이 소개자료는 “Numerical Model for a Nineteenth-Century Hydrometric Module”논문의 소개자료임.
연구 목적
본 연구는 19세기에 건설된 수량 측정 모듈의 작동을 연구하고, 수치 모델을 통해 원래의 유량 조절 목표를 충족했는지 여부를 확인하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 전산 유체 역학(CFD) 소프트웨어를 사용하여 수량 측정 모듈의 수치 모델을 생성하였음.
19세기 수량 측정 모듈의 기하학적 형상 및 관련 유압 시스템을 모델에 반영하였음.
모듈의 동적 거동(과도 상태)을 재현하기 위한 시뮬레이션을 수행하였음.
모델 검증
실제 실험 측정값이 부족하기 때문에 문헌의 해석적 모델과 비교하여 수치 모델을 검증하였음.
모델이 수량 측정 모듈의 유량 조절 기능을 정확하게 예측하는지 평가하였음.
모델의 정확성을 확인하고 신뢰성을 확보하였음.
주요 결과:
흐름 특성 분석
수량 측정 모듈 내부의 흐름 속도, 수위 변화 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
모듈의 자동화 시스템 작동 시 유량 조절 과정을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
설계 유량 조건에서 모듈의 유압적 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
수량 측정 모듈의 구조가 흐름 특성 및 유량 조절에 미치는 영향을 평가하였음.
19세기 자동화 시스템이 설정된 유량을 유지하는 능력을 분석하였음.
수치 모의실험 결과를 통해 역사적인 수량 측정 구조물의 작동 원리를 규명하였음.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수치 모델은 역사적인 수량 측정 모듈의 동적 거동을 성공적으로 재현하였음.
19세기 자동화 시스템이 요구되는 유량 제한 값을 정확하게 유지하며 작동했음을 확인하였음.
수치 모델은 수리 공학 분야의 역사적 연구를 위한 유용한 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
Fig. 2. Plan view of the project of the hydrometric module. (Adapted with permission from J. de Castro, unpublished data, 1863, CDAHCF Archives, Parc de la Sèquia, Manresa, Spain.)Fig. 7. Right-side view of model geometry.Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.
레퍼런스:
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Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater.
In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
이 소개자료는 “2023, Water Supply”에서 발표된 “Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D” 논문에 대한 소개자료입니다.
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 보의 감세지의 개조 전후 수리학적 성능을 조사하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 개조 전후의 감세지에서 자유 표면, 수심, 프루드 수, 롤러 길이, 유속, 도수 효율, 난류 운동 에너지와 같은 수리학적 매개변수를 시뮬레이션하고 비교 분석하였음.
개조 전 감세지에는 방해벽과 마찰 블록이 있었고, 개조 후에는 슈트 블록과 톱니 모양의 여울로 대체되었음.
문헌 결과와의 비교를 통해 모델의 정확성을 검증하였음.
모델 검증
FLOW-3D 모델을 사용하여 개조 전후 감세지의 수리학적 특성을 분석하고, 문헌 결과와 비교하였음.
감세지에서 발생하는 도수 현상의 특성을 파악하고, 개조가 도수에 미치는 영향을 평가하였음.
다양한 수리학적 매개변수를 비교 분석하여 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과:
흐름 특성 분석
개조 전후 감세지에서의 자유 표면, 수심, 유속 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였음.
도수 현상의 길이, 높이, 에너지 손실 등을 비교 분석하여 개조의 영향을 평가하였음.
난류 강도 및 롤러 특성을 분석하여 감세지 성능 변화를 파악하였음.
구조물 영향 평가
감세지의 크기 및 기하학적 형상이 수리학적 성능에 미치는 영향을 평가하였음.
개조 전후 감세지의 수리학적 매개변수를 비교하여 개조가 성능에 미치는 영향을 분석하였음.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 감세지의 설계 및 운영 최적화 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수치 모델링은 보 감세지의 수리학적 성능을 분석하고 개조 효과를 평가하는 데 유용한 도구임이 확인되었음.
개조 전 감세지의 결과가 문헌 결과에 더 가까웠으며, 개조 후 감세지의 결과는 문헌 결과에서 벗어나는 경향을 보였음.
본 연구 결과는 감세지 설계 및 개조 시 수리학적 성능 변화를 예측하고 최적의 설계 방안을 도출하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
Figure 2 | 3D representation of stilling basins: (a) modified USBR-III (1958–2004) and (b) USBR-II with dentated sill (2008–2022).
Figure 4 | Geometries resolution by the FAVOR method: (a) old stilling basin (1958–2004) and (b) new stilling basin (2008–2022).
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater.
In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater
레퍼런스:
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이 소개자료는 February 2014, Bulletin of Environment, Pharmacology and Life Sciences에 수록된 Simulation of Flow on Bottom Turn out Structures with Flow 3D 논문에 대한소개자료입니다.
Fig.(6) view of an 3D modeling
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 바닥 전환 구조물의 흐름을 시뮬레이션하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 바닥 취수구조물의 흐름 거동을 수치적으로 모의실험하였음.
취수구조물의 기하학적 형상 및 하천 흐름 조건을 모델에 반영하였음.
다양한 설계 변수에 대한 모델링을 수행하여 최적의 설계 방안을 도출하고자 하였음.
모델 검증
수치 모델의 결과를 실험실 데이터 또는 현장 관측 자료와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
유량, 수위, 흐름 속도 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
모델의 신뢰성을 확보하기 위해 민감도 분석 및 불확실성 분석을 수행하였을 것으로 예상됨.
주요 결과:
흐름 특성 분석
바닥 취수구조물 내부의 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
취수 효율 및 에너지 손실 등 구조물의 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
바닥 전환 구조물의 흐름 패턴 및 거동을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
바닥 전환 구조물의 설계 변수가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
구조물의 형상 및 크기가 취수 효율에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 바닥 전환 구조물의 설계 및 운영 최적화 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 수치 모델링은 바닥 전환 구조물의 흐름 특성을 분석하고 설계하는 데 효과적인 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
본 연구 결과는 바닥 취수구조물의 설계 및 운영 효율성을 향상시키는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 하천 조건 및 취수 요구량에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Fig (2) is the sketch of the experimental setup.
Fig.(4) view of an simulation
Fig.(6) view of an 3D modeling
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해당 소개자료는 “Civil & Environmental Engineering and Construction Faculty Publications”에서 발표한 “Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using FLOW-3DNumerical Study using FLOW-3D ” 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
연구 배경 및 목적
배경:
강이나 하천에서 발생하는 국부적 침식(세굴)은 교량 기초의 안정성을 크게 위협하며, 이로 인한 교량 붕괴 및 유지보수 비용이 증가하고 있다.
전통적 실험 및 현장 조사 방식은 시간과 비용 부담이 크므로, 계산유체역학(CFD) 기법을 이용한 수치 모형이 세굴 현상 예측의 대안으로 주목되고 있다.
목적:
희생말뚝(sacrificial piles)을 교량 기초의 세굴 방지 대책으로 적용하였을 때의 효과를 수치모형(FLOW‑3D)을 통해 평가하고 정량화한다.
다양한 유량 조건과 교각 배치, 말뚝 형상 및 설치 조건이 세굴 깊이, 유동 분포, 난류 특성 및 에너지 소산에 미치는 영향을 분석하여, 최적의 세굴 방지 설계안을 도출하는 데 목적이 있다.
연구 방법
모형 구성 및 수치해석 기법:
FLOW‑3D 소프트웨어를 사용하여 자유수면 흐름과 복잡한 교각 및 말뚝 형상, 그리고 침식 과정을 3차원 유한체적법(Finite Volume Method) 기반으로 모사하였다.
VOF(Volume of Fluid) 기법과 FAVOR(Fractional Area–Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 경계와 자유수면을 정밀하게 재현하였다.
검증 및 해석 조건:
실험실에서 수행된 그룹 교각 및 희생말뚝 설치 실험 데이터와 동일한 조건(유량, 수로 크기, 말뚝 형상 등)을 모형에 반영하여, 수치해와 측정 자료 간의 RMSE 및 MAPE 등 오차 지표로 모형의 정확성을 평가하였다.
주요 결과
① 세굴 예측 성능
예측 정확도:
FLOW‑3D 모형을 통한 계산 결과는 실험실 측정 데이터와 비교할 때, 평균 근사 오차(RMSE)가 매우 낮게 나타나(예, 약 0.0X m, MAPE 약 3% 내외) 모형의 예측력이 우수함을 확인하였다.
세굴 패턴:
교각 전면에서 세굴 깊이가 가장 크게 발생하며, 희생말뚝의 적용에 따라 세굴 저감 효과가 나타나는 것으로 분석되었다.
교각 및 주변 침식 양상은 말뚝의 설치 위치, 형상 및 유동 조건에 따라 달라지는 것으로 나타남.
② 유동장 및 난류 특성 분석
유동 및 난류 분포:
수치해석 결과, 교각 전방에서는 강한 유속과 Horseshoe 와류가 형성되어 침식이 촉진되며, 희생말뚝 배치로 인해 이 와류의 세기가 감소하는 효과가 관찰되었다.
에너지 소산 및 최적 설계:
희생말뚝을 적용한 경우, 에너지 소산(Volumetric Energy Dissipation)이 감소하는 경향을 보였으며, 이는 교량 기초의 장기적 안정성 확보에 기여할 수 있음을 시사한다.
