서는 물이 계단 측면으로 확산되면서 유동이 균등하게 분포됨.
    • 기존 계단식 여수로에서는 수직 방향 난류가 강하게 발생하며, 불균형한 흐름이 형성됨.
    • 계단 형상이 난류 구조 및 에너지 소산 효율에 중요한 영향을 미침.
  3. 공기 혼입 효과
    • Λ자형 계단식 여수로에서는 공기 혼입이 균일하게 발생하여 압력 변화가 완화됨.
    • 기존 계단식 여수로보다 기포 형성이 균일하며, 수압 변동이 줄어들어 구조적 안정성이 향상됨.
    • 공기 함유량이 증가하면 에너지 소산 효과가 더욱 높아지는 경향을 보임.
  4. 시뮬레이션과 실험 비교
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과 간 평균 오차율은 4~7% 수준으로 나타남.
    • 특정 유량 조건에서 시뮬레이션 결과가 실험값보다 다소 낮게 예측되는 경향이 있음.
    • 메쉬 해상도 및 난류 모델 보정을 통해 예측 정확도를 향상시킬 수 있음.

결론

  • Λ자형 계단식 여수로는 기존 계단식 여수로보다 높은 에너지 소산 효과를 보임.
  • 공기 혼입이 균일하게 발생하여 수압 변동이 줄어들고 구조적 안정성이 증가함.
  • 실험과 시뮬레이션 결과 간의 높은 상관성을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 계단 형상과 추가적인 실험적 검증이 필요함.

Reference

  1. Chanson, Hubert. Hydraulics of stepped chutes and spillways. CRC Press, 2002.
  2. Cassidy, John J. “Irrotational flow over spillways of finite height.” Journal of the Engineering Mechanics Division 91, no. 6(1965): 155-176.
  3. Sorensen, Robert M. “Stepped spillway hydraulic model investigation.” Journal of Hydraulic Engineering 111, no. 12 (1985):1461-1472.
  4. Pegram, Geoffrey GS, Andrew K. Officer, and Samuel R. Mottram. “Hydraulics of skimming flow on modeled stepped spillways.”Journal of hydraulic engineering 125, no. 5 (1999): 500-510.
  5. Tabbara, Mazen, Jean Chatila, and Rita Awwad. “Computational simulation of flow over stepped spillways.” Computers &structures 83, no. 27 (2005): 2215-2224.
  6. Pedram, A and Mansoori, A. “Study on the end sill stepped spillway energy dissipation”, Seventh Iranian Hydraulic Conference,Power and Water University of Technology, Tehran, Iran, (2008) (In Persian).
  7. Naderi Rad, A et al. “Energy dissipation in various types of stepped spillways including simple, sills, and sloped ones usingFLUENT numerical model”, journal of civil and environmental engineering 39, no 1 (2009) (In Persian).
  8. Stephenson, D. “Energy dissipation down stepped spillways.” International water power & dam construction 43, no. 9 (1991):27-30.
  9. Soori, S and Mansoori, A. “compared energy dissipation in Nappe flow and Skimming flow regime using FLOW-3D”,International Conference on Civil, Architecture and Urban Development, Islamic Azad University, Tabriz, Iran, (2013) (In Persian).
  10. Pfister, Michael, Willi H. Hager, and Hans-Erwin Minor. “Bottom aeration of stepped spillways.” Journal of HydraulicEngineering 132, no. 8 (2006): 850-853.
  11. Pfister, Michael, and Willi H. Hager. “Self-entrainment of air on stepped spillways.” International Journal of Multiphase Flow37, no. 2 (2011): 99-107.
  12. Hamedi, Amirmasoud, Mohammad Hajigholizadeh, and Abbas Mansoori. “Flow Simulation and Energy Loss Estimation in theNappe Flow Regime of Stepped Spillways with Inclined Steps and End Sill: A Numerical Approach.” Civil Engineering Journal 2,no. 9 (2016): 426-437.
  13. Sedaghatnejad, S. “Investigation of energy dissipation in the end sill stepped spillways”, Master thesis, Sharif University ofTechnology, (2009)..
welding pattern

Analysis of Submerged Arc Welding Process by Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Simulations

3차원 전산유체역학 시뮬레이션을 이용한 서브머지드 아크 용접 공정 분석

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, SAW) 공정의 열전달 및 유동 거동을 시뮬레이션함.
  • 용접 토치 각도 및 전류 극성이 용융지(molten pool)의 유체 흐름과 용접 비드 형상에 미치는 영향을 분석함.
  • CCD 카메라와 Abel 역변환 기법을 이용하여 아크 열 플럭스, 아크 압력 및 전자기력을 모델링함.
  • 수치 해석 결과와 실험 데이터를 비교하여 모델의 정확성을 검증함.

연구 방법

  1. 서브머지드 아크 용접 모델링
    • SAW는 플럭스(flux)층 아래에서 진행되는 용접 방식으로, 열전달과 유체 흐름을 복합적으로 포함함.
    • 실험 데이터를 기반으로 3D 용접 모델을 구축하고, 유동 및 열 전달 분석을 수행함.
    • 단일 전극(single electrode) SAW 공정에 대해 연구를 진행함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 용융지의 자유 표면 변화를 추적함.
    • 난류 모델로 k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 적용하여 아크 플라즈마의 유동 해석을 수행함.
    • 전류 극성(직류 DC 및 교류 AC)에 따른 아크 특성과 열 전달을 시뮬레이션함.
  3. 아크 및 열전달 모델링
    • CCD 카메라를 사용하여 아크 플라즈마의 형상을 촬영하고, Abel 역변환 기법을 이용하여 아크 열 플럭스를 모델링함.
    • 플럭스 소비량을 분석하여 슬래그(slag) 열원의 효과를 고려함.
    • 전자기력(EMF) 모델을 적용하여 용융지 내부의 유체 흐름을 예측함.
  4. 결과 검증 및 비교
    • 실험 데이터를 기반으로 시뮬레이션 결과를 검증하고, 용접 비드 형상과 유동 패턴을 비교함.
    • 실험적으로 측정된 용융지 온도 분포와 시뮬레이션 결과 간의 차이를 분석함.
    • 전류 극성 및 토치 각도 변화가 용접 품질에 미치는 영향을 평가함.

주요 결과

  1. 용접 토치 각도와 용융지 유동
    • 용접 토치 각도가 -20°인 경우, 용융지가 깊은 침투형 비드를 형성함.
    • 반대로 +20°일 경우, 얕고 넓은 용접 비드가 형성됨.
    • 용융지 내부 유동 패턴이 용접 품질에 직접적인 영향을 미침.
  2. 전류 극성에 따른 차이
    • 직류(DC) 용접에서는 일정한 아크 열원이 유지되며, 용융지가 안정적인 흐름을 보임.
    • 교류(AC) 용접에서는 아크 플라즈마가 주기적으로 변하며, 용융지의 유동이 보다 역동적임.
    • 교류(AC)에서는 깊은 침투보다는 넓은 용접 비드가 형성되는 경향을 보임.
  3. 슬래그 열원의 영향
    • 플럭스 소비량이 증가할수록 슬래그에서 추가적인 열전달이 발생하여 용접 품질에 영향을 미침.
    • 플럭스 소비율이 증가하면 용접 속도에 따라 슬래그 열효율이 달라짐.
    • 슬래그의 역할을 고려한 추가적인 모델링이 필요함.
  4. 시뮬레이션과 실험 비교
    • 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며, 높은 신뢰성을 입증함.
    • 일부 고온 영역에서 실험 데이터와 시뮬레이션 값 간 3~5%의 오차가 존재함.
    • 모델 개선을 위해 용융지 내의 난류 효과를 추가로 고려해야 함.

결론

  • FLOW-3D는 서브머지드 아크 용접 공정의 열전달 및 유동 해석에 효과적인 도구임.
  • 토치 각도와 전류 극성이 용융지 유동 및 용접 비드 형상에 직접적인 영향을 미침.
  • 슬래그 열전달을 고려한 시뮬레이션이 용접 품질 예측에 중요한 요소임.
  • 향후 연구에서는 다중 전극 SAW 및 다양한 용접 조건을 고려한 추가 분석이 필요함.

Reference

  1. Chandel, R.S., 1998. The effect of process variables on the flux consumption in submerged arc welding. Materials and Manufacturing Processes 13, 181–188.
  2. Cho, D.W., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2013a. Simulations of weld pool dynamics in V-groove GTA and GMA welding. Welding in the World 57, 223–233.
  3. Cho, D.W., Lee, S.H., Na, S.J., 2013b. Characterization of welding arc and weld pool formation in vacuum gas hollow tungsten arc welding. Journal of Materials Processing Technology 213, 143–152.
  4. Cho, D.W., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2013c. A study on V-groove GMAW for various welding positions. Journal of Materials Processing Technology 213, 1640–1652.
  5. Cho, Y.T., Na, S.J., 2005. Application of Abel inversion in real-time calculations for circularly and elliptically symmetric radiation sources. Measurement Science and Technology 16 (3), 878–884.
  6. Cho, J.H., Na, S.J., 2006. Implementation of real-time multiple reflection and Fresnel absorption of laser beam in keyhole. Journal of Physics D: Applied Physics 39, 5372–5378.
  7. Cho, J.H., Na, S.J., 2009. Three-dimensional analysis of molten pool in GMA-laser hybrid welding. Welding Journal 88, 35s–43s.
  8. Cho, M.H., Farson, D.F., 2007. Understanding bead hump formation in gas metal arc welding using a numerical simulation. Metallurgical and Materials Transactions B 38, 305–319.
  9. Cho, W.I., Na, S.J., Cho, M.H., Lee, J.S., 2010. Numerical study of alloying element distribution in CO2 laser-GMA hybrid welding. Computational Materials Science 49, 792–800.
  10. Cho, W.I., Na, S.J., Thomy, C., Vollertsen, F., 2012. Numerical simulation of molten pool dynamics in high power disk laser welding. Journal of Materials Processing Technology 212, 262–275.
  11. Christensen, N., Davies, V.D.L., Gjermundsen, K., 1965. Distribution of temperatures in arc welding. British Welding Journal 12, 54–75.
  12. Franz, U., 1965. Vorgange in der Kaverne beim UP-Schweissen Teil I. Schweiss Tech 15, 145–150.
  13. Han, S.W., Cho, W.I., Na, S.J., Kim, C.H., 2013. Influence of driving forces on weld pool dynamics in GTA and laser welding. Welding in the World 57, 257–264.
  14. Kim, C.H., Zhang, W., Debroy, T., 2003. Modeling of temperature field and solidified surface profile during gas–metal arc fillet welding. Journal of Applied Physics 94 (4), 2667–2679.
  15. Kim, J., Na, S., 1994. A study on the three-dimensional analysis of heat and fluid flow in gas metal arc welding using boundary-fitted coordinates. Journal of Engineering for Industry (United States) 116.
  16. Kim, W.H., Fan, H.G., Na, S.J., 1997. Effect of various driving forces on heat and mass transfer in arc welding. Numerical Heat Transfer. Part A: Applications 32, 633–652.
  17. Kiran, D., Basu, B., Shah, A., Mishra, S., De, A., 2010. Probing influence of welding current on weld quality in two wire tandem submerged arc welding of HSLA steel. Science and Technology of Welding & Joining 15, 111–116.
  18. Kou, S., Sun, D.K., 1985. Fluid flow and weld penetration in stationary arc welds. Metallurgical Transactions A 16 (1), 203–213.
  19. Lancaster, J.F., 1986. The Physics of Welding. Pergamon Press, England, pp. 233. Mahapatra, M.M., Datta, G.L., Pradhan, B., Mandal, N.R., 2006. Three-dimensional
  20. finite element analysis to predictthe effects of SAW process parameters on temperature distribution and angular distortions in single-pass butt joints with top and bottom reinforcements. International Journal of Pressure Vessels and Piping 83, 721–729.
  21. Moeinifar, S., Kokabi, A.H., Hosseini, H.R.M., 2011. Effect of tandem submerged arc welding process and parameters of Gleeble simulator thermal cycles on properties of the intercritically reheated heat affected zone. Materials & Design 32, 869–876.
  22. Pokhodnya, I.K., Kostenko, B.A., 1965. Fusion of electrode metal and its interaction with the slag during submerged arc welding. AUTOMAT WELD 18, 21–29.
  23. Renwick, B.G., Patchett, B.M., 1976. Operating characteristics of the submerged arc process. Welding Journal, Research Supplement 55, 69s–76s.
  24. Sharma, A., Chaudhary, A.K., Arora, N., Mishra, B.K., 2009. Estimation of heat source model parameters for twin-wire submerged arc welding. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 45, 1096–1103.
  25. Shome, M., 2007. Effect of heat-input on austenite grain size in the heat-affected zone of HSLA-100 steel. Materials Science and Engineering A 445, 454–460.
  26. Van Adrichem, J.T., 1966. Metal transfer in submerged arc welding. International Institute of Welding Document, 212-78-66.
  27. Wen, S.W., Hilton, P., Farrugia, D.C.J., 2001. Finite element modelling of a submerged arc welding process. Journal of Materials Processing Technology
impulse wave

3D Simulations of Impulse Waves Originating from Concurrent Landslides Near an Active Fault Using FLOW-3D Software: A Case Study of Çetin Dam Reservoir

FLOW-3D를 이용한 활성 단층 인근 동시 산사태 발생에 따른 충격파 시뮬레이션: 터키 남동부 체틴 댐 저수지 사례 연구

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 체틴 댐 저수지에서 발생할 수 있는 **충격파(impulse wave)**의 특성을 3D 수치 시뮬레이션으로 분석함.
  • 활성 단층 지역에서 발생하는 산사태가 저수지 내에서 충격파를 유발하는 메커니즘을 연구함.
  • 단일 산사태와 동시 다발적 산사태가 발생할 경우의 충격파 영향을 비교 분석함.
  • 충격파의 간섭(interference) 효과가 저수지 내 파랑 특성과 댐 구조물에 미치는 영향을 평가함.

연구 방법

  1. 지질 및 지형 모델링
    • 연구 지역은 터키 남동부 체틴 댐 저수지로, 아라비아판과 타우루스판이 만나는 조산대에 위치함.
    • 댐과 저수지 주변의 주요 단층 구조와 산사태 가능 지역을 고려하여 3D 지형 모델을 생성함.
    • 1/25,000 축척의 디지털 지형 데이터를 사용하여 저수지 및 주변 지형을 모델링함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유수면과 산사태 물질 간의 상호작용을 해석함.
    • RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 적용하여 유체 흐름과 충격파 전파 특성을 평가함.
    • 부분적으로 잠긴 산사태(4900m 거리)와 완전히 노출된 산사태(800m 거리)를 각각 독립적으로 모델링하고, 이후 두 산사태가 동시에 발생하는 경우를 시뮬레이션함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 개별 산사태와 동시 산사태가 발생했을 때의 충격파 높이와 전파 속도를 비교함.
    • 실험 및 문헌 데이터를 활용하여 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 검증함.
    • 충격파 간섭 현상이 발생하는 위치와 그 영향 범위를 분석함.
  4. 추가 분석
    • 충격파의 증폭(constructive interference) 또는 감쇠(destructive interference) 여부를 평가함.
    • 저수지 경계 및 댐 구조물과의 충돌이 파형 변화에 미치는 영향을 연구함.
    • 충격파의 전파 거리와 수심에 따른 에너지 소산 효과를 분석함.

주요 결과

  1. 산사태별 충격파 특성
    • 산사태 1(800m 거리, 육상 산사태): 34초 후 댐에 도달, 최대 파고 4.0m 발생.
    • 산사태 2(4900m 거리, 부분 침수 산사태): 205초 후 댐에 도달, 최대 파고 4.2m 발생.
    • 단일 산사태의 경우, 발생 위치에 따라 파고와 도달 시간이 달라짐.
  2. 동시 발생 산사태의 파랑 간섭 효과
    • 두 충격파가 97초 후 상호 충돌하며 최대 5.7m의 파고를 형성함.
    • 댐 인근에서 최종적으로 5.6m의 파고가 형성되었으며, 이는 개별 산사태보다 1.4m 증가한 수치임.
    • 예상과 달리 충격파가 서로 상쇄되지 않고 증폭(interference amplification) 되는 현상이 관찰됨.
  3. 저수지 내 충격파 감쇠 현상
    • 충격파는 저수지 지형과 충돌하면서 일부 감쇠됨.
    • 산사태에서 댐까지의 거리, 산사태 질량, 충격각도에 따라 파랑의 감쇠율이 달라짐.
    • 5km 이상 이동한 충격파는 경로 상 장애물에 의해 에너지가 감소하는 경향을 보임.
  4. 댐 안전성 및 설계 시 고려사항
    • 활성 단층 인근의 저수지는 동시 다발적 산사태로 인한 복합 충격파 위험을 고려해야 함.
    • 기존 단일 충격파 분석만으로는 실제 위험성을 과소평가할 가능성이 있음.
    • 향후 연구에서는 실규모 실험과 추가적인 CFD 모델링을 통해 댐 설계 및 운영 기준을 개선해야 함.

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 충격파는 개별 산사태보다 동시 산사태에서 더 높은 파고를 형성함.
  • 충격파의 간섭 효과로 인해 댐 인근에서 5.6m의 높은 파고가 발생할 가능성이 있음.
  • 산사태의 발생 위치, 저수지 지형, 파랑 간섭 효과 등을 종합적으로 고려해야 함.
  • 향후 연구에서는 다중 산사태 시뮬레이션을 추가로 수행하여 댐의 안전성을 정량적으로 평가해야 함.

Reference

  1. Abdollahi A, Mason HB (2019) Tsunami-induced pore water pressure response of unsaturated soil beds: numerical formulation and experiments. Comput Geotech 110:19–27. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2019.02.012
  2. Açıkbaş D, Akgül A, Erdoğan LT (1981) Güneydoğu Anadolu’nun hidrokarbon olanakları ve Baykan-Şirvan-Pervari yöresinin jeolojisi. TPAO Report, Ankara (in Turkish)
  3. Bazykina AY, Mikhailichenko SY, Fomin VV (2018) Numerical simulation of tsunami in the Black Sea caused by the earthquake on September 12, 1927. Phys Oceanogr 25:295–304. https://doi.org/10.22449/1573-160x-2018-4-295-304
  4. Bonaccorso A, Calvari S, Garf G et al (2003) Dynamics of the December 2002 fank failure and tsunami at Stromboli volcano inferred by volcanological and geophysical observations. Geophys Res Lett 30:1–4. https://doi.org/10.1029/2003GL017702
  5. Bregoli F, Bateman A, Medina V (2017) Tsunamis generated by fast granular landslides: 3D experiments and empirical predictors. J Hydraul Res 55:743–758. https://doi.org/10.1080/00221686.2017.1289259
  6. Brethour JM, Hirt CW (2009) Drift model for two-component fows. Flow Sci Inc 1–7
  7. Choudhury D (1973) Introduction to the renormalization group method and turbulence modeling. Fluent Incorporated
  8. Day S, Llanes P, Silver E et al (2015) Submarine landslide deposits of the historical lateral collapse of Ritter Island, Papua New Guinea. Mar Pet Geol 67:419–438. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2015.05.017
  9. De-Girolamo P, Cecioni C, Montagna F et al (2009) Numerical modelling of landslide generated tsunamis around a Conical Island. In: Proceedings of the Coastal Engineering Conference, pp 1287–1299
  10. Di Risio M, De Girolamo P, Bellotti G et al (2009) Landslide-generated tsunamis runup at the coast of a conical island: new physical model experiments. J Geophys Res Ocean 114:1–16. https://doi.org/10.1029/2008JC004858
  11. Ersoy H, Karahan M, Gelişli K et al (2019) Modelling of the landslideinduced impulse waves in the Artvin Dam reservoir by empirical approach and 3D numerical simulation. Eng Geol 249:112–128. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.12.025
  12. Ersoy H, Karahan M, Öztürk HH (2020) Baraj Rezervuarlarında Heyelanlardan Kaynaklanacak İtki Dalga Özelliklerinin Ampirik İlişkilerle Değerlendirilmesi: Borçka Barajı Örneği. DOAD 6:248–257. https://doi.org/10.21324/dacd.621377 (in Turkish with English abstract)
  13. Evers FM, Hager WH (2015) Impulse wave generation: comparison of free granular with mesh-packed slides. J Mar Sci Eng 3:100–110. https://doi.org/10.3390/jmse3010100
  14. Franco A, Moernaut J, Schneider-Muntau B, Strasser M, Gems B (2021a) Triggers and consequences of landslide-induced impulse waves–3D dynamic reconstruction of the Taan Fiord 2015 tsunami event. Eng Geol 294:106384. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106384
  15. Franco A, Schneider-Muntau B, Roberts NJ, Clague JJ, Gems B (2021b) Geometry-based preliminary quantifcation of landslideınduced ımpulse wave attenuation in mountain lakes. Appl Sci 11:11614. https://doi.org/10.3390/app112411614
  16. Fritz HM, Hager WH, Minor HE (2004) Near feld characteristics of landslide generated impulse waves. J. Waterw. Port. Coast Ocean Eng 130:287–302
  17. Fritz HM, Mohammed F, Yoo J (2009) Lituya bay landslide impact generated mega-tsunami 50th anniversary. In: Cummins PR, Satake K, Kong LSL (eds) Tsunami science four years after the 2004 Indian Ocean Tsunami. Pageoph Topical Volumes. Birkhäuser, Basel. https://doi.org/10.1007/978-3-0346-0064-4_9
  18. Gabl R, Seibl J, Gems B, Aufeger M (2015) 3-D numerical approach to simulate the overtopping volume caused by an impulse wave comparable to avalanche impact in a reservoir. Nat Hazards Earth Syst Sci 15:2617–2630. https://doi.org/10.5194/nhess-15-2617-2015
  19. Grilli ST, Vogelmann S, Watts P (2002) Development of a 3D numerical wave tank for modeling tsunami generation by underwater landslides. Eng Anal Bound Elem 26:301–313. https://doi.org/ 10.1016/S0955-7997(01)00113-8
  20. Heller V (2007) Landslide generated impulse waves: prediction of near feld characteristics. ETH Zurich, Zürich (Dissertation)
  21. Heller V, Bruggemann M, Spinneken J, Rogers BD (2016) Composite modelling of subaerial landslide-tsunamis in diferent water body geometries and novel insight into slide and wave kinematics. Coast Eng 109:20–41. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2015. 12.004
  22. Heller V, Hager WH (2010) Impulse product parameter in landslide generated impulse waves. J Waterw Port, Coast Ocean Eng 136:145–155. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000037
  23. Heller V, Hager WH, Minor HE (2009) Landslide generated impulse waves in reservoirs: Basics and computation. Mitteilungen der Versuchsanstalt fur Wasserbau, Hydrol und Glaziologie an der Eidgenoss Tech Hochschule Zurich 1–172
  24. Hendron AJ, Patton FD (1987) The vaiont slide – a geotechnical analysis based on new geologic observations of the failure surface. Eng Geol 24:475–491. https://doi.org/10.1139/t87-023 Hibiki T, Ishii M (2003) One-demensional drift-fux model for twophase fow in a large diameter pipe. Int J Heat Mass Transf 46:1773–1790. https://doi.org/10.1016/S0017-9310(02)00473-8
  25. Huang BL, Wang SC (2017) Wave attenuation mechanism of crossplates applied in landslide-induced tsunami in river course. JMt Sci 14:649–661. https://doi.org/10.1007/s11629-016-4218-6Hughes SA (1993) Physical models and laboratory techniques in coastal engineering. World Scientifc
  26. Kafe J, Tuladhar BM (2018) Landslide-water interaction for partially submerged landslide. J Nepal Math Soc 1:22–29
  27. Karahan M, Ersoy H, Akgun A (2020a) A 3D numerical simulation-based methodology for assessment of landslide-generated impulse waves: a case study of the Tersun Dam reservoir (NE Turkey). Landslides 17:2777–2794. https://doi.org/10.1007/ s10346-020-01440-4
  28. Karahan M, Ersoy H, Anilan T (2020b) İtki dalgalarının oluşumunda ölçek etkisi, hareket süresi ve çarpma hızının model deneyler ve 3 boyutlu nümerik simülasyonlarla değerlendirilmesi (in Turkish with English abstract). GUFBED 10:514–525
  29. Kesseler M, Heller V, Turnbull B (2018) A laboratory-numerical approach for modelling scale efects in dry granular slides. Landslides 15:2145–2159. https://doi.org/10.1007/s10346-018-1023-zKim G-B (2012) Numerical simulation of three-dimensional tsunami generation by subaerial landslides. Texas A&M University (Dissertation)
  30. Kocaman S, Ozmen-Cagatay H (2015) Investigation of dam-break induced shock waves impact on a vertical wall. J Hydrol 525:1–12. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.03.040
  31. Li G, Chen G, Li P, Jing H (2019) Efcient and accurate 3-D numerical modelling of landslide Tsunami. Water (switzerland) 11:1–17. https://doi.org/10.3390/w11102033
  32. Li DQ, Ding YN, Tang XS, Liu Y (2021a) Probabilistic risk assessment of landslide-induced surges considering the spatial variability of soils. Eng Geol 283:105976. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2020.105976
  33. Li Y, Pang R, Xu B, Wang X, Fan Q, Jiang F (2021b) GPDEM-based stochastic seismic response analysis of high concrete-faced rockfll dam with spatial variability of rockfll properties based on plastic deformation. Comput Geotech 139:104416. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104416
  34. Liu PLF, Wu TR, Raichlen F et al (2005) Runup and rundown generated by three-dimensional sliding masses. J Fluid Mech 536:107–144. https://doi.org/10.1017/S0022112005004799
  35. Montagna F, Bellotti G, Di Risio M (2011) 3D numerical modeling of landslide-generated tsunamis around a conical island. Nat Hazards 58:591–608. https://doi.org/10.1007/s11069-010-9689-0
  36. Pang R, Xu B, Kong X, Zhou Y, Zou D (2018) Seismic performance evaluation of high CFRD slopes subjected to near-fault ground motions based on generalized probability density evolution method. Eng Geol 246:391–401. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2018.09.004
  37. Pang R, Xu B, Zhou Y, Song L (2021) Seismic time-history response and system reliability analysis of slopes considering uncertainty of multi-parameters and earthquake excitations. Comput Geotech 136:104245. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2021.104245
  38. Perinçek D (1980) IX. Bölge Hakkâri-Yüksekovaçukurca-BeytüşşebapUludere-Pervari dolayının jeolojisi. TPAO Report, Ankara (inTurkish)
  39. Perinçek D (1990) Hakkari ili ve dolayının stratigrafsi, GDA Türkiye(in Turkish). Bull Turk Assoc Pet Geol 2:21–68
  40. Perinçek D (2016) Cetin Baraj Gövdesi ve Dolayinin Jeolojisi ve Heyelan Araştırmasi. Türkiye Jeol Bülteni 59:167–210
  41. Perinçek D, Günay Y, Kozlu H (1987) New observation on strike-slip faults in east and southeast Anatolia. In: 7th Biannual Petroleum Congress of Turkey, Ankara Quecedo M, Pastor M, Herreros MI (2004) Numerical modelling of impulse wave generated by fast landslides. Int J Numer Methods Eng 59:1633–1656. https://doi.org/10.1002/nme.934
  42. Shen Y, Whittaker CN, Lane EM, Power W, Melville BW (2022) Interference efect on tsunami generation by segmented seafoor deformations. Ocean Eng 245:110244. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2021.110244
  43. Shi C, An Y, Wu Q et al (2016) Numerical simulation of landslidegenerated waves using a soil-water coupling smoothed particle hydrodynamics model. Adv Water Resour 92:130–141. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.04.002
  44. Smith RC, Hill J, Collins GS et al (2016) Comparing approaches for numerical modelling of tsunami generation by deformable submarine slides. Ocean Model 100:125–140. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2016.02.007
  45. Spesivtsev P, Sinkov K, Osiptsov A (2013) Comparison of drift-fux and multi-fuid approaches to modeling of multiphase fow in oil and gas wells. In: WIT Transactions on Engineering Sciences, pp 89–99
  46. Tolun N (1954) Güneydoğu Anadolu’nun stratigrafsi ve tektoniği. MTA Report, Ankara (in Turkish)
  47. Utmanoğulları M (2012) Geology, subsurface geology and hydrocarbon possibilities of around of Şirvan Özpınar (Siirt). Çanakkale Onsekiz Mart University (Dissertation)
  48. Vacondio R, Mignosa P, Pagani S (2013) 3D SPH numerical simulation of the wave generated by the vajont rockslide. Adv Water Resour 59:146–156. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2013.06.009
  49. Wang J, Ward SN, Xiao L (2019) Tsunami Squares modeling of landslide generated impulsive waves and its application to the 1792 Unzen-Mayuyama mega-slide in Japan. Eng Geol 256:121–137. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2019.04.020
  50. Wang D, Wang Z, Li Y et al (2020) Characteristics and dynamic process analysis of the 2018 Mabian consequent landslide in Sichuan Province, China. Bull Eng Geol Environ 79:3337–3359. https://doi.org/10.1007/s10064-020-01784-0
  51. Wang W, Chen G, Yin K et al (2015) Modeling of landslide generated waves in Three Gorges Reservoir, China using SPH method. In: 15th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, ARC 2015: New Innovations and Sustainability, pp 1183–1188
  52. Xu WJ, Yao ZG, Luo YT, Dong XY (2020) Study on landslideinduced wave disasters using a 3D coupled SPH-DEM method. Bull Eng Geol Environ 79:467–483. https://doi.org/10.1007/s10064-019-01558-3
  53. Xu WJ, Wang YJ, Dong XY (2021) Infuence of reservoir water level variations on slope stability and evaluation of landslide tsunami.Bull Eng Geol Environ 80:4891–4907. https://doi.org/10.1007/s10064-021-02218-1
  54. Yavari-Ramshe S, Ataie-Ashtiani B (2016) Numerical modeling of subaerial and submarine landslide-generated tsunami waves–recent advances and future challenges. Landslides 13:1325–1368. https://doi.org/10.1007/s10346-016-0734-2
  55. Yin YP, Huang B, Chen X et al (2015) Numerical analysis on wave generated by the Qianjiangping landslide in Three Gorges Reservoir, China. Landslides 12:355–364. https://doi.org/10.1007/s10346-015-0564-7
  56. Yılmaz Y, Yiğitbaş E (1990) GD Anadolu’nun farklı ofiyolitikmetamorfk birlikleri ve bunların jeolojik evrimdeki rolü (in Turkish). Türkiye 8:128–140 Zhang T, Yan E, Cheng J, Zheng Y (2010) Mechanism of reservoir water in the deformation of Hefeng landslide. J Earth Sci 21:870–875. https://doi.org/10.1007/s12583-010-0139-4
  57. Zhang Y, Li D, Chen L et al (2020) Numerical analysis of landslidegenerated impulse waves afected by the reservoir eometry. Eng Geol 266:1–15. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2019.105390
  58. Zhao T, Utili S, Crosta GB (2016) Rockslide and ımpulse wave modelling in the Vajont Reservoir by DEM-CFD analyses.Rock Mech Rock Eng 49:2437–2456. https://doi.org/10.1007/s00603-015-0731-0
scouring

Three-Dimensional Numerical Simulation of Local Scour Around Circular Bridge Pier Using FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 원형 교각 주변 국부 세굴의 3차원 수치 시뮬레이션


연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥의 침식으로 인해 구조물의 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
  • 연구 목적: FLOW-3D를 활용하여 교각 주변의 국부 세굴 형상을 3D 시뮬레이션하고, 실험 데이터를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하는 것이다.
  • 핵심 기여:
    • FLOW-3D를 활용한 CFD 모델 개발: 유체 흐름과 퇴적물 이동을 고려한 세굴 시뮬레이션.
    • 실험 결과와 비교 검증: Melville 실험 데이터를 바탕으로 모델 검증 및 정확도 평가.
    • 세굴 깊이 예측 및 설계 최적화: 교각 설계 및 유지관리 전략에 적용 가능.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 난류 모델 적용
    • Navier-Stokes 방정식 기반 CFD 해석 수행.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 교각 주변 난류 구조를 해석.
  2. 세굴 모델링
    • Meyer-Peter & Müller 공식을 사용하여 침식 및 퇴적 거동 해석.
    • Shields Parameter를 적용하여 세굴 발생 임계값 예측.
    • Melville 실험 모델과 동일한 유속(0.25 m/s) 및 입자 크기(0.385 mm) 설정.
  3. 메쉬 설정 및 경계 조건
    • 격자 독립성 검토: 1~30 mm의 다양한 격자 크기를 적용하여 최적의 메쉬 크기(5 mm) 선정.
    • 경계 조건:
      • 입구: 일정한 유속(0.25 m/s) 설정.
      • 출구: 자유 유출 조건 적용.
      • 하천 바닥: 이동 가능 침전층(Sediment Bed)으로 설정.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 비교
    • 실험 값: 4.00 cm
    • Flow-3D 예측값: 3.6 cm (실험 대비 오차 10%)
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 상관관계 확인.
  2. 유동장 및 세굴 형상 분석
    • 세굴 패턴: 교각 전면부에서 강한 와류(Horseshoe Vortex) 발생 → 침식 심화.
    • 교각 후류(Downstream) 영역: 유속이 급격히 감소하며 침전 형성.
    • RNG k-ε 모델 적용 효과: 세굴 깊이 및 와류 구조를 효과적으로 예측.
  3. 메쉬 크기의 영향
    • 5mm 이하의 세밀한 격자에서 최적의 결과 도출.
    • 30mm 이상의 거친 격자에서는 세굴 깊이가 과소 예측됨.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D 기반 세굴 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • RNG k-ε 난류 모델이 교각 주변의 난류 구조 및 세굴 깊이 예측에 적합함을 입증.
  • 향후 연구에서는 LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교, 다양한 교각 형상 및 유량 조건에서 추가 검증이 필요.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 교각 주변 국부 세굴을 정량적으로 분석하는 방법론을 제시하며, 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 활용될 수 있는 중요한 기초 데이터를 제공한다​.

Reference

  1. Breusers Nicollet and Shen 1977 Local scour around cylindrical piers Journal of Hydraulic Research, IAHR,15 (3): 211-252.
  2. Shepherd R. and Frost J D 1995 Failures in civil engineering: Structural, foundation and geoenvironmental case studies Journal of Hydraulic Engineering, Puolisher ASCE.
  3. Cheremisinoff N P and Cheng S L 1987 Hydraulic mechanics 2 Civil Engineering Practice, Technomic Published Company, Lancaster, Pennsylvania, U.S.A. 780 p.
  4. Melville B W 1975 Local scour at bridge sites University of Auckland, New Zealand, phd. Thesis, Dept. of Civil eng., Rep. No. 117.
  5. Abdul-Nour M 1990 Scouring depth around multiple M.Sc. Thesis , Department of Irrigation and Drainage , University of Baghdad.
  6. Hosny M M 1995 Experimental study of local scour around circular bridge piers in cohesive soils Colorado State University, Fort Collins.
  7. Ansari S A Kothyari U C and Ranga Raju K G 2002 Influence of cohesion on scour around bridge piers Journal of Hydraulic Research, IAHR, pp. 40(6): 717-729.
  8. Khsaf S I 2010 A study of scour around Al-Kufa bridge piers Kufa Engineering Journal.Vol.1No.1,2010, University of Kufa / College Engineering / Civil Department.
  9. Hassan W H Jassem M H and Mohammed S S 2018 A GA-HP Model for the Optimal Design of Sewer Networks Water Resour. Manag., vol. 32, no. 3, pp. 865–879.
  10. Hassan W H 2017 Application of a genetic algorithm for the optimization of a cutoff wall under hydraulic structures J. Appl. Water Eng. Res., vol. 5, no. 1, pp. 22–30, Jan.
  11. Ataie-Ashtiani B 2013 Flow field around single and tandem piers Flow Turbulence and Combustion Journal of Hydraulic Engineering,volume 9429.
  12. Flow -3D manual 2014 Flow-3D user manual version 11, Flow Science Santa Fe, NM.
  13. Richardson J E and Panchang V G 1998 Three-Dimensional Simulation of Scour Inducing Flow at Bridge Piers Journal of Hydraulic Engineering, 124(5), pp. 530–540. doi: 10.1061/(asce)0733- 9429(1998)124:5(530).
  14. Vasquez J and Walsh B 2009 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow Proceedings of the thirty-third IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, (604), pp. 913–920.
  15. W H H and Halah k Jalal 2019 Effect of Bridge Pier Shape on Depth of Scour Iop, Conf. Ser.,(under puplication).
  16. Obeid Z H 2016 3D numerical simulation of local scouring and velocity distributions around bridge piers with different shapes A Peer Reviewed International Journal of Asian Academic Research Associates, 20(16), p. 2801. doi: 10.1186/1757-7241-20-67.
  17. Drikakis D 2003 Advances in turbulent flow computations using high-resolution methods Progress in Aerospace Sciences, 39(6–7), pp. 405–424. doi: 10.1016/S03760421(03)00075-7.
  18. Yakhot and Orszag 1986 Renormalization Group Analysis of Turbulence, Basic Theory Journal of Scientific Computing, pp. 3–51. 1, pp. 3–51.
  19. Mastbergen D R and Van Den Berg J H 2003 Breaching in fine sands and the generation of sustained turbidity currents in submarine canyons Sedimentology, 50(4), pp. 625–637. doi: 10.1046/j.1365-3091.2003.00554.x.
  20. Soulsby R L and Whitehouse R J S W 1997 Threshold of sediment motion in Coastal Environments Proc. Combined Australian Coastal Engineering and Port Conference, EA, pp. 149-154.
  21. Meyer-Peter E and Müller R 1948 Formulas for bed-load transport Proceedings of the 2nd Meeting of the International Association for Hydraulic Structures Research, 39– 64.
  22. Wei G Brethour J Grünzner M and Burnham J 2014 Sedimentation Scour Model Flow Science Report 03-14.
Flume Flow

Evaluation of Submergence Limit and Head Loss in Flow Measuring Flumes Using FLOW-3D Predictive Modeling

FLOW-3D 예측 모델링을 이용한 유량 측정 플룸의 잠김 한계(Submergence Limit) 및 수두 손실(Head Loss) 평가


연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 개수로(Open Channel)에서 유량 측정을 위해 사용되는 플룸(Flume)은 구조가 단순하고 비용 효율적이지만, 정확도는 잠김 한계(Submergence Limit)와 수두 손실(Head Loss)에 의해 영향을 받는다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D CFD 모델을 사용하여 잠김 한계 및 수두 손실을 평가하고, 이를 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
    • 플룸 하류 바닥을 상승시킨 설계가 잠김 한계와 수두 손실에 미치는 영향을 분석.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 3차원 유동 해석 수행.
    • FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 플룸 형상을 모델링.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름을 해석.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면을 추적.
    • 격자 독립성 검토: 0.027 m의 격자 크기 사용.
  2. 플룸 설계 및 실험 조건
    • 플룸 설계: 하류 바닥이 상승된 직사각형 플룸 설계.
    • 실험 변수:
      • 세 가지 유량 조건: Flow 1 (0.112 m³/s), Flow 2 (0.169 m³/s), Flow 3 (0.320 m³/s)
      • 안내벽 각도(Reflector Angle)하류 바닥 높이를 변화시켜 시뮬레이션.
    • 모델 검증:
      • Samani (2017)의 실험 데이터를 기반으로 FLOW-3D 모델을 RMSE < 1.5 cm, R² > 0.98 수준으로 보정.
  3. 분석 항목
    • 잠김 한계(Submergence Limit):
      • 잠김 비(Submergence Ratio): 하류 수심 / 상류 수심
      • 잠김 한계는 잠김 비가 특정 값을 초과하면 상류 수심이 급격히 증가하는 지점으로 정의.
    • 수두 손실(Head Loss):
      • 수두 손실 = 상류와 하류의 수두 차이.

주요 결과

  1. 잠김 한계(Submergence Limit) 및 수두 손실(Head Loss)
    • Flow 1: 잠김 한계 0.21, 최대 수두 손실 32.5%
    • Flow 2: 잠김 한계 0.24
    • Flow 3: 잠김 한계 0.25
    • 잠김 한계는 유량 증가에 따라 증가하며, 하류 바닥 높이가 높을수록 잠김 한계에 도달하는 경향이 확인됨.
  2. 안내벽 각도의 영향
    • 안내벽 각도가 증가할수록 수두 손실이 증가하는 경향을 보임.
    • 80°에서 최대 월류량을 기록하며, 90°에서는 파도의 속도가 낮아져 월류량이 감소.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성
    • FLOW-3D 모델 예측 결과와 실험 데이터 간 평균 오차율이 7.2%로 높은 신뢰도를 확인.
    • 기존 실험 결과와 비교했을 때 FLOW-3D 모델이 잠김 한계 및 수두 손실 예측에 효과적임.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D는 유량 측정 플룸에서 잠김 한계 및 수두 손실을 정확하게 예측할 수 있으며, 기존 실험 데이터와 높은 일치도를 보임.
    • 잠김 한계는 유량이 증가할수록 높아지며, 하류 바닥 높이와 안내벽 각도가 중요한 영향을 미침.
    • 플룸 설계 시 하류 바닥 높이 및 안내벽 각도 최적화를 통해 수두 손실을 최소화할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 난류 모델(예: LES)과의 비교다양한 유량 조건에서 추가 검증.
    • 다중 안내벽 설계다양한 플룸 형상에 대한 연구를 통해 성능 개선.
    • AI 및 머신러닝 기법을 활용한 실시간 유량 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용한 유량 측정 플룸의 잠김 한계 및 수두 손실 예측의 신뢰성을 검증하고, 플룸 설계 최적화 및 수리구조물의 효율적 설계에 기여할 수 있는 중요한 기초 데이터를 제공한다.

Reference

  1. Chatila, J., & Tabbara, M. (2004). Computational modeling of flow over an ogee spillway. Computers & structures, 82(22), 1805–1812.
  2. Dargahi, B. (2010). Flow characteristics of bottom outlets with moving gates. Journal of Hydraulic Research, 48(4), 476–482.
  3. Flow Science, Inc. (2016). FLOW-3D Version 11.2 User Manual; Flow Science, Inc.: Los Alamos, NM, USA.
  4. Ghare, A. D., Kapoor, A., & Badar, A. M. (2020). Cylindrical central baffle flume for flow measurements in open channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 146(9), 06020007.
  5. Goel, A., Verma, D. V. S., & Sangwan, S. (2015). Open channel flow measurement of water by using width contraction. International Journal of Civil and Environmental Engineering, 9(2), 205–210.
  6. Heiner, B., & Barfuss, S. L. (2011). Parshall flume discharge corrections: wall staff gauge and centerline measurements. Journal of irrigation and drainage engineering, 137(12), 779–792.
  7. Heyrani, M., Mohammadian, A., Nistor, I., & Dursun, O. F. (2022). Application of Numerical and Experimental Modeling to Improve the Efficiency of Parshall Flumes: A Review of the State-of-the-Art. Hydrology, 9(2), 26.
  8. Hirt, C. W., & Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics, 39(1), 201–225.
  9. Kolavani, F. L., Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V., & Mazdeh, A. M. (2018). Flow measurement using circular portable flume. Flow Measurement and Instrumentation, 62, 76–83.
  10. Mostafazadeh-Fard, S., & Samani, Z. (2023). Dissipating Culvert End Design for Erosion Control Using CFD Platform FLOW-3D Numerical Simulation Modeling. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 14(1), 04022064.
  11. Othman Ahmed, K., Amini, A., Bahrami, J., Kavianpour, M. R., & Hawez, D. M. (2021). Numerical modeling of depth and location of scour at culvert outlets under unsteady flow conditions. Journal of Pipeline Systems Engineering and Practice, 12(4), 04021040.
  12. Parsaie, A., Haghiabi, A. H., & Moradinejad, A. (2015). CFD modeling of flow pattern in spillway’s approach channel. Sustainable Water Resources Management, 1(3), 245–251.
  13. Ran, D., Wang, W., & Hu, X. (2018). Three-dimensional numerical simulation of flow in trapezoidal cutthroat flumes based on FLOW-3D. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 5(2), 168– 176.
  14. Ran, D., Wang, W., & Hu, X. (2018). Three-dimensional numerical simulation of flow in trapezoidal cutthroat flumes based on FLOW-3D. Frontiers of Agricultural Science and Engineering, 5(2), 168– 176.
  15. Samani, Z. (2017). Three simple flumes for flow measurement in open channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 143(6), 04017010.
  16. Samani, Z., & Magallanez, H. (2000). Simple flume for flow measurement in open channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 126(2), 127–129.
  17. Samani, Z., Jorat, S., & Yousaf, M. (1991). Hydraulic characteristics of circular flume. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 117(4), 558–566.
  18. Savage, B. M., Heiner, B., & Barfuss, S. L. (2014). Parshall flume discharge correction coefficients through modelling. In Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management 167(5),279–287. Thomas Telford Ltd.
  19. Sun, B., Yang, L., Zhu, S., Liu, Q., Wang, C., & Zhang, C. (2021). Study on the applicability of four flumes in small rectangular channels. Flow Measurement and Instrumentation, 80, 101967.
  20. Sun, B., Zhu, S., Yang, L., Liu, Q., & Zhang, C. (2021). Experimental and numerical investigation of flow measurement mechanism and hydraulic performance on curved flume in rectangular channel. Arabian Journal for Science and Engineering, 46(5), 4409–4420.
  21. Taha, N., El-Feky, M. M., El-Saiad, A. A., & Fathy, I. (2020). “Numerical investigation of scour characteristics downstream of blocked culverts”. Alexandria Engineering Journal, 59(5), 3503–3513.
  22. Willeitner, R. P., Barfuss, S. L., & Johnson, M. C. (2012). Montana flume flow corrections under submerged flow. Journal of irrigation and drainage engineering, 138(7), 685–689.
  23. Zhang, Q., Zhou, X. L., & Wang, J. H. (2017). Numerical investigation of local scour around three adjacent piles with different arrangements under current. Ocean Engineering, 142, 625–638. [Original source: https://studycrumb.com/alphabetizer]
Casting model

A Verification of Thermophysical Properties of a Porous Ceramic Investment Casting Mould Using Commercial Computational Fluid Dynamics Software

상용 전산유체역학 소프트웨어를 이용한 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성을 검증하고 실험 결과와 비교함.
  • 기존 연구에서 실험적으로 도출된 몰드의 열물성이 CFD 시뮬레이션을 통해 검증될 수 있는지 평가함.
  • 실험적 측정값과 CFD 예측값을 비교하여 몰드의 열전도율, 비열 용량, 열팽창 계수의 정확성을 검토함.
  • 항공우주 산업에서 사용되는 몰드의 열적 거동을 보다 정확히 분석하여 고품질 주조 공정을 지원함.

연구 방법

  1. 실험적 주조 테스트
    • TPC Components AB 주조 공장에서 실제 크기의 Ni-초합금(IN718) 주조 실험 수행함.
    • 10층으로 구성된 테스트 몰드를 제작하고, 몰드 두께를 따라 여러 개의 열전대를 배치함.
    • 열전대 데이터를 기반으로 몰드 내부 및 금속 온도 프로파일을 분석함.
    • 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션 결과와 비교하여 정확도를 평가함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • 실제 실험 조건을 반영하여 몰드 형상을 모델링하고, 압력 변화 경계를 설정함.
    • 몰드 내부와 외부의 온도 차이를 반영하여 공기층 형성을 고려함.
    • 몰드의 열전달 계수(HTC)와 방사율 값을 문헌 데이터를 기반으로 설정함.
    • Python 스크립트를 활용하여 시뮬레이션 데이터를 열전대 측정값과 비교함.
  3. 열물성 분석
    • 시차 주사 열량법(DSC)을 이용하여 몰드의 비열 용량을 측정함.
    • 레이저 플래시 분석(LFA)으로 열확산율을 평가하여 열전도율을 산출함.
    • 팽창계(dilatometry)를 사용하여 몰드의 열팽창 계수를 측정함.
    • 실험값과 시뮬레이션 예측값을 비교하여 몰드의 열물성을 검증함.
  4. 결과 검증
    • 실험 데이터와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과를 비교하여 CFD 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 실험값과 계산값 간 차이를 분석하고, 주요 원인을 규명함.
    • 몰드의 다층 구조에 따른 열적 거동을 평가하고, 추가 연구 방향을 제시함.

주요 결과

  1. 온도 프로파일 비교
    • 시뮬레이션 결과는 실험값과 높은 상관성을 보이며, 몰드 내부 온도 변화를 잘 재현함.
    • 금속이 주입될 때 온도 상승 패턴이 실험과 유사하게 나타남.
    • 열전대 측정값과 CFD 예측값 간 평균 오차는 약 2~5% 수준으로 나타남.
  2. 비열 용량 및 열팽창 계수
    • 실험 데이터를 기반으로 몰드의 평균 비열 용량을 결정함.
    • 몰드의 열팽창 계수는 실험 결과와 문헌 데이터와 비교하여 높은 일관성을 보임.
    • 몰드 조성 중 지르코늄과 실리카 함량이 열팽창 특성에 영향을 미치는 것으로 나타남.
  3. 열전도율 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 측정값이 유사한 열전도율 경향을 나타냄.
    • 고온에서 몰드의 열전도율이 증가하는 경향이 확인됨.
    • 몰드의 층별 조성이 열전도 특성에 미치는 영향을 평가함.
  4. 시뮬레이션과 실험 데이터 비교
    • 전체적으로 CFD 모델이 몰드의 열적 거동을 잘 예측하지만, 일부 고온 영역에서 오차가 존재함.
    • 몰드 내부 구조 및 표면 조도를 추가로 고려해야 정확성을 향상시킬 수 있음.
    • 향후 연구에서는 몰드의 다층 구조를 개별적으로 분석하는 방식이 필요함.

결론

  • FLOW-3D는 다공성 세라믹 몰드의 열적 거동을 신뢰성 있게 예측할 수 있음.
  • 실험적으로 측정된 몰드의 열물성 값과 CFD 예측값이 높은 상관성을 보임.
  • 일부 고온 영역에서 오차가 존재하므로 추가적인 실험적 검증이 필요함.
  • 향후 연구에서는 몰드의 층별 특성을 반영한 정밀 모델링이 필요함.

Reference

  1. Jones C A, Jolly M R, Jarfors A E W and Irwin M 2020 TMS 2020 149th Annual Meeting and Exhibition Supplemental Proceedings (San Diego: Springer) pp 1095–106
  2. Xu M 2015 Characterization of investment shell thermal properties (Missouri University of Science and Technology)
  3. Jones S, Jolly M R, Gebelin J, Cendrowicz A and Lewis K 2001 FOCAST 2nd Mini Conference (Unpublished)
  4. Konrad C H, Brunner M, Kyrgyzbaev K, Volkl R and Glatzel U 2011 J. Mater. Process. Technol. 181–6
  5. Chapman L A, Morell R, Quested P N, Brooks R F, Brown P, Chen L-H, Olive S and Ford D 2008 Properties of Alloys and Moulds Relevant to Investment Casting (Teddington: National Physical Laboratory)
  6. Jones S 2000 FOCAST 1st Mini Conference (Unpublished)
  7. Matsushita T, Ghassemali E, Saro A, Elmquist L and Jarfors A 2015 Metals 5 1000–19
  8. Khan M A A and Sheikh A K 2018 Int. J. Simul. Model. 17 197–209
Skew bridge flow modelling (a) Plan view of experimental set up of DECKP, (b) 3D plan view of DECKP from Flow 3D

3D Numerical Modelling of Flow Around Skewed Bridge Crossing

비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름의 3D 수치 모델링

3D Numerical Modelling of Flow Around Skewed Bridge Crossing

(“비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름의 3D 수치 모델링”)

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 비스듬한(스큐) 교량 횡단부 주변의 수면 흐름을 시뮬레이션하고 실험 데이터와 비교하여 모델의 성능을 평가함.
  • 실험실 규모에서 다양한 스큐 각도(30°, 45°)를 적용하여 수면 프로파일 변화를 분석함.
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식을 기반으로 한 FLOW-3D의 수치 해석 결과와 실험 데이터를 비교하여 정확도를 검증함.
  • 교량 설계 및 홍수 관리에 있어 3D 수치 모델의 활용 가능성을 탐구함.

연구 방법

  1. 실험 모델 설정
    • 영국 버밍엄 대학교 수리 실험실에서 다양한 교량 구조(아치형, 평면형 등)를 대상으로 실험 수행함.
    • 22m 길이, 1.213m 너비, 0.4m 깊이의 복합 수로(compound channel)에서 교량 흐름 실험을 진행함.
    • 실험 데이터는 기존 연구에서 활용된 1D 및 2D 모델과 비교 검증함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • FAVOR(유체 부피 기법)를 적용하여 교량 구조를 모델링함.
    • 난류 모델로 k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 사용하여 수치 해석 진행함.
    • 메쉬 독립성 연구를 수행하여 최적의 격자 크기를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험실에서 측정한 자유표면 프로파일과 FLOW-3D 결과를 비교하여 모델 신뢰도를 평가함.
    • 다양한 흐름 조건(유량 변화, 교량 구조 차이 등)에 따른 모델 성능을 분석함.
    • 실험값과 계산값 간 오차를 정량적으로 분석하고, 오차의 주요 원인을 규명함.
  4. 추가 분석
    • 1D, 2D, 3D 모델 간 비교를 수행하여 모델별 장단점을 평가함.
    • 실험 데이터와 수치 모델의 차이를 최소화하기 위한 보정 기법을 검토함.

주요 결과

  1. 수면 프로파일 비교
    • FLOW-3D 시뮬레이션은 실험 데이터와 유사한 수면 프로파일을 재현함.
    • 30°와 45° 스큐 각도에서 측정된 최대 백워터(afflux) 값이 유사하게 나타남.
    • 교량 형상 및 흐름 조건 변화에 따른 수면 변화 패턴을 정확히 예측함.
  2. 스큐 각도와 유량의 영향
    • 스큐 각도가 증가할수록 백워터 높이가 증가함.
    • 유량 증가 시 백워터 영향이 커지며, 45° 각도에서는 30°보다 평균 7~23% 높은 백워터 발생함.
    • 난류 특성이 강한 구간에서는 수치 모델이 일부 오차를 보임.
  3. FLOW-3D의 정확성 평가
    • 실험값과 모델 예측값의 평균 오차율은 30°에서 3.5%, 45°에서 2.2%로 나타남.
    • 실험실 조건에서는 모델이 비교적 정확한 결과를 제공하나, 자연 하천 환경에서 추가 검증이 필요함.
    • 메쉬 해상도와 난류 모델의 선택이 결과에 중요한 영향을 미침.
  4. 설계 및 적용성 평가
    • FLOW-3D는 복잡한 교량 주변 흐름 해석에 유용한 도구임.
    • 3D 모델을 활용하면 1D, 2D 모델보다 높은 정확도로 수면 변화를 예측할 수 있음.
    • 향후 연구에서는 침식 및 고유 유량 변화를 포함한 실험 검증이 필요함.

결론

  • FLOW-3D는 비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있음.
  • 스큐 각도가 증가할수록 백워터가 증가하는 경향이 확인됨.
  • 수치 모델과 실험 데이터 간 평균 오차는 3.5%~2.2% 범위로 나타남.
  • 향후 연구에서는 더 높은 난류 해상도 및 자연 하천 환경에서 추가적인 검증이 필요함.

Reference

  1. AEHR (2006). Hydraulic Performance of River Bridges and Other Structures at High Flows, Phase 2: Afflux Estimator Hydraulic Reference. Environment Agency R&D Project, JBA Consulting, Skipton.
  2. ASCE (1996). River Hydraulics Technical Engineering and Design Guides as Adapted from the US Army Corps of Engineers., No. 18. New York: ASCE Press.
  3. Atabay S (2008). Accuracy of the ISIS bridge methods for prediction of backwater level at high flows. Water and Environment Journal 22(1):64–73.
  4. Atabay S, Knight DW (2002). Bridge Afflux Experiments in Compound Channels. Technical paper presented for JBA Consulting Engineers & Scientists and the Environment Agency, University of Birmingham, UK.
  5. Ayyoubzadeh SA (1997). Hydraulic aspects of straight-compound channel flow and bed load sediment transport. PhD Thesis, Birmingham University, UK.
  6. Biglari B, Sturm TW (1998). Numerical modeling of flow around bridge abutments in compound channel. Journal of Hydraulic Engineering 124(2): 156-164.
  7. Biscarini C, Di Francesco S, Manciola P (2010). CFD modelling approach for dam break flow studies. Hydrology and Earth System Sciences 14(4):705-718.
  8. Bradley JN (1978). Hydraulics of Bridge Waterways: Hydraulic Design. Series no. 1. 2nd ed. Office of Engineering, U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
  9. Chanel PG, Doering JC (2008). Assessment of spillway modeling using computational fluid dynamics. Canadian Journal of Civil Engineering 35(12):1481-1485.
  10. Chau KW (2004). A three-dimensional eutrophication modeling in Tolo Harbour. Applied Mathematical Modelling 28(9):849- 861.
  11. Chau KW, Jiang YW (2001). 3d numerical model for Pearl River estuary. Journal of Hydraulic Engineering 127(1):72-82.
  12. Chau KW, Jiang YW (2004). A threedimensional pollutant transport model in orthogonal curvilinear and sigma coordinate system for Pearl river estuary. International Journal of Environment and Pollution 21(2):188-198.
  13. Crowder RA, Pepper AT, Whitlow C, Sleigh A, Wright N, Tomlin C (2004). Benchmarking of Hydraulic River Modelling Software Packages, Environment Agency Research Technical Report W5-105/TR0.
  14. Erduran KS, Kutija V, Hewett CJM (2002). Performance of finite-volume solutions to the shallow water equations with shock-capturing schemes. Intl. J. Numer. Methods Fluids 40(10):1237–1273.
  15. Ferrari GE, Politona M, Weber L (2009).Numerical simulation of free surface flows on a fish bypass. Computers and Fluids 38(5):997-1002.
  16. Flow Science, Inc. (2007). Flow – 3D User’s Manuals, Version 9.2. Flow Science, Inc., Santa Fe, N.M.
  17. Hamill L (1999). Bridge Hydraulics. London, UK: E & FN SPON.
  18. Hargreaves DM, Morvan HP, Wright NG (2007). Validation of the volume of fluid method for free surface calculation: the broad-crested weir. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics 1(2):136- 146.
  19. Haun S, Olsen NRB, Feurich R (2011). Numerical modeling of flow over trapezoidal broad-crested weir. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics 5(3):397- 405.
  20. Hirt CW (1992). Volume-Fraction Techniques: Powerful Tools for Flow Modeling. Flow Science, Inc., Santa Fe, N.M.
  21. Hirt CW, Nichols BD (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys 39(1):201-225.
  22. Hirt CW, Sicilian JM (1985). A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes. Proc., 4th Int. Conf. Ship Hydro, National Academy of Science, 1- 19. Washington, D.C.
  23. Hunt J, Brunner GW, Larock BE (1999). Flow transitions in bridge backwater analysis. ASCE Journal of Hydraulic Engineering 125:981–983.
  24. JBA Consulting (2007). Defra/Environment Agency Afflux Estimation System (AES) User Guide. Flood and Coastal Defence R&D Programme, JBA Consulting, Skipton.
  25. Johnson MC, Savage BM (2006). Physical and numerical comparison of flow over ogee spillway in the presence of tailwater. Journal of Hydraulic Engineering 132(12):1353-1357.
  26. Johnson PA, Sheeder SA, Newlin JT (2010). Waterway transitions at US bridges. Water and Environment Journal 24(4): 274-281.
  27. Kaatz KJ, James WP (1997). Analysis of alternatives for computing backwater at bridges. Journal of Hydraulic Engineering 123(9): 784–792.
  28. Kocaman S, Seckin G, Erduran KS (2010). 3D model for prediction of flow profiles around bridges. International Journal of Hydraulic Research 48(4):521-525.
  29. Mantz P (2004). Afflux at Bridges and Culverts-Afflux Advisor-User Guide and Interim Report. Environment Agency R&D Project, JBA Consulting, Skipton.
  30. Mantz PA, Benn JR (2009). Computation of afflux ratings and water surface profiles. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Water Management 162(1):41-55.
  31. Ozmen-Cagatay H, Kocaman S (2011). Dambreak flow in the presence of obstacle: experiment and CFD simulation. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics 5(4):541-552.
  32. Park K, Jung HS, Kim HS and Ahn SM (2005). Three-dimensional hydrodynamiceutrophication model (HEM-3D): Application to Kwang-Yang Bay, Korea. Marine Environmental Research 60(2):171-193.
  33. Savage BM, Johnson MC (2001). Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering 127(8):640-649.
  34. Seckin G, Atabay S (2005). Experimental backwater analysis around bridge waterways. Canadian Journal of Civil Engineering 32(6):1015–1029.
  35. Seckin G, Cobaner M, Ozmen-Cagatay H, Atabay S, Erduran KS (2011). Bridge afflux estimation using artificial intelligence systems. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Water Management 164(6):283-293.
  36. Seckin G, Haktanir T, Knight DW (2007). A simple method for estimating flood flow around bridges. Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Water Management 160(4):195-202.
  37. Seckin G, Knight DW, Atabay S, Seckin N (2004). Bridge Afflux Experiments in Compound Channels. Technical paper presented for JBA Consulting and the Environment Agency, University of Birmingham, UK.
  38. Seckin G, Yurtal R, Haktanir T (1998). Contraction and expansion losses through bridge constrictions. Journal of Hydraulic Engineering 124(5):546–549.
  39. Shiono K, Knight DW (1991). Turbulent open channel flows with variable depth across the channel. Journal of Fluid Mechanics 222:617-646.
  40. Trancoso AR, Saraiva S, Fernandes L, Pina P, Leitão P and Neves R (2005). Modelling macroalgae using a 3D hydrodynamicecological model in a shallow, temperate estuary. Ecological Modelling 187(2-3):232-246.
  41. Turan C, Carrica PM, Lyons T, Hay D, Weber L (2008). Study of the free surface flow on an ogee-crested fish bypass. Journal of Hydraulic Engineering 134(8):1172-1175.
Comparison-of-waves-overtopping-discharge

Study on Wave Overtopping Discharge Affected by Guiding Wall Angle of Wave Dragon Device Using FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 Wave Dragon 장치의 안내벽 각도가 월류 유량에 미치는 영향 연구


연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 파력 에너지 변환 장치(Wave Energy Converter, WEC)는 파도의 에너지를 전기로 변환하는 장치로, 그중 Wave Dragon은 월류 방식(overtopping)을 이용하는 대표적인 WEC 중 하나이다.
  • 연구 목적: Wave Dragon 장치의 안내벽(Reflector) 각도가 월류 유량(overtopping discharge)에 미치는 영향을 분석하고, 최적의 안내벽 각도를 도출하는 것.
  • 접근법: CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어인 FLOW-3D를 활용하여 안내벽 각도와 파고(wave height) 변화에 따른 월류 유량을 시뮬레이션하고 실험 데이터와 비교 분석.

연구 방법

  1. Wave Dragon 장치 개요
    • Wave Dragon은 세 가지 주요 구성 요소로 이루어짐:
      1. 안내벽(Guiding Walls): 파도를 유도하여 경사면(Ramp)으로 향하게 함.
      2. 경사면(Ramp): 파도를 저수조(Reservoir)로 유입시킴.
      3. 수력 터빈(Hydro Turbines): 저수조에 저장된 물이 터빈을 통과하면서 전기를 생산.
  2. FLOW-3D 기반 수치 모델링
    • Navier-Stokes 방정식 및 연속 방정식을 사용하여 유체 흐름을 모델링.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면을 해석.
    • 메쉬 설정: 격자 독립성 검토를 통해 최적의 해상도를 확보.
    • 실험 데이터 검증: 기존 연구 및 실험 결과와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델 신뢰성 평가.
  3. 시뮬레이션 변수
    • 파고(Wave Height): 0.2m ~ 1.5m 범위에서 변화.
    • 안내벽 각도(Guiding Wall Angle): 50°, 60°, 70°, 80°, 90°.
    • 월류량 측정: 안내벽 각도 및 파고에 따른 월류 유량을 비교 분석.

주요 결과

  1. 안내벽 각도와 월류량의 관계
    • 안내벽 각도가 80°에서 최대 월류량을 기록.
    • 50°, 60°, 70°에서는 월류량이 감소하며, 90°에서는 파도의 속도가 낮아져 월류량이 다소 감소.
  2. 파고와 월류량의 관계
    • 파고가 증가할수록 월류량이 증가하는 경향을 보임.
    • 1.5m 파고에서 가장 높은 월류량이 발생.
  3. 시뮬레이션과 실험 데이터 비교
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 오차는 평균 15% 이내로, 모델이 신뢰할 만한 정확도를 보임.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • Wave Dragon 장치의 안내벽 각도가 월류 유량에 중요한 영향을 미치며, 80°가 최적의 각도로 나타남.
    • 90° 이상에서는 파도 반사가 줄어들어 효율이 낮아지고, 50°~70°에서는 월류 유량이 감소함.
  • 향후 연구 방향:
    • 실험적 검증을 확장하여 다양한 해양 조건에서의 성능 평가.
    • 터빈 효율을 고려한 최적의 수력 에너지 변환 설계 연구.
    • 다중 안내벽 설계 및 추가적인 CFD 기법 적용을 통한 성능 개선.

연구의 의의

이 연구는 Wave Dragon과 같은 월류형 WEC의 성능을 최적화하기 위한 CFD 기반 설계 평가 방법을 제시하며, 파력 발전 시스템의 효율성을 향상시키기 위한 실용적인 가이드라인을 제공한다.

Reference

  1. Drew, Benjamin, Andrew R. Plummer, and M. Necip Sahinkaya. “A review of wave energy converter technology.”(2009): 887-902. https://doi.org/10.1243/09576509JPE782
  2. Leijon, Mats, Cecilia Boström, Oskar Danielsson, Stefan Gustafsson, Kalle Haikonen, Olivia Langhamer, ErlandStrömstedt et al., “Wave energy from the North Sea: Experiences from the Lysekil research site.” Surveys ingeophysics 29 (2008): 221-240. https://doi.org/10.1007/s10712-008-9047-x
  3. Clément, Alain, Pat McCullen, António Falcão, Antonio Fiorentino, Fred Gardner, Karin Hammarlund, GeorgeLemonis et al., “Wave energy in Europe: current status and perspectives.” Renewable and sustainable energyreviews 6, no. 5 (2002): 405-431. https://doi.org/10.1016/S1364-0321(02)00009-6
  4. Thorpe, Tom W. “A brief review of wave energy.” (1999).
  5. Albert, Alberto, Giovanni Berselli, Luca Bruzzone, and Pietro Fanghella. “Mechanical design and simulation of anonshore four-bar wave energy converter.” Renewable Energy 114 (2017): 766-774.https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.07.089
  6. Falcao, Antonio F. de O. “Wave energy utilization: A review of the technologies.” Renewable and sustainable energyreviews 14, no. 3 (2010): 899-918. https://doi.org/10.1016/j.rser.2009.11.003
  7. Liu, Zhenwei, Ran Zhang, Han Xiao, and Xu Wang. “A survey of power take-off systems of ocean wave energyconverters.” (2019). https://doi.org/10.20944/preprints201907.0335.v1
  8. Chong, Heap-Yih, and Wei-Haur Lam. “Ocean renewable energy in Malaysia: The potential of the Straits ofMalacca.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 23 (2013): 169-178.https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.02.021
  9. Nabilah, Nur Amira, Cheng Yee Ng, Nauman Riyaz Maldar, and Fatin Khalida Abd Khadir. “Marine hydrokineticenergy potential of Peninsular Malaysia by using hybrid site selection method.” Progress in Energy andEnvironment (2023): 1-10.
  10. Parmeggiani, Stefano, Jens Peter Kofoed, and Erik Friis-Madsen. “Experimental update of the overtopping modelused for the wave dragon wave energy converter.” Energies 6, no. 4 (2013): 1961-1992.https://doi.org/10.3390/en6041961
  11. Tedd, James, Jens Peter Kofoed, W. Knapp, E. Friis-Madsen, and H. C. Sørensen. “Wave Dragon: prototype wavepower production.” In Proceedings of the 9th World Renewable Energy Congress: WREC IX, Florence, Italy, August2006. Pergamon Press, 2006.
  12. Frigaard, Peter, James Tedd, Jens Peter Kofoed, and E. Friis-Madsen. “3 years experience with energy productionon the Nissum Bredning Wave Dragon prototype.” In Proceedings of the Fourth CA-OE Workshop: PerformanceMonitoring of Ocean Energy Systems, Lisbon, 16-17 November, 2006. Coordination Action on Ocean Energy (CAOE): Sixth Framework Programme, 2006.
  13. Tedd, James, Jens Peter Kofoed, M. Jasinski, A. Morris, E. Friis-Madsen, Rafal Wisniewski, and Jan Dimon Bendtsen.”Advanced control techniques for WEC wave dragon.” In Proceedings of the 7th European Wave and Tidal EnergyConference: EWTEC 2007. European Ocean Energy Association, 2007.
  14. Kofoed, Jens Peter, Peter Frigaard, Erik Friis-Madsen, and Hans Chr Sørensen. “Prototype testing of the wave energyconverter wave dragon.” Renewable energy 31, no. 2 (2006): 181-189.https://doi.org/10.1016/j.renene.2005.09.005
  15. Bevilacqua, Giovanna, and Barbara Zanuttigh. “Overtopping Wave Energy Converters: general aspects and stage ofdevelopment.” (2011).
  16. Nam, B. W., S. H. Shin, K. Y. Hong, and S. W. Hong. “Numerical simulation of wave flow over the spiral-reefovertopping device.” In ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, pp. ISOPE-P. ISOPE, 2008.
  17. Thorpe, T. W. “An overview of wave energy technologies: status, performance and costs.” Wave power: movingtowards commercial viability 26 (1999): 50-120.
  18. Khojasteh, Danial, Davood Khojasteh, Reza Kamali, Asfaw Beyene, and Gregorio Iglesias. “Assessment of renewableenergy resources in Iran; with a focus on wave and tidal energy.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 81(2018): 2992-3005. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.06.110
  19. Al-Habaibeh, Amin, D. Su, J. McCague, and A. Knight. “An innovative approach for energy generation fromwaves.” Energy Conversion and Management 51, no. 8 (2010): 1664-1668.https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.11.041
  20. Sørensen, H. C., and E. Friis-Madsen. “Wave Dragon 1.5 MW North Sea Demonstrator Phase 1.” Report, AalborgUniversity, Copenaghen, Denmark (2015).
  21. Hald, Tue, Erik Friis-Madsen, and Jens Peter Kofoed. “Hydraulic behaviour of the floating wave energy converterwave dragon.” In The 10th Congress of International Maritime Association of the Mediteranean (IMAM 2002). 2002.
  22. Kramer, Morten V., and Peter Frigaard. “Efficient wave energy amplification with wave reflectors.” In ISOPEInternational Ocean and Polar Engineering Conference, pp. ISOPE-I. ISOPE, 2002.
  23. Kofoed, Jens Peter. “Optimization of overtopping ramps for utilization of wave energy.” (2000).
  24. Kofoed, Jens Peter, Peter Frigaard, Erik Friis-Madsen, and Hans Chr Sørensen. “Prototype testing of the wave energyconverter wave dragon.” Renewable energy 31, no. 2 (2006): 181-189.https://doi.org/10.1016/j.renene.2005.09.005
  25. Tedd, James. “Testing, analysis and control of Wave Dragon, wave energy converter.” (2007).
  26. Borgarino, Bruno, Jens Peter Kofoed, and James Tedd. “Experimental Overtopping Investigation for the WaveDragon: effects of reflectors and their attachments.” (2007).
  27. Kofoed, Jens Peter. “Wave Overtopping of Marine Structures: utilization of wave energy.” (2002).
  28. Eskilsson, Claes, Johannes Palm, Jens Peter Kofoed, and Erik Friis-Madsen. “CFD study of the overtopping dischargeof the Wave Dragon wave energy converter.” Renewable Energies Offshore (2015): 287-294.https://doi.org/10.1201/b18973-42
  29. Fernandez, Hernan, Gregorio Iglesias, Rodrigo Carballo, Alberte Castro, Marcos Sánchez, and Francisco TaveiraPinto. “Optimization of the wavecat wave energy converter.” Coastal Engineering Proceedings 33 (2012): 5-5.https://doi.org/10.9753/icce.v33.structures.5
  30. Vanneste, Dieter FA, Corrado Altomare, Tomohiro Suzuki, Peter Troch, and Toon Verwaest. “Comparison ofnumerical models for wave overtopping and impact on a sea wall.” Coast. Eng. Proc 1, no. 5 (2014).https://doi.org/10.9753/icce.v34.structures.5
  31. Daliri, Mohammad, Fabio Dentale, Daniela Salerno, and Mariano Buccino. “A CFD study on the structural responseof a sloping top caisson subject to wave overtopping.” COASTAL ENGINEERING (2016): 2.https://doi.org/10.9753/icce.v35.structures.41
  32. Ahmad, M. F., M. I. Ramli, M. A. Musa, S. E. G. Goh, C. W. M. Othman, E. H. Ariffin, and N. A. Mokhtar. “Numericalsimulation for overtopping discharge on tetrapod breakwater.” In AIP Conference Proceedings, vol. 2746, no. 1. AIPPublishing, 2023. https://doi.org/10.1063/5.0153371
  33. Musa, M. A., M. F. Roslan, A. Fitriadhy, Y. W. Eissa, S. Z. A. Ahmad, and M. F. Ahmad. “Numerical Simulation ofGeometrical Parameters Effect on Wavecat Energy Converter.” MF, Numerical Simulation of GeometricalParameters Effect on Wavecat Energy Converter (May 13, 2023) (2023). https://doi.org/10.2139/ssrn.4447485
  34. Musa, Mohd Azlan, Muhammad Faris Roslan, Ahmad Fitriadhy, Aliashim Albani, Mohd Hairil Mohd, MohdAsamuddin A. Rahman, Mohammad Fadhli Ahmad, And Muhammad Nadzrin Nazri. “Experimental Comparison OfLinear And Cubic Ramps For Hybrid Overtopping Breakwater Energy Conversion.” Journal of Sustainability Scienceand Management 18, no. 1 (2023): 215-227. https://doi.org/10.46754/jssm.2023.01.013
  35. Izzul, Mohamad, Mohammad Fadhli, Mohd Azlan, And Mohd Noor. “Parametric Study On Wave Overtopping DueTo Wedge Angle And Freeboard Of Wavecat Wave Energy Converter.” Universiti Malaysia Terengganu Journal ofUndergraduate Research 4, no. 2 (2022): 37-50. https://doi.org/10.46754/umtjur.v4i2.273
  36. Musa, M. A., M. F. Roslan, M. F. Ahmad, A. M. Muzathik, M. A. Mustapa, A. Fitriadhy, M. H. Mohd, and M. A. A.Rahman. “The influence of ramp shape parameters on performance of overtopping breakwater for energyconversion.” Journal of Marine Science and Engineering 8, no. 11 (2020): 875.https://doi.org/10.3390/jmse8110875
  37. Souliotis, D., and P. Prinos. “A numerical simulator for wave overtopping.” In Proceedings of the 34th WorldCongress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology andWater Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, pp. 1226-1231. Barton, ACT:Engineers Australia, 2011.
  38. Maliki, A. Yazid, M. Azlan Musa, M. F. Ahmad, I. Zamri, and Y. Omar. “Comparison of numerical and experimentalresults for overtopping discharge of the OBREC wave energy converter.” Journal of Engineering Science andTechnology 12, no. 5 (2017): 1337-1353.
  39. Alias, Fatin, Mohd Hairil Mohd, Mohd Azlan Musa, Erwan Hafizi Kasiman, and Mohd Asamudin A. Rahman. “FlowPast a Fixed and Freely Vibrating Drilling Riser System with Auxiliaries in Laminar Flow.” Journal of AdvancedResearch in Fluid Mechanics and Thermal Sciences 87, no. 3 (2021): 94-104.https://doi.org/10.37934/arfmts.87.3.94104
  40. Wei, Gengsheng. “A fixed-mesh method for general moving objects in fluid flow.” Modern Physics Letters B 19, no.28n29 (2005): 1719-1722. https://doi.org/10.1142/S021798490501030X
  41. Barkhudarov, Michael, and Gengsheng Wei. “Modeling of the coupled motion of rigid bodies in liquidmetal.” Modeling of Casting, Welding, and Advanced Solidification Processes-XI, Opio, France, May (2006): 71-78.
  42. Wei, Gengsheng. “An implicit method to solve problems of rigid body motion coupled with fluid flow.” Flow Science,Inc (2006).
  43. van der Meer, Jentsje W. “Wave run-up and wave overtopping at dikes.” Wave forces on inclined and verticalstructures, ASCE (1995).
  44. Kofoed, Jens Peter, Peter Frigaard, H. C. Sørensen, and E. Friis-Madsen. “Wave Dragon: a slack moored wave energyconverter.” In Proceedings of the Third European Wave Energy Conference: Patras, Greece 1998. Hydraulics &Coastal Engineering Laboratory, Department of Civil Engineering, Aalborg University, 1998.
Welding path

ADAP: Adaptive & Dynamic Arc Padding for Predicting Seam Profiles in Multi-Layer-Multi-Pass Robotic Welding

다층-다중 패스(Multi-Layer-Multi-Pass, MLMP) 로봇 용접에서 이음매 프로파일 예측을 위한 적응형 동적 아크 패딩(ADAP) 기법

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 다층-다중 패스 용접 공정에서 용접이 진행됨에 따라 냉각 과정에서 용접 이음매(Seam)의 형상이 동적으로 변화하여, 실시간 경로 조정이 필요함.
  • 연구 목적: Flow-3D 기반 용접 시뮬레이션 데이터를 활용하여, 용접 프로세스 동안 동적으로 변화하는 용접 비드(Weld Bead) 프로파일을 예측할 수 있는 ADAP(Adaptive & Dynamic Arc Padding) 모델을 제안하는 것.
  • 핵심 기여:
    • MLMP 로봇 용접의 용접 비드 프로파일을 정확하게 예측하는 심층 학습 모델 개발.
    • Arc 기반의 기하학적 모델링을 사용하여 실시간 이음매 프로파일 예측.
    • Flow-3D 시뮬레이션 데이터를 활용한 데이터 기반 용접 품질 예측.

연구 방법

  1. MLMP 용접 및 실험 데이터 수집
    • 재료: Q355 구조강(base plates, 23mm 두께) 및 ER50-6 용접 와이어(직경 1.2mm).
    • 실험 설계:
      • 용접 전류: 270~300 A
      • 용접 속도: 3~5 mm/s
      • 보호 가스: Ar–20% CO2 혼합 가스(유량 20 L/min)
    • Flow-3D 시뮬레이션을 활용하여 다양한 용접 경로 및 조건을 모델링.
  2. 수치 해석 및 모델링
    • 유체 유동 해석: 용융 풀(Molten Pool) 거동을 해석하기 위해 VOF(Volume of Fluid) 기법 적용.
    • 열전달 및 용접 프로세스 시뮬레이션:
      • 용융 금속의 열전달 및 응고 해석.
      • 용접 과정에서 발생하는 표면 장력(Marangoni Effect) 분석.
    • 아크 기반 용접 비드 모델링:
      • 용접 비드 형상을 원형(Arc) 모델로 근사하여 예측.
      • 비드 프로파일의 중심 좌표 및 반지름을 주요 특징으로 설정.
  3. 심층 학습을 활용한 용접 비드 예측
    • 신경망 모델: ResNet 기반 CNN 모델을 사용하여 이미지에서 용접 비드 프로파일을 추출하고, 위치 및 반지름 예측.
    • 입출력 데이터:
      • 입력: 용접 이음매의 단면 이미지 + 용접 위치 정보.
      • 출력: 예측된 용접 비드 프로파일 (중심 좌표 및 반지름).
    • 학습 데이터: Flow-3D 시뮬레이션 데이터를 활용하여 대량의 학습용 데이터를 생성.

주요 결과

  • ADAP 모델 성능 평가:
    • 용접 비드 중심 좌표 예측 오차: 평균 0.73mm
    • 반지름 예측 오차: 평균 0.66mm
    • 실시간 예측 속도: 15ms (NVIDIA RTX 3060 GPU 기준)
  • 기존 방법과 비교:
    • 기존의 경험적 모델보다 더 높은 정확도로 용접 비드 형상을 예측.
    • CFD 기반 시뮬레이션보다 계산 속도가 훨씬 빠르며, 실시간 용접 경로 조정이 가능.
  • MLMP 용접의 실용성 증대:
    • 자동화 용접 공정에서 실시간 예측 모델로 활용 가능.
    • 용접 품질 향상을 위한 최적의 경로 및 공정 변수 제어 가능.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • ADAP 모델은 심층 학습을 활용하여 MLMP 용접에서 실시간 이음매 프로파일을 정확하게 예측할 수 있음을 입증함.
    • Flow-3D 기반 시뮬레이션 데이터를 이용한 학습을 통해 실험 데이터 없이도 높은 정확도로 용접 형상을 예측 가능함.
  • 향후 연구 방향:
    • 더 다양한 용접 공정 변수(토치 각도, 와이어 공급 속도 등)를 포함하여 모델 성능 개선.
    • 실제 산업 환경에서 로봇 용접 시스템과 통합하여 실증 실험 진행.
    • 3D 스캐너와 결합하여 실시간 품질 모니터링 및 피드백 시스템 구축.

연구의 의의

본 연구는 AI 기반 데이터 중심 용접 품질 예측 모델을 제안함으로써, 기존 경험적 방식에서 벗어나 정확하고 실시간 대응이 가능한 자동화 용접 시스템 개발에 기여할 수 있음을 시사한다​.

Reference

  1. Akbari, P., Ogoke, F., Kao, N.Y., Meidani, K., Yeh, C.Y., Lee, W., Farimani, A.B., 2022. MeltpoolNet: Melt pool characteristic prediction in Metal Additive Manufacturing using machine learning. Additive Manufacturing 55, 102817.
  2. Cao, Y., Zhu, S., Liang, X., Wang, W., 2011. Overlapping model of beads and curve fitting of bead section for rapid manufacturing by robotic MAG welding process. Robotics and computer-integrated manufacturing 27, 641–645.
  3. Cao, Z., Yang, Z., Chen, X., 2004. Three-dimensional simulation of transient gma weld pool with free surface. Welding Journal 83, 169–S.
  4. Cho, D., Na, S.J., Cho, M., Lee, J., 2013. A study on V-groove GMAW for various welding positions. Journal of Materials Processing Technology 213, 1640–1652.
  5. Cho, D.W., Na, S.J., 2015. Molten pool behaviors for second pass V-groove GMAW. International Journal of Heat and Mass Transfer 88, 945–956.
  6. Cho, J., Na, S.J., 2009. Three-dimensional analysis of molten pool in GMAlaser hybrid welding. Welding Journal 88, 35–43.
  7. Cho, M., Farson, D., 2007. Simulation study of a hybrid process for the prevention of weld bead hump formation. Welding Journal 86, 253.
  8. Choudhary, D.K., Jindal, S., Mehta, N., 2011. To study the effect of welding parameters on weld bead geometry in saw welding process. Elixir Mech. Engg 40, 5519–5524.
  9. Dai, D., Gu, D., 2014. Thermal behavior and densification mechanism during selective laser melting of copper matrix composites: Simulation and experiments. Materials & Design 55, 482–491.
  10. Deng, J., Xu, Y., Zuo, Z., Hou, Z., Chen, S., 2019. Bead geometry prediction for multi-layer and multi-bead wire and arc additive manufacturing based on XGBoost. Transactions on Intelligent Welding Manufacturing: Volume II No. 4 2018 , 125.
  11. Hemmasian, A., Ogoke, F., Akbari, P., Malen, J., Beuth, J., Farimani, A.B., 2023. Surrogate modeling of melt pool temperature field using deep learning. Additive Manufacturing Letters 5, 100123.
  12. Hirt, C.W., Nichols, B.D., 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics 39, 201–225.
  13. Horv´ath, C.M., Botzheim, J., Thomessen, T., Korondi, P., 2021. Bead geometry modeling on uneven base metal surface by fuzzy systems for multi-pass welding. Expert Systems with Applications 186, 115356.
  14. KingaD, A., 2015. A method for stochastic optimization, in: International Conference for Learning Representations (ICLR).
  15. Kirchdoerfer, T., Ortiz, M., 2016. Data-driven computational mechanics. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 304, 81–101.
  16. Lee, H., Lee, J., Kim, H., Mun, D., 2022. Dataset and method for deep learning-based reconstruction of 3D CAD models containing machining features for mechanical parts. Journal of Computational Design and Engineering 9, 114–127.
  17. Lee, S.H., Kim, E., Park, J., Choi, J., 2018. Numerical analysis of thermal deformation and residual stress in automotive muffler by MIG welding. Journal of Computational Design and Engineering 5, 382–390.
  18. Li, Y., Sun, Y., Han, Q., Zhang, G., Horv´ath, I., 2018. Enhanced beads overlapping model for wire and arc additive manufacturing of multi-layer multi-bead metallic parts. Journal of Materials Processing Technology 252,838–848.
  19. Lin, Q., Li, X., Simpson, S., 2001. Metal transfer measurements in gas metal arc welding. Journal of Physics D: Applied Physics 34, 347.
  20. Liu, W., Lu, F., Wei, Y., Ding, Y., Wang, P., Tang, X., 2016. Special zone in multi-layer and multi-pass welded metal and its role in the creep behavior of 9Cr1Mo welded joint. Materials & Design 108, 195–206.
  21. Lu, M., Kou, S., 1988. Power and current distributions in gas tungsten arcs. Welding Journal 67.
  22. Lu, X., Zhang, G., Li, J., Cervera, M., Chiumenti, M., Chen, J., Lin, X., Huang, W., 2021. Simulation-assisted investigation on the formation of layer bands and the microstructural evolution in directed energy deposition of Ti6Al4V blocks. Virtual and Physical Prototyping 16, 387–403.
  23. Ma, D., Jiang, P., Shu, L., Gong, Z., Wang, Y., Geng, S., 2024. Online porosity prediction in laser welding of aluminum alloys based on a multifidelity deep learning framework. Journal of Intelligent Manufacturing 35, 55–73.
  24. Madsen, O., Bro Sørensen, C., Larsen, R., Overgaard, L., Jacobsen, N.J., 2002. A system for complex robotic welding. Industrial Robot: An International Journal 29, 127–131.
  25. Manokruang, S., Vignat, F., Museau, M., Limousin, M., 2021. Process parameters effect on weld beads geometry deposited by Wire and Arc Additive Manufacturing (WAAM). Advances on Mechanics, Design Engineering and Manufacturing III, 9–14.
  26. Matsushita, Y., Tran, D.T., Yamazoe, H., Lee, J.H., 2021. Recent use of deep learning techniques in clinical applications based on gait: a survey. Journal of Computational Design and Engineering 8, 1499–1532.
  27. Pathak, D., Singh, R.P., Gaur, S., Balu, V., 2021. Influence of input process parameters on weld bead width of shielded metal arc welded joints for AISI 1010 plates. Materials Today: Proceedings 38, 24–28.
  28. Raouf, I., Lee, H., Noh, Y.R., Youn, B.D., Kim, H.S., 2022. Prognostic health management of the robotic strain wave gear reducer based on variable speed of operation: A data-driven via deep learning approach. Journal of Computational Design and Engineering 9, 1775–1788.
  29. Schneider, C.F., Lisboa, C.P., Silva, R.d.A., Lermen, R.T., 2017. Optimizing the parameters of TIG-MIG/MAG hybrid welding on the geometry of bead welding using the Taguchi method. Journal of Manufacturing and Materials Processing 1, 14.
  30. Shin, H.S., Boo, S.H., 2022. Welding simulation using a reduced order model for efficient residual stress evaluation. Journal of Computational Design and Engineering 9, 1196–1213.
  31. Suryakumar, S., Karunakaran, K., Bernard, A., Chandrasekhar, U., Raghavender, N., Sharma, D., 2011. Weld bead modeling and process optimization in hybrid layered manufacturing. Computer-Aided Design 43, 331–344.
  32. Wang, S., Zhu, L., Fuh, J.Y.H., Zhang, H., Yan, W., 2020. Multi-physics modeling and Gaussian process regression analysis of cladding track geometry for direct energy deposition. Optics and Lasers in Engineering 127, 105950.
  33. Wang, Z., Zimmer-Chevret, S., L´eonard, F., Abba, G., 2021. Prediction of bead geometry with consideration of interlayer temperature effect for CMT-based wire-arc additive manufacturing. Welding in the World 65, 2255–2266.
  34. Wu, L., Cheon, J., Kiran, D.V., Na, S.J., 2016. CFD simulations of GMA welding of horizontal fillet joints based on coordinate rotation of arc models. Journal of Materials Processing Technology 231, 221–238.
  35. Xiong, J., Zhang, G., Gao, H., Wu, L., 2013. Modeling of bead section profile and overlapping beads with experimental validation for robotic GMAWbased rapid manufacturing. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 29, 417–423.
  36. Xu, G., Cao, Q., Hu, Q., Zhang, W., Liu, P., Du, B., 2016. Modelling of bead hump formation in high speed gas metal arc welding. Science and Technology of Welding and Joining 21, 700–710.
  37. Xu, G., Wang, J., Li, P., Zhu, J., Cao, Q., 2018. Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in swing arc narrow gap GMA welding. Journal of Materials Processing Technology 252, 260–269.
  38. Yang, C., Ye, Z., Chen, Y., Zhong, J., Chen, S., 2014. Multi-pass path planning for thick plate by DSAW based on vision sensor. Sensor Review 34, 416–423.
  39. Zhan, X., Zhang, D., Liu, X., Chen, J., Wei, Y., Zhou, J., Liu, R., 2017. Comparison between weave bead welding and multi-layer multi-pass welding for thick plate Invar steel. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 88, 2211–2225.
  40. Zhang, H., Lu, H., Cai, C., Chen, S., 2011. Robot path planning in multipass weaving welding for thick plates, in: Robotic Welding, Intelligence and Automation: RWIA’2010. Springer, pp. 351–359.
  41. Zhou, Z., Shen, H., Liu, B., Du, W., Jin, J., Lin, J., 2022. Residual thermal stress prediction for continuous tool-paths in wire-arc additive manufacturing: a three-level data-driven method. Virtual and Physical Prototyping 17, 105–124.
Scouring

3D Numerical Simulation of Flow Field Around Twin Piles

쌍둥이 말뚝 주변 유동장에 대한 3차원 수치 시뮬레이션


연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각이나 말뚝(pile) 주위에서 발생하는 국부적인 세굴(scour)은 구조물의 안정성에 중요한 영향을 미친다.
  • 연구 목적: FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 두 개의 말뚝(쌍둥이 말뚝) 주위의 유동 패턴과 세굴 메커니즘을 수치적으로 시뮬레이션하고, 실험 데이터를 활용하여 검증하는 것이다.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 난류 모델
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 RNG k-ε 난류 모델을 기반으로 유동 해석 수행.
    • 말뚝의 배치: 병렬(side-by-side) 배치직렬(tandem) 배치 두 가지를 고려.
    • 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
  2. 계산 영역 및 격자(Grid) 설정
    • 비균일(non-uniform) 격자 분포를 사용하여 말뚝 주변의 유동을 정밀하게 모델링.
    • 최소 격자 크기: 0.009 m, 최대 격자 크기: 0.039 m.
    • 메쉬 개수: x 방향 400개, y 방향 110개, z 방향 40개.
  3. 경계 조건
    • 유입 속도 및 압력을 각각 입출력 경계 조건으로 설정.
    • 상류에서 개발된 유동을 프로파일로 생성하여 말뚝이 존재하는 구역의 유입 경계 조건으로 적용.

주요 결과

  1. 유동 패턴 분석
    • 병렬 배치(Side-by-side):
      • 말뚝 사이에서 제트(Jet) 유동이 발생하며 비대칭적인 흐름 형성.
      • 배치 간격이 증가할수록 후류(Vortex shedding) 현상이 뚜렷해짐.
    • 직렬 배치(Tandem):
      • 앞쪽 말뚝이 후방 말뚝을 보호하는 Sheltering 효과 발생.
      • Reynolds 수와 배치 간격(S/d)에 따라 와류 형성 패턴이 변화.
      • 후류에서 강한 난류 구조가 나타나며, Wake Vortex가 형성됨.
  2. 실험과의 비교
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교한 결과, 전반적으로 유동 패턴이 잘 일치함.
    • 그러나 말뚝 사이의 복잡한 유동장에서는 일부 차이가 발생하여 추가적인 모델 보정이 필요함.
  3. Reynolds 수와 배치 간격의 영향
    • 말뚝 간 간격(S/d)이 증가할수록 앞쪽 말뚝의 보호 효과가 감소하고, 후방 말뚝 주변에서 강한 와류가 형성됨.
    • 낮은 Reynolds 수에서는 단일 말뚝과 유사한 흐름 패턴을 보이나, 높은 Reynolds 수에서는 와류가 더욱 강하게 나타남.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D를 활용한 3D 유동 시뮬레이션은 말뚝 주변 유동 패턴과 세굴 메커니즘을 효과적으로 분석할 수 있음을 확인함.
  • 실험 데이터와 전반적으로 높은 일치도를 보였으나, 말뚝 사이의 복잡한 유동장에서 추가적인 모델 개선이 필요함.
  • 향후 연구에서는 더 다양한 Reynolds 수와 배치 조건을 고려한 추가 실험 및 난류 모델 비교 분석이 필요함.

연구의 의의

이 연구는 교량 기초 및 해양 구조물 설계에서 말뚝 주변의 유동과 세굴 예측을 정밀하게 분석할 수 있는 CFD 기반 접근법을 제시하였으며, 향후 말뚝 배치 최적화 및 구조물 안전성 향상에 기여할 수 있음을 시사한다.

Reference

  1. Akilli AA, Karakus C (2004) Flow characteristics of circular cylinders arranged side-by- side in shallow water. Flow Meas Instrum 15(4):187–189
  2. Amini A, Mohammad TM (2017) Local scour prediction in complex pier. Mar Georesour Geotechnol 35(6):857–864
  3. Amini A, Melville B, Thamer M, Halim G (2012) Clearwater local scour around pile groups in shallow-water flow. J Hydraul Eng (ASCE) 138(2):177–185
  4. Amini A, Mohd TA, Ghazali H, Bujang H, Azlan A (2011) A local scour prediction method for pile cap in complex piers. ICE-water Manag. 164(2):73–80
  5. Aslani A (2008) Experimental evaluation of flow pattern around double piles. MSc thesis, Sharif University, Tehran Gu ZF, Sun TF (1999) On interference between two circular cylinders in staged arrangement at high sub-critical Reynolds numbers. J Wind Eng Ind Aerodyn 80:287–309
  6. Hang-Wook P, Hyun P, Yang-Ki C (2014) Evaluation of the applicability of pier local scour formulae using laboratory and field data. Mar Georesour Geotechnol. https://doi.org/10.1080/1064119X.2014.954658
  7. Hannah CR (1978) Scour at pile groups. Research Rep. No. 78-3, Civil Engineering, Univ. of Canterbury, Christchurch Hosseini R, Amini A (2015) Scour depth estimation methods around pile groups. J Civ Eng KSCE 19(7):2144–2156
  8. Lanca R, Fael C, Maia R, Peˆgo J, Cardoso A (2013) Clear-water scour at pile groups. J Hydraul Eng. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000770
  9. Mohamed HI (2013) Numerical simulation of flow and local scour at two submerged-emergent tandem cylindrical piers. J Eng Sci 41(1):1–19
  10. Palau-Salvador G, Stoesser T, Rodi W (2008) LES of the flow around two cylinders in tandem. J Fluids Struct 24(8):1304–1312
  11. Papaionannou GV, Yuea DKP, Triantafylloua MS, Karniadakis GE(2008) On the effect of spacing on the vortex-induced vibrations of tandem cylinders. J Fluids Struct 24:833–854
  12. Price SJ, Paidoussis MP (1989) The flow induced response of a single flexible cylinder in an in-line array of rigid cylinder. J Fluid Struct 3:61–82
  13. Raudkivi AJ (1998) Loose boundary hydraulics. A. A. Balkema, Rotterdam, pp 8–28. https://doi.org/10.1080/02508069608686502
  14. Salim MS, Cheah SC (2009) Wall y + strategy for dealing with wallbounded turbulent flows. In: Proceedings of the international multiconference of engineers and computer scientists, vol II, IMECS, Hong Kong
  15. Shin JH, Park HI (2010) Neural network formula for local scour at piers using field data. Mar Georesour Geotechnol 28(1):37–48 Sicilian JM, Hirt CW, Harper RP (1987) FLOW-3D. Computational modeling power for scientists and engineers. Report FSI-87-00- 1. Flow Science. Los Alamos, NM
  16. Solaimani N, Amini A, Banejad H, Taheri P (2017) The effect of pile spacing and arrangement on bed formation and scour hole dimensions in pile groups. Int J River Basin Manag 15(2):219–225
  17. Sumer BM, Fredsøe J (2002) The mechanics of scour in the marine environment. World Scientific, Farrer Road, Singapore
  18. Sumer B, Chua L, Cheng N, Fredsøe J (2003) Influence of turbulence on bed load sediment transport. J Hydraul Eng. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:8(585)
  19. Sun TF, Gu ZF, He DX, Zhang LL (1992) Fluctuating pressure on two circular cylinder at high Reynolds number. J Wind Eng Ind Aero. 42:577–588

Porous structure in single-track simulations

A thermal fluid dynamic model for the melt region during the laser powder bed fusion of polyamide 11 (PA11)

폴리아미드 11 (PA11) 레이저 파우더 베드 융합 공정 중 용융 영역에 대한 열유체동역학 모델


연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 폴리머 기반 레이저 파우더 베드 융합(PBF-LB/P) 공정에서는 용융 영역( melt region )의 형성과 응고 현상이 최종 제품 품질에 큰 영향을 미치며, 이 과정에서 결함(예: 미융합, 기공 등)이 발생할 수 있음.
  • 연구 목적: 본 연구는 Flow-3D Weld를 활용하여 PA11 재료의 PBF-LB/P 공정 중 용융 영역의 형태, 온도 분포, 유동 특성을 3D 다중 물리 모델로 시뮬레이션하고, 단일 트랙 실험 데이터를 통해 모델을 검증하여, 레이저 설정(파워, 스캔 속도, 해치 간격)이 용융 영역 형상 및 결함 발생에 미치는 영향을 분석하는 데 있다.