다양한 해석 조건에서, 유량 및 말뚝 배치에 따른 최적의 세굴 저감 조건이 도출되었다.
결론 및 제언
본 연구는 FLOW‑3D 기반의 CFD 모형을 활용하여 희생말뚝이 그룹 교각 주변의 지역 세굴 현상을 효과적으로 저감할 수 있음을 수치적으로 확인하였다.
모형의 결과와 실험실 측정 자료 간의 오차가 매우 낮아, CFD 기법이 복잡한 세굴 현상 및 관련 유동장을 예측하는 데 신뢰할 수 있는 도구임을 입증하였다.
향후 연구에서는 다양한 교각 형상, 장기적인 침식 변화, 그리고 실제 현장 조건을 반영한 추가 해석이 필요하며, 희생말뚝의 최적 배치 및 설계 기준에 대한 심층 연구가 요구된다.
Figure 1. Simplified scouring mechanism around a bridge pier
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state
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이 소개자료는 “SIMULATION OF LOCAL SCOUR AROUND A GROUP OF BRIDGE PIER USING FLOW-3D SOFTWARE”논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 교각 그룹 주변의 국부 세굴을 시뮬레이션하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 교각 그룹 주변의 국부 세굴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
교각의 기하학적 형상 및 하천 흐름 조건을 모델에 반영하였음.
다양한 교각 배열 및 흐름 조건에 대한 모델링을 수행하여 세굴 특성을 분석하였음.
모델 검증
수치 모델의 결과를 실험실 데이터 또는 현장 관측 자료와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
세굴 깊이, 세굴공의 형태 등 주요 세굴 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
모델의 신뢰성을 확보하기 위해 민감도 분석 및 불확실성 분석을 수행하였을 것으로 예상됨.
주요 결과:
흐름 특성 분석
교각 그룹 주변의 유속, 압력 분포 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
교각 배열이 흐름 패턴 및 와류 형성에 미치는 영향을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
세굴 발생 메커니즘과 관련된 흐름 특성을 파악하여 세굴 예측의 정확도를 높였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
교각 그룹의 배열 방식이 세굴 깊이 및 세굴공의 크기에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
교각 주변의 세굴 특성을 분석하여 교각 기초 설계 시 고려해야 할 중요한 요소를 제시하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 교량의 안정성을 평가하고 설계 개선 방안을 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 수치 모델링은 교각 그룹 주변의 세굴 현상을 분석하고 예측하는 데 효과적인 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
본 연구 결과는 교각 기초의 안정성을 확보하고 교량 붕괴를 예방하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 교각 조건 및 하천 흐름 조건에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Figure 3.1 Laboratory layout
Figure 3.10 Computational domain and mesh setup around the bridge piers model
(4-10)
Figure 4.18 scour development at time = 360 min and discharge 0.057 m3/sec
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Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
이 소개자료는 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow 논문에 대한 소개자료입니다.
연구 배경 및 목적
지역 세굴(local scour)은 교량 교각 주변에서 발생하는 중요한 침식 현상으로, 구조물 안정성에 큰 영향을 미침.
전통적인 실험 접근 방식은 시간과 비용이 많이 들기 때문에, 수치해석을 통한 예측 방법이 점점 더 중요해지고 있음.
본 연구는 CFD(전산유체역학) 기반 모델을 개발하여 교량 교각 주변의 지역 세굴 현상을 예측하는 것을 목적으로 함.
연구 방법
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 자유수면 흐름 및 고체-유체 상호작용을 포함한 3차원 수치모델을 구축.
VOF(Volume of Fluid) 방법으로 자유수면을 추적하고, 비압축성 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 적용.
난류 모델로는 RNG k-ε 모델이 사용됨.
실험실 모델과 동일한 조건(교각 직경, 수로 크기, 유량 등)을 적용하여 검증 수행.
주요 결과
① 세굴 깊이 및 패턴 예측
수치 모델은 실험 결과와 유사한 세굴 깊이 및 형태를 성공적으로 재현.
세굴은 교각 전면에서 가장 크게 발생하며, 말굽 와류(horseshoe vortex)에 의해 주요하게 형성됨.
② 난류 및 유동장 분석
수치 결과는 난류 강도, 유속 분포, 와류 구조 등에서 실험과 정성적으로 유사한 양상을 보임.
교각 후류 영역에서는 wake vortex와 흐름 재부착현상(flow reattachment)이 관찰됨.
결론
FLOW-3D 기반의 CFD 모델은 지역 세굴 현상을 정밀하게 모사할 수 있는 효과적인 도구임을 입증.
난류 모델 및 자유수면 모델링 기법을 적절히 활용할 경우, 수치해석은 실험적 방법을 보완하거나 대체할 수 있는 잠재력을 가짐.
향후 연구에서는 다중 교각 조건, 다양한 침식 조건(예: 입자 크기, 유량 변화 등)에 대한 추가 해석이 필요함.
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
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이 소개자료는 Water Resources Engineering Journal Spring 2022. Vol 15. Issue 52에 개제된 Numerical simulation of geotechnical effects on local scour in inclined pier group with Flow-3D software 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels
연구 목적
본 연구는 경사 교각 그룹 주변의 세굴에 미치는 말뚝의 기하학적 형상과 말뚝 캡 수평 조절의 영향을 수치 시뮬레이션을 통해 조사하는 것을 목적으로 함.
연구 방법
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 경사 교각 그룹 주변의 세굴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
말뚝의 기하학적 형상과 퇴적층의 말뚝 캡 수평 조절 효과를 고려하여 모델을 설정하였음.
다양한 흐름 조건 및 교각 배열에 대한 모델링을 수행하여 세굴 특성을 분석하였음.
모델 검증
수치 모델의 결과를 실험실 데이터 또는 현장 관측 자료와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
세굴 깊이, 세굴공의 형태 등 주요 세굴 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
모델의 신뢰성을 확보하기 위해 민감도 분석 및 불확실성 분석을 수행하였을 것으로 예상됨.
주요 결과:
흐름 특성 분석
경사 교각 그룹 주변의 유속, 압력 분포 등 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
말뚝 형상 및 말뚝 캡 수평 조절이 흐름 패턴 및 와류 형성에 미치는 영향을 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
세굴 발생 메커니즘과 관련된 흐름 특성을 파악하여 세굴 예측의 정확도를 높였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
말뚝의 기하학적 형상이 세굴 깊이 및 세굴공의 크기에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
말뚝 캡 수평 조절이 세굴 방지 효과에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 교각 기초 설계 시 고려해야 할 중요한 요소를 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 수치 모델링은 경사 교각 그룹 주변의 세굴 현상을 분석하고 예측하는 데 효과적인 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
말뚝의 기하학적 형상과 말뚝 캡 수평 조절은 교각 기초 설계 시 고려해야 할 중요한 요소임이 밝혀졌음.
본 연구 결과는 교각 기초의 안정성을 확보하고 교량 붕괴를 예방하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
Figure 10 – Scour pit around pile group with different pile cap installation levels
Figure 11 – Final longitudinal scour profile for different pile cap installation levels a) Above the bed (Z/Tp = 0), b) At the bed level (Z/Tp = -1), c) Below the bed (Z/Tp = -2)
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본 소개자료는 2021, IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 920 012036에 발표된 A hydrodynamic model of an embankment breaching due to overtopping flow using FLOW-3D 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
연구 목적
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 제방 월류로 인한 제방 파괴의 수력학적 모델을 개발하는 것을 목적으로 함.
연구 방법:
모델링 설정
FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 제방 월류로 인한 파괴 현상을 수치적으로 모의실험하였음.
제방의 기하학적 형상 및 재료 특성을 모델에 반영하였음.
월류 흐름 조건 및 하류 수위를 설정하여 모의실험을 수행하였음.
모델 검증
개발된 수력학적 모델의 결과를 기존의 실험 연구 또는 실제 제방 파괴 사례와 비교하여 검증하였을 것으로 예상됨.
파괴 시간, 파괴 형상, 유출 수문곡선 등 주요 변수에 대한 모델의 예측 성능을 평가하였을 것으로 예상됨.
다양한 시나리오에 대한 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 확인하였을 것으로 예상됨.
주요 결과:
흐름 특성 분석
제방 월류 시 발생하는 흐름의 속도, 수심, 압력 분포 등을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
제방 표면에서의 전단 응력 분포를 파악하여 침식 가능성이 높은 영역을 확인하였을 것으로 예상됨.
파괴 진행 과정에 따른 흐름 특성의 변화를 시뮬레이션을 통해 시각적으로 제시하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
제방의 재료적 특성 및 기하학적 형상이 파괴 과정에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
월류 수위 및 지속 시간이 파괴 규모 및 시간에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 바탕으로 제방의 안정성 평가 및 보강 대책 마련에 필요한 정보를 제공하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점:
FLOW-3D를 이용한 수력학적 모델은 제방 월류로 인한 파괴 현상을 이해하고 예측하는 데 유용한 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
모델링 결과는 제방 설계, 운영 및 비상 대응 계획 수립에 활용될 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 제방 조건 및 파괴 시나리오에 대한 추가적인 연구를 통해 모델의 적용성을 확대할 필요가 있음.
Figure 2. Modelling setup; (a) Meshing size, (b) Boundary conditions, (c) Initial conditions, and (d) Flux setupFigure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.
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실험 데이터와의 비교를 통해 FLOW-3D 모델의 정확성과 적용 가능성을 평가하였을 것으로 예상됨.
주요 결과
흐름 특성 분석
교각 주변의 유속 및 압력 분포와 같은 흐름 특성을 FLOW-3D 모델을 통해 분석하였을 것으로 예상됨.
단일 교각과 다중 교각 주변의 흐름 패턴의 차이를 확인하였을 것으로 예상됨.
세굴 발생 메커니즘과 관련된 흐름 특징을 파악하였을 것으로 예상됨.
구조물 영향 평가
교각의 존재가 주변 흐름에 미치는 영향을 평가하였을 것으로 예상됨.
교각 직경 및 배열 방식이 세굴 깊이에 미치는 영향을 분석하였을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과를 통해 교량 설계 시 고려해야 할 중요한 요소를 제시하였을 것으로 예상됨.
결론 및 시사점
FLOW-3D 모델은 교각 주변의 국부 세굴 현상을 분석하는 데 유용한 도구임이 확인되었을 것으로 예상됨.
수치 모의실험 결과는 교량 설계 및 안전성 평가에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 교각 형태 및 하상 조건에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 예상됨.
Figure 2: Developed model in flow-3d for single pier.
Figure 9: 3D maximum sour around single pier (no initial flow)
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이 소개 자료는 “Water Supply Vol 22 No 10″에 게재된 “Numerical simulation of pollution transport and hydrodynamic characteristics throughthe river confluence using FLOW 3D” 논문을 기반으로 작성되었습니다.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution
(gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
1. 연구 목적
주요 연구 질문:
본 연구는 하천망의 지류를 통해 유입되는 오염 물질의 농도와 본류와 지류 간의 수위 차이가 오염 물질 혼합에 미치는 영향을 조사하는 것을 목표로 한다.
특히, 90도 각도로 합류하는 지류와 본류를 대상으로 오염 물질의 혼합과 확산, 그리고 그에 따른 수리학적 현상을 분석하고자 한다.
기존 연구의 한계:
기존의 합류점에서의 침식 및 퇴적 과정에 대한 연구는 많았으나, 오염 물질의 혼합 및 분포와 관련된 효과적인 매개 변수에 대한 정보는 여전히 부족하다.
따라서 본 연구는 오염 물질 혼합 및 분포에 대한 이해를 높이고, 오염 영향을 줄이기 위한 수위 조절 구조의 필요성을 강조하고자 한다.
2. 연구 방법
수치 모델링:
본 연구에서는 FLOW 3D 수치 모델을 사용하여 하천 합류점에서의 오염 물질 수송 및 수리학적 특성을 시뮬레이션하였다.
모델은 주류 7m, 폭 1m, 지류 길이 1.8m, 폭 1m, 높이 1m의 3차원 형상으로 설계되었으며, 합류점 부근에는 정확도를 높이기 위해 중첩 격자(nested mesh)를 사용하였다.
경계 조건:
주류와 지류의 상류에는 일정한 수압 조건(constant pressure)을 적용하였고, 주류 하류에는 자유 유출 조건(free outlet)을 설정하였다.
중첩 격자에는 다양한 방향으로부터의 경계 조건 유입을 고려하여 대칭 조건(symmetry boundary condition)을 적용하였다.
3. 주요 결과
수위 차이와 혼합:
지류와 본류 간의 수위 차이가 증가할수록 횡방향 혼합이 더 빠르게 일어나는 것을 확인하였다.
수위 차이가 없는 경우에는 혼합 곡선 추출 방법을 통해 횡방향 혼합이 완료되는 하천 길이를 파악하였다.
재순환 영역의 특징:
합류점의 재순환 영역에서 가장 높은 오염 물질 농도와 유속 벡터가 관찰되었으며, 2차 흐름이 발생하여 오염 물질을 일시적으로 가두는 현상을 확인하였다.
이 영역은 높은 전단 속도, 난류 에너지, 난류 강도를 가지며, 때로는 음의 회전 흐름으로 인해 낮은 종방향 유속을 나타냈다.
4. 결론
수위 조절의 중요성:
수위 차이는 지류에서 본류로 오염 물질이 유입되는 데 가장 중요한 요인이며, 본류의 오염 영향을 줄이기 위해 합류점에 수위 조절 구조를 설치하는 것이 필요하다.
본 연구에서 관찰된 합류점에서의 흐름 패턴과 영역들은 기존 연구와 일치했으며, 각 영역이 오염 물질 확산에 미치는 영향을 논의하였다.
향후 연구 방향:
재순환 영역에서 생성되는 와류는 오염 물질을 일시적으로 포획하고 농도를 증가시키는 데 효과적인 매개 변수이다.
지류에서 홍수 흐름이 발생하여 지류의 수위가 본류보다 높아지는 경우에만 합류점 상류에서 오염 농도 증가가 관찰되었다.
Figure 1 | Conceptual model of different flow pattern zones through the river confluence.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution
(gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.
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FLOW-3D를 이용한 다양한 정수지(Stilling Basin)에서의 수력 도약(Hydraulic Jump) 수치적 연구
Graphical Abstract
연구 배경 및 목적
문제 정의
Taunsa Barrage(파키스탄)의 정수지는 기존의 USBR Type-III Basin을 개량한 형태로, 충격 바플(Impact Baffle)과 마찰 블록(Friction Block) 포함.
하지만 운영 초기부터 바플 블록이 뽑히는 문제 발생 → 기존 사각형 바플 블록이 흐름 재부착(Flow Reattachment)과 낮은 항력(Drag) 문제를 가짐.
기존 연구에서는 쐐기형(Wedge-Shaped) 분리 블록(Splitter Blocks)의 사용이 제한적이었으며, 이들의 수력 도약(HJ) 및 에너지 소산 성능이 충분히 검토되지 않음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 USBR Type-III 및 쐐기형 바플 블록을 적용한 정수지에서의 수력 도약 및 유동 특성을 비교 분석.
자유 수면 프로파일, 롤러 길이(Roller Length), 상대 에너지 손실(Relative Energy Loss), 유속 분포 및 난류 운동 에너지(TKE) 분석.
새로운 정수지 설계가 HJ를 안정화하고 에너지 소산 성능을 향상시키는지 평가.
연구 방법
FLOW-3D 모델링 및 실험 검증
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동장 해석 수행.
Taunsa Barrage의 USBR Type-III 및 개량된 쐐기형 바플 블록 정수지 모델을 구축하여 비교 실험.
수치 모델 설정
세 가지 정수지 유형 비교
Type-A: 기존 USBR Type-III 정수지
Type-B: 쐐기형 바플 블록 적용 정수지
Type-C: USBR 바플과 쐐기형 바플 블록을 혼합한 정수지
시험 조건
두 가지 유량 조건(44 m³/s, 88 m³/s)에서 실험 수행.
유입 Froude 수(Fr) 범위: 5.75까지 고려.
경계 조건: 유입부와 유출부는 압력(P), 벽면은 No-Slip 조건 적용.
주요 결과
자유 수면 프로파일 분석
Type-B 및 Type-C 정수지에서 수력 도약(HJ)이 더 짧고 안정적으로 형성됨.
유량 증가 시 HJ의 롤러 길이가 감소하는 경향을 보임.
Type-B 및 Type-C 정수지는 USBR Type-A보다 더 높은 상대 에너지 손실을 기록하여 효율적인 에너지 소산을 확인.
유속 및 난류 운동 에너지(TKE) 분석
Type-B 및 Type-C 정수지에서 난류 운동 에너지(TKE)가 빠르게 감소하여 난류 제어 효과가 우수함.
유속 분포 결과, Type-B 및 Type-C 정수지에서 바플 블록이 흐름을 효과적으로 분산시켜 유속 감소 효과를 제공.
전반적으로 Type-C(혼합형 정수지)가 가장 효과적인 유동 제어 및 에너지 소산을 제공함.
결론 및 향후 연구
결론
쐐기형 바플 블록을 포함한 Type-B 및 Type-C 정수지는 기존 USBR Type-III 모델보다 더 높은 에너지 소산 효과를 제공.
HJ 길이가 짧아지고, 전단 응력이 감소하여 침식 가능성이 줄어듦.
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션이 정수지 설계 최적화 및 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 및 더 정밀한 난류 모델을 적용하여 연구 정밀도를 향상.
보다 높은 유량(예: 100~500 m³/s)에서의 테스트 수행.
다양한 바플 블록 형상(예: 삼각형, 원형 등) 및 배열 최적화를 통한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 정수지 설계에서의 수력 도약(HJ) 및 에너지 소산 효과를 분석한 연구로, 기존 USBR Type-III 정수지의 문제점을 개선하고, 새로운 설계 방안을 제시함으로써 대형 수리 구조물의 안정성 향상 및 침식 저감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Figure 12 At 44 m3 s, 2D illustration of the velocity contour after the HJ and at basin’s end in the Type-A stilling basin (a and b), Type-B stilling basin (c and d), and Type-C stilling basin (e and f)
Figure 14 At 88 m3 s, 2D illustration of the velocity contour after HJ and at basin’s end in the Type-A stilling basin (a and b), Type-B stilling basin (c and d), and Type-C stilling basin (e and f)
Figure 15 2D illustration of turbulent kinetic energy (TKE) and turbulent intensity (TI) at 44 m3 s discharge in (a and b) Type-A, (c and d) Type-B, and (e and f) Type-C stilling basins, respectively
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이 소개자료는 Sustainability에서 발표한 FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures 논문에 대한 소개자료입니다.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1 surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
연구 목적
본 연구는 하류 수리 구조물의 흐름 특성을 분석하기 위해 FLOW-3D 모델을 개발하는 것을 목표로 함.