연구 방법

  1. 파우더 베드 준비
    • 실제 입자 크기 분포를 DEM(Discrete Element Method)을 통해 모사하여, 파우더 베드의 초기 상태를 재현.
  2. 모델 개발
    • 열유체동역학 모델: 유한체적법(FVM)을 기반으로 Flow-3D Weld를 사용하여 용융 영역 내 열전달, 유동, 그리고 응고 과정을 수치해석.
    • 물리현상 고려:
      • 열 전달: 온도 분포 및 열전달, 응고 시 latent heat 및 재료의 온도 의존적 특성 고려.
      • 유체 유동: 비압축성, laminar 흐름으로 가정하며, 높은 점도를 가진 PA11의 특성을 반영.
      • 마랑고니 효과: 온도에 따른 표면 장력 변화가 용융 영역의 형상에 미치는 영향 분석.
  3. 시뮬레이션 단계
    • 싱글 트랙 시뮬레이션: 레이저 파우더 베드 융합 공정의 단일 트랙에 대해, sintering(소결)과 cooling(냉각) 단계를 분리하여 시뮬레이션.
    • 멀티 트랙 시뮬레이션: 다중 트랙 조건에서 표면 거칠기 및 레이저 설정과의 상관관계를 분석.
  4. 모델 검증 및 메쉬 독립성
    • 메쉬 독립성 분석을 통해 최적의 격자 크기를 선정.
    • 실험(단일 트랙 실험)으로부터 용융 영역의 폭과 깊이 데이터를 확보하여 시뮬레이션 결과와 비교 검증.

주요 결과

  • 용융 영역 특성:
    • 레이저 파워 증가에 따라 용융 영역의 폭과 깊이가 증가하며, 온도 분포와 유동 특성이 변화함.
    • 높은 점도와 낮은 유동성으로 인해, PA11의 경우 용융 영역 내에서 열전달 및 응고가 상대적으로 느리게 진행됨.
  • 시뮬레이션 및 실험 비교:
    • 단일 트랙 실험에서 측정된 용융 영역 폭과 깊이와 시뮬레이션 결과가 좋은 일치도를 보임.
    • fliq(용융된 재료의 비율)를 기준으로 용융 영역 경계를 정의하여, 실험 측정값과 비교 시 보수적인 결과가 도출됨.
  • 멀티 트랙 결과:
    • 여러 트랙의 시뮬레이션을 통해, 레이저 설정에 따른 표면 거칠기와 결함(미융합 및 기공 발생) 특성이 도출됨.
    • 해치 간격이 좁을수록, 스캔 라인 간 중복 효과로 인해 입자 간 융합이 개선되어 표면이 더 매끄럽게 나타남.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 제안된 열유체동역학 모델은 PA11의 PBF-LB/P 공정 중 용융 영역의 형태 및 온도, 유동 특성을 성공적으로 재현하였으며, 실험 데이터와의 검증을 통해 신뢰성을 확보함.
    • 레이저 파워, 스캔 속도, 해치 간격 등 주요 레이저 설정이 용융 영역의 형상 및 결함 발생에 결정적인 영향을 미침.
  • 향후 연구:
    • 멀티 트랙 시뮬레이션을 통해 표면 거칠기 및 미세구조 형성에 대한 추가 분석.
    • 파우더 크기 분포, 층 두께, 빌딩 챔버 온도 등 추가 변수들의 영향을 고려한 모델 확장 및 최적화.

Reference

  1. F. Sillani, E. MacDonald, J. Villela, M. Schmid, and K. Wegener, “In-situ monitoringof powder bed fusion of polymers using laser profilometry,” Addit Manuf, vol. 59,Nov. 2022, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103074.
  2. Gibson I, Rosen D, Stucker B. Additive manufacturing technologies: 3D printing,rapid prototyping, and direct digital manufacturing. 2nd ed. New York: Springer;2015. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2113-3.
  3. Ngo TD, Kashani A, Imbalzano G, Nguyen KTQ, Hui D. “Additive manufacturing(3D printing): A review of materials, methods, applications and challenges,”Composites Part B: Engineering, vol. 143. Elsevier Ltd, pp. 172–196, Jun. 15. 2018.https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2018.02.012.
  4. G. Flodberg, H. Pettersson, and L. Yang, “Pore analysis and mechanicalperformance of selective laser sintered objects,” Addit Manuf, vol. 24, pp. 307–315,Dec. 2018, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2018.10.001.
  5. Nouri A, Rohani Shirvan A, Li Y, Wen C. “Additive manufacturing of metallic andpolymeric load-bearing biomaterials using laser powder bed fusion: A review,”Journal of Materials Science and Technology, vol. 94. Chinese Society of Metals, pp.196–215, Dec. 20. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.03.058.
  6. Han W, Kong L, Xu M. “Advances in selective laser sintering of polymers,”International Journal of Extreme Manufacturing, vol. 4, no. 4. Institute of Physics,Dec. 01. 2022. https://doi.org/10.1088/2631-7990/ac9096.
  7. Bayat M, et al. “Holistic computational design within additive manufacturingthrough topology optimization combined with multiphysics multi-scale materialsand process modelling,” Progress in Materials Science, vol. 138. Elsevier Ltd, Sep. 01.2023. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101129.
  8. Lupone F, Padovano E, Casamento F, Badini C. “Process phenomena and materialproperties in selective laser sintering of polymers: A review,” Materials, vol. 15, no.1. MDPI, Jan. 01. 2022. https://doi.org/10.3390/ma15010183.
  9. Das A, et al. “Current understanding and challenges in high temperature additivemanufacturing of engineering thermoplastic polymers,” Additive Manufacturing,vol. 34. Elsevier B.V., Aug. 01. 2020. https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101218.
  10. B. G. Compton, B. K. Post, C. E. Duty, L. Love, and V. Kunc, “Thermal analysis ofadditive manufacturing of large-scale thermoplastic polymer composites,” AdditManuf, vol. 17, pp. 77–86, Oct. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2017.07.006.
  11. Everton SK, Hirsch M, Stavroulakis PI, Leach RK, Clare AT. “Review of in-situprocess monitoring and in-situ metrology for metal additive manufacturing,”Materials and Design, vol. 95. Elsevier Ltd, pp. 431–445, Apr. 05. 2016. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.01.099.
  12. McCann R, et al. “In-situ sensing, process monitoring and machine control in LaserPowder Bed Fusion: A review,” Additive Manufacturing, vol. 45. Elsevier B.V., Sep.01. 2021. https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102058.
  13. A. U. Rehman, F. Pitir, and M. U. Salamci, “Full-field mapping and flowquantification of melt pool dynamics in laser powder bed fusion of SS316L,”Materials, vol. 14, no. 21, Nov. 2021, doi:https://doi.org/10.3390/ma14216264.
  14. H. Yaagoubi, H. Abouchadi, and M. Taha Janan, “Numerical simulation of heattransfer in the selective laser sintering process of Polyamide12,” Energy Rep, vol. 7,pp. 189–199, Nov. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.08.089.
  15. Childs THC, Tontowi AE. Selective laser sintering of a crystalline and a glass-filledcrystalline polymer: experiments and simulations. Proc Inst Mech Eng B J EngManuf 2001;215(11):1481–95. https://doi.org/10.1243/0954405011519330.
  16. Riedlbauer D, Drexler M, Drummer D, Steinmann P, Mergheim J. Modelling,simulation and experimental validation of heat transfer in selective laser melting ofthe polymeric material PA12. Comput Mater Sci 2014;93:239–48. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.06.046.
  17. Mokrane A, Boutaous M, Xin S. “Process of selective laser sintering of polymerpowders: Modeling, simulation, and validation,” Comptes Rendus – Mecanique, vol.346, no. 11. Elsevier Masson SAS, pp. 1087–1103, Nov. 01. 2018. https://doi.org/10.1016/j.crme.2018.08.002.
  18. C. Bierwisch, S. Mohseni-Mofidi, B. Dietemann, M. Grünewald, J. Rudloff, and M.Lang, “Universal process diagrams for laser sintering of polymers,” Mater Des, vol.199, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109432.
  19. F. Shen, W. Zhu, K. Zhou, and L. L. Ke, “Modeling the temperature, crystallization,and residual stress for selective laser sintering of polymeric powder,” Acta Mech,vol. 232, no. 9, pp. 3635–3653, Sep. 2021, doi:https://doi.org/10.1007/s00707-021-03020-6.
  20. Jiang Q, et al. “A review on additive manufacturing of pure copper,” Coatings, vol.11, no. 6. MDPI AG, Jun. 01. 2021. https://doi.org/10.3390/coatings11060740.
  21. B. Cheng, X. Li, C. Tuffile, A. Ilin, H. Willeck, and U. Hartel n.d., Multi-physicsmodeling of single track scanning in selective laser melting: powder compactioneffect.
  22. M. Bayat, V. K. Nadimpalli, D. B. Pedersen, and J. H. Hattel, “A fundamentalinvestigation of thermo-capillarity in laser powder bed fusion of metals and alloys,”Int J Heat Mass Transf, vol. 166, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120766.
  23. Q. He, H. Xia, J. Liu, X. Ao, and S. Lin, “Modeling and numerical studies of selectivelaser melting: multiphase flow, solidification and heat transfer,” Mater Des, vol.196, Nov. 2020, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109115.
  24. W. Yan et al., “Meso-scale modeling of multiple-layer fabrication process inselective Electron beam melting: inter-layer/track voids formation,” Mater Des,vol. 141, pp. 210–219, Mar. 2018, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.12.031.
  25. W. Yan et al., “Multi-physics modeling of single/multiple-track defect mechanismsin electron beam selective melting,” Acta Mater, vol. 134, pp. 324–333, Aug. 2017,doi:https://doi.org/10.1016/j.actamat.2017.05.061.
  26. T. N. Le and Y. L. Lo, “Effects of sulfur concentration and Marangoni convection onmelt-pool formation in transition mode of selective laser melting process,” MaterDes, vol. 179, Oct. 2019, doi:https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107866.
  27. Bayat M, Dong W, Thorborg J, A. C. To, Hattel JH. “A review of multi-scale andmulti-physics simulations of metal additive manufacturing processes with focus onmodeling strategies,” Additive Manufacturing, vol. 47. Elsevier B.V., Nov. 01. 2021.https://doi.org/10.1016/j.addma.2021.102278.
  28. M. Bayat, S. Mohanty, and J. H. Hattel, “Multiphysics modelling of lack-of-fusionvoids formation and evolution in IN718 made by multi-track/multi-layer L-PBF,”Int J Heat Mass Transf, vol. 139, pp. 95–114, Aug. 2019, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.003.
  29. X. Yang, Y. Li, and B. Li, “Formation mechanisms of lack of fusion and keyholeinduced pore defects in laser powder bed fusion process: a numerical study,” Int JTherm Sci, vol. 188, Jun. 2023, doi:https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2023.108221.
  30. M. Tang, P. C. Pistorius, and J. L. Beuth, “Prediction of lack-of-fusion porosity forpowder bed fusion,” Addit Manuf, vol. 14, pp. 39–48, Mar. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.12.001.
  31. C. Wu, H. Zhao, Y. Li, P. Xie, and F. Lin, “Surface morphologies of intra-layerprinting process in electron beam powder bed fusion: a high-fidelity modelingstudy with experimental validation,” Addit Manuf, vol. 72, Jun. 2023, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2023.103614.
  32. Tan P, Zhou M, Tang C, Su Y, Qi HJ, Zhou K. Multiphysics modelling of powder bedfusion for polymers. Virtual Phys Prototyp 2023;18(1). https://doi.org/10.1080/17452759.2023.2257191.
  33. S. Haeri, “Optimisation of blade type spreaders for powder bed preparation inadditive manufacturing using DEM simulations,” Powder Technol, vol. 321, pp.94–104, Nov. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.powtec.2017.08.011.
  34. V. V. Ganesan, A. Amerinatanzi, and A. Jain, “Discrete element modeling (DEM)simulations of powder bed densification using horizontal compactors in metaladditive manufacturing,” Powder Technol, vol. 405, Jun. 2022, doi:https://doi.org/10.1016/j.powtec.2022.117557.
  35. Voller VR, Prakash C. A fixed grid numerical modelling methodology forconvection-diffusion mushy region phase-change problems. 1987.
  36. D. Schiochet Nasato and T. Poschel, ¨ “Influence of particle shape in additivemanufacturing: discrete element simulations of polyamide 11 and polyamide 12,”Addit Manuf, vol. 36, Dec. 2020, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101421.
  37. L. Verbelen, S. Dadbakhsh, M. Van Den Eynde, J. P. Kruth, B. Goderis, and P. VanPuyvelde, “Characterization of polyamide powders for determination of lasersintering thermal https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2015.12.014.
  38. Bai J, Goodridge RD, Hague RJM, Song M, Okamoto M. Influence of carbonnanotubes on the rheology and dynamic mechanical properties of polyamide-12 forlaser sintering. Polym Test 2014;36:95–100. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2014.03.012.
  39. F. Bondan, M. R. F. Soares, and O. Bianchi, “Effect of dynamic cross-linking onphase morphology and dynamic mechanical properties of polyamide 12/ethylenevinyl acetate copolymer blends,” Polym Bull, vol. 71, no. 1, pp. 151–166, Jan.2014, doi:https://doi.org/10.1007/s00289-013-1051-8.
  40. M. Bahrami, J. Abenojar, and M. A. Martínez, “Comparative characterization ofhot-pressed polyamide 11 and 12: mechanical, thermal and durability properties,”Polymers (Basel), vol. 13, no. 20, Oct. 2021, doi:https://doi.org/10.3390/polym13203553.
  41. M. Tang, P. C. Pistorius, and J. L. Beuth, “Prediction of lack-of-fusion porosity forpowder bed fusion,” Addit Manuf, vol. 14, pp. 39–48, Mar. 2017, doi:https://doi.org/10.1016/j.addma.2016.12.001.
  42. X. Zhao, S. Dadbakhsh, and A. Rashid, “Contouring strategies to improve thetensile properties and quality of EBM printed Inconel 625 parts,” J Manuf Process,vol. 62, pp. 418–429, Feb. 2021, doi:https://doi.org/10.1016/j.jmapro
Weir

3D CFD modeling with FLOW-3D HYDRO

FLOW-3D HYDRO를 활용한 3D CFD 모델링 및 수력 구조물 분석


연구 배경

  • 3D CFD(전산유체역학) 모델링은 수력 구조물 설계 및 해석에서 중요한 도구로 사용되며, 기존의 1D 및 2D 해석 방법보다 복잡한 유체 거동을 정확하게 예측할 수 있음.
  • FLOW-3D HYDRO는 비정수압 유동, 자유 수면 해석, 다중 물리 모델링(예: 퇴적물 이동, 열전달, 공기 유입) 기능을 포함한 상용 3D CFD 소프트웨어임.
  • 본 연구는 FLOW-3D HYDRO를 활용하여 Garrison 댐(미국 미주리 강)의 방수로(spillway) 해석을 수행하고, 기존 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확성을 평가함.

연구 방법

  1. FLOW-3D HYDRO 개요
    • VOF(Volume of Fluid) 기법: 자유 수면 추적을 위한 핵심 기술.
    • FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법: 복잡한 지형을 효과적으로 격자화.
    • 난류 모델링: RANS 및 LES 모델을 지원하여 다양한 난류 흐름 해석 가능.
    • 다중 물리 모델링: 퇴적물 이동, 공기 유입, 열전달 등 복합적인 물리 현상 시뮬레이션 가능.
  2. Garrison 댐 방수로 사례 연구
    • 방수로 형상: 총 길이 1,444ft, 28개의 방수문(40ft × 29ft).
    • 기존 물리 실험 데이터를 활용하여 CFD 시뮬레이션 결과 검증.
    • 3단계 해석 접근법:
      1. 2D 단면 해석 – 방수로 크레스트의 유동 특성 분석.
      2. 단일 방수문 3D 해석 – 방수로 내 유속 및 압력 분포 해석.
      3. 전체 방수로 3D 해석 – 실제 조건과 동일한 환경에서 흐름 해석 수행.
  3. 모델 검증 및 최적화
    • 다양한 격자 크기와 해석 조건을 비교하여 최적의 계산 효율 및 정확도를 확보.
    • 실험 결과와의 비교를 통해 오차 범위 ±2.5~5% 이내로 유지됨.
    • 자동화 도구(FLOW-3D X)를 활용하여 총 180개의 시뮬레이션을 반복 실행하고 최적의 설정 도출.

주요 결과

  • FLOW-3D HYDRO를 활용한 3D CFD 시뮬레이션은 방수로 방류량 예측에서 실험 데이터와 높은 일치도를 보였음.
  • 방수로 압력 분포 해석: 특정 조건에서 국부적 음압(negative pressure)이 발생하여 공동현상(cavitation) 위험이 존재함을 확인.
  • 2D/3D 결합 모델의 유용성: 방수로 상류 구간에서는 2D 천수 모델을, 크레스트 및 하류 구간에서는 3D 모델을 사용하여 계산 효율을 극대화.
  • 계산 속도 최적화: 고성능 병렬 연산을 적용하여 8배의 연산 속도 향상을 달성.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D HYDRO는 복잡한 수력 구조물의 유동 해석에 효과적인 도구이며, 실험 데이터와의 비교를 통해 신뢰성이 검증됨.
  • Garrison 댐 방수로 사례 연구를 통해 3D CFD 모델의 적용 가능성을 입증하고, 최적의 해석 절차(2D/3D 결합, 자동화 시뮬레이션, 병렬 연산 기법 등)를 제시함.
  • 향후 연구에서는 공동현상 예측 모델 개선, 다양한 방수로 형상 적용, 장기적 퇴적물 이동 해석 등을 추가적으로 수행할 필요가 있음.

Reference

  • Barkhudarov, M. R. 2004. “Lagrangian VOF Advection method for FLOW-3D”. Flow Science Inc, 1(10).
  • Burnham, J. 2011, “Modeling Dams with Computational Fluid Dynamics-Past Success and New Directions”, Dam Safety 2011, National Harbor, MD.
  • Flow Science. 2022. FLOW-3D HYDRO® Version 2022r2 Users Manual. Santa Fe, NM: Flow Science, Inc. https://www.flow3d.com
  • Fox, B. and Feurich, R. 2019. “CFD analysis of local scour at bridge piers”. In Proc. Federal Interagency Sedimentation and Hydrologic Modeling SEDHYD Conference (pp. 24-28).
  • Hirt, C. W., & Nichols, B. D. 1981. “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries”. Journal of computational physics, 39(1), 201-225.
  • Hirt, C.W. and Sicilian, J.M. 1985. “A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes”. 4th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, 4th.
  • Hirt, C. W., and K. A. Williams. 1994. “FLOW-3D predictions for free discharge and submerged Parshall flumes.” Flow Science Technical Note.
  • Johnson, M.C. and Savage, B.M. 2006. “Physical and numerical comparison of flow over ogee spillway in the presence of tailwater”. Journal of hydraulic engineering, 132(12), pp.1353-1357.
  • 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.
  • Savage, B.M. and Johnson, M.C. 2001.” Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study”. Journal of hydraulic engineering, 127(8), pp.640-649.
  • Siefken, S., Ettema, R., Posner, A., Baird, D., Holste, N., Dombroski, D.E. and Padilla, R.S. 2021. “Optimal configuration of rock vanes and bendway weirs for river bends: Numericalmodel insights”. Journal of Hydraulic Engineering, 147(5), p.04021013.
  • Sinclair, J.M., Venayagamoorthy, S.K. and Gates, T.K. 2022. “Some Insights on Flow over Sharp-Crested Weirs Using Computational Fluid Dynamics: Implications for Enhanced Flow Measurement”. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 148(6), p.04022011.
  • Yusuf, F. and Micovic, Z., 2020. “Prototype-scale investigation of spillway cavitation damage and numerical modeling of mitigation options”. Journal of Hydraulic Engineering, 146(2), p.04019057.
  • Waterways Experiment Station (WES). 1956. “Outlet works and spillway for Garrison Dam, Missouri River, North Dakota”. Technical Memorandum No. 2-431.
Crossbar

FLOW-3D: Flow-Based Computing on 3D Nanoscale Crossbars with Minimal Semiperimeter

FLOW-3D: 최소 반둘레를 가진 3D 나노스케일 크로스바에서의 흐름 기반 컴퓨팅


연구 배경

  • 문제 정의: 데이터 집약적 애플리케이션의 증가로 인메모리 컴퓨팅에 대한 관심이 증대되었으며, 전통적인 2D 크로스바 설계는 저항 및 커패시턴스 기생 요소로 인해 성능 한계에 직면하고 있다.
  • 목표: Boolean 함수를 3D 나노 크로스바 설계로 자동 합성하는 첫 번째 프레임워크인 FLOW-3D를 제안하여, 반둘레(semiperimeter)를 최소화하고, 면적, 에너지 소비, 지연 시간 등의 측면에서 기존 2D 도구보다 우수한 성능을 달성하는 것이 목적이다.

연구 방법

  1. 기본 아이디어 및 문제 정의
    • Boolean 함수의 합성을 위해 BDD(Binary Decision Diagram)와 3D 크로스바 사이의 유사성을 활용.
    • BDD의 노드와 에지에 해당하는 3D 크로스바의 금속 와이어와 멤리스터를 적절히 매핑하는 문제를 “L-labeling 문제”로 정의하고, 이를 ILP(정수 선형 계획법)로 최적 해결한다.
  2. FLOW-3D 프레임워크 구성
    • 그래프 전처리: 입력된 BDD를 DAG(Directed Acyclic Graph)로 변환하고, 불필요한 0 터미널 노드를 제거.
    • L-labeling 단계: 각 노드에 대해 할당 가능한 금속 층의 범위를 결정하고, 인접 층 간의 연결 제약(에지 제약 및 노드 제약)을 만족하도록 레이블링 수행.
    • 크로스바 할당: 레이블링 결과를 바탕으로 실제 3D 크로스바 구조를 구성하여 Boolean 함수를 구현하는 하드웨어 디자인을 도출.
  3. 성능 평가
    • 제안된 FLOW-3D 프레임워크는 2D 크로스바 기반의 기존 합성 도구와 비교하여, 반둘레, 면적, 에너지 소비, 지연 시간에서 각각 최대 61%, 84%, 37%, 41%의 개선 효과를 보임.
    • RevLib 벤치마크를 통해 실험적으로 평가되었으며, 3D 크로스바 설계의 효율성과 성능 향상을 입증하였다.

주요 결과

  • 자동 합성 도구 제안: Boolean 함수를 3D 크로스바 설계로 자동 합성하는 최초의 프레임워크를 제안.
  • 최적화 성능: FLOW-3D는 ILP 기반 L-labeling 문제 해결을 통해 3D 크로스바의 반둘레를 최소화하고, 면적 및 전력 소비를 현저히 감소시킴.
  • 비교 평가: 기존 2D 기반 합성 도구 대비, 제안된 프레임워크는 에너지 효율과 응답 속도 면에서 우수한 성능을 나타냄.

결론 및 향후 연구

  • 제안된 FLOW-3D 프레임워크는 3D 나노 크로스바를 이용한 흐름 기반 컴퓨팅에서 Boolean 함수 합성을 효율적으로 수행할 수 있음을 입증.
  • 향후 연구에서는 더 복잡한 회로 및 대규모 데이터셋에 대한 확장성과, 다양한 하드웨어 제약 조건을 고려한 추가 최적화 기법이 연구될 필요가 있다.

Reference

  1. John Backus. 1978. Can programming be liberated from the von Neumann style?CACM 21, 8 (1978), 613–641.
  2. ABC Berkeley. 2009. A system for sequential synthesis and verification.
  3. Debjyoti Bhattacharjee et al. 2020. CONTRA: area-constrained technology mapping framework for memristive memory processing unit. In ICCAD’20. 1–9.
  4. Dwaipayan Chakraborty et al. 2017. Automated synthesis of compact crossbarsfor sneak-path based in-memory computing. In DATE’17. IEEE, 770–775.
  5. IBM ILOG Cplex. 2020. IBM ILOG CPLEX Optimization Studio 20.1. InternationalBusiness Machines Corporation (2020). https://www.ibm.com/products/ilog-cplexoptimization-studio
  6. Hadi Esmaeilzadeh et al. 2011. Dark silicon and the end of multicore scaling. InISCA’11. IEEE, 365–376.
  7. Miao Hu et al. 2018. Memristor-based analog computation and neural networkclassification with a dot product engine. Advanced Materials 30, 9 (2018), 1705914.
  8. Sumit Jha et al. 2016. Computation of boolean formulas using sneak paths incrossbar computing. US Patent 9,319,047.
  9. Shahar Kvatinsky et al. 2013. Memristor-based material implication (IMPLY)logic: Design principles and methodologies. IEEE VLSI 22, 10 (2013), 2054–2066.
  10. Shahar Kvatinsky et al. 2014. MAGIC—Memristor-aided logic. IEEE TCAS-II 61,11 (2014), 895–899.
  11. Shuangchen Li et al. 2016. Pinatubo: A processing-in-memory architecture forbulk bitwise operations in emerging non-volatile memories. In DAC. IEEE, 1–6.
  12. Yibo Li et al. 2018. Review of memristor devices in neuromorphic computing:materials sciences and device challenges. J. Phys. D: Appl. Phys 51, 50 (2018),503002.
  13. Jiale Liang, Stanley Yeh, S Simon Wong, and H-S Philip Wong. 2013. Effect ofwordline/bitline scaling on the performance, energy consumption, and reliabilityof cross-point memory array. ACM JETC 9, 1 (2013), 1–14.
  14. Thomas N Theis and H-S Philip Wong. 2017. The end of moore’s law: A newbeginning for information technology. CiSE 19, 2 (2017), 41–50.
  15. Sven Thijssen et al. 2021. COMPACT: Flow-Based Computing on NanoscaleCrossbars with Minimal Semiperimeter. In DATE’21. IEEE, 232–237.
  16. Alvaro Velasquez and Sumit Jha. 2014. Parallel computing using memristivecrossbar networks: Nullifying the processor-memory bottleneck. In IDT’14. IEEE,147–152.
  17. Alvaro Velasquez and Sumit Jha. 2015. Automated synthesis of crossbars fornanoscale computing using formal methods. In NANOARCH’15. IEEE, 130–136.
  18. Alvaro Velasquez and Sumit Jha. 2016. Parallel boolean matrix multiplication inlinear time using rectifying memristors. In ISCAS’16. IEEE, 1874–1877.
  19. Alvaro Velasquez and Sumit Jha. 2018. Brief announcement: Parallel transitiveclosure within 3d crosspoint memory. In SPAA’18. 95–98.
  20. Robert Wille et al. 2008. RevLib: An online resource for reversible functions andreversible circuits. In ISMVL’08. IEEE, 220–225.
  21. Cong Xu et al. 2015. Overcoming the challenges of crossbar resistive memoryarchitectures. In HPCA’15. IEEE, 476–488.
setting

Predicting and Optimizing the Infuenced Parameters for CulvertOutlet Scouring Utilizing Coupled FLOW 3D‑Surrogate Modeling

Culvert Outlet Scouring의 영향 매개변수 예측 및 최적화: FLOW-3D와 서로게이트 모델링을 활용한 연구


연구 배경

  • 문제 정의: 박스형 수로(culvert) 출구에서 발생하는 침식(scouring)은 구조물 설계에 중요한 영향을 미친다.
  • 목표: 침식 깊이와 위치를 예측하여 구조적 실패를 방지하고, 설계를 최적화하는 새로운 방법론을 제안한다.
  • 접근법: 수치 모델링(FLOW-3D)과 Box-Behnken 설계 기법을 이용한 서로게이트 모델링을 결합.

연구 방법

  1. FLOW-3D:
    • Reynolds 평균 Navier-Stokes 방정식을 기반으로 유체 흐름 시뮬레이션을 수행.
    • 침식 예측을 위해 RNG 난류 모델을 사용.
  2. Box-Behnken 설계:
    • 세 가지 주요 변수: 유량(Flow Discharge, QQQ), 수로 기울기(Slope, SSS), 토양 입자 크기(d50d_{50}d50​).
    • 총 15개 모델을 통해 변수와 침식 깊이 및 위치 간 상호작용 분석.
  3. 민감도 분석:
    • 각 변수의 변화가 결과(침식 깊이와 위치)에 미치는 영향을 정량화.
  4. 최적화:
    • 침식 깊이 및 위치를 최소화하거나 최대화하기 위한 설계 변수의 조합 도출.

주요 결과

  • 모델 성능:
    • 침식 깊이 예측 정확도: R2=0.931R^2 = 0.931R2=0.931
    • 침식 위치 예측 정확도: R2=0.969R^2 = 0.969R2=0.969
  • 민감도 분석:
    • 유량 증가: 침식 깊이와 위치에 선형적(또는 비선형적) 영향을 미침.
    • 기울기 증가: 일정한 비선형 패턴 관찰.
    • 토양 입자 크기 증가: 복잡하고 비선형적인 패턴 확인.
  • 최적 설계:
    • 침식 깊이 최소화: 유량과 토양 입자 크기를 낮게, 기울기를 높게 설정.
    • 침식 위치 최대화: 유량, 토양 입자 크기, 기울기의 조합을 조절.

결론

  • FLOW-3D와 서로게이트 모델링: 침식 예측과 최적화에 효과적인 도구로 확인.
  • 설계 최적화 가능성: 구조적 침식 문제를 예방하기 위해 설계 단계에서 주요 변수의 영향을 정밀히 평가.
  • 향후 연구 제안: 추가적인 변수 도입 및 데이터를 통한 모델 개선.

이 논문은 수치 해석과 통계적 설계 접근법을 결합하여 수로 설계 문제를 해결하는 새로운 방법론을 제시하며, 향후 관련 연구에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있습니다.

Reference

  1. Abt SR, Ruf JF, Doehring FK (1985) Culvert slope efects on outlet scour. J Hydraul Eng 111(10):1363–1367. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1985)111:10(1363)
  2. Ahmad N, Mohammed TA, Melville BW, Ali FH, Yusuf B (2017) Modelling the efect of sediment coarseness on local scour at wide bridge piers. Pertanika J Sci Technol 25(1):191–200
  3. Amini A, Parto AA (2017) 3D numerical simulation of fow feld around twin piles. Acta Geophys 65(6):1243–1251. https://doi.org/10.1007/s11600-017-0094-x
  4. Amini A, Solaimani N (2018) The efects of uniform and nonuniform pile spacing variations on local scour at pile groups. Mar Georesour Geotechnol 36(7):861–866. https://doi.org/10.1080/1064119X.2017.1392658
  5. Bui DT, Shirzadi A, Amini A, Shahabi H, Al-Ansari N, Hamidi S, Ghazvinei PT et al (2020) A hybrid intelligence approach to enhance the prediction accuracy of local scour depth at complex bridge piers. Sustainability (switzerland). https://doi.org/10.3390/su12031063
  6. Chiew Y-M, Lim S-Y (1996) local scour by a deeply submerged horizontal circular jet. J Hydraul Eng 122(9):529–532. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1996)122:9(529)
  7. Dey S (2014) Bed-load transport. Fluv Hydrodyn Hydrodyn Sediment Transp Phenom. https://doi.org/10.1007/978-3-642-19062-9_5
  8. Elsebaie IH (2013) An experimental study of local scour around circular bridge pier in sand soil. Int J Civ Environ Eng IJCEE-IJENS 13(1):23–28
  9. Falconer RA (1991) Computational fluid dynamics. By M. B. ABBOTT and D. R. BASCO. Longman, 1989. 425 pp. J Fluid Mech 229:689–689. https://doi.org/10.1017/S0022112091213233
  10. Flow Science I (2012) FLOW-3D, version 12.0 user’s manual. In: I Flow Science (ed). FLOW-3D [Computer software]. Flow Science, Inc, Santa Fe. https://www.fow3d.com
  11. Galán Á, González J (2019) Efects of shape, inlet blockage and wing walls on local scour at the outlet of non-submerged culverts: undermining of the embankment. Environ Earth Sci 79(25):1–16. https://doi.org/10.1007/s12665-019-8749-3
  12. Günal M, Günal AY, Osman K (2019) Simulation of blockage efects on scouring downstream of box culverts under unsteady fow conditions. Int J Environ Sci Technol 16(9):5305–5310. https://doi.org/10.1007/s13762-019-02461-w
  13. Hariri-Ardebili MA, Seyed-Kolbadi SM, Noori M (2018) Response surface method for material uncertainty quantifcation of infrastructures. Shock Vib 2018:1–14. https://doi.org/10.1155/2018/1784203
  14. Hosseini R, Fazloula R, Saneie M, Amini A (2018) Bagged neural network for estimating the scour depth around pile groups. Int J River Basin Manag 16(4):401–412. https://doi.org/10.1080/15715124.2017.1372449
  15. Kincl M, Turk S, Vrečer F (2005) Application of experimental design methodology in development and optimization of drug release method. Int J Pharm 291(1):39–49. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2004.07.041
  16. Klun M, Kryžanowski A, Schnabl S (2016) Application of response surface method in analysis of hydraulic structures. Acta Hydrotech 29(51):103–123
  17. Kocaman S (2014) Prediction of backwater profles due to bridges in a compound channel using CFD. Adv Mech Eng 6:905217–905217. https://doi.org/10.1155/2014/905217
  18. Mehnifard MA, Dalfardi S, Baghdadi H, Seirfar Z (2015) Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D
  19. numerical model. Desert 20(1):47–55 Najafzadeh M (2016) Neurofuzzy-based GMDH-PSO to predict maximum scour depth at equilibrium at culvert outlets. J Pipeline Syst Eng Pract 7(1):06015001
  20. Najafzadeh M, Kargar AR (2019) Gene-expression programming, evolutionary polynomial regression, and model tree to evaluate local scour depth at culvert outlets. J Pipeline Syst Eng Pract 10(3):04019013
  21. Nariman NA, Hussain RR, Msekh MA, Karampour P (2019) Prediction meta-models for the responses of a circular tunnel during earthquakes. Undergr Space 4(1):31–47. https://doi.org/10.1016/j.undsp.2018.06.003
  22. Othman Ahmed K, Amini A, Bahrami J, Kavianpour MR, Hawez DM (2021) Numerical modeling of depth and location of scour at culvert outlets under unsteady fow conditions. J Pipeline Syst Eng Pract 12(4):04021040
  23. Pasma SA, Daik R, Maskat M, Hassan O (2013) Application of boxbehnken design in optimization of glucose production from oil palm empty fruit bunch cellulose. Int J Polym Sci 2013:1–8. https://doi.org/10.1155/2013/104502
  24. Sorourian S (2015) Study of blockage efects on scouring pattern downstream of box culverts. (PhD), University of Technology Sydney, Retrieved from https://opus.lib.uts.edu.au/handle/10453/44198
  25. Soulsby R (1997) Dynamics of marine sands: a manual for practical applications. Telford, London
  26. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering
  27. Taha N, El-Feky MM, El-Saiad AA, Fathy I (2020) Numerical investigation of scour characteristics downstream of blocked culverts. Alex Eng J 59:3503–3513
  28. Wang L, Melville BW, Guan D (2018) Efects of upstream weir slope on local scour at submerged weirs. J Hydraul Eng 144(3):04018002.
  29. Xiong W, Cai CS, Kong B, Kong X (2016) CFD simulations and analyses for bridge-scour development using a dynamic-mesh updating technique. J Comput Civ Eng 30(1):04014121.
FLOW

Numerical Modelling of Flow Characteristics Over Sharp Crested Triangular Hump

날카로운 정상부를 가진 삼각형 허들(Sharp-Crested Triangular Hump) 위의 유동 특성 수치 모델링


연구 배경

  • 문제 정의: 수리 구조물의 성능 및 수면 프로파일을 정확히 예측하는 것은 실험적으로 어렵고 비용이 많이 듦.
  • 목표: CFD(Computational Fluid Dynamics)를 활용하여 삼각형 허들 위의 유동 특성을 보다 효율적이고 정확하게 분석.
  • 접근법: FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 수행하여 실험 데이터와 비교 검증.

연구 방법

  1. 삼각형 허들(Weir) 개요
    • 위어(Weir)는 개수로에서 유량 조절과 방류 역할을 수행하는 중요한 수리 구조물.
    • 본 연구에서는 크기가 50 cm × 30 cm × 7 cmSharp-Crested Triangular Hump 모델을 사용.
  2. 수치 모델링
    • FLOW-3D를 사용하여 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식과 VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용.
    • FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 메쉬 내 장애물 영향을 반영.
    • 1,920,000개의 격자 셀을 사용하여 시뮬레이션 수행.
  3. 실험 설정
    • Universiti Teknologi PETRONAS(UTP)의 수리 실험실에서 실험 수행.
    • 30cm 폭, 60cm 높이, 10m 길이의 플룸(flume)에서 실험 진행.
    • 4가지 유량 조건(30, 51.3, 75.3, 31 m³/h) 및 경사 조건(0, 0.006, 0.01)으로 실험 설계.

주요 결과

  1. 수치 시뮬레이션 vs 실험 데이터 비교
    • 수치 시뮬레이션과 실험 결과 간의 차이는 4~5% 이내로 매우 높은 정확도를 보임.
    • 수면 프로파일, 평균 유속, 프로우드 수(Froude Number) 등이 실험과 잘 일치.
  2. 유동 특성 분석
    • 프라우드 수(Froude Number) 변화:
      • 상류(Upstream)에서는 Froude Number < 1.0 → 서브크리티컬(Subcritical) 흐름.
      • 하류(Downstream)에서는 Froude Number > 1.0 → 슈퍼크리티컬(Supercritical) 흐름.
    • 유속(Flow Velocity) 변화:
      • 하류로 갈수록 유속 증가, 삼각형 허들이 흐름을 방해하면서 압력 변화를 유발.
    • 수심(Flow Depth) 변화:
      • 상류에서는 높은 수심 유지, 하류에서는 급격한 감소 확인.
  3. 수치 시뮬레이션의 유용성
    • FLOW-3D가 삼각형 허들 및 수리 구조물의 유동 해석에 효과적임을 확인.
    • 기존의 실험적 접근보다 비용이 낮고 신속한 설계 검토 가능.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션이 삼각형 허들의 유동 해석 및 설계 최적화에 효과적임을 검증.
  • 실험 데이터와 비교했을 때 높은 정확도(오차 4~5%)를 나타내며, 초기 설계 검토에 유용함.
  • 향후 연구에서는 다양한 난류 모델(k-ε, RNG, LES) 적용 및 추가적인 수리 구조물 연구가 필요.

연구의 의의

이 연구는 수리 구조물의 유동 해석을 위해 CFD 시뮬레이션을 실험적으로 검증하여, 위어 및 삼각형 허들 설계의 최적화 및 성능 예측을 위한 신뢰성 높은 방법론을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다.

Reference

  1. R.L. France, Wetland Design: Principles and Practices for Landscape Architects andLand-Use Planners, WW Norton and Company, 2003.
  2. A. Ferrari, SPH simulation of free surface ow over a sharp-crested weir, Adv. WaterResour. 33 (3) (2010) 270–276.
  3. R. Singh, D. Manivannan, T. Satyanarayana, Discharge coefficient of rectangularside weirs, J. Irrig. Drain. Eng. 120 (4) (1994) 814–819.
  4. S.M. Borghei, M.R. Jalili, M. Ghodsian, Discharge coefficient for sharp-crested sideweir in subcritical ow, J. Hydraul. Eng. 125 (10) (1999) 1051–1056.
  5. A. Al-Shukur, M. Al-jumaily, Z. Shaker, Experimental investigation of flow characteristics over crump weir with Different conditions, Saudi J. Eng. Technol. 2 (10)(2017) 373–379.
  6. K.S. Erduran, G. Seckin, S. Kocaman, S. Atabay, 3D numerical modelling of owaround skewed bridge crossing, Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 6 (3) (2012)475–489.
  7. A.S.I. Abdurrasheed, K.W. Yusof, H.B. Takaijudin, A. Ab, B.S. Iskandar, Effects ofbackwater on hydraulic performance evaluation of rainsmart modules in sustainable drainage systems, in: International Conference on Water Resources, Langkawi,Malaysia, November, 2018, pp. 27–28.
  8. P.G. Chanel, J.C. Doering, Assessment of spillway modeling using computationaluid dynamics, Can. J. Civ. Eng. 35 (12) (2008) 1481–1485.
  9. S. Dehdar-Behbahani, A. Parsaie, Numerical modeling of ow pattern in damspillways guide wall. Case study: balaroud dam, Iran, Alexandria Eng. J. 55 (1)(2016) 467–473.
  10. A. Parsaie, A.H. Haghiabi, A. Moradinejad, CFD modeling of ow pattern in spillwaysapproach channel, Sustain. Water Resour. Manag. 1 (3) (2015) 245–251.
  11. H.K. Versteeg, W. Malalasekera, An Introduction to Computational Uid Dynamics:the infinite Volume Method, Pearson education, 2007.
  12. A.S.I. Abdurrasheed, K.,W. Yusof, H.B. Takaijudin, A.A. Ghani, M.M. Muhammad,A.T. Sholagberu, Advances and challenging issues in subsurface drainage moduletechnology and BIOECODS: a review, in: MATEC Web of Conferences, 203, EDPSciences, 2018, 07005.
  13. S.Y. Kumcu, Investigation of ow over spillway modeling and comparison betweenexperimental data and CFD analysis, KSCE J. Civil Eng. 21 (3) (2017) 994–1003.
  14. M. Darw, F. Moukalled, M. Luca, Finite Volume Method in Computational FluidDynamics: an Advanced Introduction with OpenFOAM an Matlab, Springer, 2015.
  15. H. Zahabi, M. Torabi, E. Alamatian, M. Bahiraei, M. Goodarzi, Effects of geometryand hydraulic characteristics of shallow reservoirs on sediment entrapment, Water10 (12) (2018) 17–25.
  16. G. Li, X. Li, J. Ning, Y. Deng, Numerical simulation and engineering application of adovetail-shaped bucket, Water 11 (2) (2019) 242.
  17. D.C. Lo, J.S. Liou, S. Chang, Hydrodynamic performances of air-water flows ingullies with and without swirl generation vanes for drainage systems of buildings,Water 7 (2) (2015) 679–696.
  18. T. Cebeci, Turbulence models and their application: efficient numerical methodswith computer programs, Springer Science and Business Media, 2003.
  19. B. Mohammadi, O. Pironneau, Analysis of the k-epsilon turbulence model, 1993.
  20. S. Patankar, Numerical Heat Transfer and Uid Ow, CRC press, 1980.
  21. L. Choufu, S. Abbasi, H. Pourshahbaz, P. Taghvaei, S. Tfwala, Investigation of flow,erosion, and sedimentation pattern around varied groynes under Differenthydraulic and geometric conditions: a numerical study, Water 11 (2) (2019) 235.
  22. S. Haun, N.R.B. Olsen, R. Feurich, Numerical modeling of ow over trapezoidalbroad-crested weir, Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 5 (3) (2011) 397–405.
Welding

A Multi-Physics CFD Study to Investigate the Impact of Laser Beam Shaping on Metal Mixing and Molten Pool Dynamics During Laser Welding of Copper to Steel for Battery Terminal-to-Casing Connections

배터리 단자-케이싱 연결을 위한 구리-강 레이저 용접 시 레이저 빔 형상의 금속 혼합 및 용융 풀 동역학에 미치는 영향에 대한 다중 물리 CFD 연구


연구 배경

  • 문제 정의: 전기차(EV) 배터리 팩의 신뢰성 있는 전력 공급을 위해 전극 간 전기적 연결의 품질이 매우 중요함.
  • 목표: 레이저 빔 형상이 용융 풀 및 금속 혼합 과정에 미치는 영향을 평가하여 최적의 용접 조건을 도출.
  • 접근법: 실험과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션을 활용하여 300µm 구리와 300µm 니켈 도금 강의 레이저 용접 특성을 분석.

연구 방법

  1. 실험 설계
    • 용접 재료: SE-Cu58 구리 및 Hilumin TATA STEEL 니켈 도금 강.
    • 레이저 빔 형상 실험: 4가지 빔 형상(LBS#1~LBS#4) 테스트.
    • 장비: Lumentum CORELIGHT 레이저 사용.
    • 분석 방법: 실험 후 용접 단면을 절단 및 연마하여 형상 및 화학 성분 분석.
  2. CFD 모델링
    • FLOW-3D WELD를 사용하여 용융 풀 및 금속 혼합 시뮬레이션.
    • 주요 물리 모델링 요소:
      • 유동 해석 (Navier-Stokes 방정식)
      • 에너지 전달 및 응고
      • 표면 장력 및 Marangoni 효과
      • 기포 형성 및 용접 키홀(Keyhole) 형성 동역학.
  3. 레이저 빔 형상 분석
    • 4가지 레이저 빔 형상을 실험 및 CFD 모델에서 비교 분석:
      • LBS#1: 단일 가우시안 빔.
      • LBS#2: 코어-링 빔(코어 90µm, 링 350µm).
      • LBS#3: 넓은 링 빔(코어 90µm, 링 500µm).
      • LBS#4: 듀얼 빔(90µm 코어, 150µm 보조 빔).

주요 결과

  1. 키홀(Keyhole) 동역학 분석
    • 키홀 붕괴가 기공(porosity) 및 금속 혼합에 영향을 미침.
    • LBS#3(넓은 링 빔)은 키홀을 안정화하여 붕괴 빈도를 줄임.
    • 듀얼 빔(LBS#4)은 키홀 안정성에 큰 영향을 주지 않음.
  2. 금속 혼합 특성
    • 유체 역학(Fluids Dynamics) 요소:
      • Marangoni 효과, 부력(Buoyancy), 반동 압력(Recoil Pressure)이 주요한 금속 혼합 기작.
    • 강-구리 혼합률:
      • 더 넓은 링 빔(LBS#3)은 강이 구리로 유입되는 비율 증가.
      • 좁은 빔(LBS#1, LBS#2)은 상대적으로 혼합이 적음.
  3. 열 전달 및 응고 거동
    • LBS#3는 높은 열 구배(Thermal Gradient)를 형성하여 더 높은 혼합을 유도.
    • 반면, LBS#2는 비교적 낮은 열 구배를 형성하여 혼합을 최소화.

결론 및 향후 연구

  • LBS#3(넓은 링 빔, 350µm 코어, 30% 링 파워)가 키홀 안정성과 금속 혼합을 최적으로 조절.
  • 레이저 빔 형상이 용접 품질과 금속 혼합에 중요한 역할을 하며, 적절한 코어-링 직경 비율 설정이 필요.
  • 향후 연구에서는 더 다양한 빔 형상과 용접 속도 조건을 고려하여 최적 설계 도출.

연구의 의의

이 연구는 CFD 기반 다중 물리 모델링을 활용하여 레이저 빔 형상의 금속 혼합 및 용접 품질에 미치는 영향을 체계적으로 분석하였으며, EV 배터리 제조에서 신뢰성 높은 용접 기술 개발을 위한 기초 데이터를 제공한다.

Reference

  1. Brand, M.J., Schmidt, P.A., Zaeh, M.F., Jossen, A., 2015. Welding techniques for battery cells and resulting electrical contact resistances. J. Energy Storage 1, 7–14.
  2. Chen, Y.Z., Liu, F., Yang, G.C., Xu, X.Q., Zhou, Y.H., 2007. Rapid solidification of bulk undercooled hypoperitectic Fe–Cu alloy. J. Alloy. Compd. 427 (1–2), L1–L5.
  3. Chianese, G., Franciosa, P., Sun, T., Ceglarek, D., Patalano, S., 2022. Using photodiodes and supervised machine learning for automatic classification of weld defects in laser welding of thin foils copper-to-steel battery tabs. J. Laser Appl. 34, 042007.
  4. Chianese, G., Jabar, S., Franciosa, P., Ceglarek, D., Patalano, S., 2022. A multi-physics CFD study on the part-to-part gap during remote laser welding of copper-to-steel battery tab connectors with beam wobbling. Procedia CIRP 111, 484–489.
  5. Daligault, J., Dal, M., Gorny, C., Coste, F., Fabbro, R., 2022. Combination of Eulerian and ray-tracing approaches for copper laser welding simulation. J. Laser Appl. 34, 042042.
  6. Das, A., Li, D., Williams, D., Greenwood, D., 2018. Joining Technologies for Automotive Battery Systems Manufacturing. World Electr. Veh. J. 9 (2), 22.
  7. Drobniak, P., Otto, A., Vázquez, R.G., Arias, R.M., Arias, J.L., 2020. Simulation of keyhole laser welding of stainless steel plates with a gap. Procedia CIRP 94, 731–736.
  8. Hao, Y., Chen, N., Wang, H., Carlson, B.E., Lu, F., 2021. Effect of zinc vapor forces on spattering in partial penetration laser welding of zinc-coated steels. J. Mater. Process. Technol. 298, 117282.
  9. Huang, W., Wang, H., Rinker, T., Tan, W., 2020. Investigation of metal mixing in laser keyhole welding of dissimilar metals. Mater. Des. 195, 109056.
  10. Huang, W., Cai, W., Rinker, T.J., Bracey, J., Tan, W., 2023. Effects of laser oscillation on metal mixing, microstructure, and mechanical property of Aluminum–Copper welds. Int. J. Mach. Tools Manuf. 188, 104020.
  11. Hummel, M., Schöler, C., Häusler, A., Gillner, A., Poprawe, R., 2020. New approaches on laser micro welding of copper by using a laser beam source with a wavelength of 450 nm. J. Adv. Join. Process. 1, 100012.
  12. IEA, 2022: Global EV Outlook 2022 – Securing supplies for an electric future.
  13. Jabar, S., Barenji, A.B., Franciosa, P., Kotadia, H.R., Ceglarek, D., 2023. Effects of the adjustable ring-mode laser on intermetallic formation and mechanical properties of steel to aluminium laser welded lap joints. Mater. Des. 227, 111774.
  14. Jeong, Y.B., Jo, H.R., Park, H.J., Kato, H., Kim, K.B., 2020. Mechanical properties and microstructural change in (Cu–Fe) immiscible metal matrix composite: Effect of Mg on secondary phase separation. J. Mater. Res. Technol. 9 (6), 15989–15995.
  15. Kogel-Hollacher, M., 2020. The full potential of Photonics in e-mobility: an overview. Laser Use 97, 22–23.
  16. Kogel-Hollacher, M., Nicolay, T., Reiser, J., 2022. Going Green – Laser Welding and Advanced Sensor Technology for Electric Vehicles.
  17. Kumar, N., Masters, I., Das, A., 2021. In-depth evaluation of laser-welded similar and dissimilar material tab-to-busbar electrical interconnects for electric vehicle battery pack. J. Manuf. Process. 70, 78–96.
  18. Li, J., Cai, Y., Yan, F., Wang, C., Zhu, Z., Hu, C., 2019. Porosity and liquation cracking of dissimilar Nd:YAG laser welding of SUS304 stainless steel to T2 copper. Opt. Laser Technol. 122, 105881.
  19. Lin, R., Wang, H., Lu, F., Solomon, J., Carlson, B.E., 2017. Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys. Int. J. Heat. Mass Transf. 108 (A), 244–256.
  20. Liu, Z., Wang, X., Hang, K., 2019. Enhancement of trapping efficiency by utilizing a hollow sinh-Gaussian beam. Sci. Rep. 9, 10187.
  21. Lu, F., Li, X., Li, Z., Tang, X., Cui, H., 2015. Formation and influence mechanism of keyhole-induced porosity in deep-penetration laser welding based on 3D transient modeling. Int. J. Heat. Mass Transf. 90, 1143–1152.
  22. Perez Zapico, E., Ascari, A., Dimatteo, V., Fortunato, A., 2021. Laser dissimilar welding of copper and steel thin sheets for battery production. J. Laser Appl. 33 (1), 012016.
  23. Prieto, C., Vaamonde, E., Diego-Vallejo, D., Jimenez, J., Urbach, B., Vidne, Y., Shekel, E., 2020. Dynamic laser beam shaping for laser aluminium welding in e-mobility applications. Procedia CIRP 94, 596–600.
  24. Rinne, J., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Overmeyer, L., 2020. Advantages of adjustable intensity profiles for laser beam welding of steel copper dissimilar joints. Procedia CIRP 94, 661–665.
  25. Rinne, J., Nothdurft, S., Hermsdorf, J., Kaierle, S., Overmeyer, L., 2022. Multivariate parametric study on laser beam welding of copper lap joints using adjustable intensity profiles. Procedia CIRP 111, 415–419.
  26. Sadeghian, A., Iqbal, N., 2022. A review on dissimilar laser welding of steel-copper, steel-aluminum, aluminum-copper, and steel-nickel for electric vehicle battery manufacturing. Opt. Laser Technol. 146, 107595.
  27. Shi, R.P., Wang, C.P., Wheeler, D., Liu, X.J., Wang, Y., 2013. Formation mechanisms of self-organized core/shell and core/shell/corona microstructures in liquid droplets of immiscible alloys. Acta Mater. 61 (4), 1229–1243.
  28. Sokolov, M., Franciosa, P., Sun, T., Ceglarek, D., Dimatteo, V., 2021. Applying optical coherence tomography for weld depth monitoring in remote laser welding of automotive battery tab connectors. J. Laser Appl. 33 (1), 012028.
  29. Wagner, J., Heider, A., Ramsayer, R., Weber, R., Faure, F., Leis, A., Armon, N., Susid, R., Tsiony, O., Shekel, E., Graf, T., 2022. Influence of dynamic beam shaping on the geometry of the keyhole during laser beam welding. Procedia CIRP 111, 448–452.
  30. Zwicker, M.F.R., Moghadam, M., Zhang, W., Nielsen, C.V., 2020. Automotive battery pack manufacturing – a review of battery to tab. J. Adv. Join. Process. 1, 100017.
Piston

A Fixed-Mesh Method for General Moving Objects in Fluid Flow

일반적인 유동 내 이동 객체를 위한 고정 메쉬 기법


연구 배경

  • 문제 정의: 기존 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법에서 이동 객체를 처리하는 방법은 주로 변형 가능 또는 이동형 메쉬 기법을 사용하지만, 이는 객체 간의 거리 제한과 메쉬 왜곡 문제로 인해 한계가 있다.
  • 목표: 새로운 고정 메쉬(Fixed-Mesh) 기반 방법을 개발하여 유체 내 이동 객체를 보다 효율적으로 시뮬레이션.
  • FLOW-3D 적용: 본 연구에서는 상용 CFD 소프트웨어인 FLOW-3D에 새로운 고정 메쉬 기법을 적용하여 객체의 이동과 유체 흐름을 효과적으로 연계.

연구 방법

  1. 고정 메쉬 기법(Fixed-Mesh Method)
    • FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 이용하여 이동 객체를 고정된 직사각형 메쉬 상에서 처리.
    • 시간에 따라 변하는 객체의 위치 및 방향을 면적 및 부피 분율(AF, VF)로 표현.
    • 6자유도(6-DOF) 운동을 포함한 모든 유형의 이동 가능.
  2. 수학적 모델링
    • 강체의 운동을 질량 중심 기준으로 병진 운동 및 회전 운동으로 분리.
    • Navier-Stokes 연속 방정식과 FAVOR 기반 유체 흐름 방정식 적용.
    • 운동 방정식:
      • d(mVG)dt=FG\frac{d(mV_G)}{dt} = F_Gdtd(mVG​)​=FG​ (병진 운동)
      • d(Jω)dt=TG+ω×(Jω)\frac{d(J \omega)}{dt} = T_G + \omega \times (J \omega)dtd(Jω)​=TG​+ω×(Jω) (회전 운동)
    • 유체 흐름 연속 방정식 및 운동량 방정식을 FAVOR 기법을 사용하여 수정.
  3. 구현 및 적용 사례
    • 고정 메쉬 기법을 FLOW-3D에 구현하고 밸브 개폐 실험과 비교.
    • 밸브 개폐 실험
      • 유량 증가에 따른 밸브 피스톤의 위치 변화 예측.
      • 유량이 50~550 gal/min까지 증가하면서 실험 데이터와 비교 분석.
      • 300 gal/min 이하에서는 실험과 예측이 잘 일치, 350~500 gal/min 구간에서 약간의 오차 발생 (버블 생성이 원인으로 추정됨).

결과 및 결론

  • 고정 메쉬 기법의 장점:
    • 이동 및 변형형 메쉬 기법보다 효율적이며, 이동 객체 간의 거리 제한이 없음.
    • 충돌 처리 가능.
    • 유체와 객체의 상호작용을 보다 정밀하게 반영 가능.
  • 실험 결과와 비교:
    • 밸브 개폐 시뮬레이션에서 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
    • 고유량(>300 gal/min)에서 약간의 차이가 존재하지만, 이는 실험 조건(버블 발생 등)으로 설명 가능.

향후 연구 방향

  • 다양한 공학적 응용(자동차, 항공, 유압 시스템 등)에 적용하여 성능 검증.
  • 더욱 복잡한 이동 객체 및 다중 상호작용 모델 확장.

이 논문은 기존의 이동형 메쉬 기법의 한계를 극복하고, 복잡한 유체-구조 상호작용을 효율적으로 모델링할 수 있는 새로운 CFD 기법을 제안한다는 점에서 큰 의미가 있다.

Reference

  1. C. W. Hirt and J. M. Sicilian, “A porosity technique for the definition of obstacles in
    rectangular Cell Meshes”, Proc. Fourth International Conf. Ship Hydro., National Academic of
    Science, Washington, DC, Sept. 1985.
  2. G. Wei, “A general moving object model”, Technical Report, Flow Science Inc., 2005.
  3. H. Goldstein, P. Charles and J. Safko, Classical Mechanics (Addison Wesley, Washington,
    2002).

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

기타 논문자료

Fig. 8 Track defect of casting crane with partial rail

주조 크레인의 피로 수명 예측: 트랙 결함이 구조적 안전성에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Qing DONG 외 저자가 2018년 Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing에 발표한 논문 "Fatigue residual ...
FIG. 2. Simulation techniques can be used to aid the inference of nanoscale defects in irradiation experiments. a) kMC can predict the isochronal evolution of defects and thus simulate the resistivity recovery spectrum. From [36], Copyright 2004 Springer Nature. b) DFT (inset) can determine the eect of defects on positron lifetime characteristics. From [57], CC BY-NC-ND 4.0. c) DFT can be used to predict the radial probability distribution and compared to extended X-ray absorption ne structure experiments. From [59], Copyright 2021 Elsevier. d) MD schemes can simulate the degradation in thermal diusivity with dose and can be compared to TGS experiments. From [60], CC BY 4.0. e) MD can also determine the system stored energy following PKA cascades and subsequent isothermal annealing. From [25], CC BY 4.0.

나노스케일 결함 정량화: 방사선 조사 금속의 수명과 성능을 예측하는 새로운 방법

이 기술 요약은 Charles A. Hirst와 Cody A. Dennett이 작성하여 2022년 arXiv에 제출한 "[Towards quantitative inference of nanoscale defects in ...
합금 산화물 본드 시너지 모델: 차세대 내부식성 합금 설계의 비밀을 풀다

합금 산화물 본드 시너지 모델: 차세대 내부식성 합금 설계의 비밀을 풀다

이 기술 요약은 Szu-Chia Chien과 Wolfgang Windl이 발표한 "Bond Synergy Model for Bond Energies in Alloy Oxides" 논문을 기반으로 하며, ...
Figure 1. Example experimental image showing examples of the different irradiation-induced defect types characterized in this work. The red, yellow, and blue colors denote 〈111〉 loops, 〈100〉 loops, and black dot defects, respectively.

딥러닝 결함 분석: TEM 이미지에서 인간 수준의 정확도로 다중 결함을 자동으로 정량화하는 방법

이 기술 요약은 Ryan Jacobs 외 저자가 발표한 학술 논문 "Performance, Successes and Limitations of Deep Learning Semantic Segmentation of ...

Ni-Mo-Fe 합금 안테나 부품의 금형 단조에 대한 FEM 모델링 및 실험적 연구

FEM MODELLING AND EXPERIMENTAL RESEARCH OF DIE FORGING OF Ni-Mo-Fe ALLOY ANTENNA COMPONENTS Ni-Mo-Fe 합금은 우수한 자기적 특성과 내식성을 갖추고 ...
Fig. 10. Aspect of condensation and condensate thickness for c = 0.30 and δmin = 1.34 μm

마랑고니 응축 열전달

마랑고니 응축 열전달 Marangoni Condensation Heat Transfer 본 보고서는 이성분 증기 혼합물의 응축 과정에서 발생하는 표면장력 불안정성, 즉 마랑고니 효과가 ...
Figure 2. Final precipitate size and morphologies predicted from multiscale simulations elucidating the differences that can be expected in high temperature precipitate homogeneous and heterogeneous nucleation and growth in Al-Cu alloys. Reproduced with permission from Ref. [8].

기계적 특성을 위한 합금 설계: 길이 스케일의 정복

기계적 특성을 위한 합금 설계: 길이 스케일의 정복 Alloy Design for Mechanical Properties: Conquering the Length Scales 본 보고서는 원자 ...
Fig. 11. SADP (top), BF (middle), and WBDF (bottom) images of β-phase matrix with 𝑍𝑍≈[011]𝛽𝛽 zone axis for an area with accumulated dose ranging 7 to11 dpa under RT, increasing from bottom-right to top-left. The WBDF images were taken by selecting a diffraction spot indicated by a yellow cycle in each DP.

β-상 기질 내 ω-상 전구체로 인한 저온 Ti-6Al-4V 합금의 이중 상 조사 거동 대조 연구

β-상 기질 내 ω-상 전구체로 인한 저온 Ti-6Al-4V 합금의 이중 상 조사 거동 대조 연구 Contrasting Irradiation Behavior of Dual ...
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 ...
그림 4: 사각 단면 가공물의 침하 공정에 대한 물리적 실험 결과 ($Pb, t=20^\circ C$)

체적 단조에서 변형 역계산을 통한 가공물 형상 결정 방법론 연구

체적 단조에서 변형 역계산을 통한 가공물 형상 결정 방법론 연구 VERSION OF THE DETERMINATION WORKPIECE FORMS IN THE DIE FORGING ...
Fig. 2. Frequency dispersion curve of phase velocity of acoustic wave in aluminum plate

램파의 투과파를 이용한 LY12 알루미늄 합금의 결함 초음파 탐상 연구

램파의 투과파를 이용한 LY12 알루미늄 합금의 결함 초음파 탐상 연구 Research on the ultrasonic testing of defect for LY12 aluminum ...
FIG. 1. a) Non-substitutional β-Sn, b) substitutional 2-site cluster equivalent for β-Sn. Blue balls: Ge atoms (lattice with diamond symmetry); gray balls: Sn atoms, (a):Sn-atom located at the center of a Ge-divacancy and (b):Sn-atoms in substitutional positions. t′ represents a hopping between a Sn-atom and nearest neighbors Ge-atoms. t denoted an intr- acluster hopping between Sn atoms on substitutional repre- sentation.

Ge1−xSnx의 두 가지 밴드갭 전이: 비치환형 복합 결함의 영향

Ge1−xSnx의 두 가지 밴드갭 전이: 비치환형 복합 결함의 영향 The two gap transitions in Ge1−xSnx: effect of non-substitutional complex defects ...
Figure 1: Virtual displacement diagrams in the initial configuration of the masonry arch.

붕괴 예측 정밀도 향상: 비수평 침하 조건에서의 석조 아치 거동에 대한 새로운 해석 모델

이 기술 요약은 P. Zampieri, N. Simoncello, C. Pellegrino가 저술하여 Frattura ed Integrità Strutturale (2018)에 발표한 학술 논문 "Structural behaviour ...
Fig.9 Control points of FFD set to T shape runner

실시간 CFD: GPU 가속 SPH와 형상 변형 기술로 다이캐스팅 런너 설계를 혁신하다

이 기술 요약은 精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering에 발표된 徳永 仁史, 岡根 利光, 岡野 豊明의 논문 "高速な流れ解析手法を統合した流路設計のための設計インタフェース ...
Fig. 10 SEM observations of the initiation site on the fracture surface in cast iron specimens containing a foundry defect: big grain of graphite (800×150 μm)

주철 스탬핑 툴의 피로 수명, 시뮬레이션 기반 수치 설계로 정복하기

이 기술 요약은 K. Ben Slima, L. Penazzi, C. Mabru, F. Ronde-Oustau가 The International Journal of Advanced Manufacturing Technology에 발표한 ...
Figure 6: Mono-segregation behavior of (a) Ca, (b) Zn and (c) Al solutes at the dislocation. Upper row: Atomistic simulations; lower row: Interaction energy fields between the solute modeled as an elastic dipole and the strain field of the dislocation. A negative value of ΔEseg indicates that segregation is energetically favorable. (d) Distribution of ΔEseg for Ca, Zn and Al solutes with data grouped into bins of 2 meV. (e) Statistics of ΔEseg as a function of distance to the center of the dislocation core. Negative distances correspond to the tensile stress region, whereas positive distances indicate the compressive stress region. Data is divided into bins of 2 Å.

마그네슘 합금 미세구조의 비밀: 원자 단위 분석으로 밝혀낸 용질 공동 편석 메커니즘과 기계적 특성 향상 전략

이 기술 요약은 Risheng Pei 외 저자가 발표한 논문 "Solute Co-Segregation Mechanisms at Low-Angle Grain Boundaries in Magnesium: A Combined ...
Figure 1: Motifs of (a) T type and (b) A type 7 GB along with the considered segregation sites at the GB. The experimental structures observed for the 7 GB in (c) pure Mg with the T type structure and (d) with Ga segregation with the A type structure.

마그네슘 합금의 미래: 용질 유도 결함상 전이를 통한 기계적 물성 제어

이 기술 요약은 Prince Mathews 외 저자의 논문 "Solute Induced Defect Phase Transformations in Mg Grain Boundaries"를 기반으로 하며, STI ...
FIG. 5. Spin-dependent atom-projected electronic densities of states of CoPt L10 in the bulk phase (a), for Co (b) and Pt (c) terminated thin lms, and lms with Co (d) and Pt (e) stacking faults. S labels the top surface layer of the thin lms.

CoPt 박막 자기이방성 1000% 향상: 표면 원자층의 비밀

이 기술 요약은 Samy Brahimi 외 저자가 2016년 arXiv에 발표한 논문 "Giant perpendicular magnetic anisotropy energies in CoPt thin films: ...
Figure 2: Electronic density of states and charge density plot of Highest Occupied Molecular Orbital (HOMO) and Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO) for congurations with isolated (\1+1") C atoms and dimers (\2") in C2B8N8 (x= 0.22). (a) density of states, and charge density plots of (b) HOMO and (c) LUMO states of \1+1" conguration. (d) density of states, and charge density plots of (e) HOMO and (f) LUMO states of \2" conguration. (g) Schematic of the formation of bonding and antibonding states from the C/B and C/N defect states in \1+1" conguration. EF denotes the Fermi energy and the dotted line at 0 is the vacuum level. Here, C= yellow, B= green and N= blue.

탄소 치환 2D 질화붕소(BN)의 전자 밴드갭 엔지니어링: 차세대 반도체 및 광촉매 설계를 위한 제일원리 연구

이 기술 요약은 Sharmila N. Shirodkar 외 저자가 2015년 arXiv에 발표한 논문 "Engineering the electronic bandgaps and band edge positions ...
Figure 4: Flips a ! a0 and b ! b0 accompanied by two ’phason’ singularities (or mismatches) of opposite signs. The two singularities can diffuse apart along the row of hexagons by a sequence of local flips. Adapted from Fig. 3 in [9].

결정 결함의 재발견: 준결정 내 페이손 결함(Phason Defects)의 근본 원리 분석

이 기술 요약은 Maurice Kleman이 2012년 발표한 학술 논문 "defects in quasicrystals, revisited I- flips, approximants, phason defects"를 기반으로 합니다 ...
Figure 3. J-V characteristic curves of the simulated solar cells from the starting set of parameters to the final device characteristic. Here the ‘Ref. Cell’ corresponds to the real cell (Cell-B) and the curve immediately close to this curve is the best matched one.

텍스처 표면의 함정: 실리콘 박막 증착 결함 분석 및 효율 개선 방안

이 기술 요약은 S. M. Iftiquar, S. N. Riaz, S. Mahapatra가 arXiv에 발표한 논문 "Analysis of growth of silicon thin ...
Fig. B8 Multislice STEM simulations for the structural models obtained from DFT calculations. Top: atomistic structural model. Bottom: Multislice STEM simulations. (a) T-type pure Mg Σ7 GB, and A-type units with (b) three and (c) six Ga columns.

원자 단위 특성 분석을 통한 결함 상평형도 구축: 차세대 소재 설계의 새로운 패러다임

이 기술 요약은 Xuyang Zhou 외 저자가 2023년 Springer Nature (arXiv)에 발표한 논문 "Constructing phase diagrams for defects by correlated ...
Figure 3: SEM observations of initiation sites on tensile specimens (a) M1 and (b) T6 having natural defects; (c) A1 having an artificial defect

A356-T6 주조 결함, 피로 수명에 미치는 영향은? 다축 피로 해석을 통한 임계 결함 크기 규명

이 기술 요약은 M. J. Roy 외 저자가 2012년 International Journal of Fatigue에 발표한 논문 "Multiaxial Kitagawa Analysis of A356-T6"를 ...
Figure 1 DFT datasets used for the assessment of uMLIPs. (a) Simple GBs for 56 elements, with the corresponding structure counts for each element. A BCC bicrystal containing two GB are presented. (b) BCC Mo-g. “g” here denotes “general-purpose”. (c) BCC W-s. “s” here denotes “spherical”. (d) Mg dataset obtained by RANDSPG. (e) MoNbTaW-H dataset. A single atomic H is near a screw dislocation core. (f) CrCoNi dataset. (g) HEA10 containing 10 elements i.e. Al, Hf, Mo, Nb, Ni, Ta, Ti, V, W, Zr. (h) Histogram plot of energy for all datasets. The dashed rectangular box highlights the source of positive energy. (i) Histogram plot of atomic force for all datasets.

DFT급 정확도, 수천 배 빠른 속도: uMLIPs가 제시하는 차세대 금속 재료 설계

이 기술 요약은 Fei Shuang 외 저자가 2025년에 발표한 학술 논문 "Universal machine learning interatomic potentials poised to supplant DFT ...
Fig. 1: Arch-bridge damage scenarios: (a) failure under symmetrical scour; (b) failure under asymmetrical scour29

CFD 교량 세굴 해석: 홍수와 지진의 복합 작용에 대한 교량 성능 평가의 핵심

이 기술 요약은 Luke J. Prendergast 외 저자가 Structural Engineering International (2018)에 발표한 논문 "Structural Health Monitoring for Performance Assessment ...
Fig. 11 The effect of fitting length on stress distribution at the standard conditions (Clearance (c): 0.05 mm, Wall thickness (t): 1.5 mm).

고압 다이캐스팅 공정의 핵심, 얇은 코어 핀의 수명 연장 비결: CAE 응력 해석을 통한 최적 형상 설계

이 기술 요약은 Suguru Takeda 외 저자가 Materials Transactions (2017)에 발표한 논문 "Stress Analysis of Thin Wall Core Pin in ...
Figure 10. Examples of the measured incremental strain

임시 구조물의 숨겨진 성능을 밝히다: 무선 스트레인 센서 기술의 현장 적용

이 기술 요약은 X.M. Xu 외 저자가 2016년 Proceedings of the International Conference on Smart Infrastructure and Construction에 발표한 논문 ...
Fig. 3. Schematic of the Vehicle-Bridge-Soil Interaction (VBSI) model.

차량 진동으로 교량 붕괴의 주범 ‘세굴’을 탐지하다: CFD 기반 교량 세굴 모니터링 혁신

이 기술 요약은 Luke J. Prendergast, David Hester, Kenneth Gavin이 작성하여 2016년 ASCE Journal of Bridge Engineering에 발표한 논문 "Determining ...
Figure 1: Process simulation and optimization with SORPAS®.

차세대 경량 소재 접합의 해답: 저항 용접 시뮬레이션으로 공정 최적화하기

이 기술 요약은 Wenqi Zhang, Azeddine Chergui, Chris Valentin Nielsen이 2012년에 발표한 학술 논문 "Process Simulation of Resistance Weld Bonding ...
Figure 4. STS-128 thermocouple layout on Discovery, windward view. TC-9 is at the location of the ight experiment boundary layer trip. The black, not blue, thermocouples were used in the present analyses.

초음속 난류 가열: 우주 왕복선 비행 데이터 기반 CFD 시뮬레이션 정확도 평가

이 기술 요약은 William A. Wood와 A. Brandon Oliver가 American Institute of Aeronautics and Astronautics를 통해 발표한 논문 "Assessment of ...

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

해양 논문자료

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 ...
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 ...
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 BRIDGEPIER USING FLOW-3D SOFTWARE"논문에 대한 소개자료입니다. Figure 4.18 scour development ...
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). 이 소개자료는 CFD simulation of local scour ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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. 1. 서론 해상풍력 터빈 ...
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) 1. 서론 최근 수리구조물 설계에서 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors' alignment around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software

The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D

FLOW-3D를 이용한 원형 교각 주변의 세굴 시뮬레이션 Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors' alignment ...
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 ...
Figure 10. Three-dimensional illustration of Froude number in various tailwaters. (a) 129.10 m, (b) 129.40 m, (c) 129.70 m, (d) 129.99 m, and (e) 130.30 m

Hydraulic Characteristic Analysis of Buoyant Flap Typed Storm Surge Barrier using FLOW-3D Model

FLOW-3D 모델을 이용한 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽의 수리 특성 분석 1. 서론 본 연구는 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽의 ...
Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s

Three Dimensional Simulation of Flow Field around Series of Spur Dikes

Spur Dikes 주변의 3차원 유동장 시뮬레이션 Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 ...
Domain

Validation of the CFD Code Flow-3D for the Free Surface Flow Around Ship Hulls

선체 주위 자유 표면 유동을 위한 CFD 코드 Flow-3D 검증 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D®를 사용하여 선체 주변의 자유 표면 ...
Wave

Using FLOW-3D as a CFD Materials Approach in Waves Generation

FLOW-3D를 이용한 파랑 생성의 CFD 재료 접근법 연구 목적 본 연구는 FLOW-3D®를 이용하여 파랑 생성 및 파랑 붕괴 현상을 수치적으로 ...
Scouring

FLOW-3D Modelling of the Debris Effect on Maximum Scour Hole Depth at Bridge Piers

교각 주변 최대 세굴 깊이에 대한 부유물(Debris)의 영향 분석: FLOW-3D 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 ...
scouring

Three-Dimensional Numerical Simulation of Local Scour Around Circular Bridge Pier Using FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 원형 교각 주변 국부 세굴의 3차원 수치 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 ...
Fluid Velocity

Modeling of Local Scour Depth Around Bridge Pier Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 교각 주변 국부 세굴 깊이 모델링 연구 배경 및 목적 문제 정의: 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(Local Scour)은 ...
graph

FLOW-3D 모형의 세굴 매개변수 민감도 분석

연구 배경 및 목적 문제 정의: 하천 및 수공구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(Local Scour)은 하상 침식으로 인해 구조물의 안전성을 위협하는 ...
Wave

Stepped Mound Breakwater Simulation by Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 계단식 방파제 시뮬레이션 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 계단식 방파제(stepped mound breakwater) 주변의 파랑 거동을 시뮬레이션하고 실험 ...
Scouring

3D Numerical Simulation of Flow Field Around Twin Piles

쌍둥이 말뚝 주변 유동장에 대한 3차원 수치 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의: 교각이나 말뚝(pile) 주위에서 발생하는 국부적인 세굴(scour)은 ...
Wave pattern at sea surface at 20 knots (10.29 ms) for mesh 1

Ship Resistance Analysis using CFD Simulations in Flow-3D

Flow-3D CFD 시뮬레이션을 이용한 선박 저항 분석 연구 배경 선박 설계 시 추진 시스템의 효율성을 결정하는 핵심 요소 중 하나는 ...
pile

FLOW-3D 모형을 이용한 해상풍력기초 세굴현상 분석

연구 배경 해상풍력 발전 기초는 파랑 조건에 의해 주변 유동이 크게 교란되어 세굴(Scour) 현상이 발생할 수 있다. 기초의 안정성 확보를 ...

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

코팅 논문자료

Fig 1: Microstructure (200x) of (a) Sample 1 (b) Sample 2 (c) Sample 3 (d) Sample 4

구리(Cu) 첨가로 아연-알루미늄 합금의 경도를 2배 높이는 방법: 고성능 코팅 재료의 혁신

이 기술 요약은 Md. Arifur Rahman Khan 외 저자가 2016년 1st International Conference on Engineering Materials and Metallurgical Engineering에 발표한 ...
Figure 1: Influence of laser output power on cross-section morphologies of welded seam. (Δ𝑍 = 0mm; 𝑉 = 1.5m/min; 𝑈𝑓 = 15L/min).

NiTi 형상기억합금 레이저 용접 최적화: 공정 변수 제어를 통한 완벽한 용접부 형성 가이드

이 기술 요약은 Wei Wang 외 저자가 Advances in Materials Science and Engineering (2014)에 발표한 논문 "Effect of Laser Welding ...

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

주조 논문자료

와류 혼합 및 다이캐스팅 기술로 제조된 알루미늄-이산화규소(SiC) 복합재의 방전 가공(EDM) 연구

와류 혼합 및 다이캐스팅 기술로 제조된 알루미늄-이산화규소(SiC) 복합재의 방전 가공(EDM) 연구 EDM Studies on Aluminum Alloy-Silicon Carbide Composites Developed by ...

이트륨(Y) 첨가에 따른 A356 중력 금형 주조용 TiB 결정립 미세화 효과의 향상 연구

이트륨(Y) 첨가에 따른 A356 중력 금형 주조용 TiB 결정립 미세화 효과의 향상 연구 Enhancement of TiB Grain Refining Effect on ...

쌍롤 주조 중 T2 구리 합금의 응고 거동에 관한 수치 해석 및 실험 연구

쌍롤 주조 중 T2 구리 합금의 응고 거동에 관한 수치 해석 및 실험 연구 Numerical and experimental research on solidification ...

수소 분위기 연속 주조법으로 제작된 다공성 Al-Ti 합금의 기공 형태학 연구: 응고 속도에 따른 기공 구조 제어 기전 규명

수소 분위기 연속 주조법으로 제작된 다공성 Al-Ti 합금의 기공 형태학 연구: 응고 속도에 따른 기공 구조 제어 기전 규명 Pore ...

수평 연속 주조(HCC) 기반 황동 합금의 응고 형태 예측을 위한 3차원 셀룰러 오토마타(Cellular Automaton) 모델 및 실험적 검증

수평 연속 주조(HCC) 기반 황동 합금의 응고 형태 예측을 위한 3차원 셀룰러 오토마타(Cellular Automaton) 모델 및 실험적 검증 A Three ...

강판 틱소포밍(Thixoforming) 공정에서의 열교환 영향 분석

강판 틱소포밍(Thixoforming) 공정에서의 열교환 영향 분석 Thermal exchange effects on steel thixoforming processes 틱소포밍(Thixoforming)은 재료가 고체와 액체가 공존하는 '반응고(Semi-solid)' 상태일 ...

사형 주조 공법으로 제조된 Cu-Zn 합금(황동)의 공정 설계, 개발 및 기계적 특성 분석

사형 주조 공법으로 제조된 Cu-Zn 합금(황동)의 공정 설계, 개발 및 기계적 특성 분석 Process Design, Development and Mechanical Analysis of ...

실리콘 주조 공정의 대형화가 산소 및 탄소 불순물 분포에 미치는 영향에 관한 수치 해석

실리콘 주조 공정의 대형화가 산소 및 탄소 불순물 분포에 미치는 영향에 관한 수치 해석 Numerical Analysis of the Influence of ...
Fig.2 Schematic diagrar nofcasting  apparatus

소실 모형 주조법(EPC)에서 알루미늄 합금 주물의 치수 정밀도에 미치는 도포액(Coat) 강도의 영향 연구

소실 모형 주조법(EPC)에서 알루미늄 합금 주물의 치수 정밀도에 미치는 도포액(Coat) 강도의 영향 연구 Effect of Coat Strength on Dimensional Change ...
Fig. 7 - Velocity streamline distribution for (a) sample mold; (b) outward curvature runner with air vent

CFD 해석을 통한 러너 및 벤트 시스템 최적화: 고압 다이캐스팅 기공 결함 감소의 새로운 해법

이 기술 요약은 M.D Ibrahim 외 저자가 2023년 INTERNATIONAL JOURNAL OF INTEGRATED ENGINEERING에 게재한 "Parametric Study for Runner Modifications of ...
Figure 7. Schematic illustration of the effect of die temperature on the solidification of pure aluminum molten metal. (a) Die temperature: 30 °C, plunger speed: 0.2 m/s (Figure 6a); (b) die temperature: 150 °C, plunger speed: 0.2 m/s (Figure 6b).

순수 알루미늄 다이캐스팅의 통념을 깨다: 얇고 높은 핀 히트싱크 제작을 위한 최적 공정 조건 발견

이 기술 요약은 Hiroshi Fuse와 Toshio Haga가 Metals (2025)에 발표한 논문 "Die-Casting Conditions for Pure Aluminum Heat Sink with Thin ...
Figure 5. SEM micrographs of the twin-roll cast and annealed WZ73 alloy at (a) 500 C, 2 h, (b) 525 C, 6 h and (c) the amount of Y and Zn within the magnesium matrix (mid-thickness of the strip) for dierent conditions: TRC and after annealing at C/h.

쌍롤 주조(Twin-Roll Casting) WZ73 마그네슘 합금의 미세구조 제어: 고강도, 고연성 부품 생산의 새로운 가능성

이 기술 요약은 Kristina Kittner 외 저자가 Crystals (2020)에 발표한 논문 "Microstructure and Texture Evolution during Twin-Roll Casting and Annealing ...
Figure 3. Removal of the cast ingot samples for the measurements secondary dendrite spacing and microhardness.

스퀴즈 캐스팅 압력 최적화: Al-Si-Cu 합금의 미세경도 및 품질 향상 비결

이 기술 요약은 Ronaldo Oliveira 외 저자가 Materials Research (2019)에 발표한 논문 "Effect of Squeeze Casting on Microhardness and Microstructure ...
Figure 3: Dynamic behaviours of maximum wave height under the ladle tilting condition of speed change of the low-speed section.

다이캐스팅 수율 극대화: SPH 시뮬레이션으로 최적의 가변 주탕 속도 찾기

이 기술 요약은 F. Itakura 외 저자들이 PARTICLES 2023(VIII International Conference on Particle-Based Methods)에 발표한 논문 "EXAMINATION OF VARIABLE TILTINNG ...
Figure 1 X-Ray images of part from trial 1 to 9, each part represents related process

결함 없는 다이캐스팅: 반용융 공정 최적화로 다공성을 줄이는 방법

이 기술 요약은 Yekta Berk SUSLU 외 저자가 METAL 2019에 발표한 논문 "SEMI-SOLID ALUMINUM DIE CASTING PROCESS DESIGN FOR PREVENTING ...
Figure 10. Cracking of NiTi alloy under different hot deformation processing parameters.

주조 NiTi 형상기억합금의 열간 변형 거동 최적화: 고품질 부품 생산을 위한 핵심 공정 변수 규명

이 기술 요약은 Chengchuang Tao 외 저자가 Materials (2021)에 발표한 논문 "Research on the Hot Deformation Behavior of the Casting ...
Figure 4. Shape and dimensions of rhombic-trapezoid dies used for AZ91 magnesium alloy forging

AZ91 마그네슘 합금 단조 최적화: 평면 앤빌 vs. 형상 앤빌, 시뮬레이션으로 밝혀낸 공정 혁신

이 기술 요약은 Grzegorz Banaszek 외 저자가 Materials (2020)에 발표한 논문 "[Analysis of the Open Die Forging Process of the ...
Figure 1: The increase in the fraction of peer-reviewed journal articles related to SRO effects in HEAs from 2019-2023 (in blue). The number of HEA articles published per year (in red). Data is obtained from the Web of Science with the values for 2023 annualized based on a search performed in September 2023.

차세대 성능의 실현: 고엔트로피 합금의 단거리 정렬이 재료 강도와 내구성을 재정의하는 방법

이 기술 요약은 Novin Rasooli, Wei Chen, Matthew Daly가 저술하고 2023년 발표한 학술 논문 "Deformation Mechanisms in High Entropy Alloys: ...
FIG. 1. (a) Potential energy and the CSRO parameter with increasing MCMD timesteps. (b) SFE for three selected CSRO degrees, denoted as α', α'', and α''' in (a). (c-d) the corresponding atom congurations to α', α'', and α''', respectively.

나노스케일 원자 배열(CSRO)이 Fe-Ni-Cr 합금의 방사선 손상에 미치는 영향 분석: 더 안전한 원자력 재료를 향한 분자동역학 시뮬레이션

이 기술 요약은 Hamdy Arkoub와 Miaomiao Jin이 발표한 "Impact of chemical short-range order on radiation damage in Fe-Ni-Cr alloys" 논문을 ...
Figure 1: (a) Cross section TEM image of the HEA film showing a region where EDS line scan is performed. (b) EDS line scan concentration profiles of the elements in the HEA film. (c) Cross7 section scanning electron microscopy micrograph with EDS maps of the elemental composition on the HEA film

차세대 핵융합로의 핵심, 방사선 손상을 극복한 텅스텐 고엔트로피 합금의 등장

이 기술 요약은 O. El-Atwani 외 저자의 논문 "Outstanding Radiation Resistance of Tungsten-based High Entropy Alloys"를 기반으로 하며, STI C&D의 ...
Figure 2. Mold Filling Behavior Using JSCast

주조 시뮬레이션으로 굴삭기 부품의 수축 결함 잡기: BS100 Grade A6 합금 해석 사례

이 기술 요약은 Pham Quang이 SCIREA Journal of Materials (2025)에 발표한 논문 "Numerical modeling and simulation of mold filling and ...
Figure 1. High pressure die casting machine Müller Weingarten 600

다이캐스팅 금형 계면의 열 균형 최적화: 품질 및 생산성 향상을 위한 핵심 통찰

이 기술 요약은 [Jan Majernik, Stefan Gaspar, Martin Podaril, Tomas Coranic]이 [MM SCIENCE JOURNAL]에 발표한 "[EVALUATION OF THERMAL CONDITIONS AT ...
Figure 4. The major element distribution of the Mg-RE alloy sheet with TRC samples.

트윈 롤 캐스팅(Twin Roll Casting) 기술로 구현한 차세대 생체 이식용 비정질 Mg-RE 합금의 우수한 내부식성 및 생체 적합성

이 기술 요약은 Haijian Wang 외 저자가 2019년 Metals에 게재한 논문 "Preparation and Characterization of Mg-RE Alloy Sheets and Formation ...
FIG. 2. Elemental analysis of the Y3 sample showing immiscibility of yttrium in the V0:6Ti0:4 alloy.

이트륨(Y) 첨가로 V-Ti 합금 초전도체의 임계 전류 밀도 7.5배 향상: 고성능 초전도 자석 개발의 새로운 가능성

이 기술 요약은 SK. Ramjan 외 저자들이 arXiv에 발표한 논문 "Enhancement of functional properties of V0.6Ti0.4 alloy superconductor by the ...
Fig. 3 Gating system and location of monitoring places

HPDC 1단계 피스톤 속도 최적화: 충전 챔버 파형 제어를 통한 가스 혼입 결함 감소 전략

이 기술 요약은 Jan Majernik, Martin Podaril이 작성하여 Manufacturing Technology (2023)에 게재한 논문 "The Piston Velocity Impact on the Filling ...
Figure 1. The LPSC system with vibration.

기계적 진동으로 Al-Cu-Mn-Ti 합금의 수축 결함 제거: 저압주조 공정의 혁신

이 기술 요약은 Wei Chen, Shiping Wu, Rujia Wang이 저술하여 Materials (2022)에 발표한 논문 "Effect of Mechanical Vibration on the ...
Fig. 5. Electron micrograph of ML5 sample section inoculated with 0.10% SWCNT with indicated X-ray spectroscopic analysis areas

마그네슘 합금의 미세구조 제어: 탄소 나노입자 접종을 통한 주조 품질 혁신

이 기술 요약은 Spartak MAKOVSKYI 외 저자가 2023년 [Технології виробництва об'єктів авіаційно-космічної техніки]에 발표한 논문 "[INFLUENCE OF CARBON NANOPARTICLE INOCULATION ...
Fig. 1 Technical drawing of sample B, illustrating its cooling channel and three Ø 2-mm orifices for the placement of thermocouples during heat transfer testing

적층 제조 냉각 인서트의 성능 극대화: 다이캐스팅 금형의 열 접촉 저항(TCR) 정복하기

이 기술 요약은 P. Capela 외 저자가 [Journal of Materials Engineering and Performance]에 발표한 "[Experimental Analysis of Heat Transfer at ...
Fig. 2.0 Moulded and Child part (Reference VC ).

고압 다이캐스팅 기공 결함 감소 및 강도 향상: 공정 최적화를 통한 16kN 파단 하중 증대 달성

이 기술 요약은 Vinod Kumar Verrma 외 저자가 2023년 International Journal of Engineering and Computer Science에 발표한 논문 "Reduction Of ...
Figure 1. CCDR production equipment.

4043 Al 합금 열주기 성능 분석: 연속 주조 직접 압연(CCDR) 공법의 고온 안정성 및 파괴 메커니즘 규명

이 기술 요약은 Bo-Chin Huang과 Fei-Yi Hung이 저술하여 Materials (2023)에 게재한 논문 "Effect of High Temperature and Thermal Cycle of ...
FIGURE 9: Solidification Simulation Output X = 0:013 m

다이캐스팅 불확실성 정량화: 가상 인증 프레임워크로 제품 품질 예측 정확도 높이기

이 기술 요약은 Shantanu Shahane 외 저자가 2018년 ASME(미국기계학회)에 발표한 논문 "VIRTUALLY-GUIDED CERTIFICATION WITH UNCERTAINTY QUANTIFICATION APPLIED TO DIE CASTING"을 ...
Blow hole is a defect in a casting caused by the escape of gas.

고압 다이캐스팅 기공 불량률 35%에서 1% 미만으로: 체계적 분석을 통한 수율 혁신

이 기술 요약은 Bharat Sharma가 2020년 International Journal of Engineering Applied Sciences and Technology에 발표한 논문 "BLOW HOLE CONTROL IN ...
Fig. 1. a) Schematic of the vertically upwards continuous casting (VUCC) 8 mm process. b) Photograph of setup.

CFD 시뮬레이션으로 구리 연속 주조 속도 한계 돌파: 고품질 생산성을 위한 응고 해석

이 기술 요약은 [Jones, Thomas D. A. 외]가 저술하여 [Engineering Science and Technology, an International Journal]에 발표한 논문 "Computational fluid ...
Рис. 3. Фазы процесса ЛПД

고압 다이캐스팅 가스 결함 66%의 원인과 해결책: 공정 최적화를 통한 품질 혁신

이 기술 요약은 V.I. Chechukha와 M.A. Sadokha가 Foundry Production and Metallurgy (2023)에 발표한 논문 "[Defects in High-Pressure Die Casting and ...
Figure 1: The moving half of a typical die casting die [2].

마찰이 답이다: 알루미늄 고압 다이캐스팅의 점착 및 솔더링 문제에 대한 새로운 열역학적 접근법

이 기술 요약은 Alex Monroe가 Michigan Technological University에서 2021년에 발표한 박사학위 논문 "THERMOMECHANICAL MECHANISMS THAT CAUSE ADHESION OF ALUMINUM HIGH ...
Fig. 2. Cr atom maps of binary Fe-20 at.% Cr alloy for: (a) solutionized condition, and aged at 773 K for time durations of: (b) 1 h, (c) 25 h and (d) 50 h respectively. Each purple dot represents one Cr atom. The inset shown in the upper right corners of each image corresponds comparative plots of observed Cr atom distribution with random binomial distribution.

Fe-Cr 합금 상분리의 미스터리: 점결함이 재료 강도를 결정하는 방법

이 기술 요약은 Sudip Kumar Sarkar 외 저자가 발표한 학술 논문 "Co-evolution of point defects and Cr-rich nano-phase in binary ...
Figure 1. SEM images of the powders: (a) Ti powder; (b) Ni powder; (c) Ni-Ti blended powders.

혁신적인 겔캐스팅-마이크로파 소결 공법으로 다공성 NiTi 합금의 기계적 특성 최적화: 의료용 임플란트의 미래

이 기술 요약은 Zhiqiang He 외 저자들이 Materials에 2022년 발표한 논문 "Microstructure and Mechanical Properties of Porous NiTi Alloy Prepared ...
Fig. 2. a) furnace; b-c) prepared casting in the two-part mold.

흡입 주조(Suction Casting)를 통한 Alloy 625+TiB2 복합재의 미세구조 및 경도 향상: 항공우주 부품의 미래

이 기술 요약은 Łukasz Rakoczy 외 저자가 Materials Science Forum (2025)에 게재한 논문 "Alloy 625+TiB2 Composites Fabricated via Suction Casting ...
Fig. 5 Optical micrographs showing effect of ECAP pass on microstructures a) Unprocessed, and ECAP processed at b) 2nd-pass, c) 4thpass, d) 6th-pass and e) 8th-pass.

AC4CH 알루미늄 주조 합금 연성 향상의 비밀: 공정 Si 입자 분포 정량화의 중요성

이 기술 요약은 Naohiro Saruwatari와 Yoshihiro Nakayama가 저술하여 2018년 Japan Foundry Engineering Society에서 발행한 "[Quantitative Evaluation of Eutectic Si Phase ...
Fig. 1. The microstructure of magnesium alloy samples with different content of Nd, ×350: a – 2.2 % Nd; b – 2.8 % Nd; c – 3.4 % Nd

차세대 의료용 임플란트: 2차 수술이 필요 없는 생분해성 마그네슘 합금 개발

이 기술 요약은 V. Shalomeev 외 저자가 2019년 Eastern-European Journal of Enterprise Technologies에 발표한 논문 "DESIGN AND EXAMINATION OF THE ...
Figure 1: (a) Schematic setup and (b) Muffle furnace.

초정밀 주조의 혁신: 초음파 진동 교반 압착 주조(UVSS)를 통한 고강도 H-Al-Si 합금의 기계적 특성 향상

이 기술 요약은 Meghavath Peeru Naik와 Korabu Tulasi Balaram Padal이 2023년 Nano World Journal에 발표한 논문 "Microstructure and Mechanical Characterization ...
Fig.10 Detail of die-casting die with microtubules

미세튜브 다이캐스팅 금형: 적층제조 기술로 불량률 줄이고 생산성 높이는 새로운 해법

이 기술 요약은 [堀 裕生 외]가 저술하여 [精密工学会誌] ([2023])에 게재한 논문 "[微小管付与による離型剤浸透金型の製作とダイカスト鋳造特性]"을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 ...
Fig. 3. Microstructure with porosity of sample A3, magnification 200x

AlSi7Mg0.3 주조 합금의 기공률 제어: 인장 강도 30% 향상을 위한 핵심 데이터

이 기술 요약은 Iryna Hren, Stefan Michna, Lenka Michnova가 저술하여 ENGINEERING FOR RURAL DEVELOPMENT (2019)에 발표한 논문 "[DEPENDENCE OF MECHANICAL ...
Table 1: Mechanical properties of AA6061 and AA7075 [36].

스터 캐스팅 공정 마스터하기: 실리콘 카바이드(SiC)로 강화된 고성능 알루미늄 복합재 제작의 모든 것

이 기술 요약은 Kiran Babu Nadikudi Bhanodaya가 작성하여 2023년 Nano World Journal에 게재한 학술 논문 "Comprehensive Analysis of Stir Casting ...
Figure 1. The geometry for investigating the slamming on a salt core in channel; all dimensions are in mm.

고압 다이캐스팅(HPDC) 슬래밍 CFD 모델링: 로스트 코어 파손, 정말 걱정해야 할까?

이 기술 요약은 Sebastian Kohlstädt, Michael Vynnycky, Stephan Goeke가 Metals (2021)에 발표한 논문 "On the CFD Modelling of Slamming of ...
Figure 6. Radiography examination of the produced wheel rim using different slope variation

알루미늄 중력 주조 불량률 감소의 핵심: 상부 금형 경사각 최적화

이 기술 요약은 Ahya Hidayat 외 저자가 2024년 Annales de Chimie - Science des Matériaux에 발표한 논문 "Impact of Top ...
Fig. 3 - Sample mold CT scan

CFD 해석을 통한 러너 및 벤트 시스템 최적화: 고압 다이캐스팅 기공 결함 감소의 새로운 해법

이 기술 요약은 M.D Ibrahim 외 저자가 2023년 INTERNATIONAL JOURNAL OF INTEGRATED ENGINEERING에 게재한 "[Parametric Study for Runner Modifications of ...
Fig. 1. The geometrical arrangement of reinforcements (a) Laminate, (b)Particulates, (c) Straight Fiber and (d) Whisker formin A6061 matrix.

AA 6061 금속 기지 복합재: 교반 주조법을 통한 기계적 특성 극대화 방안

이 기술 요약은 Balraj Hooda 외 저자가 International Journal for Multidisciplinary Research (IJFMR)에 발표한 논문 "[Metal Matrix Alloy AA 6061 ...
Figure 3. Pareto chart

파레토 분석과 POKAYOKE를 활용한 크랭크케이스 주조 결함 27% 감소 및 생산성 향상 방안

이 기술 요약은 Sahil Rajendra Bavdhankar 외 저자가 International Journal for Multidisciplinary Research (IJFMR)에 발표한 논문 "Defect Analysis and Productivity ...
図8 鋳巣の種類

다이캐스팅 머신의 진화: 초고속 충전 및 전동화 기술이 품질을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 Journal of The Japan Institute of Light Metals에 게재된 Yuji ABE의 논문 "Die-casting machine"(2019)을 기반으로 하며, STI ...
Figure 5. Rheo-squeeze casting A2 alloy pipe wall with gradient structure (a) puzzle of A2 alloy pipe wall microstructures; (b - f) microstructures of regions b - f.

레오-압착 주조(Rheo-Squeeze Casting): 고규소 알루미늄 합금의 경사 구조 제어를 통한 엔진 성능 극대화

이 기술 요약은 Lu Li 외 저자들이 Materials Research(2018)에 발표한 논문 "[Rheo-Squeeze Casting of High-Silicon Aluminium Alloy Pipes with Gradient ...
Figure 1. The schematic for the equipment.

초음파 탈가스: Al-Li 합금의 수소 제어 및 기계적 특성 향상을 위한 혁신적 주조 기술

이 기술 요약은 Yuqi Hu 외 저자가 2022년 Materials 학술지에 발표한 "Effect of Ultrasonic-Assisted Casting on the Hydrogen and Lithium ...
Fig 2.2 - Tipology of chamber and its components (adapted from [11, 17]). (a) - Cold chamber; (b) - Hot chamber;

HPDC 게이팅 설계 자동화: Python 기반 모델링 및 시뮬레이션으로 개발 시간 단축

이 기술 요약은 Nélson Moura Pereira Duro가 2024년 Universidade do Minho에 제출한 석사 학위 논문 "Modelling and Simulation of Die ...
Figure 5. Numerical analysis parts and the data measuring method. (a) The locations of the monitoring areas and analysis region. (b) The temperature and pressure measuring setup. (c) Numerical analysis model for distributor and the surrounding dies.

HPDC 금형의 열 피로 수명 예측: CFD-FEA 연성 해석을 통한 파손 시점 정밀 예측

이 기술 요약은 Joeun Choi 외 저자가 Metals (2022)에 게재한 논문 "Fatigue Life Prediction Methodology of Hot Work Tool Steel ...
Fig. 1. Measurement procedure for λ2 in a SEM micrograph (L – length; n – number of secondary arms)

Al-Si 합금 미세경도 예측: 주조 열 변수와 덴드라이트 간격의 상관관계 분석

이 기술 요약은 Diego CARVALHO 외 저자가 2018년 MATERIALS SCIENCE (MEDŽIAGOTYRA)에 발표한 논문 "Microindentation Hardness-Secondary Dendritic Spacings Correlation with Casting ...