연구 방법
모델링 설정
FLOW-3D 모델을 사용하여 3차원 비정상류 해석을 수행하였음.
하류 수리 구조물의 형상 및 주변 지형을 고려하여 계산 영역을 설정하였음.
적절한 난류 모델 및 경계 조건을 적용하여 모델의 정확도를 높였음.
모델 검증
실험실 또는 현장 측정 데이터를 확보하여 모델 예측 결과와 비교 분석하였음.
수위, 유속 등 주요 흐름 변수에 대한 모델의 적합성을 평가하였음.
모델 파라미터 민감도 분석을 통해 모델의 신뢰성을 검증하였음.
주요 결과
흐름 특성 분석
하류 수리 구조물 주변에서 발생하는 복잡한 흐름 패턴(예: 재순환, 박리)을 시각적으로 확인하였음.
구조물 특정 지점에서의 유속 및 압력 변화를 정량적으로 분석하였음.
설계 변수 변화에 따른 흐름 특성 변화를 파악하여 최적 설계 방안 도출의 기초 자료를 제공하였음.
구조물 영향 평가
하류 수리 구조물의 존재 유무에 따른 상하류 흐름 변화를 비교 분석하였음.
구조물 형상(예: 높이, 폭) 변화가 흐름 특성에 미치는 영향을 평가하였음.
특정 흐름 조건에서 구조물의 안정성 및 기능성을 예측하였음.
결론 및 시사점
본 연구에서 개발된 FLOW-3D 모델은 하류 수리 구조물의 흐름 특성 분석에 효과적인 도구로 활용될 수 있음.
모델링 결과를 바탕으로 하류 수리 구조물의 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됨.
향후 다양한 형태의 하류 수리 구조물에 대한 모델링 및 실험 연구를 통해 모델의 적용 범위를 확대할 필요가 있음.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 8. Numerical simulation results for the gate discharge test conditions, Case 1. (a) Case 1
surface velocity distribution. (b) Case 1 longitudinal velocity distribution of gate center.
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본 소개 자료는 “Arabian Journal for Science and Engineering”에서 발행한 “An Investigation on Hydraulic Aspects of Rectangular Labyrinth Pool and Weir Fishway Using FLOW-3D” 논문을 기반으로 합니다.
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
연구 배경 및 목적
본 연구에서는 둑의 기하학적 매개변수(둑 모양, 둑 간격, 둑 오리피스 유무, 바닥 경사)가 흐름 체제, 유량-수심 관계, 수심 평균 유속의 변화 및 분포, 난류 특성, 어도에서의 에너지 소산 등에 미치는 영향을 평가하기 위해 서로 다른 두 가지 둑 배열(직선 둑 및 사각형 미로 둑)을 사용했음.
FLOW-3D® 소프트웨어를 사용하여 흐름 조건에 미치는 영향을 조사하기 위해 전산 유체 역학 시뮬레이션을 수행했음.
계산된 표면 프로파일 및 속도를 문헌에서 실험적으로 측정된 값과 비교하여 수치 모델의 유효성을 검증했음.
연구 방법
FLOW-3D® v11.2를 사용하여 Ead et al. [6]의 실험적인 라이너 풀 둑을 검증하고 오리피스가 있는 사각형 미로 풀 둑의 영향을 조사하기 위해 CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션을 수행했음.
수치 모델의 채널 및 데이터 수집 영역의 치수는 실험실 모델의 치수와 동일함.
두 가지 유형의 풀 둑, 즉 기존식과 미로식을 고려했음.
연구 결과
수치 모델과 실험 데이터 결과, 플런징 흐름의 표면 프로파일과 정규화된 속도 프로파일에 대한 RMSE(제곱 평균 제곱근 오차)와 MAPE(평균 절대 백분율 오차)는 각각 0.014m와 3.11%로, 수치 모델이 풀 및 둑의 흐름 특성을 예측하는 능력을 확인했음.
L/B=1.83 값에서 플런징 흐름이 발생할 수 있고(L: 둑의 거리, B: 채널의 폭), 각 모델에 대해 L/B=0.61에서 스트리밍 흐름이 발생할 수 있음.
사각형 미로 둑 모델은 기존 모델보다 큰 무차원 방전 값(Q+)을 가짐.
침수 흐름에서 기존 둑 및 사각형 미로 둑의 경우 Q는 각각 1.56h 및 1.47h에 비례함(h: 둑 위의 수심).
기존 둑의 풀에서 평균 수심 속도는 사각형 미로 둑의 평균 수심 속도보다 높음.
그러나 주어진 유량, 바닥 경사 및 둑 간격에서 난류 운동 에너지(TKE) 및 난류 강도(TI) 값은 기존 둑에 비해 사각형 미로 둑에서 더 높음.
기존 둑은 사각형 미로 둑보다 에너지 소산이 적음.
미로 둑 상단, 둑 하류 벽의 모서리, 둑의 측벽과 채널 벽 사이에서 더 낮은 TKE 및 TI 값이 관찰되었음.
둑 사이의 거리와 하단 경사가 증가함에 따라 평균 수심 속도, 난류 운동 에너지의 평균값 및 난류 강도가 증가하고 풀에서 체적 에너지 소산이 감소했음.
둑에 개구부가 있으면 평균 수심 속도 및 TI 값이 증가하고 풀 내에서 가장 높은 TKE 범위가 감소하여 물고기를 위한 더 넓은 휴식 공간(더 낮은 TKE)이 생성되고 두 모델 모두에서 에너지 소산율이 감소했음.
Fig. 1 Weir fishways dimensionless discharge equations: a: Plunging flow and b: Streaming flowFig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
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FLOW-3D 소프트웨어와 실험 데이터를 이용한 퇴적물 초기 이동(Sediment Incipient Motion) 비교 연구
Figure 7. Numerical flow3D profiles for, a) Sediment suspension Concentration profiles at initial motion, b) Sediment suspension Concentration profiles after initial motion, c) Shear stress, d) Flow velocity
연구 배경 및 목적
문제 정의
개방 수로에서의 퇴적물 이동은 복잡한 유체 역학적 현상이며, 퇴적물이 언제 움직이기 시작하는지(Incipient Motion) 예측하는 것은 하천 관리 및 배수 시스템 설계에서 중요한 문제임.
기존 연구들은 주로 실험적 방법을 통해 임계 유속 및 퇴적물 이동 조건을 분석했으나, 이는 비용과 시간이 많이 소요됨.
수치해석 기법, 특히 FLOW-3D와 같은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델을 이용하면 빠르고 효율적으로 퇴적물 거동을 예측할 수 있음.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 다양한 조건에서 퇴적물 초기 이동을 시뮬레이션하고, 실험 데이터와 비교 분석하여 모델의 신뢰성을 평가.
Meyer-Peter Müller (MPM) 및 Nielsen 모델을 활용하여 퇴적물 이동 특성을 해석.
채널 기울기(Slope), 입자 크기(Particle Size), 유속(Velocity) 등이 퇴적물 이동에 미치는 영향을 분석.
연구 방법
실험 및 수치 모델 설정
실험 조건
수로 단면 크기: 0.5×0.5m0.5 \times 0.5 m0.5×0.5m
퇴적물 유형: 관개(Irrigation)용 모래, 하수(Sewer)용 모래
입자 크기 범위: 0.075−1.18mm0.075 – 1.18 mm0.075−1.18mm
수로 기울기:
관개용 모래: 0.001−0.0030.001 – 0.0030.001−0.003
하수용 모래: 0.0025−0.0250.0025 – 0.0250.0025−0.025
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
난류 모델: RNG k-ε 난류 모델 적용.
유입 경계 조건: 초기 유속 0−0.55m/s0 – 0.55 m/s0−0.55m/s, 240초 동안 변화.
퇴적물 이동 모델:
MPM (Meyer-Peter Müller, 1948) 모델
Nielsen (1992) 모델
주요 결과
실험 데이터와 FLOW-3D 결과 비교
MPM 모델
실험 데이터보다 더 높은 유속에서 퇴적물이 이동하는 것으로 예측됨.
이는 MPM 모델이 주로 균일한 자갈층(Gravel Systems)에서 검증되었기 때문.
Nielsen 모델
실험 데이터와 비교적 더 높은 일치도를 보였으며, 특히 작은 입자 크기에서 정확도가 향상됨.
채널 기울기가 클수록 실험 데이터와의 오차가 줄어듦 → 즉, 경사가 클수록 FLOW-3D의 예측이 신뢰성 있음.
기울기가 작을 때는 실험 데이터와 차이가 발생했으나, 이는 유속 변화에 따른 난류 영향 때문으로 분석됨.
입자 크기와 유속 관계 분석
입자 크기가 증가할수록 퇴적물 이동을 위한 임계 유속이 증가.
MPM 모델은 미세 퇴적물 이동을 과소평가하는 경향이 있으며, Nielsen 모델이 더 정밀한 결과 제공.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 소프트웨어는 퇴적물 초기 이동을 예측하는 데 유용한 도구이며, 특히 Nielsen 모델이 실험 데이터와 높은 일치도를 보임.
MPM 모델은 주로 거친 자갈층(Gravel Systems)에 적합하며, 작은 입자에서는 오차가 발생할 가능성이 큼.
채널 기울기가 클수록 Nielsen 모델이 실험 데이터와 유사한 결과를 보이며, 작은 기울기에서는 다소 차이가 발생.
FLOW-3D는 퇴적물 이동을 연구하는 효율적인 방법으로, 실험 비용과 시간을 절감할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델 적용을 통한 난류 해석 정밀화.
다양한 퇴적물 유형(점토, 실트 등) 및 복합 채널 형상에 대한 연구 수행.
현장 데이터와의 추가 비교 검증을 통해 모델의 신뢰성을 더욱 향상.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 퇴적물 초기 이동을 예측하고 실험 데이터와 비교 분석한 연구로, 향후 하천 및 수로 설계, 퇴적물 관리 및 침식 예측 등에 활용 가능성을 제시하였다.
Figure 7. Numerical flow3D profiles for, a) Sediment suspension Concentration profiles at initial motion, b) Sediment suspension Concentration profiles after initial motion, c) Shear stress, d) Flow velocity
Figure 8. Numerical results for suspended sediment concentration for slope 0.002 for sewer channel
Figure 11. Relation between laboratory data with Numerical data using Nielsen and MPM equations, for sewer channel for slope, a) 0.01, b) 0.0025, c) 0.02
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기후변화로 인해 극한 강우 발생 빈도가 증가하고 있으며, 이에 대응하기 위해 기존 댐의 홍수 방류 능력을 증대하는 사업이 진행 중임.
충주댐은 기존 여수로 용량(17,000 m³/s) 외에도 추가적인 홍수 방류를 위해 보조여수로(11,000 m³/s) 건설이 계획됨.
대형 수리구조물 설계에는 물리적 수리 모형 실험이 일반적으로 활용되지만, 비용과 시간이 많이 소요되고 다양한 대안을 검토하기 어려운 한계가 있음.
최근 3차원 수치해석(FLOW-3D 등)이 물리 실험을 대체할 수 있는 대안으로 떠오르고 있음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 충주댐 보조여수로 설계의 적절성을 평가하고,
월류위어(Spillway), 접근수로(Approach Channel), 도류터널(Tunnel) 등 주요 구조물의 수리학적 특성을 분석하여,
설계 기준을 만족하지 못하는 부분에 대한 개선안을 제시함.
연구 방법
FLOW-3D 모델링 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 해석 수행.
난류 모델: RNG k-ε 난류 모델 적용.
격자(grid) 설정:
구조물이 복잡한 영역은 세밀한 격자 사용, 단순한 영역은 큰 격자로 구성하여 계산 효율 최적화.
총 격자 수: 약 17,680,256개.
경계 조건(Boundary Conditions):
상류(저수지) 수위: EL. 146.0m
하류(방류 구간) 수위: EL. 89.6m
비교 분석 대상
기존 설계안
개선 설계안:
월류위어 폭 확대
접근수로 위치 조정
도류터널 직경 확대 및 형상 변경
주요 결과
① 월류위어(Spillway) 평가
기존 설계(폭 9.5m)의 방류량: 10,588.7 m³/s → 계획 방류량(11,000 m³/s)보다 411.3 m³/s 부족(3.7% 미달).
폭을 10.0m로 확대한 개선안에서는 총 방류량 11,064 m³/s 확보 가능.
② 접근수로(Approach Channel) 평가
기존 설계에서는 월류위어 좌측 교대(Pier)로 인해 와류(Vortex) 발생 → 수면 저하 및 유속 증가(4 m/s 초과).
월류위어를 83m 하류로 이동하는 개선안을 적용한 결과, 와류 감소 및 유속 4 m/s 이하로 안정화됨.
③ 도류터널(Tunnel) 평가
기존 설계: 직경 15.8m, 곡선형 3련 터널 → 터널 내 편류(偏流) 발생 및 유동 불안정 문제 확인.
개선안:
직경 16.3m로 확대하여 터널 내 통수단면비(Flow Area Ratio) 73.35%로 감소(기준 만족).
곡선형 터널을 직선형으로 변경 → 편류 감소 및 유동 안정성 확보.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 충주댐 보조여수로 설계 검토 결과, 기존 설계에서 일부 문제점(방류량 부족, 유속 초과, 편류 발생)이 확인됨.
월류위어 폭 확대(9.5m → 10.0m), 위치 이동(하류 83m), 도류터널 직경 확대(15.8m → 16.3m), 직선형 터널 적용을 통해 개선 가능.
FLOW-3D 기반 수치해석이 수리 모형 실험을 대체할 수 있으며, 다양한 설계 대안을 검토하는 데 효과적임.
향후 연구 방향
더 다양한 홍수 시나리오 적용하여 최적 설계 검토.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 활용한 세부 유동 해석 진행.
실제 시공 후 모니터링 데이터를 활용하여 모델 검증 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 대규모 수리구조물(댐 보조여수로)의 설계를 평가하고 최적화하는 방법론을 제시한 연구로, 향후 홍수 대응 및 방류시설 설계 개선에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 1. Additional Construction Plan for the Chungju Dam Spillway
Fig. 6. Discharge Passing through Each Weir
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan
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본 소개 자료는 “Journal of the Korean Society of Civil Engineers”에서 발행한 “변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증”논문을 기반으로 합니다.
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
연구 배경 및 목적
문제 정의
항주파(ship waves)는 선박의 이동으로 인해 발생하는 파랑으로, 이는 선박의 속도, 수심 및 해안 구조물에 따라 다르게 나타남.
기존의 항주파 연구는 일정한 수심을 가정한 연구가 많았으며, 변수심에서의 항주파 예측 연구는 부족한 상황.
Kelvin(1887)의 이론은 심해 조건에서만 유효하며, 중간 수심(intermediate-depth)이나 변수심(varying water depth)에 적용하기 어렵다.
연구 목적
Kelvin(1887)의 항주파 이론을 확장하여, 변수심에서도 적용 가능한 이론식을 개발.
FLOW-3D를 활용하여 수치 해석을 수행하고, 개발된 이론식의 정확성을 검증.
선박이 이동할 때 항주파의 형상이 어떻게 변하는지 분석하여 해안 및 항만 설계에 기여.
연구 방법
항주파 이론식 개발
기존 Kelvin(1887) 이론의 선형 분산 관계식(dispersion relation)의 순환 관계를 이용하여 확장된 항주파 이론식을 유도.
중간 수심(intermediate water depth)과 변수심(varying water depth)에서도 적용 가능하도록 개선.
수치 실험(FLOW-3D) 설정
수치 모델:
계산 영역: 1000m × 250m × 30m
격자 간격: △x = 2m, △y = 1m, △z = 0.5m
선박 속도: 6m/s, 8m/s
수심 조건: hc = 10m, hd = 15m, hs = 5m
바닥 경사: 1/100, 1/61
FLOW-3D 모델링 기법:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적
RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용한 난류 해석
Havelock(1908)의 최대 파향각(cusp locus angle) 이론과 비교하여 검증 수행
주요 결과
이론식과 FLOW-3D 시뮬레이션 비교
FLOW-3D 결과는 개발된 이론식과 높은 일치도를 보임.
바닥 경사가 급할수록, 선박 항적 중심선의 좌우 비대칭성이 증가.
얕은 쪽에서는 굴절로 인해 파향선이 해안선과 평행,
깊은 쪽에서는 역굴절(reverse refraction)로 인해 파향선이 해안선과 직각.
선박 속도 증가 시, 최대 파향각이 커지는 경향을 보임.
오차 분석 결과, RMSE(root mean squared error)가 4% 이내로 이론식과 수치 해석이 잘 일치.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 변수심에서도 항주파 형상을 정확히 예측할 수 있음을 검증.
이론식은 중간 수심 및 변수심에서도 높은 정확도를 보이며, 기존 Kelvin(1887) 이론의 한계를 극복함.
바닥 경사가 급한 경우, 해안선 가까운 영역에서는 항주파의 형상이 크게 변함을 확인.
향후 연구 방향
더 다양한 해저 지형과 수심 조건에서 항주파 전파 특성 분석.
현장 실험을 통해 FLOW-3D 시뮬레이션 결과의 검증 강화.
해양 구조물 설계 및 연안 보호를 위한 최적 설계 모델 개발.
연구의 의의
본 연구는 변수심에서도 적용 가능한 항주파 예측 이론을 제시하고, FLOW-3D를 활용하여 검증을 수행함으로써, 항주파 분석의 정확성을 높이는 데 기여하였다. 이는 해안 공학 및 항만 설계에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 1. Ship wave pattern (Kelvin, 1887)
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
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본 소개 자료는 International Symposium on Hydraulic Structures에서 발행한 “Performance Assessment of FLOW-3D and XFlow in the Numerical Modelling of Fish-bone Type Fishway Hydraulics” 논문을 기반으로 합니다.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
연구 배경 및 목적
문제 정의
어도(Fishway)는 물고기의 이동을 돕기 위해 설계된 수리 구조물이며, 수력학적 특성이 어류 이동에 미치는 영향을 평가하는 것이 중요함.
기존 수리 모델링 방법은 주로 실험적 접근법을 사용하였으며, 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석이 널리 적용되고 있음.