고엔트로피 NiCoCrAl−(Ti, Nb) 브레이징 삽입재의 열역학적 파라미터에 미치는 접착 활성 성분의 영향

Influence of Adhesive-Active Components on Thermodynamic Parameters of High-Entropy NiCoCrAl−(Ti, Nb) Brazing Filler Metals 내열성 니켈 합금의 브레이징은 항공 및 ...
Fig. 2 Macrographs of a, d Gd-free, b, e 0.1 mass%, and c, f 0.5 mass% Gd-containing alloys solidified at a–c low (0.2 °C s− 1) and d–f high (1.3 °C s− 1) cooling rates

가돌리늄(Gd) 첨가 AlSi7Mg0.3 합금의 응고 및 미세구조 분석: 고품질 주조를 위한 CFD 시뮬레이션 데이터 확보

이 기술 요약은 Ozen Gursoy와 Giulio Timelli가 저술하여 Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (2024)에 발표한 학술 논문 "The influence ...

알루미늄 합금 다이캐스팅용 금형의 조기 균열 및 파손 원인 분석

PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ALUMINIUM ALLOY DIE-CASTING 알루미늄 합금 다이캐스팅 공정에서 금형의 수명은 생산 효율성과 제조 비용에 직결되는 핵심적인 ...

반응고 다이캐스팅 및 열처리 공정을 이용한 ADC10 합금의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 주조 변수의 영향

Effect of Casting Parameters on the Microstructure and Mechanical Properties of ADC10 Alloys Using a Semisolid Die Casting and Heat ...

LM6 알루미늄 합금 주조의 피딩 효율에 미치는 응고 매개변수의 영향

Effect of Solidification Parameters on the Feeding Efficiency of Lm6 Aluminium Alloy Casting 최근 자동차 산업에서는 엔진 블록, 실린더 헤드, ...
Fig. 1 Round bar aluminum die cast test piece

이미지 기반 유한요소해석을 이용한 알루미늄 다이캐스트 합금의 피로 균열 발생 예측

Estimating Fatigue Crack Initiation of Aluminum Die Cast Alloy using Image Based Finite Element Analysis 알루미늄 다이캐스트 합금은 우수한 성형성과 ...

AC4CH 알루미늄 주조 합금의 ECAP 성형성에 미치는 예열 온도의 영향

AC4CH 알루미늄 주조 합금의 ECAP 성형성에 미치는 예열 온도의 영향 Effect of Preheating Temperature on ECAP Formability of AC4CH Aluminum ...

자동차 경량화를 위한 다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금의 개발 및 특성 평가

다이캐스팅용 고강도 알루미늄 합금 (High Strength Aluminum Alloy for Die Casting) 최근 자동차 산업은 전 세계적인 환경 규제 강화와 연비 ...

다구치 분석을 이용한 고압 다이캐스팅 주조 결함 최소화 연구

Minimizing the casting defects in high-pressure die casting using Taguchi analysis 고압 다이캐스팅(HPDC)은 복잡한 형상의 비철금속 부품을 정밀하게 제조할 수 ...
Figure 11. Optical microscope image of steel sample produced with a casting speed of 3.2 m/min.

고탄소 및 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 강의 주조 속도 향상 연구

고탄소 및 미크로 합금 DIN EN ISO 16120-2: 2011-C66D 강의 주조 속도 향상 연구 Increasing Casting Speed in High Carbon ...
Fig. 5. Microstructure of AlSi20 alloy unmodified (a), modified with P, Ti i B (b, c) poured without cooling (b) and with water mist cooling of casting die (a, c). Phase β (Si), lamellar eutectic α+β (Al+Si)

열처리된 금형 주조 AlSi20 합금의 조직

열처리된 금형 주조 AlSi20 합금의 조직 Structure of AlSi20 Alloy in Heat Treated Die Casting 본 연구는 다지점 수분 분무 ...
Fig.1 aluminum alloy motor

알루미늄 합금 모터의 저압 주조 기술

알루미늄 합금 모터의 저압 주조 기술 The Low-pressure Casting Technology of aluminum alloy motor 본 보고서는 공압 다이아프램 펌프용 알루미늄 ...
Figure 2. Appearance of the samples' surfaces exposed to the molten alloy after the ejection tests

알루미늄 합금 주조와 접촉하는 미처리, 질화 및 PVD 코팅된 열간 공구강의 마모 및 솔더링 성능

알루미늄 합금 주조와 접촉하는 미처리, 질화 및 PVD 코팅된 열간 공구강의 마모 및 솔더링 성능 Wear and Soldering Performance of ...
Fig. 1. Example of typical casting tree design with ‘diablo’ type setup

백금 주조에서 공정 매개변수의 역할

백금 주조에서 공정 매개변수의 역할 The Role of Process Parameters in Platinum Casting 본 보고서는 백금 주얼리 합금의 주조 특성을 ...
Figure 2: 첫 번째 시뮬레이션에서 달성된 주물의 기공 결과 분석

AZ91D 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅 주조 기술의 최적화

AZ91D 마그네슘 합금 고압 다이캐스팅 주조 기술의 최적화 OPTIMIZATION OF CASTING TECHNOLOGY OF THE PRESSURE DIE CAST AZ91D MG-BASED ALLOY ...
Figure 7 Microstructure of casting specimens at different pouring temperatures

ZL205A 금속 금형 주조의 미세조직 상 분석 및 공정 최적화

ZL205A 금속 금형 주조의 미세조직 상 분석 및 공정 최적화 Microstructure Phase Analysis and Process Optimization of ZL205A Metal Mold ...
Figure 3 Cross section morphology of the gray iron inserts and thickness of zinc coating: (a) zinc barrel plating for 1 hour; (b) zinc barrel plating for 2 hours; (c) zinc barrel plating for 3 hours; (d) zinc rack plating for 1 hour

고압 다이캐스팅 공정을 이용한 이종 금속 주조물의 주철-알루미늄 결합

고압 다이캐스팅 공정을 이용한 이종 금속 주조물의 주철-알루미늄 결합 Bonding of Cast Iron-Aluminum In Bimetallic Castings By High Pressure Die ...
Figure 3. Mold shape and flow pass change.

금속 압력 제어 시스템을 이용한 사형 프레스 주조

금속 압력 제어 시스템을 이용한 사형 프레스 주조 Sand Mold Press Casting with Metal Pressure Control System 본 보고서는 사형 ...
Figure 2 Physical model of horizontal centrifugal casting

Al-Cu 합금의 원심 주조를 위한 미세조직 및 열간 균열 민감도 시뮬레이션과 매개변수 최적화

Al-Cu 합금의 원심 주조를 위한 미세조직 및 열간 균열 민감도 시뮬레이션과 매개변수 최적화 Microstructure and hot tearing sensitivity simulation and ...
Figure 2,3 Illustration of furnace operation before and after upgrading

다이캐스팅 공장의 알루미늄 용해로에 대한 엑서지 분석 및 효율 평가

다이캐스팅 공장의 알루미늄 용해로에 대한 엑서지 분석 및 효율 평가 Exergy analysis and efficiency evaluation for an aluminium melting furnace ...
Figure 2. SEM analysis of physico- chemical soldering: (a) back scattered electron image (b) X-ray mapping of Al.

다이캐스팅의 미세 균열 및 금형 침식 분석

다이캐스팅의 미세 균열 및 금형 침식 분석 Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in Die Casting 본 보고서는 고압 ...
Fig. 3. Casting pores in AlSi7Mg observed by metallography

X-선 컴퓨터 단층 촬영 및 금속 조직학을 이용한 주조 기공 특성 분석

X-선 컴퓨터 단층 촬영 및 금속 조직학을 이용한 주조 기공 특성 분석 CASTING PORE CHARACTERIZATION BY X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY AND ...
Figure 5. (a) Electron backscatter diffraction (EBSD) orientation map, (b) grain boundary misorientation angles, (c) {100}, {110} and {111} pole figures of the alloy in the heat-tread condition

열처리된 다이캐스트 Al-Mg-Si 기반 알루미늄 합금의 반복 변형 거동

열처리된 다이캐스트 Al-Mg-Si 기반 알루미늄 합금의 반복 변형 거동 Cyclic Deformation Behavior of A Heat-Treated Die-Cast Al-Mg-Si-Based Aluminum Alloy 본 ...
Fig. 5 Crack of ADC12 die casting.

ADC12 알루미늄 합금 다이캐스팅의 냉간 균열 판정 기준

ADC12 알루미늄 합금 다이캐스팅의 냉간 균열 판정 기준 Cold Crack Criterion for ADC12 Aluminum Alloy Die Casting 본 연구는 자동차 ...
Figure 1. SEM micrographs of (a) TiH2 and (b) Al particles.

TiH2 및 Al 분말 혼합물의 비수계 겔 캐스팅을 이용한 다공성 TiAl 합금 제조 연구

TiH2 및 Al 분말 혼합물의 비수계 겔 캐스팅을 이용한 다공성 TiAl 합금 제조 연구 Study on the Fabrication of Porous ...
Figure 8. Optical microscopy images of Source D. (a) oxide bifilm in between the dendrites (b) pores.

A356 알루미늄 합금 주조의 허용 품질 한계 결정: 공급업체 품질 지수(SQI)

A356 알루미늄 합금 주조의 허용 품질 한계 결정: 공급업체 품질 지수(SQI) Determination of Acceptable Quality Limit for Casting of A356 ...
Figure 7. Cast produced for different sprue height above the critical drop height: (a) 450mm sprue height (b) 400mm sprue height. The critical drop height is 377mm.

중력 사구 주조에서 알루미늄 합금(AL-91% Mg-8% Fe-0.4% Zn-0.2%)의 임계 낙하 높이 및 임계 유속 결정

중력 사구 주조에서 알루미늄 합금(AL-91% Mg-8% Fe-0.4% Zn-0.2%)의 임계 낙하 높이 및 임계 유속 결정 Determination of the critical drop ...
Figure 2. Porosity content for samples taken from Reduced Pressure Test (RPT) under partial vacuum; (a) without degassing; (b) with degassing tablet; and (c) degassed with high-shear melt conditioning

폐자동차 스크랩 유래 알루미늄 주조 합금의 고전단 탈가스 및 탈철 공정 연구

폐자동차 스크랩 유래 알루미늄 주조 합금의 고전단 탈가스 및 탈철 공정 연구 High-Shear De-Gassing and De-Ironing of an Aluminum Casting ...
Fig. 2: 주조 및 압연된 시편의 제2상 입자 SEM 이미지 (표면, 1/4 지점, 중심부)

고속 쌍롤 주조로 제조된 A356 합금 스트립의 냉간 압연 및 고용화 처리에 따른 미세조직과 연신율 이방성

고속 쌍롤 주조로 제조된 A356 합금 스트립의 냉간 압연 및 고용화 처리에 따른 미세조직과 연신율 이방성 Microstructure and Elongation Anisotropy ...
FIGURE 4. Expansion test on cup B

SLS 및 진공 다이캐스팅을 이용한 환자 맞춤형 유연 실리콘 임플란트 개발

SLS 및 진공 다이캐스팅을 이용한 환자 맞춤형 유연 실리콘 임플란트 개발 Developing a Patient Individualized Flexible Silicone Implant using SLS ...
Fig. 1 Arc-melted and solidified Mo-Si-B-TiC alloy: (a) whole view showing the designation of the samples for microstructure observations, (b)–(d) illustration for the preparation of the samples cut from the ingot.

용해 및 틸트 주조법으로 제조된 Mo-Si-B-TiC 합금의 미세조직 정량적 평가

용해 및 틸트 주조법으로 제조된 Mo-Si-B-TiC 합금의 미세조직 정량적 평가 Quantitative Evaluation of Microstructure in Mo-Si-B-TiC Alloy Produced by Melting ...
Figure 7. Microsection of a clinch joint. (A) punch-side HCT590X, die-side AlSi9 (2.0 mm), (B) punch-side HCT590X, die-side AlSi9 (3 mm), (C) punch-side AlSi9 (2.0 mm), die-side HCT590X, (D) punch-side AlSi9 (3.0 mm), die-side HCT590X

사형 주조 시 응고 속도가 주조 알루미늄 합금의 기계적 접합성에 미치는 영향

사형 주조 시 응고 속도가 주조 알루미늄 합금의 기계적 접합성에 미치는 영향 Effect of Solidification Rates at Sand Casting on ...
Figure 10. Representative micrographs of selected composite after wear test under 15-N normal load, 4.69 m/s sliding velocity and 1500 m sliding distance of (a) A-1, 0 wt.% MD; (b) A-2, 1.5 wt.% MD; (c) A-3, 3 wt.% MD; (d) A-4, 4.5 wt.% MD; (e) A-5, 6 wt.% MD reinforced composites.

대리석 분말 강화 구리 기반 합금(C93200) 복합재의 진공 환경 교반 주조 개발 및 평가

대리석 분말 강화 구리 기반 합금(C93200) 복합재의 진공 환경 교반 주조 개발 및 평가 Evaluation of Copper-Based Alloy (C93200) Composites ...
Fig. 7. Results of die casting fluidity test; (a) Schematic of die cast specimens, (b) flow length.

고압 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열전도성 및 주조성에 미치는 첨가원소의 영향

고압 다이캐스팅용 알루미늄 합금의 열전도성 및 주조성에 미치는 첨가원소의 영향 Effect of Alloying Elements on the Thermal Conductivity and Casting ...
Figure 2. SEM images of segregated Mo-based coarse particles: (a) clusters of Mo-rich polygonal particles observed in 0.1 Mo, (b) elongated and fragmented Mo-based phases found in 0.3 Mo casting probably deriving from (c) Mo-based needles contained in the Al–Mo10 master alloy; (d–f) corresponding EDS spectra [6].

A354 (Al–Si–Cu–Mg) 주조 합금에 대한 Mo 첨가: 상온 및 고온에서의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향

A354 (Al–Si–Cu–Mg) 주조 합금에 대한 Mo 첨가: 상온 및 고온에서의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 영향 Mo Addition to the ...
Fig. 1. Caster layout and typical defects in continuously cast products.

연속 주조 중 결함 형성 모델링을 위한 유동, 열전달 및 응고의 역할을 이해하기 위한 핵심 윤활 개념

연속 주조 중 결함 형성 모델링을 위한 유동, 열전달 및 응고의 역할을 이해하기 위한 핵심 윤활 개념 Key Lubrication Concepts ...
Static temperature

컴프레서 하우징 다이캐스팅 공정의 온도 결함 분석

컴프레서 하우징 다이캐스팅 공정의 온도 결함 분석 Temperature Defects on Compressor Housing Die Casting Method 본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정에서 ...
FIG. 9: Temperature variations of the total thermal conductivity κ, lattice thermal conductivity κL, and electronic thermal conductivity κe for Ru2NbAl at H = 0.

반금속성 Ru2NbAl 호이슬러 합금의 강자성 상관 클러스터 연구

반금속성 Ru2NbAl 호이슬러 합금의 강자성 상관 클러스터 연구 Ferromagnetically correlated clusters in semi-metallic Ru2NbAl Heusler alloy 본 연구는 VEC(원자가 전자 ...
Figure 2. Illustration of boundary conditions for the finite element model; (a) conventional die casting die, (b) lightweight design die; see Table 1 for notes on 1–8.

모듈형 설계 방식을 이용한 경량 다이캐스팅 금형에 관한 기초 연구

모듈형 설계 방식을 이용한 경량 다이캐스팅 금형에 관한 기초 연구 AN INITIAL STUDY OF A LIGHTWEIGHT DIE CASTING DIE USING ...
Figure 2. As-cast microstructures of AZ91D: (a,c) non-treated samples; (b,d) US treated samples

AZ91D 마그네슘 합금의 정적 및 동적 기계적 거동에 미치는 초음파 처리의 영향

AZ91D 마그네슘 합금의 정적 및 동적 기계적 거동에 미치는 초음파 처리의 영향 Effect of Ultrasonic Treatment in the Static and ...
Figure 1 Ceramic shell composition close to magnesium alloy

SF6 및 3M NOVEC 612 보호 가스를 이용한 정밀 주조 시 마그네슘 합금 AZ91E의 주형-금속 반응 연구

SF6 및 3M NOVEC 612 보호 가스를 이용한 정밀 주조 시 마그네슘 합금 AZ91E의 주형-금속 반응 연구 MOLD METAL REACTIONS ...
Fig. 13 (a) TEM bright-field image of a transverse cross section of the Cu–5Zr alloy rod produced by VUCC. (b, c) Nanoelectron beam diffraction (NBD) patterns obtained at the points marked X and Y, respectively.

수직 상향 연속 주조법으로 제조된 아공정 Cu-Zr 합금 봉재의 특성

수직 상향 연속 주조법으로 제조된 아공정 Cu-Zr 합금 봉재의 특성 Characteristics of Hypoeutectic Cu–Zr Alloy Rods Manufactured by Vertically Upwards ...
Figure 7a and 7b: SEM micrographs of dmls_06 rupture surface

치과용 주조 및 레이저 소결 Cr-Co 합금의 성능 평가

치과용 주조 및 레이저 소결 Cr-Co 합금의 성능 평가 Evaluation of Performance of Cast and Laser-Sintered cr-co Alloys for Dental ...
Fig.1 Microstructure of Al-18wt.%Si alloy (×100) (a),(b),(c): 1100r/min; (d),(e),(f): 1300r/min; (g),(h),(i): 1600 r/min; (a),(d),(g): Outer layer; (b),(e),(h): Middle layer; (c),(f),(i): Inner layer.

원심 주조가 과공정 Al-18wt.%Si 합금의 미세구조 및 특성에 미치는 영향

원심 주조가 과공정 Al-18wt.%Si 합금의 미세구조 및 특성에 미치는 영향 Effect of Centrifugal Casting on Microstructures and Properties of Hypereutectic ...
Fig. 4. Optical (a), (b) and SEM (c) micrographs of cast matrix alloy AA6061.

교반 주조법을 이용한 탄화티타늄 입자 강화 AA6061 알루미늄 합금 복합재의 제조 및 특성 분석

교반 주조법을 이용한 탄화티타늄 입자 강화 AA6061 알루미늄 합금 복합재의 제조 및 특성 분석 Production and characterization of titanium carbide ...
Fig. 1. Scanning electron micrographs (a) Mg97Y2Zn1 alloy after solution treatment with grains of the α-Mg matrix (dark grey) and interdendritic LPSO phases (grey) [4], (b) WZ62 after solution treatment [5] and (c) several Mg-Zn-RE alloys after homogenization [3] 1. Scanning electron micrographs (a) Mg97Y2Zn1 alloy after solution treatment with grains of the α-Mg matrix (dark grey) and interdendritic LPSO phases (grey) [4], (b) WZ62 after solution treatment [5] and (c) several Mg-Zn-RE alloys after homogenization [3]

주조 및 열간 압연으로 제조된 Mg-6.8Y-2.5Zn-0.5Al 마그네슘 합금의 기계적 성질 및 미세조직

주조 및 열간 압연으로 제조된 Mg-6.8Y-2.5Zn-0.5Al 마그네슘 합금의 기계적 성질 및 미세조직 Mechanical Properties and Microstructure of the Magnesium Alloy ...
Fig. 1 3D-CAD model

컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 JIS ADC12 평판 다이캐스트 제품의 열 변형 예측

컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 JIS ADC12 평판 다이캐스트 제품의 열 변형 예측 Computer simulation for prediction of thermal distortion of JIS ...
Fig. 12. Microstructure of Al-12Si-1Mg-1Cu piston alloys: a) cast Alloy 1(AC); b) trace-Zr-added Alloy 2(AC); c) solution-treated Alloy 1(ST); and d) trace-Zr-added solution-treated Alloy 2(ST)

Al-12Si-1Mg-1Cu 피스톤 합금의 시효 경화 거동에 미치는 용체화 처리 및 미량 Zr 첨가의 영향

Al-12Si-1Mg-1Cu 피스톤 합금의 시효 경화 거동에 미치는 용체화 처리 및 미량 Zr 첨가의 영향 Effect of Solution Treatment on Age-Hardening ...
Fig. 2. Micrographs (200x) of the sample sections: (a) standard, (b) chill-off and (c) non-degassed castings.

알루미늄 합금제 브레이크 시스템 부품의 피로 저항성 연구

알루미늄 합금제 브레이크 시스템 부품의 피로 저항성 연구 Fatigue Resistance of Brake System Components Made of Aluminium Alloy 본 보고서는 ...
FIG. 3. (a) Defect configurations involving two (X − W)W mixed–interstitials in which X corresponds to V, Ti and Re atoms. The figure shows a slice parallel to a {110} plane of the structure. Small (blue) spheres indicate tungsten atoms whereas large (gray) spheres indicate X atoms. Thicker (yellow) cylinders indicate bond lengths shorter than 2.3 °A whereas thinner (gray) cylinders indicate bond lengths shorter than 2.5 °A. (b) An illustration of parallel h111i strings in BCC tungsten. (c) Binding energy of a pair of titanium bridge mixed–interstitial with respect to string number.

W-Re 합금의 방사선 유발 편석에서 격자 간 결합의 역할

W-Re 합금의 방사선 유발 편석에서 격자 간 결합의 역할 The role of interstitial binding in radiation induced segregation in W-Re ...
Fig. 13 Experimental result by using conventional input.

CFD 최적화 문제를 위한 다중 부중심 해 탐색 알고리즘 및 다이캐스팅 공정 적용

CFD 최적화 문제를 위한 다중 부중심 해 탐색 알고리즘 및 다이캐스팅 공정 적용 Multi-Subcenters Solution Search Algorithm for CFD Optimization ...
Figure 12. American Foundry Association modification levels [15]

고압 사출 주조 공정에서 공정 Al-Si 합금의 합금 원소 개질 연구

고압 사출 주조 공정에서 공정 Al-Si 합금의 합금 원소 개질 연구 Investigation of Modifying Alloying Elements in High-Pressure Injection Casting ...
Figure 3. Mechanical and corrosion properties of conventional HPDC magnesium alloys: (a) mechanical properties [25–27] and (b) salt spray test for 1000 hours conducted by Meridian lightweight technologies.

산업 분야에서의 고압 다이캐스팅(HPDC) 마그네슘 합금의 응용

산업 분야에서의 고압 다이캐스팅(HPDC) 마그네슘 합금의 응용 Applications of High-Pressure Die-Casting (HPDC) Magnesium Alloys in Industry 본 보고서는 자동차 및 ...
Figure 1. X-ray diffraction pattern of Se85−x Te15 Znx (x = 0, 2, 4, 6, 10).

a-Se85Te15 유리 합금의 결함 상태 밀도에 대한 아연 혼입의 영향

a-Se85Te15 유리 합금의 결함 상태 밀도에 대한 아연 혼입의 영향 Effect of zinc incorporation on the density of defect states ...
Fig. 7 Stress distributions within the cylindrical shell molds fully and not fully filled with melt (a) fully filled with melt, (b) not fully filled with melt (100 times amplified deformation) (three dimension analysis).

AC4C 알루미늄 합금 주조 중 쉘 몰드 균열 및 그 예측

3.1. 실험용 몰드 준비: JIS100 규사와 1.5 mass% 페놀 수지를 혼합하여 내경 60mm, 두께 10mm의 원통형 쉘 몰드를 300°C에서 제작함.3.2 ...
Figure 7. Porosity distribution in 16 mm thickness

고압 다이캐스팅 공정에서 사출 속도가 Mg-RE 합금의 기계적 특성에 미치는 영향

고압 다이캐스팅 공정에서 사출 속도가 Mg-RE 합금의 기계적 특성에 미치는 영향 Effects of Injection Speed on Mechanical Properties in High-Pressure ...
Obr. 7. Návrh 2 typov zaústení vtokových sústav pre giga odliatky a), b), c) integrálne porovnanie zachyteného vzduchu medzi dvoma konštrukčnými typmi vtokových sústav [1]

자동차 생산의 기술적 혁명: 기가 캐스팅(Giga Casting)

자동차 생산의 기술적 혁명: 기가 캐스팅(Giga Casting) Giga casting as a technological revolution in automobile production 본 보고서는 자동차 제조 ...
Fig. 7 Wave formation before and during encapsulation of air in ...

고압 다이캐스팅 공정의 1단계 피스톤 속도가 충전실 파형 형성에 미치는 영향 분석

고압 다이캐스팅 공정의 1단계 피스톤 속도가 충전실 파형 형성에 미치는 영향 분석 The Piston Velocity Impact on the Filling Chamber ...
Fig. 5. Microstructure of Zn4Al3Cu alloy observed with the use of a scanning electron microscope with a BSE (back scattered electrons) detector

생산 조건에서 고압 다이캐스팅용 Zn-Al-Cu 합금의 티타늄 합금화 효과

생산 조건에서 고압 다이캐스팅용 Zn-Al-Cu 합금의 티타늄 합금화 효과 Effect of Titanium Alloying of Zn-Al-Cu Alloys for High Pressure Die ...
Fig. 14 Displacement achieved from First time step

고압 다이캐스팅의 금형 수명 평가: Altair Inspire Cast 및 SIMSOLID를 통한 온도 역학 및 내구성의 상관관계 분석

고압 다이캐스팅의 금형 수명 평가: Altair Inspire Cast 및 SIMSOLID를 통한 온도 역학 및 내구성의 상관관계 분석 Evaluating Die Life ...
Figure 1. Example castings of the two alloys with shot and gating attached, (a) front and (b) back of the casting.

Al–Ce–La–Ni–Fe 합금의 고압 다이캐스팅 공정 연구

Al–Ce–La–Ni–Fe 합금의 고압 다이캐스팅 공정 연구 HIGH-PRESSURE DIE CASTING OF Al–Ce–La–Ni–Fe ALLOYS 본 연구는 고압 다이캐스팅(HPDC) 조건에서 Al-Ce-Ni 기반 합금 ...
Figure 6 Mould filling test without vacuum, changeover point 450 mm

AlSi9Cu3(Fe) 합금 고압 다이캐스팅 부품의 파라미터 조정에 미치는 진공의 영향

AlSi9Cu3(Fe) 합금 고압 다이캐스팅 부품의 파라미터 조정에 미치는 진공의 영향 INFLUENCE OF VACUUM ON ADJUSTING PARAMETERS OF HIGH PRESSURE DIE ...
Fig.4 Analytical result of flow line.

수치 시뮬레이션을 이용한 주조 결함 예측

수치 시뮬레이션을 이용한 주조 결함 예측 Prediction of casting defect by using of numerical simulations 본 연구는 마그네슘 합금 사출 ...
Fig. 1 Schematic diagram of casting apparatus.

소실 모형 주조 공정 중 주형 충전 시 용융 알루미늄 합금의 온도 저하에 미치는 도형재 통기성의 영향

소실 모형 주조 공정 중 주형 충전 시 용융 알루미늄 합금의 온도 저하에 미치는 도형재 통기성의 영향 Effect of Coat ...
Figure 3. Die-casting die (a) and aluminium casting (b).

다이캐스팅 금형의 열피로 균열 분석

다이캐스팅 금형의 열피로 균열 분석 Thermal Fatigue Cracking of Die-Casting Dies 본 보고서는 알루미늄 합금 다이캐스팅 공정 중 발생하는 금형의 ...
Figure 1 Centrifuge casting machine

원심 주조 기술로 제조된 알루미나 나노 입자 강화 경사 기능 Al-12Si (wt.%) 합금의 미세 구조 연구 및 재료 특성 분석

원심 주조 기술로 제조된 알루미나 나노 입자 강화 경사 기능 Al-12Si (wt.%) 합금의 미세 구조 연구 및 재료 특성 분석 ...
Fig. 3. SEM micrographs of Al-3.5%Mg-1.5%Si alloy showing Mg2Si and Al15(Fe,Mn)3Si2 intermetallic phases ; (a) SEM-SEI, (b) and (c) SEM-EDS analysis.

Al-Mg계 다이캐스팅 합금의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 Mg 및 Si의 영향

Al-Mg계 다이캐스팅 합금의 미세조직 및 기계적 성질에 미치는 Mg 및 Si의 영향 Effects of Mg and Si on Microstructure and ...
Fig. 3. (a) DTA curve, (b) XRD patterns, and OM micrographs of (c) centrifugal cast and (d) homogenized Mg–Gd–Y–Zn–Zr alloy.

원심 주조, 링 롤링 및 시효 처리를 통한 Mg–Gd–Y–Zn–Zr 합금의 미세조직 진화 및 기계적 특성 향상

원심 주조, 링 롤링 및 시효 처리를 통한 Mg–Gd–Y–Zn–Zr 합금의 미세조직 진화 및 기계적 특성 향상 Microstructural evolution and enhanced ...
Fig. 3. Model diagram of electron beam heat source (a) Horizontal (b) Vertical

저주파 전자기장 하에서 대형 희토류 마그네슘 합금 잉곳의 DC 주조 수치 시뮬레이션

저주파 전자기장 하에서 대형 희토류 마그네슘 합금 잉곳의 DC 주조 수치 시뮬레이션 Numerical simulation of DC casting of large-size rare ...
Рис. 3 Включения η-фазы в микроструктуре твердого сплава

초경합금 과립 혼합물을 이용한 다이 블랭크 제조 및 혼합물의 화학적 조성이 기술적 특성에 미치는 영향

초경합금 과립 혼합물을 이용한 다이 블랭크 제조 및 혼합물의 화학적 조성이 기술적 특성에 미치는 영향 Manufacturing of Die Blanks from ...
Fig.5 flux condition of 0 degree used FAVOR method

수치 시뮬레이션을 이용한 마그네슘 합금 사출 성형품의 주조 결함 예측

수치 시뮬레이션을 이용한 마그네슘 합금 사출 성형품의 주조 결함 예측 Prediction of casting defect in Mg alloy castings by using ...
Fig. 1. Dendrite morphology of transparent organic alloy and contour of dendrite solidified in normal area and geometrically influenced area.

원심주조된 고탄소 고합금 주철 롤의 응고 조직에 대한 프랙탈 해석

원심주조된 고탄소 고합금 주철 롤의 응고 조직에 대한 프랙탈 해석 Fractal Analysis of Solidification Microstructure of High Carbon High Alloy ...
Fig. 1. The dependence of the tensile strength of AlSi11/10 vol.% SiC composite on parameters of pressure die casting process

고압 다이캐스팅 공정 최적화: AlSi11/SiC 복합소재의 기계적 물성을 극대화하는 핵심 변수

이 기술 요약은 Z. Konopka와 A. Pasieka가 ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING (2014)에 발표한 논문 "The Influence of Pressure Die Casting ...
Figure 3: shown the rod casts ingot that produced by stirr casting

교반 주조(Stir Casting)를 통한 CuCr 합금의 기계적 특성 향상: R&D 엔지니어를 위한 미세구조 분석 및 최적화

이 기술 요약은 Sami Abualnoun Ajeel, Rabiha S. Yaseen, Asaad Kadhim Eqal이 작성하여 2019년 Diyala Journal of Engineering Sciences에 게재한 ...
Fig 1 Process of casting in industry

사형 주조 공정의 CFD 해석: 유동 분석을 통한 주조 품질 향상 전략

이 기술 요약은 Rajiv Kumar N, Umar Ahamed P, Mohamed Anwar A U가 International Journal of Trend in Scientific Research ...
Figure 3. The comparison between the numerical simulation (right) results and the flow visualization experiment (left) within the transparent windows.

고압 다이캐스팅 공정의 직접 관찰: CFD 시뮬레이션 정확도 검증과 기공 예측의 새로운 지평

이 기술 요약은 Hanxue Cao 외 저자들이 2019년 Materials에 발표한 논문 "[Direct Observation of Filling Process and Porosity Prediction in ...
Fig-4: Temperature distribution during filling process of molten metal at different time

다이캐스팅 시뮬레이션: 자동차 스티어링 쉘의 수축 결함 제거 및 최적화

이 기술 요약은 LI Jing, XU Teng-Gang, ZHU Jian-Jun이 저술하여 2017년 IJRET(International Journal of Research in Engineering and Technology)에 게재한 ...
图1 Nano-MAX 研磨机

CFD 시뮬레이션으로 구현한 동압 부상 연마: 비정질 합금 박막용 초정밀 구리 기판 제작의 혁신

이 기술 요약은 Xu Hong, Wen Donghui, Ou Changjing이 저술하여 기계공학학보(JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING) (2014)에 게재된 논문 "비정질 합금 박막 ...
図2 QDXHARMOTEX の焼なまし状態の組織

QDX-HARMOTEX: 고온강도와 인성을 모두 잡은 차세대 고인성 다이캐스트 금형강

이 기술 요약은 武藤康政, 舘 幸生, 島村祐太가 저술하여まてりあ (Materia Japan) (2018)에 게재한 논문 "高強度高靱性ダイカスト金型用鋼 QDX-HARMOTEX の開発 (고강도 고인성 다이캐스트 금형강 ...
Figure 3. Microstructures for different pouring temperatures and holding times with (a) pouring temperature 660 °C and holding time 20 s, (b) pouring temperature 660 °C and holding time 60 s, (c) pouring temperature 680 °C and holding time 20 s, (d) pouring temperature 680 °C and holding time 60 s, (e) pouring temperature 700 °C and holding time 20 s, and (f) pouring temperature 700 °C and holding time 60 s.

반용융 금속 성형 품질 최적화: 주입 온도와 유지 시간이 미세조직 및 경도에 미치는 영향

이 기술 요약은 N. A. Razak 외 저자가 2017년 IOP Conference Series: Materials Science and Engineering에 발표한 논문 "Investigation of ...
Fig. 3 Microstructures of as-cast (a) Mg-5Al, (b), (c) AX53, (d), (e), (f) 0.5%Ni@VGCFs/AX53, and (g), (h), (i) 1.0%Ni@VGCFs/AX53.

콤포캐스팅 공정으로 강화된 마그네슘 복합재료: VGCF 첨가로 기계적 물성 한계 돌파

이 기술 요약은 Youqiang Yao 외 저자가 Materials Transactions (2017)에 발표한 논문 "Fabrication of Vapor-Grown Carbon Fiber-Reinforced Magnesium-Calcium Alloy Composites ...
Figure 7. Contour plots of hardness properties responding to (a) Ra1 and immersion time, (b) Ra1 and wall thickness. (c,d) a 3D view of hardness properties, interaction with the respective parameters.

다이캐스팅 금형의 열 피로 수명 예측: 응답표면분석법(RSM)을 활용한 최적 공정 변수 도출

이 기술 요약은 Hassan Abdulrssoul Abdulhadi 외 저자가 2017년 Metals 학술지에 게재한 논문 "Experimental Investigation of Thermal Fatigue Die Casting ...
Figure 1 Spatial microstructure variations

결함 있는 3D 합금의 소성 변형: 다중 스케일 모델링의 계산 효율성을 10배 이상 높이는 방법

이 기술 요약은 Shiguang Deng 외 저자가 발표한 학술 논문 "Reduced-Order Multiscale Modeling of Plastic Deformations in 3D Alloys with ...
Fig. 8 The finished insert

다이캐스팅 금형의 플랫 블라인드 캐비티 인서트 가공 기술: 정밀도와 안정성 향상을 위한 혁신적 접근법

이 기술 요약은 Shuai Wang과 Xueqing Zhao가 작성하여 2017년 Advances in Engineering Research에 발표한 논문 "The processing instance of a ...
Fig. 3 As-cast microstructures in the middle of the casting walls (top left – casting No. 1, top right – casting No. 2, bottom left – casting No. 3, bottom right – casting No. 4).

단조 알루미늄 EN AW-2024의 고압 주조: 열처리를 통해 기계적 물성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 VANKO Branislav 외 저자가 2017년 Journal of MECHANICAL ENGINEERING - Strojnícky časopis에 발표한 논문 "EN AW-2024 WROUGHT ...
Fig. 2. Morphology of Al-Mg alloy reinforced with (a) 0.5 wt.% and (b) 1.0 wt.%Sr observed by FESEM with 1000X magnification

스트론튬(Sr) 첨가로 Al-Mg 합금의 기계적 특성 및 내식성 극대화: 주조 공정 최적화

이 기술 요약은 Rosmamuhamadani Ramli 외 저자가 Journal of Advanced Research in Applied Mechanics에 2023년 발표한 논문 "Characterization of Aluminium-Magnesium ...
Figure 3. Schematic of the foam degradation process. Source: [43].

EPC 공정 최적화: 주조 결함 없는 고품질 생산을 위한 핵심 변수 분석

이 기술 요약은 Babatunde Victor Omidiji가 2018년 IntechOpen에서 발표한 논문 "Evaporative Pattern Casting (EPC) Process"를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 ...
Figure 1. Microstructure ofmetal-mold cast and die-castAl-9Si-4Cu-0.4Mg-0.3Sc alloys. (a)Microstructure of a metal-mold cast alloy; and (b) microstructure of a die-cast alloy.

다이캐스팅 vs. 금형주조: Al-9Si-4Cu-0.4Mg-0.3Sc 합금의 저주기 피로 수명 극대화 전략

이 기술 요약은 Guanyi Wang 외 저자가 Materials (2020)에 발표한 논문 "Microstructure and Low-Cycle Fatigue Behavior of Al-9Si-4Cu-0.4Mg-0.3Sc Alloy with ...
FIGURE 4. The microstructure of Al-Si with Nanoreinforced MnO, (a) Al-Si Raw Material, (b) Al-Si with Reinforced MnO Raw Material, (c) Al-Si with Nanoreinforeced MnO After Sintering 30 Minutes, (d) Al-Si with Nanoreinforced MnO After Sintering 60 Minutes and (e) Al-Si with Nanoreinforced MnO Doped Graphene Oxide.

주조 공정 최적화: 나노강화 산화망간(MnO)을 통한 Al-Si 합금의 기계적 특성 향상

이 기술 요약은 Poppy Puspitasari 외 저자가 2019년 AIP Conference Proceedings에 발표한 논문 "Mechanical properties of Al-Si alloy with nanoreinforced ...
Fig. 1. End uses of zinc [1]

용융아연도금의 미래: 아연 소비량 및 비용 절감을 위한 기판 제어 전략

이 기술 요약은 Andrzej Szczęsny 외 저자가 Journal of Casting & Materials Engineering에 2021년 발표한 "Directions of the Development of ...
Fig. 5 a Bifilm index versus holding time of liquid aluminium, b distribution of bifilm length, c number density of bifilms

A356 합금 주조 품질의 비밀: Ti 첨가 후 ’40분의 골든타임’이 기계적 특성을 극대화하는 이유

이 기술 요약은 Mikdat Gurtaran과 Muhammet Uludağ가 저술하여 SN Applied Sciences (2020)에 게재한 논문 "Effect of Ti addition holding time ...
Figure 1. Schematic of the experimental set-up: 1—ultrasonic power supply, 2—ultrasonic converter, 3—acoustical wave-guide, 4—acoustic radiator/horn, 5—liquid melt, 6—billet, 7—tundish, 8 —crystallizer, 9—dummy bar head, 10—air cooler, 11—positioning device.

가변 주파수 초음파 처리: ZK60 마그네슘 합금의 결정립 미세화 및 기계적 물성 극대화

이 기술 요약은 Xingrui Chen 외 저자가 Metals (2017)에 게재한 논문 "Variable-Frequency Ultrasonic Treatment on Microstructure and Mechanical Properties of ...
Рис. 4. Сравнение недоливов в реальной отливке из сплава МЛ5 (а) и при моделировании (б) при критической доле твердой фазы 0,1 для температуры заливки 630 °С

AZ91 마그네슘 합금의 충전 불량(Misrun) 예측: 시뮬레이션 정확도를 높이는 핵심 파라미터 규명

이 기술 요약은 A.V. Petrova, V.E. Bazhenov, A.V. Koltygin이 Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya에 발표한 "Прогнозирование недоливов в отливке из сплава ...
Figure 4. Examples of microstructures of AlSi7Mg0.3 alloy processed by ultrasound, at 19.9 ± 0.2 kHz average frequency evaluated in a vertical section of the feeder: (a) V#1; (b) V#2 and (c) V#3 samples, according to Figure 1.

음향 압력 주조: 초음파를 이용한 AlSi7Mg 합금의 응고 제어 및 품질 혁신

이 기술 요약은 H. Puga 외 저자가 2019년 Metals에 발표한 논문 "The Role of Acoustic Pressure during Solidification of AlSi7Mg ...
Fig. 4 SEM analysis of the surface defect (“snowflake”)

AlSi10Mg 가공 결함 ‘스노우플레이크’의 진짜 원인: 절삭유 잔류물 문제 해결

이 기술 요약은 Jaroslava Svobodová 외 저자가 Manufacturing Technology (2019)에 발표한 논문 "Identification of the “Snowflakes” on the Machined Surface ...
Figure 1: AlSi7MgLi procedure of melting and casting: a) induction furnace, b) steel bell for Li addition c) argon gas flux with the lid and d) pouring into different moulds

Al-Li 합금 주조의 핵심: 주형 재료 선택이 품질을 좌우한다

이 기술 요약은 Bastri Zeka 외 저자가 Materiali in tehnologije (2021)에 게재한 논문 "SUITABILITY OF MOULDING MATERIALS FOR Al-Li ALLOY ...
(c) 24 h; WZ73-1.5 vol% SiC after (d) 1; (e) 12 and (f) 24 h; WZ73-2.5 vol% SiC after (g) 1; (h) 12 and (i) 24 h. Figure 8. XRD patterns of the surface corrosion layers in WZ73 and MMCs after immersing in 1 wt % NaCl solution for (a) 12 h and (b) 24 h. It has been reported that the corrosion reactions of Mg alloys immersed in a neutral aqueous solution proceed by the following reactions [33–35]: Mg → Mg2+ + 2e− (2) 2H2O + 2e− → H2+ + 2OH− (3) Mg2+ +2OH− → Mg(OH)2 (4) Figure 7. Surface morphology of WZ73 after immersing in 1 wt % NaCl solution for (a) 1; (b) 12 and (c) 24 h; WZ73-1.5 vol % SiC after (d) 1; (e) 12 and (f) 24 h; WZ73-2.5 vol % SiC after (g) 1; (h) 12 and (i) 24 h. Metals 2018, 8, x FOR PEER REVIEW 10 of 16 Figure 7. Surface morphology of WZ73 after immersing in 1 wt % NaCl solution for (a) 1; (b) 12 and (c) 24 h; WZ73

강도는 UP, 내식성은 DOWN? WZ73 마그네슘 합금 복합재의 기계적 특성 및 부식 거동 분석

이 기술 요약은 Chun Chiu와 Hsu-Chieh Liu가 Metals (2018)에 발표한 논문 "Mechanical Properties and Corrosion Behavior of WZ73 Mg Alloy/SiCp ...
Şekil 3. Sıvı durumda bekletme zamanına ve kesit kalınlığına (soğuma hızına) göre mikroyapı resimleri

Al-18Si 합금의 기계적 특성 역설: 주조 품질과 이중산화막(Bifilm)의 숨겨진 관계

이 기술 요약은 Muhammet ULUDAĞ가 2018년 Uluslararası Mühendislik Araştırma ve Geliştirme Dergisi에 발표한 논문 "Al-18Si Alaşımında Döküm Kalitesi, Mikroyapı Ve ...
Fig. 1 Progress trend of various metals used for MMCs until 2022[1].

파이어플라이 알고리즘을 활용한 금속기 복합재료의 마찰 교반 용접 최적화: 더 강한 접합부를 위한 공정 변수 탐구

이 기술 요약은 C. Devanathan과 A. SureshBabu가 저술하여 TRANSACTIONS OF FAMENA (2021)에 게재한 "MULTI OBJECTIVE OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS BY ...
Figure 1. Schematic diagram of hot chamber die casting method (Gupta & Davim, 2021).

핫챔버 다이캐스팅 공정 최적화: 사출 속도와 냉각 시간이 품질에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Md. Shawkut Ali Khan과 Md. Iftakharul Muhib이 작성하여 2022년 American International Journal of Sciences and Engineering Research에 ...
Figure 3 Microstructure of Al-4.7Zn-1.8Mg (wt.%) alloy in an (a) as-homogenized condition and after cold rolling with reductions of (b) 5%; (c) 10%; and (d) 20%

Al-Zn-Mg 합금의 냉간 압연 및 어닐링: 항공우주 부품의 기계적 물성을 최적화하는 방법

이 기술 요약은 Rachman Kurnia와 Bondan T. Sofyan이 작성하여 2017년 International Journal of Technology에 발표한 "EFFECT OF COLD ROLLING AND ...
Fig. 6. Surface roughness Ra = 3, 5 and 7μm and friction coefficient with load of 200rpm at (5,10,15) N.

표면 거칠기가 Al-Si 합금 마모에 미치는 영향 분석: 자동차 부품 내구성 향상을 위한 핵심 통찰

이 기술 요약은 Riyadh Azzawi Badr가 Tikrit Journal of Engineering Sciences (2017)에 발표한 논문 "Investigation of the Tribological Behavior of ...
Figure 3. (a) Semi-continuous casting process, and (b) resulting AlSn20Cu alloy ingot.

AlSn20Cu 합금 제조 공법 비교: 반연속 주조, 반용융 다이캐스팅, 분무 성형 기술을 통한 베어링 성능 최적화

이 기술 요약은 Shuhui Huang 외 저자가 Metals (2022)에 발표한 논문 "Microstructure Comparison for AlSn20Cu Antifriction Alloys Prepared by Semi-Continuous ...
Fig.1.Die casting hot chamber machine

린 제조(Lean Manufacturing)를 통한 다이캐스팅 공정 최적화: 폐기물 제거 사례 연구

이 기술 요약은 Sumit Kumar Singh, Deepak Kumar, Tarun Gupta가 IOSR Journal of Engineering (2014)에 발표한 논문 "Elimination of Wastes ...
Fig.5 Simulated solute dissolution and homogenization in wheel spoke after solution treatment for t=900 s (a), t=4500 s (b), t=13500 s (c) and t=57600 s (d)

마그네슘 합금 주조의 기계적 물성 예측: 미세조직 시뮬레이션으로 품질과 생산성 극대화

이 기술 요약은 HAN Guomin, HAN Zhiqiang, HUO Liang, DUAN Junpeng, ZHU Xunming, LIU Baicheng이 저술하고 ACTA METALLURGICA SINICA (2012)에 ...
Fig. 2. Optical images of surface of IN (a) and QC (b) samples after etching in 2% HF water solution in order to reveal grain boundaries

급속 냉각 기술: 주조 알루미늄 합금 5052의 부식 저항성을 획기적으로 개선하는 방법

이 기술 요약은 Zbigniew Szklarz, Halina Krawiec, Łukasz Rogal이 Journal of Casting & Materials Engineering에 발표한 "The Effect of Rapid ...
Figure 1 Isochronous curve for the electrical conductivity as a function changes in temperature for 5 h heat treatments for the AA4006TRC alloy, bottom surface.

AA4006 알루미늄 합금의 전기 전도도 최적화: 주조 방식과 열처리가 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Daniel Sierra Yoshikawa 외 저자가 2017년 REM, Int. Eng. J.에 발표한 논문 "Effect of casting mode and ...
Fig. 3 Representative optical microscope images (×20) of debonded surfaces after 20,000 thermocycles of: (a) Laser-R with ES; (b) Cast-R with ES; (c) Laser-R with CE; and (d) Cast-R with CE.

레이저 소결 vs. 주조: 치과 보철물 레진 복합재의 유지력, 핵심은 제작 기술에 있다

이 기술 요약은 Ryuta MURATOMI 외 저자가 2013년 Dental Materials Journal에 발표한 논문 "Comparative study between laser sintering and casting ...
Figure 2: Optical micrograph of the as-cast microstructure.

치과용 Co-Cr-Mo-W 합금 주조의 미세구조 분석: 품질과 성능을 좌우하는 핵심 요소

이 기술 요약은 Priscila S. N. Mendes 외 저자가 2017년 Int. Journal of Engineering Research and Application에 발표한 논문 "Microstructural ...
Figure 12. Microstructure images of the composite reinforced by 5% SiC particle at 230οC. a) before full aging; b) 9 hours full aging; c) after over aging for 40 hours (100x)

Vortex Casting Method: 7075 Al-Alloy 복합재의 경도를 최적화하는 정밀 시효 열처리 기술

이 기술 요약은 Pınar Uyan과 Remzi Gürler가 저술하여 2018년 Universal Journal of Materials Science에 게재한 "Effect of Aging Heat Treatment ...
Figure 6. The roller arrangement of the sinusoidal curvature–quartic even polynomial continuous bending and straightening caster layout curve.

고온 크리프(Creep) 변형을 활용한 연속 주조 공정 혁신: 균열 없는 고품질 슬래브 생산의 새로운 길

이 기술 요약은 Yunhuan Sui 외 저자들이 Metals (2025)에 발표한 논문 "A New Continuous Bending and Straightening Curve Based on ...
Figure 5. Images showing backseat applications: (a) 2014 Chevrolet corvette seatback (courtesy of GM); (b) 2015 Mercedes- Benz SLK seatback [37] (courtesy of GF casting solutions) and (c) 2014 BMW i3 seatback [38] (courtesy of BASF).

자동차 및 항공우주 산업의 혁신: HPDC 마그네슘 합금 적용 기술 심층 분석

이 기술 요약은 Sophia Fan, Xu Wang, Gerry Gang Wang, Jonathan P. Weiler가 발표한 "Applications of High-Pressure Die-Casting (HPDC) Magnesium ...
Fig 1. Overview of the experimental process (a) crucible furnace (b) casting mould (c) squeeze casting process (d) cast samples for analysis (e) samples from tensile testing (f) samples from impact testing.

스퀴즈 캐스팅 최적화: 알루미늄 합금의 기계적 물성을 극대화하는 4가지 핵심 공정 변수

이 기술 요약은 OJARIGHO, EV; AКРОВI, JA; EVOKE, E가 J. Appl. Sci. Environ. Manage.에 발표한 논문 "Optimization of Selected Squeeze ...
Figure 2 Multiscale simulation ecosystem under stationary conditions. In the left(up) part of the figure, we show the temperature field in the system model with four yellow dots that marks thermometer positions in the experiment. The right part represents solid fraction distribution. Arrows show a tiny piece of the bar position that is modelled by PFM

Cu-9Al 합금의 덴드라이트 성장 예측: 연속주조 시뮬레이션으로 미세구조 제어하기

이 기술 요약은 Robert PEZER 외 저자가 METAL 2019에 발표한 논문 "SIMULATION OF DENDRITE GROWTH OF Cu-9AI ALLOY IN THE ...
Fig. 6. 3D reconstruction of the porosity from the tomography images of: a) a part without degassing treatment; b) a part with ultrasonic degassing treatment

고압 다이캐스팅(HPDC)의 새로운 지평: 초음파 탈가스 기술로 수소 기공성 제어

이 기술 요약은 Manel da Silva 외 저자가 Journal of Casting & Materials Engineering (2020)에 발표한 논문 "An Evaluation of ...
Рис. 1. «Кусты» готовых отливок «Крышка корпуса газоанализатора»

소실모형 주조법(LFC) 품질 최적화: 알루미늄 합금의 과열 및 주입 온도가 주조 결함에 미치는 영향

이 기술 요약은 V.B. Deev, K.V. Ponomareva, O.G. Prikhodko, S.V. Smetanyuk가 저술하여 2017년 Izvestiya vuzov. Tsvetnaya metallurgiya에 게재된 논문 "The ...
Рис. 1. Схема устройства совмещенного литья и деформации металла горизонтального типа.

결함 없는 알루미늄 단조: 새로운 연속 주조 변형 공정으로 품질과 생산성 향상

이 기술 요약은 A.A. Sosnin, S.G. Zhilin, O.N. Komarov, N.A. Bogdanova가 FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN에 발표한 논문 "Модернизация установки ...
Fig. 1. The numerical geometry and the predefined section in cooling channel

A356 합금 연속 레오캐스팅 공정 최적화: CFD 시뮬레이션으로 미세조직과 경도를 예측하다

이 기술 요약은 Do Minh Duc, Nguyen Hong Hai, Pham Quang이 Korean J. Met. Mater. (2017)에 발표한 논문 "Simulation and ...
Figure 11. Piezoelectric current diagrams of ZnO nanowires, fabricated using alumina template that was anodized for 5–7 h, measured using conductive atomic force microscopy (C-AFM): (a) 5 h, (b) 6 h, and (c) 7 h.

고진공 다이캐스팅을 활용한 ZnO 나노와이어 제작: 차세대 압전 소자 개발의 핵심 기술

이 기술 요약은 Chin-Guo Kuo 외 저자가 2016년 Sensors 학술지에 게재한 논문 "Fabrication of ZnO Nanowires Arrays by Anodization and ...
Figure 2. Typical microstructure arrays in different magnifications for brass C35ZA alloy located at: (a) and (c) point #1 (top of the casting) and (b) and (d) point #2 (bottom of the casting).

인베스트먼트 주조 공정 최적화: 냉각 속도와 합금 설계가 Cu-Zn 합금의 경도를 제어하는 방법

이 기술 요약은 Gabriel Iecks 외 저자가 Materials Research에 발표한 "Designing a Microstructural Array Associated with Hardness of Dual-phase Cu-Zn ...
FIGURE 2. The three results of temperature field on L9 orthogonal parameters

직교 실험법 기반 마그네슘 복합재 반고체 다이캐스팅 시뮬레이션: 최적 공정 변수 도출

이 기술 요약은 Huihui Liu, Xiongwei He, Peng Guo가 AIP Conference Proceedings (2017)에 게재한 논문 "Numerical simulation on semi-solid die-casting ...
Figure 7. Equilibrium content of Si and TiSi, TiSi2 in the air and argon atmosphere, in alloys: (a) AlSi12, (b) AlSi9Cu3, (c) mixed. The Si content is on the secondary axis.

이종 합금 주조의 혁신: MMIC 공정의 산화물 및 혼합 영역 제어 기술

이 기술 요약은 Liudmyla Lisova 외 저자가 International Journal of Metalcasting에 발표한 "DUAL-ALLOY SAND MOLD CASTING: MAIN PRINCIPLES AND FEATURES" ...
Fig. 12. Energy dispersive element mapping performed for etched specimen, a) microstructure, b) vanadium mapping, c) molybdenum mapping, d) chromium mapping

알루미늄 다이캐스팅 금형의 조기 균열: 열처리 불량이 초래한 치명적 파손 분석

이 기술 요약은 B. Pawłowski 외 저자가 2013년 ARCHIVES OF METALLURGY AND MATERIALS에 발표한 논문 "PREMATURE CRACKING OF DIES FOR ...
Fig. 1. Microstructures of the as-cast NiAl-9Mo-xZr alloy with various Zr contents.

흡입 주조(Suction Casting) NiAl-9Mo 합금: 항공우주 부품의 고온 강도를 위한 획기적인 공정

이 기술 요약은 Yongcun Li 외 저자가 Kovove Mater.에 발표한 2022년 논문 "Optimizing microstructure and mechanical properties of NiAl-9Mo alloy ...
Figure 3. Bench mark for cold chamber die casting (all dimensions in mm).

콜드 챔버 다이캐스팅 공정 최적화: 통계적 기법을 통한 알루미늄 부품의 치수 정확도 41% 향상

이 기술 요약은 Rupinder Singh이 작성하여 Journal of Mechanical Engineering (2016)에 게재한 "Cold chamber die casting of Aluminium alloy: A ...
Fig. 2. Microstructure of solution-treated Al-0.6Mg-1.2Si sheet observed at the transverse direction (TD).

자동차 경량화의 핵심, Al-Mg-Si 합금의 소부경화성 향상: 박판주조(TRC)와 예비시효 처리의 시너지

이 기술 요약은 주기철, 이윤수, 김민석, 김형욱, 김양도 저자가 대한금속·재료학회지(2017)에 발표한 논문 "박판주조법으로 제조한 Al-0.6Mg-1.2Si 합금판재의 소부경화특성"을 기반으로 하며, STI ...
Fig. 4. The solidification simulation results from the simulation program.

HPDC 품질의 핵심, 계면 열전달 계수(IHTC): FLOW-3D를 활용한 A360 합금의 실험 및 수치 해석적 규명

이 기술 요약은 M. KORU와 O. SERÇE가 저술하여 2016년 ACTA PHYSICA POLONICA A에 게재한 논문 "Experimental and Numerical Determination of ...
Fig. 6. The XRD radiography images of casting samples (a) to (d): uncoated sand mold, (e) to (g) sand mold coated with graphite and (h) sand mold with micron-sized ceramic coating (ZR1).

나노 세라믹 코팅: 박벽 알루미늄 주조 결함 제어의 새로운 지평

이 기술 요약은 Mansour Borouni, Behzad Niroumand, Mohammad Hossein Fathi가 2016년 Metallurgical and Materials Engineering, Association of Metallurgical Engineers of ...
Fig.3 Comparison of filling process of the fluid of three models. (a),(d)and(g) Newtonian model,(b),(e)and(h) Carreau-Yasuda model and(c),(f) and (i) Power Law Cut-off model

A356 반용융 다이캐스팅 시뮬레이션: 뉴턴 유체와 비뉴턴 유체의 유동 거동 비교 분석

이 기술 요약은 Wang Zexuan과 Yang Yong이 2015년 International Advanced Research Journal in Science, Engineering and Technology에 발표한 "Research on ...
Figure 6. Macrostructures of 356 ingots: 1—after vibration by 100 Hz; 2—after vibration by 150 Hz; 3—after vibration by 200 Hz; 4—after modification by ultrafine powder modifier; 5—after modification by ultrafine powder modifier followed by 100 Hz vibration; 6—after modification by ultrafine powder modifier followed by 150

주조 공정 최적화: 저주파 진동으로 Al-Si 합금의 기계적 물성을 20% 향상시키는 방법

이 기술 요약은 Vadim Selivorstov, Yuri Dotsenko, Konstantin Borodianskiy가 2017년 Materials에 발표한 "Influence of Low-Frequency Vibration and Modification on Solidification ...
FIGURE 3. Electron microscope image of structure (a, b) and a histogram of grain size distribution (c) for the ultrafinegrained Ti-6Al-4V alloy: (a) bright-field image and microdiffraction pattern; (b) dark-field image

티타늄 합금 수소화: 초미세립(UFG) 구조가 결함 및 성능에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Ekaterina Stepanova 외 저자가 2016년 AIP Conference Proceedings에 발표한 논문 "Effect of hydrogen on the structural and ...
Fig. 2 Microstructures of strip cast Al 3527K F and H alloys.

스트립 캐스팅 Al 3527 K 합금의 열처리: 인장 강도 및 피로 수명 극대화의 비밀

이 기술 요약은 Gi-Su Ham 외 저자가 Materials Transactions (2016)에 발표한 논문 "Effect of Heat Treatment on Tensile and Fatigue ...
Figure 7. (a) Worn surface of the Al- 5 wt. % Al2O3- 7.5wt. % Gr composite. (b) EDS spectrum of MML of the Al-5 wt. % Al2O37.5wt. % Gr composite when tested at 25N, 2 m/s.

스퀴즈 캐스팅 공법 최적화: Al2O3와 흑연을 이용한 Al-Si 복합재의 마모 최소화 방안

이 기술 요약은 Palanisamy Shanmughasundaram이 저술하여 2014년 Materials Research에 게재된 "Investigation on the Wear Behaviour of Eutectic Al-Si Alloy– Al2O3 ...
Figure 8. cost comparison of the nns process chain (a) and existing chain (b). cost details for diferent cages sizes: 100 mm (c), 250 mm (d) and 400 (e). component cost comparison of component evaluated costs for the nns process chain (i.e. centrifugal casting and inish machining) and the existing process chain (i.e. machining from solid blank) (f ).

원심 주조 공정: 밸브 케이지 제조의 비용 절감 및 효율성 극대화를 위한 근사형상주조(NNS) 기술

이 기술 요약은 Daniele Marini와 Jonathan R. Corney가 2017년 Production and Manufacturing Research에 발표한 논문 "A methodology for near net ...
Figure 2 Physical model of horizontal centrifugal casting

Al-Cu 합금 원심주조의 열간균열(Hot Tearing) 예측: 시뮬레이션을 통한 공정 최적화 가이드

이 기술 요약은 Shengkun Lv 외 저자가 2023년 Research Square에 발표한 논문 "Microstructure and hot tearing sensitivity simulation and parameters ...
To examine the microstructure in detail, IPF maps of the as-annealed AZ31 Mg alloy sheets

압연 경로 최적화: AZ31 마그네슘 합금의 강도와 연성을 극대화하는 비결

이 기술 요약은 Dan Luo 외 저자들이 Materials (2016)에 발표한 논문 "Effect of Rolling Route on Microstructure and Tensile Properties ...
Fig.2 Macro–structural images of the stereoscopic (a) and cross–section (b) of the cladding 3003/4004 alloy circular ingot (A: the coarse grain zone, B: the fine grain zone)

연속주조법으로 3003/4004 알루미늄 복층 주괴의 완벽한 계면 결합 구현: 자동차 및 공조 산업의 혁신

이 기술 요약은 LI Jizhan 외 저자들이 2013년 금속학보(АСТА МЕTALLURGICA SINICA)에 발표한 논문 "연속주조법제조 3003/4004 알루미늄 합금 복층 원형 주괴"를 ...
Figure 3.11 Energy flow chart after upgrades

재생식 버너와 엑서지 분석을 통한 알루미늄 용해로 효율 극대화 방안

이 기술 요약은 Dennis Lee가 2003년 Ryerson University에 제출한 석사 학위 논문 "Exergy analysis and efficiency evaluation for an aluminium ...
Figure 5 Aluminum Ingots - 50% / 50% Ingot

재활용 알루미늄 합금 주조: 고전도성 전기 도체 개발을 위한 혁신 공정

이 기술 요약은 Gilson Gilmar Holzschuh 등이 2021년 Research Square에 발표한 논문 "Casting of recycled aluminum, Al + Cu + ...
Fig.4 Casting defects appeared on fracture surface (The arrows indicate the boundary of defects.)

결함 있는 주조재의 인장 강도 평가: 인공 결함을 이용한 산포 문제 해결

이 기술 요약은 Shigeru HAMADA 외 저자들이 작성하여 2011년 Journal of Solid Mechanics and Materials Engineering에 발표한 논문 "Proposed Strength ...
Fig. 7. Scheme of the 3-point flexure test

CAD/CAM 밀링 vs. 전통 주조: 차세대 제조 공법의 금속-세라믹 결합 강도 비교 분석

이 기술 요약은 정효경, 곽동주 저자가 대한치과기공학회지에 발표한 "CAD/CAM 전용 금속 합금과 주조용 합금의 세라믹 결합강도에 관한 연구" 논문을 기반으로 ...
Fig. 2. Section of the research mold and casting, zones and nozzles

미스트 냉각 다이캐스팅: AlSi20 합금 미세구조 제어로 부품 품질을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 R. Władysiak과 A. Kozuń이 저술하여 2015년 ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING에 게재한 "Structure of AlSi20 Alloy in Heat ...
FIG. 3. Identification of defects in the plastic region beneath the indenter tip at the maximum depth of the single element tungsten (W), molybdenum (Mo), and vanadium (V) samples, as well as the binary alloys WMo and WV, using the BCC defect analysis (BDA) technique. Screw dislocation/ twinning planes are represented by yellow-colored atoms, while blue-colored atoms indicate edge dislocations. The top layer atoms are depicted in gray, and atoms in close proximity to vacancies are illustrated by light blue spheres.

나노인덴테이션 시뮬레이션: 텅스텐 합금의 경도 강화를 위한 원자 단위의 비밀 규명

이 기술 요약은 F. J. Dominguez-Gutierrez 외 저자가 2023년 arXiv에 발표한 논문 "Plastic deformation mechanisms during nanoindentation of W, Mo, ...
Fig. 3. The result of an input simulation

고압 다이캐스팅 금형의 조기 침식, FLOW-3D 캐비테이션 시뮬레이션으로 원인 규명 및 해결

이 기술 요약은 Marcin Brzeziński와 Jakub Wiśniowski가 작성하여 Journal of Casting & Materials Engineering (2023)에 게재한 학술 논문 "Effect of ...
Figure 1. Influence of artificial defect.

Ti-6Al-4V 주조 결함의 피로 강도 영향: 크기보다 표면 조건이 중요한 이유

이 기술 요약은 Gaëlle Léopold 외 저자가 MATEC Web of Conferences (2014)에 발표한 논문 "Influence of casting defects on fatigue ...
Fig. 1 Sample of aluminum alloy castings with residual resin defects.

소모성 패턴 주조(EPC) 공정의 숨은 결함: 용탕 유속이 알루미늄 주물 밀도에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Sadatoshi Koroyasu가 작성하여 2022년 Materials Transactions에 게재한 논문 "Effect of Melt Velocity on Density of Aluminum Alloy ...
Figure 2: TEM images of pre compressed T6 Al7075 alloy. A) Linear band of GP zones. B) Cluster of GP zones. C) and D) Higher magnification TEM images of GP zone clusters showing the coherent interface between GP zones and Al matrix E and F ) Bright field TEM image of η phase MgZn 2 precipitate . Scale bars are 25 nm for A C , E and F, and 10 nm for D

고압 환경에서 Al7075 합금의 강도 향상 비밀: 석출물 형성 메커니즘 심층 분석

이 기술 요약은 Abhinav Parakh 등이 발표한 2022년 논문 "High pressure induced precipitation in Al7075 alloy"를 기반으로 하며, STI C&D의 ...
Fig. 2 Three types of pouring methods used in this study: (a) conventional molten metal pouring, and proposed methods (b) A and (c) B.

쌍롤 주조 공정 최적화: 새로운 용탕 주입법으로 Al-Mg 합금 표면 균열을 해결하다

이 기술 요약은 Kazuki Yamazaki와 Toshio Haga가 저술하여 2024년 Japan Foundry Engineering Society에서 발행한 "Reduction of Surface Crack by Modified ...
Fig. 2. Temperature fields of crystallizer rollers for aluminum alloys: 1 – for alloy 8011; 2 – for alloy 8006 (compiled by the authors)

고합금 알루미늄의 트윈롤 주조 공정 최적화: 정밀 온도 제어를 통한 품질 혁신

이 기술 요약은 V. Yu. Bazhin 외 저자가 Non-ferrous Metals (2024)에 발표한 논문 "[Influence of temperature regime of the combined ...
Fig. 7 EPMA element mapping of (a) Al and (b) Ti in matrix of the parallel cross-sections of porous Al-Ti alloy prepared at different transfer velocities.

연속주조 속도 제어를 통한 다공성 Al-Ti 합금 기공 최적화: 고강도 경량 부품 생산의 핵심

이 기술 요약은 T. B. Kim 외 저자들이 Materials Transactions에 2010년 발표한 논문 "Pore Morphology of Porous Al-Ti Alloy Fabricated ...
Figure 2. Calculated austenite structures of Ni2MnGa. (a) Unperturbed austenite unit cell, (b) 2×2×2 supercell with Mn↔Ga antisite pair indicated by the blue arrow. Red arrow emphasizes the antiparallel orientation of MnGa with respect to MnMn; the nearest Mn neighbors are highlighted by yellow circles. (c) Ni2MnGa structure with one antiphase boundary and ferromagnetic spin structure, (d+e) with two differently spaced antiphase boundaries and antiferromagnetic spin structure.

Ni-Mn-Ga Heusler 합금의 미세 구조 분석: 핵자기공명(NMR)을 통한 원자 수준의 결함 규명

이 기술 요약은 Vojtěch Chlan, Martin Adamec, Oleg Heczko가 저술하여 2025년 arXiv에 제출한 논문 "Investigation of local surrounding of Mn ...
Figure 2: Several example of the formed billets which occurred after the injection test. The overall length of the billets was measured from bottom to maximum height of the feedstock billets.

알루미늄 7075 반용융 성형의 비밀: 사출 테스트를 통해 밝혀낸 최적의 미세구조 조건

이 기술 요약은 A.H. Ahmad, S. Naher, D. Brabazon이 Key Engineering Materials (2014)에 발표한 논문 "Injection tests and effect on ...
Figure 2.4: Air entrapment and splashing in the sprue and sprue base areas at 2, 3 and 6% filled, using the conical pouring basin for a light-weight, stair-shaped Al-Si based casting, (Kotas et. al., 2010).

수율 향상과 품질 혁신: 시뮬레이션 기반 주조 공정 최적화로 고온 균열 및 편석 문제 해결

이 기술 요약은 Petr Kotas가 2011년 덴마크 기술대학교(Technical University of Denmark)에서 발표한 박사 학위 논문 "Integrated Modeling of Process, Structures ...
FIG. 3. Histograms of the atomic volumes at 0K for the HEA equilibrated at 400K (red) and 800K (blue). The dashed lines indicate the ground state atomic volume of the single-element FCC structures. Atomic volumes are obtained from Voronoi tesselation38{41 of 20 snapshots at 0 K.

고엔트로피 합금(High-Entropy Alloy)의 방사선 저항성: 국부 편석과 방사선 효과의 상호작용 분석

이 기술 요약은 Leonie Koch 외 저자가 J. Appl. Phys. (2017)에 게재한 논문 "Local segregation versus irradiation effects in high-entropy ...
Fig.1 Metal Casting Process

주조 결함 분석: 공정 변수 최적화를 통한 불량률 감소 및 생산성 향상 방안

이 기술 요약은 Pranoti C. Suranje와 Rajendra S. Dalu가 작성하여 International Journal For Research in Applied Science and Engineering Technology ...
Fig. 1. Sand burning of Al-Si7Mg alloy casting using inorganic binder.

Al-Si7Mg 합금 주조의 고질적 문제, 소착 결함(Sand Burning)을 해결하는 무기 바인더 첨가제 기술

이 기술 요약은 배민아, 김명환, 박정욱, 이만식 저자가 대한금속·재료학회지에 발표한 "물유리계 바인더의 첨가제가 Al-Si7Mg 합금 주조 시 소착에 미치는 영향"(2018) ...
Figure 5. Flow3D simulation for three different flow rates: (a) 4 m/s, (b) 12 m/s and (c) 19 m/s.

고압 다이캐스팅(HPDC) 시뮬레이션: Fe기 벌크 금속 유리(BMG)의 품질을 좌우하는 공정 변수 최적화

이 기술 요약은 Parthiban Ramasamy 외 저자가 Scientific Reports (2016)에 발표한 논문 "High pressure die casting of Fe-based metallic glass"를 ...
Fig. 5 Microstructure of the “un-shiny” region revealing the “hot tearing”: (a) low-magnification, (b) magnified microstructure of the “hot tearing” region in (a).

쌍롤 주조(Twin-Roll Casting)의 내부 균열 미스터리 해결: 고속 주조 공정의 결함 제어

이 기술 요약은 Min-Seok Kim과 Shinji Kumai가 Materials Transactions에 발표한 "Solidification Structure and Casting Defects in High-Speed Twin-Roll Cast Al–2 ...
Figure 6: a) SE image of NiTi strand at 5000× magnification of area where the TiC inclusions are present, b), c), d) and e) elemental mapping at the microstructural level by scanning electron microscopy (SEM) with energy dispersive X-ray spectrometry (EDS) in the area with TiC inclusions

고기능성 NiTi 합금 연속주조 공정 최적화: 미세구조 및 부식 저항성 분석

이 기술 요약은 Aleš Stambolić 외 저자가 Materiali in tehnologije (2016)에 발표한 논문 "CONTINUOUS VERTICAL CASTING OF A NiTi ALLOY"를 ...
Рис. 2. Типичная дендритная структура сплава в жидкоштам- пованных заготовках, полученных при tОСН = 200 °С: а) – зона столбчатых кристаллов, б) – зона равноосных кристаллов (оп- тическая металлография, поляризованный свет)

D16 알루미늄 합금 스퀴즈 캐스팅: 압력과 온도를 이용한 기계적 특성 극대화 방안

이 기술 요약은 G.R. Khalikova와 V.G. Trifonov가 Письма о материалах(Letters on Materials) (2011)에 발표한 논문 "Структура и механические свойства жидкоштампованного ...
Fig. 3 Crack occurred in the cylindrical shell mold.

주조 불량의 주범, 셸 몰드 균열: AC4C 알루미늄 합금 주조 시 균열 예측 및 방지 기술

이 기술 요약은 Shuxin Dong 외 저자가 2010년 Japan Foundary Engineering Society에 발표한 논문 "Shell Mold Cracking and Its Prediction ...
Figure 8 SEM images of worn surfaces of the Al-7Si/7.5Sn/10Gr composite after 1000 m of sliding at 40 N applied load, and 1 m/s sliding velocity

스터 캐스팅 공법으로 향상된 Al-7Si 알루미늄 복합재료의 기계적 및 마모 특성 분석

이 기술 요약은 C. Veera ajay 외 저자가 2023년 Silicon에 발표한 논문 "Characteristics Study of Mechanical and Tribological Behaviour of ...
Figure 2. Effect of braking electromagnetic fields on the flow fields, (a) No magnetic fields; (b) B = 0.1 T and (c) B = 0.2 T [23].

전자기 제동 기술: Ohno 연속 주조 공정에서 알루미늄 합금 품질을 높이는 CFD 해석

이 기술 요약은 Simbarashe Fashu가 2015년 International Journal of Nonferrous Metallurgy에 발표한 논문 "Electromagnetic Braking of Natural Convection during Ohno ...
Figure 4.1(b): Optical micrograph of AE42+20% saffil composite.

AE42 마그네슘 합금 복합재의 미세구조 및 특성 비교: 자동차 경량화를 위한 혁신

이 기술 요약은 Nitish Kumar와 Rishabh Agarwal이 2015년 National Institute of Technology, Rourkela에서 발표한 논문 "COMPARISON OF MICROSTRUCTURES AND PROPERTIES ...
Figure 1. Yield strength (YS) and elongation to failure (ETF) of the A356 alloy achieved by various strengthening strategies: foreign particle reinforcement (blue closed squares4–6), grain refinement (black closed circles7,8), alloying (open squares11,12), and optimized casting (green closed triangles11,12). YS and ETF of A356 alloys obtained by combining the RS + PHT route with T6 heat treatment (red stars, the red arrow marks the direction of increasing cooling rate upon RS, the data point marked by the red circle represents the best combination of YS and ETF.). The black and red circles mark the best combination of YS and ETF obtained by rapid solidification at a cooling rate of 100 K/s and the subsequent T6 heat treatment8, and that achieved by combination of the current RS + PHT route with T6, respectively.

Al-Si 합금의 강도-연성 딜레마 극복: RS+PHT 공정으로 주조 부품의 한계를 넘다

이 기술 요약은 B. Dang 외 저자들이 Scientific Reports (2016)에 발표한 논문 "Breaking through the strength-ductility trade-off dilemma in an ...
Fig. 2 Microstructure of as-cast AlSi9Cu3 without treatment with acoustic energy. (a) Optical image; (b) SEM image.

초음파 주조 기술: 알루미늄 합금의 미세구조 개선 및 결함 감소를 위한 혁신

이 기술 요약은 H. Puga, J. Barbosa, J. Oliveira가 발표한 "Use of Acoustic Energy in Sand Casting of Aluminium Alloys" ...
図5 ダイカスト用砂中子のコーティング断面

다이캐스팅 금형 수명 연장 및 품질 혁신: 최신 금형 고도화 기술 분석

이 기술 요약은 Naomi NISHI가 저술하여 Journal of the Japan Society for Precision Engineering (2011)에 게재된 학술 논문 "Advancement Technology ...
Figure 13(a),(b),(c),&(d) SEM structure of Failure of tensile specimens for5%wt. &10%wt of composites.

스터 캐스팅 혁신: 폐기물 고로 슬래그로 Al-Mg 합금의 기계적 물성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 Konda Sreedevi 외 저자가 2024년 Research Square에 발표한 논문 "[Effects of Blast Furnace Slag Particles on Microstructure ...
FIG. 2: Top: First-nearest-neighbour short-range order parameters in the SRO-HEA and HEA. The values are averages of the ten different simulation boxes, with the standard deviations as error bars. Bottom: (1 0 0) views of one each of the HEA and SRO-HEA boxes.

내화성 고엔트로피 합금의 방사선 손상 메커니즘 해독: 임계 변위 에너지 시뮬레이션을 통한 내구성 예측

이 기술 요약은 J. Byggmästar 외 저자들이 2024년 발표한 학술 논문 "Threshold displacement energies in refractory high-entropy alloys"를 기반으로 하며, ...
Fig. 7 Macrophotograph observed along the longitudinal section of the un-preheated ber composite.

주조 공법으로 형상기억합금 스마트 복합재 제작: 기계적 물성 강화를 위한 새로운 길

이 기술 요약은 Yoshimi Watanabe, Akihiro Yamamura, Hisashi Sato가 저술하여 2016년 The Japan Institute of Metals and Materials에서 발행한 "Fabrication ...
Fig. 3. Optical micrographs of the Al-3Si-2Mg-0.5Mn-1Fe alloy billets solidified with and without shearing during DC casting: (a), (d), (g) illustrating the overall change in grain structure (anodized samples), (b), (e), (h) overall un-etched microstructure, and (c), (f), (i) showing the morphological change of the Fe–containing intermetallics and distribution of the Mg2Si phase.

MC-DC 주조 공정: 고품질 Fe-Rich 알루미늄 합금의 미세구조를 혁신하는 방법

이 기술 요약은 H. R. Kotadia 외 저자가 발표한 "Microstructure Evolution in Melt Conditioned Direct Chill (MC-DC) Casting of Fe-Rich ...
Fig. 3. The distributions of cluster size (the number of particles) for different initial pile-up configurations.

결정 결함 집합체 성장의 수수께끼: 스케일링 분석으로 재료 파괴 예측의 새로운 지평을 열다

본 기술 요약은 Yuri G. Gordienko가 발표한 "Migration-Driven Hierarchical Crystal Defect Aggregation — Symmetry and Scaling Analysis" 논문을 기반으로 하며, ...
Fig. 3. Macroscopic photograph of the starting material and of the cold rolled and annealed samples.

쌍롤 주조 AA5754 합금의 열처리: 기계적 물성 최적화 방안

이 기술 요약은 Y. DEMIRAY, Z. B. KAVAKLIOGLU, O. YUCEL이 작성하여 ACTA PHYSICA POLONICA A (2015)에 게재한 논문 "A Study ...
Fig. 3 Distributien ofpotential and streainline

주코프스키 맵핑(Joukowski Mapping)을 활용한 XFEM: 내부 결함 자계 해석의 새로운 지평을 열다

이 기술 요약은 Shogo NAKASUMI와 Takayuki SUZUKI가 The Japan Society of Mechanical Engineers에 발표한 논문 "Magnetostatic XFEM analysis of internal ...
Figure (1) squeeze casting machine.

스퀴즈 캐스팅 공정 최적화: 탈가스 압력 및 유량이 알루미늄 합금 인장 강도에 미치는 영향

이 기술 요약은 Hussain J. Al-alkawi 외 저자가 2015년 Eng. & Tech. Journal에 발표한 논문 "Effect of Degassing Process of ...
Fig. 14 Solidification microstructure of 8mm brass rod (Cu65Zn35) for a casting speed of 75 mm/min. (a) Simulated microstructure at 249 s, (b) simulated microstructure at 258 s, (c) simulated microstructure at 267 s, (d) simulated microstructure at 270 s, and (e) metallograph of actual cast. (Left: longitudinal section, Right: transverse section)

황동 수평 연속주조 시뮬레이션: 3D 셀룰러 오토마타 모델을 통한 미세조직 예측 및 품질 혁신

이 기술 요약은 De-Chang Tsai와 Weng-Sing Hwang이 Materials Transactions에 발표한 논문 "A Three Dimensional Cellular Automaton Model for the Prediction ...
Figure 5: Photomicrographs of the samples for different at. % Ag.

주조법으로 제조된 NiTiAg 형상기억합금의 상변태 및 미세구조 분석: 고성능 스마트 소재의 미래

이 기술 요약은 Saja M. Hussein 외 저자가 2021년 Engineering and Technology Journal에 게재한 논문 "Phase Transformations, Microstructure and Shape ...
Figure 3. SEM analysis of H11 surface after DS experiment, cross marks indicate the locations of EDS analysis on typical areas, and these are: 1-initial surface, 2-cast alloy soldering, 3-soldering crater

HPDC 금형 솔더링 문제, PVD 코팅 산화막으로 해결: 최신 연구가 밝혀낸 고품질 다이캐스팅의 비밀

이 기술 요약은 Pal TEREK 외 저자가 SERBIATRIB '25 (2025)에 발표한 논문 "WEAR AND SOLDERING PERFORMANCE OF BARE, NITRIDED AND ...
Fig. 3. The microstructure of the alloy containing 0.35 % Cr, V and Mo from DTA sampler: α, α + Al9Fe3Si2 + β, α + Al2Cu + AlSiCuFeMgMnNiCrVMo + β

압력 다이캐스팅 Al-Si 합금의 혁신: Cr, V, Mo 미량 첨가로 기계적 물성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 T. Szymczak 외 저자가 2017년 ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING에 발표한 논문 "Hypoeutectic Al-Si Alloy with Cr, V ...
Figure 3. Stir casting apparatus

자동차 알루미늄 합금 휠의 성능 혁신: 스터 교반 주조(Stir Casting)를 통한 강도 및 열전도율 향상 기법

이 기술 요약은 Tony Thomas.A, Muthu Krishnan.A, Sre Nandha Guhan. K.S가 저술하여 Manufacturing Science and Technology (2015)에 발표된 "Experimental Investigations ...
Fig. 3. Optical microstructures of tensile specimens in Al-4Mg- 0.9Si-Fe-Mn alloys. (a) Fe content, (b) Mn content.

고압 다이캐스팅 Al-Mg-Si 합금: Fe와 Mn 함량이 인장 강도에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 김헌주 저자가 한국주조공학회지에 발표한 "고압 금형 주조용 Al-4 wt%Mg-0.9 wt%Si계 합금의 인장특성에 미치는 Fe, Mn 함량의 영향"(2013) ...
Fig. 6—(a) A typical entrainment defect in the commercial-purity Mg-alloy casting under the protection of 0.5 pct SF6/air, (b) EDS result of spectrum 1, (c) local magnified outside layer of film, and (d) EDS of spectrum 2.

Mg-Alloy 주조 품질의 열쇠: Entrainment Defect 소비 메커니즘 분석 및 기계적 물성 향상

이 기술 요약은 TIAN LI, J.M.T. DAVIES, DAN LUO가 Metallurgical and Materials Transactions B (2021)에 발표한 논문 "Consumption of Entrained ...
Fig. 2 Schematic illustration of vertical continuous casting for hollow material of semisolid slurry

마그네슘 합금 파이프의 반고체 연속주조: 표면 균열을 극복하는 새로운 공정 기술

이 기술 요약은 Ryuichi Yoshida, Genjiro Motoyasu, Tetsuichi Motegi가 저술하여 Trans. Mat. Res. Soc. Japan (2015)에 게재된 "Production of Continuous ...
Figure 4.3.5: W distributions at the moment when the elongation of the gauge section reaches the experimental rupture elongation: Comparison of the three mesh sizes l e = 1.00mm, l e = 0.50mmand l e = 0.25mm.

결정론적 해석을 넘어서: 고압 다이캐스팅 신뢰성을 위한 확률론적 파괴 모델링 가이드

이 기술 요약은 Octavian Knoll이 2015년 노르웨이 과학기술대학교(NTNU) 및 카를스루에 공과대학교(KIT)에서 발표한 박사 학위 논문 "A Probabilistic Approach in Failure ...
Figure 2. Surface of cast material plate with ignition (a) and without ignition (c), and optical micrographs of twin-roll cast material with ignition (b) and without ignition (d).

쌍롤 주조(TRC) 공법: 고품질 난연성 마그네슘 합금 판재 생산의 새로운 지평

이 기술 요약은 Masafumi Noda 외 저자가 2014년 InTech에 발표한 학술 논문 "Texture, Microstructure, and Mechanical Properties of Calcium-Containing Flame-Resistant ...
Fig. 3 Schematic diagram of casting apparatus for measurement of mold lling.

소모성 주형 주조(EPC) 공정의 코팅 투과성: 용탕 속도 제어로 주조 결함을 줄이는 방법

이 기술 요약은 Sadatoshi Koroyasu가 Japan Foundry Engineering Society (2016)에 발표한 논문 "Effect of Coat Permeability on Melt Velocity of ...
FIG. 3: Schematic representation of the process of formation of a mixed Fe-Cr dumbbell (a) by adding a Cr atom to a Fe site and (b) by adding a Fe atom to a Cr site. Schematic representation of formation of a vacancy (c) on a Fe site and (d) on a Cr site. Fe and Cr atoms are shown as gray and blue spheres, respectively.

Fe-Cr 합금의 미세 결함 분석: DFT 시뮬레이션을 통한 강철의 강도와 내구성 예측

이 기술 요약은 Jan S. Wróbel 외 저자가 2020년에 발표한 논문 "Elastic dipole tensors and relaxation volumes of point defects ...
Fig. 7. Typical SEM images for unmilled, 1 and 15h milled samples

호이슬러 합금 제조 마스터하기: 기계적 합금 및 어닐링이 Co₂FeAl 미세구조 및 경도에 미치는 영향

이 기술 요약은 M.Hakimi 외 저자가 발표한 "Evolution of microstructural and mechanical properties of nanocrystalline Co₂FeAl Heusler alloy prepared by ...
Figure 1 Principle of the FDU device [3]

알루미늄 저압 다이캐스팅 탈가스 공정 최적화: 물리적 모델링을 통한 효율성 증대 방안

이 기술 요약은 Ladislav SOCHA 외 저자가 METAL 2022에 발표한 논문 "PHYSICAL MODELLING OF ALUMINUM MELT DEGASSING IN LOW-PRESSURE DIE ...
[그림 7] 마그네슘 휠 물성 비교 1

AZ91D 마그네슘 휠 저압주조: 알루미늄 휠 대비 26% 경량화 달성 비결

이 기술 요약은 김광희 저자가 2012년 한국산학기술학회(Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society)에 발표한 논문 "저압주조방식에 의한 AZ91D 마그네슘 휠 ...
Fig. 2 Optical micrographs of test pieces. Preheating treatment was carried out at temperature range from 200 to 575C for 30 min before ECAP process.

AC4CH 알루미늄 주조 합금의 ECAP 성형성: 예열 온도가 균열을 제어하는 핵심

이 기술 요약은 Yoshihiro Nakayama와 Tetsuya Miyazaki가 저술하여 Materials Transactions (2010)에 게재된 "Effect of Preheating Temperature on ECAP Formability of ...
Fig2. PLC Relay set up

PLC 프로그래밍을 활용한 중력 주조 자동화: 생산성 향상 및 비용 절감의 핵심

이 기술 요약은 Ishrat Meera Mirzana, Narjis B, K Vishnu Prashant Reddy가 저술하여 2014년 IJRET: International Journal of Research in ...
Fig. 8 Surface of the single strip and the clad strip (material: AA4045).

혁신적인 롤 캐스터 기술: 3층 알루미늄 클래드 스트립의 에너지 절약형 주조 공정

이 기술 요약은 Ryoji NAKAMURA, Takanori YAMABAYASHI, Toshio HAGA, Hisaki WATARI, Shinji KUMAI가 저술하여 2011년 Journal of Solid Mechanics and ...
Fig. 1. Radial shear rolling scheme.

방사형 전단 압연(RSR)을 통한 주조 결함 폐쇄 모델링: 표면 결함 해결의 새로운 가능성

이 기술 요약은 Fedor Popov 외 저자가 2024년 Journal of Chemical Technology and Metallurgy에 발표한 논문 "MODELLING THE EVOLUTION OF ...
Figure 1: (a) Relative magnetizations of the Mn sublattices as a function of temperature assuming exchange interactions derived from the paramagnetic (DLM) state of the ideal tetragonal CuMnAs. (b) The magnetic susceptibility as a function of the temperature for such CuMnAs alloy. (c) The temperature dependence of the heat capacity for this system. In the inset we show the Binder cumulants for N = 16, 20, and 24 as a function of the temperature. The N´eel temperature corresponds to a common intersection of all three curves (495 K).

테트라곤 CuMnAs 합금의 결함 제어: 차세대 스핀트로닉스 소자 성능 향상의 열쇠

이 기술 요약은 F. Máca 외 저자가 2018년 arXiv에 제출한 논문 "Tetragonal CuMnAs alloy: role of defects"를 기반으로 하며, STI ...
Fig.2 Stress−strain diagrams

알루미늄 커넥팅 로드 파단분할 공법: 노치 형상 최적화로 정밀도와 생산성을 동시에 잡는 기술

이 기술 요약은 The Japan Society of Mechanical Engineers에서 2012년에 발표한 Tomoyuki AKITA 외 저자의 "AI 合金ダイカストコネクティングロッドへの改良型破断分割工法適用のための検討" 논문을 기반으로, STI ...
Figure 2. OM images of Zn-Al-Cu-Mg alloys, both with and without Ca addition. (a) Base alloy; (b) 0.5 wt.% Ca; (c) 1.0 wt.% Ca; (d) 1.5 wt.% Ca.

스퀴즈 캐스팅 Zn-Al 합금의 기계적 특성 향상: 칼슘(Ca) 첨가의 최적 조건 발견

이 기술 요약은 Thiyagesan Gopalakrishnan 등이 Metals에 발표한 2025년 논문 "Investigating the Effect of Calcium Addition on the Microstructural and ...
Рис. 1. Политермическое сечение диаграммы состояния системы Ti—Al—Nb—Mo при содержании Al — 20÷40 мас.%, Nb — 9 мас.% и Mo — 2,4 мас.%

ProCast 시뮬레이션 정확도 향상: TNM-B1 티타늄 알루미나이드 합금 주조 공정 최적화

이 기술 요약은 V.E. Bazhenov, A.V. Koltygin, A.V. Fadeev가 Izvestiya Vuzov. Tsvetnaya Metallurgiya에 발표한 "Using the ProCast Program for Modeling ...
Fig. 6: Calculated degassing efficiency as a function of bubble size [40]

고강도 경량 주조품의 미래: 용탕 성분 및 청정도 제어의 모범 사례

이 기술 요약은 Qigui Wang이 작성하여 2014년 CHINA FOUNDRY에 발표한 학술 논문 "Best practices for making high integrity lightweight metal ...
Fig. 1 Electromagnetic semi-continuous casting device diagram

저주파 전자기장 주조 시뮬레이션: 대형 희토류 마그네슘 합금 잉곳의 품질을 높이는 방법

이 기술 요약은 Zhongliang Zhou 외 저자가 2022년 Research Square에 발표한 논문 "Numerical simulation of DC casting of large-size rare ...
Figure 5 OM images of the microstructure at the bonding interface “A4”of bimetallic castings with different surface treatment methods of the gray iron inserts: (a) no treatment except for being cleaned; (b) salt membrane plating; (c) zinc barrel plating for 1 hour; (d) zinc barrel plating for 2 hours; (e) zinc barrel plating for 3 hours; (f) zinc rack plating for 1 hour

고압 다이캐스팅(HPDC)으로 완벽한 주철-알루미늄 결합 달성: 바이메탈 주조의 계면 결합 최적화

이 기술 요약은 Mengwu Wu 외 저자가 2022년 The International Journal of Advanced Manufacturing Technology에 발표한 논문 "Bonding of Cast ...
Fig.1 aluminum alloy motor

알루미늄 모터 저압주조의 품질 안정성 확보: 공정 변수 최적화 기술

이 기술 요약은 Guoding Yuan 외 저자들이 2015년 3rd International Conference on Material, Mechanical and Manufacturing Engineering (IC3ME 2015)에 발표한 ...
Figure 1. Crystal structures of CsCl and Ni2Al3. Atoms on - and -sublattices are shown by small shaded circles and large open circles. For CsCl, distorted tetrahedral interstitial sites are also shown. For Ni2Al3, an empty sublattice is shown by squares. The actual Ni2Al3 structure is distorted slightly from the cubic arrangement shown. Numbers identify two inequivalent -sites in the Ni2Al3 structure present in a ratio of 2:1.

결함 제어를 통한 고성능 합금 설계: 최신 합금 용질 위치 선호도 모델 분석

이 기술 요약은 Gary S. Collins와 Matthew O. Zacate가 저술하여 2001년에 발표한 논문 "Thermodynamic model of solute site preferences in ...
Figure 3: The mixing Free energy G of (a) BST and (b) BTSe solutions.

제1원리 계산을 통한 열전 파워 팩터 최적화: Bi-Sb-Te 및 Bi-Te-Se 합금의 도핑 전략 분석

이 기술 요약은 B. Ryu 외 저자들이 2017년 arXiv에 발표한 논문 "Thermoelectric power factor of Bi-Sb-Te and Bi-Te-Se alloys and ...
図1 人工曝露装置

황사(Yellow Sand)가 금속 부식을 억제? 청동 및 알루미늄 다이캐스트 부식에 대한 새로운 발견

이 기술 요약은 鳥山成一 외 저자가 2011년 환경기술(環境技術) 학술지에 발표한 논문 "人工腐食曝露装置を使った黄砂による金属腐食 -青銅鋳物・アルミニウム合金ダイカストー"을 바탕으로 STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 ...
Fig. 5 Sectional views of casting with different density by X-ray CT imaging

소실모형 주조법(EPC)의 혁신: 주조 방안과 감압 조건이 알루미늄 합금의 밀도에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Sadatoshi KOROYASU가 The Japan Society of Mechanical Engineers (2014)에 발표한 논문 "Effects of Casting Design and Reduced ...
Fig. 7. Temperature Distribution of Specimen in the vicinity of Failure site by Computer Solidification Simulation.

정량적 응고균열 강도 평가: CAE 해석 정확도 향상을 위한 AC2B 알루미늄 합금의 물리적 데이터 확보

이 기술 요약은 한국주조공학회지(2014)에 게재된 김헌주 저자의 "AC2B 알루미늄 주조합금의 정량적 응고균열 강도 평가" 논문을 바탕으로, (주)에스티아이씨앤디의 기술 전문가에 의해 ...
FIG. 1. (Color online) Interstitial positions in the cubic B2 NiTi lattice. Larger blue spheres are Ti atoms, smaller gray spheres are Ni atoms. The interstitial positions A, B, and C are marked with the small orange spheres. Blue planes contain only Ti atoms while gray planes are occupied by Ni atoms.

NiTi 형상기억합금의 성능 제어: 제일원리계산을 통한 불순물 효과 분석

이 기술 요약은 David Holec 외 저자들이 2014년 arXiv에 제출한 논문 "Ab initio study of point defects in NiTi-based alloys"를 ...
Figure 26. α-Zr pole figure and inverse pole figure (The crystallographic orientation of the different grains is distinguished by color).

ProCAST 시뮬레이션으로 고압 Zr705C 지르코늄 합금 주조 결함 잡고 품질 높이기

이 기술 요약은 Youwei Zhang 외 저자가 2025년 Metals에 발표한 논문 "Casting Process and Quality Control Analysis of Zr705C Zirconium ...
Figure 1 XRD pattern showing peaks corresponding to different phases present in the microstructure of the as-cast CrCuFeMnNi HEA fabricated using alloy mixing method.

스크랩을 보물로: 합금 스크랩을 활용한 고엔트로피 합금의 혁신적인 저비용 생산 기술

이 기술 요약은 Karthikeyan Hariharan과 K Sivaprasad가 발표한 "Sustainable low-cost method for production of High entropy alloys from alloy scraps" ...
Figure 7. A schematic illustration of the curved continuous casting equipment which is proposed in this paper

비정질 합금 박판의 혁신: 아크형 연속주조 기술로 고품질·고효율 생산을 열다

이 기술 요약은 Zhaodi Chen, Tao Zhang, Yong Zhang이 Material Sciences (2012)에 발표한 논문 "Curved Continuous Casting of Glassy Alloy ...
Figure 2.4 Different designs of mechanical stirrers [Harnby et al. 1997].

고강도 전단 용탕 처리: 주조 마그네슘 및 알루미늄 복합재의 기계적 특성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 Spyridon Tzamtzis가 2011년 Brunel University에서 발표한 박사 학위 논문 "Solidification Behaviour and Mechanical Properties of Cast Mg-alloys ...
Figure (3) Microstructure of as-cast sample directly Poured into the steel mould.

슬로프 플레이트 주조(Slope Plate Casting)를 통한 과공정 Al-Si 합금 미세구조 최적화: 더 미세한 입자, 더 우수한 특성

이 기술 요약은 Dr. Nawal Ezat와 Osama Ibrahim이 작성하여 Eng. & Tech. Journal (2013)에 발표한 "Microstructure Investigation of Using Slope ...
Fig. 2 Transverse half of continuously cast bloom with diameter 525 mm loaded by heat flux. Every group of elements (m1, m2, ..., m8) is represented by specific chemical composition, mechanical and thermophysical properties. Schematic representation of the defect is also included.

강철 블룸 내부 균열 방지: FEM 시뮬레이션을 활용한 최적의 가열 전략

이 기술 요약은 Miroslav KVÍČALA와 Karel FRYDRÝŠEK이 작성하여 2013년 Transactions of the VŠB – Technical University of Ostrava, Mechanical Series에 ...
Figure 5 Thermal stress analysis; a) 100 °C; b) 150 °C; c) 200 °C

AA 7075 중력 다이캐스팅 해석: 금형 예열 온도가 기계적 특성에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Hakan GÖKMEŞE, Şaban BÜLBÜL, Onur GÖK이 저술하여 Technical Gazette (2021)에 게재한 논문 "Casting of AA 7075 Aluminium ...
Figure 1. Materials used in casting (a) Mg, (b) TiB, (c) Al356.

다이캐스팅 공정 최적화: TiB 및 Mg 첨가제를 통한 Al356 합금 미세구조 제어 기술

이 기술 요약은 E.I. Bhiftime이 작성하여 2022년 Biomedical and Mechanical Engineering Journal (BIOMEJ)에 발표한 논문 "Microstructure on the TiB and ...
Fig 1: Horizontal Centrifugal Casting Pro-E Model

원심주조 공정 최적화: Al-7%Si 합금의 응고 시간 예측 및 제어

이 기술 요약은 P.Shaliesh 외 저자가 2014년 International Journal of Current Engineering and Technology에 발표한 논문 "Determination of the Solidification ...
Fig. 4—Optical micrographs showing the microstructure on a section perpendicular to the fractured surface of the AlMgSi alloy, (a) over all microstructure, (b) the skin region, (c) the band zone, and (d) the central region.

고압 다이캐스팅(HPDC)의 미세조직 비밀: Al-Mg-Si 합금의 응고 거동 분석으로 연성 높은 자동차 부품 만들기

이 기술 요약은 Shouxun Ji, Yun Wang, D. Watson, Z. Fan]이 저술하여 [The Minerals, Metals & Materials Society and ASM ...
Fig. 6: Grain size observed in the TA cup for each analyzed alloy

열 해석을 통한 A356 알루미늄 미세조직 예측: 주조 부품 품질 향상을 위한 가이드

이 기술 요약은 Niklas, Andrea 외 저자가 2011년 69th World Foundry Congress (WFC)에 발표한 논문 "Thermal analysis as a microstructure ...
Figure 12. Models of the die-casting die showing the stress distribution after nitriding treatment and creation of the heat-checking.

다이캐스팅 금형 히트체크의 숨겨진 원인: 미세구조와 잔류응력의 복합적 역할 규명

이 기술 요약은 Mitsuhiro Okayasu와 Junya Shimazu가 저술하여 International Journal of Metalcasting (2025)에 게재한 학술 논문 "MATERIAL PROPERTIES OF DIE-CASTING ...
Fig. 6. Chemical fluctuations analysis around an APB region on a (111) plane in alloy 0Ti. (a) HAADF-STEM image of the ' precipitate with APBs taken along [011] beam direction. (b) Magnified image of white rectangular marked in (a). (c) Composite chemical map of elements Co, Ni, Al, Mo and W. (d)-(h) Net intensity elemental maps of elements Co, Ni, Al, Mo and W. (i) and (j) EDS line scan integrated along the APB in the region marked in (c).

코발트-니켈 초합금의 티타늄(Ti) 함량 최적화: 크리프 저항성과 미세조직 변형의 비밀

이 기술 요약은 Zhida Liang 외 저자가 발표한 "High-Ti inducing local η-phase transformation and creep-twinning in CoNi-based superalloys" 논문을 기반으로 ...
FIG. 5. Same as Fig. 1, but for (II) = Zn.

Cu2O 반도체 합금의 비밀: p-타입에서 n-타입으로의 전환을 예측하는 새로운 모델링 기법

이 기술 요약은 Vladan Stevanović, Andriy Zakutayev, Stephan Lany가 저술하여 2014년 arXiv에 발표한 논문 "Electronic band structure and ambipolar electrical ...
Gambar 2. Struktur Mikro Spesimen pada Temperatur Cetakan 220oC dengan: (a) Temperatur tuang 665oC; (b) Temperatur Tuang 775oC dan (c) Temperatur Tuang 885oC

스퀴즈 캐스팅 Al-Si 합금: 용탕 및 금형 온도가 박육 부품의 미세조직과 경도에 미치는 영향

이 기술 요약은 Aspiyansyah가 Jurnal Suara Teknik Fakultas Teknik UNMUH Pontianak (2012)에 발표한 논문 "Effect of Squeeze Casting Parameter Process ...
Figure 2. Microstructure evolution at seven sampling locations (S1-S7) along the plate, (a) advent of segregation band at last one-third of the plate shown by red arrows, (b) comparison of α-Al particles.

HPDC 결함 예측: 상평형장 모델링을 통한 알루미늄 합금의 이중 수지상정 응고 현상 분석

이 기술 요약은 Maryam Torfeh, Zhichao Niu, Hamid Assadi가 Metals (2025)에 발표한 논문 "Phase-Field Modelling of Bimodal Dendritic Solidification During ...
FIG. 2. Localization ratio defined by Eq. (1) for the electronic states at the conduction (a,c) and the valence (b,d) band edges in GaAs due to single isovalent impurities plotted as a function of the element’s Born effective charge. The dashed line is a guide to the eye.

III-V 반도체 합금 설계의 핵심: 전자 상태 국소화(Localization) 심층 분석 및 산업적 응용

이 기술 요약은 C. Pashartis와 O. Rubel이 2017년 arXiv에 발표한 논문 "Localization of electronic states in III-V semiconductor alloys: a ...
Figure 2. The binding energy Ew-v between W and mono-vacancy at different positions in Ta-W system, the schematic diagram represents the mono-vacancy model in the Ta-W system, where 1NN, 2NN, 3NN, 4NN are the four nearest neighbors around the W atom, and V is the mono-vacancy.

Ta-W 합금의 미래: 텅스텐 첨가로 핵융합로 부품의 방사선 손상을 억제하는 방법

이 기술 요약은 Yini Lv 외 저자가 발표한 "Effect of tungsten on vacancy behaviors in Ta-W alloys from first-principles" 논문을 ...
Figure 2. The predicted shrinkage porosity of test castings: (a) mold temperature of 25 °C and gravity casting (short for 25 °C, 0 rpm); (b) 800 °C, 0 rpm; (c) 25 °C, 200 rpm; (d) 800 °C, 200 rpm; (e) 25 °C, 400 rpm; (f) 800 °C, 400 rpm; (g) 25 °C, 600 rpm; (h) 800 °C, 600 rpm.

결함 없는 TiAl 합금 주조: 수치 해석을 통한 인베스트먼트 캐스팅 최적화

이 기술 요약은 Yi Jia 외 저자가 2015년 Metals 저널에 발표한 "Modeling of TiAl Alloy Grating by Investment Casting" 논문을 ...
(Figure 1) COMPONENT – HORN COVER

CAE 시뮬레이션으로 압력 다이캐스팅 결함 제거: 공정 최적화 가이드

이 기술 요약은 Vinod V Rampur가 작성하여 2016년 IJRET: International Journal of Research in Engineering and Technology에 발표한 "PROCESS OPTIMIZATION ...
FIG. 1: Lattice Fourier transform J(q) of the first two exchange interactions JMn,Mn ij for the ideal CuMnSb, obtained for the reference DLM state (full line) and derived from total energies for the FM, AFM100, and AFM111 phases in the VASP (dashed line). The case of 62 exchange interactions for the DLM state is shown in dots.

[CuMnSb Heusler 합금] 결함이 자기 구조를 결정하는 방법: 이론과 실험의 불일치 해결

이 기술 요약은 F. Máca 외 저자들이 2016년 arXiv에 발표한 논문 "Defect-induced magnetic structure of CuMnSb"를 기반으로 하며, STI C&D의 ...
Figura 6. Comparison between the experimental isolines of constant axial velocities vz (m/s) and the isolines of axial velocities (m/s) from present numerical simulation code for direct extrusion of aluminum.

알루미늄 압출 공정의 유한 체적법(FVM) 분석: CFD와 금속 성형의 결합을 통한 정확도 향상

이 기술 요약은 José D. Bressan, Marcelo M. Martins, Sérgio T. Button이 XII International Conference on Computational Plasticity. Fundamentals and ...
Fig. 5. Optical micrographs taken from samples prior to etching to reveal the intermetallic phase particles. (a) Non-sheared produced sample (inset shows needle-shaped β-AlFeSi intermetallics phase) and (b) sheared produced sample. (c) -AlSiMnFe particle size distribution curves for both samples (d) Particle group number, Nq (number of particles per Quadrat) distribution. Solid lines are fits to various statistical distribution curves. To plot these curves in (c), 8 micrographs were taken randomly along the cross-section and analysed where (i) and (ii) stand for -AlSiMnFe and β-AlFeSi, respectively. The processing temperature was 630°C.

HPDC 공정의 고강도 전단(Intensive Shearing): Al-Si 합금 미세구조 및 결함 감소의 혁신

이 기술 요약은 H.R. Kotadia 외 저자가 Brunel University Research Archive에 발표한 "Solidification Behavior of Intensively Sheared Hypoeutectic Al-Si Alloy ...
위분류 금형 설계안의 3차원 모델

대형 캔틸레버 알루미늄 프로파일 압출: 위분류 금형 설계로 금형 강도와 제품 품질을 동시에 해결하는 방법

이 기술 요약은 SUN Xuemei, ZHAO Guoqun이 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING에 발표한 논문 "Fake Porthole Extrusion Die Structure Design and Strength ...
Fig. 9. Typical microstructure depending on different cooling conditions.

고압 다이캐스팅 불량률 감소의 열쇠: Al-Si-Mg 합금의 Fe, Mn 함량 최적화로 기계적 특성 극대화하기

이 기술 요약은 김헌주 저자가 한국주조공학회지에 발표한 "고압 금형주조용 Al-9%Si-0.3%Mg 합금의 Fe, Mn 함량이 인장특성에 미치는 영향" 논문을 기반으로 하며, ...
Fig. 1. Schematic presentation of new rheocasting process (NRC) with possibility of in situ recycling of material (From project documentation GRD1-2002-40422).

HPDC 수축 다공성 시뮬레이션: ProCast를 활용한 자동차 부품 결함 예측 및 품질 향상 방안

이 기술 요약은 Matjaž Torkar 외 저자가 2012년 IntechOpen에서 출판한 "Recent Researches in Metallurgical Engineering - From Extraction to Forming"의 ...
Figure 3. Metallic die to produce Aluminium foams with Alulight.

HPDC 혁신: 알루미늄 폼 코어를 활용한 마그네슘 복합 주조로 35% 경량화 달성

이 기술 요약은 Iban Vicario 외 저자가 2016년 Metals 학술지에 게재한 "Aluminium Foam and Magnesium Compound Casting Produced by High-Pressure ...
Fig. 1: Illustration of the atomic configuration of SrTiO3, SrFeO2.5 and SrTi1-xFexO3-0.5x lattices. The SrTi1-xFexO3-0.5x can be regarded as a mix of SrTiO3 and SrFeO2.5 with disorder of Fe and Ti cations.

차세대 연료전지 소재의 비밀: 혼합 이온-전자 전도체(MIEC)의 구조적 무질서와 전자 구조 분석

이 기술 요약은 Bin Ouyang 외 저자의 학술 논문 "Structural Disorder and Electronic Structure of Sr(TixFe1-x)O3-x/2 Solid Solutions: A Computational ...
Fig. 7 Temperature distribution in part test for two die speeds (thermal exchange coefficient 10 kW m−2)

강철 반용융 성형(Thixoforming)의 열 교환 효과: CFD 시뮬레이션으로 품질과 생산성을 높이는 방법

이 기술 요약은 Eric Becker, Régis BIGOT, Laurent LANGLOIS가 The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2010)에 발표한 논문 "Thermal ...
Figure 1 The surface condition of the soldered die: (a) general position in the die: (b) position near to gate location.

다이캐스팅 결함 완벽 분석: 미세 균열 및 금형 침식을 해결하여 생산성을 높이는 방법

이 기술 요약은 M BHASKAR 외 저자가 2021년 Research Square에 게재한 논문 "Analysis of Micro Cracks and Die Erosion in ...
Figure 11. (a) Backscattered SEM micrograph showing the distribution of intermetallics along grain boundaries in the Al-Mg-Si diecast alloy, and (b) EDS diagram showing the elements in particle A.

15% 연신율 달성: 자동차 차체를 위한 초고연성 다이캐스팅 알루미늄 합금 개발의 모든 것

이 기술 요약은 S. Ji 외 저자가 2012년 Materials Science & Engineering A에 발표한 논문 "Development of a Super Ductile ...
Fig. 1. Optical micrographs showing the microstructure on a section perpendicular to the fractured surface of the AlMgSiMn alloy, (a) over all microstructure, (b) the skin region, (c) the band zone, and (d) the central region.

고압 다이캐스팅 미세구조 해독: AlMgSiMn 합금의 2단계 응고 거동 분석

이 기술 요약은 Shouxun Ji 외 저자가 Materials Science Forum에 발표한 논문 "Microstructural Characteristics of Diecast AlMgSiMn Alloy" (2014)를 기반으로 ...
Fig. 1. Optical micrographs showing the microstructure on a section perpendicular to the fractured surface of the AlMgSiMn alloy, (a) over all microstructure, (b) the skin region, (c) the band zone, and (d) the central region.

고압 다이캐스팅 미세구조 해독: AlMgSiMn 합금의 2단계 응고 거동 분석

이 기술 요약은 Shouxun Ji 외 저자가 Materials Science Forum에 발표한 논문 "Microstructural Characteristics of Diecast AlMgSiMn Alloy" (2014)를 기반으로 ...
Table 2.2: Basic steps of FEM application in metal forming.

고강도강(AHSS) 성형의 스프링백 예측: 시뮬레이션과 실험으로 정밀도 높이기

이 기술 요약은 Noraisah Binti Mohamad Noor가 2011년 University Tun Hussein Onn Malaysia에 제출한 석사 학위 논문 "PREDICTION OF SPRINGBACK ...
Fig. 20 Relationship between heat sink fin height and weight.

SemiSolid 다이캐스팅: Al-25%Si 합금을 이용한 초박형 방열판 제조의 돌파구

이 기술 요약은 Hiroshi Fuse 외 저자가 2020년 The Japan Society for Technology of Plasticity에 발표한 학술 논문 "Semisolid Die ...
Page 12 of 32 Figure 4 Parity plot of uMLIP-predicted energies versus DFT reference energies for Mg structures in the RANDSPG dataset. The dataset contains many high-energy configurations with large positive values (Fig. 1(h)), which explains the poorer performance of the eqV2 and CHGNet potentials in this regime.

DFT급 정확도, 수천 배 빠른 속도: uMLIPs가 제시하는 차세대 금속 재료 설계

이 기술 요약은 Fei Shuang 외 저자가 2025년에 발표한 학술 논문 "Universal machine learning interatomic potentials poised to supplant DFT ...
Figure 8. Output image for image resolution of 17 px/μm for (a) a median filter size of 0.1 μm by 0.1 μm and (b) 0.6 μm by 0.6μm. Range filter size was 0.1 μm by 0.1 μm (5 px by 5 px), dilation/erosion disk size was 0.3 μm (10 px), and hole close was 120 μm2 (4096 px2) .The measured α-Al is highlighted in pink.

고압 다이캐스팅 품질 혁신: 자동화된 미세조직 분석으로 수율 극대화

이 기술 요약은 Maria Diana David가 2015년 University of Alabama at Birmingham에서 발표한 논문 "Microstructural Analysis of Aluminum High Pressure ...
Filling Simulation

Numerical Simulation of Metal Flow and Solidification in Multi-Cavity Casting Moulds of Automotive Components

FLOW-3D를 이용한 자동차 부품 다중 캐비티 주조 금형 내 금속 유동 및 응고의 수치 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 ...
Casting simulation

Replication Casting and Additive Manufacturing for Fabrication of Cellular Aluminum with Periodic Topology: Optimization by CFD Simulation

주기적 토폴로지를 가진 셀룰러 알루미늄 제작을 위한 복제 주조 및 적층 제조: CFD 시뮬레이션을 통한 최적화 연구 목적 본 연구는 ...
Filling simulation

Simulation of a Thixoforging Process of Aluminium Alloys with FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금의 Thixoforging 공정 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의: Thixoforming은 반고체 상태(Semi-Solid State)에서 복잡한 형상의 부품을 ...
spure

Novel Sprue Designs in Metal Casting via 3D Sand-Printing

3D 샌드 프린팅을 이용한 금속 주조용 신규 스프루 설계 연구 목적 본 연구는 **3D 샌드 프린팅(3DSP)**을 활용하여 주조 스프루(sprue) 설계를 ...
Air Entrainment

Investigating Surface Entertainment Events Using CFD

전산유체역학을 이용한 표면 혼입 현상 연구 연구 목적 본 논문은 CFD(전산유체역학) 기법을 활용하여 유체 표면에서 발생하는 혼입(surface entertainment) 현상을 분석함 ...
Coupling

Experimental and Numerical Analysis of Flow Behavior and Particle Distribution in A356/SiCp Composite Casting

A356/SiCp 복합재 주조에서 유동 거동 및 입자 분포에 대한 실험적 및 수치적 분석 연구 목적 본 연구는 A356/SiCp 복합재 주조 ...
Casting

Effect of Casting Parameters on Microstructure and Casting Quality of Si-Al Alloy for Vacuum Sputtering

진공 스퍼터링용 Si-Al 합금의 미세 구조 및 주조 품질에 미치는 주조 매개변수의 영향 연구 목적 본 연구는 FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 ...
HPDC

Design of Gating System for Radiator Die Castings Based on FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 기반으로 한 라디에이터 다이캐스팅 주입 시스템 설계 연구 목적 본 연구는 FLOW-3D®를 사용하여 라디에이터 다이캐스팅 공정의 게이팅 시스템(Gating ...
Schematic-representation-of-the-structure-of-a-rapid-shell-system-2

Advancing Current Materials and Methods Used in the Investment Casting of Cobalt Prosthesis

코발트 보형물 정밀 주조에서 사용되는 최신 소재 및 방법의 발전 연구 목적 본 논문은 MedCast 프로젝트의 일환으로 정밀 주조(investment casting)에서 ...
X-Z Plane

Computer Simulation of Low Pressure Casting Process Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 저압 주조(LPC, Low Pressure Casting) 공정 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의: 저압 주조(LPC) 공정은 박벽(Thin-Walled) 및 ...
Result of Temperature

Comparative Analysis of HPDC Process of an Auto Part with ProCAST and FLOW-3D

ProCAST 및 FLOW-3D를 이용한 자동차 부품 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정 비교 분석 연구 배경 및 목적 문제 정의: 고압 다이캐스팅(HPDC, High ...
FLOW-3D MESH

Characterizing Flow Losses Occurring in Air Vents and Ejector Pins in High-Pressure Die Castings

고압 다이캐스팅에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실 특성화 연구 목적 본 논문은 **FLOW-3D®**를 사용하여 **고압 다이캐스팅(HPDC)**에서 공기 ...
Filling

Assessment of Casting Filling and Solidification by Numerical Simulations and Experimental Validation

주조 충진 및 응고 과정의 수치 시뮬레이션과 실험적 검증 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 주조 과정에서의 충진(filling) 및 응고(solidification) ...
Casting model

A Verification of Thermophysical Properties of a Porous Ceramic Investment Casting Mould Using Commercial Computational Fluid Dynamics Software

상용 전산유체역학 소프트웨어를 이용한 다공성 세라믹 주조 몰드의 열물성 검증 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 다공성 세라믹 주조 몰드의 ...
filling

A CFD INVESTIGATION INTO MOLTEN METAL FLOW AND ITSSOLIDIFICATION UNDER GRAVITY SAND MOULDING INPLUMBING COMPONENTS

배관 부품 제조에서 중력 모래 주형을 이용한 용융 금속 유동 및 응고에 대한 CFD 해석 연구 배경 문제 정의: 배관 ...

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

유체 논문자료

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 ...
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 ...
Fig. 6. Vector plot of turbulent energy.

FLOW-3D 모형을 이용한 용승류 모의

1. 서론 최근 일본과 한국에서 대규모 해양구조물을 이용하여 인공적으로 용승류를 발생시키는 연구가 활발히 진행되고 있음. 용승류는 심층수의 영양염을 표층으로 이동시켜 ...
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 ...
Crossbar

FLOW-3D: Flow-Based Computing on 3D Nanoscale Crossbars with Minimal Semiperimeter

FLOW-3D: 최소 반둘레를 가진 3D 나노스케일 크로스바에서의 흐름 기반 컴퓨팅 연구 배경 문제 정의: 데이터 집약적 애플리케이션의 증가로 인메모리 컴퓨팅에 ...
Piston

A Fixed-Mesh Method for General Moving Objects in Fluid Flow

일반적인 유동 내 이동 객체를 위한 고정 메쉬 기법 연구 배경 문제 정의: 기존 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기법에서 이동 객체를 ...
Loading...

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

용접 논문자료

타구치 공법을 이용한 6061 알루미늄 합금 마찰 교반 용접 공정 변수의 최적화 연구 및 리뷰

타구치 공법을 이용한 6061 알루미늄 합금 마찰 교반 용접 공정 변수의 최적화 연구 및 리뷰 Taguchi Optimization of Process Parameters ...

고속철도 차량 제작의 정밀 공학: 스테인리스강 차체 레이저 용접 기술고속열차 바디 쉘(Body Shell) 제조 공정에서의 레이저 용접 품질 제어 및 실시간 모니터링 체계 연구

図1 鉄道車両構体構造の概要図 고속철도 차량 제작의 정밀 공학: 스테인리스강 차체 레이저 용접 기술고속열차 바디 쉘(Body Shell) 제조 공정에서의 레이저 용접 품질 ...

MIG 용접 공정이 고탄소강의 정하중 및 변동하중 하의 피로 저항에 미치는 영향

MIG 용접 공정이 고탄소강의 정하중 및 변동하중 하의 피로 저항에 미치는 영향 The Effect of Welding Process by MIG on ...

플라즈마 아크 드릴링의 구멍 형성 과정 관찰 및 공정 분석

플라즈마 아크 드릴링의 구멍 형성 과정 관찰 및 공정 분석 Observation of Hole Formation Process in Plasma Arc Drilling 본 ...

마찰 교반 점 용접의 공정 변수가 거시 조직 및 기계적 성질에 미치는 영향

마찰 교반 점 용접의 공정 변수가 거시 조직 및 기계적 성질에 미치는 영향 Influence of Welding Parameters on Macrostructure and ...

전도 모드 레이저 용접 공정의 전산 모사 및 적응형 체적 열원 모델 연구

전도 모드 레이저 용접 공정의 전산 모사 및 적응형 체적 열원 모델 연구 Computational modelling of conduction mode laser welding ...

음향방출(AE) 신호 분석을 이용한 알루미늄 합금 마찰 교반 점 용접(FSSW) 모니터링 기술 연구

음향방출(AE) 신호 분석을 이용한 알루미늄 합금 마찰 교반 점 용접(FSSW) 모니터링 기술 연구 Development of Monitoring Process of Friction Stir ...

용접 및 접합 공정 가시화 기술의 최전선

용접 및 접합 공정 가시화 기술의 최전선 Frontier of the Visualization of Welding and Joining Process 본 연구는 현대 제조 ...

초고성능 수소 생산을 위한 적층 결함이 풍부한 MoNi 합금 전극 개발

초고성능 수소 생산을 위한 적층 결함이 풍부한 MoNi 합금 전극 개발 Stacking Faults Defect-Rich MoNi Alloy for Ultrahigh-Performance Hydrogen Evolution ...

펄스형 GTAW 공정을 이용한 철계 분말 야금 합금의 용접성 연구

펄스형 GTAW 공정을 이용한 철계 분말 야금 합금의 용접성 연구 Weldability of Iron Based Powder Metal Alloys Using Pulsed GTAW ...

펄스 Nd:YAG 레이저 용접 시 키홀(Keyhole) 형성에 따른 합금 성분 변화 추정

펄스 Nd:YAG 레이저 용접 시 키홀(Keyhole) 형성에 따른 합금 성분 변화 추정 Estimation of composition change in pulsed Nd:YAG laser ...

저탄소강 저항 점 용접의 최대 하중 및 에너지 흡수능에 미치는 용접 변수의 영향

저탄소강 저항 점 용접의 최대 하중 및 에너지 흡수능에 미치는 용접 변수의 영향 Effect of Welding Parameters on the Peak ...

사이클론 효율 계산을 위한 용접 스파크 변수 결정 연구

사이클론 효율 계산을 위한 용접 스파크 변수 결정 연구 Determination of welding spark parameters for cyclone efficiency calculation 본 연구는 ...

티타늄 합금(Ti6Al4V) 레이저 용접부의 기계적 성질 및 피로 거동 연구: 인공심장 소재의 밀봉 및 수명 최적화

티타늄 합금(Ti6Al4V) 레이저 용접부의 기계적 성질 및 피로 거동 연구: 인공심장 소재의 밀봉 및 수명 최적화 Mechanical Properties of Laser ...

구강 내 레이저 용접(Intraoral Laser Welding, ILW): 치과 임상에서의 새로운 혁신

구강 내 레이저 용접(Intraoral Laser Welding, ILW): 치과 임상에서의 새로운 혁신 Intraoral laser welding 본 논문은 치과 기술 연구소(Dental Lab)에서만 ...

재구성 기법을 활용한 다층 패스 용접 공정의 유한 요소 시뮬레이션

재구성 기법을 활용한 다층 패스 용접 공정의 유한 요소 시뮬레이션 Finite Element Simulation of Multi-pass Welding Process with Rezoning Technique ...

우주항공용 티타늄 합금의 정밀 용접 기술:Ti-6Al-4V 육각형 밀집 구조 강재의 Nd:YAG 레이저 용접 및 야금학적 특성 고찰

Figure 2 4: Schemetic of an Nd:YAG laser [27] 우주항공용 티타늄 합금의 정밀 용접 기술:Ti-6Al-4V 육각형 밀집 구조 강재의 Nd:YAG ...

마찰 교반 용접(FSW)된 AA2024-T351 알루미늄 합금의 부식 제어 및 미세구조 분석 연구

마찰 교반 용접(FSW)된 AA2024-T351 알루미늄 합금의 부식 제어 및 미세구조 분석 연구 Corrosion Control of Friction Stir Welded AA2024-T351 Aluminium ...

형상 기억 합금(SMA)의 레이저 용접 기술 연구: NiTi의 동종 및 이종 접합 특성 분석

형상 기억 합금(SMA)의 레이저 용접 기술 연구: NiTi의 동종 및 이종 접합 특성 분석 Laser welding of Shape Memory Alloys ...

생체 조직의 레이저 용접 공정을 위한 실시간 광학 제어 절차 연구: 산란광 분석을 통한 비접촉식 응고 상태 감시 기술

생체 조직의 레이저 용접 공정을 위한 실시간 광학 제어 절차 연구: 산란광 분석을 통한 비접촉식 응고 상태 감시 기술 Procedures ...

나선형 용접 강관의 잔류 응력 예측을 위한 링 할렬 시험(Ring Splitting Test)의 유한요소 해석 모델링

나선형 용접 강관의 잔류 응력 예측을 위한 링 할렬 시험(Ring Splitting Test)의 유한요소 해석 모델링 Finite Element Modeling of Ring ...

내식 합금(CRA) 파이프 용접을 위한 가스 메탈 아크 용접(GMAW) 기술의 진보와 공정 최적화

내식 합금(CRA) 파이프 용접을 위한 가스 메탈 아크 용접(GMAW) 기술의 진보와 공정 최적화 Advances in Gas Metal Arc Welding and ...

[2021] 기계적 진동 기반 수중 용접 공정의 품질 향상 기술 리뷰

[2021] 기계적 진동 기반 수중 용접 공정의 품질 향상 기술 리뷰 Review of Underwater Welding Process under Mechanical Vibration for ...

레이저 용접의 실시간 센싱 및 제어 기술의 학술적 고찰:지능형 자동화 시스템 구축을 위한 비선형 모델링 및 센서 융합 전략

Fig. 2 Standard diode laser (1KW) welding results (9 레이저 용접의 실시간 센싱 및 제어 기술의 학술적 고찰:지능형 자동화 시스템 ...

알루미늄 합금의 저속 레이저 용접 기술 연구: 싱글모드 파이버 레이저를 활용한 공정 안정성 분석

알루미늄 합금의 저속 레이저 용접 기술 연구: 싱글모드 파이버 레이저를 활용한 공정 안정성 분석 Low speed laser welding of aluminium ...

전지 가압력 및 용접 전류 제어를 통한 차세대 저항 점 용접(RSW) 공정 개발

전지 가압력 및 용접 전류 제어를 통한 차세대 저항 점 용접(RSW) 공정 개발 Development of Advanced Resistance Spot Welding Process ...
FIG. 1. (Color online) Simulation cell exhibiting four vacancy plates, each measuring 1 nm in size. Upon relaxation, these plates undergo transformation into a stacking fault tetrahedra (SFT). Additionally, a 4 nm-sized SFT is included for comparison. Initial frame of the nanoindentation simulation, emphasizing the stacking fault tetrahedron and stair–rod dislocations near the surface. To enhance visual clarity, an atom with an FCC lattice position has been removed. The surface top view showcases the atomic arrangement of the five types of atoms: Ni, Fe, Cr, Co, and Mn and the indents. Additionally, the sample is strategically divided into three sections–frozen, thermostatic, and dynamical to facilitate the mechanical test.

고엔트로피 합금의 비밀: 나노인덴테이션으로 밝혀낸 적층결함의 역할과 기계적 물성 강화

이 기술 요약은 F. J. Domínguez-Gutiérrez 외 저자가 2024년 발표한 학술 논문 "Atomistic-Level Analysis of Nanoindentation-Induced Plasticity in Arc-Melted NiFeCrCo ...
Figure 3. Magnesium alloy body casting element after welding: (a) magnification 0.1×; (b) macrograph.

스칸듐(Sc) 첨가 필러 재료를 활용한 마그네슘 합금 용접: 항공우주 부품의 신뢰성 및 수명 연장

이 기술 요약은 Vadym Shalomeev 외 저자가 Materials (2022)에 발표한 논문 "[Casting Welding from Magnesium Alloy Using Filler Materials That ...
Fig. 3. Microstructure of the bonding zone of an AZ31/6060 bimetallic sample: (a) low-magnification LM image, (b–d) high-magnification SEM images.

아연(Zn) 중간층의 마법: 화합물 주조(Compound Casting) 공법으로 마그네슘-알루미늄 접합 강도 4배 향상

이 기술 요약은 Renata Mola 외 저자가 2019년 JOM에 발표한 논문 "The Effect of a Zinc Interlayer on the Microstructure ...
Fig. 1. Viscous fracture facets of metal of welds No. 1 (a) and No. 2 (b). Arrows indicate the second phase particles (b)

탄소 첨가제가 저탄소 합금강의 용접 품질을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 N. A. Kozyrev 외 저자가 CIS Iron and Steel Review (2022)에 발표한 논문 "[Structure, defect substructure and ...
Figure 2. Test set-up for electrical and thermal characterisation of tab-to-busbar joints (a) schematic view; and (b) experimental set-up.

EV 배터리 버스바 설계 최적화: 초음파 용접 접합부의 기계적, 전기적, 열적 특성 비교 분석

이 기술 요약은 Abhishek Das 외 저자가 2019년 World Electric Vehicle Journal에 발표한 논문 "Comparison of Tab-To-Busbar Ultrasonic Joints for ...
그림 5. 용접 파라미터 최적화를 통한 접합 강도 향상 및 중심선 균열 억제 (Sx=4m/min)

6xxx 알루미늄 레이저 용접 균열 완벽 제어: 자동차 배터리 트레이 생산성 향상을 위한 핵심 전략

이 기술 요약은 T. Sun 외 저자가 Procedia CIRP (2020)에 발표한 논문 "[Challenges and opportunities in laser welding of 6xxx ...
Figure 1 Welded samples

AA6063 알루미늄 합금의 TIG 용접 부식 저항성 최적화: 유전 알고리즘을 통한 공정 혁신

이 기술 요약은 S. Om Prakash, P. Karuppuswamy, N. Nirmal이 작성하여 2019년 METALURGIJA에 발표한 논문 "OPTIMAL CORROSIVE BEHAVIOUR ON THE ...
Figure 5. SEM micrographs for each condition of the cast specimen. (a) Blasting with ZrO2, (b) blasting with ZrO2 and etching with HF, (c) blasting with Al2O3, and (d) blasting with Al2O3 and etching with HF.

Ti6Al4V 표면 거칠기 최적화: 3D 프린팅이 주조 및 단조와 다른 접근법을 요구하는 이유

이 기술 요약은 János Kónya 외 저자가 Materials에 발표한 "Effect of Surface Modifications on Surface Roughness of Ti6Al4V Alloy Manufactured ...
Figure 10. Gas metal arc welding operation (Jeffus 2012, p. 235).

초고장력강(UHSS) GMAW 용접 최적화: FEA 예측을 통한 열 영향부(HAZ) 제어 전략

이 기술 요약은 Alnecino Alves Netto가 2019년 라펜란타-라티 기술대학교(Lappeenranta-Lahti University of Technology)에 제출한 석사 학위 논문 "Optimization of Gas Metal ...

경량 소재의 마찰 교반 용접(FSW)에서 열 지수 기반 주요 공정 변수 최적화 연구

Heat Index Based Optimisation of Primary Process Parameters in Friction Stir Welding on Light Weight Materials 마찰 교반 용접(FSW)은 항공우주 ...

TOPSIS 방법을 이용한 AZ31B 합금의 마찰 교반 용접 실험 분석 및 공정 변수 최적화

Friction Stir Welding Experiments on AZ31B Alloy to Analyse Mechanical Properties and Optimize Process Variables by TOPSIS Method 마그네슘 합금인 ...

알루미늄 경량차체 제작을 위한 MIG 용접 용가재별 성형성 평가

Evaluation of Formability Depend on Aluminum Filler Wire to Make Lightweight Vehicle for MIG Welding Process 자동차 산업에서 연비 향상과 ...

Al 5052 및 6061 합금의 플라즈마-GMA 용접 공정 특성 평가

Al 5052, 6061합금에 대한 플라즈마-GMA 용접공정특성 평가 (Process Evaluation of Plasma-GMA Welding for Al 5052 and 6061 Alloy) 알루미늄 합금은 ...

G-BOP 테스트를 이용한 다양한 상대 습도 조건에서의 수소 유기 균열 완화를 위한 용접 매개변수 최적화

Optimizing Welding Parameters to Mitigate Hydrogen-Induced Cracking Under Varying Relative Humidity Conditions Using the G-BOP Test 고장력 저합금(HSLA) 강의 용접 ...

AA2124/SiCp 복합재와 비강화 합금 간의 선형 마찰 용접(LFW) 공정 모델링

PROCESS MODELLING OF LINEAR FRICTION WELDING (LFW) BETWEEN AA2124/SICP COMPOSITE AND UNREINFORCED ALLOY 선형 마찰 용접(LFW)은 항공우주 산업에서 고성능 알루미늄 ...

Al 6063 마찰 교반 용접(FSW)의 공정 파라미터 최적화 연구

OPTIMIZATION OF PROCESS PARAMETERS IN FRICTION STIR WELDING OF AL 6063 마찰 교반 용접(FSW)은 알루미늄 및 마그네슘과 같은 경량 소재를 ...

TIG-MIG 하이브리드 용접법에 관한 기초적 연구

TIG-MIG 複合溶接法の基礎的検討 TIG 및 MIG 용접은 현대 산업 현장에서 가장 널리 활용되는 가스 보호 아크 용접 공정입니다. 일반적으로 MIG 용접은 ...

마그네슘 합금의 용접 기술: 최신 공정 및 야금학적 특성 분석

Welding of Magnesium Alloys 마그네슘 합금은 알루미늄보다 40%, 강철보다 78% 가벼운 초경량 구조용 소재로, 자동차 및 항공우주 산업에서 연비 향상과 ...

첨단 오비탈 파이프 용접 기술 분석 보고서

첨단 오비탈 파이프 용접 기술 분석 보고서 Advanced Orbital Pipe Welding 파이프 및 튜브 용접은 원자력 및 화력 발전소, 반도체 ...

종방향 자기장이 인가된 TIG 용접 공정 중 알루미늄 합금의 용융지 형성 및 유동 거동

Weld pool formation and flowing behaviors of aluminum alloy during TIG welding process with a longitudinal electromagnetic field 알루미늄 합금은 ...

Ti-5Al-2.5Sn 합금의 완전 용입 펄스 TIG 용접부 잔류 응력 최소화를 위한 반응 표면 분석법 연구

Response surface approach to minimize the residual stresses in full penetration pulsed TIG weldments of Ti-5Al-2.5Sn alloy 티타늄 합금, 특히 ...

근적외선 레이저 서셉터로서의 탄소 나노튜브 연구

Carbon Nanotubes as Near Infrared Laser Susceptors 본 연구는 940nm 파장의 근적외선(NIR) 레이저 방사선과 탄소 나노튜브(CNT) 간의 결합 효율을 심층적으로 ...

티타늄 튜브 접합을 위한 레이저 빔 용접 파라미터 최적화 수치 모델 개발

DEVELOPING A NUMERICAL MODEL TO OPTIMISE THE LASER-BEAM-WELDING PARAMETERS FOR JOINING TITANIUM TUBES 티타늄 합금은 높은 비강도와 우수한 내식성 덕분에 ...

레이저 용접에서 공정 가스의 역할과 중요성 분석

The role of process gases in laser welding 레이저 용접 공정에서 안정적이고 고품질의 용접부를 얻기 위해서는 공정 가스의 사용이 필수적입니다 ...

Al–9%Si–0.3%Mg 다이캐스트 합금의 T5 열처리 거동에 미치는 예비 시효 조건의 영향

Al–9%Si–0.3%Mg ダイカスト合金の T5 熱処理挙動における予備時効条件の影響 알루미늄 다이캐스트 합금은 자동차 현가장치 및 이륜차 차체 부품과 같이 고연성과 고강도가 동시에 요구되는 분야에서 널리 ...

심입 레이저 재료 용접에서의 용융 풀 와도(Vorticity) 분석

Melt pool vorticity in deep penetration laser material welding 심입 레이저 용접 공정에서 키홀의 안정성은 용접 품질을 결정짓는 핵심 요소입니다 ...

HSLA-DMR249A 강의 SMAW 및 TIG 용접 공정 매개변수에 대한 다구치 기반 최적화 연구

Taguchi Based Optimization of SMAW and TIG Welding Process Parameters on HSLA-DMR249A steel HSLA-DMR249A 강은 인도 해군에서 탄소강을 대체하기 위해 ...

레이저 빔 용접 중 변형 최소화를 위한 시뮬레이션 기반 방법론 연구

Simulation-Oriented Methodology for Distortion Minimisation during Laser Beam Welding 레이저 빔 용접은 자동차, 조선 및 건설 산업에서 고속 생산과 정밀 ...

결정립 미세화 오스테나이트계 스테인리스강의 접합 및 표면 개질 기술 연구

結晶粒微細化オーステナイト系ステンレス鋼の接合 결정립 미세화 오스테나이트계 스테인리스강은 강도, 내방사선성 및 내식성 향상을 위해 독자적인 강가공 및 열처리 기법으로 개발된 첨단 소재입니다. 하지만 ...

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 ...

Taguchi 기반 GRA를 이용한 EN353 합금강의 마찰 용접 공정 매개변수 다목적 최적화

Multi-Objective Optimization in Friction Welding Process Parameters on EN353 Alloy Steel using Taguchi based GRA 마찰 용접은 자동차 및 제조 ...

FEM을 이용한 오스테나이트계 및 듀플렉스 스테인리스강의 TIG 용접 변형 비교 분석

Comparative analysis of TIG welding distortions between Austenitic and Duplex Stainless Steels by FEM 본 보고서는 오스테나이트계와 듀플렉스 스테인리스강의 TIG ...
Fig. 6 Photographs of indentation for various weld current(Electrode force=4 kgf, weld time=5 ms)

가속도계를 이용한 마이크로스폿용접의 인프로세스 모니터링

가속도계를 이용한 마이크로스폿용접의 인프로세스 모니터링 In-Process Monitoring of Micro Resistance Spot Weld Quality using Accelerometer 본 연구는 IT 기기 및 ...
Figure 12: On-Curve plot of maximum and minimum points.

Taguchi 방법을 이용한 API X70M 소재의 M.A.G 용접 공정 변수 최적화 및 인장 강도 예측

Taguchi 방법을 이용한 API X70M 소재의 M.A.G 용접 공정 변수 최적화 및 인장 강도 예측 OPTIMISATION OF PROCESS PARAMETERS FOR ...
Fig. 5.15: Microstructures of as-supplied base metal, HAZ and fusion zone indicated as C in the Fig. 5.13.

스테인리스강의 레이저 빔 용접 기술 연구

스테인리스강의 레이저 빔 용접 기술 연구 Laser Beam Welding of Stainless Steels 본 연구는 자동차 산업에서 중요하게 다뤄지는 마르텐사이트계 및 ...
Fig 2 Weld microstructure

5A02 알루미늄 합금 판재의 MIG 용접 공정에 관한 연구

5A02 알루미늄 합금 판재의 MIG 용접 공정에 관한 연구 Research on the process in MIG welding of 5A02 aluminum alloy ...
Figure 1. Mechanical fixture for welding the aluminum sheet coupons and laser welding.

6016 알루미늄 테일러 용접 블랭크의 강도 및 성형성 조사

6016 알루미늄 테일러 용접 블랭크의 강도 및 성형성 조사 Investigation of Strength and Formability of 6016 Aluminum Tailor Welded Blanks ...
Obr. 13: Svarovací program s jedním impulsem [2]

선택된 용접 공정 파라미터 모니터링 및 점 용접 품질 분석

선택된 용접 공정 파라미터 모니터링 및 점 용접 품질 분석 Monitoring of selected welding process parameters and spot welds quality ...
Figure 1. Characterization of sample 8: (a) DLEPR polarization curve and (b) microstructure of cladding (SEM examination).

오스테나이트 스테인리스강 클래딩의 부식 저항성에 미치는 플럭스 코어드 아크 용접 공정 변수의 영향

오스테나이트 스테인리스강 클래딩의 부식 저항성에 미치는 플럭스 코어드 아크 용접 공정 변수의 영향 Effect of Flux Cored arc Welding Process ...
Fig. 3 — X-ray radiography film of sample no. 4 & 9.

그레이-다구치 방법을 이용한 용가재 없는 듀플렉스 스테인리스강 TIG 용접 공정 파라미터 최적화

그레이-다구치 방법을 이용한 용가재 없는 듀플렉스 스테인리스강 TIG 용접 공정 파라미터 최적화 Optimization of process parameters of TIG welding of ...
Fig. 1 Reliability Plots of RSM Predicted Versus Observed Values of (a) Brinell Hardness Number, (b) Heat Input, (c) Cooling Rate, (d) Preheat Temperature, and (e) Amount of Diffusible Hydrogen.

반응 표면 분석법을 이용한 텅스텐 불활성 가스 용접 공정 변수의 최적화

반응 표면 분석법을 이용한 텅스텐 불활성 가스 용접 공정 변수의 최적화 Optimization of the Tungsten Inert Gas Process Parameters using ...
Fig. 4 Comparison of corrosion properties between 329LD and 316L for slurry pipes in regional power plants

산업설비용 2상 스테인리스강 개발 동향 및 용접성 기술 보고서

산업설비용 2상 스테인리스강 개발 동향 및 용접성 기술 보고서 Development Trends of Duplex Stainless Steels for the Process Industries and ...
Figure C10b: Microstructure of PM Al indicating the grain measurements (x400)

5754 알루미늄 합금과 C11000 구리 간의 이종 마찰 교반 용접 특성 분석

5754 알루미늄 합금과 C11000 구리 간의 이종 마찰 교반 용접 특성 분석 CHARACTERISATION OF DISSIMILAR FRICTION STIR WELDS BETWEEN 5754 ...
Figure 1: Schematic of friction stir welding.

알루미늄 합금 마찰 교반 용접 겹치기 이음부의 기계적 특성 최적화

알루미늄 합금 마찰 교반 용접 겹치기 이음부의 기계적 특성 최적화 Mechanical Properties Optimization of Friction Stir Welded Lap Joints in ...
Figure-9, Macrograph of the weld Joint

이종 강재 용접을 위한 GMAW 공정의 매개변수 최적화

이종 강재 용접을 위한 GMAW 공정의 매개변수 최적화 Parameter Optimizations of GMAW Process for Dissimilar Steels Welding 본 연구는 철도 ...
FIGURE 9. Optical images of the microstructure of AISI 1020 high manganese alloy.

SAW로 용접된 AISI 1020 합금 이음매의 인장 강도 및 피크 온도 최적화에 미치는 용접 매개변수의 영향

SAW로 용접된 AISI 1020 합금 이음매의 인장 강도 및 피크 온도 최적화에 미치는 용접 매개변수의 영향 Influence of Welding Parameters ...
Fig. 6 Weld profiles under different welding current at welding speed of 300mm/min (a) 40mA; (b) 50mA; (c) 60mA

진공 롤 클래딩 공정에서 AISI P20 공구강의 온도 및 응력장에 미치는 전자빔 용접 매개변수의 영향

진공 롤 클래딩 공정에서 AISI P20 공구강의 온도 및 응력장에 미치는 전자빔 용접 매개변수의 영향 Effect of Electron Beam Welding ...
Figure 1 Examples for the assessment of the weld quality a) cross-section 1,0 b) cross-section 0,0 c) upper bead 1,0 d) upper bead 0,0

진공 상태에서의 구리 레이저 빔 용접을 통한 공정 한계 확장

진공 상태에서의 구리 레이저 빔 용접을 통한 공정 한계 확장 Laser beam welding of copper under vacuum to extend the ...
Fig. 3 Welding testing (a) Tensile test samples; (b) Rockwell hardness instrument

상용강의 인장 강도에 미치는 그루브 형상의 영향 연구

상용강의 인장 강도에 미치는 그루브 형상의 영향 연구 Investigation into the Impact of Groove Shape on the Tensile Strength of ...
Figure 2. Simples schematic of joint design

저탄소강 283 G.C의 인장 강도에 미치는 용접 공정 매개변수의 영향

저탄소강 283 G.C의 인장 강도에 미치는 용접 공정 매개변수의 영향 EFFECT OF WELDING PROCESS PARAMETERS ON TENSILE OF LOW CARBON ...
용접 비드의 경도 측정 위치(HAZ 및 FZ) 모식도

저탄소강 상의 마르텐사이트계 스테인리스강 클레이딩을 위한 펄스 FCAW: 미세조직, 경도 및 잔류 응력 분석

저탄소강 상의 마르텐사이트계 스테인리스강 클레이딩을 위한 펄스 FCAW: 미세조직, 경도 및 잔류 응력 분석 Pulsed FCAW of Martensitic Stainless Clads ...
Figure 3 (a) IPF map of BM, and (b) HAGBs and IQ map in BM

FSSWed TRIP 강재 접합부의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 온도, 변형률 및 변형률 속도의 영향에 관한 유한요소 및 실험적 연구

FSSWed TRIP 강재 접합부의 미세조직 및 기계적 특성에 미치는 온도, 변형률 및 변형률 속도의 영향에 관한 유한요소 및 실험적 연구 ...
FIG. 1. Surface morphology of the arc melted, DAM, sample and detail (inset) of dendrite structure observed at grains (a); of the induction melted, DIM, sample (b), and of the ribbon, R, sample (c).

아크 및 유도 용해와 평면 유동 주조로 제작된 Co2FeAl 호이스러 합금의 미세구조 및 자성 비교 연구

아크 및 유도 용해와 평면 유동 주조로 제작된 Co2FeAl 호이스러 합금의 미세구조 및 자성 비교 연구 Microstructure and magnetism of ...
Figure 1. a schematic of the sample, wire, and flux during submerged arc welding

요인 설계법을 이용한 잠호 용접(SAW) 공정 변수 최적화

요인 설계법을 이용한 잠호 용접(SAW) 공정 변수 최적화 Optimization Process Parameters of Submerged Arc Welding Using Factorial Design Approach 본 ...
Fig. 4—Optical microscopy illustrating the parent, HAZ and TMAZ zones measured from (a) Weld 2, (b) Weld 3, (c) Weld 4, (d) Weld 5.

Ti-6Al-4V 관성 마찰 용접부의 열영향부 및 열기계적 영향부 모델링

Ti-6Al-4V 관성 마찰 용접부의 열영향부 및 열기계적 영향부 모델링 Modeling of the Heat-Affected and Thermomechanically Affected Zones in a Ti-6Al-4V ...
Figure 11: Effect of voltage and current on the tensile strength.

반응 표면 분석법을 이용한 가스 텅스텐 아크 용접 연강의 용접 강도 특성 최적화

반응 표면 분석법을 이용한 가스 텅스텐 아크 용접 연강의 용접 강도 특성 최적화 OPTIMIZATION OF WELD STRENGTH PROPERTIES OF TUNGSTEN ...
Figure 6. SEM Micrographs. a) Joint zone, b) Base material

휠 림의 기계적 성질에 미치는 플래시 버트 용접 파라미터의 영향

휠 림의 기계적 성질에 미치는 플래시 버트 용접 파라미터의 영향 Effect of flash butt welding parameters on mechanical properties of ...
Fig.4: Schematic view of the flux cored arc welding process

펄스 FCAW를 이용한 CA6M 육성 용접 및 L9 타구치 기법과 ANOVA를 통한 결과 분석

펄스 FCAW를 이용한 CA6M 육성 용접 및 L9 타구치 기법과 ANOVA를 통한 결과 분석 Cladding welding of CA6M with pulsed ...
Fig. 3. Microstructure appearance of joint welded by FCAW using the current of 80 A at (a) weld metal, (b) HAZ, and (c) base metal with 1400 times magnification.

FCAW로 접합된 St 37 강판의 열 변형, 경도 및 미세 조직에 관한 연구

FCAW로 접합된 St 37 강판의 열 변형, 경도 및 미세 조직에 관한 연구 Study on The Thermal Distortion, Hardness, and ...
Fig. 5. Spot welded specimens 1 to 9 (from left to right)

퍼지 로직 제어를 이용한 점 용접 파라미터 예측

퍼지 로직 제어를 이용한 점 용접 파라미터 예측 Prediction of Spot Welding Parameters Using Fuzzy Logic Controlling 본 보고서는 저항 ...
Figure 1 Schematic of the FSW process (a) Asbestos backing plate (b) Composite backing plate (c) Aluminum backing plate

AA6061 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접 중 발생하는 플래시 결함에 대한 백킹 플레이트 및 툴 설계의 영향

AA6061 알루미늄 합금의 마찰 교반 용접 중 발생하는 플래시 결함에 대한 백킹 플레이트 및 툴 설계의 영향 Effects of different ...
회전 마찰 용접(RFW) 공정 순서도

회전 마찰 용접된 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)의 특성에 회전 속도와 압력이 미치는 영향

회전 마찰 용접된 티타늄 합금(Ti-6Al-4V)의 특성에 회전 속도와 압력이 미치는 영향 The influence of rotational speed and pressure on the ...
Fig -4: Surface plot of depth of penetration with respect to Voltage and Welding Speed

MIG 용접 공정에서 공정 변수가 용접부 용입 깊이에 미치는 영향

MIG 용접 공정에서 공정 변수가 용접부 용입 깊이에 미치는 영향 INFLUENCE OF PROCESS PARAMETERS ON DEPTH OF PENETRATION OF WELDED ...
Fig. 3. Model diagram of electron beam heat source (a) Horizontal (b) Vertical

전자빔 용해로 원료 용해 시 전자빔 공정 파라미터의 시뮬레이션 연구

전자빔 용해로 원료 용해 시 전자빔 공정 파라미터의 시뮬레이션 연구 Simulation Study of Electron Beam Process Parameters on EB Furnace ...
Fig. 7: 전류 크기에 따른 아크 압력 분포 등고선도

TIG 이중 전극 용접: 전기적 및 기하학적 파라미터가 공정 안정성과 용접부 품질에 미치는 영향 분석

TIG 이중 전극 용접: 전기적 및 기하학적 파라미터가 공정 안정성과 용접부 품질에 미치는 영향 분석 TIG double-electrode welding: insights into ...
Gambar 7. Spesimen dengan I = 120A

MIG 용접 전류 최적화: ST 37 강재의 인장 강도를 극대화하는 핵심 변수

이 기술 요약은 Wenny Marthiana 외 저자가 Jurnal Kajian Teknik Mesin (2020)에 발표한 논문 "Analisa Pengaruh Variasi Arus Listrik Pengelasan ...
Figure 1b. Force vs. deflection for sample 2a (1 2 2)

알루미늄 마찰교반용접의 균열 저항성 최적화: 회전 속도가 핵심인 이유

이 기술 요약은 Horia Dascau 외 저자가 INTEGRITET I VEK KONSTRUKCIJA에 발표한 "CRACK RESISTANCE OF ALUMINIUM ALLOY FRICTION STIR WELDED ...
Figure 3. Microstructure of WN a), TAMZ b) and HAZ c)

Ti-6Al-4V 접합의 혁신: 회전 마찰 용접 최적화로 모재보다 강한 용접부 구현

이 기술 요약은 MC Zulu와 PM Mashinini가 University of Johannesburg Institutional Repository를 통해 발표한 "Process optimization of rotary friction welding ...
Fig. 1.2: Variation in heat input with the power density of heat source [2]

스테인리스강 레이저 용접 공정 최적화: 실험 데이터를 통한 수학적 모델링 및 품질 향상 전략

이 기술 요약은 Mohammad Muhshin Aziz Khan이 2012년 피사 대학교(UNIVERSITÀ DI PISA)에 제출한 박사 학위 논문 "LASER BEAM WELDING OF ...
Figure 6. Tensile-shear for 8-experimental

아연도금강판의 저항 점용접 최적화: Taguchi 기법을 활용한 인장 전단 강도 극대화 방안

이 기술 요약은 Sukarman 외 저자가 2021년 SINERGI 학술지에 발표한 논문 "OPTIMIZATION OF THE RESISTANCE SPOT WELDING PROCESS OF SECC-AF ...
Figure 12: On-Curve plot of maximum and minimum points.

Taguchi 기법을 이용한 API X70M 강재의 MAG 용접 공정 최적화 및 인장강도 예측

이 기술 요약은 N. S. Akonyi 외 저자가 2020년 Nigerian Journal of Technology에 게재한 논문 "OPTIMISATION OF PROCESS PARAMETERS FOR ...
Fig. 6. Crystalline structure and morphology of the defect and β-phase as characterized using (a) scanning electron microscopy and (b) energy-dispersive X-ray spectroscopy.

마그네슘 합금 주조 결함 최소화: X-ray 검사 및 다구치 방법을 활용한 공정 최적화

이 기술 요약은 S.-J. Huang 외 저자가 Kovove Mater. (2017)에 게재한 "Process parameters optimization of magnesium alloy quasi-vacuum casting using ...
Figure 3. Thickness of the defect layer for the first measurement.

티타늄 합금의 표면 품질 혁신: PMEDM 공정에서 결함층을 최소화하는 최적의 조건

이 기술 요약은 Dragan Rodic 외 저자가 Processes (2023)에 게재한 학술 논문 "Study and Optimization Defect Layer in Powder Mixed ...
Figure 2. Macrostructure of SCFSW joints under various rotational velocities: (a) 800, (b)1000, (c)1300 and (d)1500 rpm.

마찰교반용접(FSW) 품질 혁신: 회전 속도 최적화로 6005A-T6 알루미늄 합금의 기계적 특성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 Xiangchen Meng 외 저자가 2016년 Engineering Review에 발표한 논문 "EFFECTS OF ROTATIONAL VELOCITY ON MICROSTRUCTURES AND MECHANICAL ...
Figure 7. Microstructure of the various zones in Ti6Al4V and AA5754.

2D vs. 3D 열원 모델링: 이종 Al/Ti 레이저 용접의 FEA 시뮬레이션 정확도 향상 기법

이 기술 요약은 Sonia D'Ostuni, Paola Leo, Giuseppe Casalino가 Metals (2017)에 발표한 논문 "FEM Simulation of Dissimilar Aluminum Titanium Fiber ...
Figure 9-15: Load-extension graphs obtained for welds carried out with industrial approach and continuous welding

로봇 TIG 용접의 미래: 지능형 3D 심 트래킹 및 적응형 공정 제어 기술

이 기술 요약은 Prasad Manorathna가 2015년 Loughborough University에 제출한 박사 학위 논문 "Intelligent 3D Seam Tracking and Adaptable Weld Process ...
Fig. 5: The contour plot of tensile strength

자동차 알루미늄의 확산 접합 최적화: 반응 표면 분석법을 통한 획기적 공정 개선

이 기술 요약은 Somsak Kaewploy와 Chaiyoot Meengam이 MATEC Web of Conferences (2015)에 발표한 논문 "Determination of Optimal Parameters for Diffusion ...
Fig. 1. Surface morphology of the D (a),(b) and R (c),(d) samples. Bottom part of subplot (b) represents the grain boundaries and maps of element concentration.

제조 공정이 자성(磁性)을 결정한다: 아크 용해 vs. 평면 유동 주조법에 따른 Co2FeSi 호이슬러 합금 특성 비교 분석

이 기술 요약은 A. Titova 외 저자가 2017년 ACTA PHYSICA POLONICA A에 발표한 학술 논문 "Co2FeSi Heusler Alloy Prepared by ...
Figure 10. The weld formation on sample with: (a) oil; (b) water; (c) laser

알루미늄 용접 결함 99% 감소: 나노초 레이저 클리닝이 6005A 합금의 기계적 물성을 혁신하는 방법

이 기술 요약은 Yuelai Zhang 외 저자들이 Materials (2022)에 발표한 논문 "[Welding Defect and Mechanical Properties of Nanosecond Laser Cleaning ...
Figura 3. Imagens dos corpos de prova C6 (à esquerda) e C12 (à direita).

용접 비드 측정의 숨겨진 오차: 기하학적 불확실성 감소를 통한 품질 향상

이 기술 요약은 Rosenda Valdés Arencibia 외 저자가 Soldagem & Inspeção (2011)에 발표한 논문 "Incerteza na Medição dos Parâmetros Geométricos ...
Fig. 5 Weld root and kissing bond in 6-mm FSW DH36 (W2D)

강재 마찰교반용접 결함 완벽 분석: 두 가지 새로운 결함 유형과 최적 공정 조건

이 기술 요약은 M. Al-Moussawi와 A. J. Smith가 작성하여 2018년 Metallography, Microstructure, and Analysis에 게재한 학술 논문 "Defects in Friction ...
Figure 2 (A) Number and morphology of hBMSCs adhering to the surface of implants after 7 days of co-culture. The red arrow indicates hBMSCs. (B) The activity of hBMSCs on the surface of implants in the 7 groups. *P<0.01 compared with the SLM printed (post-processing) group. #P<0.01 compared with the SLM-printed group.

티타늄 임플란트 3D 프린팅: 최적의 골 통합을 위한 표면처리 기술 비교 분석

이 기술 요약은 Boyang Wang 외 저자가 2023년 Scientific Reports에 게재한 논문 "Efficacy of bone defect therapy involving various surface ...
Table. 6 Photographs illustrate the depth of penetration and bead width

펄스 TIG 용접 최적화: AISI 304L 스테인리스강의 인장 강도 및 미세구조 개선 방안

이 기술 요약은 Adnan A. Ugla가 2016년 Innovative Systems Design and Engineering에 발표한 논문 "A Comparative study of pulsed and ...
Figure 10: Fracture surface form a specimen welded with a heat input of 40 J/mm (3,300 W, 5 m/min), and tested in fatigue with R = 0.1 and a maximum stress of 850 MPa, which gave a life of 12,565 cycles. Initiation has occurred from a large region of gas porosity.

Ti-6Al-4V 피로 수명 최적화: 레이저 열 입력이 항공우주 용접의 판도를 바꾸는 방법

이 기술 요약은 P M Mashinini와 D G Hattingh가 발표한 "Influence of laser heat input on weld zone width and ...
Figure 4-8: Butt weld completed by a semi-skilled welder (a) welding current and voltage variation against time, (b) top view of the weld, (c) bottom view of the weld

로봇 TIG 용접의 미래: 지능형 3D 심 트래킹 및 적응형 공정 제어 기술

이 기술 요약은 Prasad Manorathna가 2015년 Loughborough University에 제출한 박사 학위 논문 "Intelligent 3D Seam Tracking and Adaptable Weld Process ...
Gambar 6. Geafik Shear-tensile strength dan S/N Rasio

Taguchi 방법을 이용한 이종 강재 저항 점용접 최적화: 아연 도금 강판의 용접성 향상

이 기술 요약은 Amri Abdulah와 Sukarman이 작성하여 2020년 Multitek Indonesia: Jurnal Ilmiah에 게재한 "OPTIMASI SINGLE RESPONSE PROSES RESISTANCE SPOT WELDING ...
Figure 2.1 Axonometric 3D weld profiles for top and bottom welds at “nominal,” “low,” and “high” conditions.

6061-T6 알루미늄 합금 저항 점용접의 피로 성능 최적화: 실험 및 시뮬레이션 심층 분석

이 기술 요약은 Radu Stefanel Florea가 Mississippi State University(2012)에 제출한 박사학위 논문 "Experiments and Simulation for 6061-T6 Aluminum Alloy Resistance ...
Fig 4.5: 3D graphs to show effects of (a) P and S on weld resistance length, SL for F = 400μm, and (b) P and S on shearing force, Fs for F = 300μm.

스테인리스강 레이저 용접 공정 최적화: 실험 데이터를 통한 수학적 모델링 및 품질 향상 전략

이 기술 요약은 Mohammad Muhshin Aziz Khan이 2012년 피사 대학교(UNIVERSITÀ DI PISA)에 제출한 박사 학위 논문 "LASER BEAM WELDING OF ...
Figure 4: Contribution of each factor on the performance statistics (Influential effects based on percentage distributions).

AA6061-T4 알루미늄 합금의 마찰교반점용접(FSSW) 공정 변수 최적화: 인장전단강도 극대화 방안

이 기술 요약은 Saleh Alhetaa, Sayed Zayan, Tamer Mahmoud, Attia Gomaa가 저술하여 American Scientific Research Journal for Engineering, Technology, and ...
Fig. 1 Setup for (a) Chappy test machine, (b) electric arc welding machine, (c) tensile test machine, (d) grinding machine, and (e) workpiece.

아연도금강판 MIG 용접 최적화: Taguchi 기법을 활용한 인장 강도 및 연신율 극대화 방안

이 기술 요약은 E. O. Aigboje가 2022년 International Journal of Emerging Scientific Research에 발표한 논문 "The Effect of Metal Inert ...
Figure 3. The microstructure in central part of stir zone in the hot rolled condition (a, b) and the cold rolled condition (c, d).

초미세립 알루미늄 합금의 마찰교반용접(FSW): 고강도 소재 접합의 난제 해결

이 기술 요약은 Sergey Malopheyev 외 저자가 2014년 Materials Science Forum에 발표한 논문 "Friction Stir Welding of an Al-Mg-Sc-Zr Alloy ...
Fig. 10. Optical micrograph of an onion ring feature in FSW AA6061/Al2O3/20p crosssection [35].

알루미늄 복합재의 미래: 마찰교반용접(FSW)의 과제와 돌파구

이 기술 요약은 Omar S. Salih, Hengan Ou, W. Sun, D.G. McCartney가 Materials & Design (2015)에 발표한 논문 "A review ...
Gambar 5. Proses Uji Tarik Sambungan Spesimen

스폿 용접 최적화: 용접점 간격이 스테인리스강의 인장 강도를 결정하는 방법

이 기술 요약은 Sobron Lubis 외 저자가 JURNAL TEKNIK MESIN (2025)에 발표한 논문 "Optimisasi Jarak Titik Spot welding Terhadap Tensile ...
Figure 1. Setup of welding

듀플렉스 스테인리스강 TIG 용접의 비밀: Taguchi 방법을 활용한 최적 경도 확보 전략

이 기술 요약은 Sandip Mondal 외 저자가 2023년 International Journal of Industrial Optimization에 게재한 논문 "Parametric optimization for hardness of ...
Figure 4. Three-dimensional representation of the profiles with reconstruction of the welding joint.

용접 조인트 대칭성 분석을 통한 로봇 용접 궤적 자동화: 품질 및 생산성 향상의 새로운 길

이 기술 요약은 David Curiel 외 저자가 Symmetry(2023)에 발표한 학술 논문 "Automatic Trajectory Determination in Automated Robotic Welding Considering Weld ...
Figure 1: Grey relational grade.

플라즈마 아크 용접(PAW) 최적화: Taguchi 기법과 그레이 관계형 분석을 통한 용접 강도 1.41배 향상

이 기술 요약은 J.I. Achebo가 Nigerian Journal of Technology (NIJOTECH) (2012)에 발표한 논문 "EFFECT OF MULTI-RESPONSE PERFORMANCE CHARACTERISTICS ON OPTIMUM ...
Figura 4. Desvios de planeza dos corpos de prova C1 a C12.

용접 비드 측정의 숨겨진 오차: 기하학적 불확실성 감소를 통한 품질 향상

이 기술 요약은 Rosenda Valdés Arencibia 외 저자가 Soldagem & Inspeção (2011)에 발표한 논문 "Incerteza na Medição dos Parâmetros Geométricos ...
Fig. 4. Experimental laser device.

PEKK 레이저 투과 용접 공정 마스터하기: 적외선 열화상 분석으로 본 최적의 온도 조건

이 기술 요약은 M. Villar 외 저자가 2018년 [Optics and Lasers in Engineering]에 발표한 논문 "[In-situ infrared thermography measurements to ...
Fig 1 weld bead geometry

PCA-Taguchi 기법을 활용한 서브머지드 아크 용접(SAW) 공정 최적화: 다중 응답 문제 해결

이 기술 요약은 P. Sreeraj가 작성하여 2016년 International Journal of Integrated Engineering에 게재한 "Optimization of Submerged Arc Welding process Parameters ...
Fig. 4 Contour plot&response graph for tensile strength between rotational speed and forging pressure.

마찰 용접 최적화: AA6061-AA2014 이종 알루미늄 접합부의 인장 강도를 210MPa로 극대화하는 방법

이 기술 요약은 K.Mathi와 G.R.Jinu가 Journal of Advances in chemistry (2017)에 발표한 논문 "ANALYSIS AND OPTIMIZATION OF FRICTION WELDING PARAMETERS ...
FIGURE 1. (a) Aluminum and cooper plate, (b) tool dimensions, and (c) welding processing

마찰 교반 용접(FSW)의 회전 속도 최적화: 알루미늄-구리 이종 접합 품질 향상 방안

이 기술 요약은 Aris Widyo Nugroho 외 저자가 Semesta Teknika (2023)에 발표한 논문 "The Effect of Rotational Tool Speed on ...
Fig. 10. Heat affected zone: experimental evidence vs. numerical simulation.

정밀도 향상과 공정 최적화: 전자빔 용접(EBW) 수치 모델링 및 실험적 검증

이 기술 요약은 M. Chiumenti 외 저자들이 2016년 Finite Elements in Analysis and Design에 발표한 논문 "Numerical modeling of the ...
Fig. 2 Single and padding weld bead geometry diagram

Taguchi 기법을 활용한 GTAW 용접 품질 최적화: 표면 품질 향상을 위한 핵심 변수 분석

이 기술 요약은 Chuan Huat Ng와 Mohd Khairulamzari Hamjah가 저술하여 2014년 Trans Tech Publications에서 발행한 "Welding Parameter Optimization of Surface ...
Figure 1 Welded samples

AA6063 알루미늄 합금의 TIG 용접 부식 저항성 최적화: 유전 알고리즘을 통한 공정 혁신

이 기술 요약은 S. Om Prakash, P. Karuppuswamy, N. Nirmal이 작성하여 2019년 METALURGIJA에 발표한 논문 "OPTIMAL CORROSIVE BEHAVIOUR ON THE ...
Fig. 11 SEM images show microcracks caused by TiN precipitates (exceeds 1 lm), FSW EH46 W2E SZ at steady state

강재 마찰교반용접 결함 완벽 분석: 두 가지 새로운 결함 유형과 최적 공정 조건

이 기술 요약은 M. Al-Moussawi와 A. J. Smith가 작성하여 2018년 Metallography, Microstructure, and Analysis에 게재한 학술 논문 "Defects in Friction ...
Table 6. The square value of Xij

MOORA 접근법을 이용한 저항 점 용접 최적화: 시행착오를 넘어 데이터 기반 품질 향상으로

이 기술 요약은 P. Sreeraj가 저술하여 Journal of Mechanical Engineering and Technology (2016)에 발표한 논문 "ΟΡΤΙΜΙΖATION OF RESISTANCE SPOT WELDING ...
Fig. 1. Automated GTAW welding cell developed for feed forward control of welding parameters through in-process ultrasonic thickness measurement. A 6 DOF robotic manipulator is fitted with a welding head, laser profiler and weld camera. The PEAK LTPA ultrasonic driver and digitiser is located directly next to the location of welding.

실시간 용접 공정 제어: 초음파 두께 측정으로 가변 두께 강판의 용접 결함 해결

이 기술 요약은 Momchil Vasilev 외 저자가 발표한 "Feed Forward Control of Welding Process Parameters Through On-Line Ultrasonic Thickness Measurement" ...
Fig. 93 Microstructure of Alloy 690 base material for sample CIEMAT SMAW.

원자력 발전소의 안전을 좌우하는 이종 금속 용접: 니켈 합금 용접부 미세구조 분석을 통한 파손 예측 및 방지

이 기술 요약은 Roman Mouginot와 Hannu Hänninen이 작성하여 Aalto University에서 2013년에 발표한 "Microstructures of nickel-base alloy dissimilar metal welds" 논문을 ...
Figure 1 Pores inside the weld seam of the 2 mm specimen (15×)

고온 합금 레이저 용접의 기공 결함, 헬륨-아르곤 혼합 가스로 해결: CFD 해석을 위한 핵심 인사이트

이 기술 요약은 Chunchen YAO 외 저자가 Research and Application of Materials Science]에 발표한 논문 "[Study on the Effects of ...
Fig. 2 Interactions between the levels of each process parameter (a) ultimate tensile strength, (b) yield strength, and (c) percentage elongation.

아연도금강판 MIG 용접 최적화: Taguchi 기법을 활용한 인장 강도 및 연신율 극대화 방안

이 기술 요약은 E. O. Aigboje가 2022년 International Journal of Emerging Scientific Research에 발표한 논문 "The Effect of Metal Inert ...
Figure 1: Process simulation and optimization with SORPAS®.

차세대 경량 소재 접합의 해답: 저항 용접 시뮬레이션으로 공정 최적화하기

이 기술 요약은 Wenqi Zhang, Azeddine Chergui, Chris Valentin Nielsen이 2012년에 발표한 학술 논문 "Process Simulation of Resistance Weld Bonding ...
Figure 5. The heat flux curves (left) and illustration of the discretization process (right).

강철 아치교 좌굴 해석: 잔류 용접 응력이 정말 중요할까요? FEA 시뮬레이션으로 밝혀낸 진실

이 기술 요약은 A. Outtier & H. De Backer가 발표한 "Finite element modeling of the influence of residual weld stresses ...
Figure 13: Contrast test of deformation treatment

GA-BPNN 기반 CMT 용접 변형 예측: AI를 활용한 자동차 경량화 공정의 정밀도 향상

본 기술 요약은 Yao Lu 외 저자들이 Frattura ed Integrità Strutturale (2020)에 게재한 논문 "A new approach of CMT seam ...
Table 2. The Final Information Table

용접 품질 예측의 새로운 지평: L-시리즈 퍼지 패턴 인식을 통한 공정-외관 관계 분석

이 기술 요약은 Jinhong Li와 Kangpei Zhao가 [TELKOMNIKA Indonesian Journal of Electrical Engineering]에 발표한 "Application of L-series of Formation in ...
Fig. 4 - The torque values of test specimens

이종 금속 아크 스터드 용접의 난제 해결: AISI 304L-316L 접합부의 잔류 응력 및 온도 분포 최적화 시뮬레이션

이 기술 요약은 Marwan T. Mezher 외 저자가 2022년 INTERNATIONAL JOURNAL OF INTEGRATED ENGINEERING에 발표한 논문 "Modelling and Experimental Study ...
Figure 4 Results of weld temperature field model (a) Welding time is 3 s (b) Welding time is 6 s (c) Welding time is 9 s (d) Welding time is 3 000 s

로봇 용접 시뮬레이션: 파이프 교차부 용접의 품질과 효율성을 FEM으로 검증하다

이 기술 요약은 H.W. WU, Y. Q. CAI, Z. H. GENG가 작성하여 2024년 METALURGIJA에 게재한 "NUMERICAL SIMULATION OF INTERSECTING LINE ...
Figure 1. Spot welding scheme

아연도금강판의 저항 점용접 최적화: Taguchi 기법을 활용한 인장 전단 강도 극대화 방안

이 기술 요약은 Sukarman 외 저자가 2021년 SINERGI 학술지에 발표한 논문 "OPTIMIZATION OF THE RESISTANCE SPOT WELDING PROCESS OF SECC-AF ...
Figure 3a: Varying cross-sections through the weld pool when the model is prepared using the Cartesian coordinate method (top) and the double-ellipsoid method (middle). All models performed using a source travel speed of 100mm/s. Compared to (bottom) experimentally observed weld pool shapes.

정확한 용접 시뮬레이션: Ti-6Al-4V 용접 비드 모델링을 위한 개선된 Cartesian 좌표법

이 기술 요약은 R. P. Turner 외 저자들이 2015년 Metallurgical and Materials Transactions B에 발표한 논문 "An Improved Method of ...
Figure 6 : Image showing gun angle and stand-off measurement

GMAW 필렛 용접 최적화: 인공신경망(ANN)으로 용입 깊이와 형상을 예측하는 방법

이 기술 요약은 J.W.P.Cairns, N.A.McPherson, A.M.Galloway가 2015년 18th International Conference on Joining Materials, JOM-18에 발표한 논문 "Using artificial neural networks ...
Рис. 13. Распределение никеля в сварном шве в отраженных электронах: a — продольное; б — поперечное сечение бугра

고속 용접의 한계 돌파: 비진공 전자빔 용접(NV-EBW)의 험핑 결함, CFD로 원인 규명 및 해결

이 기술 요약은 U. Reisgen 외 저자가 2012년 'Автоматическая сварка (Automatic Welding)'에 발표한 논문 "Исследование факторов, влияющих на образование дефектов ...
Fig. 4. Schematic illustration of FCAW process [9].

해양 구조물의 수명을 연장하는 수중 원격 용접 기술: AI 제어로 용접 품질을 혁신하다

이 기술 요약은 Joshua Emuejevoke Omajene이 2015년 Lappeenranta University of Technology에서 발표한 박사 학위 논문 "UNDERWATER REMOTE WELDING TECHNOLOGY FOR ...
Figure 3. SEM micrograph of a - optimized steel sample; b- non-optimized steel sample and c - base metal

GTAW 용접 최적화: 316L 오스테나이트강의 공식(Pitting Corrosion) 저항성 극대화 방안

이 기술 요약은 Abraham M. Afabor 외 저자가 J. Electrochem. Sci. Eng. (2025)에 발표한 논문 "Pitting corrosion characteristics of gas ...
Figura 4. Cortes transversales de los recargues.

듀플렉스 스테인리스강 클래딩 용접: 입열량 및 적층 수가 미세조직에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Sebastián Zappa 외 저자들이 2015년 XLI CONSOLDA – CONGRESSO NACIONAL DE SOLDAGEM에 발표한 논문 "Efecto del Calor ...
Fig. 2. Aspecto superficial de los cordones.

슈퍼 듀플렉스 스테인리스강 클래딩 품질 최적화: 열 입력과 적층 수의 영향 분석

이 기술 요약은 S. Zappa 외 저자가 2015년 CONAMET/SAM에 발표한 논문 "Efecto del calor aportado y de la cantidad de ...
Figure-1.1 TIG Welding Setup [Ref.: office.pickproducts.com.au]

TIG 용접 자동화의 혁신: 와이어 피딩을 넘어선 새로운 필러 로드 공급 시스템

이 기술 요약은 Ranbir Pratik Pradhan이 2015년 National Institute of Technology Rourkela에서 발표한 논문 "Design and Development of Automated Filler ...
Fig. 2: Magrograph of weld zone

다구찌 기법 및 반응표면법을 활용한 저항 점용접 최적화: 너겟 품질 및 생산성 향상

이 기술 요약은 Norasiah Muhammad 외 저자가 2012년 International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology에 발표한 논문 "A ...
FIGURE 2. The metallographic images of sections parallel to the weld plane at different depths below the weld surface

마찰교반용접(FSW)의 숨은 결함, X-ray 검사로 어디까지 찾아낼 수 있을까?

이 기술 요약은 Sergei Yu. Tarasov 외 저자가 2014년 AIP Conference Proceedings에 발표한 논문 "[Radiographic Detection of Defects in Friction ...
Figure 5 Validation performance curve.

수중 습식 용접 최적화: 신경망을 활용한 용접 비드 형상 예측 및 공정 제어

이 기술 요약은 Joshua Emuejevoke Omajene 외 저자가 2014년 International Journal of Mechanical and Materials Engineering에 게재한 논문 "Optimization of ...
Fig. 3 Typical weld metal microstructure of DSS.

마찰 용접 기술: 극저온에서도 UNS S32205 듀플렉스 스테인리스강의 인성을 극대화하는 방법

이 기술 요약은 Puthuparambil Madhavan AJITH 외 저자가 2014년 Friction 학술지에 발표한 논문 "Characterization of microstructure, toughness, and chemical composition ...
Figure1 Cause and effect diagram.

쇼크 업소버 불량률 제로에 도전: FMEA와 유전 알고리즘을 활용한 공정 최적화

이 기술 요약은 Arokiasamy Mariajayaprakash 외 저자가 2013년 Journal of Industrial Engineering International에 발표한 논문 "Optimisation of shock absorber process ...
Fig. 4. Stereoscope images of the weld bead geometry.

플라즈마 분체 용접(PTA) 공정 최적화: D2 강철 부품의 내마모성 극대화 방안

이 기술 요약은 F. García-Vázquez 외 저자가 Materials Science Forum (2013)에 발표한 논문 "[Analysis of weld bead parameters of overlay ...
Fig 10 Experimental Set up

알루미늄 파이프와 스테인리스강의 이종 접합: 마찰 교반 용접(FSW)의 가능성 탐구

이 기술 요약은 Satya Prakash Pradhan이 2012년 National Institute of Technology Rourkela에 제출한 학위 논문 "AN INVESTIGATION INTO THE FRICTION ...
그림 3: 100A 초기 전류에서 주파수에 따른 펄스 전류 용접 비드의 외관. (a) 파라미터 변화, (b) 용접 비드 외관

TIG 용접 최적화: 항공우주 알루미늄 2024-T3 합금의 기계적 물성 저하 원인 분석

이 기술 요약은 S. Ouallam 외 저자가 2013년 21ème Congrès Français de Mécanique에 발표한 논문 "Etude du soudage TIG de ...
Figure 1.1 A schematic of Gas Metal Arc Welding Process [4]

CAE 최적화: 아크 용접 변형을 줄여 재작업 비용을 절감하는 방법

이 기술 요약은 Mohammad Refatul Islam이 Mississippi State University(2013)에서 발표한 논문 "Computational Design Optimization of Arc Welding Process for Reduced ...
Figure 11. SEM micrograph of fracture surface of the specimen with treatment 4. a) Ductile fracture outside the welding joint; b) Poor ductility perpendicular to the rolling direction.

자동차 휠 림의 품질 혁신: 플래시 맞대기 용접(Flash Butt Welding) 파라미터 최적화로 강도와 연성을 잡다

이 기술 요약은 Rodolfo Rodríguez Baracaldo 외 저자가 2018년 Scientia et Technica에 발표한 논문 "Effect of flash butt welding parameters ...
Figure 14 : Residual stress fields after 5 revolutions

용접-선삭 가공 연계 해석: 부품의 최종 잔류 응력 예측을 위한 획기적 방법론

이 기술 요약은 F.VALIORGUE 외 저자가 2011년 XII International Conference on Computational Plasticity에 발표한 논문 "CHAINING OF WELDING AND FINISH ...
Fig. 1. A schematic sketch of a GTAW process [Wikipedia].

GTAW 시뮬레이션으로 용접 품질 예측: COMSOL을 활용한 공정 최적화 방안

이 기술 요약은 Yang Xiang, Joyce Hu가 University of Bridgeport에서 발표한 학술 포스터 "Simulation of a Gas Tungsten Arc Welding ...
Figure 3: Schematic outline of the weld bonding process

차세대 경량 소재 접합의 해답: 저항 용접 시뮬레이션으로 공정 최적화하기

이 기술 요약은 Wenqi Zhang, Azeddine Chergui, Chris Valentin Nielsen이 2012년에 발표한 학술 논문 "Process Simulation of Resistance Weld Bonding ...
Table 12: The predicted SN ratios and fracture strength values of optimum and existing process parameters.

플라즈마 아크 용접(PAW) 최적화: Taguchi 기법과 그레이 관계형 분석을 통한 용접 강도 1.41배 향상

이 기술 요약은 J.I. Achebo가 Nigerian Journal of Technology (NIJOTECH) (2012)에 발표한 논문 "EFFECT OF MULTI-RESPONSE PERFORMANCE CHARACTERISTICS ON OPTIMUM ...
FIGURE 2 Experimental set up

로봇 용접 품질의 핵심, 용접 공정 제어: 실험계획법을 통한 용입 깊이 최적화 방안

이 기술 요약은 S. Thiru chitrambalam 외 저자가 발표한 "An Investigation on Relationship between Process Control Parameters and Weld Penetration ...
Figura 2. Montagem experimental para medição dos desvios de perpendicularidade e de planeza com uma MMC.

용접 비드 측정의 숨겨진 오차: 기하학적 불확실성 감소를 통한 품질 향상

이 기술 요약은 Rosenda Valdés Arencibia 외 저자가 Soldagem & Inspeção (2011)에 발표한 논문 "Incerteza na Medição dos Parâmetros Geométricos ...
Figure 3: Schematic view of the positioning of the materials before welding.

이종 재료 마찰 용접의 혁신: 알루미늄과 스테인리스강의 완벽한 결합

이 기술 요약은 Eder Paduan Alves 외 저자가 2010년 J. Aerosp. Technol. Manag.에 발표한 학술 논문 "Welding of AA1050 aluminum ...
Figure 10 TEM images from Cu-Al joint showing grain refinement after high strain rate deformation. (All images are TEM BF image.)

차세대 접합 기술: 자기 펄스 용접(MPW)의 기하학적 구성 최적화

이 기술 요약은 Y. Zhang, S. Babu, G. S. Daehn이 2010년 4th International Conference on High Speed Forming에 발표한 논문 ...
FIGURE 5 27 Cladded beads obtained and typical clad quality parameters

혁신적인 GMAW 용접 클래딩 후 열간 단조(Hot Forging) 공법: 고품질 부품 생산의 새로운 길

이 기술 요약은 Muhammad RAFIQ, Laurent LANGLOIS, Régis BIGOT가 2010년 AIP Conference Proceedings에 발표한 논문 "Hot Forging of a Cladded ...
Fig. 3 Frictional heat generation rate

전산유체역학을 활용한 마찰교반용접의 해석적 접근에서 표면추적을 위한 알고리즘 연구

A Study on an Interface Tracking Algorithm in Friction Stir Welding Based on Computational Fluid Dynamics Analysis Fig. 3 Frictional ...
Figure 2 The temperature field and melt pools shape during L-PBF process

Thermal and Melting Track Simulations of Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

레이저 분말층 융합(L-PBF) 공정의 열 및 용융 트랙 시뮬레이션 Figure 2 The temperature field and melt pools shape during L-PBF ...
Fig. 17 Molten pool flow pattern in GMAW

Simulations of Weld Pool Dynamics in V-Groove GTA and GMA Welding

V-그루브 GTA 및 GMA 용접의 용융 풀 동역학 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의 V-그루브 용접에서는 용접 아크의 열 ...
Result

Process Simulation and Development for Laser Beam Welding with Rotating Bifocal Optics

회전 이중초점 광학(Rotating Bifocal Optics)을 이용한 레이저 빔 용접(Laser Beam Welding) 공정 시뮬레이션 및 개발 연구 배경 및 목적 문제 ...
LFP

Optimizing 3D Laser Foil Printing Parameters for AA 6061: Numerical and Experimental Analysis

AA 6061 합금의 3D 레이저 포일 프린팅(3D LFP) 최적화: 수치 및 실험적 분석 연구 배경 및 목적 문제 정의: 3D ...
Molten Pool

Numerical Analysis of Variable Polarity Arc Weld Pool

가변 극성 아크 용접 풀의 수치 해석 연구 배경 및 목적 문제 정의: 알루미늄 합금은 높은 열전도율, 열팽창 계수, 기공 ...
simulation_experimental

Molten Pool Behavior in the Tandem Submerged Arc Welding Process

이중 서브머지드 아크 용접 공정에서의 용융지 거동 분석 연구 목적 본 연구는 이중 서브머지드 아크 용접(Tandem SAW, SAW-T) 공정에서의 용융지(molten ...
Melt Pool

Investigations of Weld Profiling and Intermetallic Formation in Laser Welding of Steel-to-Aluminium: A Multi-Physics CFD Approach Using Beam Shaping

강-알루미늄 레이저 용접에서 용접 형상 및 금속간 화합물 형성 연구: 빔 형상을 활용한 다중 물리 CFD 접근 연구 목적 본 ...
Cladding

Influence of Fluid Convection on Weld Pool Formation in Laser Cladding

레이저 클래딩(Laser Cladding)에서 유체 대류(Fluid Convection)가 용융풀(Weld Pool) 형성에 미치는 영향 연구 배경 및 목적 문제 정의: 레이저 클래딩(Laser Cladding)은 ...
Welding

Effect of Laser Oscillation and Beam Incident Angle on Porosity in Double-Sided Filler Welding of 2219 Aluminum Alloy T Joint

레이저 진동 및 빔 입사각이 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 양면 충진 용접 시 기공(Porosity)에 미치는 영향 연구 배경 및 ...
Welding

CFD Simulations for Laser Welding of Aluminum Alloys Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금 레이저 용접의 CFD 시뮬레이션 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 알루미늄 합금의 레이저 용접(Laser Welding) 공정을 ...
welding pattern

Analysis of Submerged Arc Welding Process by Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics Simulations

3차원 전산유체역학 시뮬레이션을 이용한 서브머지드 아크 용접 공정 분석 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 서브머지드 아크 용접(Submerged Arc Welding, ...
Schematic-model-representation

Describing the Effect of Local Gas Flow on Keyhole and Melt Flow Dynamics Utilizing High-Speed Synchrotron X-Ray Imaging and Numerical Simulation

고속 싱크로트론 X선 영상 및 수치 시뮬레이션을 이용한 국부 가스 유동이 키홀 및 용융 풀 동역학에 미치는 영향 분석 연구 ...
Welding path

ADAP: Adaptive & Dynamic Arc Padding for Predicting Seam Profiles in Multi-Layer-Multi-Pass Robotic Welding

다층-다중 패스(Multi-Layer-Multi-Pass, MLMP) 로봇 용접에서 이음매 프로파일 예측을 위한 적응형 동적 아크 패딩(ADAP) 기법 연구 배경 및 목적 문제 정의: ...
Porous structure in single-track simulations

A thermal fluid dynamic model for the melt region during the laser powder bed fusion of polyamide 11 (PA11)

폴리아미드 11 (PA11) 레이저 파우더 베드 융합 공정 중 용융 영역에 대한 열유체동역학 모델 연구 배경 및 목적 문제 정의: ...

분야별 논문자료

FLOW-3D 는 CFD 응용 분야에서 가장 까다로운 자유 표면 유동 시뮬레이션을 해결하기 위해 Fortune 500 대 기업에서부터 소규모 가족 소유 기업에 이르기까지 전 세계적으로 R&D 및 생산 환경에서 사용되고 있습니다. 당사에서 제공하는 FLOW-3D 로 주요 산업에서 수행 할 수 있는 사례를 살펴 보시려면 하단 메뉴의 관련 분야를 살펴보시면 도움이 될 수 있습니다.

수자원/수처리 논문자료

[2021] 나간 라야 리젠시 알루에 불로 교량의 교각이 국부 세굴에 미치는 영향 연구

[2021] 나간 라야 리젠시 알루에 불로 교량의 교각이 국부 세굴에 미치는 영향 연구 The effect of bridge piers on local ...

CFD를 이용한 난류 가스 유동 내 입자 퇴적(Particle Deposition) 전산 모델 연구

CFD를 이용한 난류 가스 유동 내 입자 퇴적(Particle Deposition) 전산 모델 연구 Computational model for particle deposition in turbulent gas ...

원형 관 내 사탕수수 즙의 열전달을 위한 CFD 기반 관 길이 최적화 연구

원형 관 내 사탕수수 즙의 열전달을 위한 CFD 기반 관 길이 최적화 연구 Optimization of tube length by CFD analysis ...
Figure 5: Scour depth contours for experimental run CR4.

교량 세굴 예측 정확도 향상: 실제 현장 측정을 실험실 축소 모델로 재현하는 방법

이 기술 요약은 Seung Oh Lee와 Seung Ho Hong이 2018년 Advances in Civil Engineering에 발표한 논문 "Reproducing Field Measurements Using ...
Figure 7. Equilibrium scour hole around M2a pier with α = 45°

교각 형상 최적화를 통한 교량 붕괴 방지: 국부 세굴 55% 저감 기술

이 기술 요약은 Siva K. Reddy 외 저자가 2024년 Civil Engineering Journal에 발표한 논문 "Local Scour around Different-Shaped Bridge Piers"를 ...
Table 1 Information and results of laboratory experiments

교각-교대 근접 상호작용이 교량 세굴에 미치는 영향: 최대 세굴 깊이 171% 증가의 비밀

이 기술 요약은 Mohammad Saeed Fakhimjoo 외 저자가 2023년 발표한 학술 논문 "Experimental investigation and flow analysis of clear-water scour ...
Figure 6 – Conceptualised sketch for a debris accumulation

교량 붕괴의 숨은 주범, 부유물 유발 세굴: 새로운 CFD 기반 평가 기법으로 안전성 확보

이 기술 요약은 University of Exeter와 Devon County Council의 협력으로 Diego Panici, Prakash Kripakaran, Kevin Dentith가 작성한 기술 보고서 "EMBEDDING ...
Figure 1. Complex pier geometry characteristics

하모니 탐색 최적화: 복합 교량 교각의 국부 세굴 깊이 예측 정확도를 16% 향상시키는 방법

이 기술 요약은 H. Ghodsi, M. J. Khanjani, A. A. Beheshti가 [Civil Engineering Journal]에 발표한 2018년 논문 "[Evaluation of Harmony ...
Fig. 4: Downstream TKE contours on the x-z vertical plane for the rectangular trash rack: (a) experimental data of Koczula (2016) and (b) CFD model data with Darcy-Forchheimer porous media approach. 𝛼 = 30°, 𝑏 =20 mm, 𝑈0 = 0.5 m/s, 𝐹𝑟1 = 0.206.

취수구의 유속 및 난류 운동 에너지 예측을 위한 Darcy-Forchheimer 모델 연구

취수구의 유속 및 난류 운동 에너지 예측을 위한 Darcy-Forchheimer 모델 연구 Velocity and Turbulent Kinetic Energy Prediction with Darcy-Forchheimer Model ...
Fig. 3: First mode shape amplitude at pier locations of bridge system due to varying levels of stiffness loss as a result of scour at Pier 3 (60 m point).

직접 기초 다경간 교량의 모드 형상 기반 세굴 모니터링 기법에 대한 실험적 실증

직접 기초 다경간 교량의 모드 형상 기반 세굴 모니터링 기법에 대한 실험적 실증 Experimental demonstration of a mode shape-based scour ...
Figure 1. a) Sketch of the pier-caisson system considered in this study; b) Top view of a local scour hole, with the contour lines indicating the depth – values are normalized with respect to the maximum depth (after [9]).

국부 세굴 상태의 이상화된 교각 고유진동수 수치 예측

국부 세굴 상태의 이상화된 교각 고유진동수 수치 예측 Numerical prediction of the eigenfrequencies of an idealized bridge pier under local ...
Figure 20. Scour depth of interaction of two piers; (A) square collar of dimension 24×24 cm on bed level; (B) triple collar of dimension 24×24 cm

교량 교각의 세굴 제어를 위한 최적 설계

교량 교각의 세굴 제어를 위한 최적 설계 Optimum Design for Controlling the Scouring on Bridge Piers 본 연구는 교량 붕괴의 ...
Figure 6. (a) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D50 = 0.470 mm type under open for the highest flow discharge. (b) Scour pattern around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under smooth for the highest flow discharge. (c) Scour patterns around the 110-mm bridge pier for D 50 = 0.470 mm type under rough for the highest flow discharge.

얼음으로 덮인 흐름 조건에서 병렬 교각 주변의 국부 세굴에 관한 실험적 연구

얼음으로 덮인 흐름 조건에서 병렬 교각 주변의 국부 세굴에 관한 실험적 연구 Experimental Study of Local Scour around Side-by-Side Bridge ...
Fig. 1 VAW scour channel including PIV setup

퇴적물에 매립된 원형 교각 주변의 하향류 및 말발굽 와류 특성 연구

퇴적물에 매립된 원형 교각 주변의 하향류 및 말발굽 와류 특성 연구 Down-flow and horseshoe vortex characteristics of sediment embedded bridge ...
Figure-3-The-fill-material-of-the-gabion-basket.png

직사각형 교각 주변의 세굴 감소를 위한 가비온 바스켓 연구

직사각형 교각 주변의 세굴 감소를 위한 가비온 바스켓 연구 Gabion basket for reducing scour around a rectangular bridge pier 본 ...
Gambar 1. Grafik Parameter Shields (Wilcock, 2009).

교량 교대 형상 최적화: 국소 세굴을 줄여 구조 안정성을 높이는 방법

이 기술 요약은 Sanidhya Nika Purnomo, Nasta'in, Wahyu Widiyanto, Loren Salsabilla가 작성하여 2016년 TEKNIK SIPIL에 게재한 "EFEKTIVITAS BENTUK ABUTMEN TERHADAP ...
Figure 3.4. Tailgate of the flume to adjust the flow depth downstream

교량 붕괴의 주범, 세굴 깊이 예측: 실험실 모델로 CFD 정확도 높이기

이 기술 요약은 Rupayan Saha가 2017년 West Virginia University에 제출한 논문 "Prediction of Maximum Scour Depth Using Scaled Down Bridge ...
Fig. 3. Determination of the analyzed area measuring the emitted of water mist stream

워터 미스트 분무 최적화: 다이캐스팅 금형 냉각 효율을 극대화하는 CFD 해석 기술

이 기술 요약은 R. Władysiak과 P. Budzyński가 2012년 ARCHIVES of FOUNDRY ENGINEERING에 발표한 논문 "Structure of Water Mist Stream and ...
Fig. 1. Definition sketch of main parameters: (a) side view; (b) top view.

해양 구조물 안전의 핵심: 새로운 오일러 수 기반 세굴 심도 예측 방정식

이 기술 요약은 N. S. Tavouktsoglou, J. M. Harris, R. R. Simons & R. J. S. Whitehouse가 발표한 "[Equilibrium scour ...
Fig. 1 Collapse of Shuangyuan Bridge (2009/8/10) (photo courtesy of Apple Daily)

CFD와 AI의 결합: 홍수로부터 교량 붕괴를 막는 확률론적 교량 홍수 안전성 평가

이 기술 요약은 Kuo-Wei Liao 외 저자가 2016년 SpringerPlus에 발표한 논문 "A probabilistic bridge safety evaluation against floods"를 바탕으로 STI ...
Figure 2. Scour and deposition patterns around two piers aligned at constant angle 45° and varying radial pier spacings R/b (A) R/b=0 (B) R/b=8

교량 교각 세굴 심도 최적화: 엇갈림 배열에서의 상호 간섭 효과 분석

이 기술 요약은 M. Beg가 발표한 "Mutual interference of bridge piers placed in staggered arrangement on scour depth" 논문을 기반으로 ...
Figure 2.1: Description of flow structures around a pier (Hodi, 2009)

교량 세굴 예측 최적화: 교각 형상과 희생파일이 안전과 비용을 좌우하는 방법

이 기술 요약은 Mohamed Kharbeche가 2022년 University of Windsor에서 발표한 석사 학위 논문 "The Role of Pier Shape and Aspect ...
Figure 5. Longitudinal average time velocity for different ratios of w/l at Ft = 0.52, (Case of one pier)

교각 세굴 시뮬레이션: CFD를 활용한 교량 붕괴 방지 및 안전성 극대화 방안

이 기술 요약은 Yasser Moussa와 Mahoud Atta가 2020년 GRAĐEVINAR에 발표한 논문 "Simulation of Scour at Bridge Supports"를 기반으로 하며, STI ...
Figure 2. Scour and deposition patterns around two piers aligned at constant angle 45° and varying radial pier spacings R/b (A) R/b=0 (B) R/b=8

교량 교각 세굴 심도 최적화: 엇갈림 배열에서의 상호 간섭 효과 분석

이 기술 요약은 M. Beg가 발표한 "Mutual interference of bridge piers placed in staggered arrangement on scour depth" 논문을 기반으로 ...
Figure 1.37: Scour amplification factor for spill-through abutments and clear-water conditions (Ettema et al. 2010)

교각 세굴 깊이 예측 정확도의 핵심: CFD로 밝혀낸 토질 매개변수의 영향

이 기술 요약은 Iqbal Singh Budwal이 2021년 워털루 대학교(University of Waterloo)에 제출한 석사 학위 논문 "Influence of Soil Parameters on ...
Fig. 1 Collapse of Shuangyuan Bridge (2009/8/10) (photo courtesy of Apple Daily)

CFD와 AI의 결합: 홍수로부터 교량 붕괴를 막는 확률론적 교량 홍수 안전성 평가

이 기술 요약은 Kuo-Wei Liao 외 저자가 2016년 SpringerPlus에 발표한 논문 "A probabilistic bridge safety evaluation against floods"를 바탕으로 STI ...
Figure 12. Scour contour for: (a) twin circular pier arrange-ment; (b) three circular pier arrangement; (c) oblong pier

교각 세굴 55% 감소: 단일 교각 설계가 다중 교각보다 우수한 이유

이 기술 요약은 B.A. Vijayasree와 T.I. Eldho가 발표한 "Experimental study of scour around bridge piers of different arrangements with same ...
Figure 6: Anticipated amplitude response of the sensors during scour and sedimentation processes.

교량 붕괴의 주범, 세굴! 토양 전자기 특성을 이용한 무선 모니터링 신기술

이 기술 요약은 Panagiotis Michalis 외 저자가 2015년 Smart Materials and Structures에 발표한 논문 "Wireless monitoring of scour and re-deposited ...
Figure 3. Scour hole patterns at circular single pier and two in-line piers with variable Sp in cohesive soil. (a) Single (b) Sp=2D (c) Sp=2.5D (d) Sp=3D (e) Sp=4D (f) Sp=6D (g) Sp=8D

교량 교각 세굴 심층 분석: 점성토에서 교각 상호작용이 구조 안정성에 미치는 영향

이 기술 요약은 Zahraa F. Hassan 외 저자가 2020년 Civil Engineering Journal에 발표한 논문 "Effect of Interaction between Bridge Piers ...
Figure 3. Cross-section of The Riverbed Elevation Data River Station

교량 붕괴의 주범, 국부 세굴 깊이 예측: 3가지 경험적 방법론 비교 분석 및 현장 적용성 검증

이 기술 요약은 Cut Suciatina Silvia, Muhammad Ikhsan, Azwanda가 작성하여 Journal of Civil Engineering Forum (2021)에 발표한 학술 논문 "The ...
Figure 6. Flood fragility curves for various periods of structural deterioration with (a) deck loss, (b) first plastic hinge occurrence, (c) second plastic hinge occurrence, and (d) collapse.

CFD를 활용한 교량 홍수 취약도 분석: 다중 파괴 모드를 고려한 정밀 예측

이 기술 요약은 Hyunjun Kim 외 저자가 2017년 Advances in Mechanical Engineering에 발표한 논문 "Flood fragility analysis for bridges with ...
Figure 1. Schematic diagram of the experimental set-up.