기존의 **격자 기반(mesh-based) CFD 방법(FLOW-3D)**과 비격자(meshless) CFD 방법(XFlow) 간의 성능 차이를 평가하는 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D(FVM 기반)와 XFlow(Lattice Boltzmann Method 기반)의 수리학적 모델링 성능을 비교 분석.
어류 이동과 관련된 유동 구조(유속, 난류 특성, 흐름 깊이)를 평가하고 두 모델의 정확성을 비교.
실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 두 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
어도(Fishway) 모델 설정
실험 환경: 길이 10m, 너비 1m의 실험 수로(flume) 내 fish-bone 형태 어도 모델 구축.
높은 유량(0.075 m³/s)에서는 두 모델 모두 유사한 유속 분포를 보였으나, 낮은 유량(0.016 m³/s)에서는 XFlow의 정확도가 낮음.
난류 특성 분석
FLOW-3D가 블록 후류 영역에서의 와류(Swirling Flow)를 보다 정밀하게 포착.
XFlow는 격자 해상도를 높이지 않으면 난류 구조를 정확히 표현하지 못함.
계산 비용 및 효율 비교
FLOW-3D는 시뮬레이션 정확도가 더 높지만, 계산 시간이 평균 9시간 소요.
XFlow는 7시간 내에 시뮬레이션을 완료하지만 정확도가 다소 낮음.
XFlow는 해상도를 증가시키면 정확도가 향상되지만 계산 시간이 4일로 증가.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D는 유동 구조 및 난류 특성을 보다 정밀하게 예측하며, 실험 결과와의 일치도가 높음.
XFlow는 상대적으로 빠른 계산 속도를 제공하지만 정확도가 다소 떨어짐.
FLOW-3D는 고해상도 격자 설정이 가능하여 복잡한 흐름을 모델링하는 데 더 적합함.
향후 연구 방향
다양한 어도 설계(블록 배열, 경사 변화)에 대한 추가 연구 수행.
고해상도 XFlow 모델링을 통한 정확도 개선 연구.
실제 어류 이동 데이터를 활용한 모델 보정 및 최적화 연구 진행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D와 XFlow의 수리학적 성능을 비교하고, 어도(Fishway) 모델링에서의 적용 가능성을 평가하였다. 결과적으로 FLOW-3D가 보다 높은 정확성을 보이며, 수리 구조물 설계 최적화에 중요한 도구가 될 수 있음을 확인하였다.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.Figure 3. Stream traces for (a) FLOW-3D and (b) XFlow at 0.075 m3
/s.
References
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본 소개 자료는 ‘IOP Conference Series: Materials Science and Engineering’에서 발행한 ‘FLOW-3D software for substantiation the layout of the port water area’ 논문을 기반으로 합니다.
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the
port water area
1. 서론
항만 설계 시, 방파제를 통한 내부 수역의 파랑 차단이 필수적이며, 이를 위해 최적의 항구 입구 배치 및 규모를 결정해야 함.
항만 수역은 파랑, 퇴적물 축적, 그리고 결빙으로부터 보호되어야 하며, 이를 위해 물리적·수치적 모델링이 필요함.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 설계 변수들이 항만 내부 수역의 흐름 및 안전성에 미치는 영향을 분석하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
유체 해석을 위한 유한체적법(Finite Volume Method, FVM) 기반의 고정 격자 기법 사용.
FLOW-3D의 다중 격자(Multi-block Grid) 기능을 활용하여 계산 효율성 향상.
항만 설계를 위한 입력 데이터:
설계 풍속: 20m/s
설계 파고: 1.0m, 주기 T = 5s
설계 수위: 최저 11.50m, 운영 수위 12.00m, 최고 수위 15.00m
3. 연구 결과
다양한 항만 입구 배치에 따른 유동 특성 비교
총 5가지 항만 입구 배치를 고려하여 항만 내부 유속 및 흐름 패턴을 분석.
항만 입구 폭 및 위치에 따른 주요 결과:
입구가 상단(Variant 1) 또는 이중 입구(Variant 2)일 경우, 내부 유속이 불균형하여 계류 안정성이 낮아짐.
입구가 하단(Variant 3)일 경우, 내부 흐름이 균형을 이루며 정박 시 안전성이 가장 높음.
입구 폭이 60m(Variant 5)로 증가할 경우, 외해의 파랑이 거의 그대로 내부로 전달되며, 방파제의 차단 효과가 감소.
입구 폭이 20m(Variant 4)로 좁아질 경우, 항구 내부에서 난류(circulation)가 형성되어 선박 기동성이 저하.
계류 및 선박 기동성 평가
항만 내 특정 지점(A, B, C)에서의 수심 변화를 분석하여 계류 안정성을 평가.
Variant 3에서 항만 내 수심 변화가 가장 적고, 계류 안정성이 가장 높음.
Variant 4의 경우, 항구 입구 폭이 좁아지면서 난류가 증가하고, 선박 기동성이 제한됨.
Variant 5의 경우, 외해 파랑이 내부까지 도달하여 계류 조건이 불안정해짐.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 항만 수역 내 유동 특성을 정량적으로 분석할 수 있음.
입구 위치가 하단에 있으며(Variant 3), 폭이 40m일 때 가장 안정적인 계류 환경을 제공.
입구 폭이 과도하게 좁아질 경우(Variant 4), 난류가 증가하여 선박 운항이 어려워지고, 반대로 폭이 과도하게 넓을 경우(Variant 5), 외해 파랑이 항만 내부까지 침투하는 문제가 발생.
향후 연구 방향
다양한 파랑 조건 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
실제 항만 데이터를 활용한 모델 검증 연구 수행.
다양한 방파제 형상 및 재료 특성을 고려한 추가 시뮬레이션 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 방파제 설계가 항만 내부 유동 및 계류 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 향후 항만 설계 및 운영 최적화를 위한 실질적인 설계 지침을 제공할 수 있음.
Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 3. Port water area planFigure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the
port water area
6. 참고 문헌
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본 소개 자료는 ‘Open Journal of Marine Science’에서 발행한 ‘Modeling of the Changes in Flow Velocity on Seawalls under Different Conditions Using FLOW-3D Software’ 논문을 기반으로 합니다.
Figure 2. Flow velocity on seawall in A2 modeling.
6. 참고 문헌
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본 소개 자료는 ‘Environmental Fluid Mechanics’에서 발행한 ‘Numerical simulation of local scour around the pier with and without airfoil collar (AFC) using FLOW-3D’ 논문을 기반으로 합니다.
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases
1. 서론
교각 주변의 국부 세굴(local scour)은 수리 구조물의 안전성에 중대한 영향을 미치는 요소이며, 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나임.
기존 연구에서는 다양한 세굴 저감 장치를 연구해 왔으며, 본 연구에서는 에어포일 컬러(Air-Foil Collar, AFC)의 효과를 평가하고자 함.
FLOW-3D를 이용하여 다양한 AFC 구성에서 세굴 깊이를 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
난류 해석: Large Eddy Simulation (LES) 모델 적용.
퇴적물 모델: van Rijn의 bed-load transport 모델 활용.
격자 설정: 12.234백만 개의 격자로 구성된 nested mesh 사용.
경계 조건:
유입부: 일정한 유속(velocity inlet) 적용.
유출부: 자유 배출(outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
AFC 적용 유무에 따른 세굴 특성 비교
AFC가 없는 경우 최대 세굴 깊이: 6.33cm.
AFC가 적용된 경우 세굴 깊이 감소 효과:
dc1 (2b) 컬러 적용 시: 77.78% 감소.
dc1R (역방향 2b) 컬러 적용 시: 46% 감소.
dc2 (3b) 컬러 적용 시: 100% 감소 (세굴 없음).
dc1 (2b) 컬러를 하단부에서 y/2 높이에 적용 시: 11.12% 감소.
dc2 (3b) 컬러를 하단부에서 y/2 높이에 적용 시: 42.86% 감소.
최대 세굴 깊이 및 세굴 형상 분석
AFC가 없는 경우, 세굴은 주로 교각 전면부에서 강하게 발생하며 후류(wake)에서 퇴적이 진행됨.
AFC 적용 시, 와류 강도가 감소하고 말굽 와류(horseshoe vortex) 및 후류 난류가 완화됨.
AFC의 위치 및 크기에 따른 효과 분석
dc2 (3b) 컬러를 교각 기초에 설치했을 때 세굴 방지가 가장 효과적.
dc1 (2b) 컬러의 경우 역방향(dc1R) 설치 시 세굴 감소 효과가 다소 감소.
4. 결론 및 제안
결론
AFC는 교각 주변 국부 세굴을 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조적 솔루션임.
3b 크기의 컬러(dc2)를 교각 기초에 설치하는 것이 가장 효과적인 세굴 방지 방법으로 확인됨.
LES 모델을 활용한 수치 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 7% 이내의 오차를 보이며 높은 신뢰도를 가짐.
향후 연구 방향
다양한 유속 및 침전 조건에서 추가 시뮬레이션 수행 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 AFC의 장기적인 효과 검증.
AFC 형상 최적화를 위한 설계 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 AFC의 적용 유무에 따른 교각 주변 국부 세굴 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 향후 교량 설계 시 AFC 적용을 고려한 세굴 방지 전략을 제안할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다.