교각 세굴 심화시키는 하향 침투류, CFD로 정밀 예측: 난류 구조 및 세굴공 특성 분석

이 기술 요약은 Rutuja Chavan, Paola Gualtieri, Bimlesh Kumar가 Water에 발표한 2019년 논문 "Turbulent Flow Structures and Scour Hole Characteristics ...
Figure 4. Positive surge propagation above the large roughness element - Flow conditions: Q = 0.061 m3/s, d1 = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr1 = 1.39, Tainter gate opening after closure: h = 25 mm - From left to right: 0.121 s between successive photographs (shutter speed: 1/400 s)

교량 세굴 예측: 바닥 거칠기가 운하의 포지티브 서지(Positive Surge)에 미치는 영향 증폭 분석

이 기술 요약은 S.C. Yeow, H. Wang, H. Chanson이 2016년 6th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 논문 "Effect of ...
Fig. 3 - Photographic sequence of tidal bore propagation (from right to left) with 0.12 s between successive photographs (From left to right, top to bottom) - Flow conditions: Q = 0.061 m3/s, d1 = 0.155 m at x = 5.9 m, Fr1 = 1.39, Tainter gate opening after closure: h = 25 mm, shutter speed: 1/400 s

교각 안정성의 숨은 위협: 조석해일(Tidal Bore) 해석을 통한 세굴 위험 예측

이 기술 요약은 S.C. Yeow, H. Chanson, H. Wang이 2016년 Canadian Journal of Civil Engineering에 발표한 논문 "Impact of a ...
Table 1. Comparison of experimental ranges for pressure flow scour with the setup.

교량 붕괴의 숨은 주범: 압력 유동 조건에서의 교각 세굴 심층 분석

이 기술 요약은 Iacopo Carnacina, Stefano Pagliara, Nicoletta Leonardi가 2019년 River Research and Applications에 발표한 논문 "Bridge pier scour under ...
Figure 3. The profiles acquired by the camera during four moments in the experiment.

교각 세굴 측정의 혁신: 레이저와 카메라를 이용한 비접촉식 수중 형상 분석 기술

이 기술 요약은 Davide Poggi와 Natalia O. Kudryavtseva가 2019년 [Water]에 발표한 논문 "Non-Intrusive Underwater Measurement of Local Scour Around a ...
Figure 3. Schematic diagram for calculation of maximum scour depth.

극한 홍수에도 안전한 교량 설계: 최대 교량 세굴 깊이 종합 계산법

이 기술 요약은 Rupayan Saha, Seung Oh Lee, Seung Ho Hong이 2018년 'water' 저널에 발표한 논문 "A Comprehensive Method of ...
Figure 3. b = 140 mm, d50 = 0.80 mm, b/d50 = 175, U/Uc = 0.95

광폭 교량 교각 세굴 심도 예측: 퇴적물 조도 효과 모델링을 통한 구조 안정성 향상

이 기술 요약은 Nordila, Ahmad 외 저자가 2017년 Pertanika J. Sci. & Technol.에 발표한 논문 "Modelling the Effect of Sediment ...
Fig. 2 Number and percentage of currently deficient bridges in the United States by 2-digit HUC

기후 변화가 미국 교량에 미치는 영향: 홍수 취약성 및 수천억 달러의 적응 비용 예측

이 기술 요약은 Len Wright 외 저자가 Mitig Adapt Strateg Glob Change (2012)에 발표한 학술 논문 "Estimated effects of climate ...
Fig. 6 Absolute value of differences between healthy and scoured wavelet coefficients (i.e. modulus of coefficients) minus scoured acceleration coefficients using Complex Morlet wavelet

혁신적인 교량 건전성 모니터링: 열차 진동 데이터와 웨이블릿 변환을 활용한 교량 세굴 탐지 기술

이 기술 요약은 Paul C. Fitzgerald 외 저자가 2019년 Engineering Structures에 발표한 논문 "Drive-by scour monitoring of railway bridges using ...
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state

FLOW-3D를 활용한 교량 세굴 방지: 희생말뚝의 효과 수치 해석

이 기술 요약은 Mohammad Nazari-Sharabian 외 저자가 Civil Engineering Journal(2020)에 발표한 논문 "Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges ...
Figure 9. Pier scour sketch (Anerson et al., 2012)

교량 세굴 해석 정밀도 향상: 1D vs 2D 수리학적 모델링 접근법 비교 분석

이 기술 요약은 Luis Fernando Castaneda Galvis가 2023년 Auburn University에 제출한 석사 학위 논문 "Effect of hydrologic and hydraulic calculation ...
Figure 1: Geometric characteristics of the complex pier (dimensions in m).

교각 세굴 예측 정확도 향상: 복잡한 교각 주변의 세굴 공동 3D 분석

이 기술 요약은 Ana Margarida Bento 외 저자가 Book of Abstracts, Civil Engineering Symposium에 발표한 논문 "Photogrammetric characterization of the ...
Gambar 1. Ilustrasi gerusan lokal di sekitar pilar jembatan (Sumber : Coastal Engineering Research Center dalam cahyono dan solichin, 2008)

실험 데이터로 검증: 교각 보호 장치 각도가 국부 세굴에 미치는 영향 분석

이 기술 요약은 Sarbaini, Mudjiatko, Rinaldi가 Jom FTEKNIK (2015)에 발표한 논문 "MODEL LABORATORIUM PENGARUH VARIASI SUDUT ARAH PENGAMAN PILAR TERHADAP ...
Table 1. Description of bridges used in the risk and criticality assessment example

뉴질랜드 교량 자산 관리 가이드라인: 리스크 기반 데이터 수집 및 모니터링 최적화

이 기술 요약은 RIMS, IPWEA, Road Controlling Authorities Forum (NZ) INC가 2015년에 발표한 가이드라인 "GUIDELINES FOR DATA COLLECTION AND MONITORING ...
Figure 2.4 Multi-inlet barge

해양 구조물 CFD: 파랑, 조류, 지반 상호작용의 복잡성을 해결하는 방법

이 기술 요약은 Erik Damgaard Christensen, B. Mutlu Sumer, Jan-Joost Schouten 외 다수가 2015년 발표한 기술 보고서 "D5.3 Interaction between ...
Figure 1. Generic example of an ANFIS architecture

ANFIS를 활용한 교량 교각 세굴 예측: 기계 학습으로 더 빠르고 정확한 안전성 평가

이 기술 요약은 Manousos Valyrakis와 Hanqing Zhang이 2014년 International Conference on Hydroinformatics에 발표한 "Prediction Of Scour Depth Around Bridge Piers ...
Figure 1 Example of Dproj at a (4 x 4) uniformly spaced pile group (Richardson and Davis, 2001)

비균일 간격 말뚝 세굴 예측: 새로운 보정 계수로 정확도를 높이는 방법

이 기술 요약은 S. Howard와 A. Etemad-Shahidi가 작성하여 2014년 5th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 "Predicting Scour Depth around ...
Figure 2: Alignment factor, Kθ

교량 교각 세굴 예측 정밀도 향상: 교각 형상 및 정렬 각도의 영향 분석

이 기술 요약은 Cristina Fael, Rui Lança, António Cardoso가 작성하여 2014년 SHF Conference에 발표한 학술 논문 "PIER SHAPE AND ALIGNMENT ...
Fig.3 Location elevation of hydrological station in this study area (WRA geographic information storage center)

교량 붕괴 예측: NETSTARS CFD 모델을 통한 교각 세굴 시뮬레이션의 정확도 향상

이 기술 요약은 Hsiao-Wen, Wang 외 저자가 2014년 Journal of Chinese Soil and Water Conservation에 발표한 논문 "NETSTARS Improvement with ...
Figure 1. Sketch of used flumes.

교각 세굴 예측 정확도 향상: 유동 깊이, 유사 입경, 점성 효과에 대한 새로운 통찰

이 기술 요약은 Cristina Fael 외 저자가 2014년 3rd IAHR Europe Congress에 발표한 "LOCAL SCOUR AT SINGLE PIERS REVISITED" 논문을 ...
Figure 1. Flow and scour pattern around a cylindrical pier.

교각 세굴 79% 감소: 직사각형 칼라의 효과에 대한 실험 및 CFD 해석

이 기술 요약은 Afshin Jahangirzadeh 외 저자가 2014년 PLOS ONE에 발표한 논문 "Experimental and Numerical Investigation of the Effect of ...
Figure 8. Phase 1 – Plan View

교각 세굴 예측 정밀도 향상: 차폐율과 상대 조도의 영향 분석

이 기술 요약은 Sebastian Tejada가 2014년 University of Windsor에 제출한 석사 학위 논문 "Effects of blockage and relative coarseness on ...
Figure 6 - Velocity Map (1% AEP, 1 in 100-year event)

2D 유체 역학 모델링을 활용한 복잡한 교량 세굴 해석: McKinlay 강 교량 사례 연구

이 기술 요약은 K.N.C. Karunarathna, L. Hart, T. McGrath가 2014년 5th International Symposium on Hydraulic Structures에 발표한 논문 "[Detailed Two-dimensional ...
Figure 3 : (Top) Examples of different behavior of the air-bubble screen regarding the air and water discharges: (a) Qw=0.1 m3/s and Qa=2.25 10-3 m3/s, (b) Qw=0.15 m3/s and Qa=2.25 10-3 m3/s, (c) Qw=0.2 m3/s and Qa = 3 10-3 m3/s, (d) Qw=0.18 m3/s and Qa=1.7 10-3 m3/s. (Bottom) Schemes of the two different types of flow. Dominant effect of the bubble screen (Sketch 1), Dominant effect of the base flow (Sketch 2).

혁신적인 에어 버블 스크린 기술: 교각 세굴 방지로 교량의 안전성을 높이다

이 기술 요약은 Violaine Dugué, Elham Izadinia, Sylvain Rigaud & Anton J. Schleiss가 발표한 "[PRELIMINARY STUDY ON THE INFLUENCE OF ...
Figure1.Matbridgeanditslocation

교량 세굴로 인한 기초 파일의 하중 지지력 감소 분석: Mat 대교 사례 연구

이 기술 요약은 Erion PERIKU와 Yavuz YARDIM이 작성하여 International Students' Conference of Civil Engineering, ISCCE 2012에 발표한 "[Effect of Scour ...
Figure 4. System of wake vortices at pier alignments.

교각 간격과 경사각이 세굴 깊이에 미치는 영향: 교량 안전을 위한 핵심 CFD 통찰력

이 기술 요약은 R. Lança 외 저자가 2012년 River Flow 2012 – Murillo (Ed.)에 발표한 논문 "Effect of spacing and ...
Figure 1. Flow chart depicting currently derived equations and conditions where equations still need to be derived.

HEC-18 세굴 방정식의 진화: 교량 기초 공사 비용 절감을 위한 예측 정확도 향상 방안

이 기술 요약은 Timothy Calappi, Carol J. Miller, Donald Carpenter, Travis Dahl이 2012년 International Journal of Geosciences에 발표한 "Developing a ...
Fig. 1 . 3D finite element mesh without the exposure of the foundation

교량 세굴 감지 혁신: 유한요소법과 유전 알고리즘을 활용한 고유 진동수 기반 예측 모델

이 기술 요약은 Hsun-Yi HUANG 외 저자가 발표한 "APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION" ...
Figure 4. a) Definition of time to equilibrium and end-scour depth according to Cardoso and Bettess (1999)

교각 평형 세굴 심도 예측의 오류: 7일 데이터로 최종 깊이를 정확히 예측하는 새로운 방법

이 기술 요약은 Rui Lança, Cristina Fael, António Cardoso가 작성하여 발표한 "[Assessing equilibrium clear water scour around single cylindrical piers]" ...
(Image Description: A side-by-side comparison of Figure 22(c) showing a flat dye path and Figure 23(d) showing a slightly upward-angled dye path due to air bubbles.)

교량 세굴 방지, 공기 주입으로 해결? 새로운 CFD 접근법

이 기술 요약은 Ravi Teja Reddy Tippireddy가 2017년 Michigan Technological University에서 발표한 석사 학위 논문 "AIR INJECTION AS A SCOUR ...
Figure 3. The fill material of the gabion basket.

교량 교각 주변 세굴 감소를 위한 개비온 바구니 활용 연구 보고서

1. 서론: 교량 세굴 문제 및 기존 대책 교량 교각주변 세굴(Scour)은 수리 공학에서 중요한 문제이며, 교량 붕괴의 주요 원인 중 ...
Figure 4. Photographs of (a) experimental setup and (b) scour hole around the circular pier (M1)

다양한 형상의 교각 주변 국부 세굴

교량의 안전을 위협하는 ' 국부 세굴(Local Scour)'이라는 문제를 해결하기 위한 새로운 교각디자인 연구입니다. 이 연구는 기존의 둥근 교각대신, 특별히 설계된 ...
Weir

2D-3D Modeling of Flow Over Sharp-Crested Weirs

샤프 크레스트 위어(Sharp-Crested Weir) 위 유동의 2D 및 3D 모델링 연구 배경 문제 정의: 샤프 크레스트 위어는 수로에서 유량 측정과 ...
kinetic energy

Numerical Investigation of the Effect Dimensions of Rectangular Sedimentation Tanks on Its Hydraulic Efficiency Using Flow-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 직사각형 침전지(Rectangular Sedimentation Tank) 치수가 수리 효율(Hydraulic Efficiency)에 미치는 영향에 대한 수치적 연구 연구 배경 및 목적 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 ...
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 1. 서론 ...
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 ...
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 연구 배경 및 목적 문제 정의 수문(Sluice Gate)은 관개 ...
Figure 3.1 Basic Numerical Model a) perspective view b) side view c) top view

NUMERICAL INVESTIGATION OF VORTEX FORMATION AT INTAKE STRUCTURES USING FLOW-3D SOFTWARE

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 취수 구조물에서의 와류 형성에 대한 수치적 연구 1. 서론 취수 구조물은 홍수 조절, 관개, 전력 생산, 상수 ...
Figure 3 Definition of physical geometry and flow parameters, FLOW-3D

Numerical Modelling of Flow over Single-Step Broad-Crested Weir Using FLOW-3D and HEC-RAS

FLOW-3D 및 HEC-RAS를 이용한 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동의 수치 모델링 1. 서론 수치유체역학(CFD)의 발전으로 다양한 수리 구조물의 성능을 ...
Fig. 6. Results of RMA-2 & FLOW-3D Model.(Flow vector)

2D 및 3D 모델을 이용한 자연하도의 만곡부에서의 흐름 특성 연구

1. 서론 최근 기상이변으로 인한 국지적 홍수가 빈번해지면서 하천 만곡부에서의 흐름 특성을 정확하게 분석하는 것이 중요해짐. 자연하천의 만곡부는 곡률 변화에 ...
Fig. 2. CWP chamber

논문 요약: FLOW-3D 모형을 이용한 순환수취수펌프장 내 흐름현상 연구

FLOW-3D 모델을 이용한 순환수취수펌프장 내 흐름 현상 연구 Fig. 2. CWP chamber 1. 서론 인도네시아는 전력 공급이 부족하여 화력발전소 건설이 ...
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 ...
Graphical Abstract

Flow-3D Numerical Modeling of Converged Side Weir

수렴형 측방 위어의 FLOW-3D 수치 모델링 연구 배경 및 목적 문제 정의 측방 위어(side weir)는 수로 및 하천에서 홍수 조절, ...
Figure 5. Boundary conditions of the BRA weir model

Numerical Simulation for Flow over A Broad-Crested Weir Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 광정수로 위어 유동 수치 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의 광정수로 위어(broad-crested weir)는 수위 조절, 유량 측정 ...
Figure 4 Simulated velocity magnitude

An Experimental and Numerical Study of Ski-Jump Spillway Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 스키점프형 여수로의 실험 및 수치적 연구 연구 배경 및 목적 문제 정의 스키점프형 여수로는 유속이 20m/s를 초과할 때 ...
Fig. 12. Three-dimensional flow pattern plot (Q = 156.23 m3 s)

삼천포 화력발전소 방류 지역의 FLOW-3D 모델을 이용한 흐름 패턴 변화 예측

연구 배경 및 목적 삼천포 화력발전소는 냉각수로 사용되고 방류되는 해수를 이용한 소수력 발전소를 건설 중 소수력 발전소는 발전량을 최대화하기 위해 ...
Figure 3 Velocity Distribution from Plan View and Profile View (Case 2)-1

Power Intake Velocity Modeling Using FLOW-3D at Kelsey Generating Station

FLOW-3D를 활용한 Kelsey 발전소의 발전기 유입부 유속 모델링 연구 배경 및 목적 문제 정의 Manitoba Hydro는 기존 발전소의 효율성을 개선하는 ...
Flow 3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m

Numerical Analysis of Hydraulic Behavior of Vertical Drop Structures Using FLOW-3D

FLOW-3D를 활용한 수직 낙차 구조물의 수리학적 거동 수치 해석 Figure 8.FLOW-3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m ...
Study on the Water Surge Height Line of Landslide Surge of Linear River Course Reservoir Based on FLOW-3D

Study on the Water Surge Height Line of Landslide Surge of Linear River Course Reservoir Based on FLOW-3D

FLOW-3D를 활용한 선형 하천 저수지의 산사태 파고 선 연구 Fig. 3 Geometric numerical model 연구 목적 본 연구는 산사태로 인해 ...
Fig. 1. Averaged error trend

Assessment of Spillway Modeling Using Computational Fluid Dynamics

컴퓨터 유체 역학을 활용한 방수로 모델링 평가 연구 목적 본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 사용하여 방수로(spillway) 유동 거동을 모델링하고, 이를 ...
high froude number

Using the Calculated Froude Number for Quantifying Flow Conditions in Hydraulic Structures

수력 구조물의 유동 조건 정량화를 위한 계산된 프로우드 수(Froude Number) 활용 연구 목적 본 논문은 프로우드 수(Froude Number, Fr)를 활용하여 ...
Water-Rock interaction

Using Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation with FLOW-3D to Reveal the Origin of the Mushroom Stone in the Xiqiao Mountain of Guangdong, China

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션을 통한 광둥성 시차오산 버섯 돌 형성 원인 분석 연구 목적 본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 ...
Velocity Magnitude

Study of Velocity, Flow Depth and Froude Number of HDPE Diagonal Modular Pavement Using FLOW-3D

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

Numerical Simulation of Dam Failure Process Based on FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 과정의 수치 시뮬레이션 연구 배경 및 목적 문제 정의: 댐 붕괴(Dam Failure)는 하류 지역의 인명 및 ...
mornig glory test

Numerical Modelling of Flow in Morning Glory Spillways Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 모닝 글로리(Morning Glory) 월류수문에서의 유동 수치 모델링 연구 배경 및 목적 문제 정의: 모닝 글로리(Morning Glory) Spillway는 댐의 ...
FLOW Vector

Analysis of Flow in the Pool of Fishway Using FLOW-3D Model

FLOW-3D 모형을 이용한 어도(Fishway) Pool 내 흐름 해석 연구 배경 및 목적 문제 정의: 어도(Fishway)는 댐이나 하천에 설치되어 어류가 상류로 ...
Numerical-modelling

A Study of the Conditions of Energy Dissipation in Stepped Spillways with Λ-shaped step Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 Λ자형 계단식 여수로의 에너지 소산 조건 연구 연구 목적 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 Λ자형 계단식 여수로(stepped spillway)의 에너지 ...
impulse wave

3D Simulations of Impulse Waves Originating from Concurrent Landslides Near an Active Fault Using FLOW-3D Software: A Case Study of Çetin Dam Reservoir

FLOW-3D를 이용한 활성 단층 인근 동시 산사태 발생에 따른 충격파 시뮬레이션: 터키 남동부 체틴 댐 저수지 사례 연구 연구 목적 ...
Flume Flow

Evaluation of Submergence Limit and Head Loss in Flow Measuring Flumes Using FLOW-3D Predictive Modeling

FLOW-3D 예측 모델링을 이용한 유량 측정 플룸의 잠김 한계(Submergence Limit) 및 수두 손실(Head Loss) 평가 연구 배경 및 목적 문제 ...
Skew bridge flow modelling (a) Plan view of experimental set up of DECKP, (b) 3D plan view of DECKP from Flow 3D

3D Numerical Modelling of Flow Around Skewed Bridge Crossing

비스듬한 교량 횡단부 주변 흐름의 3D 수치 모델링 3D Numerical Modelling of Flow Around Skewed Bridge Crossing ("비스듬한 교량 횡단부 ...
Comparison-of-waves-overtopping-discharge

Study on Wave Overtopping Discharge Affected by Guiding Wall Angle of Wave Dragon Device Using FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 Wave Dragon 장치의 안내벽 각도가 월류 유량에 미치는 영향 연구 연구 배경 및 목적 문제 정의: 파력 ...
Weir

3D CFD modeling with FLOW-3D HYDRO

FLOW-3D HYDRO를 활용한 3D CFD 모델링 및 수력 구조물 분석 연구 배경 3D CFD(전산유체역학) 모델링은 수력 구조물 설계 및 해석에서 ...
setting

Predicting and Optimizing the Infuenced Parameters for CulvertOutlet Scouring Utilizing Coupled FLOW 3D‑Surrogate Modeling

Culvert Outlet Scouring의 영향 매개변수 예측 및 최적화: FLOW-3D와 서로게이트 모델링을 활용한 연구 연구 배경 문제 정의: 박스형 수로(culvert) 출구에서 ...
FLOW

Numerical Modelling of Flow Characteristics Over Sharp Crested Triangular Hump

날카로운 정상부를 가진 삼각형 허들(Sharp-Crested Triangular Hump) 위의 유동 특성 수치 모델링 연구 배경 문제 정의: 수리 구조물의 성능 및 ...
pattern

Numerical Modeling of Flow Pattern in Dam Spillway’s Guide Wall. Case Study : Balaroud dam, Iran

댐 방수로(Spillway) 안내벽의 유동 패턴 수치 모델링: 이란 Balaroud 댐 사례 연구 연구 배경 문제 정의: 댐 방수로의 안내벽(Guide Wall)은 ...
F-BW

Determination of Formulae for the Hydrodynamic Performance of a Fixed Box-Type Free Surface Breakwater in the Intermediate Water

중간 수심에서 고정된 박스형 자유 수면 방파제의 유체역학적 성능 공식을 결정하기 위한 연구

Guoxu Niu, Yaoyong Chen, Jiao Lu, Jing Zhang, Ning Fan

Abstract


 two-dimensional viscous numerical wave tank coded mass source function in a computational fluid dynamics (CFD) software Flow-3D 11.2 is built and validated. The effect of the core influencing factors (draft, breakwater width, wave period, and wave height) on the hydrodynamic performance of a fixed box-type free surface breakwater (abbreviated to F-BW in the following texts) are highlighted in the intermediate waters. The results show that four influence factors, except wave period, impede wave transmission; the draft and breakwater width boost wave reflection, and the wave period and wave height are opposite; the draft impedes wave energy dissipation, and the wave height is opposite; the draft and wave height boost the horizontal extreme wave force; four influence factors, except the draft, boost the vertical extreme wave force. Finally, new formulas are provided to determine the transmission, reflection, and dissipation coefficients and extreme wave forces of the F-BW by applying multiple linear regression. The new formulas are verified by comparing with existing literature observation datasets. The results show that it is in good agreement with previous datasets.

1. Introduction


A breakwater dissipates wave energy and reflects waves from the open sea, representing a crucial protective structure for the exploitation and utilization of marine resources. It is also an essential auxiliary marine structure that improves offshore engineering construction conditions and shortens ship berthing times [1,2,3]. With the development and utilization of ocean space and resources, the demand for breakwaters has also varied. The construction of breakwaters has shifted from onshore to offshore. Because most wave energy is concentrated near the water surface, a fixed box-type free surface breakwater (F-BW, Figure 1) was created [4,5]. The F-BW is a type of reflective breakwater with simple structure and high efficiency, which reduces the transmitted wave height by reflecting the incident wave energy [6,7]. Compared with the traditional bottom-founded breakwater, F-BW does not influence water exchange inside and outside the breakwater while maintaining a high wave attenuation efficiency, and has a high application prospect.

Figure 1. Two-dimensional schematic sketch of the F-BW models.

The hydrodynamic performance of the breakwater is important for the research and development of the F-BW, which mainly comprises two aspects. One aspect is the wave attenuation performance, including wave transmission coefficient Ct, reflection coefficient Cr, and dissipation coefficient Cd (hereinafter referred to as RTD coefficients). The other is the wave force, which concerns the safety and stability of the breakwater, including the horizontal wave force and vertical wave force.
In terms of research on the RTD coefficients of an F-BW, some scholars have studied the influence of the breakwater width and draft on the reflection and transmission coefficients when energy dissipation was ignored. [8,9,10,11]. In order to provide some judgement for the needy practitioners, a closed-form formula has been created to predict the transmission coefficient in deep water [8,9,10]. A study by Kolahdoozan et al. [12] showed the poor prediction performance of the formula proposed by Macagno [8] for intermediate water. Therefore, it is necessary to explore a proposed formula for the transmission coefficient under intermediate-water conditions. Different from the analytical solution of potential flow theory, other scholars studied the influence of the draft, breakwater width, and wave height on the performance of wave reflection, transmission, and dissipation of the F-BW via experimental tests conducted in intermediate waters [13,14,15,16]. The computational fluid dynamics (CFD) technique provides us an alternative way to interpret the interaction between wave and F-BW. Koftis and Prinos [16] applied the two-dimensional unsteady Reynolds Averaged Navier–Stokes model to study the influence of the dimensionless draft on the transmission and reflection coefficients of an F-BW. Elsharnouby et al. [17] studied the influence of the draft on the wave transmission of the F-BW by using Flow-3D 11.2 software. Their results showed that the increasing draft impedes wave transmission.
Some researchers carried out earlier work on wave force of F-BW due to concerns regarding safety and stability of the F-BW. Guo et al. [11] confirmed that draft, breakwater width and wave period also influenced the horizontal and vertical wave forces by adopting mathematical analysis based on linear potential flow theory. Chen et al. [18] investigated the effects of wave height and wave period on the horizontal and vertical wave forces of F-BW through a series of experiments. The results showed that the horizontal and vertical wave forces increase with increasing wave height. Limited by the fact that the mathematical analysis tends to ignore flow viscosity [19,20,21] and the physical model test is complicated and costly, considerable effort has been devoted to studying the hydrodynamic performance of an F-BW through numerical simulation in recent years. Zheng et al. [22] and Ren et al. [23] used the smoothed particle hydrodynamics (SPH) method to numerically simulate the horizontal and vertical wave forces of F-BWs under regular waves. Unlike previous studies which overlooked the nonlinearity of wave forces, the positive and negative maximum wave force could be observed in the studies of Zheng et al. [22] and Ren et al. [23].
Human activities are less involved in deep water, and the cost-effectiveness of F-BW construction is poorer in deep water than intermediate water. Reflection coefficient Ct, and dissipation coefficient Cd are also an indispensable part of the wave attenuation performance of F-BW. The horizontal and vertical wave forces are related to the security of the F-BW. However, the prediction formulas based on tests or numerical simulations for horizontal and vertical wave forces of the F-BW in the above studies were rare. Therefore, an attempt is necessary to present a proposed formula for the prediction of RTD coefficients and wave forces, which will provide design judgments for the relevant practitioners in intermediate waters.
The objective of this paper is to provide the prediction formulas for RTD coefficients and wave forces in the intermediate waters under the condition that waves do not overtop the breakwater. With the rapid development of the CFD technique, Kurdistani et al. [24] proposed a formula for submerged homogeneous rubble mound breakwaters based on a large dataset from the CFD model, and the proposed formula was verified by using the literature observation datasets. Inspired by their research method, a numerical wave flume is built through a grid convergence test and validated with the existing experimental results. The prediction equations of RTD coefficients and wave forces are provided by applying multiple linear regression and verified by comparing with existing literature observation datasets. The major conclusions are finally summarized, and some prospects are proposed.

2. Theoretical Introduction

2.1. Governing Equations

Flow-3D 11.2 is widely used in coastal engineering as a powerful CFD software program [25]. The interaction of waves and breakwaters is simulated in a numerical wave tank by using Flow-3D 11.2 software in this paper. The numerical wave tank adopts an incompressible viscous fluid in the wave and F-BW interaction. The Reynolds averaged Navier–Stokes (RANS) equation was applied as the governing equation for turbulent flow. Assuming that the Cartesian coordinate system o-xyz originates from the still water surface, the continuity equation is shown in Equation (1), and the momentum equation is expressed in Equation (2).

where i,j = 1,2 for two-dimensional flows, xi represents the Cartesian coordinate, and ui is the fluid velocity along the x- and z-axes. Ax and Az are the area fractions open to flow in the x and z directions, respectively, ρ is the fluid density, p is the pressure, v is the dynamic viscosity, and g is the gravity force. The Reynolds stresses term, 𝜌𝑢𝑖′𝑢𝑗, is modeled by the renormalized-group (RNG) turbulence model.

2.2. RNG Turbulence Model

The interaction of waves and an F-BW induces turbulence. The RNG turbulence model is adopted to close the governing equations [26], and the discrete governing equations are solved by the finite difference method. The transport equations of turbulent kinetic energy kT and dissipation rate εT in this model are as follows:

The volume of fluid (VOF) method was developed to track the evolution of the free surface [27]. The governing equation is shown as follows:

where F represents the fractional volume of water fluid, F = 1 indicates that the numerical cell is full of water, and F = 0 corresponds to the cell fully occupied by air. Numerical cells with a value of 0 < F < 1 represent a water surface.

Furthermore, the generalized minimal residual (GMRES) method was used to solve the velocity-pressure term [28], and the first-order upwind scheme and Split Lagrangian method were used to solve the volume of fluid advection. The structure of the F-BW is directly imported into Flow-3D 11.2 by the software built-in drawing function. The appearance of an F-BW depicted by the mesh could be viewed with the fractional area volume obstacle representation (FAVOR) method. All numerical simulations were run in parallel using an Intel Core (TM) i5-4460 processor (3.20 GHz). Furthermore, to ensure the accuracy of the numerical solution, the maximum iteration time step was set to 0.001 s, and the results were output at 0.01-s intervals.

2.3. Principle of Mass Source Wavemaker

The present study emerged from the interest shown in the use of F-BW in a specific zone at an actual project in East China Sea. The detailed structural design dimensions of F-BW and wave characteristics are shown in Table 1. All the incident waves are considered to be regular waves. The regular waves used in the study contain a large range of wave periods and wave heights, which represent the majority of wave parameters in real-world problems, making this study of great practical importance. The interaction between the second-order Stokes wave and the current is not considered in the twelve major wave parameters, due to the differing time and spatial scales between the wave and the current [29]. The twelve waves in this research are all in the range of either linear or nonlinear second-order Stokes waves. Figure 2 shows the suitability range of different wave theories. According to Figure 2, the F-BW at this project is located in intermediate waters. Equation (5) presents the wave elevation equation η of the second-order Stokes wave and the wave elevation equation of the linear wave is the first term on the right side of this equation.

where Hi is the incident wave height, k is the wavenumber, σ is the wave frequency, and h is the still water depth.

Figure 2. Wave parameter conditions analyzed in this study and their relations in the Le Méhauté diagram.
Table 1. Summary of the simulated scenarios.

The boundary wavemaker method produces re-reflection waves. Lin and Liu [30] proposed a popular mass source wave generation method [31,32,33,34,35,36]. In the present method, numerical wave generation is achieved by importing a given volume flow rate Vfr into the mass source model. The expression of the volume flow rate Vfr is as follows:

where C is the phase velocity, W is the tank width, η(t) is the wave surface elevation by solving Equation (5).

To effectively reduce the calculation divergence caused by excessive waves in the NWT at the initial stage, the volume flow rate Vfr is multiplied by an increasing envelope function to make the wave increase gradually in the first three wave periods. The equation of the increasing function is as follows:

where t is time and T is the wave period.

2.4. Principle of Numerical Solution

In this paper, the time series of wave elevations were recorded at five different locations (i.e., WG1–WG5) on the onshore and offshore sides of the F-BW (Figure 3a). Furthermore, the current WG spacings are selected according to the water depth and wave period. The distances between the wave source and WG1, WG1 and WG2, WG2 and F-BW, and F-BW and WG5 are set at 1.5 m, 0.2 m, 1.8 m, and 1.435 m, respectively. Note that the distance between wave gauges WG1 and WG2 is more than 0.05 L and less than 0.45 L, and the distances between wave gauges WG2 and F-BW and between WG5 and F-BW are less than 0.25 L and more than 0.2 L (wavelength), as recommended by the two-point method [37]. Two wave gauges (WG1 and WG2) are mounted in a line on the offshore side of the F-BW to separate the incident wave heights Hi and the reflected wave heights Hr by using this method. To prove that the horizontal wave force of the F-BW is related to the free surface onshore and offshore of the breakwater, probe WG3 is placed 0.02 m in front of the F-BW, while probe WG4 is placed 0.02 m behind the F-BW to measure the wave profile at the front (η3) and back (η4) of the F-BW. The wave gauge (WG5) is mounted on the onshore side of the F-BW to obtain the surface elevation of the transmitted wave heights Ht. The wave transmission, reflection, and wave energy dissipation coefficients are defined by solving Equation (8a)–(8c).

where Ct is the transmission coefficient; Cr is the reflection coefficient; and Cd is the wave energy dissipation coefficient.

Figure 3. Schematic layout and mesh sketch of the numerical wave tank for the F-BW.

Furthermore, the horizontal and vertical wave forces are simulated by the integration of the water pressure p at the wet surface of the F-BW. The two kinds of wave forces include the hydrostatic force and hydrodynamic force according to the FLOW-3D theory manual [25]. Because the F-BW is always fixed at the free surface, the vertical wave force needs to remove part of the hydrostatic force (the value up to ρVg, where ρ is the density of water and V is the volume of the F-BW). The shear stress is small enough to be ignored in this paper relative to the wave force. The horizontal wave force and the vertical wave force are denoted by Fx and Fz, respectively. The horizontal wave force is consistent with the direction of wave propagation, and the vertical wave force is vertically upward. To facilitate the research, obtaining the extreme value of the steady part of the wave force time series, we define the average value of the horizontal wave force positive and negative peak as the horizontal positive maximum wave force Fx+max and horizontal negative maximum wave force Fxmax, the vertical wave force positive and negative peak as the vertical positive maximum wave force Fz+max and vertical negative maximum wave force Fzmax. The representative time series of the dimensionless wave elevation, horizontal, and vertical wave forces are shown in Figure 4. The numerical results of HiHrHtFx±maxFz±max were acquired based on the stable elevations in this figure. To facilitate discussion, we define Fx±max/0.005 ρgh2 and Fz±max/0.005 ρgh2 as the dimensionless horizontal and vertical maximum wave forces on the F-BW, respectively. The crest and trough values of the time series of the wave forces are studied because the extreme values of the horizontal and vertical wave forces on the F-BW under the Stokes second-order wave have a slightly sharper crest and flatter trough.

Figure 4. Time histories of wave elevation η measured by WG1, WG2, and WG5 and horizontal and vertical wave forces of F-BW at Hi = 0.07 m, T = 1.4 s, B = 0.5 m, dr = 0.14 m, and h = 0.75 m.

The integral formula of the horizontal and vertical wave force is shown in Equation (9).

where 𝑛⃗  is the unit normal vector of the object surface s and the water pressure p is determined by the Bernoulli equation.

3. Model Setup and Validation

3.1. Numerical Wave Tank Setup

The detailed numerical wave tank (NWT) setup is shown in Figure 3b,c. The total length of the NWT was twenty-four wavelengths L long in the x-axis direction, 0.1 m wide in the y-axis direction, and 1 m deep in the z-axis direction. A scale ratio of 1:40 and a constant water depth h of 0.75 m are adopted based on the Froude similarity law. The mesh consisted of two distinct regions. The first region was the computation domain, four wavelengths length, with a width of 0.1 m and a depth of 1 m. The unit grid size of the total NWT was L/100~L/200 in the x and z directions, and ten grids were partitioned in the y directions in this domain. The second region was two identical damping domains with ten wavelength lengths. The Sommerfeld radiation method was employed to bate the secondary reflection of waves at both ends of the NWT. The grid size along the x-axis direction was gradually extended with an identical ratio of 1.01, and one grid was set for the lateral width of the NWT [38].

To describe the F-BW more accurately, nested grids were applied in the domain around the F-BW. The uniform nested grid was equal to half of the compute domain grid in the xy and z-axis directions. Furthermore, the finer mesh resolution of 0.0035 cm in z direction was nested near the still water level (SWL), The region extends ±0.07 m from the SWL to ensure that the expected wave heights (0.03 m, 0.05 m, 0.07 m, 0.09 m) are encompassed within the region.

The boundary conditions of this NWT were set as follows: both ends of the NWT were defined as outflow boundaries, two sides of the domain were defined as symmetry boundaries, the atmospheric pressure was utilized at the upper boundary, and the lower surface of the computational domain was a no-slip wall boundary without surface roughness.

A mass source model with wide WS and high HS was added to the numerical flume. The symmetry boundaries were used overspreading with the mass source form, and the y-direction width of the mass source block was consistent with the width of the NWT. Pledging each edge of the mass block to coincide with the grid line of the NWT is shown in Figure 3b,c.

3.2. Numerical Model Validation

The present research is mainly implemented under the framework of CFD technology. To demonstrate the accuracy of the simulation results, it is essential to compare them with the extant results. The model is verified by the following three aspects in this section.

3.2.1. Grid Independent Verification

The mesh partition is a crucial procedure in CFD numerical simulation and needs much attention. The number and size of grids are essential criteria for evaluating the convergence of numerical results. Poor grid quality will directly affect the accuracy of numerical results and computation time. Consider that the proposed calculation cases Hi = 0.06 m, T = 1.2 s, and h = 1.2 m by Ren et al. are close to the target cases in this paper [23]. This wave condition is applied to complete the grid independence verification. Different grid arrangements can be seen in Table 2, and the time series of the wave profiles under the three grid sizes are compared with the theoretical results by solving Equation (5), as shown in Figure 5. The error of the numerical simulation results was calculated according to Equation (10). The wave profile deviations among the coarse mesh, medium mesh, and fine mesh are compared. The wave profiles under the medium mesh and the fine mesh are closer, and the deviation from the theoretical value is less than 5%, which meets the requirements of Det Norske Veritas (DNV) [39]. It can be judged that only medium meshes and refined meshes meet the requirements of numerical simulation. Considering the balance between calculation accuracy and calculation efficiency, the following numerical simulations always chose a medium mesh.

where Htheoretical is the wave height of the theoretical result and Hnumerical is the wave height of the numerical result.

Figure 5. Grid independent verification: influence of mesh size on wave profile.
Mesh TypeComputation Domain Grid Size (cm)Nested Domain Grid Size (cm)Cell NumberElapsed Time (×104 s)Wave Height (cm)Error %
Coarse217014600.64965.6425.96
Middle10.534111807.68325.7683.87
Fine0.50.251335096048.14375.7693.85
Theoretical6.000
Table 2. Mesh independence check results.

3.2.2. Validation of Wave Forces

In this section, to further inspect the accuracy of the numerical results of wave forces in this paper, according to the wave conditions of Hi = 0.06 m, T = 1.2 s, h = 1.2 m, and draft dr = 0.2 m, a rectangular box of width B = 0.8 m and wave height Hi = 0.4 m is fixed and semi-immersed, as proposed by Ren et al. [23]. The horizontal and vertical wave forces of the F-BW were verified by comparison with the theoretical results of Mei and Black [40] and the numerical simulation results of Ren et al. [23]. The time series of the wave forces are compared in Figure 6. The total simulation time of this case is 16 wave cycles. Since it takes some time for the progressive wave to arrive at the F-BW from the source, the horizontal and vertical wave forces begin to reach the stable state at t = 7 T seconds in Figure 6. By comparison, the simulated time series of horizontal and vertical wave forces are almost consistent with those presented by Ren et al. [23] and Mei and Black [40]. This result indicated that the present NWT could meet the calculation accuracy.

Figure 6. Comparison of the normalized wave force on an F-BW with previous studies (Mei and Black [40]; Ren et al. [23]). (a) Normalized horizontal wave force; (b) Normalized vertical wave force.

4. Results and Discussion

4.1. Influence Analysis of Four Factors on the Hydrodynamic Performance of F-BW

Among all the influencing factors (refer to Appendix A), the hydrodynamic performance of the F-BW is significantly affected by the following four factors: draft (dr/h), breakwater width (B/h), wave period (T*sqrt(g/h)), and wave height (Hi/h). For the mechanism analysis of the interaction between waves and breakwater, the mechanism study of the horizontal wave force is rather complicated. Since the breakwater is in a semisubmerged state, the Morison formula is no longer applicable to the guidance of the calculation of the horizontal wave force. The horizontal wave force is studied separately from the water particle velocity; see the free surface difference (η3–η4) in the front and back sides of the F-BW and the water particle streamline in Figure 7 and Figure 8 for details. Among them, five representative cases are selected from all cases in this article for comparative analysis corresponding to Figure 7a–e. Note that case (a) T1.2dr0.14B0.5Hi0.07 represents a wave period of 1.2 s, draft of 0.14 m, breakwater width of 0.5 m and incident wave height of 0.07 m. Due to the effect of water blockage, flow separation is generated at the bottom corner of the offshore side of the breakwater, and the generated clockwise vortex destroys the original motion path of the wave water particles without structure in Figure 8a and allows the free surface difference in the front and back of the F-BW to gradually reach a maximum. At time instant t0 in Figure 7, the horizontal wave force also reaches a maximum. It can be seen in Figure 8b that the vertical wave force is easier to analyze. When the vertical wave force is at its maximum, the streamline realizes complete diffraction, and no vortex is generated. Furthermore, to understand the mechanism and contribution of each influencing factor on the hydrodynamic performance of the F-BW in detail, the statistical results are shown in Figure 9, Figure 10, Figure 11 and Figure 12.

Figure 7. Comparative analysis of five different cases under the interaction between waves and breakwater: First column: numerically obtained snapshots of free surface profile and velocity field; Second column: time history of free surface and horizontal wave force.
Figure 8. Snapshots of the velocity streamline field: (a) Time instant of the horizontal positive maximum wave force; (b) Time instant of the vertical positive maximum wave force.
Figure 9. Effect of the draft dr on the hydrodynamic performance of the F-BW at wave heights Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. (a) Horizontal positive and negative maximum wave forces Fx+max and Fxmax; (b) Vertical positive and negative maximum wave forces Fz+max and Fzmax; (c) Transmission coefficient Ct, reflection coefficient Cr, and dissipation coefficient Cd.
Figure 10. Influence of the breakwater width B on the hydrodynamic performance of the F-BW at wave heights Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. (a) Horizontal positive and negative maximum wave forces Fx+max and Fxmax; (b) Vertical positive and negative maximum wave forces Fz+max and Fzmax; (c) Transmission coefficient Ct, reflection coefficient Cr, and dissipation coefficient Cd.
Figure 11. Influence of the wave period T on the hydrodynamic performance of the F-BW at wave heights Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. (a) Horizontal positive and negative maximum wave forces Fx+max and Fxmax; (b) Vertical positive and negative maximum wave forces Fz+max and Fzmax; (c) Transmission coefficient Ct, reflection coefficient Cr, and dissipation coefficient Cd.
Figure 12. Influence of the wave height Hi on the hydrodynamic performance of the F-BW at draft dr = 0.14 m and dr = 0.28 m. (a) Horizontal positive and negative maximum wave forces Fx+max and Fxmax; (b) Vertical positive and negative maximum wave forces Fz+max and Fzmax; (c) Transmission coefficient Ct, reflection coefficient Cr, and dissipation coefficient Cd.

4.1.1. Effect of Draft

Figure 7 lists the distribution diagram of the free surface difference and water particle velocity under cases (a) and (b) at the time instant of the horizontal wave force maximum. Except for the draft being different, the two cases are consistent. Among them, case (a) has a wave period of 1.2 s, draft of 0.14 m, wave height of 0.07 m and breakwater width of 0.5 m. Case (b) has a period of 1.2 s, draft of 0.35 m, wave height of 0.07 m and breakwater width of 0.5 m.

In the second column of Figure 7a, when time t0 = 11.48 s, the maximum free surface difference is 0.068 m, and the maximum horizontal wave force is 7.98 N. In the second column of Figure 7b, when time t0 = 11.52 s, the maximum free surface difference is 0.083 m, and the maximum horizontal wave force is 15.91 N. Obviously, the increase in the draft enhances the water blockage action in front of the F-BW, weakens the diffraction effect of the wave, and delays the time for the horizontal wave force to reach its maximum. Figure 9a shows that Fx+max increases with increasing draft under wave heights of Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. Similarly, the absolute values of Fxmax exhibit a similar law. The absolute values of Fzmax and Fz+max decrease with increasing draft under wave heights of Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m in Figure 9b, which is related to the exponential decay of the wave kinetic energy along the water depth. It is not difficult to see in Figure 7a,b that the wave hydrodynamic pressure on the lower surface of the F-BW decreases with decreasing wave kinetic energy as the water depth increases. The effective action area increases as the draft reduces the penetration of waves. Figure 9c shows that the transmission coefficient decreases with increasing draft under wave heights of Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. Due to the increase in the interaction area between waves and F-BW, the reflected wave energy increases in Figure 7, and Figure 7b is more obvious than Figure 7a. The wave energy dissipation coefficient increases with decreasing draft in Figure 9c. Since the wave energy is mainly concentrated on the still water level, the fluid particle velocity maximum at the lower corner of F-BW is 0.30 m/s in Figure 7a is more than the 0.17 m/s in Figure 7b, more wave energy is dissipated when the fluid particle with higher velocity collides with F-BW due to decreasing draft.

Overall, the increasing draft impedes incident waves cross F-BW and promotes the increase in horizontal wave force and wave reflection, which threatens the stability of the structure.

4.1.2. Effect of Breakwater Width

To clarify the mechanism of the breakwater width effect on the hydrodynamic performance of the F-BW, except that the breakwater width is different, cases (a) and (c) in Figure 7 are consistent. In case (c), the period is 1.2 s, the draft is 014 m, the wave height is 0.07 m, and the breakwater width is 0.2 m.

The free surface difference and vortex in Figure 7a,c are similar. Figure 10a shows that the breakwater width effect on Fxmax and Fx+max is not obvious. When the vertical wave force is at its maximum, the streamline realizes complete diffraction, and no vortex is generated in Figure 8b. Therefore, the vertical wave force is related to the acting area of the F-BW lower surface. Figure 10b shows that the absolute values of Fzmax and Fz+max increase with increasing breakwater width. In the second column of Figure 7c, when time t0 = 11.42 s, the free surface difference and the horizontal wave force reach a maximum faster than in case (a). Obviously, the increase in the breakwater width increases the wave diffraction difficulty. Figure 10c shows that the transmission coefficient decreases with increasing breakwater width, and the reflection coefficient increases with increasing breakwater width. Due to fluid particle velocity maximum is similar between Figure 7a,c. The increase in breakwater width has little influence on wave energy dissipation.

In short, the increasing breakwater width is not conducive to incident wave cross F-BW, and promotes the increase of wave reflection and vertical wave force. Obviously, more weights need to be added to ensure the safety of the breakwater when breakwater width increases.

4.1.3. Effect of Wave Period

To clarify the mechanism of the wave period effects on the hydrodynamic performance of the breakwater, except that the wave period is different, cases (a) and (d) are consistent. Figure 7d shows that the wave period is 1.8 s, the draft is 0.14 m, the wave height is 0.07 m and the breakwater width is 0.5 m.

In the second column of Figure 7d, when time t0 = 11.13 s, the maximum free surface difference is 0.051 m, and the maximum horizontal wave force is 6.90 N. According to Equation (9), because the wave energy is more abundant on the two sides of the breakwater in case (4), the horizontal wave force is comparable even if the free surface difference is smaller than that in case (1). Figure 11a shows that Fxmax and Fx+max are weakly related to the wave period under wave heights of Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. Because the long-period waves possess a large wave energy in Figure 7d, they increase the wave pressure on the lower surface of the F-BW. Therefore, the absolute values of Fzmax and Fz+max increase linearly with the wave period in Figure 11b. Figure 11c shows that the transmission coefficient increases with increasing wave period under wave heights of Hi = 0.05 m and Hi = 0.07 m. Long-period waves have a better diffraction ability at the same depth, and more wave energy passes through the F-BW. The decreasing ratio of the breakwater width to wavelength weakens the ability to block progressive waves, and the reflection coefficient decreases accordingly. The wave energy dissipation coefficient shows an alphabetic symbol “M” distribution with the wave period. This indicates that the wave energy dissipation is more complex and requires further study. When the dimensionless wave period is 5.06, both the transmission and reflection coefficients are close to 0.71, the dissipation coefficient is at the minimum by applying Equation (8c).

In brief, the increasing wave period plays a significant role in increasing the wave transmission and the reducing wave reflection. Although it has little effect on the horizontal wave force, it promotes an increase in the vertical wave force, which is unfavorable to the security of the breakwater.

4.1.4. Effect of Wave Height

To clarify the mechanism of the wave height effects on the hydrodynamic performance of the breakwater, except that the wave height is different, cases (a) and (e) are consistent. Figure 7e shows that the wave period is 1.2 s, the draft is 014 m, the wave height is 0.03 m and the breakwater width is 0.5 m.

In the second column of Figure 7e, when time t0 = 11.44 s, the maximum free surface difference is 0.031 m, and the maximum horizontal wave force is 3.43 N. Obviously, the increase in wave height increases the diffraction difficulty of the wave and delays the time when the horizontal wave force reaches its maximum. The higher the wave height, the more abundant the wave energy in Figure 7a,e. The water particle velocity maximum is 0.11 m/s in Figure 7e, which is much less than the water particle velocity maximum in Figure 7a. The larger wave height causes a larger wave elevation difference, and the larger horizontal wave force under other variable conditions is consistent by comparing Figure 7a,e. Therefore, Fxmax and Fx+max increase linearly with increasing wave height under drafts dr = 0.14 m and dr = 0.28 m in Figure 12a. The increase in wave height leads to increasing dynamic wave pressure, which in turn leads to increasing wave pressure on the F-BW lower surface and an increase in vertical wave force. Therefore, Fzmax and Fz+max increase linearly with increasing wave height under drafts dr = 0.14 m and dr = 0.28 m in Figure 12b. Figure 12c shows that the increasing wave height results in more wave reflection and less transmission due to the increasing blockage effect. The reflection ability weakens with decreasing interaction area (the ratio of the wetted surface height of the front wall of the F-BW to the wave height). The water particle velocity maximum of 0.11 m/s in Figure 7e is less than the water particle velocity maximum of 0.3 m/s in Figure 7a. The increasing water particle velocity with increasing wave height results in better vortex dissipation near the F-BW. Hence, the wave energy dissipation coefficient increases.

In conclusion, the increasing wave height reduces the wave reflection but increases horizontal and vertical wave forces, which is disadvantageous to the security of the breakwater.

4.2. Prediction Equations of F-BW Hydrodynamic Performance Parameters

To understand the contribution of each influencing factor to the hydrodynamic performance of the F-BW in detail, the factors affecting the RTD coefficients and wave force mainly include the wave period T, wave height Hi, draft dr, breakwater width B, and still water depth h. In Equation (11), the RTD coefficients Ct,r,d and wave force extremum Fx,z±max are expressed as follows:

Using the dimensionless analysis method and the numerical simulation results of 30 groups of simulated conditions in Table 1 based on the Origin 2019b software platform, multiple linear regression was performed by the least squares method, and the prediction equations of the RTD coefficients and wave force are given in Equation (12a–g). The detailed formulas are shown in Table 3.

Table 3. Statistics of prediction equation.
Note that 0.0933 ≤ dr/h ≤ 0.4667, 0.26667 ≤ B/h ≤ 0.8, 3.6166 ≤ T*sqrt(g/h) ≤ 6.5099, and 0.04 ≤ Hi/h ≤ 0.12.

4.3. Deviation Analysis of the Prediction Equations

Inspired by Kurdistani et al.’s [24] research method, the current study uses their method to assess the reliability of each predictive formula. The literature observation datasets include the measured RTD coefficients from Koutandos [13] (three cases (R1, R2 and R3) in Figure 16 of his literature) and Liang et al. [14] (six cases in Figures 14a, 19a and 22a of their literature), the wave forces from Mei and Black [40] and Ren et al. [23] (a case in Figure 10 of their literature). The numerical results obtained by Flow-3D are plotted on the x-axis in Figure 13, and predicted values of the predictive equations are plotted on the y-axis in Figure 13. Figure 13a shows a 20% error for the application of Liang et al. [14] transmission coefficient datasets that are mostly lower-estimated values of transmission coefficient with respect to Equation (12a), an almost 10% error for the application of Liang et al.’s [14] reflection coefficient and dissipation coefficient datasets, and Koutandos’s [13] RTD coefficients datasets. Figure 13b shows an almost 10% error for the application of Mei and Black [40] and Ren et al. [23] maximum wave force, which indicates that the present prediction equations are valid.

Figure 13. Comparison of the results between previous studies and the numerical results of this study. (a) Transmission coefficient Ct, reflection coefficient Cr, and dissipation coefficient Cd (Koutandos [13], Liang et al. [14]) and (b) Maximum wave force (Mei and Black [40]; Ren et al. [23]).

It is clearly found that the distribution points of the reflection coefficient and wave energy dissipation coefficient of the F-BW are relatively concentrated in a particular region in Figure 13a, indicating that the F-BW is dominant in reflecting waves and has stable wave dissipation ability. In addition, the horizontal negative maximum wave force of the F-BW is similar to the vertical negative maximum wave force, and the horizontal positive maximum wave force of the F-BW is slightly larger than the vertical positive maximum wave force in Figure 13b.

5. Conclusions

The present study investigated a high-accuracy numerical wave tank (NWT) based on the Flow-3D platform. A series of numerical simulations in the intermediate waters were carried out at a constant water depth (h) of 0.75 m under regular wave conditions, with a wave height range between 0.03–0.09 m, a wave period range between 1–1.8 s, and a breakwater width range between 0.2–0.6 m. The effects of four influencing factors (drBTHi) on the hydrodynamic performance (RTD coefficients and wave forces) are highlighted. The vital conclusions are as follows:

  1. The performance of two-dimensional viscous numerical wave tanks (NWTs) with a mass source wave maker and small length scale (1:40) are analyzed. By comparison, the wave model employed in this paper is competent for the numerical simulation of the F-BW.
  2. The results show that the increase in the four influence factors, except the wave period, benefits the decrease in the wave transmission. The increase in draft and breakwater width is beneficial to the increase in the wave reflection, and the wave period and wave height are opposite. The increase in draft benefits the decrease in wave energy dissipation, and the wave height is opposite.
  3. The increase in the draft and wave height benefits the increase in the horizontal positive and negative maximum wave forces. In addition to the draft, the increase in the other three influence factors benefits the increase in the vertical positive and negative maximum wave forces.
  4. Applying multiple linear regression presents the prediction equations of RTD coefficients and the extreme wave force. The prediction equations are verified by comparing them with literature observation datasets.

This study provides insight into the relation of RTD coefficients and wave forces with parameters such as draft, breakwater width, wave period and wave height. The simulated results of the given predicted equations can be generalized to the prototype scale by using Froude’s scaling law and can be used to guide the design of F-BWs in intermediate waters.

Appendix A

The wave period T, wave height Hi, draft dr, breakwater width B, and water depth h are the main factors that affect the wave dissipation performance and wave force of an F-BW in the intermediate waters. Therefore, the wave force of an F-BW can be expressed as a function of the above factors as follows:

Taking water depth h, gravity acceleration g, and water density ρ as the repetitive parameters, the three dimensionless parameters are expressed as follows:

[h] = [M0L1T0], [g] = [M0L1T−2], [ρ] = [M1L−3T0], where wave force per breakwater length in the vertical wave direction 𝐹F, expressed as [F = ρgh2], Equation (A1) can be written as follows:

According to wave theory, there is a nonlinear relationship between the wave force and the four dimensionless parameters in Equation (A2). The relationship between the dependent variable and independent variable in nature is exponential. It can be expressed as follows:

where αx1x2x3, and x4 are the unknown coefficients.

Taking the natural logarithm of both sides of Equation (A3) to obtain the double logarithm function model, the equation can be written in linear form as follows:

Using multiple function linear regression analysis, each unknown coefficient in the equations can be obtained and then substituted into Equation (A3) to obtain the wave force equations. Similarly,

Reference

  1. He, F.; Huang, Z.H.; Law, A.W.K. Hydrodynamic performance of a rectangular floating breakwater with and without pneumatic chambers: An experimental study. Ocean Eng. 2012, 51, 16–27.
  2. Zhan, J.; Chen, X.; Gong, Y.; Hu, W. Numerical investigation of the interaction between an inverse T-type fixed/floating breakwater and regular/irregular waves. Ocean Eng. 2017, 137, 110–119.
  3. Fu, D.; Zhao, X.Z.; Wang, S.; Yan, D.M. Numerical study on the wave dissipating performance of a submerged heaving plate breakwater. Ocean Eng. 2021, 219, 108310.
  4. Hales, L.Z. Floating Breakwaters: State-of-the-Art Literature Review; Coastal Engineering Research Center: London, UK, 1981.
  5. Teh, H.M. Hydraulic performance of free surface breakwaters: A review. Sains Malays. 2013, 42, 1301–1310.
  6. Liang, J.M.; Chen, Y.K.; Liu, Y.; Li, A.J. Hydrodynamic performance of a new box-type breakwater with superstructure: Experimental study and SPH simulation. Ocean Eng. 2022, 266, 112819.
  7. Zhao, X.L.; Ning, D.Z. Experimental investigation of breakwater-type WEC composed of both stationary and floating pontoons. Energy 2018, 155, 226–233.
  8. Macagno, A. Wave action in a flume containing a submerged culvert. In La Houille Blanche; Taylor and Francis: London, UK, 1954.
  9. Wiegel, R.L. Transmission of waves past a rigid vertical thin barrier. J. Waterw. Harb. Div. 1960, 86, 1–12.
  10. Ursell, F. The effect of a fixed vertical barrier on surface waves in deep water. Math. Proc. Camb. Philos. Soc. 1947, 43, 374–382.
  11. Guo, Y.; Mohapatra, S.C.; Guedes Soares, C. Wave interaction with a rectangular long floating structure over flat bottom. In Progress in Maritime Technology and Engineering; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2018; pp. 647–654.
  12. Kolahdoozan, M.; Bali, M.; Rezaee, M.; Moeini, M.H. Wave-transmission prediction of π-type floating breakwaters in intermediate waters. J. Coast. Res. 2017, 33, 1460–1466.
  13. Koutandos, E. Regular-irregular wave pressures on a semi-immersed breakwater. J. Mar. Environ. Eng. 2018, 10, 109–145.
  14. Liang, J.M.; Liu, Y.; Chen, Y.K.; Li, A.J. Experimental study on hydrodynamic characteristics of the box-type floating breakwater with different mooring configurations. Ocean Eng. 2022, 254, 111296.
  15. Fugazza, M.; Natale, L. Energy losses and floating breakwater response. J. Waterw. Port Coast. Ocean Eng. 1988, 114, 191–205.
  16. Koftis, T.; Prinos, P. 2 DV Hydrodynamics of a Catamaran-Shaped Floating Structure. Iasme Trans. 2005, 2, 1180–1189.
  17. Elsharnouby, B.; Soliman, A.; Elnaggar, M.; Elshahat, M. Study of environment friendly porous suspended breakwater for the Egyptian Northwestern Coast. Ocean Eng. 2012, 48, 47–58.
  18. Chen, Y.; Niu, G.; Ma, Y. Study on hydrodynamics of a new comb-type floating breakwater fixed on the water surface. In Proceedings of the E3S Web of Conferences, Wuhan, China, 14–16 December 2018; EDP Sciences: Les Ulis, France, 2018; Volume 79, p. 02003.
  19. Fan, N.; Nian, T.K.; Jiao, H.B.; Guo, X.S.; Zheng, D.F. Evaluation of the mass transfer flux at interfaces between submarine sliding soils and ambient water. Ocean Eng. 2020, 216, 108069.
  20. Fan, N.; Jiang, J.X.; Dong, Y.K.; Guo, L.; Song, L.F. Approach for evaluating instantaneous impact forces during submarine slide-pipeline interaction considering the inertial action. Ocean Eng. 2022, 245, 110466.
  21. Ghafari, A.; Tavakoli, M.R.; Nili-Ahmadabadi, M.; Teimouri, K.; Kim, K.C. Investigation of interaction between solitary wave and two submerged rectangular obstacles. Ocean Eng. 2021, 237, 109659.
  22. Zheng, X.; Lv, X.P.; Ma, Q.W.; Duan, W.Y.; Khayyer, A.; Shao, S.D. An improved solid boundary treatment for wave–float interactions using ISPH method. Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng. 2018, 10, 329–347.
  23. Ren, B.; He, M.; Dong, P.; Wen, H.J. Nonlinear simulations of wave-induced motions of a freely floating body using WCSPH method. Appl. Ocean Res. 2015, 50, 1–12.
  24. Kurdistani, S.M.; Tomasicchio, G.R.; D’Alessandro, F.; Francone, A. Formula for Wave Transmission at Submerged Homogeneous Porous Breakwaters. Ocean Eng. 2022, 266, 113053.
  25. Hirt, C.W.; Nichols, B.D. Flow-3D User’s Manuals; Flow science Inc.: Santa Fe, NM, USA, 2012.
  26. Yakhot, V.; Orszag, S.A. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. J. Sci. Comput. 1986, 1, 3–51.
  27. Hirt, C.W.; Nichols, B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 1981, 39, 201–225.
  28. Saad, Y.; Schultz, M.H. GMRES: A generalized minimal residual algorithm for solving nonsymmetric linear systems. SIAM J. Sci. Stat. Comput. 1986, 7, 856–869.
  29. Faraci, C.; Musumeci, R.E.; Marino, M.; Ruggeri, A.; Carlo, L.; Jensen, B.; Foti, E.; Barbaro, G.; Elsaßer, B. Wave-and current-dominated combined orthogonal flows over fixed rough beds. Cont. Shelf Res. 2021, 220, 104403.
  30. Lin, P.Z.; Liu, P.L.-F. Internal wave-maker for Navier-Stokes equations models. J. Waterw. Port Coast. Ocean Eng. 1999, 125, 207–215.
  31. Lara, J.L.; Garcia, N.; Losada, I.J. RANS modelling applied to random wave interaction with submerged permeable structures. Coast. Eng. 2006, 53, 395–417.
  32. Ha, T.; Lin, P.Z.; Cho, Y.S. Generation of 3D regular and irregular waves using Navier-Stokes equations model with an internal wave maker. Coast. Eng. 2013, 76, 55–67.
  33. Chen, Y.L.; Hsiao, S.C. Generation of 3D water waves using mass source wavemaker applied to Navier-Stokes model. Coast. Eng. 2016, 109, 76–95.
  34. Windt, C.; Davidson, J.; Schmitt, P.; Ringwood, J.V. On the assessment of numericalwave makers in CFD simulations. J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 47.
  35. Wang, D.X.; Dong, S. Generating shallow-and intermediate-water waves using a line-shaped mass source wavemaker. Ocean Eng. 2021, 220, 108493.
  36. Wang, D.X.; Sun, D.; Dong, S. Numerical investigation into effect of the rubble mound inside perforated caisson breakwaters under random sea states. Proc. Inst. Mech. Eng. Part M J. Eng. Marit. Environ. 2022, 236, 48–61.
  37. Goda, Y.; Suzuki, Y. Estimation of incident and reflected waves in random wave experiments. In Proceedings of the 15th International Conference on Coastal Engineering, Honolulu, HI, USA, 11–17 July 1976; pp. 828–845.
  38. Orlanski, I. A simple boundary condition for unbounded hyperbolic flows. J. Comput. Phys. 1976, 21, 251–269.
  39. Veritas, D.N. Environmental Conditions and Environmental Loads: Recommended Practice; DNV-RP-C205; Det Norske Veritas (DNV): Oslo, Norway, 2010.
  40. Mei, C.C.; Black, J.L. Scattering of surface waves by rectangular obstacles in waters of finite depth. J. Fluid Mech. 1969, 38, 499–511.
Wave

Three-Dimensional Simulations of Subaerial Landslide-Generated Waves: Comparing OpenFOAM and FLOW-3D HYDRO Models

지표 산사태로 발생한 파랑의 3차원 시뮬레이션: OpenFOAM과 FLOW-3D HYDRO 모델 비교

Ramtin Sabeti, Mohammad Heidarzadeh, Alessandro Romano, Gabriel Barajas Ojeda & Javier L. Lara

Abstract


The recent destructive landslide tsunamis, such as the 2018 Anak Krakatau event, were fresh reminders for developing validated three-dimensional numerical tools to accurately model landslide tsunamis and to predict their hazards. In this study, we perform Three-dimensional physical modelling of waves generated by subaerial solid-block landslides, and use the data to validate two numerical models: the commercial software FLOW-3D HYDRO and the open-source OpenFOAM package. These models are key representatives of the primary types of modelling tools—commercial and open-source—utilized by scientists and engineers in the field. This research is among a few studies on 3D physical and numerical models for landslide-generated waves, and it is the first time that the aforementioned two models are systematically compared. We show that the two models accurately reproduce the physical experiments and give similar performances in modelling landslide-generated waves. However, they apply different approaches, mechanisms and calibrations to deliver the tasks. It is found that the results of the two models are deviated by approximately 10% from one another. This guide helps engineers and scientists implement, calibrate, and validate these models for landslide-generated waves. The validity of this research is confined to solid-block subaerial landslides and their impact in the near-field zone.

1 Introduction and Literature Review


Subaerial landslide-generated waves represent major threats to coastal areas and have resulted in destruction and casualties in several locations worldwide (Heller et al., 2016; Paris et al., 2021). Interest in landslide-generated tsunamis has risen in the last decade due to a number of devastating events, especially after the December 2018 Anak Krakatau tsunami which left a death toll of more than 450 people (Grilli et al., 2021; Heidarzadeh et al., 2020a). Another significant subaerial landslide tsunami occurred on 16 October 1963 in Vajont dam reservoir (Northern Italy), when an impulsive landslide-generated wave overtopped the dam, killing more than 2000 people (Heller & Spinneken, 2013; Panizzo et al., 2005). The largest tsunami run-up (524 m) was recorded in Lituya Bay landslide tsunami event in 1958 where it killed five people (Fritz et al., 2009).

To achieve a better understanding of subaerial landslide tsunamis, laboratory experiments have been performed using two- and three-dimensional (2D, 3D) set-ups (Bellotti & Romano, 2017; Di Risio et al., 2009; Fritz et al., 2004; Romano et al., 2013; Sabeti & Heidarzadeh, 2022a). Results of physical models are essential to shed light on the nonlinear physical phenomena involved. Furthermore, they can be used to validate numerical models (Fritz et al., 2009; Grilli & Watts, 2005; Liu et al., 2005; Takabatake et al., 2022). However, the complementary development of numerical tools for modelling of landslide-generated waves is inevitable, as these models could be employed to accelerate understanding the nature of the processes involved and predict the detailed outcomes in specific areas (Cremonesi et al. 2011). Due to the high flexibility of numerical models and their low costs in comparison to physical models, validated numerical models can be used to replicate actual events at a fair cost and time (e.g., Cecioni et al., 2011; Grilli et al., 2017; Heidarzadeh et al., 2020b, 2022; Horrillo et al., 2013; Liu et al., 2005; Løvholt et al., 2005; Lynett & Liu, 2005).

Table 1 lists some of the existing numerical models for landslide tsunamis although the list is not exhaustive. Traditionally, Boussinesq-type models, and Shallow water equations have been used to simulate landslide tsunamis, among which are TWO-LAYER (Imamura and Imteaz,1995), LS3D (Ataie-Ashtiani & Najafi Jilani, 2007), GLOBOUSS (Løvholt et al., 2017), and BOUSSCLAW (Kim et al., 2017). Numerical models that solve Navier–Stokes equations showed good capability and reliability to simulate subaerial landslide-generated waves (Biscarini, 2010). Considering the high computational cost of solving the full version of Navier–Stokes equations, a set of methods such as RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes equations) are employed by some existing numerical models (Table 1), which provide an approximate averaged solution to the Navier–Stokes equations in combination with turbulent models (e.g., k–ε, k–ω). Multiphase flow models were used to simulate the complex dynamics of landslide-generated waves, including scenarios where the landslide mass is treated as granular material, as in the work by Lee and Huang (2021), or as a solid block (Abadie et al., 2010). Among the models listed in Table 1, FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM solve Navier–Stokes equations with different approaches (e.g., solving the RANS by IHFOAM) (Paris et al., 2021; Rauter et al., 2022). They both offer a wide range of turbulent models (e.g., Large Eddy Simulation—LES, k–ε, k–ω model with Renormalization Group—RNG), and they both use the VOF (Volume of Fluid) method to track the water surface elevation. These similarities are one of the motivations of this study to compare the performance of these two models. Details of governing equations and numerical schemes are discussed in the following.

Numerical modelsApproachDeveloper
FLOW-3D HYDROThis CFD package solves Navier–Stokes equations using finite-difference and finite volume approximations, along with Volume of Fluid (VOF) method for tracking the free surfaceFlow Science, Inc. (https://www.flow3d.com/)
MIKE 21This model is based on the numerical solution of 2D and 3D incompressible RANS equations subject to the assumptions of Boussinesq and hydrostatic pressureDanish Hydraulic Institute (DHI) (https://www.mikepoweredbydhi.com/products/mike-21-3)
OpenFOAM (IHFOAM solver)IHFOAM is a newly developed 3D numerical two-phase flow solver. Its core is based on OpenFOAM®. IHFOAM can also solve two-phase flow within porous media using RANS/VARANS equationsIHCantabria research institute (https://ihfoam.ihcantabria.com/)
NHWAVENHWAVE is a 3D shock-capturing non-Hydrostatic model which solves the incompressible Navier–Stokes equations in terrain and surface-following sigma coordinatesKirby et al. (2022) (https://sites.google.com/site/gangfma/nhwave, https://github.com/JimKirby/NHWAVE)
GLOBOUSSGloBouss is a depth-averaged model based on the standard Boussinesq equations including higher order dispersion terms, Coriolis terms, and numerical hydrostatic correction termsLøvholt et al. (2022) (https://www.duo.uio.no/handle/10852/10184)
BOUSSCLAWBoussClaw is a new hybrid Boussinesq type model which is an extension of the GeoClaw model. It employs a hybrid of finite volume and finite difference methods to solve Boussinesq equationsClawpack Development Team (http://www.clawpack.org/)Kim et al. (2017)
THETIS-MUITHETIS is a multi-fluid Navier–Stokes solver which can be considered a one-fluid model as only one velocity is defined at each point of the mesh and there is no mixing between the three considered fluids (water, air, and slide). It applies VOF methodTREFLE department of the I2M Laboratory at Bordeaux, France (https://www.i2m.u-bordeaux.fr/en)
LS3DA 2D depth-integrated numerical model which applies a fourth-order Boussinesq approximation for an arbitrary time-variable bottom boundaryAtaie-Ashtiani and Najafi Jilani (2007)
LYNETT- Mild-Slope Equation (MSE)MSE is a depth-integrated version of the Laplace equation operating under the assumption of inviscid flow and mildly varying bottom slopesLynett and Martinez (2012)
Tsunami 3DA simplified 3D Navier–Stokes model for two fluids (water and landslide material) using VOF for tracking of water surfaceHorrillo et al. (2013)Kim et al. (2020)
(Cornell Multi-grid Coupled Tsunami Mode (COMCOT)COMCOT adopts explicit staggered leap-frog finite difference schemes to solve Shallow Water Equations in both Spherical and Cartesian CoordinatesLiu et al. (1998); Wang and Liu (2006)
TWO-LAYERA mathematical model for a two-layer flow along a non-horizontal bottom. Conservation of mass and momentum equations are depth integrated in each layer, and nonlinear kinematic and dynamic conditions are specified at the free surface and at the interface between fluidsImamura and Imteaz (1995)
Table 1 Some of the existing numerical models for simulating landslide-generated waves

In this work, we apply two Computational Fluid Dynamic (CFD) frameworks, FLOW-3D HYDRO, and OpenFOAM to simulate waves generated by solid-block subaerial landslides in a 3D set-up. We calibrate and validate both numerical models using our physical experiments in a 3D wave tank and compare the performances of these models systematically. These two numerical models are selected among the existing CFD solvers because they have been reported to provide valuable insights into landslide-generated waves (Kim et al., 2020; Romano et al., 2020a, b ; Sabeti & Heidarzadeh, 2022a). As there is no study to compare the performances of these two models (FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM) with each other in reproducing landslide-generated waves, this study is conducted to offer such a comparison, which can be helpful for model selection in future research studies or industrial projects. In the realm of tsunami generation by subaerial landslides, the solid-block approach serves as an effective representative for scenarios where the landslide mass is more cohesive and rigid, rather than granular. This methodology is particularly relevant in cases such as the 2018 Anak Krakatau or 1963 Vajont landslides, where the landslide’s nature aligns closely with the characteristics simulated by a solid-block model (Zaniboni & Tinti, 2014; Heidarzadeh et al., 2020a, 2020b).

The objectives of this research are: (i) To provide a detailed implementation and calibration for simulating solid-block subaerial landslide-generated waves using FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM, and (ii) To compare the performance of these two numerical models based on three criteria: free surface elevation of the landslide-generated waves, capabilities of the models in simulating 3D features of the waves in the near-field, velocity fields, and velocity variations at different locations. The innovations of this study are twofold: firstly, it is a 3D study involving physical and numerical modelling and thus the data can be useful for other studies, and secondly, it compares the performance of two popular CFD models in modelling landslide-generated waves for the first time. The validated models such as those reported in this study and comparison of their performances can be useful for engineers and scientists addressing landslide tsunami hazards worldwide.

2 Data and Methods


2.1 Physical Modelling

To validate our numerical models, a series of three-dimensional physical experiments were carried out at the Hydraulic Laboratory of the Brunel University London (UK) in a 3D wave tank 2.40 m long, 2.60 m wide, and 0.60 m high (Figs. 1 and 2). To mitigate experimental errors and enhance the reliability of our results, each physical experiment was conducted three times. The reported data in the manuscript reflects the average of these three trials, assuming no anomalous outliers, thus ensuring an accurate reflection of the experimental tests. One experiment was used for validation of our numerical models. The slope angle (α) and water depth (h) were 45° and 0.246 m, respectively for this experiment. The movement of the sliding mass was recorded by a digital camera with a sampling frequency of 120 frames per second, which was used to calculate the slide impact velocity (vs). The travel distance (D), defined as the distance from the toe of the sliding mass to the water surface, was D=0.045 m. The material of the solid block used in our study was concrete with a density of 2600 kg/m3. Table 2 provides detailed information on the dimensions and kinematics of this solid block used in our physical experiments.

Figure 1. The geometrical and kinematic parameters of a subaerial landslide tsunami. Parameters are: h, water depth; aM, maximum wave amplitude; α, slope angle;vs, slide velocity; ls, length of landslide; bs, width of landslide; s, thickness of landslide; SWL, still water level; D, travel distance (the distance from the toe of the sliding mass to the water surface); L, length of the wave tank; and W, width of the wave tank and H, is the hight of the wave tank

Figure 2. a Wave tank setup of the physical experiments of this study. b Numerical simulation setup for the FLOW-3D HYDRO Model. c The numerical set-up for the OpenFOAM model. The location of the physical wave gauge (represented by numerical gauge WG-3 in the numerical simulations) is at X = 1.03 m, Y = 1.21 m, and Z = 0.046 m. d Top view showing the locations of numerical wave gauges (WG-1, WG-2, WG-3, WG-4, WG-5)
Parameter, unitValue/type
Slide width (bs), m0.26
Slide length (ls), m0.20
Slide thickness (s), m0.10
Slide volume (V), m32.60 × 10–3
Specific gravity, (γs)2.60
Slide weight (ms), kg6.86
Slide impact velocity (vs), m/s1.84
Slide Froude number (Fr)1.18
MaterialConcrete
Table 2 Geometrical and kinematic information of the sliding mass used for physical experiments in this study

We took scale effects into account during physical experiments by considering the study by Heller et al. (2008) who proposed a criterion for avoiding scale effects. Heller et al. (2008) stated that the scale effects can be negligible as long as the Weber number (W=ρgh2/σ; where σ is surface tension coefficient) is greater than 5.0 × 103 and the Reynolds number (R=g0.5h1.5/ν; where ν is kinematic viscosity) is greater than 3.0 × 105 or water depth (h) is approximately above 0.20 m. Considering the water temperature of approximately 20 °C during our experiments, the kinematic viscosity (ν) and surface tension coefficient (σ) of water become 1.01 × 10–6 m2/s and 0.073 N/m, respectively. Therefore, the Reynolds and Weber numbers were as R= 3.8 × 105 and W= 8.1 × 105, indicating that the scale effect can be insignificant in our experiments. To record the waves, we used a twin wire wave gauge provided by HR Wallingford (https://equipit.hrwallingford.com). This wave gauge was placed at X = 1.03 m, Y = 1.21 m based on the coordinate system shown in Fig. 2a.

2.2 Numerical Simulations

The numerical simulations in this work were performed employing two CFD packages FLOW-3D HYDRO, and OpenFOAM which have been widely used in industry and academia (e.g., Bayon et al., 2016; Jasak, 2009; Rauter et al., 2021; Romano et al., 2020a, b; Yin et al., 2015).

2.2.1 Governing Equations and Turbulent Models

2.2.1.1 FLOW-3D HYDRO

The FLOW-3D HYDRO solver is based on the fundamental law of mass, momentum and energy conservation. To estimate the influence of turbulent fluctuations on the flow quantities, it is expressed by adding the diffusion terms in the following mass continuity and momentum transport equations:

quation (1) is the general mass continuity equation, where u is fluid velocity in the Cartesian coordinate directions (x), Ax is the fractional area open to flow in the x direction, VF is the fractional volume open to flow, ρ is the fluid density, R and ξ are coefficients that depend on the choice of the coordinate system. When Cartesian coordinates are used, R is set to unity and ξ is set to zero. RDIF and RSOR are the turbulent diffusion and density source terms, respectively. Uρ=Scμ∗/ρ, in which Sc is the turbulent Schmidt number, μ∗ is the dynamic viscosity, and ρ is fluid density. RSOR is applied to model mass injection through porous obstacle surfaces.

The 3D equations of motion are solved with the following Navier–Stokes equations with some additional terms:

where t is time, Gx is accelerations due to gravity, fx is viscous accelerations, and bx is the flow losses in porous media.

According to Flow Science (2022), FLOW-3D HYDRO’s turbulence models differ slightly from other formulations by generalizing the turbulence production with buoyancy forces at non-inertial accelerations and by including the influence of fractional areas/volumes of the FAVOR method (Fractional Area-Volume Obstacle Representation) method. Here we use k–ω model for turbulence modelling. The k–ω model demonstrates enhanced performance over the k-ε and Renormalization-Group (RNG) methods in simulating flows near wall boundaries. Also, for scenarios involving pressure changes that align with the flow direction, the k–ω model provides more accurate simulations, effectively capturing the effects of these pressure variations on the flow (Flow Science, 2022). The equations for turbulence kinetic energy are formulated as below based on Wilcox’s k–ω model (Flow Science, 2022):

where kT is turbulent kinetic energy, PT is the turbulent kinetic energy production, DiffKT is diffusion of turbulent kinetic energy, GT is buoyancy production, β∗=0.09 is closure coefficient, and ω is turbulent frequency.

2.2.1.2 OpenFOAM

For the simulations conducted in this study, OpenFOAM utilizes the Volume-Averaged RANS equations (VARANS) to enable the representation of flow within porous material, treated as a continuous medium. The momentum equation incorporates supplementary terms to accommodate frictional forces from the porous media. The mass and momentum conservation equations are linked to the VOF equation (Jesus et al., 2012) and are expressed as follows:

where the gravitational acceleration components are denoted bygj. The term u¯i=1Vf∫Vf0ujdV represents the volume averaged ensemble averaged velocity (or Darcy velocity) component, Vf is the fluid volume contained in the average volumeV,τ is the surface tension constant (assumed to be 1 for the water phase and 0 for the air phase), and fσi is surface tension, defined as fσi=σκ∂α∂xi, where σ (N/m) is the surface tension constant and κ (1/m) is the curvature (Brackbill et al., 1992). μeff is the effective dynamic viscosity that is defined as μeff=μ+ρνt and takes into account the dynamic molecular (μ) and the turbulent viscosity effects (ρνt). νt is eddy viscosity, which is provided by the turbulence closure model. n is the porosity, defined as the volume of voids over total volume, and P∗=1Vf∫∂Vf0P∗dS is the ensemble averaged pressure in excess of hydrostatic pressure. The coefficient A accounts for the frictional force induced by laminar Darcy-type flow, B considers the frictional force under turbulent flow conditions, and c accounts for the added mass. These coefficients (A,B, and c) are defined based on the work of Engelund (1953) and later modified by Van Gent (1995) as given below:

where D50 is the mean nominal diameter of the porous material, KC is the Keulegan–Carpenter number, a and b are empirical nondimensional coefficients (see Lara et al., 2011; Losada et al., 2016) and γ = 0.34 is a nondimensional parameter as proposed by Van Gent (1995). The k-ω Shear Stress Transport (SST) turbulence is employed to capture the effect of turbulent flow conditions (Zhang & Zhang, 2023) with the enhancement proposed by Larsen and Fuhrman (2018) for the over-production of turbulence beneath surface waves. Boundary layers are modelled with wall functions. The reader is referred to Larsen and Fuhrman (2018) for descriptions, validations, and discussions of the stabilized turbulence models.

2.2.2 FLOW-3D HYDRO Simulation Procedure

In our specific case in this study, FLOW-3D HYDRO utilizes the finite-volume method to numerically solve the equations described in the previous Sect. 2.2.1.1, ensuring a high level of accuracy in the computational modelling. The use of structured rectangular grids in FLOW-3D HYDRO offers the advantages of easier development of numerical methods, greater transparency in their relation to physical problems, and enhanced accuracy and stability of numerical solutions. (Flow Science, 2022). Curved obstacles, wall boundaries, or other geometric features are embedded in the mesh by defining the fractional face areas and fractional volumes of the cells that are open to flow (the FAVOR method). The VOF method is employed in FLOW-3D HYDRO for accurate capturing of the free-surface dynamics (Hirt and Nichols 1981). This approach then is upgraded to method of the TruVOF which is a split Lagrangian method that typically produces lower cumulative volume error than the alternative methods (Flow Science, 2022).

For numerical simulation using FLOW-3D HYDRO, the entire flow domain was 2.60 m wide, 0.60 m deep and 2.50 m long (Fig. 2b). The specific gravity (γs) for solid blocks was set to 2.60 in our model, aligning closely with the density of the actual sliding mass, which was approximately determined in our physical experiments. The fluid medium was modelled as water with a density of 1000 kg/m3 at 20 °C. A uniform grid comprising of one single mesh plane was applied with a grid size of 0.005 m. The top, front and back of the mesh areas were defined as symmetry, and the other surfaces were of wall type with no-slip conditions around the walls.

To simulate turbulent flows, k-ω model was used because of its accuracy in modelling turbulent flows (Menter 1992). Landslide movement was replicated in simulations using coupled motion objects, which implies that the movement of landslides is based on gravity and the friction between surfaces rather than a specified motion in which the model should be provided by force and torques. The time intervals of the numerical model outputs were set to 0.02 s to be consistent with the actual sampling rates of our wave gauges in the laboratory. In order to calibrate the FLOW-3D HYDRO model, the friction coefficient is set to 0.45, which is consistent with the Coulombic friction measurements in the laboratory. The Courant Number (C=UΔtΔx) is considered as the criterion for the stability of numerical simulations which gives the maximum time step (Δt) for a prespecified mesh size (Δx) and flow speed (U). The Courant number was always kept below one.

2.2.3 OpenFOAM Simulation Procedure

OpenFOAM is an open-source platform containing several C++ libraries which solves both 3D Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations (RANS) and Volume-Averaged RANS equations (VARANS) for two-phase flows (https://www.openfoam.com/documentation/user-guide). Its implementation is based on a tensorial approach using object-oriented programming techniques and the Finite Volume Method (McDonald 1971). In order to simulate the subaerial landslide-generated waves, the IHFOAM solver based on interFoam (Higuera et al., 2013a, 2013b), and the overset mesh framework method are employed. The implementation of the overset mesh method for porous mediums in OpenFOAM is described in Romano et al. (2020a, b) for submerged rigid and impermeable landslides.

The overset mesh technique, as outlined by Romano et al. (2020a, b), uses two distinct domains: a moving domain that captures the dynamics of the rigid landslide and a static background domain to characterize the numerical wave tank. The overlapping of these domains results in a composite mesh that accurately depicts complex geometrical transformations while preserving mesh quality. A porous media with a very low permeability (n = 0.001) was used to simulate the impermeable sliding surfaces. RANS equations were solved within the porous media. The Multidimensional Universal Limiter with Explicit Solution (MULES) algorithm is employed for solving the (VOF) equation, ensuring precision in tracking fluid interfaces. Simultaneously, the PIMPLE algorithm is employed for the effective resolution of velocity–pressure coupling in the Eqs. 7 and 8. A background domain was created to reproduce the subaerial landslide waves with dimensions 2.50 m (x-direction) × 2.60 m (y-direction) × 0.6 m (z-direction) (Fig. 2c). The grid size is set to 0.005 m for the background mesh. A moving domain was applied in an area of 0.35 m (x-direction) × 0.46 m (y-direction) × 0.32 m (z-direction) with a grid spacing of 0.005 m and applying a body-fitted mesh approach, which contains the rigid and impermeable wedges. Wall condition with No-slip is defined as the boundary for the four side walls (left, right, front and back, in Fig. 1). Also, a non-slip boundary condition is specified to the bottom, whereas the top boundary is defined as open. The experimental slide movement time series is used to model the landslide motion in OpenFOAM. The applied equation is based on the analytical solution by Pelinovsky and Poplavsky (1996) which was later elaborated by Watts (1998). The motion of a sliding rigid body is governed by the following equation:

where, m represents the mass of the landslide, s is the displacement of the landslide down the slope, t is time elapsed, g stands for the acceleration due to gravity, θ is the slope angle, Cf is the Coulomb friction coefficient, Cm is the added mass coefficient, m0 denotes the mass of the water displaced by the moving landslide, A is the cross-sectional area of the landslide perpendicular to the direction of motion, ρ is the water density, and Cd is the drag coefficient.

2.2.4 Mesh Sensitivity Analysis

In order to find the most efficient mesh size, mesh sensitivity analyses were conducted for both numerical models (Fig. 3). We considered the influence of mesh density on simulated waveforms by considering three mesh sizes (Δx) of 0.0025 m, 0.005 m and 0.010 m. The results of FLOW-3D HYDRO revealed that the largest mesh deviates 9% (Fig. 3a, Δx = 0.0100 m) from two other finer meshes. Since the simulations by FLOW-3D HYDRO for the finest mesh (Δx = 0.0025 m) do not show any improvements in comparison with the 0.005 m mesh, therefore the mesh with the size of Δx = 0.0050 m is used for simulations (Fig. 3a). A similar approach was followed for mesh sensitivity of OpenFOAM mesh grids. The mesh with the grid spacing of Δx = 0.0050 m was selected for further simulations since a satisfactory independence was observed in comparison with the half size mesh (Δx = 0.0025 m). However, results showed that the mesh size with the double size of the selected mesh (Δx = 0.0100 m) was not sufficiently fine to minimize the errors (Fig. 3b).

Figure 3. ab Sensitivity of numerical simulations to the sizes of the mesh (Δx) for FLOW-3D HYDRO, and OpenFOAM, respectively. The location of the wave gauge 3 (WG-3) is at X = 1.03 m, Y = 1.21 m, and Z = -0.55 m (see Fig. 2d)

In terms of computational cost, the time required for 2 s simulations by FLOW-3D HYDRO is approximately 4.0 h on a PC Intel® Core™ i7-8700 CPU with a frequency of 3.20 GHz equipped with a 32 GB RAM. OpenFOAM requires 20 h to run 2 s of numerical simulation on 2 processors on a PC Intel® Core™ i9-9900KF CPU with a frequency of 3.60 GHz equipped with a 364 GB RAM. Differences in computational time for simulations run with FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM reflect the distinct characteristics of each numerical methods, and the specific hardware setups.

2.2.5 Validation

We validated both numerical models based on our laboratory experimental data (Fig. 4). The following criterion was used to assess the level of agreement between numerical simulations and laboratory observations:

where ε is the mismatch error, Obsi is the laboratory observation values, Simi is the simulation values, and the mathematical expression |X| represents the absolute value of X. The slope angle (α), water depth (h) and travel distance (D) were: α = 45°, h = 0.246 m and D = 0.045 m in both numerical models, consistent with the physical model. We find the percentage error between each simulated data point and its corresponding observed value, and subsequently average these errors to assess the overall accuracy of the simulation against the observed time series. Our results revealed that the mismatch errors between physical experiments and numerical models for the FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM are 8% and 18%, respectively, indicating that our models reproduce the measured waveforms satisfactorily (Fig. 4). The simulated waveform by OpenFOAM shows a minor mismatch at t = 0.76 s which resulted from a droplet immediately after the slide hits the water surface in the splash zone. In term of the maximum negative amplitude, the simulated waves by OpenFOAM indicates a relatively better performance than FLOW-3D HYDRO, whereas the maximum positive amplitude (aM) simulated by FLOW-3D HYDRO is closer to the experimental value. The recorded maximum positive amplitude in physical experiment is 0.022 m, whereas it is 0.020 m for FLOW-3D HYDRO and 0.017 m for OpenFOAM simulations. In acknowledging the deviations observed, it is pertinent to highlight that while numerical models offer robust insights, the difference in meshing techniques and the distinct computational methods to resolve the governing equations in FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM have contributed to the variance. Moreover, the intrinsic uncertainties associated with the physical experimentation process, including the precision of wave gauges and laboratory conditions, are non-negligible factors influencing the results.

Figure 4. Validation of the simulated waves (brown line for FLOW-3D HYDRO and green line for OpenFOAM) using the laboratory-measured waves (black solid diamonds). This physical experiment was conducted for wave gauge 3 (WG-3) located at X = 1.03 m, Y = 1.21 m, and Z = -0.55 m (see Fig. 2d). Here, 
ε shows the errors between simulations and actual physical measurements using Eq. (13)

3 Results


Following the validations of the two numerical models (FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM), a series of simulations were performed to compare the performances of these two CFD solvers. The generation process of landslide waves, waveforms, and velocity fields are considered as the basis for comparing the performance of the two models (Figs. 5, 6, 7 and 8).

Figure 5.Comparison between the simulated waveforms by FLOW-3D HYDRO (black) and OpenFOAM (red) at four different locations in the near-field zone (WG-1,2,4 and 5). WG is the abbreviation for wave gauge. The mismatch (Δ) between the two models at each wave gauge is calculated using Eq. (14)
Figure 6. Comparison of water surface elevations produced by solid-block subaerial landslides for the two numerical models FLOW-3D-HYDRO (ac) and OpenFOAM (e–g) at different times
Figure 7. Snapshots of the simulations at different times for FLOW-3D HYDRO (ac) and OpenFOAM (eg) showing velocity fields (colour maps and arrows). The colormaps indicate water particle velocity in m/s, and the lines indicate the velocities of water particles
Figure 8. Comparison of velocity variations at (WG-3) for FLOW-3D HYDRO (light blue) and OpenFOAM (brown)

3.1 Comparison of Waveforms

Five numerical wave gauges were placed in our numerical models to measure water surface oscillations in the near-field zone (Fig. 5). These gauges offer an azimuthal coverage of 60° (Fig. 2d). Figure 5 reveals that the simulated waveforms from two models (FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM) are similar. The highest wave amplitude (aM) is recorded at WG-3 for both models, whereas the lowest amplitude is recorded at WG-5 and WG-1 which can be attributed to the longer distances of these gauges from the source region as well as their lateral offsets, resulting in higher wave energy dissipation at these gauges. The sharp peaks observed in the simulated waveforms, such as the red peak between 0.8–1.0 s in Fig. 5a from OpenFOAM, the red peak between 0.6–0.8 s in Fig. 5b also from OpenFOAM, and the black peak between 1.4–1.6 s in Fig. 5d from FLOW-3D HYDRO, are due to the models’ spatial and temporal discretization. They reflect the sensitivity of the models to capturing transient phenomena, where the chosen mesh and time-stepping intervals are key factors in the models’ ability to track rapid changes in the flow field. To quantify the deviations of the two models from one another, we apply the following equation for mismatch calculation:

where Δ is the mismatch error, Sim1 is the simulation values from FLOW-3D HYDRO, Sim2 is the simulation values from OpenFOAM, and the mathematical expression |X| implies the absolute value of X. We calculate the percentage difference for each corresponding pair of simulation results, then take the mean of these percentage differences to determine the average deviation between the two simulation time series. Using Eq. (14), we found a deviation range from 9 to 11% between the two models at various numerical gauges (Fig. 5), further confirming that the two models give similar simulation results.

3.2 Three-Dimensional Vision of Landslide Generation Process by Numerical Models

A sequence of four water surface elevation snapshots at different times is shown in Fig. 6 for both numerical modes. In both simulations, the sliding mass travels a constant distance of 0.045 m before hitting the water surface at t = 0.270 s which induces an initial change in water surface elevation (Figs. 6a and e). At t = 0.420 s, the mass is fully immersed for both simulations and an initial dipole wave is generated (Figs. 6b and f). Based on both numerical models, the maximum positive amplitude (0.020 m for FLOW-3D HYDRO, and 0.017 m for OpenFOAM) is observed at this stage (Fig. 6). The maximum propagation of landslide-simulated waves along with more droplets in the splash zone could be seen at t = 0.670 s for both models (Fig. 6c and g). The observed distinctions in water surface elevation simulations as illustrated in Fig. 6 are rooted in the unique computational methodologies intrinsic to each model. In the OpenFOAM simulations, a more diffused water surface elevation profile is evident. Such diffusion is an outcome of the simulation’s intrinsic treatment of turbulent kinetic energy dissipation, aligning with the solver’s numerical dissipation characteristics. These traits are influenced by the selected turbulence models and the numerical advection schemes, which prioritize computational stability, possibly at the expense of interface sharpness. The diffusion in the wave pattern as rendered by OpenFOAM reflects the application of a turbulence model with higher dissipative qualities, which serves to moderate the energy retained during wave propagation. This approach can provide insights into the potential overestimation of energy loss under specific simulation conditions. In contrast, the simulations from FLOW-3D HYDRO depict a more localized wave pattern, indicative of a different approach to turbulent dissipation. This coherence in wave fronts is a function of the model’s specific handling of the air–water interface and its targeted representation of the energy dynamics resulting from the landslide’s interaction with the water body. They each have specific attributes that cater to different aspects of wave simulation fidelity, thereby contributing to a more comprehensive understanding of the phenomena under study.

3.3 Wave Velocity Analysis

We show four velocity fields at different times during landslide motion in Fig. 7 and one time series of velocity (Fig. 8) for both numerical models. The velocity varies in the range of 0–1.9 m/s for both models, and the spatial distribution of water particle velocity appears to be similar in both. The models successfully reproduce the complex wavefield around the landslide generation area, which is responsible for splashing water and mixing with air around the source zone (Fig. 7). The first snapshot at t = 0.270 s (Fig. 7a and e) shows the initial contact of the sliding mass with water surface for both numerical models which generates a small elevation wave in front of the mass exhibiting a water velocity of approximately 1.2 m/s. The slide fully immerses for the first time at t = 0.420 s producing a water velocity of approximately 1.5 m/s at this time (Fig. 7b and f). The last snapshot (t = 0.670 s) shows 1.20 s after the slide hits the bottom of the wave tank. Both models show similar patterns for the propagation of the waves towards the right side of the wave tank. The differences in water surface profiles close to the slope and solid block at t = 0.67 s, observed in the FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM simulations (Figs. 6 and 7), are due to the distinct turbulence models employed by each (RNG and k-ω SST, respectively) which handle the complex interactions of the landslide-induced waves with the structures differently. Additionally, the methods of simulating landslide movement further contribute to this discrepancy, with FLOW-3D HYDRO’s coupled motion objects possibly affecting the waves’ initiation and propagation unlike OpenFOAM’s prescribed motion from experimental data. In addition to the turbulence models, the variations in VOF methodologies between the two models also contribute to the observed discrepancies.

For the simulated time series of velocity, both models give similar patterns and close maximum velocities (Fig. 8). For both models the WG-3 located at X = 1.03 m, Y = 1.21 m, and Z = − 0.55 m (Fig. 2d) were used to record the time series. WG-3 is positioned 5 mm above the wave tank bottom, ensuring that the measurements taken reflect velocities very close to the bottom of the wave tank. The maximum velocity calculated by FLOW-3D HYDRO is 0.162 m/s while it is 0.132 m/s for OpenFOAM, implying a deviation of approximately 19% from one another. Some oscillations in velocity records are observed for both models, but these oscillations are clearer and sharper for OpenFOAM. Although it is hard to see velocity oscillations in the FLOW-3D HYDRO record, a close look may reveal some small oscillations (around t = 0.55 s and 0.9 s in Fig. 8). In fact, velocity oscillations are expected due to the variations in velocity of the sliding mass during the travel as well as due to the interferences of the initial waves with the reflected wave from the beach. In general, it appears that the velocity time series of the two models show similar patterns and similar maximum values although they have some differences in the amplitudes of the velocity oscillations. The differences between the two curves are attributed to factors such as difference in meshing between the two models, turbulence models, as well as the way that two models record the outputs.

4 Discussions


An important step for CFD modelling in academic or industrial projects is the selection of an appropriate numerical model that can deliver the task with satisfactory performance and at a reasonable computational cost. Obviously, the major drivers when choosing a CFD model are cost, capability, flexibility, and accessibility. In this sense, the existing options are of two types as follows:

  • Commercial models, such as FLOW-3D HYDRO, which are optimised to solve free-surface flow problems, with customer support and an intuitive Graphical User Interface (GUI) that significantly facilitates meshing, setup, simulation monitoring, visualization, and post-processing. They usually offer high-quality customer support. Although these models show high capabilities and flexibilities for numerical modelling, they are costly, and thus less accessible.
  • Open-source models, such as OpenFOAM, which come without a GUI but with coded tools for meshing, setup, parallel running, monitoring, post-processing, and visualization. Although these models offer no customer support, they have a big community support and online resources. Open-source models are free and widely accessible, but they may not be necessarily always flexible and capable.

OpenFOAM provides freedom for experimenting and diving through the code and formulating the problem for a user whereas FLOW-3D HYDRO comes with high-level customer supports, tutorial videos and access to an extensive set of example simulations (https://www.flow3d.com/). While FLOW-3D-HYDRO applies a semi-automatic meshing process where users only need to input the 3D model of the structure, OpenFOAM provides meshing options for simple cases, and in many advanced cases, users need to create the mesh in other software (e.g., ANSYS) (Ariza et al., 2018) and then convert it to OpenFOAM format. Auspiciously, there are numerous online resources (https://www.openfoam.com/trainings/about-trainings), and published examples for OpenFOAM (Rauter et al., 2021; Romano et al., 2020a, b; Zhang & Zhang, 2023).

The capabilities of both FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM to simulate actual, complex landslide-generated wave events have been showcased in significant case studies. The study by Ersoy et al. (2022) applied FLOW-3D HYDRO to simulate impulse waves originating from landslides near an active fault at the Çetin Dam Reservoir, highlighting the model’s capacity for detailed, site-specific modelling. Concurrently, the work by Alexandre Paris (2021) applied OpenFOAM to model the 2017 Karrat Fjord landslide tsunami events, providing a robust validation of OpenFOAM’s utility in capturing the dynamics of real-world geophysical phenomena. Both instances exemplify the sophisticated computational approaches of these models in aiding the prediction and analysis of natural hazards from landslides.

As for limitations of this study, we acknowledge that our numerical models are validated by one real-world measured wave time series. However, it is believed that this one actual measurement was sufficient for validation of this study because it was out of the scope of this research to fully validate the FLOW-3D HYDRO and OpenFOAM models. These two models have been fully validated by more actual measurements by other researchers in the past (e.g., Sabeti & Heidarzadeh, 2022b). It is also noted that some of the comparisons made in this research were qualitative, such as the 3D wave propagation snapshots, as it was challenging to develop quantitative comparisons for snapshots. Another limitation of this study concerns the number of tests conducted here. We fixed properties such as water depth, slope angle, and travel distance throughout this study because it was out of the scope of this research to perform sensitivity analyses.

5 Conclusions


We configured, calibrated, validated and compared two numerical models, FLOW-3D HYDRO, and OpenFOAM, using physical experiments in a 3D wave tank. These validated models were used to simulate subaerial solid-block landslides in the near-field zone. Our results showed that both models are fully compatible with investigating waves generated by subaerial landslides, although they use different approaches to simulate the phenomenon. The properties of solid-block, water depth, slope angle, and travel distance were kept constant in this study as we focused on comparing the performance of the two models rather than conducting a full sensitivity analysis. The findings are as follows:

  • Different settings were used in the two models for modelling landslide-generated waves. In terms of turbulent flow modelling, we used the Renormalization Group (RNG) turbulence model in FLOW-3D HYDRO, and k-ω (SST) turbulence model in OpenFOAM. Regarding meshing techniques, the overset mesh method was used in OpenFOAM, whereas the structured cartesian mesh was applied in FLOW-3D HYDRO. As for simulation of landslide movement, the coupled motion objects method was used in FLOW-3D HYDRO, and the experimental slide movement time series were prescribed in OpenFOAM.
  • Our modelling revealed that both models successfully reproduced the physical experiments. The two models deviated 8% (FLOW-3D HYDRO) and 18% (OpenFOAM) from the physical experiments, indicating satisfactory performances. The maximum water particle velocity was approximately 1.9 m/s for both numerical models. When the simulated waveforms from the two numerical models are compared with each other, a deviation of 10% was achieved indicating that the two models perform approximately equally. Comparing the 3D snapshots of the two models showed that there are some minor differences in reproducing the details of the water splash in the near field.
  • Regarding computational costs, FLOW-3D HYDRO was able to complete the same simulations in 4 h as compared to nearly 20 h by OpenFOAM. However, the hardware that were used for modelling were not the same; the computer used for the OpenFOAM model was stronger than the one used for running FLOW-3D HYDRO. Therefore, it is challenging to provide a fair comparison for computational time costs.
  • Overall, we conclude that the two models give approximately similar performances, and they are both capable of accurately modelling landslide-generated waves. The choice of a model for research or industrial projects may depend on several factors such as availability of local knowledge of the models, computational costs, accessibility and flexibilities of the model, and the affordability of the cost of a license (either a commercial or an open-source model).

Reference


  1. Abadie, S., Morichon, D., Grilli, S., & Glockner, S. (2010). Numerical simulation of waves generated by landslides using a multiple-fluid Navier–Stokes model. Coastal Engineering, 57(9), 779–794. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2010.04.002
  2. Ariza, C., Casado, C., Wang, R.-Q., Adams, E., & Marugán, J. (2018). Comparative evaluation of OpenFOAM® and ANSYS® Fluent for the modeling of annular reactors. Chemical Engineering & Technology, 41(7), 1473–1483. https://doi.org/10.1002/ceat.201700455
  3. Ataie-Ashtiani, B., & Najafi Jilani, A. (2007). A higher-order Boussinesq-type model with moving bottom boundary: Applications to submarine landslide tsunami waves. Pure and Applied Geophysics, 164(6), 1019–1048. https://doi.org/10.1002/fld.1354
  4. Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., & López-Jiménez, P. A. (2016). Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environmental Modelling & Software, 80, 322–335. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.018
  5. Bellotti, G., & Romano, A. (2017). Wavenumber-frequency analysis of landslide-generated tsunamis at a conical island. Part II: EOF and modal analysis. Coastal Engineering, 128, 84–91. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2017.07.008
  6. Biscarini, C. (2010). Computational fluid dynamics modelling of landslide generated water waves. Landslides, 7(2), 117–124. https://doi.org/10.1007/s10346-009-0194-z
  7. Brackbill, J. U., Kothe, D. B., & Zemach, C. (1992). A continuum method for modeling surface tension. Journal of computational physics, 100(2), 335–354.
  8. Cecioni, C., Romano, A., Bellotti, G., Di Risio, M., & De Girolamo, P. (2011). Real-time inversion of tsunamis generated by landslides. Natural Hazards & Earth System Sciences, 11(9), 2511–2520. https://doi.org/10.5194/nhess-11-2511-2011
  9. Cremonesi, M., Frangi, A., & Perego, U. (2011). A Lagrangian finite element approaches the simulation of water-waves induced by landslides. Computers & Structures, 89(11–12), 1086–1093.
  10. Del Jesus, M., Lara, J. L., & Losada, I. J. (2012). Three-dimensional interaction of waves and porous coastal structures: Part I: Numerical model formulation. Coastal Engineering, 64, 57–72. https://doi.org/10.1016/J.COASTALENG.2012.01.008
  11. Di Risio, M., De Girolamo, P., Bellotti, G., Panizzo, A., Aristodemo, F., Molfetta, M. G., & Petrillo, A. F. (2009). Landslide-generated tsunamis runup at the coast of a conical island: New physical model experiments. Journal of Geophysical Research: Oceans. https://doi.org/10.1029/2008JC004858
  12. Engelund, F., & Munch-Petersen, J. (1953). Steady flow in contracted and expanded rectangular channels. La Houille Blanche, (4), 464–481.
  13. Ersoy, H., Oğuz Sünnetci, M., Karahan, M., & Perinçek, D. (2022). Three-dimensional simulations of impulse waves originating from concurrent landslides near an active fault using FLOW-3D software: A case study of Çetin Dam Reservoir (Southeast Turkey). Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 81(7), 267. https://doi.org/10.1007/s10064-022-02675-8
  14. Flow Science. (2022). FLOW-3D HYDRO version 12.0 user’s manual. Santa Fe, NM, USA. Retrieved from https://www.flow3d.com/. 6 Aug 2023.
  15. Fritz, H. M., Hager, W. H., & Minor, H. E. (2004). Near field characteristics of landslide generated impulse waves. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 130(6), 287–302.
  16. Fritz, H. M., Mohammed, F., & Yoo, J. (2009). Lituya bay landslide impact generated mega-tsunami 50th anniversary. In: Tsunami science four years after the 2004 Indian Ocean Tsunami (pp. 153–175). Birkhäuser Basel, Switzerland.
  17. Grilli, S. T., Shelby, M., Kimmoun, O., Dupont, G., Nicolsky, D., Ma, G., Kirby, J. T., & Shi, F. (2017). Modelling coastal tsunami hazard from submarine mass failures: Effect of slide rheology, experimental validation, and case studies off the US East Coast. Natural Hazards, 86(1), 353–391. https://doi.org/10.1007/s11069-016-2692-3
  18. Grilli, S. T., & Watts, P. (2005). Tsunami generation by submarine mass failure. I: Modelling, experimental validation, and sensitivity analyses. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 131(6), 283–297. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X
  19. Grilli, S. T., Zhang, C., Kirby, J. T., Grilli, A. R., Tappin, D. R., Watt, S. F. L., et al. (2021). Modeling of the Dec. 22nd, 2018, Anak Krakatau volcano lateral collapse and tsunami based on recent field surveys: Comparison with observed tsunami impact. Marine Geology. https://doi.org/10.1016/j.margeo.2021.106566
  20. Heidarzadeh, M., Gusman, A., Ishibe, T., Sabeti, R., & Šepić, J. (2022). Estimating the eruption-induced water displacement source of the 15 January 2022 Tonga volcanic tsunami from tsunami spectra and numerical modelling. Ocean Engineering, 261, 112165. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.112165
  21. Heidarzadeh, M., Ishibe, T., Sandanbata, O., Muhari, A., & Wijanarto, A. B. (2020a). Numerical modeling of the subaerial landslide source of the 22 December 2018 Anak Krakatoa volcanic tsunami, Indonesia. Ocean Engineering, 195, 106733. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2019.106733
  22. Heidarzadeh, M., Putra, P. S., Nugroho, H. S., & Rashid, D. B. Z. (2020b). Field survey of tsunami heights and runups following the 22 December 2018 Anak Krakatau volcano tsunami, Indonesia. Pure and Applied Geophysics, 177, 4577–4595. https://doi.org/10.1007/s00024-020-02587-w
  23. Heller, V., Bruggemann, M., Spinneken, J., & Rogers, B. D. (2016). Composite modelling of subaerial landslide–tsunamis in different water body geometries and novel insight into slide and wave kinematics. Coastal Engineering, 109, 20–41. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2015.12.004
  24. Heller, V., Hager, W. H., & Minor, H. E. (2008). Scale effects in subaerial landslide generated impulse waves. Experiments in Fluids, 44(5), 691–703. https://doi.org/10.1007/s00348-007-0427-7
  25. Heller, V., & Spinneken, J. (2013). Improved landslide-tsunami prediction: Effects of block model parameters and slide model. Journal of Geophysical Research: Oceans, 118(3), 1489–1507. https://doi.org/10.1002/jgrc.20099
  26. Higuera, P., Lara, J. L., & Losada, I. J. (2013a). Realistic wave generation and active wave absorption for Navier–Stokes models: Application to OpenFOAM®. Coastal Engineering, 71, 102–118. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2012.07.002
  27. Higuera, P., Lara, J. L., & Losada, I. J. (2013b). Simulating coastal engineering processes with OpenFOAM®. Coastal Engineering, 71, 119–134. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2012.06.002
  28. Hirt, C.W. and Nichols, B.D., 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of computational physics, 39(1), 201–225.
  29. Horrillo, J., Wood, A., Kim, G.-B., & Parambath, A. (2013). A simplified 3-D Navier–Stokes numerical model for landslide-tsunami: Application to the Gulf of Mexico. Journal of Geophysical Research, 118(12), 6934–6950. https://doi.org/10.1002/2012JC008689
  30. Imamura, F., & Imteaz, M. A. (1995). Long waves in two-layers: Governing equations and numerical model. Science of Tsunami Hazards, 13(1), 3–24.
  31. Jasak, H. (2009). OpenFOAM: Open source CFD in research and industry. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering, 1(2), 89–94. https://doi.org/10.2478/IJNAOE-2013-0011
  32. Kim, G. B., Cheng, W., Sunny, R. C., Horrillo, J. J., McFall, B. C., Mohammed, F., Fritz, H. M., Beget, J., & Kowalik, Z. (2020). Three-dimensional landslide generated tsunamis: Numerical and physical model comparisons. Landslides, 17(5), 1145–1161. https://doi.org/10.1007/s10346-019-01308-2
  33. Kim, J., Pedersen, G. K., Løvholt, F., & LeVeque, R. J. (2017). A Boussinesq type extension of the GeoClaw model-a study of wave breaking phenomena applying dispersive long wave models. Coastal Engineering, 122, 75–86. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2017.01.005
  34. Kirby, J. T., Grilli, S. T., Horrillo, J., Liu, P. L. F., Nicolsky, D., Abadie, S., Ataie-Ashtiani, B., Castro, M. J., Clous, L., Escalante, C., Fine, I., et al. (2022). Validation and inter-comparison of models for landslide tsunami generation. Ocean Modelling, 170, 101943. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2021.101943
  35. Lara, J. L., Ruju, A., & Losada, I. J. (2011). Reynolds averaged Navier–Stokes modelling of long waves induced by a transient wave group on a beach. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 467(2129), 1215–1242.
  36. Larsen, B. E., & Fuhrman, D. R. (2018). On the over-production of turbulence beneath surface waves in Reynolds-averaged Navier–Stokes models. Journal of Fluid Mechanics, 853, 419–460.
  37. Lee, C. H., & Huang, Z. (2021). Multi-phase flow simulation of impulsive waves generated by a sub-aerial granular landslide on an erodible slope. Landslides, 18(3), 881–895. https://doi.org/10.1007/s10346-020-01560-z
  38. Liu, P. L. F., Woo, S. B., & Cho, Y. S. (1998). Computer programs for tsunami propagation and inundation. Technical Report. Cornell University, Ithaca, New York.
  39. Liu, F., Wu, T.-R., Raichlen, F., Synolakis, C. E., & Borrero, J. C. (2005). Runup and rundown generated by three-dimensional sliding masses. Journal of Fluid Mechanics, 536(1), 107–144. https://doi.org/10.1017/S0022112005004799
  40. Losada, I. J., Lara, J. L., & del Jesus, M. (2016). Modeling the interaction of water waves with porous coastal structures. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 142(6), 03116003
  41. Løvholt, F., Harbitz, C. B., & Haugen, K. (2005). A parametric study of tsunamis generated by submarine slides in the Ormen Lange/Storegga area off western Norway. In: Ormen Lange—An integrated study for safe field development in the Storegga submarine area (pp. 219–231). Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-044694-3.50023-8
  42. Løvholt, F., Bondevik, S., Laberg, J. S., Kim, J., & Boylan, N. (2017). Some giant submarine landslides do not produce large tsunamis. Geophysical Research Letters, 44(16), 8463–8472
  43. Løvholt, F. J. M. R., Griffin, J., & Salgado-Gálvez, M. A. (2022). Tsunami hazard and risk assessment on the global scale. Complexity in Tsunamis, Volcanoes, and their Hazards, 213–246
  44. Lynett, P., & Liu, P. L. F. (2005). A numerical study of the run-up generated by three-dimensional landslides. Journal of Geophysical Research: Oceans. https://doi.org/10.1029/2004JC002443
  45. Lynett, P. J., & Martinez, A. J. (2012). A probabilistic approach for the waves generated by a submarine landslide. Coastal Engineering Proceedings, 33, 15–15. https://doi.org/10.9753/icce.v33.currents.15
  46. McDonald, P. W. (1971). The computation of transonic flow through two-dimensional gas turbine cascades (Vol. 79825, p. V001T01A089). American Society of Mechanical Engineers
  47. Menter, F. R. (1992). Improved two-equation k-omega turbulence models for aerodynamic flows (No. A-92183). https://ntrs.nasa.gov/citations/19930013620
  48. Panizzo, A., De Girolamo, P., Di Risio, M., Maistri, A., & Petaccia, A. (2005). Great landslide events in Italian artificial reservoirs. Natural Hazards and Earth System Sciences, 5(5), 733–740. https://doi.org/10.5194/nhess-5-733-2005
  49. Paris, A. (2021). Comparison of landslide tsunami models and exploration of fields of application. Doctoral dissertation, Université de Pau et des Pays de l’Adour.
  50. Paris, A., Heinrich, P., & Abadie, S. (2021). Landslide tsunamis: Comparison between depth-averaged and Navier–Stokes models. Coastal Engineering, 170, 104022. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2021.104022
  51. Pelinovsky, E., & Poplavsky, A. (1996). Simplified model of tsunami generation by submarine landslides. Physics and Chemistry of the Earth, 21(1–2), 13–17. https://doi.org/10.1016/S0079-1946(97)00003-7
  52. Rauter, M., Hoße, L., Mulligan, R. P., Take, W. A., & Løvholt, F. (2021). Numerical simulation of impulse wave generation by idealized landslides with OpenFOAM. Coastal Engineering, 165, 103815. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2020.103815
  53. Rauter, M., Viroulet, S., Gylfadóttir, S. S., Fellin, W., & Løvholt, F. (2022). Granular porous landslide tsunami modelling–the 2014 Lake Askja flank collapse. Nature Communications, 13(1), 678. https://doi.org/10.1038/s41467-022-28356-2
  54. Romano, A., Bellotti, G., & Di Risio, M. (2013). Wavenumber–frequency analysis of the landslide-generated tsunamis at a conical island. Coastal Engineering, 81, 32–43. https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2013.06.007
  55. Romano, A., Lara, J., Barajas, G., Di Paolo, B., Bellotti, G., Di Risio, M., Losada, I., & De Girolamo, P. (2020a). Tsunamis generated by submerged landslides: Numerical analysis of the near-field wave characteristics. Journal of Geophysical Research: Oceans, 125(7), e2020JC016157. https://doi.org/10.1029/2020JC016157
  56. Romano, M., Ruggiero, A., Squeglia, F., Maga, G., & Berisio, R. (2020b). A structural view of SARS-CoV-2 RNA replication machinery: RNA synthesis, proofreading and final capping. Cells, 9(5), 1267.
  57. Sabeti, R., & Heidarzadeh, M. (2022a). Numerical simulations of water waves generated by subaerial granular and solid-block landslides: Validation, comparison, and predictive equations. Ocean Engineering, 266, 112853. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2022.112853
  58. Sabeti, R., & Heidarzadeh, M. (2022b). Numerical simulations of tsunami wave generation by submarine landslides: Validation and sensitivity analysis to landslide parameters. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 148(2), 05021016. https://doi.org/10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000694
  59. Takabatake, T., Han, D. C., Valdez, J. J., Inagaki, N., Mäll, M., Esteban, M., & Shibayama, T. (2022). Three-dimensional physical modeling of tsunamis generated by partially submerged landslides. Journal of Geophysical Research: Oceans, 127(1), e2021JC017826. https://doi.org/10.1029/2021JC017826
  60. Van Gent, M. R. A. (1995). Porous flows through rubble-mound material. Journal of waterway, port, coastal, and ocean engineering, 121(3), 176–181.
  61. Wang, X., & Liu, P. L. F. (2006). An analysis of 2004 Sumatra earthquake fault plane mechanisms and Indian Ocean tsunami. Journal of Hydraulic Research, 44, 147–154. https://doi.org/10.1080/00221686.2006.9521671
  62. Watts, P. (1998). Wavemaker curves for tsunamis generated by underwater landslides. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 124(3), 127–137. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-950X(1998)124:3(127)
  63. Yin, Y., Zhang, C., Imamura, F., Harris, J. C., & Li, Z. (2015). Numerical analysis on wave generated by the Qianjiangping landslide in Three Gorges Reservoir. China. Landslides, 12(2), 355–364. https://doi.org/10.1007/s10346-015-0564-7
  64. Zaniboni, F., & Tinti, S. (2014). Numerical simulations of the 1963 Vajont landslide, Italy: application of 1D Lagrangian modelling. Natural hazards, 70, 567–592.
  65. Zhang, C., & Zhang, M. (2023). Numerical investigation of solitary wave attenuation and mitigation caused by vegetation using OpenFOAM. Coastal Engineering Journal, 65(2), 198–216. https://doi.org/10.1080/21664250.2022.2163844
Weir

Discharge Formula and Hydraulics of Rectangular Side Weirs in the Small Channel and Field Inlet

소규모 수로 및 유입구에서의 직사각형 측면 위어의 유량 공식 및 수리학

Yingying Wang, Mouchao Lv, Wen’e Wang, Ming Meng

Abstract


In this study, experimental investigations were conducted on rectangular side weirs with different widths and heights. Corresponding simulations were also performed to analyze hydraulic characteristics including the water surface profile, flow velocity, and pressure. The relationship between the discharge coefficient and the Froude number, as well as the ratios of the side weir height and width to upstream water depth, was determined. A discharge formula was derived based on a dimensional analysis. The results demonstrated good agreement between simulated and experimental data, indicating the reliability of numerical simulations using FLOW-3D software (version 11.1). Notably, significant fluctuations in water surface profiles near the side weir were observed compared to those along the center line or away from the side weir in the main channel, suggesting that the entrance effect of the side weir did not propagate towards the center line of the main channel. The proposed discharge formula exhibited relative errors within 10%, thereby satisfying the flow measurement requirements for small channels and field inlets.

1. Introduction


Sharp crested weirs are used to obtain discharge in open channels by solely measuring the water head upstream of the water. Side weirs, as a kind of sharp-crested weir, are extensively used for flow measurement, flow diversion, and flow regulation in open channels. Side weirs can be placed directly in the channel direction or field inlet, without changing the original structure of the channel. Thus, side weirs have certain advantages in the promotion and application of flow measurement facilities in small channels and field inlets. The rectangular sharp-crested weir is the most commonly available, and many scholars have conducted research on it.
Research on side weirs started in 1934. De Marchi studied the side weir in the rectangular channel and derived the theoretical formula based on the assumption that the specific energy of the main flow section of the rectangular channel in the side weir section was constant [1]. Ackers discussed the existing formulas for the prediction of the side weir discharge coefficient [2]. Chen concluded that the momentum theorem was more suitable for the analytical calculation of the side weir based on the experimental data [3]. Based on previous theoretical research, more and more scholars began to carry out experimental research on side weirs. Uyumaz and Muslu conducted experiments under subcritical and supercritical flow regimes and derived expressions for the side weir discharge and water surface profiles for these regimes by comparing them with experimental results [4]. Borghei et al. developed a discharge coefficient equation for rectangular side weirs in subcritical flow [5]. Ghodsian [6] and Durga and Pillai [7] developed a discharge coefficient equation of rectangular side weirs in supercritical flow. Mohamed proposed a new approach based on the video monitoring concept to measure the free surface of flow over rectangular side weirs [8]. Durga conducted experiments on rectangular side weirs of different lengths and sill heights and discussed the application of momentum and energy principles to the analysis of spatially varied flow under supercritical conditions. The results showed that the momentum principle was fitting better [7]. Omer et al. obtained sharp-crested rectangular side weirs discharge coefficients in the straight channel by using an artificial neural network model for a total of 843 experiments [9]. Emiroglu et al. studied water surface profile and surface velocity streamlines, and developed a discharge coefficient formula of the upstream Froude number, the ratios of weir length to channel width, weir length to flow depth, and weir height to flow depth [10]. Other investigators [11,12,13,14] have conducted experiments to study flow over rectangular side weirs in different flow conditions.
Numerous studies have been conducted in laboratories to this day. Compared to experimental methods, the numerical simulation method has many attractive advantages. We can easily obtain a wide range of hydraulic parameters of side weirs using numerical simulation methods, without investing a lot of manpower and resources. In addition, we can conduct small changes in inlet condition, outlet condition, and geometric parameters, and study their impact on the flow characteristics of side weirs. Therefore, with the development and improvement of computational fluid dynamics, the numerical simulation method has begun to be widely applied on side weirs. Salimi et al. studied the free surface changes and the velocity field along a side weir located on a circular channel in the supercritical regime by numerical simulation [15]. Samadi et al. conducted a three-dimensional simulation on rectangular sharp-crested weirs with side contraction and without side contraction and verified the accuracy of numerical simulation compared with the experimental results [16]. Aydin investigated the effect of the sill on rectangular side weir flow by using a three-dimensional computational fluid dynamics model [17]. Azimi et al. studied the discharge coefficient of rectangular side weirs on circular channels in a supercritical flow regime using numerical simulation and experiments [18]. The discharge coefficient over the two compound side weirs (Rectangular and Semi-Circle) was modeled by using the FLOW-3D software to describe the flow characteristics in subcritical flow conditions [19]. Safarzadeh and Noroozi compared the hydraulics and 3D flow features of the ordinary rectangular and trapezoidal plan view piano key weirs (PKWs) using two-phase RANS numerical simulations [20]. Tarek et al. investigated the discharge performance, flow characteristics, and energy dissipation over PK and TL weirs under free-flow conditions using the FLOW-3D software [21].
As evident from the aforementioned, the majority of studies have primarily focused on determining the discharge coefficient, while comparatively less attention has been devoted to investigating the hydraulic characteristics of rectangular side weirs. Numerical simulations were conducted on different types of side weirs, including compound side weirs and piano key weirs, in different cross-section channels under different flow regimes. It is imperative to derive the discharge formula and investigate other crucial flow parameters such as depth, velocity, and pressure near side weirs for their effective implementation in water measurement. In this study, a combination of experimental and numerical simulation methods was employed to examine the relationship between the discharge coefficient and its influencing factors; furthermore, a dimensionless analysis was utilized to derive the discharge formula. Additionally, water surface profiles near side weirs and pressure distribution at the bottom of the side channel were analyzed to assess safety operation issues associated with installing side weirs.

2. Principle of Flow Measurement


Flow discharge over side weirs is a function of different dominant physical and geometrical quantities, which is defined as

where Q is flow discharge over the side weir, b is the side weir width, B is the channel width, P is the side weir height, v is the mean velocity, h1 is water depth upstream the side weir in the main channel, g is the gravitational acceleration, μ is the dynamic viscosity of fluid, ρ is fluid density, and i is the channel slope (Figure 1).

Figure 1. Definition sketch of parameters of rectangular side weir under subcritical flow. Note: h1 and h2 represent water depth upstream and downstream of the side weir in the main channel, respectively; y1 and y2 represent weir head upstream and downstream of the side weir in the main channel, respectively.

In experiments when the upstream weir head was over 30 mm, the effects of surface tension on discharge were found to be minor [22]. The viscosity effect was far less than the gravity effect in a turbulent flow. Hence μ and σ were excluded from the analysis [23,24]. In addition, the channel width, the channel slope, and the fluid density were all constant, so the discharge formula can be simplified as:

According to the Buckingham π theorem, the following relationship among the dimensionless parameters is established:

Selected h1 and g as basic fundamental quantities, and the remaining physical quantities were represented in terms of these fundamental quantities as follows:

In which

Based on dimensional analysis, the following equations were derived.

Namely

So the discharge formula can be simplified as:

In a sharp-crested weir, discharge over the weir is proportional to 𝐻1.51H11.5 (H1 is the upstream total head above the crest, namely H1 = y1 + v2/2 g), so Equation (6) can be transformed as follows:

Consequently, the discharge formula over rectangular side weirs is defined as follows, in which 𝑚=𝑓(𝑏ℎ1m=f(bh1,𝑃ℎ1,𝐹𝑟1)Ph1,Fr1). Parameter m represents the dimensionless discharge coefficient. Parameter Fr1 represents the Froude number at the upstream end of the side weir in the main channel.

3. Experiment Setup


The experimental setup contained a storage reservoir, a pumping station, an electromagnetic flow meter, a control valve, a stabilization pond, rectangular channels, a side weir, and a sluice gate. The layout of the experimental setup is shown in Figure 2. Water was supplied from the storage reservoir using a pump. The flow discharge was measured with an electromagnetic flow meter with precision of ±3‰. Water depth was measured with a point gauge with an accuracy of ±0.1 mm. The flow velocity was measured with a 3D Acoustic Doppler Velocimeter (Nortek Vectrino, manufactured by Nortek AS in Rud, Norway). In order to eliminate accidental and human error, multiple measurements of the water depth and flow velocity at the same point were performed and the average values were used as the actual water depth and flow velocity of the point. The main and side channels were both rectangular open channels measuring 47 cm in width and 60 cm in height. The geometrical parameters of rectangular side weirs are shown in Table 1.

Figure 2. Layout of the test system.
Table 1. The geometrical parameters of rectangular side weirs.

When water passes through a side weir, its quality point is affected not only by gravity but also by centrifugal inertia force, leading to an inclined water surface within that particular cross-section before reaching the weir. In order to examine water profiles adjacent to side weirs, cross-sectional measurements were conducted at regular intervals of 12 cm both upstream and downstream of each side weir, denoted as sections ① to ⑩, respectively. Measuring points were positioned near the side weir (referred to as “Side I”), along the center line of the main channel (referred to as “Side II”), and far away from the side weir (referred to as “Side III”) for each cross-section. The schematic diagram illustrating these measuring points is presented in Figure 3.

Figure 3. Schematic diagram of measurement points.

4. Numerical Simulation Settings

4.1. Mathematical Model

4.1.1. Governing Equations

Establishing the controlling equations is a prerequisite for solving any problem. For the flow analysis problem of water flowing over a side weir in a rectangular channel, assuming that no heat exchange occurs, the continuity equation (Equation (9)) and momentum equation (Equation (10)) can be used as the controlling equations as follows:

The continuity equation:

Momentum equation:

where: ρ is the fluid density, kg/m3t is time, s; uiuj are average flow velocities, u1u2u3 represent average flow velocity components in Cartesian coordinates x, y, and z, respectively, m/s; μ is dynamic viscosity of fluid, N·s/m2p is the pressure, pa; Si is the body force, S1 = 0, S2 = 0, S3 = −ρg, N [24].

4.1.2. RNG k-ε Model

The water flow in the main channel is subcritical flow. When the water flows through the side weir, the flow line deviates sharply, the cross section suddenly decreases, and due to the blocking effect of the side weir, the water reflects and diffracts, resulting in strong changes in the water surface and obvious three-dimensional characteristics of the water flow [25]. Therefore the RNG kε model is selected. The model can better handle flows with greater streamline curvature, and its corresponding k and ε equation is, respectively, as follows:

where: k is the turbulent kinetic energy, m2/s2μeff is the effective hydrodynamic viscous coefficient; Gk is the generation item of turbulent kinetic energy k due to gradient of the average flow velocity; C∗1εC1ε*, C are empirical constants of 1.42 and 1.68, respectively; ε is turbulence dissipation rate, kg·m2/s2.

4.1.3. TruVOF Model

Because the shape of the free surface is very complex and the overall position is constantly changing, the fluid flow phenomenon with a free surface is a typical flow phenomenon that is difficult to simulate. The current methods used to simulate free surfaces mainly include elevation function method, the MAC method [26] and the VOF (Volume of Fluid) method [27]. The VOF method is a method proposed by Hirt and Nichols to deal with the complex motion of the free surface of a fluid, which can describe all the complexities of the free surface with only one function. The basic idea of the method is to define functions αw and αa, which represent the volume percentage of the calculation area occupied by water and air, respectively. In each unit cell, the sum of the volume fractions of water and air is equal to 1, i.e.,

The TruVOF calculation method can accurately track the change of free liquid level and accurately simulate the flow problems with free interface. Its equation is:

where: u_¯m is the average velocity of the mixture; t is the time; F is the volume fraction of the required fluid.

4.2. Parameter Setting and Boundary Conditions

To streamline the iterative calculation and minimize simulation time, we selected a main channel measuring 7.5 m in length and a side channel measuring 2.5 m in length for simulation. Three-dimensional geometrical models were developed using the software AutoCAD (version 2016-Simplified Chinese). The spatial domain was meshed using a constructed rectangular hexahedral mesh and each cell size was 2 cm. A volume flow rate was set in the channel inlet with an auto-adjusted fluid height. An outflow–outlet condition was positioned at the end of the side channel. A symmetry boundary condition was set in the air inlet at the top of the model, which represented that no fluid flows through the boundary. The lower Z (Zmin) and both of the side boundaries were treated as a rigid wall (W). No-slip conditions were applied at the wall boundaries. Figure 4 illustrates these boundary conditions.

Figure 4. Diagram of boundary conditions.

5. Results

5.1. Water Surface Profiles

Water surface profiles were crucial parameters for selecting water-measuring devices. Upon analyzing the consistent patterns observed in different conditions, one specific condition was chosen for further analysis. To validate the reliability of numerical simulation, measured and simulated water depths of rectangular side weirs with different widths and heights at a discharge rate of 25 L/s were extracted for comparison (Table 2 and Figure 5). The results in Table 2 and Figure 5 indicate a maximum absolute relative error value of 9.97% and all absolute relative error values within 10%, demonstrating satisfactory agreement between experimental and simulated results.

Figure 5. Comparison between measured and simulated flow depth.
P/cmSection Positionb = 20 cmb = 30 cmb = 40 cmb = 47 cm
hm/cmhs/cmR/%hm/cmhs/cmR/%hm/cmhs/cmR/%hm/cmhs/cmR/%
721.4919.49.7317.7416.94.7416.0714.519.7113.7912.509.35
④′20.4819.056.9817.7816.149.2215.6914.318.80
20.7119.028.1617.8216.318.4715.9214.538.7315.2313.809.39
⑧′22.0020.228.0918.2716.748.3716.5914.969.83
22.3720.179.8317.7316.805.2516.2715.087.3115.3614.366.51
1024.1522.66.4219.9618.845.6119.0318.582.3616.8315.855.82
④′24.2122.058.9219.4918.196.6718.7518.352.13
24.0121.789.2919.6518.346.6718.9518.631.6917.5216.098.16
⑧′24.8822.49.9720.6519.216.9720.1219.294.13
24.0322.964.4521.1619.348.6019.7119.431.4218.3917.365.60
1528.8527.564.4725.8624.096.8424.0521.898.9822.7320.808.49
④′28.4926.975.3425.1923.845.3623.4221.468.37
28.8526.986.4825.7223.996.7323.2321.826.0723.1021.058.87
⑧′28.9627.305.7326.3824.198.3024.1822.277.90
29.1827.964.1826.5724.547.6424.5722.339.1223.2021.109.05
2033.2932.342.8530.6329.025.2628.4926.875.6926.9925.814.37
④′33.1431.953.5929.7528.623.8028.1126.794.70
33.3231.794.5930.0428.455.2928.9926.867.3527.4226.722.55
⑧′34.0232.394.7930.6928.955.6729.5927.257.91
34.6232.845.1431.4429.296.8429.5127.317.4628.2127.004.29
Table 2. Comparison of measured and simulated water depths on Side I of each side weir at a discharge of 25 L/s

Due to the diversion caused by the side weir, there was a rapid variation in flow near the side weir in the main channel. In order to investigate the impact of the side weir on water flow in the main channel, water surface profiles on Side I, Side II, and Side III were plotted with a side weir width and height both set at 20 cm at a discharge rate of 25 L/s (Figure 6). As depicted in Figure 6, within a certain range of the upstream end of the main channel, water depths on Side I, Side II, and Side III were nearly equal with almost horizontal profiles. As the distance between the location of water flow and the upstream end of the weir crest decreased gradually, there was a gradual decrease in water depth on Side I along with an inclined trend in its corresponding profile; however, both Side II and Side III still maintained almost horizontal profiles. When approaching closer to the side weir area with flowing water, there was an evident reduction in water depth on Side I accompanied by a significant downward trend visible across an expanded decline range. The minimum point occurred near the upstream end of the weir crest before gradually increasing again towards downstream sections. At the crest section of the side weir, there is an upward trend observed in the water surface. The water surface tended to stabilize downstream of the main channel within a certain range from the downstream end of the weir crest. There was no significant change in the water surface profiles of Side Ⅱ and Side Ⅲ in the crest section. It can be inferred that the side weir entrance effect occurred only between Side Ⅰ and Side Ⅱ. M. Emin reported the same pattern [10].

Figure 6. Water surface profiles on Side I, Side II, and Side III with a side weir width of 20 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s.

For a more accurate study on the entrance effect of the side weir on the Water Surface Profile (WSP) for Side I; a comparative analysis conducted using different widths but the same height (15 cm) at a discharge rate of 25 L/s is presented through Figure 7, Figure 8, Figure 9 and Figure 10.

Figure 7. Water surface profile on Side Ⅰ with a side weir width of 20 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s.
Figure 8. Water surface profile on Side Ⅰ with a side weir width of 30 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s.
Figure 9. Water surface profile on Side Ⅰ with a side weir width of 40 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s.
Figure 10. Water surface profile on Side Ⅰ with a side weir width of 47 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s.

According to Figure 7, Figure 8, Figure 9 and Figure 10, the water depth upstream of the main channel started to decrease as it approached the upstream end of the weir crest and then gradually increased at the weir crest section. In other words, the water surface profile exhibited a backwater curve along the length of the weir crest. The water depth remained relatively stable downstream of the main channel within a certain range from the downstream end of the weir crest. Additionally, there was a higher water depth downstream of the main channel compared to that upstream of the main channel. Furthermore, an increase in the width of the side weir led to a gradual reduction in fluctuations on its water surface.

5.2. Velocity Distribution

The law of flow velocity distribution near the side weir is the focus of research and analysis, so the simulated and measured values of flow velocity near the side weir were compared and analyzed. Take the discharge of 25 L/s, the height of 15 cm, and the width of 30 cm of the side weir as an example to illustrate. Figure 11 shows the measured and simulated velocity distribution in the x-direction of cross-section ④. As can be seen from Figure 11, the diagrams of the measured and simulated velocity distribution were relatively consistent, and the maximum absolute relative error between the measured and simulated values at the same measurement point was 9.37%, and the average absolute relative error was 3.97%, which indicated a satisfactory agreement between the experimental and simulated results.

Figure 11. Velocity distribution in the x-direction of section ④: when the discharge is 25 L/s, the height of the side weir is 15 cm and the width of the side weir is 30 cm. (a) Measured velocity distribution; (b) Simulated velocity distribution.

From Figure 11, it can be seen that the flow velocity gradually increased from the bottom of the channel towards the water surface in the Z-direction, and the flow velocity gradually increased from Side Ⅲ to Side Ⅰ in the Y-direction. The maximum flow velocity occurred near the weir crest.

Figure 12 shows the distribution of flow velocity at different depths (z/P = 0.3, z/P = 0.8, z/P = 1.6) with a side weir width of 30 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s. The water flow line began to bend at a certain point upstream of the main channel, and the closer it was to the upstream end of the weir crest, the greater the curvature. The maximum curvature occurred at the downstream end of the weir crest. The flow patterns at the bottom, near the side weir crest, and above the side weir crest were significantly different. There was a reverse flow at the bottom of the main channel, where the forward and reverse flows intersect, resulting in a detention zone. The maximum flow velocity at the bottom layer occurred at the upstream end of the side weir crest. When the location of water flow approached the weir crest, the maximum flow velocity occurred at the upstream end of the weir crest. The maximum flow velocity on the water surface occurred at the downstream end of the weir crest. As the water depth decreased, the position of the maximum flow velocity gradually moved from the upstream end of the side weir to the downstream end of the side weir.

Figure 12. Distribution of flow velocity at different depths with a side weir width of 30 cm and height of 15 cm at a discharge of 25 L/s. (a) z/P = 0.3; (b) z/P = 0.8; (c) z/P = 1.6.

5.3. Side Channel Pressure Distribution

When water flowed through the side weir, an upstream water level was formed, resulting in a pressure zone at the junction with the side channel. This pressure zone led to increased water pressure on the floor of the side channel, which affected its stability and durability. In small channels or fields where erosion resistance is weak, excessive pressure can cause scour holes. Therefore, analyzing the pressure distribution in the side channel is necessary to select an appropriate height and width for the side weir that effectively reduces its impact on the bottom plate.

To investigate the impact of side weir width on hydraulic characteristics, pressure data was collected at a discharge rate of 25 L/s for side weirs with heights of 20 cm and widths ranging from 20 cm to 47 cm. The pressure distribution map was drawn, as shown in Figure 13.

Figure 13. Comparison of pressure distribution on the bottom plate of the side channel with different widths of side weirs when the discharge is 25 L/s and the height of side weirs is 20 cm. (aP = 20 cm, b = 20 cm; (bP = 20 cm, b = 30 cm; (cP = 20 cm, b = 40 cm; (dP = 20 cm, b = 47 cm.

As can be seen from Figure 13, the pressure at the bottom of the side channel decreased as the width of the side weir increased. This uneven distribution of water flow on the weir was caused by the sharp bending of water flow lines and the influence of centrifugal inertia force over a short period. After passing through the side weir, the water flow became symmetrically distributed with respect to the axis of the side channel, leaning towards the right bank at a certain distance. As we increased the width of the side weir, we noticed that its position gradually approached the side weir and maximum pressure decreased at this location where the water tongue formed due to flowing through it (Figure 13). For a constant height (20 cm) but varying widths (20 cm, 30 cm, 40 cm, and 47 cm), we measured maximum pressures at these positions as follows: 103,713 Pa, 103,558 Pa, 103,324 Pa, and 103,280 Pa, respectively. Consequently, increasing width reduced the impact on the side channel from water flowing through it while changing pressure distribution from concentration to dispersion in a vertical direction. In the practical application of side weirs, appropriate height should be selected based on the bottom plate’s capacity to withstand the pressure exerted by flowing water within channels.

To investigate how height affects the hydraulic characteristics of rectangular side weirs further (Figure 14), we extracted pressures on bottom plates when discharge was fixed at 25 L/s while varying heights were set as follows: 7 cm, 10 cm, 15 cm, and 20 cm, respectively.

Figure 14. Comparison of pressure distribution on the bottom plate of the side channel with different heights of side weirs when discharge is 25 L/s and the width of side weirs is 20 cm. (aP = 7 cm, b = 20 cm; (bP = 10 cm, b = 20 cm; (cP = 15 cm, b = 20 cm; (dP = 20 cm, b = 20 cm.

As shown in Figure 14, when the width of the side weir was constant, the pressure at the bottom of the side channel increased with the height of the side weir. As the height of the side weir increased, the water tongue formed by flow through the side weir gradually moved away from it in a downstream direction. In terms of vertical water flow, as the height of the side weir increased, the position of maximum pressure at which the water tongue falls shifted closer to the axis of the side channel from its right bank. Moreover, an increase in height resulted in higher maximum pressure at this falling point. For a constant width (20 cm) and varying heights (7 cm, 10 cm, 15 cm, and 20 cm), corresponding maximum pressures at this landing point were measured as 102,422 Pa, 102,700 Pa, 103,375 Pa, and 103,766 Pa, respectively. Consequently, increasing width led to a greater impact on both flow through and pressure distribution within the side channel; transforming it from scattered to concentrated along its lengthwise direction. Therefore, when applying such weirs practically one should select an appropriate width based on what pressure can be sustained by their respective channel bottom plates.

5.4. Discharge Coefficient

Based on dimensionless analysis, the influencing parameters of the discharge coefficient were obtained. To study the effect of parameters Fr1b/h1, and P/h1, discharge coefficient values were plotted against Fr1b/h1, and P/h1, shown in Figure 15, Figure 16 and Figure 17. The discharge coefficient decreased as parameters Fr1 and b/h1 increased. The discharge coefficient increased as parameter P/h1 increased. As Uyumaz and Muslu reported in a previous study, the variation of the discharge coefficient with respect to the Froude number showed a second-degree curve for a subcritical regime [4].

Figure 15. Variation of discharge coefficient values against Froude number.
Figure 16. Variation of discharge coefficient values against the percentage of the side weir width to the upstream flow depth over the side weir.
Figure 17. Variation of discharge coefficient values against the percentage of the side weir height to the upstream flow depth over the side weir.

Quantitative analysis between discharge coefficient values and parameters Fr1b/h1, and P/h1 was conducted using data analysis software (IBM SPSS Statistics 19). The various coefficients obtained are shown in Table 3.

ModelUnstandardized CoefficientsStandardized CoefficientstSig
BStd. ErrorBeta (β)
Constant−1.2940.155−8.3690.000
Fr13.4300.2863.40112.0130.000
b/h1−0.0040.004−0.045−0.9440.348
P/h12.4010.1674.06414.3940.000
Table 3. Coefficient.

The value of t and Sig are the significance results of the independent variable, and the value of Sig corresponding to the value of t is less than 0.05, indicating that the independent variable has a significant impact on the dependent variable. Therefore, the values of Sig corresponding to the parameters Fr1 and P/h1 were less than 0.05, indicating that the parameters Fr1 and P/h1 have a significant impact on the discharge coefficient. On the contrary, the parameter b/h1 has less impact on the discharge coefficient. Therefore, quantitative analysis between discharge coefficient values and parameters Fr1, and P/h1 was conducted using data analysis software by removing factor b/h1. The model summary, ANOVA, and coefficient obtained are shown respectively in Table 4, Table 5 and Table 6. R and adjusted R square in Table 4 were approaching 1, which indicated the goodness of fit of the regression model was high. The value of Sig corresponding to the value of F in Table 5 was less than 0.05, which indicated that the regression equation was useful. The values of Sig corresponding to the parameters Fr1 and P/h1 in Table 6 were less than 0.05, indicating that the parameters Fr1 and P/h1 have a significant impact on the discharge coefficient.

ModelRR SquareAdjusted R SquareStd. Error of the Estimate
10.913 a0.8330.8290.03232
Table 4. Model Summary b. Note: a. Predictors:(Constant), Fr1P/h1b. Discharge coefficient.
ModelSum of SquaresdfMean SquareFSig
1Regression0.40220.201192.5450.000 a
Residual0.080770.001
Total0.48379
Table 5. ANOVA b. Note: a. Predictors:(Constant), Fr1P/h1b. Discharge coefficient.
ModelUnstandardized CoefficientsStandardized CoefficientstSig
BStd. ErrorBeta (β)
Constant−1.3260.151−8.7960.000
Fr13.4790.2813.44912.3960.000
P/h12.4270.1644.10814.7650.000
Table 6. Coefficient a. Note: a. Predictors:(Constant), Fr1P/h1.

Based on the above analysis, the flow coefficient formula has been obtained, shown as follows:

Discharge formula were obtained by substituting Equation (15) into Equation (12), as shown in Equation (16).

where Q ∈ [0.006, 0.030], m3/s; b ∈ [0.20, 0.47], m; P ∈ [0.07, 0.20], m.

Figure 18 showed the measured discharge coefficient values with those calculated from discharge formulas in Table 3. The scatter of the data with respect to perfect line was limited to ±10%.

Figure 18. Comparison of the measured discharge coefficient values with those calculated from discharge formulas in Table 3.

6. Discussions

Determining water surface profile near the side weir in the main channel is one of the tasks of hydraulic calculation for side weirs. As the water flows through the side weir, discharge in the main channel is gradually decreasing, namely dQ/ds<0. According to the Equation (17) derived from Qimo Chen [3], it can be inferred that the value of 𝑑ℎ/𝑑𝑠 is greater than zero in subcritical flow (Fr < 1), that is, the water surface profile near the side weir in the main channel is a backwater curve. Due to the side weir entrance effect at the upstream end, water surface profiles drop slightly at the upstream end of the side weir crest, as EI-Khashab [28] and Emiroglu et al. [29] reported in previous experimental studies.

In this study, the water surface profile exhibited a backwater curve along the length of the weir crest. Therefore, during side weir application, it is crucial to ensure that downstream water levels do not exceed the highest water level of the channel.

The head on the weir is one of the important factors that flow over side weirs depends on. At the same time, the head depends on the water surface profile near the side weir in the main channel. Therefore, further research on the quantitative analysis of water surface profile needs to be conducted. Mohamed Khorchani proposed a new approach based on the video monitoring concept to measure the free surface of flow over side weirs. It points out a new direction for future research [8].

The maximum flow velocity, a key parameter in assessing the efficiency of a weir, occurs at the upstream end of the weir crest, typically near the crest. This is attributed to the convergence of the flow as it approaches the crest, resulting in a significant increase in velocity. It was found that in this study the minimum flow velocity occurred at the bottom of the main channel away from the side weir. Under such conditions, the accumulation of sediments could lead to siltation, which in turn can affect the accuracy of flow measurement through side weirs. This is because the presence of sediments can alter the flow patterns and cause errors in the measurement. Therefore, it becomes crucial to explore methods to optimize the selection of side weirs in order to minimize or eliminate the effects of sedimentation on flow measurement.

Pressure distribution plays a crucial role in ensuring structural safety for side weirs since small channels and field inlets have relatively limited pressure-bearing capacities. Therefore, it is important to select an appropriate geometrical parameter of rectangular side weirs based on their ability to withstand the pressure exerted on their bottom combined with pressure distribution data at the bottom of the side channel we have obtained in this study.

The discharge coefficient formula (Equation (15)), which incorporates Fr1 and P/h1, was derived based on dimensional analysis. However, it is worth noting that previous research has contradicted this formula by suggesting that the discharge coefficient solely depends on the Froude number. This conclusion can be observed in this study such as in Equations (18)–(23) in Table 7 of the manuscript [30,31,32,33,34,35], which clearly demonstrate the dependency of the discharge coefficient on the Froude number. In contrast, our derived discharge coefficient formula (Equation (15)) offers a more streamlined and simplified approach compared to Equation (25) [36] and Equation (29) [10]—making it easier to comprehend and apply—an advantageous feature particularly valuable in fluid dynamics where intricate calculations can be time-consuming. Furthermore, our derived discharge coefficient formula (Equation (15)) exhibits a broader application scope than that of Equation (24) [37] as shown in Table 8. Equation (26) [38] and Equation (27) [5] are specifically applicable under high flow discharge conditions. Conversely, our derived discharge coefficient formula (Equation (15)) is better suited for low-flow discharge conditions.

Table 7. Discharge coefficient formulas of rectangular side weirs presented in previous studies.
Discharge/(L·s−1)Width of Side Weir/cmHeight of Side Weir/cmNumber of Formula
10~1410~206~12(24)
35–10020~751~19(26), (27)
6~3020~477~20(15)
Table 8. Application scope of discharge coefficient formulas.

In addition to the factors studied in the paper, factors such as the sediment content in the flow, the bottom slope, and the cross-section shape of the channel also have a certain impact on the hydraulic characteristics of the side weir. Further numerical simulation methods can be used to study the hydraulic characteristics and the influencing factors of the side weir. Water measurement facilities generally require high accuracy of water measurement, the flow of sharp-crested side weirs is complex, and the water surface fluctuates greatly. While conducting numerical simulations, experimental research on prototype channels is necessary to ensure the reliability of the results and provide reference for the body design and optimization of side weirs in small channels and field inlets.

7. Conclusions

This paper presents a comprehensive study that encompasses both experimental and numerical simulation research on rectangular side weirs of varying heights and widths within rectangular channels. A thorough analysis of the experimental and numerical simulation results has been conducted, leading to the derivation of several notable conclusions:

  1. A comparative analysis was conducted on the measured and simulated values of water depth and flow velocity. Both of the maximum absolute relative errors were within 10%, which indicated that the numerical simulation of the side weir was feasible and effective.
  2. The water surface profile exhibited a backwater curve along the length of the weir crest. The side weir entrance effect occurred only between Side Ⅰ and Side Ⅱ. This indicates that flow patterns and associated hydraulic forces at the weir entrance play a crucial role in determining water level distribution along the weir crest.
  3. The maximum flow velocity of the cross-section at the upstream end of the weir crest occurred near the weir crest, while the minimum flow velocity occurred at the bottom of the main channel away from the side weir. As the water depth decreased, the position of the maximum flow velocity gradually moved from the upstream end of the side weir to the downstream end of the side weir.
  4. When the height of the side weir remains constant, an increase in the width of the side weir leads to a decrease in pressure at the bottom of the side channel. Conversely, when the width of the side weir is kept constant, an increase in its height results in an increase in pressure at the bottom of the side channel. Therefore, during practical applications involving side weirs, it is crucial to select an appropriate weir width based on the maximum pressure that can be sustained by the channel’s bottom plate.
  5. The discharge coefficient was found to depend on the upstream Froude number Fr1 and the percentage of the side weir height to the upstream flow depth over the side weir P/h1. The relationship between the discharge coefficient and parameters Fr1 and P/h1 was obtained using multiple regression analysis, which was of linear form and provided an easy means to estimate the discharge coefficient. The discharge formula is of high accuracy with relative errors within 10%, which met the water measurement accuracy requirements of small channels in irrigation areas.

Reference

  1. De Marchi, G. Essay on the performance of lateral weirs. L’Energ Electr. 1934, 11, 849.
  2. Ackers, P. A theoretical consideration of side weirs as storm water overflows. Proc. Inst. Civ. Eng. 1957, 6, 250–269.
  3. Chen, Q.M.; Xie, P.Z.; Chen, Q.R. Experiment on hydraulic characteristics of side weir. J. Fuzhou Univ. 1979, 19, 26–29.
  4. Uyumaz, A.; Muslu, Y. Flow over side weir in circular channels. ASCE J. Hydraul. Eng. 1985, 111, 144–160.
  5. Borghei, M.; Jalili, M.R.; Ghodsian, M. Discharge coefficient for sharp-crested side weir in subcritical flow. ASCE J. Hydraul. Eng. 1999, 125, 1051–1056.
  6. Ghodsian, M. Supercritical flow over rectangular side weir. Can. J. Civ. Eng. 2003, 30, 596–600.
  7. Durga Rao, K.H.V.; Pillai, C.R.S. Study of Flow Over Side Weirs Under Supercritical Conditions. Water Resour Manag. 2008, 22, 131–143.
  8. Khorchani, M.; Blanpain, O. Free surface measurement of flow over side weirs using the video monitoring concept. Flow Meas. Instrum. 2004, 15, 111–117.
  9. Bilhan, O.; Emiroglu, M.E.; Kisi, O. Application of two different neural network techniques to lateral outflow over rectangular side weirs located on a straight channel. Adv. Eng. Softw. 2010, 41, 831–837.
  10. Emiroglu, M.E.; Agaccioglu, H.; Kaya, N. Discharging capacity of rectangular side weirs in straight open channels. Flow Meas. Instrum. 2011, 22, 319–330.
  11. Azza, N.; Al-Talib, A.N. Flow over oblique side weir. J. Damascus Univ. 2012, 28, 15–22.
  12. Bagheri, S.; Kabiri-Samani, A.R.; Heidarpour, M. Discharge coefficient of rectangular sharp-crested side weirs part i: Traditional weir equation, Flow Measure. Instrumentation 2014, 35, 109–115.
  13. Shariq, A.; Hussain, A.; Ansari, M.A. Lateral flow through the sharp crested side rectangular weirs in open channels. Flow Measure. Instrumentation 2018, 59, 8–17.
  14. Li, G.D.; Shen, G.Y.; Li, S.S.; Lu, Q.N. Prediction Model of Side Weir Discharge Capacity Based on LS-SVM. J. Basic Sci. Eng. 2023, 4, 843–851.
  15. Shabanlou, S.; Salimi, M.S. Free surface and velocity field in a circular channel along the side weir in supercritical flow conditions. Flow Meas. Instrum. 2014, 38, 108–115.
  16. Samadi, A.; Arvanaghi, H.; Abbaspour, A. Three-Dimensional Simulation of Free Surface Flow over Rectangular Sharp crested Weirs. Int. J. Agric. Biosci. 2015, 4, 83–86.
  17. Aydin, M.C. Investigation of a Sill Effect on Rectangular Side-Weir Flow by Using CFD. J. Irrig. Drain. Eng. 2016, 142.
  18. Azimi, H.; Shabanlou, S.; Ebtehaj, I.; Bonakdari, H. Discharge Coefficient of Rectangular Side Weirs on Circular Channels. Int. J. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 2016, 17, 391–399.
  19. Khassaf, S.I.; Attiyah, A.N.; Al-Yousify, H.A. Experimental investigation of compound side weir with modeling using computational fluid dynamic. Energy Environ. 2018, 7, 169–178.
  20. Safarzadeh, A.; Noroozi, B. 3D Hydrodynamics of Trapezoidal Piano Key Spillways. Int. J. Civ. Eng. 2017, 15, 89–101.
  21. Selim, T.; Hamed, A.K.; Elkiki, M.; Eltarabily, M.G. Numerical investigation of flow characteristics and energy dissipation over piano key and trapezoidal labyrinth weirs under free-flow conditions. Model. Earth Syst. Environ. 2023, 10, 1253–1272.
  22. Novak, P.; Cabelka, J. Models in Hydraulic Engineering; Pitman: London, UK, 1981.
  23. Henderson, F.M. Open Channel Flow; Prentice-Hall: Englewood Cliffs, NJ, USA, 1966.
  24. Wang, F.J. Computational Fluid Dynamics Analysis-Theory and Application of CFD; Tsinghua University Press: Beijing, China, 2004.
  25. Zhu, Y.L.; Ma, X.Y.; Zhan, G.L.; Lv, J.W. Numerical simulation of flow in flat V-weir. Yellow River 2010, 32, 99–100.
  26. Harlow, F.H.; Welch, J.E. Numberical calculation of time-dependent viscous incompressible flow of fluid with free surface. Phys. Fluids 1965, 8, 2182–2189.
  27. Hirt, C.W.; Nichols, B.D. Volume of fluid (VOF) method for dynamics of free boundaries. Phys. Fluids 1981, 39, 201–221.
  28. El-Khashab, A.M.M. Hydraulics of Flow over Side Weirs. Ph.D. Thesis, University of Southampton, Southampton, UK, 1975.
  29. Emiroglu, M.E.; Kaya, N.; Agaccioglu, H. Discharge capacity of labyrinth side-weir located on a straight channel. ASCE J. Irrig. Drain. Eng. 2010, 136, 37–46.
  30. Subramanya, K.; Awasthy, S.C. Spatially varied flow over side weirs. ASCE J. Hydraul. Div. 1972, 98, 1–10.
  31. Nandesamoorthy, T.; Thomson, A. Discussion of spatially varied flow over side weir. ASCE J. Hydraul. Eng. 1972, 98, 2234–2235.
  32. Yu-Tech, L. Discussion of spatially varied flow over side weir. ASCE J. Hydraul. Div. 1972, 98, 2046–2048.
  33. Ranga Raju, K.G.; Prasad, B.; Grupta, S.K. Side weir in rectangular channel. ASCE J. Hydraul. Div. 1979, 105, 547–554.
  34. Hager, W.H. Lateral outflow over side weirs. ASCE J. Hydraul. Eng. 1987, 113, 491–504.
  35. Cheong, H.F. Discharge coefficient oflateral diversion from trapezoidal channel. ASCE J. Irrig. Drain. Eng. 1991, 117, 321–333.
  36. Swamee, P.K.; Santosh, K.P.; Masoud, S.A. Side weir analysis using elementary discharge coefficient. ASCE J. Irrig. Drain. Eng. 1994, 120, 742–755.
  37. Singh, R.; Manivannan, D.; Satyanarayana, T. Discharge coefficient of rectangular side weirs. ASCE J. Irrig. Drain. Eng. 1994, 120, 814–819.
  38. Jalili, M.R.; Borghei, S.M. Discussion of Discharge coefficient of rectangular side weir. ASCE J. Irrig. Drain. Eng. 1996, 122, 132.

Three-dimensional flow structure in a confluence-bifurcation unit

합류 분기 유닛의 3차원 유동 구조

Di Wang, Xiaoyong Cheng, Zhixuan Cao, Jinyun Deng

Abstract


Enhanced understanding of flow structure in braided rivers is essential for river regulation, flood control, and infrastructure safety across the river. It has been revealed that the basic morphological element of braided rivers is confluence-bifurcation units. However, flow structure in these units has so far remained poorly understood with previous studies having focused mainly on single confluences/bifurcations. Here, the flow structure in a laboratory-scale confluence-bifurcation unit is numerically investigated based on the FLOW3D® software platform. Two discharges are considered, with the central bars submerged or exposed respectively when the discharge is high or low. The results show that flow convergence and divergence in the confluence-bifurcation unit are relatively weak when the central bars are submerged. Based on comparisons with a single confluence/bifurcation, it is found that the effects of the upstream central bar on the flow structure in the confluence-bifurcation unit reign over those of the downstream central bar. Concurrently, the high-velocity zone in the confluence-bifurcation unit is less concentrated than that in a single confluence while being more concentrated than that observed in a single bifurcation. The present work unravels the flow structure in a confluence-bifurcation unit and provides a unique basis for further investigating morphodynamics in braided rivers.

1 Introduction


Confluences and bifurcations commonly exist in alluvial rivers and usually are important nodes of riverbed planform (Szupiany et al., 2012; Hackney et al., 2018). Flow convergence and divergence in these junctions result in highly three-dimensional (3D) flow characteristics, which greatly influence sediment transport, and hence riverbed evolution and channel formation (Le et al., 2019; Xie et al., 2020). Braided rivers, characterized by unstable networks of channels separated by central bars (Ashmore, 2013), have confluence-bifurcation units as their basic morphological elements (Ashmore, 1982; 1991; 2013; Federici & Paola, 2003; Jang & Shimizu, 2005). In particular, confluence-bifurcation units exhibit a distinct morphology from single confluences/bifurcations and bifurcation-confluence regions because two adjacent central bars are included. Within a confluence-bifurcation unit, two tributaries converge at the upstream bar tail and soon diverge to two anabranches again at the downstream bar head. Therefore, the flow structure in the unit may be significantly influenced by both the two central bars, and thus considerably different from that in single confluences, single bifurcations, and bifurcation-confluence regions, where the flow is affected by only one central bar. Enhanced understanding of flow structure in confluence-bifurcation units is urgently needed, which is essential for water resources management, river regulation, flood control, protection of river ecosystems and the safety of infrastructures across the rivers such as bridges, oil pipelines and communication cables (Redolfi et al., 2019; Ragno et al., 2021).

The flow dynamics, turbulent coherent structures, and turbulent characteristics in single confluences have been widely studied since the 1980s (Yuan et al., 2022). Flow dynamics at river channel confluences have been systematically and completely analyzed, which can be characterized by six major regions of flow stagnation, flow deflection, flow separation, maximum velocity, flow recovery and distinct shear layers (Best, 1987). For example, the field observation of Roy et al. (1988) and Roy and Bergeron (1990) highlighted the flow separation zones and recirculation at downstream natural confluence corners. Ashmore et al. (1992) measured the flow field in a natural confluence and found flow accelerates suddenly at the confluence junction with two separated high-velocity cores merging into one single core at the channel centre. De Serres et al. (1999) investigated the three-dimensional flow structure at a river confluence and identified the existence of the mixing layer, stagnation zones, separation zones and recovery zones. Sharifipour et al. (2015) numerically studied the flow structure in a 90° single confluence and found that the size of the separation zone decreases with the width ratio between the tributary and the main channel. Recently, three main classes of large-scale turbulent coherent structures (Duguay et al., 2022) have been presented, i.e. vertical-orientated vortices or Kelvin-Helmholtz instabilities (Rhoads & Sukhodolov, 2001; Constantinescu et al., 2011; 2016; Biron et al., 2019), channel-scale ‘back-to-back’ helical cells, (Mosley, 1976; Ashmore, 1982; Ashmore et al., 1992; Ashworth, 1996; Best, 1987; Rhoads & Kenworthy, 1995; Bradbrook et al., 1998; Lane et al., 2000), and smaller, strongly coherent streamwise-orientated vortices (Constantinescu et al., 2011; Sukhodolov & Sukhodolova, 2019; Duguay et al., 2022). However, no consensus on a universal turbulent coherent structure mode has been reached so far (Duguay et al., 2022). In addition, some studies (Ashworth, 1996; Constantinescu et al., 2011; Sukhodolov et al., 2017; Le et al., 2019; Yuan et al., 2023) have focused on turbulent characteristics, e.g. turbulent kinetic energy, turbulent dissipation rate and Reynolds stress, which can be critical parameters to further explaining the diversity of these turbulent coherent structure modes.

Investigations on the flow structure in single bifurcations have mainly focused on hydrodynamics in anabranches (Hua et al., 2009; van der Mark & Mosselman, 2013; Iwantoro et al., 2022) and around bifurcation bars (McLelland et al., 1999; Bertoldi & Tubino, 2005; 2007; Marra et al., 2014), whereas few studies have considered the effects of bifurcations on the upstream flow structure. Thomas et al. (2011) found that the velocity core upstream of the bifurcation is located near the water surface and towards the channel center in experimental investigations of a Y-shaped bifurcation. Miori et al. (2012) simulated flow in a Y-shaped bifurcation and found two circulation cells upstream of the bifurcation with flow converging at the water surface and diverging near the bed. Szupiany et al. (2012) reported velocity decreasing and back-to-back circulation cells upstream of the bifurcation junction in the field observation of a bifurcation of the Rio Parana River. These investigations provide insight into how bifurcations affect the flow patterns upstream, yet there is a need for further research on the dynamics of flow occurring immediately before the bifurcation junction.

Generally, the findings of studies on bifurcation-confluence regions are similar to those concerning single confluences and bifurcations. Hackney et al. (2018) measured the hydrodynamic characteristics in a bifurcation-confluence of the Mekong River and found the velocity cores located at the channel centre and strong secondary current occurring under low discharges. Le et al. (2019) reported a high-turbulent-kinetic-energy (high-TKE) zone located near the bed in their numerical simulation of flow in a natural bifurcation-confluence region. Moreover, a stagnation zone was found upstream of the confluence and back-to-back secondary current cells were detected at the confluence according to Xie et al. (2020) and Xu et al. (2022). Overall, these studies have further unraveled the flow patterns in river confluences and bifurcations.

Unfortunately, limited attention has been paid to the flow structure in confluence-bifurcation units. Parsons et al. (2007) investigated a large confluence-bifurcation unit in Rio Parana, Argentina, and no classical back-to-back secondary current cells were observed under a discharge of 12000 m3·s−1. To date, the differences in flow structure between confluence-bifurcation units and single confluences/bifurcations have remained far from clear. In addition, although the effects of discharge on flow structure have been investigated in several studies on single confluences/bifurcations, (Hua et al., 2009; Le et al., 2019; Luz et al., 2020; Xie et al., 2020; Xu et al., 2022), cases with fully submerged central bars were not considered, which is typical in braided rivers during floods. In-depth studies concerning these issues are urgently needed to gain better insight into the flow structure in confluence-bifurcation units of braided rivers.

This paper aims to (1) reveal the 3D flow structure in a confluence-bifurcation unit under different discharges and (2) elucidate the differences in the flow structure between confluence-bifurcation units and single confluence/bifurcation cases. Using the commercial computational fluid dynamics software FLOW-3D® (Version 11.2; https://www.flow3d.com; Flow Science, Inc.), fixed-bed simulations of a laboratory-scale confluence-bifurcation unit are conducted, and cases of a single confluence/bifurcation are also included for comparison. Two discharges are considered, with the central bars fully submerged or exposed respectively when the discharge is high or low. Based on the computational results, the 3D flow structure in the confluence-bifurcation unit conditions is analyzed from various aspects including free surface elevation, time-averaged flow velocity distribution, recirculation vortex structure, secondary current, and turbulent kinetic energy and dissipation rate. In particular, the flow structure in the confluence-bifurcation unit is compared with that in the single confluence/bifurcation cases to unravel the differences.h

2. Conceptual flume and computational cases


2.1. Conceptual flume

In this paper, a laboratory-scale conceptual flume is designed and used in numerical simulations. Figure 1(a–d) shows the morphological characteristics of the flume. To ensure that the conceptual flume reflects morphology features of natural braided channels, key parameters governing the flume morphology, e.g. unit length, width, and channel width-depth ratio, are determined according to studies on morphological characteristics of natural confluence-bifurcation units (Hundey & Ashmore, 2009; Ashworth, 1996; Orfeo et al., 2006; Parsons et al., 2007; Sambrook Smith et al., 2005; Kelly, 2006; Ashmore, 2013; Egozi & Ashmore, 2009; Redolfi et al., 2016; Ettema & Armstrong, 2019).

Figure 1. The sketch of the conceptual flume: (a) the original flume, (b) the central bar: (c) the sketch of cross-section C-C, (d) the sketch of cross-section D-D, (e) the modified part for the single confluence, (f) the modified part for the single bifurcation, (g) the position of different cross-sections. The red dashed boxes denote the regions of primary concern.

Figure 1. The sketch of the conceptual flume: (a) the original flume, (b) the central bar: (c) the sketch of cross-section C-C, (d) the sketch of cross-section D-D, (e) the modified part for the single confluence, (f) the modified part for the single bifurcation, (g) the position of different cross-sections. The red dashed boxes denote the regions of primary concern.

2.1.1. Length and width scales of the confluence-bifurcation unit

The length and width scales of the flume are first determined. The inner relation among the length LCB and average width B of a confluence-bifurcation unit and the average width Bi of a single branch was statistically studied by Hundey and Ashmore (2009), which indicates the following relations:
𝐿CB =(4∼5)⁢𝐵 (1)
𝐵 =1.41⁢𝐵𝑖 (2)
In addition, Ashworth (1996) gave B = 2Bi in his experimental research on mid-bar formation downstream of a confluence, while the confluence-bifurcation unit of Rio Parana, Argentina has a relation of B≈1.71Bi (Orfeo et al., 2006; Parsons et al., 2007). Accordingly, the following relations are used in the present paper:
𝐿CB =4⁢𝐵 (3)
𝐵 =1.88⁢𝐵𝑖 (4)
where LCB = 6 m, B = 1.5 m and Bi = 0.8 m.

2.1.2. Central bar morphology

The idealized plane pattern of central bars in braided rivers is a slightly fusiform leaf shape with a short upstream side and a long downstream side (Ashworth, 1996; Sambrook Smith et al., 2005; Kelly, 2006; Ashmore, 2013). To simplify the design, the bar is approximated as a combination of two different semi-ellipses (Figure 1(b)). The major axis Lb is two to ten times longer than the minor axis Bb according to the statistical data in Kelly’s study, and the regression equation is given as (Kelly, 2006):
𝐿𝑏=4.62⁢𝐵0.96𝑏 (5)
In this study, the bar width Bb is set as 0.8 m, whilst the lengths of downstream (LT1) and upstream sides (LT2) are 2 and 1.5 m, respectively (Figure 1(b)). Thus, the relation of Lb and Bb is given as:
𝐿𝑏=(𝐿𝑇⁢1+𝐿𝑇⁢2)=4.375⁢𝐵𝑏 (6)
The lengths of the inlet and outlet parts are determined as Lin = Lout = 8 m, which ensures negligible effects of boundary conditions without exceptional computational cost.

2.1.3. Width-depth ratio

Channel flow capacity can be significantly affected by cross-section shapes. For natural rivers, cross-section shapes can be generalized into three sorts based on the following width-depth curve (Redolfi et al., 2016):
𝐵=𝜓⁢𝐻𝜑(7)
Braided rivers usually have ψ = 5∼50 and φ>1, which indicates a rather wide and shallow cross-section. The central bar form should also be taken into account, so a parabolic cross-section shape is used here with ψ = 8 and φ>1 (Figure 1(c,d)).

2.1.4. Bed slope

In addition, natural braided rivers are usually located in mountainous areas and thus have a relatively large bed slope. According to flume experiments and field observations, the bed slope Sb is mostly in the range of 0.01∼0.02, and a few are below 0.01 (Ashworth, 1996; Egozi & Ashmore, 2009; Ashmore, 2013; Redolfi et al., 2016; Ettema & Armstrong, 2019). In this study, Sb takes 0.005.

2.1.5. Complete sketch of the conceptual flume

In summary, the flume is 29 m long, 2.4 m wide, and 0.6 m high. The plane coordinates (x-direction and y-direction) used in the calculation process are shown in Figure 1
(a). Note that the inlet corresponds to x = 0 m, and the centreline of the flume is located at y = 1.3 m. Besides, the thalweg elevation of the outlet is set as z = 0 m.

2.2. Computational cases

As stated before, the first aim of this paper is to reveal the flow structure in the confluence-bifurcation unit under different discharges. Therefore, two basic cases are set first: (1) case 1a under a low discharge (0.05 m3·s−1) with exposed central bars and (2) case 2a under a high discharge (0.30 m3·s−1) with fully submerged central bars. A total of 22 cross-sections are identified to examine the results (Figure 1(g)).

Further, cases of a single confluence/bifurcation are generated by splitting the original confluence-bifurcation unit into two parts. Part 1 only includes the upstream central bar and focuses on the flow convergence downstream of CS04 (Figure 1(e)), while Part 2 only includes the downstream central bar and focuses on the flow divergence upstream of CS19 (Figure 1(f)). Notably, the numbers of corresponding cross-sections in the original flume are reserved to facilitate comparison. The outlet section of the single confluence as well as the inlet section of the single bifurcation is extended to make the total length equivalent to the original flume (29 m). Also, two discharge conditions (0.05 and 0.30 m3·s−1), which correspond to exposed and fully submerged central bars, are considered for the single confluence/bifurcation. In total, six computational cases are conducted, as listed in Table 1. As the conceptual flume is designed to be symmetrical about the centreline, the momentum flux ratio (Mr) of the two branches should be 1 in all six cases. This is confirmed by further examining the computational results.

CaseConfigurationQin (m3·s−1)Zout (m)MrCondition of bars
1aCBU0.050.151Exposed
1bSC0.050.151Exposed
1cSB0.050.151Exposed
2aCBU0.300.341Submerged
2bSC0.300.341Submerged
2cSB0.300.341Submerged
Table 1. Computational cases with inlet and outlet boundary conditions.

3. Numerical method

In this section, the 3D Large Eddy Simulation (LES) model integrated in the FLOW-3D® (Version 11.2; https://www.flow3d.com; Flow Science, Inc.) software platform is introduced, including governing equations and boundary conditions. Information on computational meshes with mesh independence test can be found in the Supplementary material.

3.1. Governing equations

The LES model was applied in the present paper to simulate flow in the laboratory-scale confluence-bifurcation unit. The LES model has been proven to be effective in simulating turbulent flow in river confluences and bifurcations (Constantinescu et al., 2011; Le et al., 2019). The basic idea of the LES model is that one should directly compute all turbulent flow structures that can be resolved by the computational meshes and only approximate those features that are too small to be resolved (Smagorinsky, 1963). Therefore, a filtering operation is applied to the original Navier-Stokes (NS) equations for incompressible fluids to distinguish the large-scale eddies and small-scale eddies (Liu et al., 2018). The filtered NS equations are then generated, which can be expressed in the form of a Cartesian tensor as (Liu, 2012):

(10) where ¯𝑢𝑖 is the resolved velocity component in the i – direction (i goes from 1 to 3, denoting the x-, y – and z-directions, respectively); t is the flow time; ρ is the density of the fluid; ¯𝑝 is the pressure; ν is the kinematic viscosity; τij is the sub-grid scale (SGS) stress; ¯𝐺𝑖 is the body acceleration. In FLOW3D®, the full NS equations are discretized and solved using the finite-volume/finite-difference method (Bombardelli et al., 2011; Lu et al., 2023).

Due to the filtering process, the velocity can be divided into a resolved part (¯𝑢⁡(𝑥,𝑡)) and an approximate part (𝑢′⁡(𝑥,𝑡)) which is also known as the SGS part (Liu, 2012). To achieve model closure, the standard Smagorinsky SGS stress model is introduced here (Smagorinsky, 1963):
𝜏ij−13⁢𝜏kk⁢𝛿ij=−2⁢𝜈SGS⁢¯𝑆ij(11)
 where νSGS is the SGS turbulent viscosity, and ¯𝑆ij is the resolved rate-of-strain tensor for the resolved scale defined by (Smagorinsky, 1963):
¯𝑆ij=12⁢(∂¯𝑢𝑖∂𝑥𝑗+∂¯𝑢𝑗∂𝑥𝑖)(12) 
In the standard Smagorinsky SGS stress model, the eddy viscosity is modelled by (Smagorinsky, 1963):
𝜈SGS=(𝐶𝑠⁢¯𝛥)2⁢∣¯𝑆∣,∣¯𝑆∣=√2⁢¯𝑆ij⁢¯𝑆ij(13)
¯𝛥=(ΔxΔyΔz⁢)1/3(14) 
where Cs is the Smagorinsky constant, ΔxΔy, and Δz are mesh scales. In FLOW3D®Cs is between 0.1 to 0.2 (Smagorinsky, 1963).
One of the key problems in simulating 3D open channel flow is the calculation of free surface. FLOW3D® uses the Volume of Fluid (VOF) method (Hirt & Nichols, 1981) to track the change of free surface. The VOF method introduces a fluid phase fraction function f to characterize the proportion of a certain fluid in each mesh cell. In that case, the surface position can be precisely located if the mesh cell is fine enough. To monitor the change of f with time and space, the following convection equation is added:

For open channel flow, only two kinds of fluids are involved: water and air. If f is the fraction of water, the state of the fluid in each mesh cell can be defined as:

In FLOW3D®, the interface between water and air is assumed to be shear-free, which means that the drag force on the water from the air is negligible. Moreover, in most cases, the details of the gas motion are not crucial for the heavier water motion so the computational processes will be more efficient.

3.2. Boundary conditions

Six boundary conditions need to be preset in the 3D numerical simulation process. Discharge boundary conditions are used for the inlet of the flume, where the free surface elevation is automatically calculated based on the free surface elevation boundary conditions set for the outlet. The specific information on the inlet and outlet boundary conditions for all computational cases is shown in Table 1. Moreover, because the free surface moves temporally, the free surface boundary conditions are just set as no shear stress and having a normal pressure, and the position of the free surface will be automatically adjusted over time by the VOF method in FLOW3D®. Furthermore, the bed and two side walls are all set to be no-slip for fixed bed conditions, and a standard wall function is employed at the wall boundaries for wall treatment.

The inlet turbulent boundary conditions also need to be considered. They are set by default here. The turbulent velocity fluctuations V are assumed to be 10% of the mean flow velocity with the turbulent kinetic energy (TKE) (per unit mass) equaling 0.5V’2. The maximum turbulent mixing length is assumed to be 7% of the minimum computational domain scale, and the turbulent dissipation rate is evaluated automatically from the TKE.

4. Results and discussion


4.1. Flow structure in the confluence-bifurcation unit

4.1.1. Free surface elevation

Figure 2 shows the free surface elevation at five different longitudinal profiles (i.e. α = 0.2, 0.4, 0.5, 0.6, 0.8) for cases 1a and 2a. The parameter α was defined as follows:𝛼=𝑠𝐵(17) where s is the transverse distance between a certain profile and the left boundary of the flume. In general, the longitudinal change of free surface in the two cases is very similar despite different discharge levels. The free surface elevation decreases as the channel narrows from the upstream bifurcation to the front of the confluence-bifurcation unit. On the contrary, when the flow diverges again at the end of the confluence-bifurcation unit, the free surface elevation increases with channel widening. However, whether the fall or rise of free surface elevation in case 1a is much sharper than that in case 2a, especially at profiles with α = 0.2 and 0.8 (Figure 2(a)), which indicates there may be distinct flow states between the two cases. To further illustrate this finding, the Froude number Fr at different cross-sections (CS08∼CS15) is examined. In case 2a, the flow remains subcritical within the confluence-bifurcation unit. By contrast, in case 1a, a local supercritical flow is observed near the side banks of CS09 (i.e. α = 0.2 and 0.8), with Fr being about 1.2. This local supercritical flow can lead to a hydraulic drop followed by a hydraulic jump, which accounts for the sharp change of the free surface. The foregoing reveals that when central bars are exposed under relatively low discharge, supercritical flow is more likely to occur near the side banks of the confluence junction due to flow convergence.

Figure 2. Five time-averaged free surface elevation profiles in the confluence-bifurcation unit, in which α denotes the lateral position of the certain profile. Note that the black dashed line denotes the position of CS09, where Fr is about 1.2 near the side banks (α = 0.2 and 0.8) in case 1a. Z’ = z/h2X’ = x/Bh2 is the maximum flow depth at the outlet boundary of cases 2a, 2b and 2c, h2 = 0.34 m.

Moreover, in both cases 1a and 2a, the free surface is higher at the channel centre than near the side banks, whether at the front or the end of the confluence-bifurcation unit. Thus, lateral free surface slopes from the centre to the side banks are generated. For example, the lateral free surface slopes at CS09 are 0.022 and 0.016 respectively for cases 1a and 2a. These lateral slopes can lead to lateral pressure gradient force whose direction is from the channel centreline to the side banks. Notably, the lateral surface slope in case 1a is steeper than that in case 2a, which may also result from the effect of the supercritical flow.

4.1.2. Time-averaged streamwise flow velocity

Figure 3. Time-averaged flow velocity distribution at three different slices over z-direction in the confluence-bifurcation unit: (a)∼(c) case 1a, (d)∼(f) case 2a. The flow direction is from the left to the right. StZ = Stagnation Zones, MiL = Mixing Layer. X’ = x/B, Y’ = y/B, Ui’ = Ui/Uti, Ui denotes the time-averaged streamwise flow velocity in case series i (i = 1,2), Uti denotes the cross-section-averaged streamwise flow velocity in case series i, Ut1 = 0.385 m/s, for case 2a Ut2 = 0.714 m/s.
Figure 4. Time-averaged flow velocity contours at eight different cross-sections in the confluence-bifurcation unit: (a) case 1a, (b) case 2a.

Besides the shared features described above, some differences between the two cases are also identified. First, flow stagnation zones at the upstream bar tail are found exclusively in case 1a as the central bars are exposed (Figure 3
(a–c)). Second, in case 1a the mixing layer is obvious in both the lower or upper flows (Figure 3
(a–c)), while in case 2a the mixing layer can be inconspicuous in the upper flow (Figure 3
(f)). Third, in case 1a, two high-velocity cores gradually transform into one single core downstream of the confluence [Figure 4
(a), CS08∼CS11] and are divided into two cores again at the downstream bar head [Figure 4
(a), CS15]. By contrast, in case 2a, the two cores merge much more rapidly [Figure 4
(a), CS08∼CS09], and no obvious reseparation of the merged core is found at the downstream bar head (Figure 3
(d–f)). The latter two differences between cases 1a and 2a indicate that the flow convergence and divergence are relatively weak when the central bars are fully submerged. It is noticed that when the central bars are exposed, the flow in branches needs to steer around the central bar, which can cause a large angle between the two flow directions at the confluence, and thus relatively strong flow convergence and divergence may occur. By contrast, when the central bars are fully submerged, the flow behavior resembles that of a straight channel, with flow predominantly moving straight along the main axis of the central bars. Therefore, a small angle between two tributary flow forms, and thus flow convergence and divergence are relatively mild.

4.1.3. Recirculation vortex

A recirculation vortex with a vertical axis is a typical structure usually found where flow steers sharply, and is generated from flow separation (Lu et al., 2023). This vortex structure is found in the confluence-bifurcation unit in the present study, marking several significant flow separation zones. Figure 5 shows the recirculation vortex structure at the bifurcation junction of the confluence-bifurcation unit. In both cases 1a and 2a, two recirculation vortices BV1 and BV2 are found at the bifurcation junction corner. Moreover, BV1 and BV2 seem well-established near the bed but tend to transform into premature ones in the upper flow, and there is also a tendency for the cores of BV1 and BV2 to shift downstream as they transition from the lower to the upper flow (Figure 5(a–c,d–f)). This finding indicates that flow separation zones exist at the bifurcation junction corner, and the vortex structure is similar in the separation zones under low and high discharges. These flow separation zones are generated due to the inertia effect as flow suddenly diverges and steers towards the curved side banks of the channel (Xie et al., 2020). Notably, two additional vortices BV3 and BV4 are found at both sides of the downstream bar in case 1a (Figure 5(a–c)), but no such vortices exist in case 2a. This difference shows that flow separation zones at both sides of the downstream bar are hard to form when the bars are completely submerged under the high discharge.

Figure 5. Recirculation vortices at the bifurcation junction (streamline view at three different slices over z-direction): (a)∼(c) case 1a, (d)∼(f) case 2a. The red solid line marked out the position of these vortices (BV1∼BV4).

Similarly, Figure 6 shows the recirculation vortex structure at the confluence junction of the confluence-bifurcation unit. No noteworthy similarities but a key difference between the two cases are observed at this site. Two vortices CV1 and CV2 are found downstream of the confluence junction corner in case 1a (Figure 6(c)), which mark two separation zones. Conversely, no such separation zones are found in case 2a. In fact, separation zones were reported at similar sites under relatively low discharges in some previous studies (Ashmore et al., 1992, Luz et al., 2020, Sukhodolov & Sukhodolova, 2019; Xie et al., 2020). Nevertheless, the flow separation zones at the confluence corner are very restricted in the present study (Figure 6(c)). Ashmore et al. (1992) also reported that no, or very restricted flow separation zones occur downstream of natural river confluence corners, primarily because of the relatively slow change in bank orientation compared with the sharp corners of laboratory confluences where separation is pronounced (Best & Reid, 1984; Best, 1988). In the present study, the bank orientation also changes slowly, which may explain why flow separation zones are inconspicuous at the confluence corner.

Figure 6. Recirculation vortices at the confluence junction (streamline view at three different slices over z-direction): (a)∼(c) case 1a, (d)∼(f) case 2a. The red solid line marked out the position of these vortices (CV1 & CV2).

The differences in the distribution of recirculation vortices discussed above may be mainly attributed to the difference in the angle between the tributary flows under different discharges. Some previous studies have reported that the confluence/bifurcation angle can significantly influence the flow structure at confluences/bifurcations (Best & Roy, 1991; Ashmore et al., 1992; Miori et al., 2012). Although the confluence/bifurcation angle is fixed due to the determined central bar shape in the present study, the angle between two tributary flows is affected by the varying discharge. When the central bars are exposed under the low discharge, the flow is characterized by a more pronounced curvature of the streamlines, and a large angle between the two tributary flows is noted (Figure 6(b)), causing strong flow convergence and divergence. By contrast, a small angle forms as the central bars are submerged, thereby leading to relatively weak flow convergence/divergence (Figure 6(e)). Overall, the differences mentioned above can be attributed to the differences in the intensity of flow convergence and divergence under different discharges.

It should be noted that some previous studies (Constantinescu et al., 2011; Sukhodolov & Sukhodolova, 2019) presented that there is a wake mode in the mixing layer of two streams at the confluence junction. The wake mode means that in the mixing layer, multiple streamwise coherent vortices moving downstream will form, which is similar to the flow structure around a bluffing body (Constantinescu et al., 2011). However, no such structure has been found within the confluence-bifurcation unit in this study. According to the numerical simulations of Constantinescu et al. (2011), a wake mode was found at a river confluence with a concordant bed and a momentum flux ratio of about 1. The confluence has a much larger angle (∼60°) between the two streams when compared to the confluence junction of the confluence-bifurcation unit in the present study where the angle is about 25°. As flow mechanics at river confluences may include several dominant mechanisms depending on confluence morphology, momentum ratio, the angle between the tributaries and the main channel, and other factors (Constantinescu et al., 2011), the relatively small confluence angle in the present study may explain why the wake mode is absent. The possible effects of the confluence/bifurcation angle are reserved for future study. Additionally, flow separation can lead to reduced local sediment transport capacity, thus causing considerable sediment deposition under natural conditions. Hence, the bank may migrate towards the inner side of the channel at the positions of CV1, CV2, BV1, and BV2, while the bar may expand laterally at the positions of BV3 and BV4.

4.1.4. Secondary current

Secondary current is the flow perpendicular to the mainstream axis (Thorne et al., 1985) and can be categorized into two primary types based on its origin: (1) Secondary current generated by the interaction between centrifugal force and pressure gradient force; (2) Secondary current resulting from turbulence heterogeneity and anisotropy (Lane et al., 2000). There are some widely recognized definitions of secondary current strength (SCS) (Lane et al., 2000). In this paper, the secondary current cells are identified by visible vortex with a streamwise axis, and the definition of SCS proposed by Shukry (1950) is used:

where uxuy, and uz are flow velocities in xy, and z directions and ux represents the mainstream flow velocity.

Figure 7 presents contour plots of SCS and the secondary current structure at key cross-sections of the study area. When the central bars are exposed, at the upstream bar tail (CS08), intense transverse flow occurs with flow converging to the centreline, but no secondary current cell is formed (Figure 7(a)). This is consistent with the findings of Hackney et al. (2018). At the confluence junction (CS09), transverse flow still plays a major role in the secondary current structure, with flow converging to the centreline at the surface and diverging to side banks near the bed (Figure 7(b)). Moreover, ‘back-to-back’ helical cells, which are two vortices rotating reversely, tend to generate at CS09 with their cores located near the side banks (Figure 7(b)) (Mosley, 1976; Ashmore, 1982; Ashmore et al., 1992), yet their forms are rather premature. As the flow goes downstream, the cores of the helical cells gradually rise to the upper flow and approach towards the centreline, and the helical cells become well-established (Figure 7(c–e)). When the flow diverges again at the downstream bar head (CS15), the helical cells attenuate rapidly, and the secondary current structure is once again characterized predominantly by transverse flow (Figure 7(f)).

Figure 7. Distribution of secondary current strength and secondary current cells at six different cross-sections: (a)∼(f) case 1a, (g)∼(l) case 2a. The secondary current cells are identified by visible lateral vortices (streamline view). The zero distance of each cross-section is located on the right bank.

When the central bars are fully submerged under the high discharge, the secondary current structure at the upstream bar tail and the confluence junction exhibits a resemblance to that under the low discharge (Figure 7(g,h)). However, at CS09, two pairs of cells with different scales tend to form under the high discharge (Figure 7(h)). The large and premature helical cells are similar to those under the low discharge, whereas the small helical cells are located near side banks possibly due to wall effects. As the flow moves downstream, the large helical cells tend to diminish rapidly and merge with the small ones near both side walls (Figure 7(i–k)). Moreover, the secondary current structure is once again characterized predominantly by transverse flow at CS14 under the high discharge, which occurs earlier than that under the low discharge (Figure 7(k)). At the downstream bar head, transverse flow still takes a dominant place, while the helical cells seem to become premature with increased scale (Figure 7(l)).

In general, in both cases 1a and 2a, the lateral distribution of SCS at all cross-sections is symmetrical about the channel centreline, where SCS is relatively small. A relatively high SCS is detected at both the upstream bar tail and the downstream bar head due to the effects of centrifugal force caused by flow steering. SCS decreases rapidly from the upstream bar tail (CS08) to the entrance of the downstream bifurcation junction (CS14), followed by a sudden increase at the downstream bar head (CS15) (Figure 7
(a–e, g–k)). However, the distribution of high-SCS zones is different between the two discharges. Under the low discharge, high-SCS zones appear along the bottom near the centerline and at the free surface on both sides of the centreline. Although similar high-SCS zones are found along the bottom near the centerline under the high discharge, the high-SCS zones are not found at the free surface. Furthermore, it is noticed that more obvious high-SCS zones appear under the low discharge compared with the high discharge, especially at CS09. This may be attributed to the differences in the intensity of flow convergence and divergence under different submerging conditions of the central bars. When the central bars are exposed, flow convergence and divergence are strong and sharp flow steering occurs, thereby causing large SCS. By contrast, when the central bars are fully submerged, flow convergence and divergence are relatively weak, and thus small SCS is observed.

4.1.5. Turbulent characteristics

Turbulent characteristics reflect the performance of energy and momentum transfer activities in flow (Sukhodolov et al., 2017). Comprehensive analysis of turbulent characteristics is crucial as they greatly impact the incipient motion, settling behavior, diffusion pattern, and transport process of sediment. Here, the TKE and turbulent dissipation rate (TDR) of flow in the confluence-bifurcation unit are analyzed.

Figure 8 shows the distribution of TKE on various cross-sections in cases 1a and 2a. In the same way, Figure 10 shows the distribution of TDR. The values of TKE and TDR are nondimensionalized with mid-values of TKE = 0.005 m2·s−2 and TDR = 0.007 m3·s−2. In both cases 1a and 2a, the distributions of TKE and TDR show symmetrical patterns concerning the channel centreline. High-TKE and high-TDR zones exhibit a belt distribution near the channel bottom (McLelland et al., 1999; Ashworth, 1996; Constantinescu et al., 2011), indicating that turbulence primarily originates at the channel bottom due to the influence of bed shear stress. A sudden increase of TKE (Weber et al., 2001) and TDR occurs near the channel bottom at the confluence junction [Figure 8 and 9, CS08∼CS09] and from the entrance of the bifurcation junction (CS14) to the downstream bar head (CS15) (Figures 8 and 9).

Figure 8. Turbulent kinetic energy contours at eight different cross-sections in the confluence-bifurcation unit: (a) case 1a, (b) case 2a. TKE = turbulent kinetic energy. TKE’ =  dimensionless value of TKE, with regard to a mid-value of TKE = 0.005 m2·s−2.
Figure 9. Turbulent dissipation rate contours at eight different cross-sections in the confluence-bifurcation unit: (a) case 1a, (b) case 2a. TDR = turbulent dissipation rate. TDR’ =  dimensionless value of TDR, with regard to a mid-value of TDR = 0.007 m3·s−2.
Figure 10. Comparison of the distribution of time-averaged streamwise flow velocity along the flow depth at different cross-sections between the confluence-bifurcation unit and the single confluence. (a)∼(f) 1a vs. 1b, (g)∼(l) 2a vs. 2b.

Despite the common turbulent characteristics between cases 1a and 2a, additional high-TKE zones are found in the upper flow at the upstream bar tail (CS08), the confluence junction (CS09) and the downstream bar head (CS15) (Figure 8) when the central bars are fully submerged. The formation mechanism of these high-TKE zones near the water surface is more complicated, which may result from interactions of velocity gradient, secondary current structure and wall shear stress (Engel & Rhoads, 2017; Lu et al., 2023).

4.2. Comparison with single confluence/bifurcation cases

In this section, the results of a single confluence (cases 1b and 2b) and a single bifurcation (cases 1c and 2c) are compared with those of the confluence-bifurcation unit (cases 1a and 2a) under two discharges. Flow structure at CS08∼CS15 is mainly concerned below.

4.2.1. Comparison with single confluence cases

First, the patterns of time-averaged streamwise velocity, TKE and TDR within the single confluence (presented by contour plots in the supplementary materials) are assessed and then compared with those within the confluence-bifurcation unit (Figures 4, 8, and 9). It is found that distributions of these parameters are similar in the confluence-bifurcation unit and the single confluence from the upstream bar tail (CS08) to the entrance of the bifurcation junction (CS14), despite varying discharges. As the existence of the downstream central bar is the main difference between the single confluence and the confluence-bifurcation unit, this finding indicates that the downstream bar may have limited influence on the flow structure in the confluence-bifurcation unit. In other words, the flow structure in the confluence-bifurcation unit appears to be mainly shaped by the presence of the upstream bar, with its impact potentially reaching as far as the entrance of the bifurcation (CS14). Moreover, under the low discharge, the two high-velocity cores seem to merge later (at CS11) in the single confluence than in the confluence-bifurcation unit (at CS10), which indicates the convergence of two tributary flows may achieve a steady state faster in the confluence-bifurcation unit. To further elucidate the differences, results on the distribution of time-averaged streamwise velocity and TKE along the flow depth are discussed below.

4.2.1.1. Time-averaged streamwise velocity

Figure 10 shows the distribution of time-averaged streamwise flow velocity along the flow depth at different cross-sections. Note that α = 0.5 denotes the channel centreline and α = 0.7 denotes a position near the side banks. As only marginal differences are found at α = 0.3 and 0.7, only profiles at α = 0.7 are displayed for clarity.

Under the low discharge, no obvious difference in the distribution of time-averaged streamwise flow velocity is observed at the upstream bar tail (Figure 10(a)). At the confluence junction (Figure 10(b)), the velocities near the side banks (α = 0.7) are larger than those at the centre (α = 0.5) in both the confluence-bifurcation unit and the single confluence, which suggests that the two tributary flows have not sufficiently merged. The two tributary flows achieve convergence at CS11 in both the confluence-bifurcation unit and the single confluence (Figure 10(c)), with the velocity at the centre (α = 0.5) is larger than that near the side banks. Nevertheless, the velocities at the centre (α = 0.5) and near the side banks (α = 0.7) are closer to each other in the confluence-bifurcation unit than those in the single confluence, which represents less sufficient flow convergence in the confluence-bifurcation unit than in the single confluence. Therefore, it can be inferred that the convergence of two tributary flows may achieve a steady state faster in the confluence-bifurcation unit. After reaching the steady state, the velocity near the side banks (α = 0.7) is smaller in the single confluence than in the confluence-bifurcation unit despite close values at the centre (α = 0.5) (Figure 10(d,e)). This leads to a more pronounced disparity between velocities at the centre and near the side banks in the single confluence than that observed in the confluence-bifurcation unit. In other words, the high-velocity zone is more concentrated on the channel centreline in the single confluence, while the lateral distribution of flow velocity tends to be more uniform in the confluence-bifurcation unit. This may be attributed to the influence of the downstream central bar, which is further proved by comparing the velocity profiles at CS15 (Figure 10(e)).

As for the high discharge condition, from CS08 to CS14, the quantitative differences in velocity distribution between the confluence-bifurcation unit and the single confluence seem small. This indicates that the effect of morphology appears to be subdued when the central bars are fully submerged under the high discharge. It should be also noted that under both the low and high discharge, velocity profiles at the corresponding location exhibit the same shapes in the confluence-bifurcation unit and the single confluence, which indicates that the upstream confluence may dominate the flow structure in the confluence-bifurcation unit.

4.2.1.2. Secondary current

Figure 11 shows contour plots of SCS and the secondary current structure for single confluence cases. Compared with Figure 7, under both low and high discharge conditions, the distribution of SCS and the structure of helical cells in the confluence-bifurcation unit and the single confluence are very similar from CS08 to CS12 (Figure 7(a–d, g–j) and Figure 11(a–d, g–j)]. This indicates that the secondary current structure in the confluence-bifurcation unit exhibits certain consistent features when compared to those in the single confluence, thus proving that the effects of the upstream central bar may dominate the flow structure in the confluence-bifurcation unit. However, the secondary current structure at CS14 and CS15 is different between the confluence-bifurcation unit and the single confluence (Figure 7 and 11(e, f, k,l)). Under the low discharge, transverse flow is from the side banks to the centre and relatively high SCS is found near the side banks at CS14 in the single confluence, while the transverse flow is always from the centre to the side banks and SCS is relatively low at the corresponding sites in the confluence-bifurcation unit (Figure 11(e)). Under the high discharge, the helical cells near the side walls almost diminish in the single confluence, while they still exist in the confluence-bifurcation unit at CS14 (Figure 11(k)). Under both low and high discharges, the secondary current pattern at CS15 is similar to that at CS14 in the single confluence, while they are different in the confluence-bifurcation unit due to the existence of the downstream central bar. This comparison indicates that the existence of the downstream central bar can influence the upstream secondary current structure, nevertheless, the effects are fairly limited.

Figure 11. Secondary current at different cross-sections in the single confluence condition: (a)∼(f) case 1b, (g)∼(l) case 2b. The zero distance of each cross-section is located on the right bank.
4.2.1.3. Turbulent kinetic energy

Figure 12 shows TKE distribution along the flow depth at different cross-sections. Under the low discharge, in general, the maximum TKE tends to appear near the channel bottom in both the confluence-bifurcation unit and the single confluence. No obvious difference is observed at the upstream bar tail (CS08) (Figure 12(a)). Downstream this site (at CS09), the maximum TKE near the side banks (α = 0.7) is larger than that at the channel centre in the single confluence, while they are close to each other in the confluence-bifurcation unit (Figure 12(b)). This can also be attributed to the insufficient convergence of the two tributary flows. At CS11, flow convergence achieves a steady state in the confluence-bifurcation unit, while it remains insufficient in the single confluence. As flow convergence reaches a steady state at CS12, the maximum TKE in the single confluence exhibits a more concentrated distribution on the channel centre than that in the confluence-bifurcation unit (Figure 12(d)). This effect becomes more obvious downstream at CS14 (Figure 12(e)). The less-concentrated distribution of the maximum TKE in the confluence-bifurcation unit can be owing to the effects of the downstream central bar as well, which appears analogous to that mentioned in 4.2.1.1.

Figure 12. Comparison of the distribution of TKE along the flow depth at different cross-sections between the confluence-bifurcation unit and the single confluence. (a)∼(f) 1a vs. 1b, (g)∼(l) 2a vs. 2b.