Fig. 3 a Meshing around the geometry and b boundary conditions annotated
Fig. 4 Scour hole profle from Melville and Raudkivi [16] and simulated results
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases
6. 참고문헌
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본 소개 논문은 Journal of Marine Science and Technology에서 발행한 논문 “NUMERICAL SIMULATIONS OF WATER SURFACE PROFILES AND VORTEX STRUCTURE IN A VORTEX SETTLING BASIN BY USING FLOW-3D”의 연구 내용입니다.
Fig. 6. Air core forming process display.
1. 서론
와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 부유 퇴적물을 효과적으로 제거하기 위한 수리학적 장치로, 원통형 챔버, 유입 시스템, 하부 오리피스 유출구 및 월류 위어로 구성됨.
와류 흐름은 매우 복잡하여 실험적 방법만으로 정확한 측정이 어렵기 때문에, 수치 시뮬레이션이 필수적임.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 VSB 내부 유동장을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 일정한 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 하부 오리피스(Bottom Orifice) 및 월류 위어(Overflow Weir) 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
격자 해상도:
2.38백만 개의 격자로 구성, 최소 격자 크기 0.25cm(z 방향), 최대 격자 크기 1cm.
3. 연구 결과
실험 및 수치 모델 비교 분석
수면 프로파일 비교
실험 및 수치 모델에서 얻은 수면 프로파일이 매우 유사함.
수치 모델에서 계산된 최고 수위(17.10cm)가 실험 결과(17.03cm)와 ±0.5cm 이내의 차이를 보임.
유속 분포 분석
난류 유동장에서 탱젠셜 속도(Vt), 방사 속도(Vr), 축 방향 속도(Vz)를 각각 비교.
탱젠셜 속도(Vt): 벽면에서 중심부로 갈수록 증가하며, 내부 영역에서는 자유 와류, 외부 영역에서는 강제 와류 특성을 나타냄.
방사 속도(Vr): 중심부에서 바깥쪽으로 점진적으로 감소하며, 바닥에 가까울수록 세굴 효과가 증가.
축 방향 속도(Vz): 오리피스 방향으로 강한 하강 흐름을 보이며, 퇴적물 제거 효율에 중요한 역할 수행.
에어 코어(Air Core) 형성 과정 분석
실험 및 수치 모델 모두에서 에어 코어 형성이 확인됨.
에어 코어의 위치 및 크기는 실험 결과와 수치 해석 결과가 ±1.5cm 이내의 차이를 보임.
에어 코어의 진동이 유속 변화에 영향을 미치지만, 전체적인 유동장에는 큰 영향을 미치지 않음.
유입량 증가에 따른 와류 특성 변화
유입량 증가(Qcc = 1.5 × 10⁻³ ~ 4.0 × 10⁻³ cms)에 따라 와류 강도가 증가하고, 에어 코어의 형상이 변화.
유량이 커질수록 벽면에서의 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
수평 유도판(Horizontal Deflector) 적용 효과
수평 유도판을 설치한 경우, 유체 체류 시간이 증가하고 와류 강도가 높아져 퇴적물 제거 효과가 향상됨.
유도판이 없는 경우, 유체가 곧바로 월류 위어를 넘어가 퇴적물 제거 효과가 감소하는 것으로 나타남.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 VSB 내부의 복잡한 유동 구조를 정량적으로 분석할 수 있음.
탱젠셜 속도, 방사 속도, 축 방향 속도 등 주요 유동 변수들이 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
에어 코어 형성 및 진동이 전체 유동장에는 큰 영향을 미치지 않지만, 특정 영역에서는 국소적인 유동 변화가 발생.
유량 증가 시 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
수평 유도판 적용 시, 유동 구조가 안정화되며 퇴적물 제거 효율이 증가함.
향후 연구 방향
다양한 VSB 설계 변수(오리피스 크기, 유입 각도 등)에 대한 추가 연구 필요.
LES 모델과 다른 난류 모델(k-ε 등) 비교 연구 수행.
현장 데이터 기반 실증 연구를 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰도 추가 검증 필요.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지(VSB)의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 퇴적물 제거 효율 향상 및 VSB 설계 최적화를 위한 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 2. Boundary conditions of VSB in FLOW-3D.
Fig. 6. Air core forming process display.
6. 참고 문헌
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본 소개 논문은 한국해안·해양공학회논문집에서 발행한 논문 “FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험”의 연구 내용입니다.
1. 서론
해상풍력 터빈 및 해상 플랫폼과 같은 구조물의 설치가 증가하면서 세굴(Scour) 현상이 중요한 연구 주제로 부각됨.
해양 구조물은 조류 및 파랑에 의해 해저 입자가 제거될 가능성이 높으며, 이는 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 HeMOSU-1 해상 자켓 구조물 주변에서 발생하는 세굴을 수치적으로 분석하고, 일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성을 비교하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
Case 1: 유입부에 1m/s의 일정한 흐름을 적용한 일방향 흐름 해석.
Case 2: 유속이 -1~1 m/s로 변동하는 왕복성 흐름을 고려한 해석.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성 비교
Case 1(일방향 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.32m.
Case 2(왕복성 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.44m.
현장 측정값과 비교 결과
HeMOSU-1 주변의 현장 측량 결과 세굴 깊이가 약 1.5~2.0m로 확인됨.
왕복성 흐름을 고려한 Case 2의 결과가 실제 데이터와 가장 유사한 값을 보임.
세굴 현상의 주요 원인
해양 조류 흐름으로 인해 구조물 전면부에서 침식이 발생하고, 후면부에서 퇴적 현상이 관찰됨.
왕복성 흐름에서는 해저 입자의 이동이 지속적으로 반복되며, 최종적으로 일방향 흐름보다 깊은 세굴이 형성됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션을 통해 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 현상을 정량적으로 분석할 수 있음.
왕복성 흐름을 고려한 모델이 실제 현장 데이터와 가장 유사한 결과를 제공.
장기적인 해석이 필요하며, 세굴 저감을 위한 추가적인 설계 대책 마련이 요구됨.
향후 연구 방향
장기적인 흐름 변화 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 정밀도 향상.
해저 지반 강화 및 세굴 저감 기술 개발을 위한 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실제 측량 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 해상 풍력 및 해양 구조물 설계 시 세굴 저감을 위한 실질적인 설계 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
6. 참고 문헌
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본 소개 논문은 Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics에서 발행한 논문 “Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested Weir”의 연구 내용입니다.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.
1. 서론
넓은 마루 위어(Broad-Crested Weir, BCW)는 수리학적 구조물로서 홍수 조절, 유량 측정 및 관개 시스템에서 활용됨.
BCW의 형상, 특히 사다리꼴 형태는 유량 및 에너지 손실에 영향을 미칠 수 있으며, 기존 실험적 연구와 함께 수치 모델링이 중요함.
본 연구에서는 FLOW-3D 및 SSIIM 2 소프트웨어를 사용하여 사다리꼴 BCW의 유동 특성을 분석하고, 수치 결과를 물리 실험 결과와 비교하여 모델링 정확도를 평가함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 및 SSIIM 2 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
SSIIM 2는 적응형(adaptive) 격자를 사용하며, Marker-and-Cell(MAC) 접근법을 적용하여 자유 수면을 계산.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
FLOW-3D와 SSIIM 2 결과 비교
두 모델 모두 물리 실험 결과와 유사한 자유 수면 프로파일을 예측하였으며, 계산된 유량 계수(Discharge Coefficient, Cd)는 실험 값과 ±3% 이내의 차이를 보임.
FLOW-3D는 격자가 고정되어 있으며, 평균 435~550초의 계산 시간이 소요됨.
SSIIM 2는 적응형 격자를 사용하여 격자 수가 변하며, 계산 시간이 12,500~15,500초로 상대적으로 길었음.
유량 변화(Q = 0.0181 ~ 0.0055 m³/s)에 따른 자유 수면 프로파일 분석 결과, 두 모델 간 수위 차이는 1~1.5% 범위 내에 존재.
압력 및 유속 분포 분석
FLOW-3D의 결과에서는 위어 전면부에서 압력이 최대치를 기록하며, 후면부에서는 압력이 급격히 감소.
SSIIM 2에서도 유사한 압력 분포가 확인되었으나, 자유 수면 프로파일 계산에서 다소 차이가 발생.
속도 벡터 분석 결과, 위어 전면부에서 흐름이 가속되고 후면부에서 난류 강도가 증가하는 패턴이 관측됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 및 SSIIM 2를 활용한 시뮬레이션은 사다리꼴 BCW 유동 해석에서 높은 신뢰도를 보였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 타당성이 검증됨.
FLOW-3D는 고정 격자와 높은 계산 효율성을 제공하며, SSIIM 2는 적응형 격자를 활용하여 자유 수면의 변화를 보다 세밀하게 반영.
전체적인 Cd 값은 실험 데이터와 잘 일치하며, 실험과의 평균 오차율이 3% 이내임.
향후 연구 방향
3D 모델링을 활용하여 더욱 정밀한 유동 분석 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과의 비교 연구 필요.
자연 하천 환경에서의 적용 가능성을 평가하기 위한 추가 연구 필요.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 및 SSIIM 2를 이용하여 사다리꼴 BCW에서의 유동 특성을 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 및 유량 측정 기술 향상에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.
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본 소개 자료는 Nat. Hazards Earth Syst. Sci에 게재된 논문 “The 1958 Lituya Bay tsunami – pre-event bathymetry reconstruction and 3D numerical modelling utilising the computational fluid dynamics software Flow-3D”의 연구 내용입니다.