Under the high discharge condition, two peaks of TKE appear in both the confluence-bifurcation unit and the single confluence (Figure 12(g–l)). Moreover, in both the confluence-bifurcation unit and the single confluence, from the upstream bar tail to the downstream bar head, the peak of TKE in the upper flow is larger at the channel centre (α = 0.5), while the peak of TKE in the lower flow is larger near the side banks (α = 0.7). However, the disparity between the TKE near the side banks and at the channel centre seems to be larger in the single confluence, while the TKE in the confluence-bifurcation unit takes a more uniform distribution. Even though, TKE profiles at the corresponding location exhibit highly similar shapes in the confluence-bifurcation unit and the single confluence, suggesting that the effects of channel morphology seem to be inhibited when the central bars are submerged under the high discharge.

4.2.2. Comparison with single bifurcation cases

Distributions of time-averaged streamwise velocity, TKE and TDR at corresponding cross-sections are also compared between the single bifurcation (see the Supplementary material) and the confluence-bifurcation unit (Figures 4, 8 and 9). Unlike the high similarity in flow characteristics exhibited between the confluence-bifurcation unit and the single confluence, significant differences are found between the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation, especially at CS08∼CS14. On the one hand, the high-velocity zones are broader and asymmetrical concerning the channel centreline in the single bifurcation, with a belt-like and an approximately elliptic-like distribution respectively under the low and high discharges. By contrast, the high-velocity zone is a core that concentrates on the channel centre in the confluence-bifurcation unit. Moreover, the maximum velocity seems smaller in the single bifurcation than that in the confluence-bifurcation unit. On the other hand, the high-TKE belt near the channel bottom appears to be narrower in the single bifurcation than in the confluence-bifurcation unit, especially at CS08∼CS14 under the low discharge. Furthermore, additional high-TKE zones are found near the side walls at CS08∼CS11 in the single bifurcation, of which the scale is obviously smaller than those in the confluence-bifurcation unit. In addition, TKE at the channel centre is smaller near the free surface in the single bifurcation than that in the confluence-bifurcation unit. Nevertheless, the distributions of velocity, TKE and TDR seem to be similar in the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation at CS15. As the existence of the upstream central bar is the main difference between the single confluence and the confluence-bifurcation unit, all the above findings indicate that the upstream central bar greatly influences the flow structure in the confluence-bifurcation unit. On the other hand, the downstream central bar may have a restricted influence on the flow structure in the confluence-bifurcation unit, whose impact may be limited to a range between the entrance of the bifurcation (CS14) and the downstream bar head (CS15). To further elucidate the differences, results on the distribution of time-averaged streamwise velocity and TKE along the flow depth are discussed below.

4.2.2.1. Time-averaged streamwise velocity

Figure 13 shows the distribution of time-averaged streamwise velocity along the flow depth at different cross-sections. Under the low discharge, distinct distribution patterns of flow velocity between the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation are found at CS08, CS09 and CS11, which can be attributed to the effects of upstream flow convergence (Figure 13(a–c)). However, when the flow convergence reaches a steady state in the confluence-bifurcation unit (Figure 13(d–f)), the high-velocity zone is more concentrated in the confluence-bifurcation unit than in the single bifurcation due to to the significant influence of the upstream central bar on the flow structure. The velocity profiles at the downstream bar head can be a shred of evidence as well, with the maximum velocity larger at the channel centre but smaller near the side banks in the confluence-bifurcation unit than in the single bifurcation.

Figure 13. Comparison of the distribution of time-averaged streamwise flow velocity along the flow depth at different cross-sections between the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation. (a)∼(f) 1a vs. 1c, (g)∼(l) 2a vs. 2c.

Under the high discharge, the distribution of velocity seems to exhibit limited differences between the two kinds of morphology, which indicates that the effects of channel morphology may be less noticeable when the central bars are fully submerged under the high discharge. Nevertheless, the velocity in the lower flow (below a relative depth of 0.45) shows a uniform lateral distribution in the single bifurcation, as the velocity profile at the channel centreline (α = 0.5) is in line with that near the side banks (α = 0.7) (Figure 13(g–l)). However, in the confluence-bifurcation unit, different velocity distributions in the lower flow can be observed at the channel centreline (α = 0.5) and near the side banks (α = 0.7). The foregoing results indicate that when the central bars are fully submerged, the high-velocity zones are more concentrated on the channel centreline in the confluence-bifurcation unit, while the lateral distribution of flow velocity within the single bifurcation tends to be more uniform, especially near the bifurcation junction (Figure 13(j,k)). This can also be attributed to the dominant influence of the upstream central bar over the downstream central bar.

It is also noted that the flow velocity distribution along the flow depth in the confluence-bifurcation unit is of a similar pattern despite varying discharges. As a critical point, the maximum velocity appears in the upper flow. The distribution above the critical point is approximately linear whereas it appears logarithmic below. By contrast, despite the similarity observed under the low discharge, the flow velocity distribution along the flow depth within the single bifurcation exhibits a distinct pattern under the high discharge, especially near the side banks (Figure 13(e–h)). On the one hand, the critical point in the upper flow no longer corresponds to the maximum velocity. On the other hand, the velocity distribution deviates from logarithmic below the critical point, with the maximum velocity appearing at a relative depth of 0.45. Succinctly, the distribution of streamwise velocity along the flow depth may retain the same pattern regardless of discharge levels in the confluence-bifurcation unit, while it may exhibit distinct patterns under different discharge levels in the single bifurcation.

4.2.2.2. Secondary current

Figure 14 shows contour plots of SCS and the distribution of secondary current for single bifurcation cases. In general, the value of SCS near the side banks at CS08∼CS14 (Figure 14(a–d, g–j)) in the single bifurcation seems smaller than that in the confluence-bifurcation unit (Figure 7(a–d, g–j)), especially under the low discharge. SCS distribution at CS14 is similar in the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation under both low and high discharges. This difference in SCS distribution between the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation indicates that the downstream bifurcation may have a restricted influence on the flow structure in the confluence-bifurcation unit. This influence is limited to a range between the entrance of the bifurcation (CS14) and the downstream bar head (CS15).

Figure 14. Secondary current at different cross-sections in the single bifurcation condition: (a)∼(f) case 1c, (g)∼(l) case 2c. The zero distance of each cross-section is located on the right bank.

In addition, the secondary current structure may also present different patterns in response to varying channel morphologies and discharge conditions. Under the low discharge condition, multiple unstable helical cells with asymmetrical distribution are formed from CS08 to CS12 in the single bifurcation (Figure 14(a–d)), while no obvious helical cells are found at CS14 and CS15 (Figure 14(d,e)). These findings are quite different from the stable and symmetrical helical cells at all cross-sections shown in the confluence-bifurcation unit (Figure 7). This difference may be attributed to the significant influence of the upstream central bar and the limited influence of the downstream central bar. Under the high discharge condition, only one pair of premature helical cells are found from CS08 to CS12 in the single bifurcation with their cores located near the side banks (Figure 14(e,f)). As the flow moves downstream, the helical cells gradually develop and become well-established (Figure 14(g,h)). These helical cells in the single bifurcation show symmetric cross-sectional distribution and a similar longitudinal development as in the confluence-bifurcation unit. However, in the confluence-bifurcation unit, two pairs of helical cells appear upstream of CS12 and CS14 and gradually fuse to one pair under the high discharge. As the ‘two-pairs’ structure in the confluence-bifurcation unit origins from the upstream confluence, the differences in the secondary current structure between the single bifurcation and the confluence-bifurcation unit under the high discharge can also be owing to the effects of the upstream central bar in excess of those of the downstream central bar.

4.2.2.3. Turbulent kinetic energy

Figure 15 shows the TKE distribution along the flow depth at different cross-sections. Under the low discharge, when the two tributary flows have not achieved sufficient convergence in the confluence-bifurcation unit, the maximum TKE is more concentrated in the single bifurcation (Figure 15(a–c)). As flow convergence achieves a steady state, more concentrated high-TKE zones appear at the channel centre within the confluence-bifurcation unit, confirming the finding that the effects of the upstream central bar reign over those of the downstream central bar in the confluence-bifurcation unit. However, things can be very complicated under the high discharge. For TKE distribution at the channel centreline, two peaks appear in the confluence-bifurcation unit with one close to the free surface and the other near the bed (Figure 15(g–l)). By contrast, only one peak near the bed is present in the single bifurcation. Therefore, a larger TKE can be found in the upper flow of the channel centreline in the confluence-bifurcation unit. For TKE distribution near the side banks, two peaks appear in both the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation at CS09∼CS14 (Figure 15(h–l)). The upper peak is larger but the lower peak is smaller within the single bifurcation than those within the confluence-bifurcation unit. These significant discordances in TKE distribution under the high discharge further prove that the effects of the upstream bar on the flow structure in the confluence-bifurcation unit are more prominent than those of the downstream central bar.

Figure 15. Comparison of the distribution of TKE along the flow depth at different cross-sections between the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation. (a)∼(f) 1a vs. 1c, (g)∼(l) 2a vs. 2c.

4.2.3. Further discussion of the comparisons

The above subsections have revealed significant differences in flow structure within the confluence-bifurcation unit and the single confluence and bifurcation, which directly result from the distinct channel morphologies and vary with the discharge conditions as well. These differences are summarized and further discussed below.

The distinctive morphology of a confluence-bifurcation unit plays a pivotal role in governing streamwise flow velocity distribution, secondary current structure, and turbulent kinetic energy distribution within the channel. Generally, from the upstream bar tail (CS08) to the entrance of the bifurcation (CS14), the flow structure in the confluence-bifurcation unit is highly similar to that in the single confluence, while it exhibits great differences (as shown in 4.2.2) between the confluence-bifurcation unit and the single bifurcation. This indicates that the upstream central bar greatly influences the flow structure in the confluence-bifurcation unit, with the effects spreading to the entrance of the bifurcation. At the downstream bar head (CS15), the flow structure (e.g. the transverse flow patterns) in the confluence-bifurcation unit exhibits high similarity to that in the single bifurcation. However, these similarities do not spread to upstream cross-sections, suggesting that the influence of the downstream central bar is limited at the bifurcation junction. In a word, the effects of the upstream central bar on the flow structure in the confluence-bifurcation unit are in excess of those of the downstream central bar.

However, despite the influence of channel morphology, discharge may also have some important effects on the streamwise flow velocity distribution. On the one hand, when the central bars are exposed under the low discharge, the high-velocity zone is less concentrated in the confluence-bifurcation unit than in the single confluence, while it is more concentrated in the confluence-bifurcation unit than in the single bifurcation. On the other hand, it is noticed that when the central bars are fully submerged under the high discharge, reduced differences in flow structure between the confluence-bifurcation unit and the single confluence/bifurcation are witnessed, and thus the morphology effect seems to be subdued.

4.3. Implications

The present work unravels the flow structure in a laboratory-scale confluence-bifurcation unit and takes the first step to further investigating morphodynamics in such channel morphology. Based on the comparison with a single confluence/bifurcation, the findings provide insight into the complex 3D interactions between water flow and channel morphology. The distinct flow structure in the laboratory-scale confluence-bifurcation unit may appreciably alter sediment transport and morphological evolution, of which research is underway. As the basic morphological element of braided river planform is confluence-bifurcation units, the present work should have direct implications for flow structure in natural braided rivers. This is pivotal for the sustainable management of braided rivers which deals with water and land resources planning, eco-hydrological well-being, and infrastructure safety such as cross-river bridges and oil pipelines (Redolfi et al., 2019; Ragno et al., 2021).

Notably, braided rivers worldwide (e.g. in the Himalayas, North America, and New Zealand) have undergone increased pressures and will continue to evolve due to forces of global climate change and intensified anthropogenic activities (Caruso et al., 2017; Hicks et al., 2021; Lu et al., 2022). In particular, channel aggradation caused by increased sediment supply as well as exploitation of braidplain compromise space for flood conveyance, making the rivers prone to flooding. In this sense, an enhanced understanding of the flow structure under high discharge when central bars are fully submerged is essential for mitigating flooding hazards.

5. Conclusions


This study has numerically investigated the 3D flow structure in a laboratory-scale confluence-bifurcation unit based on the LES model integrated in the FLOW3D® software platform. Two different discharges are considered with the central bars fully submerged or exposed respectively when the discharge is high or low. Cases of a single confluence/bifurcation are included for comparison. The key findings of this paper are as follows:

  1. Several differences are highlighted in the comparison of the flow structure in the confluence-bifurcation unit between the two discharges. When the central bars are fully submerged under the high discharge, the mixing layer of two tributary flows is less obvious, and two high-velocity cores merge more rapidly as compared with those under the low discharge. Besides, flow separation zones are found neither at the confluence corner nor on both sides of the downstream bar when the central bars are fully submerged. Moreover, SCS seems to be smaller near the side banks under the high discharge than under the low discharge. Therefore, it is suggested that flow convergence/divergence is relatively weak in the confluence-bifurcation unit when central bars are fully submerged under the high discharge.
  2. From the upstream bar tail to the entrance of the bifurcation, the flow structure in the confluence-bifurcation unit is highly similar to that in the single confluence, while it exhibits great differences from that in the single bifurcation. Only at the downstream bar head does the flow structure in the confluence-bifurcation unit exhibit high similarity to that in the single bifurcation. Consequently, the effects of the upstream central bar on the flow structure in the confluence-bifurcation unit reign over those of the downstream central bar.
  3. Despite the influence of channel morphology, discharge may also have significant effects on the distribution of streamwise flow velocity. On the one hand, when the central bars are exposed under the low discharge, the high-velocity zone is less concentrated in the confluence-bifurcation unit than in the single confluence, while it is more concentrated in the confluence-bifurcation unit than in the single bifurcation. On the other hand, when the central bars are fully submerged under the high discharge, reduced differences in flow structure between the confluence-bifurcation unit and the single confluence/bifurcation are witnessed, and thus the morphology effect seems to be subdued.

It is noticed that the effects of other factors (e.g. confluence and bifurcation angles, bed discordance) on the flow structure in the confluence-bifurcation unit are not discussed here. Studies on these issues are warranted and reserved for future work.

Reference


  1. Ashmore, P. E. (1982). Laboratory modelling of gravel braided stream morphology. Earth Surface Processes and Landforms, 7(3), 201–225. https://doi.org/10.1002/esp.3290070301
  2. Ashmore, P. E. (1991). How do gravel-bed rivers braid? Canadian Journal of Earth Sciences, 28(3), 326–341. https://doi.org/10.1139/e91-030
  3. Ashmore, P. E. (2013). Morphology and dynamics of braided rivers. In J. Shroder, & (Editor in Chief) E. Wohl (Eds.), Treatise on geomorphology (Vol. 9, pp. 289–312). https://doi.org/10.1016/B978-0-12-374739-6.00242-6
  4. Ashmore, P. E., Ferguson, R. I., Prestegaard, K. L., Ashworth, P. J., & Paola, C. (1992). Secondary flow in anabranch confluences of a braided, gravel-bed stream. Earth Surface Processes and Landforms, 17(3), 299–311. https://doi.org/10.1002/esp.3290170308
  5. Ashworth, P. J. (1996). Mid channel bar growth and its relationship to local flow strength and direction. Earth Surface Processes and Landforms, 21(2), 103–123.
  6. Bertoldi, W., & Tubino, M. (2005). Bed and bank evolution of bifurcating channels. Water Resources Research, 41(7), W07001. https://doi.org/10.1029/2004WR003333
  7. Bertoldi, W., & Tubino, M. (2007). River bifurcations: Experimental observations on equilibrium configurations. Water Resources Research, 43(10), W10437. https://doi.org/10.1029/2007WR005907
  8. Best, J. L. (1987). Flow dynamics at river channel confluences: Implications for sediment transport and bed morphology. In F. G. Ethridge, R. M. Flores, & M. D. Harvey (Eds.), Recent developments in fluvial sedimentology (pp. 27–35).
  9. Best, J. L. (1988). Sediment transport and bed morphology at river channel confluences. Sedimentology, 35(3), 481–498. https://doi.org/10.1111/j.1365-3091.1988.tb00999.x
  10. Best, J. L., & Reid, I. (1984). Separation zone at open-channel junctions. Journal of Hydraulic Engineering, 110(11), 1588–1594. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1984)110:11(1588)
  11. Best, J. L., & Roy, A. G. (1991). Mixing-layer distortion at the confluence of channels of different depth. Nature, 350(6317), 411–413. https://doi.org/10.1038/350411a0
  12. Biron, P. M., Buffin-Bélanger, T., & Martel, N. (2019). Three-dimensional turbulent structures at a medium-sized confluence with and without an ice cover. Earth Surface Processes and Landforms, 44(15), 3042–3056. https://doi.org/10.1002/esp.4718
  13. Bombardelli, F. A., Meireles, I., & Matos, J. (2011). Laboratory measurements and multi-block numerical simulations of the mean flow and turbulence in the nonaerated skimming flow region of steep stepped spillways. Environmental Fluid Mechanics, 11(3), 263–288. https://doi.org/10.1007/s10652-010-9188-6
  14. Bradbrook, K. F., Biron, P. M., Lane, S. N., Richards, K. S., & Roy, A. G. (1998). Investigation of controls on secondary circulation in a simple confluence geometry using a three-dimensional numerical model. Hydrological Processes, 12(8), 1371–1396. https://doi.org/10.1002/(SICI)1099-1085(19980630)12:8<1371::AID-HYP620>3.0.CO;2-C
  15. Caruso, B., Newton, S., King, R., & Zammit, C. (2017). Modelling climate change impacts on hydropower lake inflows and braided rivers in a mountain basin. Hydrological Sciences Journal, 62(6), 928–946. https://doi.org/10.1080/02626667.2016.1267860
  16. Constantinescu, G., Miyawaki, S., Rhoads, B., & Sukhodolov, A. (2016). Influence of planform geometry and momentum ratio on thermal mixing at a stream confluence with a concordant bed. Environmental Fluid Mechanics, 16(4), 845–873. https://doi.org/10.1007/s10652-016-9457-0
  17. Constantinescu, G., Miyawaki, S., Rhoads, B., Sukhodolov, A., & Kirkil, G. (2011). Structure of turbulent flow at a river confluence with momentum and velocity ratios close to 1: Insight provided by an eddy-resolving numerical simulation. Water Resources Research, 47(5), W05507. https://doi.org/10.1029/2010WR010018
  18. De Serres, B., Roy, A. G., Biron, M. P., & Best, J. L. (1999). Three-dimensional structure of flow at a confluence of river channels with discordant beds. Geomorphology, 26(4), 313–335. https://doi.org/10.1016/S0169-555X(98)00064-6
  19. Duguay, J., Biron, P., & Buffin-Bélanger, T. (2022). Large-scale turbulent mixing at a mesoscale confluence assessed through drone imagery and eddy-resolved modelling. Earth Surface Processes and Landforms, 47(1), 345–363. https://doi.org/10.1002/esp.5251
  20. Egozi, R., & Ashmore, P. E. (2009). Experimental analysis of braided channel pattern response to increased discharge. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 114, F02012. https://doi.org/10.1029/2008JF001099
  21. Engel, F. L., & Rhoads, B. L. (2017). Velocity profiles and the structure of turbulence at the outer bank of a compound meander bend. Geomorphology, 295, 191–201. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2017.06.018
  22. Ettema, R., & Armstrong, D. L. (2019). Bedload and channel morphology along a braided, sand-bed channel: Insights from a large flume. Journal of Hydraulic Research, 57(6), 822–835. https://doi.org/10.1080/00221686.2018.1555557
  23. Federici, B., & Paola, C. (2003). Dynamics of channel bifurcations in noncohesive sediments. Water Resources Research, 39(6), 1162. https://doi.org/10.1029/2002WR001434
  24. Hackney, C. R., Darby, S. E., Parsons, D. R., Leyland, J., Aalto, R., Nicholas, A. P., & Best, J. L. (2018). The influence of flow discharge variations on the morphodynamics of a diffluence-confluence unit on a large river. Earth Surface Processes and Landforms, 43(2), 349–362. https://doi.org/10.1002/esp.4204
  25. Hicks, D. M., Baynes, E. R. C., Measures, R., Stecca, G., Tunnicliffe, J., & Fredrich, H. (2021). Morphodynamic research challenges for braided river environments: Lessons from the iconic case of New Zealand. Earth Surface Processes and Landforms, 46(1), 188–204. https://doi.org/10.1002/esp.5014
  26. Hirt, C. W., & Nichols, B. D. (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39(1), 201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
  27. Hua, Z. L., Gu, L., & Chu, K. J. (2009). Experiments of three-dimensional flow structure in braided rivers. Journal of Hydrodynamics, 21(2), 228–237. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(08)60140-7
  28. Hundey, E. J., & Ashmore, P. E. (2009). Length scale of braided river morphology. Water Resources Research, 45(8), W08409. https://doi.org/10.1029/2008WR007521
  29. Iwantoro, A. P., van der Vegt, M., & Kleinhans, M. G. (2022). Stability and asymmetry of tide-influenced river bifurcations. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 127(6), e2021JF006282. https://doi.org/10.1029/2021JF006282
  30. Jang, C. L., & Shimizu, Y. (2005). Numerical simulation of relatively wide, shallow channels with erodible banks. Journal of Hydraulic Engineering, 131, 565–575.
  31. Kelly, S. (2006). Scaling and hierarchy in braided rivers and their deposits: Examples and implications for reservoir modelling. In G. H. Smith, J. L. Best, C. S. Bristow, & G. E. Petts (Eds.), Braided rivers: Process, deposits, ecology and management (pp. 75–106).
  32. Lane, S. N., Bradbrook, K. F., Richards, K. S., Biron, P. M., & Roy, A. G. (2000). Secondary circulation cells in river channel confluences: Measurement artefacts or coherent flow structures? Hydrological Processes, 14(11-12), 2047–2071. https://doi.org/10.1002/1099-1085(20000815/30)14:11/12<2047::AID-HYP54>3.0.CO;2-4
  33. Le, T. B., Khosronejad, A., Sotiropoulos, F., Bartelt, N., Woldeamlak, S., & Dewall, P. (2019). Large-eddy simulation of the Mississippi River under base-flow condition: Hydrodynamics of a natural diffluence-confluence region. Journal of Hydraulic Research, 57(6), 836–851. https://doi.org/10.1080/00221686.2018.1534282
  34. Liu, C. B., Li, J., Bu, W. Y., Ma, W. X., Shen, G., & Yuan, Z. (2018). Large eddy simulation for improvement of performance estimation and turbulent flow analysis in a hydrodynamic torque converter. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 12(1), 635–651. https://doi.org/10.1080/19942060.2018.1489896
  35. Liu, Z. (2012). Investigation of flow characteristics around square cylinder with inflow turbulence. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 6(3), 426–446. https://doi.org/10.1080/19942060.2012.11015433
  36. Lu, G. W., Liu, J. X., Cao, Z. X., Li, Y. W., Lei, X. T., & Li, Y. (2023). A computational study of 3D flow structure in two consecutive bends subject to the influence of tributary inflow in the middle Yangtze River. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 17(1), 2183901. https://doi.org/10.1080/19942060.2023.2183901
  37. Lu, H. Y., Li, Z. W., Hu, X. Y., Chen, B., & You, Y. C. (2022). Morphodynamic processes in a large gravel–bed braided channel in response to runof change: A case study in the Source Region of Yangtze River. Arabian Journal of Geosciences, 15(5), 377. https://doi.org/10.1007/s12517-022-09641-y
  38. Luz, L. D., Szupiany, R. N., Parolin, M., Silva, A., & Stevaux, J. C. (2020). Obtuse-angle vs. confluent sharp meander bends: Insights from the Paraguay-Cuiabá confluence in the tropical Pantanal wetlands, Brazil. Geomorphology, 348, 106907. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2019.106907
  39. Marra, W. A., Parsons, D. R., Kleinhans, M. G., Keevil, G. M., & Thomas, R. E. (2014). Near-bed and surface flow division patterns in experimental river bifurcations. Water Resources Research, 50(2), 1506–1530. https://doi.org/10.1002/2013WR014215
  40. McLelland, S. J., Ashworth, P. J., Best, J. L., Roden, J., & Klaassen, G. J. (1999). Flow structure and transport of sand-grade suspended sediment around an evolving braid bar, Jamuna River, Bangladesh. Fluvial Sedimentology VI, 28, 43–57. https://doi.org/10.1002/9781444304213.ch4
  41. Miori, S., Hardy, R. J., & Lane, S. N. (2012). Topographic forcing of flow partition and flow structures at river bifurcations. Earth Surface Processes and Landforms, 37(6), 666–679. https://doi.org/10.1002/esp.3204
  42. Mosley, M. P. (1976). An experimental study of channel confluences. The Journal of Geology, 84(5), 535–562. https://doi.org/10.1086/628230
  43. Orfeo, O., Parsons, D. R., Best, J. L., Lane, S. N., Hardy, R. J., Kostaschuk, R., Szupiany, R. N., & Amsler, M. L. (2006). Morphology and flow structures in a large confluence-diffluence: Rio Parana, Argentina. In R. M. L. Ferreira, C. T. L. Alves, G. A. B. Leal, & A. H. Cardoso (Eds.), River Flow 2006 (pp. 1277–1282).
  44. Parsons, D. R., Best, J. L., Lane, S. N., Orfeo, O., Hardy, R. J., & Kostaschuk, R. (2007). Form roughness and the absence of secondary flow in a large confluence–diffluence, Rio Paraná, Argentina. Earth Surface Processes and Landforms, 32(1), 155–162. https://doi.org/10.1002/esp.1457
  45. Ragno, N., Redolfi, M., & Tubino, M. (2021). Coupled morphodynamics of river bifurcations and confluences. Water Resources Research, 57(1), e2020WR028515. https://doi.org/10.1029/2020WR028515
  46. Redolfi, M., Tubino, M., Bertoldi, W., & Brasington, J. (2016). Analysis of reach-scale elevation distribution in braided rivers: Definition of a new morphologic indicator and estimation of mean quantities. Water Resources Research, 52(8), 5951–5970. https://doi.org/10.1002/2015WR017918
  47. Redolfi, M., Zolezzi, G., & Tubino, M. (2019). Free and forced morphodynamics of river bifurcations. Earth Surface Processes and Landforms, 44(4), 973–987. https://doi.org/10.1002/esp.4561
  48. Rhoads, B. L., & Kenworthy, S. T. (1995). Flow structure at an asymmetrical stream confluence. Geomorphology, 11(4), 273–293. https://doi.org/10.1016/0169-555X(94)00069-4
  49. Rhoads, B. L., & Sukhodolov, A. N. (2001). Field investigation of three-dimensional flow structure at stream confluences: 1. Thermal mixing and time-averaged velocities. Water Resources Research, 37(9), 2393–2410. https://doi.org/10.1029/2001WR000316
  50. Roy, A. G., & Bergeron, N. (1990). Flow and particle paths at a natural river confluence with coarse bed material. Geomorphology, 3(2), 99–112. https://doi.org/10.1016/0169-555X(90)90039-S
  51. Roy, A. G., Roy, R., & Bergeron, N. (1988). Hydraulic geometry and changes in flow velocity at a river confluence with coarse bed material. Earth Surface Processes and Landforms, 13(7), 583–598. https://doi.org/10.1002/esp.3290130704
  52. Sambrook Smith, G. H., Ashworth, P. J., Best, J. L., Woodward, J., & Simpson, C. J. (2005). The morphology and facies of sandy braided rivers: Some considerations of scale invariance. In M. D. Blum, S. B. Marriott, & S. F. Leclair (Eds.), Fluvial sedimentology VII. International association of sedimentologists. Special Publication No. 35 (pp. 145–158). Blackwell.
  53. Sharifipour, M., Bonakdari, H., Zaji, A. H., & Shamshirband, S. (2015). Numerical investigation of flow field and flowmeter accuracy in open-channel junctions. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 9(1), 280–290. https://doi.org/10.1080/19942060.2015.1008963
  54. Shukry, A. (1950). Flow around bends in an open flume. Transactions of the American Society of Civil Engineers, 115(1), 751–778. https://doi.org/10.1061/TACEAT.0006426
  55. Smagorinsky, J. (1963). General circulation experiments with the primitive equations. Monthly Weather Review, 91(3), 99–164. https://doi.org/10.1175/1520-0493(1963)091<0099:GCEWTP>2.3.CO;2
  56. Sukhodolov, A. N., Krick, J., Sukhodolova, T. A., Cheng, Z. Y., Rhoads, B. L., & Constantinescu, G. S. (2017). Turbulent flow structure at a discordant river confluence: Asymmetric jet dynamics with implications for channel morphology. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 122(6), 1278–1293. https://doi.org/10.1002/2016JF004126
  57. Sukhodolov, A. N., & Sukhodolova, T. A. (2019). Dynamics of flow at concordant gravel bed river confluences: Effects of junction angle and momentum flux ratio. Journal of Geophysical Research: Earth Surface, 124(2), 588–615. https://doi.org/10.1029/2018JF004648
  58. Szupiany, R. N., Amsler, M. L., Hernandez, J., Parsons, D. R., Best, J. L., Fornari, E., & Trento, A. (2012). Flow fields, bed shear stresses, and suspended bed sediment dynamics in bifurcations of a large river. Water Resources Research, 48(11), W11515. https://doi.org/10.1029/2011WR011677.
  59. Thomas, R. E., Parsons, D. R., Sandbach, S. D., Keevil, G. M., Marra, W. A., Hardy, R. J., Best, J. L., Lane, S. N., & Ross, J. A. (2011). An experimental study of discharge partitioning and flow structure at symmetrical bifurcations. Earth Surface Processes and Landforms, 36(15), 2069–2082. https://doi.org/10.1002/esp.2231
  60. Thorne, C. R., Zevenbergen, L. W., Pitlick, J. C., Rais, S., Bradley, J. B., & Julien, P. Y. (1985). Direct measurements of secondary currents in a meandering sand-bed river. Nature, 315, 746–747. https://doi.org/10.1038/315746a0.
  61. van der Mark, C. F., & Mosselman, E. (2013). Effects of helical flow in one-dimensional modelling of sediment distribution at river bifurcations. Earth Surface Processes and Landforms, 38(5), 502–511. https://doi.org/10.1002/esp.3335
  62. Wang, X. G., Yan, Z. M., & Guo, W. D. (2007). Three-dimensional simulation for effects of bed discordance on flow dynamics at Y-shaped open channel confluences. Journal of Hydrodynamics, 19(5), 587–593. https://doi.org/10.1016/S1001-6058(07)60157-7
  63. Weber, L. J., Schumate, E. D., & Mawer, N. (2001). Experiments on flow at a 90° open-channel junction. Journal of Hydraulic Engineering, 127(5), 340–350. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:5(340)
  64. Xie, Q. C., Yang, J., & Lundström, T. S. (2020). Flow and sediment behaviours and morpho-dynamics of a diffluence−Confluence unit. River Research and Applications, 36(8), 1515–1528. https://doi.org/10.1002/rra.3697
  65. Xu, L., Yuan, S. Y., Tang, H. W., Qiu, J. J., Whittaker, C., & Gualtieri, C. (2022). Mixing dynamics at the large confluence between the Yangtze River and Poyang Lake. Water Resources Research, 58(11), e2022WR032195. https://doi.org/10.1029/2022WR032195
  66. Yuan, S. Y., Xu, L., Tang, H. W., Xiao, Y., & Gualtieri, C. (2022). The dynamics of river confluences and their effects on the ecology of aquatic environment: A review. Journal of Hydrodynamics, 34(1), 1–14. https://doi.org/10.1007/s42241-022-0001-z
  67. Yuan, S. Y., Yan, G. H., Tang, H. W., Xiao, Y., Rahimi, H., Aye, M. N., & Gualtieri, C. (2023). Effects of tributary floodplain on confluence hydrodynamics. Journal of Hydraulic Research, 61(4), 552–572. https://doi.org/10.1080/00221686.2023.2231413

Consumer Products | 소비자 제품의 설계 및 제조

자유 표면 흐름은 가정과 사무실 환경 모두에서 사용되는 소비자 제품의 설계 및 제조에서 일반적입니다. 예를 들어, 병 채우기는 매일 대규모로 이루어지는 프로세스입니다. 생산 속도를 극대화하면서 낭비를 최소화하도록 이러한 프로세스를 설계하면 시간이 지남에 따라 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다. FLOW-3D는 또한 스프레이 노즐을 설계하고 다공성 재료 및 기타 소비재 구성 요소의 흡수 기능을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다. FLOW-3D 의 공기 유입, 다공성 매체 및 표면 장력을 포함한 고급 다중 물리 모델을 사용하면 소비자 제품 설계를 정확하게 시뮬레이션하고 최적화하는 것이 쉽습니다.

충전재

유입된 공기는 생산 라인에서 용기를 채울 때 액체의 부피를 늘릴 수 있습니다. 아래 왼쪽 이미지는 높이가 약 20cm인 병을 1.2초 동안 채우는 것을 보여줍니다. 색상 음영은 액체에 있는 공기의 부피 분율을 나타냅니다. 병에서 혼합 시간이 짧고 혼합 정도가 높기 때문에 공기가 표면으로 올라가 빠져나갈 시간이 없었습니다. 그러나 오른쪽 이미지에서 볼 수 있듯이 약 1.7초의 추가 시간이 지나면 공기가 표면으로 올라가면서 발생하는 액체 부피 감소가 명확하게 보입니다.  FLOW-3D 의 드리프트 플럭스 모델을 사용하면 액체에 있는 기포와 같은 구성 요소를 분리하여 분리할 수 있습니다.

Tide® 병 충전의 빠른 평가

이 기사에서는  FLOW-3D를  사용하여 새로운 타이드 병 디자인의 충전을 모델링하는 방법을 설명하며,  Procter and Gamble Company의 기술 섹션 책임자인 John McKibben이 기고했습니다 .

지금 오전 9시인데 긴급 이메일을 받았다고 상상해보세요.

 방금 새로운 Tide® 병 디자인 중 하나가 손잡이에 채워지고 충전 장비에 문제가 생길 수 있다는 것을 깨달았습니다. 우리는 프로토타입 병이 없으며 몇 주 동안 없을 것입니다. 디자이너와 소비자는 디자인의 모습을 좋아하지만, 채우는 방식이 생산 시설에 쇼스토퍼가 될 수 있습니다.

이런 상황이 제게 주어졌을 때, 저는 3D 지오메트리(그림 1)의 스테레오 리소그래피(.stl) 파일을 요청하여 응답을 시작했고, 제가 무엇을 할 수 있는지 알아보고자 했습니다. 저는  FLOW-3D가  .stl 파일을 사용하여 지오메트리를 입력하고 충전을 위한 자유 표면 문제를 해결할 수 있을 것이라는 것을 알고 있었습니다. 저는 이것이 잠재적인 문제에 대한 좋은 정성적 이해를 제공할 것으로 기대했지만, 이 애플리케이션에 얼마나 정확할지에 대해 약간 불확실했습니다.

병의 기하학

시뮬레이션 설정 및 실행

오후 1시경에 저는 지오메트리 파일, 유량, 유체 특성을 받았습니다. 몇 시간 이내에 시뮬레이션이 실행되어 예비 결과가 나왔습니다. 저는 제 고객을 초대하여 결과를 잠깐 살펴보게 했고 그는 “사장의 상사”를 데려와서 살펴보게 했습니다. 그래서 저녁 5시경에 예비 결과를 살펴보고 원래 우려했던 것이 문제가 아니라는 것을 확인했습니다.

하지만 결과는 몇 가지 다른 의문을 제기했습니다. 손잡이에 채우면 유입 유체 제트가 많이 깨졌습니다. 이렇게 하면 유입 공기와 거품의 양이 늘어날 것이라는 걸 알았습니다(결국 세탁 세제를 채우고 있으니까요).  FLOW-3D  공기 유입 모델을 테스트하기로 했습니다. 이 모델은 원래 난류 제트용으로 개발되었고, 이 층류 문제를 살펴보면 얼마나 잘 수행될지 확신할 수 없었습니다.

병 채우기 시뮬레이션
그림 2: 채워진 결과
병 채우기 시뮬레이션 및 검증
그림 3: 실험 비교

그림 2는 공기 유입 모델이 있는 경우와 없는 경우 병 충전 모델의 결과를 보여줍니다. 유입 공기가 포함되면 충전 레벨이 상당히 증가한다는 점에 유의하십시오. 유입 공기가 병 상단에서 유체를 강제로 밀어내지는 않지만 공기 유입 정확도를 확인해야 할 만큼 충분히 가깝습니다. 그림 3은 공기 유입 레벨을 몇 주 후에 실행한 실험 이미지와 비교합니다(시제품 병이 출시된 후). 제트 분리 및 충전 레벨의 질적 일치는 우수하며 시뮬레이션이 병 설계를 선별하기에 충분히 정확하다는 것을 확인했습니다.

홍조

변기가 어떻게 작동하는지 궁금한 적이 있나요? 사실 꽤 복잡합니다. 손잡이를 밀면 물이 변기 그릇을 채우기 시작합니다. 변기 그릇의 유체 수위가 트랩 상단(변기 그릇 뒤) 위로 올라가면 웨어 유형의 흐름이 시작됩니다. 흐름이 ​​충분히 빠르면 변기 그릇에 거품이 형성되어 사이펀이 생성됩니다. 그 지점에서 사이펀이 변기 그릇에서 물을 끌어내고 변기가 물을 흘립니다. 많은 지역에서 물 절약은 중요한 문제이며, 저유량 변기는 가정과 상업용 모두에 필요합니다. 하지만 변기가 첫 번째 시도에서 제 역할을 하지 못하면 물 절약 목표는 달성되지 않습니다.  FLOW-3D를  사용하면 다양한 설계를 모델링하여 최적의 결과를 얻을 수 있습니다.

식품 가공

식품 가공 산업은 복잡한 유체, 일반적으로 비뉴턴 유체, 슬러리, 고체와 유체의 혼합물을 관리하여 분배 장비를 최적으로 설계하고 제조하기 위한 다양한 요구 사항이 있습니다. 이는 상업용 장비의 일관성과 내구성 및 품질에 필수적입니다. 또한 포장 디자인의 혁신을 통해 한 제품을 다른 제품과 명확히 구별할 수 있습니다. 예를 들어, 꿀, 케첩 또는 크리머를 깨끗하고 정확하게 분배하는 것은 소비자가 매장에서 내리는 선택일 수 있습니다. 운송 및 보관 요구 사항에는 더 나은 모양 엔지니어링과 더 많은 용기 재료 선택이 필요합니다. 1.5리터 물병이나 세탁 세제를 움직이거나 떨어뜨리는 동안의 유체 하중은 상류 설계의 중요한 부분이 될 수 있습니다.

꿀, 옥수수 시럽, 치약과 같은 점성 유체는 일반적으로 고체 표면에 닿으면 코일을 형성하는 경향이 있습니다. 이 효과는 관찰하기에 흥미롭고 재미있지만, 공기가 제품에 끌려들어 포장이 어려워질 수 있는 포장 공정에서는 환영받지 못할 수 있습니다. 코일링이 발생하는 조건은 유체의 점도, 유체가 떨어지는 거리, 유체의 속도에 따라 달라집니다.  FLOW-3D는  다양한 물리적 공정 매개변수를 연구하여 효율적인 공정을 설계하는 데 도움이 되는 정확한 도구를 제공합니다.

혼입

지난 수십 년 동안 컴퓨터화된 측정 및 시뮬레이션 기술의 발전으로 인해 혼합에 대한 이해가 크게 진전되었습니다. 유동 모델링 기술의 지속적인 발전 덕분에 혼합 장비의 유동 의존적 프로세스에 대한 자세한 통찰력을 CFD 소프트웨어를 사용하여 쉽게 시뮬레이션하고 이해할 수 있습니다. 오늘날 블렌딩에서 고체 현탁액, 재킷 반응기의 열 전달에서 발효에 이르기까지 광범위한 응용 분야가  FLOW-3D 의 혼합 기술을 사용하여 모델링됩니다.  FLOW-3D  시뮬레이션은 임펠러의 모든 구성과 모든 용기 형상의 혼합 조건에서 블렌딩 시간, 순환 및 전력 수와 같은 주요 혼합 매개변수를 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 실험적 방법을 사용하여 보완합니다. 이러한 장비의 유동 의존적 프로세스를 예측하고 이해하기 위해 CFD 소프트웨어를 사용하면 제품 품질을 향상시키고 많은 제품의 비용과 출시 시간을 모두 줄일 수 있습니다.

비뉴턴 유체

혈액, 케첩, 치약, 샴푸, 페인트, 로션과 같은 비뉴턴 유체는 다양한 점도를 가진 복잡한 유동학을 가지고 있습니다.  FLOW-3D  는 변형 및/또는 온도에 따라 달라지는 비뉴턴 점도를 가진 이러한 유체를 모델링합니다. 전단 및 온도에 따른 점도는 Carreau, 거듭제곱 법칙 함수 또는 단순히 표 형식의 입력을 통해 설명됩니다. 일부 폴리머, 세라믹 및 반고체 금속의 특징인 시간 종속 또는 틱소트로피 거동도 시뮬레이션할 수 있습니다.

핸드 로션 펌프는 종종 여러 가지 설계 문제와 관련이 있습니다. 펌프가 공기 공극을 가두지 않고 효과적으로 작동하고 로션의 연속적인 흐름을 생성하는 것이 중요합니다. 좋은 설계는 노력이 덜 필요하고 이상적으로는 로션을 원하는 곳으로 향하게 합니다. FLOW-3D 의 이동 객체 모델은 노즐이 아래로 눌리는 것을 시뮬레이션하여 저장소의 로션을 가압하는 데 사용됩니다. 로션의 압력과 로션을 추출하는 데 필요한 힘을 연구할 수 있습니다. 여러 설계 변수는 동일한 고정 구조 메시 내에서 쉽게 분석할 수 있습니다.

다공성 재료

다공성 매체에서 유체의 이동에 대한 수치 모델링은 어려울 수 있지만  FLOW-3D 에는 다공성 재료와 관련된 문제를 해결하는 데 유용한 기능이 많이 포함되어 있습니다. FAVOR™ 기술에는 사용자가 연속적인 다공성 매체를 표현할 수 있도록 하는 데 필요한 다공성 변수가 포함되어 있습니다.  FLOW-3D를 사용하면 사용자가 포화 및 불포화 흐름 조건을 모두 시뮬레이션할 수 있습니다. 거듭제곱 법칙 관계를 사용하면 불포화 흐름 조건에서 모세관 압력 과 포화  사이의 비선형 관계를 모델링  할 수 있습니다. 별도의 충전 및 배수 곡선을 사용하여 히스테리시스 현상을 모델링할 수 있습니다. 서로 직접 접촉하는 경우에도 서로 다른 다공성, 투과성 및 습윤성 속성을 서로 다른 장애물에 할당할 수 있습니다. 투과성은 흐름 방향에 따라 지정할 수 있으므로 사용자가 다공성 매체의 이방성 동작을 모델링할 수 있습니다. 유체와 다공성 매체 간의 열 전달을 고려할 수 있습니다.

분무

소용돌이 분무 노즐은 화학 세정제, 의약품 및 연료에서 액체를 분사하는 일반적인 방법입니다. 액체를 성공적으로 분무하려면 일반적으로 노즐로 침투하는 공기 코어를 형성해야 합니다. CFD는 최적의 분무 콘에 대한 기하학, 소용돌이 속도 및 유체 특성의 영향을 탐색하는 효과적인 방법입니다.

이 예에서 2차원 축대칭 소용돌이 흐름이 시뮬레이션되었습니다. 대칭 축을 따라 공기 코어가 노즐의 전체 길이를 거의 관통했습니다. 왼쪽 플롯은 평면에서 속도 분포를 나타내는 벡터가 있는 압력 분포입니다. 오른쪽 플롯은 속도의 소용돌이 구성 요소로 채색되어 있으며 빨간색은 더 높은 값을 나타냅니다.

분무 콘의 규모와 입자 크기가 너무 광범위하기 때문에 분무의 완전한 분무를 직접 계산하는 것은 불가능합니다. 또한 분무는 외부 교란, 노즐의 미세한 결함 및 기타 영향과 밀접하게 관련된 혼란스러운 프로세스입니다. 그러나 노즐을 떠날 때 분무 콘의 특성(예: 벽 두께, 콘 각도, 축 및 방위 속도)을 예측할 수 있다면 이러한 유형의 흐름 장치를 최적화하는 데 큰 도움이 됩니다.

소용돌이 스프레이 노즐
소용돌이 분무 노즐의 FLOW-3D 시뮬레이션

Products

자유 표면 흐름은 가정과 사무실 환경 모두에서 사용되는 소비자 제품의 설계 및 제조에서 일반적입니다.

예를 들어, 병 채우기는 매일 대규모로 진행되는 프로세스입니다. 생산 속도를 최대화하면서 낭비를 최소화하도록 이러한 프로세스를 설계하면 시간이 지남에 따라 상당한 비용 절감으로 이어질 수 있습니다. FLOW-3D는 또한 스프레이 노즐을 설계하고 다공성 재료 및 기타 소비재 구성 요소의 흡수 기능을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다.

공기 혼입, 다공성 매질 및 표면 장력을 포함한 FLOW-3D의 고급 다중 물리 모델을 사용하면 소비자 제품 설계를 정확하게 시뮬레이션하고 최적화 할 수 있습니다.


관련 기술자료

Schematic view of the experimental set-up

Short-time numerical simulation of ultrasonically assisted electrochemical removal of strontium from water

September 2023 DOI:10.30955/gnc2023.00436 Conference: 18th International Conference on Environmental Science and Technology CEST2023, 30 August to 2 September 2023, Athens, ...
The Fastest Laptops for 2024

FLOW-3D 수치해석용 노트북 선택 가이드

2024년 가장 빠른 노트북 PCMag이 테스트하는 방법 소개 : 기사 원본 출처: https://www.pcmag.com/picks/the-fastest-laptops CFD를 수행하기 위한 노트북 선정 기준은 별도로 ...
Figure 1. US bath modified as an EC reactor

물에서 초음파를 이용한 전기화학적 스트론튬 제거에 대한 단시간 수치 시뮬레이션

전기화학 반응기에 대한 3D 수치 시뮬레이션 및 측정을 사용하여 동시 초음파 처리 유무에 관계없이 물에서 스트론튬 제거 효율을 분석했습니다. 초음파는 ...
Figure 1. Three-dimensional finite element model of local scouring of semi-exposed submarine cable.

반노출 해저케이블의 국부 정련과정 및 영향인자에 대한 수치적 연구

Numerical Study of the Local Scouring Process and Influencing Factors of Semi-Exposed Submarine Cables by Qishun Li,Yanpeng Hao *,Peng Zhang,Haotian Tan,Wanxing Tian,Linhao ...
Validity evaluation of popular liquid-vapor phase change models for cryogenic self-pressurization process

극저온 자체 가압 공정을 위한 인기 있는 액체-증기 상 변화 모델의 타당성 평가

액체-증기 상 변화 모델은 밀폐된 용기의 자체 가압 프로세스 시뮬레이션에 매우 큰 영향을 미칩니다. Hertz-Knudsen 관계, 에너지 점프 모델 및 ...
Figure 3. Different parts of a Searaser; 1) Buoy 2) Chamber 3) Valves 4) Generator 5) Anchor system

데이터 기반 방법을 활용한 재생 가능 에너지 변환기의 전력 및 수소 생성 예측 지속 가능한 스마트 그리드 사례 연구

Fatemehsadat Mirshafiee1, Emad Shahbazi 2, Mohadeseh Safi 3, Rituraj Rituraj 4,*1Department of Electrical and Computer Engineering, K.N. Toosi University of ...
Figure 7. Comparison of Archimedean screw power performances P(W) for Q = 0.15 m3 /s and 0.30m3 /s and angles of orientation 22ο & 32ο .

CFD Simulations of Tubular Archimedean Screw Turbines Harnessing the Small Hydropotential of Greek Watercourses

Alkistis Stergiopoulou 1, Vassilios Stergiopoulos 21 Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktiven Wasserbau, B.O.K.U. University, Muthgasse 18, 1190 Vienna, (actually ...
Figure 1: Drawing of the experimental set-up, Figure 2: Experimental tank with locations of temperature sensors

실험 및 수치 시뮬레이션에 기반한 극저온 추진제 탱크 가압 분석

Analyses of Cryogenic Propellant Tank Pressurization based upon Experiments and Numerical SimulationsCarina Ludwig? and Michael Dreyer***DLR - German Aerospace Center, ...
Figure 1: Mold drawings

3D Flow and Temperature Analysis of Filling a Plutonium Mold

플루토늄 주형 충전의 3D 유동 및 온도 분석 Authors: Orenstein, Nicholas P. [1] Publication Date:2013-07-24Research Org.: Los Alamos National Lab ...
Fig. 6 LH2 isotherms at 1020 s.

액체-수소 탱크를 위한 결합된 열역학-유체-역학 솔루션

Coupled thermodynamic-fluid-dynamic solution for a liquid-hydrogen tank G. D. Grayson Published Online:23 May 2012 https://doi.org/10.2514/3.26706 Read Now Tools Share Introduction ...
EVGA 지포스 RTX 2060 KO 같은 현대적인 그래픽카드는 여러 디스플레이를 동시에 연결할 수 있다. ⓒ BRAD CHACOS/IDG

FLOW-3D POST용 그래픽 카드, 모니터 선택 가이드

High End Graphic Card 안내

원본 출처: https://www.videocardbenchmark.net/high_end_gpus.html

Update: 2024-11-28

PCI-Express(또는 PCI-E) 표준을 사용하는 최근 출시된 AMD 비디오 카드(예: AMD RX 6950 XT)와 nVidia 그래픽 카드(예: nVidia GeForce RTX 3090)는 하이엔드 비디오 카드 차트에서 흔히 볼 수 있습니다.

PassMark - G3D Mark High End Videocards
PassMark - G3D Mark High End Videocards / Price
PassMark – G3D Mark High End Videocards / Price

FLOW-3D POST 성능과 밀접한 그래픽카드의 이해

FLOW Science, inc의 최첨단 POST Processor인 FLOW-3D POST를 최대한 활용하려면 좋은 하드웨어가 있어야 합니다. 이 블로그에서 소프트웨어 엔지니어링의 GUI 개발자/관리자인 Stephen Sanchez는 이러한 하드웨어 권장 사항에 따라 최적의 FLOW-3D POST 경험을 얻을 수 있는 방법에 대해 정보를 제공 합니다.

고품질 그래픽 하드웨어

최소 3GB의 VRAM 이 있는 그래픽 카드로 시작하는 것이 좋습니다 . 이것은 많은 볼륨 렌더링을 수행할 경우 특히 중요합니다. 볼륨 렌더링은 FLOW-3D POST 의 고급 기능으로 iso-surface가 아닌 유체 도메인 전체에서 변수의 세부 사항을 시각화합니다. 이 기능은 매우 통찰력 있지만 후 처리 중에 효과적으로 사용하려면 좋은 하드웨어가 필요합니다.

다음으로 Intel 통합 그래픽을 기본 그래픽 하드웨어로 사용해서는 안됩니다. 인텔 통합 그래픽은 전용 그래픽 하드웨어가 있는 랩톱에서도 대부분의 랩톱에서 일반적입니다(자세한 내용은 아래 참조). 

대부분의 FLOW-3D POST 기능은 이 구성에서 작동하지 않으므로 Intel 통합 그래픽을 지원하지 않습니다. 

FLOW-3D POST 는 NVIDIA 그래픽 카드 와 함께 사용할 때 가장 잘 수행됩니다. FLOW-3D POST 가 잘 작동하는 것으로 확인되었으므로 Maxwell 아키텍처 제품군 이상의 NVIDIA 그래픽 하드웨어를 적극 권장 합니다. 

NVIDIA Quadro 카드는 가장 안정적인 것으로 입증되었습니다. 고급 AMD 카드도 작동해야 하지만 NVIDIA 하드웨어 및 드라이버만큼 안정적이지 않다는 사실을 발견 했으므로 항상 AMD보다 NVIDIA를 권장합니다.

노트북의 듀얼 그래픽 카드 – 간단하지만 숨겨진 솔루션

이제 많은 노트북에 NVIDIA 그래픽 카드와 Intel 통합 그래픽 간에 전환 할 수 있는 기능이 있습니다. NVIDIA 카드로 FLOW-3D POST 가 실행되고 있는지 확인하는 것이 중요합니다 . NVIDIA 제어판을 통해 NVIDIA 카드로 노트북을 강제로 실행할 수 있습니다.

그래픽 카드를 Nvidia로 전환

비디오 드라이버 업데이트

비디오 드라이버가 업데이트 되었는지 확인하는 것이 좋습니다. FLOW-3D POST 에서 비디오 드라이버를 업데이트하여 쉽게 해결할 수 있는 아티팩트 및 디스플레이 문제에 대한 보고가 있었습니다 . 비디오 드라이버를 최신 상태로 유지하는 것은 이러한 문제를 방지하는 좋은 방법입니다.

RAM, RAM, RAM!

메모리가 충분하지 않으면 시뮬레이션 후 처리가 불가능할뿐만 아니라 메모리 요구 사항을 인식하는 것이 중요합니다. 최대 10 배의 성능 저하로 이어질 수 있습니다! FLOW-3D POST 에 필요한 RAM 양은 여러 요소, 특히 시뮬레이션 크기에 따라 다릅니다. 사용자에게 최대한의 유연성을 제공하기 위해 메시의 셀 수에 따라 다음과 같은 RAM 권장 사항이 있습니다.

  • 초대형 (2 억 개 이상의 셀) : 최소 128GB
  • 대용량 (6 천 ~ 1 억 5 천만 셀) : 64-128GB
  • 중간 (3 천만 ~ 6 천만 셀) : 32-64GB
  • 소형 (3,000 만 셀 이하) : 최소 32GB

FLOW-3D POST 는 메모리 집약적 일 수 있습니다. 실행할 시뮬레이션 크기에 대한 대략적인 아이디어가 있는 경우, 이 지침을 가능한 한 잘 따르는 것이 좋습니다. 즉, 유연성을 극대화하고 가장 원활한 FLOW-3D POST 경험을 보장하기 위해 문제 크기에 관계없이 가능한 한 많은 RAM을 확보하는 것이 좋습니다.


그래픽 카드를 업그레이드 교체 설치하는 방법

그래픽 카드를 업그레이드하는 것은 성능 향상을 위한 좋은 방법이다. 그래픽 카드 업그레이드를 통해 시각적으로 고사양을 요구하는 POST 작업을 쉽게 소화할 수 있는 컴퓨터로 진화할 수 있다. 

업그레이드를 위한 그래픽 카드 구매시 고려 사항, 기존 PC에 적합한가? 

원하는 그래픽 카드를 결정하는 것은 복잡하고 미묘한 문제다. AMD와 엔비디아는 200달러 미만에서부터 최대 1,500달러에 이르는 지포스(GeForce) RTX 3090에 이르기까지 거의 모든 예산에 대한 선택지를 제공하기 때문이다.

카드의 소음, 발열, 전력 소비 등과 같은 사항을 고려할 수 있겠지만, 일반적으로는 비용 대비 가장 큰 효과를 제공하는 그래픽 카드를 원한다.

컴퓨터가 새 그래픽 카드를 지원하는 적절한 하드웨어인지 확인한다. 

사용자가 겪는 가장 일반적인 문제는 부적절한 파워 서플라이(power supply)다. 충분한 전력을 공급할 수 없거나 사용 가능한 PCI-E 전원 커넥터가 충분하지 않을 수 있다. 필자의 경험상 파워 서플라이는 적어도 제조업체에서 권장하는 파워 서플라이의 요구 사항을 충족해야 한다. 예를 들어, 350W를 소비하는 지포스 GTX 3090을 구입했다면 8핀 전원 커넥터 한 쌍과 함께 엔비디아에서 제안한 최소 750W의 전력 공급 장치를 갖춰야 한다. 

현재 파워 서플라이가 얼마나 많은 전력을 제공하는지 알아보려면 PC 본체를 열고 모든 파워 서플라이에 기본 정보가 나열된 표준 식별 스티커를 확인하면 된다. 또한 사용 가능한 6핀 및 8핀 PCI-E 커넥터의 수를 확인할 수 있다. 

ⓒ Thomas Ryan 파워서플라이
ⓒ Thomas Ryan 파워서플라이

마지막으로 본체 내부에 새 그래픽 카드를 넣을 충분한 공간이 있는지 확인한다. 일부 고급 그래픽 카드는 길이가 상당히 길어 30Cm 이상일 수 있으며, 확장 슬롯이 2개 또는 3개가 될 수 있다. 해당 그래픽 카드의 실제 크기는 제조업체 웹사이트에서 찾을 수 있다. 

여기까지 해결했다면 이제 본격적으로 설치 작업에 착수한다. 


생각보다 간단한 그래픽 카드 설치 작업

그래픽 카드 설치에는 새 그래픽 카드, 컴퓨터, 그리고 십자 드라이버 3가지만 있으면 된다. 설치하기 전 PC를 끄고 전원 플러그를 뽑는다. 

기존 GPU를 제거해야 하는 경우가 아니면, 먼저 프로세서의 방열판에 가장 가까운 긴 PCI-E x16 슬롯을 찾아야 한다. 이 슬롯은 메인보드의 첫 번째 또는 두 번째 확장 슬롯이다. 

이 슬롯에 접근을 차단하는 느슨한 전선이 없는지 확인한다. 기존 그래픽 카드를 교체하는 경우, 연결된 케이블을 모두 분리하고, PC 본체 후면 내부에 고정 브래킷에서 나사를 제거한 다음, 카드를 제거한다. 대부분의 메인보드에는 그래픽 카드를 제자리에 고정하는 PCI-E 슬롯 끝에 작은 플라스틱 걸쇠(latch)가 있다. 이 걸쇠를 눌러 이전 그래픽 카드의 잠금을 해제하고 분리한다.

ⓒ Thomas Ryan PCI-E x16 슬롯에 설치
ⓒ Thomas Ryan PCI-E x16 슬롯에 설치

이제 새 그래픽 카드를 개방형 PCI-E x16 슬롯에 설치할 수 있다. 카드를 슬롯에 완전히 삽입한 다음, PCI-E 슬롯 끝에 있는 플라스틱 걸쇠를 눌러 제자리에 고정한다. 그런 다음 나사를 사용해 그래픽 카드의 금속 고정 브래킷을 PC 본체에 고정한다. 덮개 브래킷 또는 이전 그래픽 카드를 고정했던 나사를 재사용할 수 있다. 

ⓒ Thomas Ryan 그래픽 카드에는 추가 전원 커넥터 연결
ⓒ Thomas Ryan 그래픽 카드에는 추가 전원 커넥터 연결

대부분의 게임용 그래픽 카드에는 추가 전원 커넥터가 필요하다. 추가 전원이 필요한 경우, 해당 PCI-E 전원 케이블을 연결했는지 확인한다. 전원이 제대로 공급되지 않으면 그래픽 카드가 제대로 작동하지 않는다. 이 PCI-E 전원 케이블을 연결하지 않으면 PC 자체가 부팅되지 않을 수 있다.  

그래픽 카드를 고정하고 난 후, 전원을 켠 상태에서 본체 측면 패널을 제자리로 밀어넣고 디스플레이 케이블을 새 그래픽 카드에 연결해 작업을 완료한다. 이제 컴퓨터를 켠다. 

이제 그래픽 카드의 소프트웨어를 업그레이드할 단계가 왔다. 

새 그래픽 카드가 이전 카드와 동일한 브랜드일 경우에는 절차가 간단하다. 제조업체의 웹사이트로 이동해 운영체제에 맞는 최신 드라이버 패키지를 다운로드한다. 그래픽 드라이버는 일반적으로 약 500MB로, 상당히 크다. 인터넷 연결 속도에 따라 다운로드하는 데 시간이 걸릴 수도 있다. 드라이버를 설치하고 컴퓨터를 다시 시작하면 이제 새 그래픽 카드가 제공하는 부드럽고 매끄러운 프레임 속도를 즐길 수 있다.
  
그래픽 카드 제조업체가 바뀐 경우(인털에서 AMD로, 혹은 AMD에서 인텔로), 새 그래픽 카드용 드라이버를 설치하기 전에 이전 그래픽 드라이버를 제거하고 컴퓨터를 다시 시작해야 한다. 이전 드라이버를 제거하지 않으면 새 드라이버와 충돌할 수 있다. 

editor@itworld.co.kr 기사 일부 발췌 인용

그래픽 카드 GPU 온도 확인하는 방법

그래픽 카드 온도 확인은 아주 쉽다. 윈도우에서 바로 온도를 확인할 수 있는 내장 도구도 추가됐다. 또한, 무료 GPU 모니터링 도구가 많이 있고 그중 대다수가 온도를 측정해준다. 조금 더 자세히 알아보자.

ⓒ MARK HACHMAN / IDG 그래픽카드 온도 확인
ⓒ MARK HACHMAN / IDG 그래픽카드 온도 확인

마이크로소프트가 윈도우 10 2020년 5월 업데이트에서 GPU 온도 모니터링 툴을 작업 관리자에 추가했다. 무려 24년이나 걸렸다.

Ctrl+Shift+Esc를 열어 작업 관리자 대화창을 열거나 Ctrl+Alt+Delete에서 ‘작업 관리자’를 선택하거나 윈도우 시작 메뉴 아이콘을 오른쪽 클릭해서 ‘작업 관리자’를 선택한다. 여기에서 ‘성능’ 탭으로 들어가면 왼쪽에 GPU를 확인할 수 있을 것이다. 윈도우 10 2020년 5월 업데이트 혹은 그 이후 버전의 윈도우가 설치되어 있을 때만 사용할 수 있는 기능이다.

하지만 이 기능은 매우 단순하다. 시간 흐름에 따른 온도 변화를 추적하지 않고, 현재의 온도만을 보여준다. 그리고 업무를 하거나 오버클럭 조정 중에 작업 관리자를 여는 것도 귀찮을 수 있다. 마침내 윈도우에 GPU 온도를 확인할 수 있는 기능이 들어간 것은 환영하지만, 뒤이어 설명할 서드파티 도구가 훨씬 더 나은 GPU 온도 확인 옵션을 제공한다.

AMD 라데온 그래픽 카드 사용자가 라데온 세팅(Radeon Setting) 앱을 최신 버전으로 유지하고 있다면 방법은 쉽다. 2017년 AMD는 시각 설정을 변경할 수 있는 라데온 오버레이(Radeon Overlay)를 출시했다. 여기에도 GPU 온도와 다른 중요한 정보를 확인할 수 있는 성능 모니터 기능이 있다.

프로그램을 활성화하려면 Alt+R 키를 눌러 라데온 오버레이를 불러온다. 성능 모니터링 섹션에서 원하는 탭을 선택한다. Ctrl+Shift + 0을 눌러서 성능 모니터링 도구 설정을 단독으로 불러올 수 있다.

라데온 세팅 앱에서 오버클럭 도구인 와트맨(Wattman)으로 이동해 GPU 온도를 확인할 수 있다. 윈도우 바탕 화면을 우클릭하고, 라데온 설정을 선택한 후 게이밍(Gaming) > 글로벌 세팅(Global Setting) > 글로벌 와트맨(Global Wattman) 항목으로 이동한다. 도구를 사용해 지나친 오버클럭으로 그래픽 카드를 날려버리지 않겠다고 서약한 후에는 와트맨에 액세스하고 GPU 온도, 그리고 그래프 형태로 된 핵심적 통계 수치를 볼 수 있다. 여기까지가 전부다.

라데온 사용자가 아닌 사람도 많을 것이다. 스팀의 하드웨어 설문 조사는 전체 응답자 PC 중 75%가 엔비디아 지포스 그래픽 카드를 탑재했다는 결과를 발표했다. 그리고 지포스 익스피리언스 소프트웨어는 GPU 온도 확인 기능을 제공하지 않아서 서드파티 소프트웨어의 손을 빌려야 한다.

그래픽 카드 제조 업체는 보통 GPU 오버 클럭을 위한 특수한 소프트웨어를 제공한다. 이 도구에는 라데온 오버레이처럼 가장 중요한 측정을 실행할 때 OSD(On-Screen Display)를 지속하는 옵션 등이 있다. 여러 종류 중에서 가장 추천하는 것은 다재다능함을 갖춘 MSI의 애프터버너(Afterburner) 도구다. 이 제품은 오랫동안 인기를 얻었는데 엔비디아 지포스, AMD 라데온 그래픽 카드 두 제품 모두에서 잘 작동하고, 반길 만한 다른 기능도 더했다.

IDG HWInfo는 언제나 누구에게나 적합한 모니터링 프로그램
IDG HWInfo는 언제나 누구에게나 적합한 모니터링 프로그램

GPU 온도에 전혀 관심이 없다면? 그렇다면 시스템의 온도 센서를 보여주는 모니터링 소프트웨어를 설치하면 편리할 것이다. HWInfo는 언제나 누구에게나 적합한 모니터링 프로그램으로, PC의 모든 부품의 가상 스냅샷을 보여준다. 스피드팬(SpeedFan) 과 오픈 하드웨어 모니터(Open Hardware Monitor)도 신뢰할 만한 서드파티 앱이다.

‘착한’ GPU 온도는 몇 도?

이제 그래픽 카드를 모니터링하는 소프트웨어를 갖췄다. 하지만 화면을 채우는 숫자는 맥락이 없이는 아무것도 아니다. 그래픽 카드 온도는 어디까지 괜찮은 것일까?

쉬운 대답은 없다. 제품마다 다르다. 이럴 때는 구글이 친구가 된다. 대다수 칩은 섭씨 90도 중반에도 작동하고, 게이밍 노트북에서도 90도까지 온도가 올라가는 경우가 흔히 있다. 그러나 일반 데스크톱 PC 온도가 90도 이상으로 올라간다면 구조 신호나 다름없다. 공기 흐름이 원활한 GPU 1대 시스템에서는 80도 이상 올라가면 위험하다. 팬이 여러 개 달린 커스텀 그래픽 카드는 무거운 워크로드 하에서도 60~70도가 적당하고, 수냉쿨러가 달린 GPU라면 온도가 더 낮아야 할 것이다.

그래픽 카드가 최근 5년 안에 생산된 제품이고 90도 이상으로 뜨거워진다면, 또는 최근 몇 주간 온도가 급격히 상승했다면 다음의 냉각 방법을 고려해보자.


그래픽 카드 온도 낮추는 법

그래픽 카드 온도가 높아졌을 때 하드웨어 업그레이드에 돈을 들이지 않고 개선하지 않기란 어렵다. 그러나 돈을 쏟아붓기 전에 정말 그래야 하는지 필요성을 점검해 보자. 다시 한번 강조하지만 그래픽 카드는 뜨거운 온도를 버틸 수 있도록 설계되어 있다. PC가 무거운 게임이나 영상 편집 중에 강제 종료되는 경우가 아니라면 아마도 걱정할 필요가 없을 것이다.

우선, 시스템의 케이블을 깨끗하게 정리해 GPU 주변의 공기가 원활하게 순환되는지 확인하라. 케이블이 깔끔하게 정리됐다면 케이스에 팬을 추가하는 것도 고려한다. 모든 PC는 최적의 성능을 위해 공기를 빨아들이고 내보내는 팬이 여럿 달려 있는데, POST PC라면 팬은 더 많아야 한다. 저렴한 팬은 10달러부터 구입할 수 있고, RGB 조명이 붙은 화려한 제품은 조금 더 가격이 높다.

마지막으로, GPU와 히트싱크의 써멀 페이스트가 오래되어 말라 있다면 효율이 떨어질 수 있다. 특히 오래된 그래픽 카드라면 더더욱 그렇다. 그리고 아주 드문 경우지만 품질이 좋지 않은 써멀 페이스트가 발라져서 출시되는 경우도 있다. 다른 방법이 모두 효과가 없다면 써멀 페이스트를 다시 바르는 것을 시도해보자. 그러나 과정이 매우 어려울 수 있고 카드마다 조금씩 다르고, 잘못 손댈 경우 사용자 보증 기한의 보호를 받을 수 없게 된다. 

온도를 확실하게 낮추려면 수랭 쿨러를 위한 쿨링 시스템을 고려한다. 대다수 사용자에게는 지나친 모험이지만 대부분 수냉쿨러는 발열과 노이즈 감소 효과가 확실하고 공기 냉각에 있어 병목 현상도 없다.


“업무 효율 향상의 기본” 멀티 모니터 구축 가이드

듀얼 모니터를 사용하면 업무 생산성이 높아진다는 연구 결과가 있지만, 모니터가 많을수록 생산성이 높아지는지 여부에 대해서는 아직 이렇다 할 근거는 없다. 그러나 업무 생산성을 생각하지 않더라도 모니터를 여러 대(3대~6대까지) 사용하는 것은 멋진 일이며, 많은 화면을 봐야 하는 엔지니어는 정말 필요할지도 모른다.

모니터를 세로로 세워두면 긴 문서를 볼 때 스크롤을 적게 해도 된다는 장점이 있다. 멀티 디스플레이 환경을 구축하기 위해 고려해야 할 모든 것들을 살펴보겠다.

멀티 모니터 구축 가이드(www.itworld.co.kr)
멀티 모니터 구축 가이드(www.itworld.co.kr)

1단계 : 그래픽 카드 확인하기

보조 모니터를 구입하기 전에 컴퓨터가 물리적으로 이 모든 모니터들을 감당할 수 있을지 점검해 봐야 한다. 가장 쉬운 방법은 PC의 뒷면을 보고, 그래픽 포트(DVI, HDMI, 디스플레이포트, VGA 등)가 몇 개나 있는지 확인하는 것이다.

별도의 그래픽 카드가 없다면 포트를 2개밖에 발견하지 못할 것이다. 그래픽이 통합된 대부분의 마더보드는 모니터 2개 밖에 설치하지 못한다. 별도의 그래픽 카드가 있다면, 마더보드의 포트를 제외하고 최소 3개의 포트를 발견할 수 있을 것이다.

팁 : 마더보드와 별도 그래픽 카드의 포트를 모두 이용해서 멀티 모니터를 설치할 수도 있지만, 이 경우 성능 저하와 모니터끼리의 속도 차이가 발생할 것이다. 그래도 이렇게 하고 싶다면, PC의 BIOS에서 Configuration > Video > Integrated graphics 로 진입한 다음, ‘always enable’로 설정한다.

그러나 별도의 그래픽 카드에 3개 이상의 포트가 있다고 해서 이것을 모두 동시에 사용할 수 있다는 의미는 아니다. 예를 들어서 구형 엔비디아 카드는 포트가 2개 이상이어도 하나의 카드에 모니터를 2개 이상 연결할 수 없다. 자신의 그래픽 카드가 멀티 모니터를 지원하는지 판단하는 가장 좋은 방법은 그래픽 카드 모델명을 찾아서 원하는 모니터 개수와 함께 검색하는 것이다. 예를 들어, ‘엔비디아 GTX 1660 모니터 4대’라고 검색하면 된다.

EVGA 지포스 RTX 2060 KO 같은 현대적인 그래픽카드는 여러 디스플레이를 동시에 연결할 수 있다. ⓒ BRAD CHACOS/IDG
EVGA 지포스 RTX 2060 KO 같은 현대적인 그래픽카드는 여러 디스플레이를 동시에 연결할 수 있다. ⓒ BRAD CHACOS/IDG

그래픽 카드가 원하는 만큼 충분히 모니터를 지원할 수 있으면 좋지만, 그렇지 않다면 추가 그래픽 카드를 구입해야 한다. 그래픽 카드를 추가로 구입하기 전 타워 안에 충분한 공간(PCI 슬롯)이 있는지, 전원 공급은 충분한지 확인해야 한다.

멀티 모니터용으로만 그래픽 카드를 구입한다면 최신 그래픽 카드 중에서도 저렴한 옵션을 선택하는 것이 좋다. 

아니면 멀티 스트리밍이 지원되는 디스플레이포트를 탑재한 신형 모니터를 사용하는 방법도 있다. 그래픽 카드의 디스플레이포트 1.2에 연결하고, 디스플레이포트 케이블을 사용해 다음 모니터로 연결하는 것이다. 모니터의 크기나 해상도가 같지 않아도 된다. 뷰소닉(ViewSonic)의 VP2468이 이런 제품 중 하나다. 아마존에서 약 210달러에 판매되는 이 24인치 모니터는 디스플레이포트 아웃 외에도 프리미엄 IPS 스크린, 아주 얇은 베젤 등 멀티 모니터 설정에 이상적인 특징을 제공한다.

2단계 : 모니터 선택하기 

그래픽 카드에 대해서 파악했다면 이제 추가 모니터를 구입할 차례다. 사용자에 따라서 기존에 사용하고 있는 모니터, 책상 크기, 추가 모니터 용도 등에 따라서 완벽한 모니터가 달라질 것이다.

필자의 경우, 이미 24인치 모니터 2대를 가지고 있었기 때문에 중앙에 설치할 더 큰 모니터가 필요해서 27인치 모니터를 선택했다. 게임을 하지 않기 때문에 모니터 크기 차이는 상관없었다. 하지만 사용자에 따라서 멀티 모니터로 POST를 하거나 동영상을 보기 위해서는 이러한 구성보다 같은 모니터를 연결하는 것이 더 좋을 것이다.

모니터를 구입하기 전에 PC와 모니터의 포트 호환성을 설펴야 한다. DVI-HDMI 혹은 디스플레이포트-DVI 등 전환해주는 케이블을 이용할 수도 있지만 다소 귀찮다. 그러나 PC나 모니터에 VGA 포트가 있다면, 교체를 권한다. VGA는 아날로그 커넥터이기 때문에 선명도가 떨어진다.

3단계 : PC설정

모니터를 구입하고 나면 PC에 연결하고 PC의 전원을 켠다. 이것으로 모니터 설치가 끝났다. 하지만 완전히 끝난 것은 아니다.

윈도우가 멀티 모니터 환경에서 잘 동작하게 만들어야 하는데, 윈도우 7이나 윈도우 8 사용자라면 바탕화면에서 오른쪽 클릭하고 ‘화면 해상도’를 선택한다. 윈도우 10 사용자라면 ‘디스플레이 설정’을 클릭한다. 그러면 디스플레이를 정렬할 수 있는 창이 나타난다.

ⓒ ITWorld 디스플레이 설정
ⓒ ITWorld 디스플레이 설정

여기서 모니터들이 모두 탐지되는지 확인할 수 있다. ‘식별’을 클릭하면 각 디스플레이에 큰 숫자가 나타난다. 주 모니터(작업 표시줄과 시작 버튼이 나타나는 모니터)로 사용할 모니터에 1번이 나타나야 하는데, 원하는 것을 선택한 다음 아래 여러 디스플레이 설정에서 ‘이 디스플레이를 주 모니터로 만들기’를 클릭한다. 그 다음 ‘다중 디스플레이’ 드롭다운 메뉴에서 복제할 것인지 확장할 것인지를 선택하면 되는데, 대부분의 경우 ‘디스플레이 확장’이 적합하다.

GPU 제어판에서도 다중 모니터를 설정할 수 있다. 바탕화면에서 오른쪽 클릭을 하고 엔비디아, AMD, 인텔 등 그래픽 제조사의 제어판 메뉴를 열어 윈도우와 유사한 방식으로 디스플레이를 설정할 수 있다.

멀티 디스플레이를 구축할 경우에는 같은 모델을 이용하는 것이 해상도나 선명도, 색보정 등의 문제가 발생하지 않아 ‘끊김 없는’ 경험을 할 수 있다.

FLOW-3D 수치해석용 컴퓨터 선택 가이드

Top 20 Fastest Desktops for 2024

Top 20 Fastest Desktops for 2024

Edit: 2024-11-28

원문 출처: https://www.pcbenchmarks.net/fastest-desktop.html

PositionScoreBL#CPU TypeCPU speed (MHz)#Phys. CPUsOSMotherboardRAMVideo cardDate uploaded
126331.82512517Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Pro for Workstations build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 50902025-03-27 13:04:55
225231.92667231Intel Core i9-14900KS31881Windows 11 Pro for Workstations build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z790 APEX ENCORE49.0 GBGeForce RTX 50902025-06-01 19:02:22
325140.32102766Intel Core i9-14900KS31881Windows 11 Pro for Workstations build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z790 APEX ENCORE49.0 GBGeForce RTX 40902024-05-16 19:37:40
425070.22912009Intel Core Ultra 9 285K36871Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 40902025-09-16 06:38:14
525006.12547265Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 40902025-04-11 08:42:11
624725.52460587AMD Ryzen Threadripper 7980X32001Windows 11 Pro for Workstations build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. Pro WS TRX50-SAGE WIFI130.6 GBGeForce RTX 50902025-03-05 20:36:17
724689.82094503Intel Core i9-14900KF31881Windows 11 Pro for Workstations build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z790 APEX ENCORE49.0 GBGeForce RTX 40902024-05-05 15:30:09
824613.32539005Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 40902025-04-07 19:05:52
924598.32725366Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Professional Edition build 22000 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.6 GBGeForce RTX 40902025-06-27 08:44:08
1024550.71756060Intel Core i9-13900KS31881Windows 10 Home build 19045 (64-bit)Micro-Star International Co., Ltd. MAG Z790 TOMAHAWK WIFI DDR4(MS-7D91)32.5 GBGeForce RTX 40902023-02-27 01:36:21
1124401.73038462Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Professional Edition build 26200 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 40902025-11-08 16:59:04
1224359.62808704Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Professional Edition build 22621 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 40902025-08-02 10:29:04
1324190.32538133Intel Core Ultra 9 285K36861Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z890 APEX48.7 GBGeForce RTX 40902025-04-07 10:56:35
1424034.13007434Intel Core Ultra 9 285K36871Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. Z890 AYW GAMING WIFI W48.5 GBRadeon RX 7900 XTX2025-10-27 00:37:31
1524008.82086170Intel Core i9-14900KF31871Windows 11 Pro for Workstations build 22631 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z790 APEX ENCORE32.6 GBGeForce RTX 40902024-04-25 01:38:41
1623924.41989560Intel Core i9-13900KS31881Windows 11 Pro for Workstations build 22631 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z790 APEX ENCORE32.6 GBGeForce RTX 40902024-01-06 11:51:42
1723682.33059816Intel Core Ultra 9 285K36871Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)Gigabyte Technology Co., Ltd. Z890 AERO G48.6 GBRadeon RX 7900 XTX2025-11-17 01:14:07
1823223.22424595AMD Ryzen Threadripper 7980X31951Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. Pro WS TRX50-SAGE WIFI130.6 GBGeForce RTX 50802025-02-18 11:51:03
1923193.02424914AMD Ryzen Threadripper 7980X31961Windows 11 Professional Edition build 26100 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. Pro WS TRX50-SAGE WIFI130.6 GBGeForce RTX 50802025-02-18 14:23:51
2023117.01986111Intel Core i9-14900K31871Windows 11 Pro for Workstations build 22631 (64-bit)ASUSTeK COMPUTER INC. ROG MAXIMUS Z790 APEX ENCORE32.6 GBGeForce RTX 40902024-01-02 23:37:24

CPU 벤치마크

아래는 차트에 나타나는 모든 단일 및 다중 소켓 CPU 유형의 목록입니다. 열특정 프로세서 이름을 클릭하면 해당 프로세서가 나타나는 차트로 이동하여 강조 표시됩니다.

https://www.cpubenchmark.net/CPU_mega_page.html

CPU NameCoresCPU MarkThread Mark TDP (W) SocketCategory
[Dual CPU] AMD EPYC 9J45128201,3353,488NAUnknownServer
[Dual CPU] AMD EPYC 965596200,5553,869400SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9575F64200,1974,255400SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9755128198,5883,505500SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9K65192187,9233,176NASP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9965192183,2143,106500SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 955564182,4713,743360SP5Server
AMD Ryzen Threadripper PRO 9995WX96176,3414,575350sTR5Desktop, Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9745128173,7173,157400SP5Server
AMD EPYC 9755128166,3283,503500SP5Server
AMD EPYC Embedded 9755128164,0103,508500UnknownMobile/Embedded
[Dual CPU] Intel Xeon 6960P72160,7853,164500FCLGA7529Server
AMD EPYC 9965192160,7783,210500SP5Server
AMD EPYC 9655P96160,4903,849400SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9475F48159,7653,6834000SP5Server
AMD EPYC 9B4532158,7903,540390SP5Server
[Quad CPU] Intel Xeon Platinum 8490H60157,1562,925350FCLGA4677Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6767P64157,0283,298350FCLGA4710Server
AMD EPYC 965596156,1103,847400SP5Server
AMD Ryzen Threadripper PRO 9985WX64154,3614,512350sTR5Desktop, Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9845160153,2653,105390SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6760P64153,1873,214330FCLGA4710Server
AMD EPYC 9845160152,9853,144390SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9684X96150,9742,893400SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6787P86148,8963,137350FCLGA4710Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9474F48147,8983,212360SP5Server
AMD EPYC 9575F64147,5414,152400SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 965496145,4212,786360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9B1496145,3972,859NAUnknownServer
AMD Ryzen Threadripper PRO 7995WX96143,0173,830350sTR5Desktop, Server
[Dual CPU] AMD EPYC 955464142,4922,948360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 963484142,2812,863290SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6747P48142,2573,227330FCLGA4710Server
AMD Ryzen Threadripper 9980X64142,0694,526350sTR5Desktop
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8592+64139,9243,215350FCLGA4677Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 857056137,5883,224350FCLGA4677Server
AMD Ryzen Threadripper 7980X64135,7874,014350sTR5Desktop
AMD EPYC 9555P64135,4413,736360SP5Server
AMD EPYC 956572135,2213,696400SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 953464135,0592,882280SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8558P48133,2233,217350FCLGA4677Server
AMD Ryzen Threadripper PRO 7985WX64132,9463,962350sTR5Desktop, Server
[Dual CPU] AMD EPYC 933532132,4383,741210SP5Server
[Quad CPU] AMD Instinct MI300A Accelerator24132,0202,926550UnknownServer
AMD EPYC 9745128130,6982,806400SP5Server
Intel Xeon 6960P72130,6593,287500FCLGA7529Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9734112130,0342,369340SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9754128130,0152,362360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 945448129,7012,982290SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8488C48127,2073,096385UnknownServer
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8568Y+48127,1723,033350FCLGA4677Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6737P32127,0753,366270FCLGA4710Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8480+56126,3532,996350FCLGA4677Server
AMD EPYC 9B1496126,2882,897NAUnknownServer
[Dual CPU] Intel Xeon 6736P36125,4443,445205FCLGA4710Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9374F32125,2593,264320SP5Server
AMD EPYC 9J1496124,6372,903NASP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6530P32124,4343,453225FCLGA4710Server
[Quad CPU] Intel Xeon Gold 6448H32123,3612,664250FCLGA4677Server
AMD EPYC 9475F48122,4763,7794000SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon 6740P48122,1653,185270FCLGA4710Server
AMD EPYC 9684X96122,0172,892400SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9384X32121,5603,085320SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 846848121,2192,967350FCLGA4677Server
AMD EPYC 965496119,2462,898360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7J1364119,1342,594NAUnknownServer
[Dual CPU] Intel Xeon 6730P32118,8743,215250FCLGA4710Server
Intel Xeon 6781P80117,9463,152350FCLGA4710Server
AMD EPYC 9V7480117,6062,888400SP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8458P44117,1362,841350FCLGA4677Server
AMD EPYC 9455P48116,9263,747300SP5Server
AMD EPYC 9R1496116,4752,920NAUnknownServer
AMD EPYC 9654P96116,3242,731360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7T8364115,5222,540280SP3Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 858060114,4072,402350FCLGA4677Server
AMD EPYC 9D25126114,2752,481NAUnknownServer
[Dual CPU] AMD Ryzen Threadripper PRO 3995WX64113,6932,559280sWRX8Desktop, Server
[Dual CPU] AMD EPYC 935432113,5442,934280SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 776364113,4412,446280SP3Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9274F24112,9433,371NASP5Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8462Y+32111,2343,054300FCLGA4677Server
[Dual CPU] Intel Xeon Max 948056111,2132,528350FCLGA4677Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7B1364110,9442,461240UnknownServer
[Dual CPU] Intel Xeon Gold 6554S36110,8353,267270FCLGA4677Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7773X64110,4122,445280SP3Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8457C48109,9052,564NAFCLGA4677Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 847052109,6102,485350FCLGA4677Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7R1348109,3482,438NAUnknownServer
[Dual CPU] AMD EPYC 771364109,2072,454225SP3Server
[Dual CPU] AMD EPYC 933432109,1093,042NASP5Server
AMD Ryzen Threadripper 9970X32108,4404,536350sTR5Desktop
[Dual CPU] AMD EPYC 7Y8364108,2812,622280SP3Mobile/Embedded
AMD EPYC 963484107,9442,924290SP5Server
AMD Ryzen Threadripper PRO 9975WX32106,9424,439350sTR5Desktop, Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 855848105,5342,554330FCLGA4677Server
AMD EPYC 9554P64104,9202,737360SP5Server
AMD EPYC 955464104,3362,909360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7573X32103,4662,665280SP3Server
[Dual CPU] Intel Xeon Platinum 8562Y+32102,8772,912300FCLGA4677Server
[8-Way CPU] Intel Xeon E7-8890 v4 @ 2.20GHz24102,4112,211165LGA2011-v3Server
AMD EPYC 9734112102,2862,310340SP5Server
AMD EPYC 9474F48102,2553,155360SP5Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7K8364102,0532,458NAUnknownServer
Intel Xeon 6747P48101,6853,236330FCLGA4710Server
[Dual CPU] AMD EPYC 75F332101,4292,664280SP3Server
Intel Xeon 6741P48100,6603,195300FCLGA4710Server
[Dual CPU] Intel Xeon Gold 6448Y32100,6423,065225FCLGA4677Server
[Dual CPU] AMD EPYC 7V1364100,3182,171240SP3Server
[Dual CPU] AMD EPYC 9175F1699,8063,610320SP5Server
AMD Ryzen Threadripper 7970X3299,1824,169350sTR5Desktop
[Dual CPU] Intel Xeon 6520P2499,0163,349210FCLGA4710Server
[Dual CPU] AMD Ryzen Threadripper PRO 3975WX3298,8112,676280sWRX8Desktop, Server

Hardware Selection for FLOW-3D Products – FLOW-3D

부분 업데이트 / ㈜에스티아이씨앤디 솔루션사업부

In this blog, Flow Science’s IT Manager Matthew Taylor breaks down the different hardware components and suggests some ideal configurations for getting the most out of your FLOW-3D products.

개요

본 자료는 Flow Science의 IT 매니저 Matthew Taylor가 작성한 자료를 기반으로 STI C&D에서 일부 자료를 보완한 자료입니다. 본 자료를 통해 FLOW-3D 사용자는 최상의 해석용 컴퓨터를 선택할 때 도움을 받을 수 있을 것으로 기대합니다.

수치해석을 하는 엔지니어들은 사용하는 컴퓨터의 성능에 무척 민감합니다. 그 이유는 수치해석을 하기 위해 여러 준비단계와 분석 시간들이 필요하지만 당연히 압도적으로 시간을 소모하는 것이 계산 시간이기 때문일 것입니다.

따라서 수치해석용 컴퓨터의 선정을 위해서 단위 시간당 시스템이 처리하는 작업의 수나 처리량, 응답시간, 평균 대기 시간 등의 요소를 복합적으로 검토하여 결정하게 됩니다.

또한 수치해석에 적합한 성능을 가진 컴퓨터를 선별하는 방법으로 CPU 계산 처리속도인 Flops/sec 성능도 중요하지만 수치해석을 수행할 때 방대한 계산 결과를 디스크에 저장하고, 해석결과를 분석할 때는 그래픽 성능도 크게 좌우하기 때문에 SSD 디스크와 그래픽카드에도 관심을 가져야 합니다.

FLOW SCIENCE, INC. 에서는 일반적인 FLOW-3D를 지원하는 최소 컴퓨터 사양과 O/S 플랫폼 가이드를 제시하지만, 도입 담당자의 경우, 최상의 조건에서 해석 업무를 수행해야 하기 때문에 가능하면 최고의 성능을 제공하는 해석용 장비 도입이 필요합니다. 이 자료는 2022년 현재 FLOW-3D 제품을 효과적으로 사용하기 위한 하드웨어 선택에 대해 사전에 검토되어야 할 내용들에 대해 자세히 설명합니다. 그리고 실행 중인 시뮬레이션 유형에 따라 다양한 구성에 대한 몇 가지 아이디어를 제공합니다.

CPU 최신 뉴스

2025년 11월 26일 기준

CPU Benchmarks
이미지 출처 : https://www.cpubenchmark.net/high_end_cpus.html

CPU의 선택

CPU는 전반적인 성능에 큰 영향을 미치며, 대부분의 경우 컴퓨터의 가장 중요한 구성 요소입니다. 그러나 데스크탑 프로세서를 구입할 때가 되면 Intel 과 AMD의 모델 번호와 사양을 이해하는 것이 어려워 보일 것입니다.
그리고, CPU 성능을 평가하는 방법에 의해 가장 좋은 CPU를 고른다고 해도 보드와, 메모리, 주변 Chip 등 여러가지 조건에 의해 성능이 달라질 수 있기 때문에 성능평가 결과를 기준으로 시스템을 구입할 경우, 단일 CPU나 부품으로 순위가 정해진 자료보다는 시스템 전체를 대상으로 평가한 순위표를 보고 선정하는 지혜가 필요합니다.

<출처>https://www.cpubenchmark.net/high_end_cpus.html

수치해석을 수행하는 CPU의 경우 예산에 따라 Core가 많지 않은 CPU를 구매해야 하는 경우도 있을 수 있습니다. 보통 Core가 많다고 해석 속도가 선형으로 증가하지는 않으며, 해석 케이스에 따라 적정 Core수가 있습니다. 이 경우 예산에 맞는 성능 대비 최상의 코어 수가 있을 수 있기 때문에 Single thread Performance 도 매우 중요합니다. 아래 성능 도표를 참조하여 예산에 맞는 최적 CPU를 찾는데 도움을 받을 수 있습니다.

CPU 성능 분석 방법

부동소수점 계산을 하는 수치해석과 밀접한 Computer의 연산 성능 벤치마크 방법은 대표적으로 널리 사용되는 아래와 같은 방법이 있습니다.

FLOW-3D의 CFD 솔버 성능은 CPU의 부동 소수점 성능에 전적으로 좌우되기 때문에 계산 집약적인 프로그램입니다. 현재 출시된 사용 가능한 모든 CPU를 벤치마킹할 수는 없지만 상대적인 성능을 합리적으로 비교할 수는 있습니다.

특히, 수치해석 분야에서 주어진 CPU에 대해 FLOW-3D 성능을 추정하거나 여러 CPU 옵션 간의 성능을 비교하기 위한 최상의 옵션은 Standard Performance Evaluation Corporation의 SPEC CPU2017 벤치마크(현재까지 개발된 가장 최신 평가기준임)이며, 특히 SPECspeed 2017 Floating Point 결과가 CFD Solver 성능을 매우 잘 예측합니다.

이는 유료 벤치마크이므로 제공된 결과는 모든 CPU 테스트 결과를 제공하지 않습니다. 보통 제조사가 ASUS, Dell, Lenovo, HP, Huawei 정도의 제품에 대해 RAM이 많은 멀티 소켓 Intel Xeon 기계와 같은 값비싼 구성으로 된 장비 결과들을 제공합니다.

CPU 비교를 위한 또 다른 옵션은 Passmark Software의 CPU 벤치마크입니다. PerformanceTest 제품군은 유료 소프트웨어이지만 무료 평가판을 사용할 수 있습니다. 대부분의 CPU는 저렴한 옵션을 포함하여 나열됩니다. 부동 소수점 성능은 전체 벤치마크의 한 측면에 불과하지만 다양한 워크로드에서 전반적인 성능을 제대로 테스트합니다.

예산을 결정하고 해당 예산에 해당하는 CPU를 선택한 후에는 벤치마크를 사용하여 가격에 가장 적합한 성능을 결정할 수 있습니다.

<참고>

SPEC의 벤치 마크https://www.spec.org/benchmarks.html#cpu )

SPEC CPU 2017 (현재까지 가장 최근에 개발된 CPU 성능측정 기준)

다른 컴퓨터 시스템에서 컴퓨팅 계산에 대한 집약적인 워크로드를 비교하는데 사용할 수 있는 성능 측정을 제공하도록 설계된 SPEC CPU 2017에는 SPECspeed 2017 정수, SPECspeed 2017 부동 소수점, SPECrate 2017 정수 및 SPECrate 2017 부동 소수점의 4 가지 제품군으로 구성된 43 개의 벤치 마크가 포함되어 있습니다. SPEC CPU 2017에는 에너지 소비 측정을 위한 선택적 메트릭도 포함되어 있습니다.

<SPEC CPU 벤치마크 보고서>

벤치마크 결과보고서는 제조사별, 모델별로 테스트한 결과를 아래 사이트에 가면 볼 수 있습니다.

https://www.spec.org/cgi-bin/osgresults

<보고서 샘플>

  • SPEC CPU 2017

Designed to provide performance measurements that can be used to compare compute-intensive workloads on different computer systems, SPEC CPU 2017 contains 43 benchmarks organized into four suites: SPECspeed 2017 Integer, SPECspeed 2017 Floating Point, SPECrate 2017 Integer, and SPECrate 2017 Floating Point. SPEC CPU 2017 also includes an optional metric for measuring energy consumption.

고성능 컴퓨팅 성능 기준 FLOP의 이해

출처: https://www.itworld.co.kr/article/4113033

플롭은 부동소수점 연산 1회를 뜻하며, 소수점이 있는 숫자를 대상으로 한 번의 산술 계산(덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈)을 의미한다. 컴퓨팅 벤치마킹에서 정수보다 부동소수점을 쓰는 이유는 정수보다 측정 지표로서 정확도가 훨씬 높기 때문이다.

플롭 앞에는 1초 동안 수행하는 연산 횟수를 나타내는 접두어가 붙으며, 메가플롭(1초당 100만 회)부터 기가플롭(10억), 테라플롭(1조), 페타플롭(1천조), 그리고 최근에는 엑사플롭(100경)까지 확장됐다. 최근 몇 년 동안 업계가 엑사플롭 달성 경쟁에 매달린 이유는 마법 같은 성능 도약이나 대발견 때문이 아니라, 단지 자랑거리를 위한 것이었다.

컴퓨팅에서 부동소수점 정밀도는 FP4, 즉 4비트 부동소수점에서 시작해 FP64까지 두 배씩 커진다. 이론적으로 FP128도 있지만, 지표로는 사실상 쓰지 않는다. FP64는 IEEE 754 표준에 따른 64비트 배정밀도(double-precision) 부동소수점 형식으로도 불리며, 실수를 높은 정확도로 표현하기 위한 규격이다.

FP64는 정밀도가 높기 때문에 계산하는 데 가장 많은 시간이 필요하다. FP64 계산 시간은 FP32의 2배, FP16의 4배가 걸리지만, 계산 정확도는 FP32의 2배, FP16의 4배에 해당한다. 메모리 사용량도 같은 원리로 FP64가 FP32의 2배, FP16의 4배를 사용한다.

매년 6월과 11월에 집계·발표되는 톱500 슈퍼컴퓨터 목록은 슈퍼컴퓨터 성능을 FP64 기준으로 측정하며, 슈퍼컴퓨터에 가장 가혹한 스트레스 테스트로 통한다.

톱500 목록이 32비트나 16비트가 아니라 64비트로 측정되는 이유는 톱500 목록이 과학 컴퓨팅 애플리케이션의 대리 지표이며 과학 컴퓨팅 애플리케이션이 여전히 계산에서 64비트 정확도에 주로 의존하기 때문이다. HPC·슈퍼컴퓨팅 전문 시장조사업체 인터섹트 360의 CEO 애디슨 스넬은 “일부 영역에서 정밀도를 낮춰 속도를 더 낼 수 있지 않느냐는 지적도 있고 중요하지 않은 영역에서 과도한 계산을 하고 있지 않느냐는 질문도 나오지만, 과학 컴퓨팅에서는 64비트가 여전히 사실상 표준이다”라고 말했다.

스넬은 FP64가 과학 컴퓨팅의 거의 모든 분야에서 쓰인다고 말했다. 연구 영역에서는 유체가 포함돼 높은 정확도로 모델링해야 하는 기상 시뮬레이션이나 해양 모델링이 포함된다. 또한, 자동차 충돌 시뮬레이션, 항공기 날개 공력 분석, 석유 시추 지점을 찾기 위한 탄성파 분석, 신약 설계를 위한 분자 모델링 같은 폭넓은 상용 애플리케이션에도 적용된다. 이런 애플리케이션은 계산을 위해 높은 수준의 과학적 정밀도를 요구한다고 말했다.

그 다음 단계는 FP32, 즉 단정밀도 부동소수점이다. FP32는 생명과학 시뮬레이션과 금융 모델링에도 쓰이며, 모델 요구 수준이 그리 엄격하지 않아 FP32를 써도 되는 경우에 주로 사용된다.

FP16은 AI 추론에서 일상적으로 쓰이지만, AI 학습은 FP64에 전적으로 의존한다. 이유는 간단하다. 예를 들어 AI로 개나 고양이 이미지를 구분하도록 학습시킨다고 가정해 보자. 개나 고양이를 구성하는 특징을 인식하려면 FP64의 미세한 정밀도가 필요하다. 학습이 끝나면 작업은 패턴 매칭으로 바뀌며, 개 이미지인지 고양이 이미지인지 판단하는 데는 덜 부담스러운 FP16으로도 충분하다. 스넬은 언어 학습이나 인식에서도 비슷하게, 말할 때 단어 하나를 약간 틀리게 발음해도 AI는 대체로 의도를 파악한다고 설명했다.

16비트 정밀도에는 bfloat16이라는 두 번째 형태도 있다. bfloat는 구글의 텐서 프로세서용으로 처음 개발됐지만, 이후 인텔과 AMD, 엔비디아에 라이선스를 제공했다. bfloat는 유연한 가변 형식인 반면 FP16은 매번 동일한 16비트 형식이다. 스넬은 “기술적으로 복잡하지만 결론은 bfloat가 FP16보다 정밀도는 낮고 속도는 더 빠르기 때문에 주요 칩 업체가 모두 bfloat를 쓴다”라고 설명했다.

마지막으로 FP8과 FP4가 있다. FP8은 정밀도 요구가 낮은 추론 처리 연산에 사용한다. 또 다른 핵심 용도는 오류 허용도가 더 높은 신경망 학습이다. 연산 부담이 적은 작업을 수행하는 엣지 컴퓨팅에서도 쓰인다. FP8은 GPU에서만 쓰이며, 인텔과 AMD 프로세서에서는 쓰지 않는다.

클럭 대 코어

일반적으로 클럭 속도가 높은 칩은 CPU 코어를 더 적게 포함합니다. FLOW-3D는 병렬화가 잘되어 있지만, 디스크 쓰기와 같이 일부 작업은 기본적으로 단일 스레드 방식으로 수행됩니다. 따라서 데이터 출력이 빈번하거나 큰 시뮬레이션은 종종 더 많은 코어가 아닌, 더 높은 클럭 속도를 활용합니다. 마찬가지로 코어 및 소켓의 다중 스레딩은 오버헤드를 발생시키므로 작은 문제의 해석일 경우 사용되는 코어 수를 제한하면 성능이 향상될 수 있습니다.

CPU 아키텍처

CPU 아키텍처는 중요합니다. 최신 CPU는 일반적으로 사이클당 더 많은 기능을 제공합니다. 즉, 현재 세대의 CPU는 일반적으로 동일한 클럭 속도에서 이전 CPU보다 성능이 우수합니다. 또한 전력 효율이 높아져 와트당 성능이 향상될 수 있습니다. Flow Science에는 구형 멀티 소켓 12, 16, 24 코어 Xeon보다 성능이 뛰어난 최근 세대 10~12 Core i9 CPU 시스템을 보유하고 있습니다.

오버클럭

해석용 장비에서는 CPU를 오버클럭 하지 않는 것이 좋습니다. 하드웨어를 다년간의 투자라고 생각한다면, 오버클럭화는 발열을 증가시켜 수명을 단축시킵니다. CPU에 따라 안정성도 저하될 수 있습니다. CPU를 오버클럭 할 때는 세심한 열 관리가 권장됩니다.

하이퍼스레딩

<이미지출처:https://gameabout.com/krum3/4586040>

하이퍼스레딩은 물리적으로 1개의 CPU를 가상으로 2개의 CPU처럼 작동하게 하는 기술로 파이프라인의 단계수가 많고 각 단계의 길이가 짧을때 유리합니다. 다만 수치해석 처럼 모든 코어의 CPU를 100% 사용중인 장시간 수행 시뮬레이션은 일반적으로 Hyper Threading이 비활성화 된 상태에서 더 잘 수행됩니다. FLOW-3D는 100% CPU 사용률이 일반적이므로 새 하드웨어를 구성할 때 Hyper Threading을 비활성화하는 것이 좋습니다. 설정은 시스템의 BIOS 설정에서 수행합니다.

몇 가지 워크로드의 경우에는 Hyper Threading을 사용하여 약간 더 나은 성능을 보이는 경우가 있습니다. 따라서, 최상의 런타임을 위해서는 두 가지 구성중에서 어느 구성이 더 적합한지 시뮬레이션 유형을 테스트하는 것이 좋습니다.

스케일링

여러 코어를 사용할 때 성능은 선형적이지 않습니다. 예를 들어 12 코어 CPU에서 24 코어 CPU로 업그레이드해도 시뮬레이션 런타임이 절반으로 줄어들지 않습니다. 시뮬레이션 유형에 따라 16~32개 이상의 CPU 코어를 선택할 때는 FLOW-3D 및 FLOW-3D CAST의 HPC 버전을 사용하거나 FLOW-3D CLOUD로 이동하는 것을 고려하여야 합니다.

AMD Ryzen 또는 Epyc CPU

AMD는 일부 CPU로 벤치마크 차트를 석권하고 있으며 그 가격은 매우 경쟁력이 있습니다. FLOW SCIENCE, INC. 에서는 소수의 AMD CPU로 FLOW-3D를 테스트했습니다. 현재 Epyc CPU는 이상적이지 않고 Ryzen은 성능이 상당히 우수합니다. 발열은 여전히 신중하게 다뤄져야 할 문제입니다.

<관련 기사>

https://www.techspot.com/news/78122-report-software-fix-can-double-threadripper-2990wx-performance.html

Graphics 고려 사항

FLOW-3D는 OpenGL 드라이버가 만족스럽게 수행되는 최신 그래픽 카드가 필요합니다. 최소한 OpenGL 3.0을 지원하는 것이 좋습니다. 권장 옵션은 엔비디아의 쿼드로 K 시리즈와 AMD의 파이어 프로 W 시리즈입니다.

특히 엔비디아 쿼드로(NVIDIA Quadro)는 엔비디아가 개발한 전문가 용도(워크스테이션)의 그래픽 카드입니다. 일반적으로 지포스 그래픽 카드가 게이밍에 초점이 맞춰져 있지만, 쿼드로는 다양한 산업 분야의 전문가가 필요로 하는 영역에 광범위한 용도로 사용되고 있습니다. 주로 산업계의 그래픽 디자인 분야, 영상 콘텐츠 제작 분야, 엔지니어링 설계 분야, 과학 분야, 의료 분석 분야 등의 전문가 작업용으로 사용되고 있습니다. 따라서 일반적인 소비자를 대상으로 하는 지포스 그래픽 카드와는 다르계 산업계에 포커스 되어 있으며 가격이 매우 비싸서 도입시 예산을 고려해야 합니다.

유의할 점은 엔비디아의 GTX 게이밍 하드웨어는 볼륨 렌더링의 속도가 느리거나 오동작 등 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 일반적으로 노트북에 내장된 통합 그래픽 카드보다는 개별 그래픽 카드를 강력하게 추천합니다. 최소한 그래픽 메모리는 512MB 이상을 권장합니다.

출처 : https://www.videocardbenchmark.net/high_end_gpus.html

원격데스크탑 사용시 고려 사항

Flow Science는 nVidia 드라이버 버전이 341.05 이상인 nVidia Quadro K, M 또는 P 시리즈 그래픽 하드웨어를 권장합니다. 이 카드와 드라이버 조합을 사용하면 원격 데스크톱 연결이 완전한 3D 가속 기능을 갖춘 기본 하드웨어에서 자동으로 실행됩니다.

원격 데스크톱 세션에 연결할 때 nVidia Quadro 그래픽 카드가 설치되어 있지 않으면 Windows는 소프트웨어 렌더링을 사용합니다. FLOW-3D 가 소프트웨어 렌더링을 사용하고 있는지 확인하려면 FLOW-3D 도움말 메뉴에서 정보를 선택하십시오. GDI Generic을 소프트웨어 렌더링으로 사용하는 경우 GL_RENDERER 항목에 표시됩니다.

하드웨어 렌더링을 활성화하는 몇 가지 옵션이 있습니다. 쉬운 방법 중 하나는 실제 콘솔에서 FLOW-3D를 시작한 다음 원격 데스크톱 세션을 연결하는 것입니다. Nice Software DCV 와 같은 일부 VNC 소프트웨어는 기본적으로 하드웨어 렌더링을 사용합니다.

RAM 고려 사항

프로세서 코어당 최소 4GB의 RAM은 FLOW-3D의 좋은 출발입니다. POST Processor를 사용하여 후처리 작업을 할 경우 충분한 양의 RAM을 사용하는 것이 좋습니다.

DDR5 램의 공식 규격은 2020년 7월 14일에 발표되었습니다. 하지만 일반 소비자를 대상으로 한 제품은 인텔 12세대 CPU(Alder Lake)와 함께 2021년 하반기부터 본격적으로 출시되기 시작했습니다.

일반적으로 FLOW-3D를 이용하여 해석을 할 경우 격자(Mesh)수에 따라 소요되는 적정 메모리 크기는 아래와 같습니다.페이지 보기

  • 초대형 (2억개 이상의 셀) : 최소 128GB
  • 대형 (60 ~ 1억 5천만 셀) : 64 ~ 128GB
  • 중간 (30-60백만 셀) : 32-64GB
  • 작음 (3 천만 셀 이하) : 최소 32GB

HDD 고려 사항

수치해석은 해석결과 파일의 데이터 양이 매우 크기 때문에 읽고 쓰는데, 속도면에서 매우 빠른 SSD를 적용하면 성능면에서 큰 도움이 됩니다. 다만 SSD 가격이 비싸서 가성비 측면을 고려하여 적정수준에서 결정이 필요합니다.

CPU와 저장장치 간 데이터가 오고 가는 통로가 그림과 같이 3가지 방식이 있습니다. 이를 인터페이스라 부르며 SSD는 흔히 PCI-Express 와 SATA 통로를 이용합니다.

흔히 말하는 NVMe는 PCI-Express3.0 지원 SSD의 경우 SSD에 최적화된 NVMe (NonVolatile Memory Express) 전송 프로토콜을 사용합니다. 주의할 점은 MVMe중에서 SATA3 방식도 있기 때문에 잘 구별하여 구입하시기 바랍니다.

그리고 SSD를 선택할 경우에도 SSD 종류 중에서 PCI Express 타입은 매우 빠르고 가격이 고가였지만 최근에는 많이 저렴해졌습니다. 따라서 예산 범위내에서 NVMe SSD등 가장 효과적인 선택을 하는 것이 좋습니다.
( 참고 : 해석용 컴퓨터 SSD 고르기 참조 )

기존의 물리적인 하드 디스크의 경우, 디스크에 기록된 데이터를 읽기 위해서는 데이터를 읽어내는 헤드(바늘)가 물리적으로 데이터가 기록된 위치까지 이동해야 하므로 이동에 일정한 시간이 소요됩니다. (이러한 시간을 지연시간, 혹은 레이턴시 등으로 부름) 따라서 하드 디스크의 경우 데이터를 읽기 위한 요청이 주어진 뒤에 데이터를 실제로 읽기까지 일정한 시간이 소요되는데, 이 시간을 일정한 한계(약 10ms)이하로 줄이는 것이 불가능에 가까우며, 데이터가 플래터에 실제 기록된 위치에 따라서 이러한 데이터에의 접근시간 역시 차이가 나게 됩니다.

하지만 HDD의 최대 강점은 가격대비 용량입니다. 현재 상용화되어 판매하는 대용량 HDD는 12TB ~ 15TB가 공급되고 있으며, 이는 데이터 저장이나 백업용으로 가장 좋은 선택이 됩니다.
결론적으로 데이터를 직접 읽고 쓰는 드라이브는 SSD를 사용하고 보관하는 용도의 드라이브는 기존의 HDD를 사용하는 방법이 효과적인 선택이 될 수 있습니다.

PassMark – Disk Rating High End Drives

출처 : https://www.harddrivebenchmark.net/high_end_drives.html

상기 벤치마크 테스트는 테스트 조건에 따라 그 성능 곡선이 달라질 수 있기 때문에 조건을 확인할 필요가 있습니다. 예를 들어 Windows7, windows8, windows10 , windows11 모두에서 테스트한 결과를 평균한 점수와 자신이 사용할 컴퓨터 O/S에서 테스트한 결과는 다를 수 있습니다. 상기 결과에 대한 테스트 환경에 대한 내용은 아래 사이트를 참고하시기 바랍니다.

참고 : 테스트 환경

페이지 보기

Concrete 3D Printing

Computational fluid dynamics modelling and experimental analysis of reinforcement bar integration in 3D concrete printing

3D 콘크리트 프린팅에서 철근 통합에 대한 전산 유체 역학 모델링 및 실험적 분석

Md Tusher Mollah, Raphaël Comminal, Wilson Ricardo Leal da Silva, Berin Šeta, Jon Spangenberg

Abstract


A challenge for 3D Concrete Printing is to incorporate reinforcement bars without compromising the concrete-rebar bonding. In this paper, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model is used to analyze the deposition of concrete around pre-installed rebars. The concrete is modelled with a yield-stress dependent elasto-viscoplastic constitutive model. The simulated cross-sections of the deposited layers are compared with experiments under different configurations and rebar sizes, and found capable of capturing the air void formation with high accuracy. This proves model robustness and provides a tool for running digital experiments prior to full-scale tests. Additionally, the model is employed to conduct a parametric study under three different rebar-configurations: i) no-rebar; ii) horizontal rebar; and iii) cross-shaped (horizontal and vertical) rebars. The results illustrate that air voids can be eliminated in all investigated cases by changing the toolpath, process parameters, and rebar joint geometry, which emphasizes the great potential of the digital model.

Keywords


3D Concrete Printing (3DCP); Reinforcement bars (rebars); Computational Fluid Dynamics (CFD); Multilayer deposition; Air voids

1. Introduction


3D Concrete Printing (3DCP) [1] is an extrusion-based automated construction process that belongs to Digital Fabrication with Concrete (DFC) [2,3]. The 3DCP offers high-quality built-structures with customizable structural design in a cost- and time-efficient manner [[4], [5], [6], [7]]. Structures in 3DCP are fabricated in a layer-by-layer approach, where a concrete extrusion nozzle is controlled by a robotic arm, cylindrical robot, gantry system, or delta system [[8], [9], [10], [11]]. Despite the enormous potential of 3DCP, one of its crucial limitations is the integration of reinforcement for the production of load-bearing structures.
Most structural applications require the use of reinforcement to withstand tensile forces and introduce structural ductility [[12], [13], [14], [15]]. However, the introduction of reinforcement with 3DCP has never been an easy task, and difficulties were recognized at early stages of the technology [4] and various design solutions have been tested in practice to either circumvent the need for reinforcement or integrate reinforcement after the concrete is printed [[16], [17], [18], [19], [20]]. As a result, several reinforcement techniques have been proposed, such as bar reinforcement [21], micro-cable reinforcement [22,23], fiber reinforcement into the cementitious material [[24], [25], [26]], steel reinforcement using robotic arc welding [27,28], and in-process mesh reinforcement [29]. For comprehensive details on the reinforcement strategies, refer to [30]. Nevertheless, these reinforcement strategies are still rudimentary in many instances.
This study focuses on bar reinforcement methods, where rebars are integrated with freshly deposited cementitious material. A few approaches can be found in the literature, for example, penetration of vertical bars through multiple printed layers [31,32], placement of horizontal bars into a printed layer along the printing direction and then covered by the next layer on top [33,34], and depositing around pre-installed bi-directional rebars [35]. However, in most approaches, the bonding between the rebar and concrete was compromised by the air void around the rebar [21,36]. To overcome this constraint, a large amount of trial and error is required, which is costly and time-consuming.
An approach to mitigate extensive experimental campaigns is to apply numerical models. In the context of 3D printing technologies, like Fused Filament Fabrication (FFF), Robocasting, and 3DCP, CFD modelling has been found to be very beneficial [[37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44]]. The morphology of the deposited strands in FFF was studied by Comminal et al. [45]. Furthermore, Serdeczny et al. [46] addressed how to reduce the porosities and enhance the bonding between subsequent layers. Mollah et al. [[47], [48], [49]] studied ways to minimize the deformation and thereby stabilize layers printed by Robocasting, while for 3DCP, the geometrical shapes of the single- and multiple-deposited layers have been investigated in detail in [[50], [51], [52]].
This paper uses the CFD model and extends the preliminary results recently published in [53]. The model uses elasto-viscoplastic constitutive equations to approximate the rheology of the concrete. The CFD model is validated by comparison with a number of experiments, and the model is subsequently exploited to make an in-depth analysis of air void formation between rebars and concrete using the cross-sections of the deposited part and the calculated volume fraction of air voids. Different material properties, such as yield stress and plastic viscosity, and processing parameters, like the rebar diameter, nozzle-rebar distance, a geometric ratio (i.e., the distance from nozzle to the substrate divided by the nozzle diameter), as well as a speed ratio (i.e., the printing speed divided by the extrusion speed) are varied. Section 2 describes the methodology of the study, along with the experimental and numerical details. Next, Section 3 presents and discusses the results. Finally, Section 4 summarizes the results with the conclusion.

2. Methodology

2.1. Materials’ properties and 3DCP experiments

A fresh cement-based mortar was used to perform the 3DCP experiment around the rebars. The mortar includes a binder system with white cement CEM I 52.5 R-SR 5 (EA), limestone filler with sand of maximum particle size 0.5 mm, admixtures, and water. The binder was prepared with a 75 L Eirich Intensive Mixer Type Ro8W. The water to cement ratio was 0.39. The admixtures dosage (by weight of cement) was set at 0.1 % high-range water-reducing agent, 0.1 % viscosity-modifying agent, and 0.5 % hydration retarder.

The rheological characterization of the mortar was done using an Anton Paar rheometer MCR 502, as used in [50,54]. The rotational and oscillatory tests were performed with a vane-in-cup measuring device. The obtained flow curve of the mortar from the rotational rheometric tests, with a ramp-down controlled shear rate (CSR), was fitted by a linear regression to determine the yield stress τ0= 630 Pa and plastic viscosity ηP= 7.5 Pa·s. The oscillatory test showed that the constitutive behavior of the unyielded mortar had a factorized relationship between the storage modulus G′ and loss modulus G′′ within the linear viscoelastic (LVE) region, where G′= 200 kPa was captured. Therefore, the mortar’s rheology was modelled as a yield stress limited elasto-viscoplastic material, where the storage modulus is used as the linear elastic shear modulus of the unyielded mortar. Furthermore, the rheological characterization showed that the mortar exhibited time-independent rheological characteristics within the actual printing process, see [50] for more details.

The setup for 3DCP experiments around ribbed rebars is presented in Fig. 1. It comprised a 6-axis industrial robot (Fanuc R-2000iC/165F) with a custom-designed nozzle ∅20 mm (i.e., nozzle diameter, Dn= 20 mm) made by fused filament fabrication of ABS thermoplastic, cf. Fig. 1-a. The robot also included a progressive cavity pump (NETZSCH) equipped with a hopper and a long steel-wire rubber hose (cf. Refs. [50, 52] for details). A 25 mm thick plywood plate was used as the built substrate as seen in Fig. 1-b. The 1000 mm long rebars of diameter Dr= 8 and 12 mm were placed horizontally on top of the substrate at a distance Hr= 14 mm. The horizontal rebars were held in place by two vertical rebars with a height of 37 mm. The setup was used to print a structure of four successive layers of parallel strands around the rebars. Details on the printing toolpath around the rebars are illustrated in the subsections below.

Fig. 1

Fig. 1. 3DCP experiment around rebars: (a) 6-axis robotic arm [50]; (b) plywood built platform with integrated rebars; (c) example of printing (picture is taken during printing of the third layer).

The extrusion nozzle was placed above the substrate with a nozzle height Dn/2 for the first layer, whereas for subsequent number of layers (Nl), the nozzle height was set at Nl∗Dn/2. Thus, the nominal height of a layer was h=Dn/2. The print was done with a material extrusion rate 0.91 dm3/min and nozzle speed 35 mm/s. An example of a physical print is presented in Fig. 1-c. After the prints hardened, cross-sections were collected to investigate the rebar-concrete bonding. The cross-section slices were taken at specific positions to analyze the print around the horizontal rebar and cross-shaped rebar (i.e., horizontal and vertical rebars). To avoid destroying the specimens while cutting them, the printed part were impregnated with epoxy resin in a vacuum chamber.

2.2. Computational models and governing equations

Three different CFD models are built. The first model only simulated the mortar flow to understand the void formation pattern without rebars. The last two models simulated the 3DCP experiment around rebars: one model simulated the mortar flow around the horizontal rebar, while the other considered the cross-shaped rebar. This subdivision enabled the CFD models to consider a smaller computational domain than if the two scenarios were combined.

The CFD models comprised a cylindrical nozzle, a solid-substrate, and an artificial solid component (at the top) within the computational domain of size 8.5D×6D×2D+4h as shown in Fig. 2 (top), where Model 1 excluded rebars (left), Model 2 included the horizontal rebar (middle), and Model 3 considered the cross-shaped rebar (right). The printing toolpath of the models are illustrated in Fig. 2. The toolpath for Models 1 and 2 are presented in 3D (left bottom figure), where the only difference was the presence of the horizontal rebar. The toolpath in 2D presented at the bottom right is for Model 3. For all the models, the toolpath of the extrusion nozzle kept a distance of Dnr from the axis of the nearest rebar. The lengths of the horizontal and vertical rebars were 50 and 40 mm, respectively. The other printing parameters were similar to the ones used in the experiment, cf. Section 2.1. Finally, the models were used to simulate four successive layers with a length of 125 mm. Note that the rebars are modelled as cylindrical solid objects (i.e., smooth rebar).

Fig. 2

Fig. 2. Model geometry with the extrusion nozzle, substrate, integrated rebars, and computational domain (top) and toolpath (bottom).

The computational domain was meshed by a uniform Cartesian grid. A mesh sensitivity test was performed for different meshes with cell sizes 0.9, 1.0, and 1.1 μm. Even if the change in absolute size of the cells were small, the total number of cells within the domain was 1.1, 1.5, and 2.0 million, respectively. A cell size of 1.0 μm was chosen as that was found to be time-efficient and had a negligible effect on the accuracy of the results. The top plane of the domain was an inlet boundary, where the artificial solid component was defined in order to prevent material flow outside the nozzle orifice, cf. Fig. 2 (top). On the bottom plane, a wall boundary was applied to represent the solid substrate. The other planes were assigned continuative boundary conditions, but had no influence on the results. Furthermore, no-slip boundary conditions were applied between fluids and solids.

Table 1 lists the printing parameters and their values for each of the investigated cases. All the models and cases are simulated for 4 successive layers.

Table 1. Description of case IDs with printing parameters and accompanying values. The reference values (corresponding to the experimental print) are written in bold, while the parameter change for each case is highlighted by underlining the value.

Empty CellModel/case ID
ParametersModel 1 (no rebar), Model 2 (horizontal rebar), and Model 3 (cross-shaped rebar)
Case 1
(reference)
Case 2Case 3Case 4Case 5Case 6Case 7Case 8Case 9
Nozzle diameter Dn (mm)202020202020202020
Rebar diameter Dr (mm)8612888888
Nozzle-rebar distance Dnr (mm)202020191820202020
Layer height h (mm)1010101010981010
Geometric ratio Gr=h/Dn0.50.50.50.50.50.450.40.50.5
Printing speed V (mm/s)353535353535353535
Extrusion speed U (mm/s)48.4248.4248.4248.4248.4248.4248.4251.4753.84
Speed ratio Sr=V/U0.720.720.720.720.720.720.720.680.65

The cementitious mortar flow was assumed transient and isothermal. Thus, the flow dynamics of the mortar are governed by the mass and momentum conservation equations of incompressible fluid:

where u is the velocity vector, ρ is the density, g=00−g is the gravitational acceleration vector, t is the time, p is the pressure, and σ is the deviatoric stress tensor.

The rheological behavior of the mortar was modelled by the following elasto-viscoplastic constitutive equation that represents σ as the sum of the deviatoric part of the viscous stress σV and elastic stress σE tensors; i.e.:

The deviatoric viscous stress tensor was predicted as:

is the deformation rate tensor, and T represents the transpose notation.

The deviatoric elastic stress tensor was modelled by the Hookean assumption of a small strain rate tensor E between each small time steps Δt=t−t0, to represent the elastic response of unyielded materials 

Ewhere G is the shear modulus and Et=Et0+ΔtDT is the incremental strain rate tensor approximated by integrating the deformation rate tensor over Δt.

The incremental representation of Eq. (5) can be written as:

 is the vorticity tensor. The first term of the left-hand side of Eq. (6) represents the change in stress at a fixed location in space. The change in stress due to advection and rotation of material particle is approximated by the second and third terms, respectively. The right-hand side takes into account the change in stress due to shearing.

The elastic stress tensor of the yielded material was approximated by imposing the yield stress τ0 limit as follows:

where σvM is the von Mises stress predicted as:

where IIσE∗=trσE∗2 is the second invariant of σE∗. The material was yielded when σvM exceeded the yield stress. The properties of the material used in the different models and cases are presented in Table 2. Note that the CFD model does not include the solidifications of the printed layers.

Table 2. Material properties.

Parameter with symbolUnitValueValue for reference simulation
Density, ρkg·m−321122112
Shear modulus, GkPa20–10020
Dynamic yield stress, τ0Pa400–800630
Plastic viscosity, ηPPa·s3.5–107.5

2.3. Numerical method

The computational model was developed in the commercial CFD tool FLOW-3D® (V12.0; Flow Science Inc.) [55]. It uses the FAVOR technique (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) to embed solid objects (i.e., the nozzle, rebars, substrate, etc.) in the computational domain. The computational domain was meshed with a Cartesian grid and discretized with the Finite Volume Method.
The governing equations of the mortar flow were solved by the implicit pressure-velocity solver GMRES (Generalized Minimum Residual) [[56], [57], [58]]. The predictions of pressure and forces near solid objects were modelled by the immersed boundary method [59]. The yield stress limited elasto-viscoplastic criterion was built in the software, and the elastic stress was calculated explicitly. An implicit technique, successive under-relaxation, was used to solve the viscous stress of the momentum equation (Eq. (2)). The free surface of the mortar was captured by the Volume-of-Fluid technique, see details in Ref. [60, 61]. The momentum advection was calculated explicitly by an upwind-difference technique and ensured first-order accuracy. The time step size was controlled dynamically with a stability limit in order to avoid numerical instabilities [55]. All the simulations were run with 20 cores on a high-performance computing cluster. The study was carried out with a first-order accuracy in both space and time in order to reduce the computational time, which was extensive due to the elasto-viscoplastic material model that computes both viscous and elastic stresses (e.g., the computational time was six days for model 1 case 1). In this regard, one should note that the model can simulate a multitude of scenarios simultaneous.

2.4. Results post-processing

The simulated results were processed in two steps. The first step was to show the cross-sectional shapes which were done in the post-processing tool FLOW-3D®POST, and the second step was to calculate the volume fraction of air voids inside the printed structure. The cross-sectional shapes were used to investigate the interior of the structure and the rebar-concrete bonding. The cross-sectional shapes were obtained in the plane parallel to the yz-plane at the middle of the layer’s length, as shown in Fig. 3-d. Fig. 3-c sketches the nominal positions of the air void creation in a four-layered structure. The positions of the air voids were defined as outer-bottom, bottom, mid, top, and outer-top in this study. The presence of the air void was quantified by calculating the volume fraction of air voids around the middle of the layer’s length. The calculation enabled to capture the presence of air voids for Model 3, i.e., around the vertical rebar, as seen in the dashed-box of Fig. 3-b.

Fig. 3

Fig. 3. Post-processing of results; (a) introduction of volume sampling cuboid to calculate the volume fraction of air voids; (b) presence of air voids around the vertical rebar in the experiment; (c) schematic of air void creation; (d) cross-sectional shapes and void sampling area for the different models.

In order to calculate the volume fraction of air voids, a cuboid of size 20×25×3h mm3 was introduced to the CFD models as a volume sampling object, as seen in Fig. 3-a. Note that the size and position of the object were the same for all the models. The volume sampling was a three dimensional data collection tool built in the software that enabled calculating the amount of material as well as air void inside of it. Finally, the volume fraction of air voids VV was calculated as below:

3. Results and discussions

his section compares the simulated and experimental results of 3DCP around the rebars. Furthermore, it discusses the influence of different parameters on the air void formation in the cross-sectional shapes of printed parts and the volume fraction of air voids inside the structure. The parametric study includes the material properties (i.e., yield stress and plastic viscosity) and the printing properties (i.e., rebar diameter, rebar-nozzle distance, geometric ratio, and speed ratio).

3.1. Experiments and validation of the CFD model

The CFD models (Models 2 and 3) are compared and validated with the experiments. The results are presented in Fig. 4. Two rebar diameters, i.e., Dr= 8 and 12 mm, are taken into account, where the nozzle-rebar distances are 20 and 24 mm, respectively. The other printing and material parameters are kept constant in the experiments with different rebar diameters, see Table 1 (cases 1 and 3). In the case of the simulations, all parametric details are the same as implemented in the experiments except for the elastic shear modulus. The choice of shear modulus is subject to the analysis presented in Appendix A. The shear modulus is reduced to 100 kPa from the measured value (i.e., 200 kPa) to compare the simulated results with experiments. Furthermore, a shear modulus of 20 kPa is chosen for the parametric study in the later sections. These assumptions seem reasonable to avoid extensive computational time consumption since the differences found in void formation are limited (see Fig. A.1).

Fig. 4

Fig. 4. 3DCP experiments (left column), simulations (middle column), and comparison (right column). (a) Horizontal rebar with Dr= 8 mm and Dnr= 20 mm; (b) horizontal rebar with Dr= 12 mm and Dnr= 24 mm; (c) cross-shaped rebar with Dr= 8 mm and Dnr= 20 mm; and (d) cross-shaped rebar with Dr= 12 mm and Dnr= 24 mm. The blue part in the experiments is epoxy resin. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)

The cross-sectional shapes of the 3DCP experiments around the horizontal rebar of
8 mm in Fig. 4-a illustrate the presence of a top air void as well as mid and bottom air voids positioned respectively above and below the horizontal rebar. The mid and bottom air voids are found to be smaller than the top one. This is due to the presence of the rebar that occupies the mortar’s flowable space as well as the deformation of the previously printed layers. For a detailed analysis of the deformation pattern, refer to [53]. The air voids at the top and bottom are significant when the rebar diameter is increased to 12 mm (Fig. 4-b). This is due to the fact that the nozzle-rebar distance was increased, which enhances the flowable space between the strands. In addition, the larger size of the rebar creates larger channels below and above itself, where the mortar of the second and third layers is forced to be squeezed into. The mid-air void is found to be absent as its area is fully occupied by the larger rebar. In the case of the cross-shaped rebars, the existence of the vertical rebar seems to restrict the merging of parallel strands, and therefore, the presence of air void content increases, cf. Fig. 4-c, d. This limitation is found to be pronounced for the larger rebar diameter with the larger nozzle-rebar distance.
The cross-sectional shapes of the simulations (middle column in Fig. 4) illustrate high accuracy predictions of the position and size of the air voids when compared with the experiments. Particularly, the models capture small details around the vertical rebar for both diameters. This can clearly be seen in the comparison of experiments and simulation, cf. right column in Fig. 4. A discrepancy is found in the strand’s width of the bottom layer as well as the shape of the printed part, specifically in the shape of strands of all the layers next to the vertical rebar and the height of the part for the smaller rebar diameter. These could be due to a combined effect of the idealized rheological model, as well as slight differences in the processing parameters, e.g. nozzle height above the printing surface, nozzle-rebar distance, as well as printing- and extrusion-speed. Note that the height of the vertical rebar in the experiments is a bit shorter than the one in the simulations (40 mm), although it does not influence the results.

3.2. Influence of materials properties

The influence of the material properties, yield stress and plastic viscosity, on the air void formation is presented in Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7. The process parameters of Case 1 (cf. Table 1) are utilized.

Fig. 5

Fig. 5. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different yield stress.

Fig. 6

Fig. 6. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different plastic viscosity.

Fig. 7

Fig. 7. Volume fraction of air voids for different models as a function of (a) yield stress and (b) plastic viscosity.

Yield stress

Fig. 5 presents cross-sectional shapes for different yield stress, 400, 630, and 800 Pa. It can be seen that Models 1 and 2 predict a top air void, while for Model 3 the two topmost strands to the left are not in contact with the vertical rebar. The cross-sections illustrate that an increased yield stress causes less deformation of the printed layers and create stands with less round shape. This is due to the reduced effective gap (i.e., the distance between the nozzle and previous printed layer), which results in a reduced air void content for most models as seen quantitatively in Fig. 7-a. This behavior is converse to conventional concrete castings where a more fluid material (e.g. self-compacting concrete) can lead to a lower void content. An exception to the observed behavior that a higher yield stress leads to less voids formation is seen in case of Model 2 with
800 Pa, where the top air void is slightly larger as compared to the one for
630 Pa. Another exception is that an outer bottom air void appears for Models 1 and 2 when increasing the yield stress to 800 Pa. Both exceptions are a consequence of the yield stress now restricting the flow in confined spaces, which illustrates that it is a non-trivial task to fully eradicate air voids only by increasing the yield stress.

Plastic viscosity

As the plastic viscosity is varied, cross-sections for Model 1 show a slight change in air voids, see Fig. 6. A mid-air void is produced when the plastic viscosity is small, while the two largest plastic viscosities only produce the top air void. This is due to the increase in extrusion pressure that leads to larger deformation of the printed layers when the plastic viscosity is increased, cf. details in ref. [47]. When integrating a horizontal rebar (see Model 2), the air void formation increases at higher plastic viscosities. This could be due to the fact that the sideway flow of the depositing material (i.e., y-velocity) is limited by the flow resistance that comes from both the larger plastic viscosity and the presence of the solid rebar. No noticeable change can be seen in the cross-sections of Model 3 for different plastic viscosities. The same findings are quantitatively highlighted in Fig. 7-b, which illustrates that the volume fraction of air voids is not influenced much by the plastic viscosity except for Model 2.

3.3. Influence of processing conditions

The influence of processing conditions such as rebar diameter, nozzle-rebar distance, geometric ratio, and speed ratio on air void formation is presented in terms of cross-sectional shapes and volume fraction of air void, see Fig. 8, Fig. 9, Fig. 10, Fig. 11, Fig. 12. Models 1 to 3 are simulated with the reference material properties, cf. Table 2.

Fig. 8

Fig. 8. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different rebar diameters.

Fig. 9

Fig. 9. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different nozzle-rebar distances.

Fig. 10

Fig. 10. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different geometric ratios.

Fig. 11

Fig. 11. Air void formation in the cross-sections of the printed parts for different speed ratios.

Fig. 12

Fig. 12. Volume fraction of air voids for different models as a function of (a) rebar diameter, (b) nozzle-rebar distance, (c) geometric ratio, and (d) speed ratio.

Rebar diameter

The influence of the rebar diameter on the air void formation is presented in Fig. 8, Fig. 12-a. Models 2 and 3 are simulated (Model 1 does not contain a rebar) for Cases 1, 2, and 3, cf. Table 1. Fig. 8 illustrates that the top air void appears almost constant for Model 2, whereas the air void below the rebar increases with an enlarged rebar diameter. Two phenomena with opposite effects on the void formation play a role in this regard. On the one hand, increasing the rebar size reduces the space that the strands need to occupy to fully merge and thereby eliminate voids. On the other hand, the resistance towards flow and merging of the parallel strands next to the rebar increases proportionally with the size of the reinforcement. The latter effect is dominating in this case. For Model 3, the air void formation also increases when increasing the reinforcement. In addition to the previously mentioned argument, this is due to the left strands having to flow longer to reach the vertical rebar (i.e., Dnr+Dr/2). Conversely, additional air voids take place on the right-hand side of the vertical rebar for the smallest rebar diameter, because the nozzle-rebar distance Dnr= 20 mm is kept constant. Fig. 12-a underlines quantitatively that the volume fraction of air voids reduces when the rebar diameter is small. The trend is more pronounced for the cross-shaped rebar (Model 3), but in absolute values the air voids are substantially less for Model 2.

Nozzle-rebar distance

Fig. 9, Fig. 12-b show the effect of different nozzle-rebar distances on the formation of air voids. All the models are simulated for Cases 1, 4, and 5, cf. Table 1. Fig. 9 shows that the presence of air voids is reduced when the nozzle-rebar distance reduces. This is because the flowable space around the rebars shrinks. Interestingly, no significant air voids are present in Model 1 and 2 when Dnr= 18 mm, see Fig. 12-b. Fig. 12-b also depicts that the trend is more pronounced for the cross-shaped rebar (Model 3). One should be careful though about decreasing the nozzle-rebar distance too much, as a ridge is forming on the top layer since material from the left strand starts to flow on top of the right strand (Fig. 9), which potentially could affect the final shape of the structure. In case of the cross-shaped rebar model, air voids are formed for all investigated Dnr. One could potentially with benefit reduce the Dnr further, but not more than the sum of half of the nozzle diameter (10 mm), the nozzle wall thickness (2.5 mm), and half of the rebar diameter (4 mm), i.e., 16.5 mm, otherwise the nozzle will collide with the rebar.

Geometric ratio

The effect of the geometric ratio on the formation of air voids is presented in Fig. 10, Fig. 12-c. The considered simulations are Cases 1, 6, and 7 cf. Table 1. Fig. 10 illustrates that decreasing the geometric ratio can reduce the presence of air voids in the cross-sections. This is because a smaller geometric ratio results in wider strands, which then occupy more of the flowable space around the rebars. Note that when Gr= 0.50, 0.45, and 0.40 the layer height is 10, 9, and 8 mm, respectively. No air voids are formed for Model 1 and 2 when Gr= 0.45, and 0.40. However, for the smallest ratio ridges are obtained on either side of the strands as clearly seen for the top layer. These ridges can as previously mentioned have a negative effect on the final shape of the structure. Consequently, Gr= 0.45 is preferable for these two models. In the case of Model 3, air voids are still present next to the vertical rebar, even for the smallest investigated geometric ratio. The volume fraction of air voids is approximately 1.5 %, see Fig. 12-c. The geometric ratio could be reduced further in order to decrease the air voids even more, but the ridges already form at Gr= 0.40. Consequently, it is not possible to fully eliminate air voids while at the same time avoiding ridges when only varying the geometric ratio for Model 3.

Speed ratio

Fig. 11, Fig. 12-d illustrate the formation of air voids for different speed ratios. The considered simulations are Case 1, Case 8, and Case 9, cf. Table 1. The three speed ratios are obtained by applying an extrusion speed of 48.4 mm/s, 51.5 mm/s, and 53.8 mm/s. Fig. 11 show that less air voids are formed when decreasing the speed ratio (i.e., higher extrusion speed). Reducing the speed ratio increases the cross-sectional area of the strands proportionally, thereby decreasing the air voids. Model 1 obtains no air voids for the two smallest ratios, and the same is almost the case for Model 2; only a very small air void is formed when Sr= 0.68, see Fig. 12-d. Model 3 forms air voids for all speed ratios. For the lowest speed ratio, the third strand to the left is in contact with the vertical rebar, but air voids are still formed around the horizontal reinforcement, which underlines the fact that it is difficult to fully eliminate air voids for the cross-shaped rebars.

3.4. Cross-shaped reinforcement

Based on the above analysis, it is clear that the air voids around the horizontal rebar can be eliminated by changing some of the processing conditions, such as the nozzle-rebar distance, geometric ratio, and speed ratio. However, it remains unsolved to fully omit the presence of air voids around the cross-shaped rebar, although the processing conditions can reduce the volume fraction of air voids. A parametric study was conducted by varying some combinations of processing conditions; however, the same conclusion was achieved that the air voids could not be fully eliminated. In order to solve this predicament, a new stepped toolpath is investigated (see Fig. 13) along with three different rebar geometries: 1) cylindrical rebars as in the previous analysis, see Fig. 14-a; 2) a squared horizontal rebar, cf. Fig. 14-b; and 3) cylindrical rebars with a smooth transition between them, see Fig. 14-c. In all scenarios, the speed ratio is 0.665, the size (i.e., diameter or side of square) of the rebars are 6 mm, and the horizontal rebar is placed at a height of 8 mm from the substrate. The other processing parameters are the same as for Case 2 and reference material properties are applied. For scenarios one and two small air voids are formed, but for scenario three air voids are eliminated, see Fig. 14. This numerical analysis illustrates that although it is difficult to get rid of air voids for the cross-shaped rebars, one can do it when carefully selecting the material- and processing-parameters and remembering to have a smooth transition between the rebars.

Fig. 13

Fig. 13. New toolpath planning around the cross-shaped rebar.

Fig. 14

Fig. 14. Simulated structure with new toolpath and different rebar geometries. (a) Cylindrical horizontal- and vertical-rebar, (b) square horizontal rebar and cylindrical vertical rebar, (c) cylindrical horizontal- and vertical-rebar with smooth transition. Note that Dr= 6 mm, Sr= 0.665, and Hr= 8 mm.

4. Conclusions

A CFD model was used to predict the morphology of strands and the formation of air voids around reinforcement bars when integrated with 3DCP. The model used an elasto-viscoplastic constitutive model to mimic the cementitious mortar flow. The CFD model was compared with experiments that constituted a horizontal and a cross-shaped rebar configuration. The results illustrated that the model with high-accuracy could predict the air void formation in the structures. The simulations had though slightly less wide bottom strands as compared to the experimental counterpart, which was attributed to small differences in material behavior and processing parameters.
The CFD model was exploited to investigate the effect of material properties on the air void formation. The results illustrated that by increasing the yield stress less air voids were formed due to the reduced effective gap. However, the air voids could not be eliminated as the increased yield stress also restricted the flow in confined spaces. In contrast to the effect of the yield stress, the void formation decreased somewhat when decreasing the plastic viscosity (although not enough to omit air voids fully).
The process parameters were found to have a substantial effect on the air void formation. The air void formation increased when increasing the rebar diameter, because the resistance towards flow around the reinforcement and thereby merging of the strands increased proportional with the size of the rebars. The air voids could be reduced and in some of the horizontal cases fully avoided by reducing the nozzle-rebar distance, but it could come with the expense of ridges (which could affect the final geometry of the structure), since material from one strand would flow on top of a previously deposited stand. Similarly, decreasing the geometric ratio was found to reduce the presence of air voids, because a smaller geometric ratio resulted in wider stands that occupied more of the space around the rebars. However, the smallest ratios also resulted in ridges. It was also found that less air voids were formed when decreasing the speed ratio, since the cross-sectional area of the strands increased proportionally, thereby occupying more space around the rebars.
By decreasing the nozzle-rebar distance, geometric ratio, and speed ratio, voids were omitted around the horizontal rebar, but air voids would still be introduced for the cross-shaped rebar. Those air voids could be eliminated by changing the toolpath and some processing parameters, as well as altering the geometry of the reinforcement joint to a smooth transition between the horizontal and vertical rebar. The results highlight that it is non-trivial to avoid air voids when integrating rebars in 3DCP, but that the CFD model is a very strong digital tool when it comes to securing a good bonding between the reinforcement and concrete.
A limitation of the CFD model is that with the current computational power it is not possible to simulate a full 3DCP structure. Nevertheless, the CFD model is powerful when it comes to understanding and optimizing printing strategies for individual reinforcement details. In future research, it would be interesting to exploit the CFD model to systematically investigate various reinforcement setups and based on the model results generate response surfaces or lookup tables, which can be coupled with the 3DCP toolpath software. This approach would have several benefits: 1) the computational heavy CFD model could run all scenarios in parallel, thereby minimizing the physical time spent on calculations; 2) one could avoid repetition of individual reinforcement studies; and 3) the response surfaces or lookup tables could in a computational light manner come up with printing strategies for all reinforcement details in a full 3DCP structure.

CRediT authorship contribution statement

Md Tusher Mollah: Conceptualization, Methodology, Investigation, Formal analysis, Visualization, Writing – original draft, Writing – review & editing. Raphaël Comminal: Conceptualization, Formal analysis, Writing – review & editing, Supervision. Wilson Ricardo Leal da Silva: Conceptualization, Formal analysis, Writing – review & editing, Resources. Berin Šeta: Investigation, Formal analysis, Writing – review & editing. Jon Spangenberg: Conceptualization, Investigation, Formal analysis, Writing – review & editing, Supervision, Resources, Project administration.

Declaration of competing interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Acknowledgements

The authors would like to acknowledge the support of the Danish Council for Independent Research (DFF) | Technology and Production Sciences (FTP) (Contract No. 8022-00042B). Also, the authors would like to acknowledge the support of the Innovation Fund Denmark (Grant No. 8055-00030B: Next Generation of 3D-printed Concrete Structures and Grant no. 0223-00084B: ThermoForm – Robotic ThermoSetting Printing of Large-Scale Construction Formwork), Moreover, the support of FLOW-3D® regarding licenses is acknowledged.

Appendix A.

This analysis varies the shear modulus (i.e., 20, 50, and 100 kPa) in the case Dr= 8 mm, as seen in Fig. A.1, which presents the cross-sectional shapes (top) and the volume fraction of air voids (bottom). It can be seen that increasing the shear modulus slightly reduces the air void formation. This is because the larger shear modulus enhances the ability of the material to act against the shear deformation. However, an increase in shear modulus also extensively increases the computational time of solving the non-linear elastic response of the elasto-viscoplastic material. For example, the computational time of Model 3 is about 6, 12, and 18 days for a shear modulus of 20, 50, and 100 kPa, respectively. Therefore, the shear modulus is reduced to 100 kPa from the measured value (i.e., 200 kPa) to compare the simulated results with experiments. Furthermore, the shear modulus 20 kPa is chosen for the parametric study in 3.2 Influence of materials properties, 3.3 Influence of processing conditions, 3.4 Cross-shaped reinforcement. These assumptions seem reasonable to avoid extensive computational time consumption since the differences found in Fig. A.1 are not substantial.

Fig. A.1

Fig. A.1. Air void formation in the cross-sections of the printed parts (top) and the volume fraction of air voids (bottom) for different shear modulus.

References

[1] B. Khoshnevis, R. Russel, H. Kwon, S. Bukkapatnam
Contour crafting–a layered fabrication technique
Spec. Issue IEEE Robot. Autom. Mag., 8 (2001), pp. 33-42
[2] R.A. Buswell, W.R.L. da Silva, F.P. Bos, H.R. Schipper, D. Lowke, N. Hack, H. Kloft, V. Mechtcherine, T. Wangler, N. Roussel
A process classification framework for defining and describing Digital Fabrication with Concrete
Cem. Concr. Res., 134 (2020), Article 106068, 10.1016/j.cemconres.2020.106068
[3] D. Asprone, C. Menna, F.P. Bos, T.A.M. Salet, J. Mata-Falcón, W. Kaufmann
Rethinking reinforcement for digital fabrication with concrete
Cem. Concr. Res., 112 (2018), pp. 111-121, 10.1016/j.cemconres.2018.05.020
[4] B. Khoshnevis
Automated construction by contour crafting—related robotics and information technologies
Autom. Constr., 13 (2004), pp. 5-19, 10.1016/j.autcon.2003.08.012
[5] R. Hague, I. Campbell, P. Dickens
Implications on design of rapid manufacturing
Proc. Inst. Mech. Eng. C J. Mech. Eng. Sci., 217 (2003), pp. 25-30, 10.1243/095440603762554587
[6] V. Mechtcherine, V.N. Nerella, F. Will, M. Näther, J. Otto, M. Krause
Large-scale digital concrete construction – CONPrint3D concept for on-site, monolithic 3D-printing
Autom. Constr., 107 (2019), Article 102933, 10.1016/j.autcon.2019.102933
[7] S. Lim, R.A. Buswell, T.T. Le, S.A. Austin, A.G.F. Gibb, T. Thorpe
Developments in construction-scale additive manufacturing processes
Autom. Constr., 21 (2012), pp. 262-268, 10.1016/j.autcon.2011.06.010
[8] Meet ICON’s next generation Vulcan construction system
ICON
(n.d.)
https://www.iconbuild.com/vulcan, Accessed 10th Jul 2022
[9] FABRICANT D’IMPRIMANTES 3D POUR LA CONSTRUCTION AUTOMATISÉE DE BÂTIMENTS, Constr.-3D
(n.d.)
https://www.constructions-3d.com/, Accessed 9th Jul 2022
[10] 3dWasp, 3dWasp
(n.d.)
https://www.3dwasp.com/, Accessed 12th Aug 2022
[11] G. Ma, R. Buswell, W.R. Leal da Silva, L. Wang, J. Xu, S.Z. Jones
Technology readiness: a global snapshot of 3D concrete printing and the frontiers for development
Cem. Concr. Res., 156 (2022), Article 106774, 10.1016/j.cemconres.2022.106774
[12] L. Wang, G. Ma, T. Liu, R. Buswell, Z. Li
Interlayer reinforcement of 3D printed concrete by the in-process deposition of U-nails
Cem. Concr. Res., 148 (2021), Article 106535, 10.1016/j.cemconres.2021.106535
[13] S. Kristombu Baduge, S. Navaratnam, Y. Abu-Zidan, T. McCormack, K. Nguyen, P. Mendis, G. Zhang, L. Aye
Improving performance of additive manufactured (3D printed) concrete: a review on material mix design, processing, interlayer bonding, and reinforcing methods
Structures., 29 (2021), pp. 1597-1609, 10.1016/j.istruc.2020.12.061
[14] L. Gebhard, J. Mata-Falcón, A. Anton, B. Dillenburger, W. Kaufmann
Structural behaviour of 3D printed concrete beams with various reinforcement strategies
Eng. Struct., 240 (2021), Article 112380, 10.1016/j.engstruct.2021.112380
[15] P. Feng, X. Meng, H. Zhang
Mechanical behavior of FRP sheets reinforced 3D elements printed with cementitious materials
Compos. Struct., 134 (2015), pp. 331-342, 10.1016/j.compstruct.2015.08.079
[16] F.P. Bos, C. Menna, M. Pradena, E. Kreiger, W.R.L. da Silva, A.U. Rehman, D. Weger, R.J.M. Wolfs, Y. Zhang, L. Ferrara, V. Mechtcherine
The realities of additively manufactured concrete structures in practice
Cem. Concr. Res., 156 (2022), Article 106746, 10.1016/j.cemconres.2022.106746
[17] H. Kloft, M. Empelmann, N. Hack, E. Herrmann, D. Lowke
Reinforcement strategies for 3D-concrete-printing
Civ. Eng. Des., 2 (2020), pp. 131-139, 10.1002/cend.202000022
[18] F.P. Bos, Z.Y. Ahmed, R.J.M. Wolfs, T.A.M. Salet
3D printing concrete with reinforcement
D.A. Hordijk, M. Luković (Eds.), High Tech Concr. Technol. Eng. Meet, Springer International Publishing, Cham (2018), pp. 2484-2493, 10.1007/978-3-319-59471-2_283
[19] J. Xiao, G. Ji, Y. Zhang, G. Ma, V. Mechtcherine, J. Pan, L. Wang, T. Ding, Z. Duan, S. Du
Large-scale 3D printing concrete technology: current status and future opportunities
Cem. Concr. Compos., 122 (2021), Article 104115, 10.1016/j.cemconcomp.2021.104115
[20] Z. Wu, A.M. Memari, J.P. Duarte
State of the art review of reinforcement strategies and technologies for 3D printing of concrete
Energies., 15 (2022), p. 360, 10.3390/en15010360
[21] B. Baz, G. Aouad, P. Leblond, O. Al-Mansouri, M. D’hondt, S. Remond
Mechanical assessment of concrete – steel bonding in 3D printed elements
Constr. Build. Mater., 256 (2020), Article 119457, 10.1016/j.conbuildmat.2020.119457
[22] G. Ma, Z. Li, L. Wang, G. Bai
Micro-cable reinforced geopolymer composite for extrusion-based 3D printing
Mater. Lett., 235 (2019), pp. 144-147, 10.1016/j.matlet.2018.09.159
[23] Z. Li, L. Wang, G. Ma
Mechanical improvement of continuous steel microcable reinforced geopolymer composites for 3D printing subjected to different loading conditions
Compos. Part B, 187 (2020), Article 107796, 10.1016/j.compositesb.2020.107796
[24] A.R. Arunothayan, B. Nematollahi, R. Ranade, S.H. Bong, J. Sanjayan
Development of 3D-printable ultra-high performance fiber-reinforced concrete for digital construction
Constr. Build. Mater., 257 (2020), Article 119546, 10.1016/j.conbuildmat.2020.119546
[25] B. Nematollahi, P. Vijay, J. Sanjayan, A. Nazari, M. Xia, V. Naidu Nerella, V. Mechtcherine
Effect of polypropylene fibre addition on properties of geopolymers made by 3D printing for digital construction
Materials., 11 (2018), p. 2352, 10.3390/ma11122352
[26] Y. Zhang, F. Aslani
Development of fibre reinforced engineered cementitious composite using polyvinyl alcohol fibre and activated carbon powder for 3D concrete printing
Constr. Build. Mater., 303 (2021), Article 124453, 10.1016/j.conbuildmat.2021.124453
[27] V. Mechtcherine, J. Grafe, V.N. Nerella, E. Spaniol, M. Hertel, U. Füssel
3D-printed steel reinforcement for digital concrete construction – manufacture, mechanical properties and bond behaviour
Constr. Build. Mater., 179 (2018), pp. 125-137, 10.1016/j.conbuildmat.2018.05.202
[28] J. Müller, M. Grabowski, C. Müller, J. Hensel, J. Unglaub, K. Thiele, H. Kloft, K. Dilger
Design and parameter identification of wire and arc additively manufactured (WAAM) steel bars for use in construction
Metals., 9 (2019), p. 725, 10.3390/met9070725
[29] T. Marchment, J. Sanjayan
Mesh reinforcing method for 3D concrete printing
Autom. Constr., 109 (2020), Article 102992, 10.1016/j.autcon.2019.102992
[30] V. Mechtcherine, R. Buswell, H. Kloft, F.P. Bos, N. Hack, R. Wolfs, J. Sanjayan, B. Nematollahi, E. Ivaniuk, T. Neef
Integrating reinforcement in digital fabrication with concrete: a review and classification framework
Cem. Concr. Compos., 119 (2021), Article 103964, 10.1016/j.cemconcomp.2021.103964
[31] T. Marchment, J. Sanjayan
Bond properties of reinforcing bar penetrations in 3D concrete printing
Autom. Constr., 120 (2020), Article 103394, 10.1016/j.autcon.2020.103394
[32] T. Marchment, J. Sanjayan
Lap joint reinforcement for 3D concrete printing
J. Struct. Eng., 148 (2022), Article 04022063, 10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0003361
[33] V2 Vesta Beton-3D-Drucker baut kleines Haus
(n.d.)
https://3druck.com/drucker-und-produkte/v2-vesta-beton-3d-drucker-baut-kleines-haus-2846225/, Accessed 27th Oct 2022
[34] Traditional reinforcement in 3D concrete printed structures, Eindh
Univ. Technol. Res. Portal
(n.d.)
https://research.tue.nl/en/studentTheses/traditional-reinforcement-in-3d-concrete-printed-structures, Accessed 31st May 2023
[35] M. Classen, J. Ungermann, R. Sharma
Additive manufacturing of reinforced concrete—development of a 3D printing technology for cementitious composites with metallic reinforcement
Appl. Sci., 10 (2020), p. 3791, 10.3390/app10113791
[36] L. Gebhard, L. Esposito, C. Menna, J. Mata-Falcón
Inter-laboratory study on the influence of 3D concrete printing set-ups on the bond behaviour of various reinforcements
Cem. Concr. Compos., 133 (2022), Article 104660, 10.1016/j.cemconcomp.2022.104660
[37] R. Comminal, J.H. Hattel, J. Spangenberg
Numerical simulations of planar extrusion and fused filament fabrication of non-Newtonian fluids
Annu. Trans. Nord. Rheol. Soc, 25 (2017)
[38] M.P. Serdeczny, R. Comminal, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Experimental validation of a numerical model for the strand shape in material extrusion additive manufacturing
Addit. Manuf., 24 (2018), pp. 145-153, 10.1016/j.addma.2018.09.022
[39] H. Xia, J. Lu, G. Tryggvason
A numerical study of the effect of viscoelastic stresses in fused filament fabrication
Comput. Methods Appl. Mech. Eng., 346 (2019), pp. 242-259, 10.1016/j.cma.2018.11.031
[40] M.P. Serdeczny, R. Comminal, Md.T. Mollah, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Numerical modeling of the polymer flow through the hot-end in filament-based material extrusion additive manufacturing
Addit. Manuf., 36 (2020), Article 101454, 10.1016/j.addma.2020.101454
[41] M.T. Mollah, M.P. Serdeczny, R. Comminal, B. Šeta, M. Brander, J. Spangenberg
A numerical investigation of the inter-layer bond and surface roughness during the yield stress buildup in wet-on-wet material extrusion additive manufacturing
2022 Summer Top. Meet. Adv. Precis. Addit. Manuf, American Society for Precision Engineering (2022), pp. 131-134
[42] M.P. Serdeczny, R. Comminal, M.T. Mollah, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Viscoelastic simulation and optimisation of the polymer flow through the hot-end during filament-based material extrusion additive manufacturing
Virtual Phys. Prototyp., 17 (2022), pp. 205-219, 10.1080/17452759.2022.2028522
[43] B. Šeta, M.T. Mollah, V. Kumar, D.K. Pokkalla, S. Kim, A.A. Hassen, J. Spangenberg
Modelling fiber orientation during additive manufacturing-compression molding processes
Proc. 33rd Annu. Int. Solid Free. Fabr. Symp, The University of Texas at Austin (2022), pp. 906-919
[44] M.T. Mollah, A. Moetazedian, A. Gleadall, J. Yan, W.E. Alphonso, R. Comminal, B. Šeta, T. Lock, J. Spangenberg
Investigation on corner precision at different corner angles in material extrusion additive manufacturing: an experimental and computational fluid dynamics analysis
Solid Free. Fabr. Symp. 2022 33rd Annu. Meet, The University of Texas at Austin (2022), pp. 872-881
[45] R. Comminal, M.P. Serdeczny, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Numerical modeling of the strand deposition flow in extrusion-based additive manufacturing
Addit. Manuf., 20 (2018), pp. 68-76, 10.1016/j.addma.2017.12.013
[46] M.P. Serdeczny, R. Comminal, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Numerical simulations of the mesostructure formation in material extrusion additive manufacturing
Addit. Manuf., 28 (2019), pp. 419-429, 10.1016/j.addma.2019.05.024
[47] M.T. Mollah, R. Comminal, M.P. Serdeczny, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Stability and deformations of deposited layers in material extrusion additive manufacturing
Addit. Manuf. (2021), Article 102193, 10.1016/j.addma.2021.102193
[48] M.T. Mollah, R. Comminal, M.P. Serdeczny, D.B. Pedersen, J. Spangenberg
Numerical predictions of bottom layer stability in material extrusion additive manufacturing
JOM. (2022), 10.1007/s11837-021-05035-9
[49] M.T. Mollah, R. Comminal, M.P. Serdeczny, B. Šeta, J. Spangenberg
Computational analysis of yield stress buildup and stability of deposited layers in material extrusion additive manufacturing
Addit. Manuf., 71 (2023), Article 103605, 10.1016/j.addma.2023.103605
[50] R. Comminal, W.R. Leal da Silva, T.J. Andersen, H. Stang, J. Spangenberg
Modelling of 3D concrete printing based on computational fluid dynamics
Cem. Concr. Res., 138 (2020), Article 106256, 10.1016/j.cemconres.2020.106256
[51] R. Comminal, W.R.L. Da Silva, T.J. Andersen, H. Stang, J. Spangenberg
Influence of processing parameters on the layer geometry in 3D concrete printing: experiments and modelling
F.P. Bos, S.S. Lucas, R.J.M. Wolfs, T.A.M. Salet (Eds.), Second RILEM Int. Conf. Concr. Digit. Fabr, Springer International Publishing, Cham (2020), pp. 852-862, 10.1007/978-3-030-49916-7_83
[52] J. Spangenberg, W.R. Leal da Silva, R. Comminal, M.T. Mollah, T.J. Andersen, H. Stang
Numerical simulation of multi-layer 3D concrete printing
RILEM Tech. Lett., 6 (2021), pp. 119-123, 10.21809/rilemtechlett.2021.142
[53] J. Spangenberg, W.R. Leal da Silva, M.T. Mollah, R. Comminal, T. Juul Andersen, H. Stang
Integrating reinforcement with 3D concrete printing: experiments and numerical modelling
R. Buswell, A. Blanco, S. Cavalaro, P. Kinnell (Eds.), Third RILEM Int. Conf. Concr. Digit. Fabr., Springer International Publishing, Cham (2022), pp. 379-384, 10.1007/978-3-031-06116-5_56
[54] N. Ranjbar, M. Mehrali, C. Kuenzel, C. Gundlach, D.B. Pedersen, A. Dolatshahi-Pirouz, J. Spangenberg
Rheological characterization of 3D printable geopolymers
Cem. Concr. Res., 147 (2021), Article 106498, 10.1016/j.cemconres.2021.106498
[55] FLOW-3D® Version 12.0 [Computer software]
https://www.flow3d.com (2019), Accessed 10th May 2022
[56] S.F. Ashby, T.A. Manteuffel, P.E. Saylor
A taxonomy for conjugate gradient methods
SIAM J. Numer. Anal., 27 (1990), pp. 1542-1568, 10.1137/0727091
[57] R. Barrett, M. Berry, T.F. Chan, J. Demmel, J.M. Donato, J. Dongarra, V. Eijkhout, R. Pozo, C. Romine, H.V.D. Vorst
Templates for the Solution of Linear Systems: Building Blocks for Iterative Methods
(1994)
[58] Y. Saad
Iterative Methods for Sparse Linear Systems
The PWS Series in Computer Science (1996)
(http://books.google.com/books?id=jLtiQgAACAAJ)
[59] Modeling Capabilities- Immersed Boundary Method | FLOW-3D | Solving The World’s Toughest CFD Problems, FLOW Sci
(n.d.)
https://www.flow3d.com/modeling-capabilities/immersed-boundary-method/, Accessed 21st Aug 2021
[60] C.W. Hirt, B.D. Nichols
Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries
J. Comput. Phys., 39 (1981), pp. 201-225, 10.1016/0021-9991(81)90145-5
[61] R. Comminal, J. Spangenberg, J.H. Hattel
Cellwise conservative unsplit advection for the volume of fluid method
J. Comput. Phys., 283 (2015), pp. 582-608, 10.1016/j.jcp.2014.12.003

Computational Fluid Dynamics Study of Perforated Monopiles

Computational Fluid Dynamics Study of Perforated Monopiles

Mary Kathryn Walker
Florida Institute of Technology, mwalker2022@my.fit.edu

Robert J. Weaver, Ph.D.
Associate Professor
Ocean Engineering and Marine Sciences
Major Advisor


Chungkuk Jin, Ph.D.
Assistant Professor
Ocean Engineering and Marine Sciences


Kelli Z. Hunsucker, Ph.D.
Assistant Professor
Ocean Engineering and Marine Sciences


Richard B. Aronson, Ph.D.
Professor and Department Head
Ocean Engineering and Marine Sciences

Abstract

모노파일은 해상 풍력 터빈 건설에 사용되며 일반적으로 설계 수명은 25~50년입니다. 모노파일은 수명 주기 동안 부식성 염수 환경에 노출되어 구조물을 빠르게 분해하는 전기화학적 산화 공정을 용이하게 합니다. 이 공정은 모노파일을 보호 장벽으로 코팅하고 음극 보호 기술을 구현하여 완화할 수 있습니다.

역사적으로 모노파일 설계자는 파일 내부가 완전히 밀봉되고 전기화학적 부식 공정이 결국 사용 가능한 모든 산소를 소모하여 반응을 중단시킬 것이라고 가정했습니다. 그러나 도관을 위해 파일 벽에 만든 관통부는 종종 누출되어 신선하고 산소화된 물이 내부 공간으로 유입되었습니다.

표준 부식 방지 기술을 보다 효과적으로 적용할 수 있는 산소화된 환경으로 내부 공간을 재고하는 새로운 모노파일 설계가 연구되고 있습니다. 이러한 새로운 모노파일은 간조대 또는 조간대 수준에서 벽에 천공이 있어 신선하고 산소화된 물이 구조물을 통해 흐를 수 있습니다.

이러한 천공은 또한 구조물의 파도 하중을 줄일 수 있습니다. 유체 역학적 하중 감소의 크기는 천공의 크기와 방향에 따라 달라집니다. 이 연구에서는 천공의 크기에 따른 모노파일의 힘 감소 분석에서 전산 유체 역학(CFD)의 적용 가능성을 연구하고 주어진 파도의 접근 각도 변화의 효과를 분석했습니다.

모노파일의 힘 감소를 결정하기 위해 이론적 3D 모델을 제작하여 FLOW-3D® HYDRO를 사용하여 테스트했으며, 천공되지 않은 모노파일을 제어로 사용했습니다. 이론적 데이터를 수집한 후, 동일한 종류의 천공이 있는 물리적 스케일 모델을 파도 탱크를 사용하여 테스트하여 이론적 모델의 타당성을 확인했습니다.

CFD 시뮬레이션은 물리적 모델의 10% 이내, 이전 연구의 5% 이내에 있는 것으로 나타났습니다. 물리적 모델과 시뮬레이션 모델을 검증한 후, 천공의 크기가 파도 하중 감소에 뚜렷한 영향을 미치고 주어진 파도의 접근 각도에 대한 테스트를 수행할 수 있음을 발견했습니다.

접근 각도의 변화는 모노파일을 15°씩 회전하여 시뮬레이션했습니다. 이 논문에 제시된 데이터는 모노파일의 방향이 통계적으로 유의하지 않으며 천공 모노파일의 설계 고려 사항이 되어서는 안 된다는 것을 시사합니다.

또한 파도 하중 감소와 구조적 안정성 사이의 균형을 찾기 위해 천공의 크기와 모양에 대한 연구를 계속하는 것이 좋습니다.

Monopiles are used in the construction of offshore wind turbines and typically have a design life of 25 to 50 years. Over their lifecycle, monopiles are exposed to a corrosive saltwater environment, facilitating a galvanic oxidation process that quickly degrades the structure. This process can be mitigated by coating the monopile in a protective barrier and implementing cathodic protection techniques. Historically, monopile designers assumed the interior of the pile would be completely sealed and the galvanic corrosion process would eventually consume all the available oxygen, halting the reaction. However, penetrations made in the pile wall for conduit often leaked and allowed fresh, oxygenated water to enter the interior space. New monopile designs are being researched that reconsider the interior space as an oxygenated environment where standard corrosion protection techniques can be more effectively applied. These new monopiles have perforations through the wall at intertidal or subtidal levels to allow fresh, oxygenated water to flow through the structure. These perforations can also reduce wave loads on the structure. The magnitude of the hydrodynamic load reduction depends on the size and orientation of the perforations. This research studied the applicability of computational fluid dynamics (CFD) in analysis of force reduction on monopiles in relation to size of a perforation and to analyze the effect of variation in approach angle of a given wave. To determine the force reduction on the monopile, theoretical 3D models were produced and tested using FLOW-3D® HYDRO with an unperforated monopile used as the control. After the theoretical data was collected, physical scale models with the same variety of perforations were tested using a wave tank to determine the validity of the theoretical models. The CFD simulations were found to be within 10% of the physical models and within 5% of previous research. After the physical and simulated models were validated, it was found that the size of the perforations has a distinct impact on the wave load reduction and testing for differing approach angles of a given wave could be conducted. The variation in approach angle was simulated by rotating the monopile in 15° increments. The data presented in this paper suggests that the orientation of the monopile is not statistically significant and should not be a design consideration for perforated monopiles. It is also suggested to continue the study on the size and shape of the perforations to find the balance between wave load reduction and structural stability.

Figure 1: Overview sketch of typical monopile (MP) foundation and transition piece (TP) design with an internal j-tube (Hilbert et al., 2011)
Figure 1: Overview sketch of typical monopile (MP) foundation and transition
piece (TP) design with an internal j-tube (Hilbert et al., 2011)

References
Andersen, J., Abrahamsen, R., Andersen, T., Andersen, M., Baun, T., & Neubauer,
J. (2020). Wave Load Mitigation by Perforation of Monopiles. Journal of
Marine Science and Engineering, 8(5), 352.
https://doi.org/10.3390/jmse8050352
Bakker A. (2008) Lectures on Applied Computational Fluid Dynamics.
www.bakker.org.
Bustamante, A., Vera-Tudela, L., & Kühn, M. (2015). Evaluation of wind farm
effects on fatigue loads of an individual wind turbine at the EnBW baltic 1
offshore wind farm. Journal of Physics: Conference Series, 625, 012020.
https://doi.org/10.1088/1742-6596/625/1/012020
Chakrabarti SK. Hydrodynamics of offshore structures. Springer Verlag;1987.
Christiansen, R. (2020). Living Docks: Structural Implications and Determination
of Force Coefficients of Oyster Mats on Dock Pilings in the Indian River
Lagoon [Master’s Thesis, Florida Institute of Technology].
Clauss, G. (1992). Offshore Structures, Volume 1, Conceptual Design and
Hydromechanics. Springer, London, UK.
COMSOL Multiphysics® v. 6.1. www.comsol.com. COMSOL AB, Stockholm,
Sweden.
Delwiche, A. & Tavares, I. (2017). Retrofit Strategy using Aluminum Anodes for
the Internal section of Windturbine Monopiles. NACE Internation
Corrosion Conference & Expo, Paper no. 8955.
Det Norske Veritas (2014) Fatigue design of offshore steel structures. Norway.
70
Det Norske Veritas (1989). Rules for the Classification of Fixed Offshore
Installations. Technical report, DNV, Hovik, Norway.
DNV. (2011). DNV-RP-C203 Fatigue Design of Offshore Steel Structures (tech.
rep.). http://www.dnv.com
Elger, D. F., LeBret, B. A., Crowe, C. T., & Roberson, J. A. (2022). Engineering
fluid mechanics. John Wiley & Sons, Inc.
FLOW-3D® Version 12.0 Users Manual (2018). FLOW-3D [Computer software].
Santa Fe, NM: Flow Science, Inc. https://www.flow3d.com
Gaertner, Evan, Jennifer Rinker, Latha Sethuraman, Frederik Zahle, Benjamin
Andersen, Garrett Barter, Nikhar Abbas, Fanzhong Meng, Pietro Bortolotti,
Witold Skrzypinski, George Scott, Roland Feil, Henrik Bredmose,
Katherine Dykes, Matt Shields, Christopher Allen, and Anthony Viselli.
(2020). Definition of the IEA 15-Megawatt Offshore Reference Wind.
Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory. NREL/TP-5000-

  1. https://www.nrel.gov/docs/fy20osti/75698.pdf
    Goodisman, Jerry (2001). “Observations on Lemon Cells”. Journal of Chemical
    Education. 78 (4): 516–518. Bibcode:2001JChEd..78..516G.
    doi:10.1021/ed078p516. Goodisman notes that many chemistry textbooks
    use an incorrect model for a cell with zinc and copper electrodes in an
    acidic electrolyte
    Hilbert, L.R. & Black, Anders & Andersen, F. & Mathiesen, Troels. (2011).
    Inspection and monitoring of corrosion inside monopile foundations for
    offshore wind turbines. European Corrosion Congress 2011, EUROCORR
  2. 3. 2187-2201.
    H. J. Landau, “Sampling, data transmission, and the Nyquist rate,” in Proceedings
    of the IEEE, vol. 55, no. 10, pp. 1701-1706, Oct. 1967, doi:
    10.1109/PROC.1967.5962.
    71
    Journee, J. M., and W. W. Massie. Offshore Hydrodynamics, First Edition.
    Delft University of Technology, 2001.
    Keulegan, G. H., and L. H. Carpenter. “Forces on Cylinders and Plates in an
    Oscillating Fluid.” Journal of Research of the National Bureau of
    Standards, vol. 60, no. 5, 1958, pp. 423–40.
    Lahlou, O. (2019). Experimental and Numerical Analysis of the Drag Force on
    Surfboards with Different Shapes (thesis).
    L. H. Holthuijsen. Waves in Oceanic and Coastal Waters. Cam-bridge University
    Press, 2007. doi:10.1017/cbo9780511618536.
    MacCamy, R.C., Fuchs, R.A.: Wave Forces on Piles: a Diffraction Theory. Corps
    of Engineers Washington DC Beach Erosion Board (1954)
    M. M. Maher and G. Swain, “The Corrosion and Biofouling Characteristics of
    Sealed vs. Perforated Offshore Monopile Interiors Experiment Design
    Comparing Corrosion and Environment Inside Steel Pipe,” OCEANS 2018
    MTS/IEEE Charleston, Charleston, SC, USA, 2018, pp. 1-4, doi:
    10.1109/OCEANS.2018.8604522.
    Morison, J. R.; O’Brien, M. P.; Johnson, J. W.; Schaaf, S. A. (1950), “The force
    exerted by surface waves on piles”, Petroleum Transactions, American
    Institute of Mining Engineers, 189 (5): 149–154, doi:10.2118/950149-G
    Paluzzi, Alexander John, “Effects of Perforations on Internal Cathodic Protection
    and Recruitment of Marine Organisms to Steel Pipes” (2023). Theses and
    Dissertations. 1403. https://repository.fit.edu/etd/1403
    Ploeg, J.V.D. (2021). Perforation of monopiles to reduce hydrodynamic loads and
    enable use in deep waters [Master’s Thesis, Delft University of
    Technology] Institutional Repository at Delft University of Technology.
    http://resolver.tudelft.nl/uuid:91eada6f-4f2b-4ae6-be59-2b5ff0590c6f.
    72
    Shi, W., Zhang, S., Michailides, C., Zhang, L., Zhang, P., & Li, X. (2023).
    Experimental investigation of the hydrodynamic effects of breaking waves
    on monopiles in model scale. Journal of Marine Science and Technology,
    28(1), 314–325. https://doi.org/10.1007/s00773-023-00926-9
    Santamaria Gonzalez, G.A. (2023) Advantages and Challenges of Perforated
    Monopiles in Deep Water Sites [Master’s Thesis, Delft University of
    Technology] Institutional Repository at Delft University of Technology.
    http://resolver.tudelft.nl/uuid:490791b6-a912-4bac-a007-f77012c01107
    Sarpkaya, T. and Isaacson, M. (1981). Mechanics of Wave Forces on Offshore
    Structures. Number ISBN 0-442-25402-4. Van Nostrand Reinhold
    Company Inc., New York.
    Tang, Y., Shi, W., Ning, D., You, J., & Michailides, C. (2020). Effects of spilling
    and plunging type breaking waves acting on large monopile offshore wind
    turbines. Frontiers in Marine Science, 7.
    https://doi.org/10.3389/fmars.2020.00427
    Teja, R. (2021, June 25). Wheatstone bridge: Working, examples, applications.
    ElectronicsHub. https://www.electronicshub.org/wheatstone-bridge/
    The MathWorks Inc. (2022). MATLAB version: 9.13.0 (R2022b), Natick,
    Massachusetts: The MathWorks Inc. https://www.mathworks.com
    Wave gauges. Edinburgh Designs. (2016).
    http://www4.edesign.co.uk/product/wavegauges/
    Wilberts, F. (2017). MEASUREMENT DRIVEN FATIGUE ASSESSMENT OF
    OFFSHORE WIND TURBINE FOUNDATIONS (Master’s Thesis,
    Uppsala University).
Fig 1. (a) The Location of the Bahman Shir dam (upstream), (b) Bahman Shir dam (downstream dam) and (c) Mared Dam. Note: The borders of the countries are not exact.

Initial Maintenance Notes about the First River Ship Lock in Iran

M.T. Mansouri Kia1,2, H.R. Sheibani 3, A. Hoback 4
1 Manager of Dam and Power Plant Construction, Khuzestan Water and Power Authority (KWPA), Ahwaz, Iran.
2 Ph.D., Department of Civil Engineering, Payame Noor University, Tehran, Iran.
3 Associate Professor of PNU University, Tehran, Iran.
4 Professor of Civil, Architectural & Environmental Engineering, University of Detroit Mercy Civil, Rome, Italy.

Abstract

Mared Dam in northern Abadan is under construction on the Karun River and it is the first ship lock in Iran. In this study, the ship’s lock was examined. Every vessel must pass through this lock in order to transport water from Arvand River to Karun and vice versa. The interior dimensions of the Mared Shipping Lock are 160 meters long, 25 meters wide and 8 meters deep. Several important times are calculated for lock operation. 𝑇is the first time the gates open, 𝑇15 the time the initial gates remain open until the height difference between the two sides reaches 150 mm, 𝑇filled is the duration between the start of the opening the gates till the difference between the two ends becomes zero after 𝑇15. Finally, T is the total time required for opening or closing the gates completely. The rotational speeds of the gates range from 5 to 35 radians per minute. Numerical modeling has been used to study fluid behavior and interaction between fluid and gates in flow 3D software. Different lock maintenance scenarios have been analyzed. Important parameters such as inlet and outlet flow rate changes from gates, water depth changes at different times, stress and strain fields, hydrodynamic forces acting on different points of the lock have been calculated. Based on this, the forces acting on hydraulic jacks and gates have been calculated. The minimum time required for the safe passage of the ship through the lock is calculated.

북부 아바단의 마레드 댐은 카룬 강에 건설 중이며 이란 최초의 선박 잠금 장치입니다. 본 연구에서는 선박의 자물쇠를 조사하였습니다. Arvand 강에서 Karun으로 또는 그 반대로 물을 운송하려면 모든 선박이 이 수문을 통과해야 합니다.

Mared Shipping Lock의 내부 치수는 길이 160m, 너비 25m, 깊이 8m입니다. 잠금 작동을 위해 몇 가지 중요한 시간이 계산됩니다. 𝑇은 게이트가 처음 열릴 때, 𝑇15는 양쪽의 높이 차이가 150mm에 도달할 때까지 초기 게이트가 열린 상태로 유지되는 시간, 𝑇filled는 게이트가 열리는 시작부터 이후 두 끝의 차이가 0이 될 때까지의 시간입니다.

𝑇15. 마지막으로 T는 게이트를 완전히 열거나 닫는 데 필요한 총 시간입니다. 게이트의 회전 속도는 분당 5~35라디안입니다. 수치 모델링은 유동 3D 소프트웨어에서 유체 거동과 유체와 게이트 사이의 상호 작용을 연구하는 데 사용되었습니다. 다양한 잠금 유지 관리 시나리오가 분석되었습니다.

게이트의 입구 및 출구 유속 변화, 다양한 시간에 따른 수심 변화, 응력 및 변형 필드, 수문의 다양한 지점에 작용하는 유체역학적 힘과 같은 중요한 매개변수가 계산되었습니다.

이를 바탕으로 유압잭과 게이트에 작용하는 힘을 계산하였습니다. 선박이 자물쇠를 안전하게 통과하는 데 필요한 최소 시간이 계산됩니다.

Fig 1. (a) The Location of the Bahman Shir dam (upstream), (b) Bahman Shir dam (downstream dam) and (c) Mared Dam. Note: The borders of the countries are not exact.
Fig 1. (a) The Location of the Bahman Shir dam (upstream), (b) Bahman Shir dam (downstream dam) and (c) Mared Dam. Note: The borders of the countries are not exact.

References

  • Ables, J.H., 1978. Filling and Emptying System, New Ship Lock, Mississippi River-Gulf Outlet, Louisiana: Hydraulic Model Investigation, 78. US Army Engineer Waterways Experiment Station.
  • Army, U., 1964. Corps of Engineers, 1965. National Inventory of Physical Resources. Agency for International Development, Costa Rica.
  • Belzner, F., Simons, F., Thorenz, C., 2018. An application-oriented model for lock filling processes, 34th PIANC-World Congress (Proceedings). Online verfügbar unter https://coms.events/piancpanama/data/full_pa pers/full_paper_183.pdf, zuletzt geprüft am, pp. 2018.
  • Brolsma, J., Roelse, K., 2011. Waterway guidelines 2011. ISBN 9789036900690. Dhanuka, A., Agrawal, S., Mehra, H., 2018. Hydraulic and Structural Design of Navigational Locks. J Civil Environ Eng, 8(297): 2.
  • Gao, Z., Fang, S.L., Shi, X.T., Gu, Z.H., 2013. Computation of Filling Time of a Ship Lock. Applied Mechanics and Materials, 256: 2509- 2513.
  • Hu, Q., Li, Y., Zhu, L., 2024. Effect of Parameters of Ditch Geometry on the Uniformity of Water Filling in Ship Lock Chambers. Journal of Marine Science and Engineering, 12(1): 86. Iranian sahel Omid Co., Engineer, L.C., 2015. Numerical Modeling of Flow in Lock Chamber, Abadan ship Lock Dam Project. 0920-4741.
  • Iuorio, L., 2024. Dams are fragile: the frenzy and legacy of modern infrastructures along the Klamath and Allegheny Rivers. Water History: 1-26.
  • Li, J., Hu, Y., Wang, X., Diao, M., 2023. Operation safety evaluation system of ship lock based on extension evaluation and combination weighting method. Journal of Hydroinformatics, 25(3): 755-781.
  • Liu, B., Yang, J., Huang, Y., Wang, L., 2022. Hydraulic Research on Filling and Emptying System of Water-Saving Ship Lock for Navigation-Power Junction in Mountainous River, Smart Rivers. Springer, pp. 1492-1501.
  • Mäck, A., Lorke, A., 2014. Ship‐lock–induced surges in an impounded river and their impact on subdaily flow velocity variation. River research and applications, 30(4): 494-507. Mahab., S., 1976. Final technical Report of Feasibility study. 25-96.
  • Mansouri Kia, M.T., 2022. Hydraulic design and optimization of navigation lock performance – A case study of Karun and Bahman Shir river locks. . PNU University. The Ph. D thesis (in Civil Engineering).
  • Mansouri Kia, M.T., Ansari, Z., 2008. Feasibility of Water Transport in Karun Waterway. 4th National Congress of Civil Engineering, Tehran University Iran: 1-8 (in Persian).
  • Mansouri Kia, M.T., Rajabi, E., Sheybani, H.R., 2022. Determining the Optimal Dimensions of River Transportation Channel in Iran. . Fourth International Conference of Civil, Architectural and sustainable green city, Hamedan, Iran. (in Persian): 298-309.
  • Moore, F.G., 1950. Three canal projects, Roman and Byzantine. American Journal of Archaeology, 54(2): 97-111.
  • Negi, P., Kromanis, R., Dorée, A.G., Wijnberg, K.M., 2024. Structural health monitoring of inland navigation structures and ports: a review on developments and challenges. Structural Health Monitoring, 23(1): 605-645.
  • Nogueira, H.I., Van Der Hout, A., O’Mahoney, T.S., Kortlever, W.C., 2024. The Impact of Density Differences on the Hydraulic Design of Leveling Systems: The Case of New Large Sea Locks in IJmuiden and Terneuzen. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 150(1): 05023002.
  • O’Mahoney, T., De Loor, A., 2015. Paper 55- Computational Fluid Dynamics simulations of the effects of density differences during the filling process in a sea lock. Scott_Wilson;, Piesold., 2005. Karun River, Interim report NO 6, Transportation component.
  • Wang, H.-z., Zou, Z.-j., 2014. Numerical prediction of hydrodynamic forces on a ship passing through a lock. China Ocean Engineering, 28(3): 421-432.
  • Yang, Z., Sun, Y., Lian, F., Feng, H., Li, G., 2024. Optimization of river container port-access transport based on the innovatively designed electric ship in the Yangtze River Delta. Ocean & Coastal Management, 248: 106976.

Coupled CFD-DEM simulation of interfacial fluid–particle interaction during binder jet 3D printing

Coupled CFD-DEM simulation of interfacial fluid–particle interaction during binder jet 3D printing

바인더 제트 3D 프린팅 중 계면 유체-입자 상호 작용에 대한 CFD-DEM 결합 시뮬레이션

Joshua J. Wagner, C. Fred Higgs III

https://doi.org/10.1016/j.cma.2024.116747

Abstract

The coupled dynamics of interfacial fluid phases and unconstrained solid particles during the binder jet 3D printing process govern the final quality and performance of the resulting components. The present work proposes a computational fluid dynamics (CFD) and discrete element method (DEM) framework capable of simulating the complex interfacial fluid–particle interaction that occurs when binder microdroplets are deposited into a powder bed. The CFD solver uses a volume-of-fluid (VOF) method for capturing liquid–gas multifluid flows and relies on block-structured adaptive mesh refinement (AMR) to localize grid refinement around evolving fluid–fluid interfaces. The DEM module resolves six degrees of freedom particle motion and accounts for particle contact, cohesion, and rolling resistance. Fully-resolved CFD-DEM coupling is achieved through a fictitious domain immersed boundary (IB) approach. An improved method for enforcing three-phase contact lines with a VOF-IB extension technique is introduced. We present several simulations of binder jet primitive formation using realistic process parameters and material properties. The DEM particle systems are experimentally calibrated to reproduce the cohesion behavior of physical nickel alloy powder feedstocks. We demonstrate the proposed model’s ability to resolve the interdependent fluid and particle dynamics underlying the process by directly comparing simulated primitive granules with one-to-one experimental counterparts obtained from an in-house validation apparatus. This computational framework provides unprecedented insight into the fundamental mechanisms of binder jet 3D printing and presents a versatile new approach for process parameter optimization and defect mitigation that avoids the inherent challenges of experiments.

바인더 젯 3D 프린팅 공정 중 계면 유체 상과 구속되지 않은 고체 입자의 결합 역학이 결과 구성 요소의 최종 품질과 성능을 좌우합니다. 본 연구는 바인더 미세액적이 분말층에 증착될 때 발생하는 복잡한 계면 유체-입자 상호작용을 시뮬레이션할 수 있는 전산유체역학(CFD) 및 이산요소법(DEM) 프레임워크를 제안합니다.

CFD 솔버는 액체-가스 다중유체 흐름을 포착하기 위해 VOF(유체량) 방법을 사용하고 블록 구조 적응형 메쉬 세분화(AMR)를 사용하여 진화하는 유체-유체 인터페이스 주위의 그리드 세분화를 국지화합니다. DEM 모듈은 6개의 자유도 입자 운동을 해결하고 입자 접촉, 응집력 및 구름 저항을 설명합니다.

완전 분해된 CFD-DEM 결합은 가상 도메인 침지 경계(IB) 접근 방식을 통해 달성됩니다. VOF-IB 확장 기술을 사용하여 3상 접촉 라인을 강화하는 향상된 방법이 도입되었습니다. 현실적인 공정 매개변수와 재료 특성을 사용하여 바인더 제트 기본 형성에 대한 여러 시뮬레이션을 제시합니다.

DEM 입자 시스템은 물리적 니켈 합금 분말 공급원료의 응집 거동을 재현하기 위해 실험적으로 보정되었습니다. 우리는 시뮬레이션된 기본 과립과 내부 검증 장치에서 얻은 일대일 실험 대응물을 직접 비교하여 프로세스의 기본이 되는 상호 의존적인 유체 및 입자 역학을 해결하는 제안된 모델의 능력을 보여줍니다.

이 계산 프레임워크는 바인더 제트 3D 프린팅의 기본 메커니즘에 대한 전례 없는 통찰력을 제공하고 실험에 내재된 문제를 피하는 공정 매개변수 최적화 및 결함 완화를 위한 다용도의 새로운 접근 방식을 제시합니다.

Introduction

Binder jet 3D printing (BJ3DP) is a powder bed additive manufacturing (AM) technology capable of fabricating geometrically complex components from advanced engineering materials, such as metallic superalloys and ultra-high temperature ceramics [1], [2]. As illustrated in Fig. 1(a), the process is comprised of many repetitive print cycles, each contributing a new cross-sectional layer on top of a preceding one to form a 3D CAD-specified geometry. The feedstock material is first delivered from a hopper to a build plate and then spread into a thin layer by a counter-rotating roller. After powder spreading, a print head containing many individual inkjet nozzles traverses over the powder bed while precisely jetting binder microdroplets onto select regions of the spread layer. Following binder deposition, the build plate lowers by a specified layer thickness, leaving a thin void space at the top of the job box that the subsequent powder layer will occupy. This cycle repeats until the full geometries are formed layer by layer. Powder bed fusion (PBF) methods follow a similar procedure, except they instead use a laser or electron beam to selectively melt and fuse the powder material. Compared to PBF, binder jetting offers several distinct advantages, including faster build rates, enhanced scalability for large production volumes, reduced machine and operational costs, and a wider selection of suitable feedstock materials [2]. However, binder jetted parts generally possess inferior mechanical properties and reduced dimensional accuracy [3]. As a result, widescale adoption of BJ3DP to fabricate high-performance, mission-critical components, such as those common to the aerospace and defense sectors, is contingent on novel process improvements and innovations [4].

A major obstacle hindering the advancement of BJ3DP is our limited understanding of how various printing parameters and material properties collectively influence the underlying physical mechanisms of the process and their effect on the resulting components. To date, the vast majority of research efforts to uncover these relationships have relied mainly on experimental approaches [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], which are often expensive and time-consuming and have inherent physical restrictions on what can be measured and observed. For these reasons, there is a rapidly growing interest in using computational models to circumvent the challenges of experimental investigations and facilitate a deeper understanding of the process’s fundamental phenomena. While significant progress has been made in developing and deploying numerical frameworks aimed at powder spreading [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27] and sintering [28], [29], [30], [31], [32], simulating the interfacial fluid–particle interaction (IFPI) in the binder deposition stage is still in its infancy. In their exhaustive review, Mostafaei et al. [2] point out the lack of computational models capable of resolving the coupled fluid and particle dynamics associated with binder jetting and suggest that the development of such tools is critical to further improving the process and enhancing the quality of its end-use components.

We define IFPI as a multiphase flow regime characterized by immiscible fluid phases separated by dynamic interfaces that intersect the surfaces of moving solid particles. As illustrated in Fig. 1(b), an elaborate IFPI occurs when a binder droplet impacts the powder bed in BJ3DP. The momentum transferred from the impacting droplet may cause powder compaction, cratering, and particle ejection. These ballistic disturbances can have deleterious effects on surface texture and lead to the formation of large void spaces inside the part [5], [13]. After impact, the droplet spreads laterally on the bed surface and vertically into the pore network, driven initially by inertial impact forces and then solely by capillary action [33]. Attractive capillary forces exerted on mutually wetted particles tend to draw them inward towards each other, forming a packed cluster of bound particles referred to as a primitive [34]. A single-drop primitive is the most fundamental building element of a BJ3DP part, and the interaction leading to its formation has important implications on the final part characteristics, such as its mechanical properties, resolution, and dimensional accuracy. Generally, binder droplets are deposited successively as the print head traverses over the powder bed. The traversal speed and jetting frequency are set such that consecutive droplets coalesce in the bed, creating a multi-drop primitive line instead of a single-drop primitive granule. The binder must be jetted with sufficient velocity to penetrate the powder bed deep enough to provide adequate interlayer binding; however, a higher impact velocity leads to more pronounced ballistic effects.

A computational framework equipped to simulate the interdependent fluid and particle dynamics in BJ3DP would allow for unprecedented observational and measurement capability at temporal and spatial resolutions not currently achievable by state-of-the-art imaging technology, namely synchrotron X-ray imaging [13], [14], [18], [19]. Unfortunately, BJ3DP presents significant numerical challenges that have slowed the development of suitable modeling frameworks; the most significant of which are as follows:

  • 1.Incorporating dynamic fluid–fluid interfaces with complex topological features remains a nontrivial task for standard mesh-based CFD codes. There are two broad categories encompassing the methods used to handle interfacial flows: interface tracking and interface capturing [35]. Interface capturing techniques, such as the popular volume-of-fluid (VOF) [36] and level-set methods [37], [38], are better suited for problems with interfaces that become heavily distorted or when coalescence and fragmentation occur frequently; however, they are less accurate in resolving surface tension and boundary layer effects compared to interface tracking methods like front-tracking [39], arbitrary Lagrangian–Eulerian [40], and space–time finite element formulations [41]. Since interfacial forces become increasingly dominant at decreasing length scales, inaccurate surface tension calculations can significantly deteriorate the fidelity of IFPI simulations involving <100 μm droplets and particles.
  • 2.Dynamic powder systems are often modeled using the discrete element method (DEM) introduced by Cundall and Strack [42]. For IFPI problems, a CFD-DEM coupling scheme is required to exchange information between the fluid and particle solvers. Fully-resolved CFD-DEM coupling suggests that the flow field around individual particle surfaces is resolved on the CFD mesh [43], [44]. In contrast, unresolved coupling volume averages the effect of the dispersed solid phase on the continuous fluid phases [45], [46], [47], [48]. Comparatively, the former is computationally expensive but provides detailed information about the IFPI in question and is more appropriate when contact line dynamics are significant. However, since the pore structure of a powder bed is convoluted and evolves with time, resolving such solid–fluid interfaces on a computational mesh presents similar challenges as fluid–fluid interfaces discussed in the previous point. Although various algorithms have been developed to deform unstructured meshes to accommodate moving solid surfaces (see Bazilevs et al. [49] for an overview of such methods), they can be prohibitively expensive when frequent topology changes require mesh regeneration rather than just modification through nodal displacement. The pore network in a powder bed undergoes many topology changes as particles come in and out of contact with each other, constantly closing and opening new flow channels. Non-body-conforming structured grid approaches that rely on immersed boundary (IB) methods to embed the particles in the flow field can be better suited for such cases [50]. Nevertheless, accurately representing these complex pore geometries on Cartesian grids requires extremely high mesh resolutions, which can impose significant computational costs.
  • 3.Capillary effects depend on the contact angle at solid–liquid–gas intersections. Since mesh nodes do not coincide with a particle surface when using an IB method on structured grids, imposing contact angle boundary conditions at three-phase contact lines is not straightforward.

While these issues also pertain to PBF process modeling, resolving particle motion is generally less crucial for analyzing melt pool dynamics compared to primitive formation in BJ3DP. Therefore, at present, the vast majority of computational process models of PBF assume static powder beds and avoid many of the complications described above, see, e.g., [51], [52], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59]. Li et al. [60] presented the first 2D fully-resolved CFD-DEM simulations of the interaction between the melt pool, powder particles, surrounding gas, and metal vapor in PBF. Following this work, Yu and Zhao [61], [62] published similar melt pool IFPI simulations in 3D; however, contact line dynamics and capillary forces were not considered. Compared to PBF, relatively little work has been published regarding the computational modeling of binder deposition in BJ3DP. Employing the open-source VOF code Gerris [63], Tan [33] first simulated droplet impact on a powder bed with appropriate binder jet parameters, namely droplet size and impact velocity. However, similar to most PBF melt pool simulations described in the current literature, the powder bed was fixed in place and not allowed to respond to the interacting fluid phases. Furthermore, a simple face-centered cubic packing of non-contacting, monosized particles was considered, which does not provide a realistic pore structure for AM powder beds. Building upon this approach, we presented a framework to simulate droplet impact on static powder beds with more practical particle size distributions and packing arrangements [64]. In a study similar to [33], [64], Deng et al. [65] used the VOF capability in Ansys Fluent to examine the lateral and vertical spreading of a binder droplet impacting a fixed bimodal powder bed with body-centered packing. Li et al. [66] also adopted Fluent to conduct 2D simulations of a 100 μm diameter droplet impacting substrates with spherical roughness patterns meant to represent the surface of a simplified powder bed with monosized particles. The commercial VOF-based software FLOW-3D offers an AM module centered on process modeling of various AM technologies, including BJ3DP. However, like the above studies, particle motion is still not considered in this codebase. Ur Rehman et al. [67] employed FLOW-3D to examine microdroplet impact on a fixed stainless steel powder bed. Using OpenFOAM, Erhard et al. [68] presented simulations of different droplet impact spacings and patterns on static sand particles.

Recently, Fuchs et al. [69] introduced an impressive multipurpose smoothed particle hydrodynamics (SPH) framework capable of resolving IFPI in various AM methods, including both PBF and BJ3DP. In contrast to a combined CFD-DEM approach, this model relies entirely on SPH meshfree discretization of both the fluid and solid governing equations. The authors performed several prototype simulations demonstrating an 80 μm diameter droplet impacting an unconstrained powder bed at different speeds. While the powder bed responds to the hydrodynamic forces imparted by the impacting droplet, the particle motion is inconsistent with experimental time-resolved observations of the process [13]. Specifically, the ballistic effects, such as particle ejection and bed deformation, were drastically subdued, even in simulations using a droplet velocity ∼ 5× that of typical jetting conditions. This behavior could be caused by excessive damping in the inter-particle contact force computations within their SPH framework. Moreover, the wetted particles did not appear to be significantly influenced by the strong capillary forces exerted by the binder as no primitive agglomeration occurred. The authors mention that the objective of these simulations was to demonstrate their codebase’s broad capabilities and that some unrealistic process parameters were used to improve computational efficiency and stability, which could explain the deviations from experimental observations.

In the present paper, we develop a novel 3D CFD-DEM numerical framework for simulating fully-resolved IFPI during binder jetting with realistic material properties and process parameters. The CFD module is based on the VOF method for capturing binder–air interfaces. Surface tension effects are realized through the continuum surface force (CSF) method with height function calculations of interface curvature. Central to our fluid solver is a proprietary block-structured AMR library with hierarchical octree grid nesting to focus enhanced grid resolution near fluid–fluid interfaces. The GPU-accelerated DEM module considers six degrees of freedom particle motion and includes models based on Hertz-Mindlin contact, van der Waals cohesion, and viscoelastic rolling resistance. The CFD and DEM modules are coupled to achieve fully-resolved IFPI using an IB approach in which Lagrangian solid particles are mapped to the underlying Eulerian fluid mesh through a solid volume fraction field. An improved VOF-IB extension algorithm is introduced to enforce the contact angle at three-phase intersections. This provides robust capillary flow behavior and accurate computations of the fluid-induced forces and torques acting on individual wetted particles in densely packed powder beds.

We deploy our integrated codebase for direct numerical simulations of single-drop primitive formation with powder beds whose particle size distributions are generated from corresponding laboratory samples. These simulations use jetting parameters similar to those employed in current BJ3DP machines, fluid properties that match commonly used aqueous polymeric binders, and powder properties specific to nickel alloy feedstocks. The cohesion behavior of the DEM powder is calibrated based on the angle of repose of the laboratory powder systems. The resulting primitive granules are compared with those obtained from one-to-one experiments conducted using a dedicated in-house test apparatus. Finally, we demonstrate how the proposed framework can simulate more complex and realistic printing operations involving multi-drop primitive lines.

Section snippets

Mathematical description of interfacial fluid–particle interaction

This section briefly describes the governing equations of fluid and particle dynamics underlying the CFD and DEM solvers. Our unified framework follows an Eulerian–Lagrangian approach, wherein the Navier–Stokes equations of incompressible flow are discretized on an Eulerian grid to describe the motion of the binder liquid and surrounding gas, and the Newton–Euler equations account for the positions and orientations of the Lagrangian powder particles. The mathematical foundation for

CFD solver for incompressible flow with multifluid interfaces

This section details the numerical methodology used in our CFD module to solve the Navier–Stokes equations of incompressible flow. First, we introduce the VOF method for capturing the interfaces between the binder and air phases. This approach allows us to solve the fluid dynamics equations considering only a single continuum field with spatial and temporal variations in fluid properties. Next, we describe the time integration procedure using a fractional-step projection algorithm for

DEM solver for solid particle dynamics

This section covers the numerical procedure for tracking the motion of individual powder particles with DEM. The Newton–Euler equations (Eqs. (10), (11)) are ordinary differential equations (ODEs) for which many established numerical integrators are available. In general, the most challenging aspects of DEM involve processing particle collisions in a computationally efficient manner and dealing with small time step constraints that result from stiff materials, such as metallic AM powders. The

Unified CFD-DEM solver

The preceding sections have introduced the CFD and DEM solution algorithms separately. Here, we discuss the integrated CFD-DEM solution algorithm and related details.

Binder jet process modeling and validation experiments

In this section, we deploy our CFD-DEM framework to simulate the IFPI occurring during the binder droplet deposition stage of the BJ3DP process. The first simulations attempt to reproduce experimental single-drop primitive granules extracted from four nickel alloy powder samples with varying particle size distributions. The experiments are conducted with a dedicated in-house test apparatus that allows for the precision deposition of individual binder microdroplets into a powder bed sample. The

Conclusions

This paper introduces a coupled CFD-DEM framework capable of fully-resolved simulation of the interfacial fluid–particle interaction occurring in the binder jet 3D printing process. The interfacial flow of binder and surrounding air is captured with the VOF method and surface tension effects are incorporated using the CSF technique augmented by height function curvature calculations. Block-structured AMR is employed to provide localized grid refinement around the evolving liquid–gas interface.

CRediT authorship contribution statement

Joshua J. Wagner: Conceptualization, Data curation, Formal analysis, Investigation, Methodology, Software, Visualization, Writing – original draft, Writing – review & editing. C. Fred Higgs III: Conceptualization, Funding acquisition, Investigation, Methodology, Project administration, Resources, Supervision, Writing – original draft, Writing – review & editing.

Declaration of competing interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

Acknowledgments

This work was supported by a NASA Space Technology Research Fellowship, United States of America, Grant No. 80NSSC19K1171. Partial support was also provided through an AIAA Foundation Orville, USA and Wilbur Wright Graduate Award, USA . The authors would like to gratefully acknowledge Dr. Craig Smith of NASA Glenn Research Center for the valuable input he provided on this project.

References (155)