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges
P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions
(R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).
1. 서론
리투야 베이(Lituya Bay)는 1958년 거대한 암석 산사태에 의해 발생한 세계에서 가장 높은 쓰나미(최대 런업 524m)가 기록된 지역.
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 산사태 유발 충격파(impulse wave) 시뮬레이션의 정확도를 평가하는 것을 목표로 함.
모델의 공간적 범위, 격자 해상도(grid resolution), 계산 시간 및 정확도의 상관관계를 분석하고, 실험적 검증을 통해 쓰나미 형성과 전파 과정을 재현하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 3D 수치 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식과 RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 지형 및 해저 지형을 정밀하게 모델링.
사전 지형 복원
1958년 쓰나미 발생 이전의 리투야 베이 지형을 복원하기 위해 기존 측량 데이터(U.S. Coast and Geodesic Survey, 1926, 1942, 1959)를 활용.
최대 수심 -220m로 추정하며, 쓰나미 발생 전후 해저 침전물 변화 분석.
3. 연구 결과
쓰나미 형성과 파랑 전파 분석
암석 산사태의 충격 속도(약 93m/s)와 충돌로 인해 생성된 최대 쓰나미 파고는 약 208m.
암석 충격 후 약 24초 이내에 주요 쓰나미가 형성되며, 파고는 초기 208m에서 전파 과정에서 감소.
쓰나미의 전파 및 최대 런업 분석
쓰나미가 기울어진 해안선을 따라 524m까지 상승하여, 1km 거리를 흐르며 해안선을 따라 이동.
최대 런업이 발생한 지역에서의 유속은 약 50~70m/s로 계산됨.
격자 해상도에 따른 정확도 분석
격자 크기 5m일 때 가장 정확한 결과를 제공하며, 최대 런업을 가장 잘 재현.
격자 크기 20m에서는 쓰나미의 전파 및 침수 범위가 과소평가됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 쓰나미 시뮬레이션이 리투야 베이의 역사적 데이터를 성공적으로 재현.
밀도가 높은 유체(denser fluid) 개념을 사용하여 산사태에 의한 충격파를 효과적으로 모델링 가능.
격자 해상도와 계산 시간 간의 균형이 중요하며, 5m 격자 해상도가 가장 정확한 결과를 제공.
향후 연구 방향
다양한 지형 및 쓰나미 조건을 고려한 추가 시뮬레이션 수행 필요.
고해상도 위성 데이터 및 최신 측량 기술을 활용하여 모델 검증 필요.
3D 유체-지형 상호작용 모델을 개선하여 향후 자연재해 예방에 기여 가능.
5. 연구의 의의
본 연구는 1958년 리투야 베이 쓰나미를 3D 수치 모델링을 통해 재현하고, FLOW-3D를 이용한 충격파 및 파랑 전파 해석 기법의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 지진 및 산사태로 인한 쓰나미 예측 모델의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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본 소개 자료는 한국추진공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집 에 게재된 논문 “Flow-3d를 이용한 표면장력 탱크용메시스크린모델링”의 소개 내용입니다.
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation
1. 서론
우주비행체의 미소 중력 환경에서 추진제 관리가 필수적이며, 이를 위해 표면장력 탱크(Surface Tension Tank, STT)가 사용됨.
STT 내 주요 구성 요소인 메시 스크린(Mesh Screen)은 추진제와 가압 기체를 분리하여 액상 추진제의 안정적인 배출을 돕는 핵심 장치임.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 메시 스크린을 모델링하고, 기포점(bubble point) 시뮬레이션을 수행하여 수치 모델의 정확성을 평가하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
거시적 다공성 매체 모델(Macroscopic Porous Media Model)을 적용하여 메시 스크린의 공극률, 모세관압, 항력 계수를 설정.
경계 조건 설정:
유입부: 초기 추진제(NTO) 유입 설정.
유출부: 배출구에서 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
기포점 측정 시뮬레이션
350 × 2600, 400 × 3000, 510 × 3600 DTW 메시 스크린 모델을 사용하여 기포점 측정을 수행.
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 비교 시, 최대 오차율 1.6% 이내로 높은 신뢰도 확인.
스크린 모델의 차압은 초기 270 Pa에서 점진적으로 증가하여 약 630 Pa에 도달 시 배출 중단, 이는 예상된 기포점과 유사.
PMD(Propellant Management Device) 내 추진제 배출 해석
스크린을 포함한 STT 시스템의 추진제 배출 시뮬레이션 수행.
출구 스크린에서 기포점 도달 전까지 추진제 배출이 지속되며, 기포점 도달 후 배출이 중단됨을 확인.
베인(Vane) 구조를 통한 추진제의 균등 분포 확인, 표면장력 효과로 인해 추진제가 특정 경로를 따라 흐름.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 메시 스크린 모델링이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 표면장력 탱크 내 추진제 배출 특성을 효과적으로 분석할 수 있음.
기포점 특성을 정확히 반영하여 추진제 관리 장치(PMD)의 설계 최적화 가능성을 제시.
향후 연구 방향
추진제 종류 및 다양한 미소 중력 조건에서 추가 연구 필요.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 효과 정밀 분석.
현장 데이터를 활용한 추가 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 표면장력 탱크용 메시 스크린의 모델링 및 추진제 배출 해석을 수행하였으며, 향후 우주비행체의 추진제 관리 시스템 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left) and mesh screen model based on macroscopic porous media model in Flow-3d (right)Fig. 4 Fluid behavior in bubble point test simulation
(350 × 2600 DTW mesh screen)
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Modeling Longitudinal and Transverse Velocity Profiles Upstream of an Orifice Using the FLOW-3D Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
서론
연구 배경 및 필요성
이란에서는 물 부족 위기로 인해 수자원 관리가 매우 중요해졌음.
댐 저수지는 가장 중요한 수자원 중 하나임.
하천에 댐을 건설하면 저수지의 유속이 감소하여 퇴적물이 쌓이게 됨.
댐 저수지에 퇴적물이 쌓이면 유효 부피가 줄어들고 저수 기능이 저하됨.
따라서 댐 수명 동안 퇴적물을 관리하고 배출하기 위한 방안이 지속적으로 제시되어 왔으며, 가압 플러싱은 퇴적물을 제거하는 일반적인 해결책임.
이 방법에서는 하부 수문을 개방하여 상류의 수압으로 오리피스를 통해 퇴적물을 배출함.
이동된 퇴적물의 양은 수문 직경, 퇴적물의 종류 및 크기, 수문 상류의 수위, 유출량과 같은 여러 요인의 함수임.
Shahmirzadi et al.(2010)은 하부 방류 장치의 직경이 플러싱 콘의 크기에 미치는 영향을 실험적으로 평가함.
Powell and Khan (2015)은 고정층 및 평형 세굴(이동층) 조건에서 댐 오리피스 상류의 흐름 패턴을 조사하기 위한 테스트를 수행함.
연구 결과, 속도 수평 성분은 고정 및 평형 세굴 조건에서 거의 동일했으며, 속도의 수직 성분도 동일한 조건이었음.
Bryant et al.(2008)은 여러 실험을 수행하고 몇 가지 수치 관계를 제안하여 다양한 크기의 오리피스 상류의 흐름 패턴을 연구함.
그들은 횡방향 및 깊이 속도 프로파일을 평가하기 위해 극좌표계를 사용했으며, 이 방법이 오리피스 근처의 속도 프로파일보다 더 나은 예측을 제공한다는 것을 발견함.
Wei et al.(2014)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 가압 플러싱 콘을 시뮬레이션함.
그들은 세굴 구멍, 하상토 및 부유사 하중을 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델을 개발함.
Dargahi (2010)는 FLOW-3D 모델을 사용하여 하부 유출구의 방전 특성을 시뮬레이션하고 결과를 이집트 아스완 댐의 축소 모델 실험 결과와 비교함.
얻어진 결과는 RNG 난류 모델이 k-ε 난류 모델에 비해 정확도가 더 높다는 것을 보여줌.
Chapokpour et al.(2012)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 와류 흐름 거동을 연구함.
속도 성분을 평가한 결과, 일부 지점에서 여러 시계 방향 및 반시계 방향 와류가 발견됨.
또한, 얻어진 결과를 이전의 결과와 비교한 결과, FLOW-3D 수치 모델이 와류 흐름을 모델링할 수 있음이 나타남.
Chanson et al.(2002)은 수위가 낮아지는 동안 오리피스 상류의 비정상 흐름 거동을 실험적으로 조사함.
Powell and Khan (2012)은 동일한 맥락에서 실험 연구를 수행하여 오리피스로부터의 상대 거리가 증가함에 따라 오리피스 중심을 따라 흐르는 속도가 감소한다는 것을 보여줌.
Shammaa et al.(2009)은 흐름 포텐셜을 사용하여 게이트 및 오리피스 후면의 흐름 패턴을 정의하고 다양한 시나리오에 따라 분석적으로 해결함.
연구 목표
본 연구에서는 플로우-3D 모델을 사용하여 다양한 수심에서 오리피스 상류의 종방향 흐름 속도 프로파일을 예측하는 것을 연구함.
실험 설계는 LES, Laminar 및 k-ε 난류 모델과 함께 모델을 보정하는 데 사용됨.
본 연구에서는 오리피스 상류의 다양한 수심에 대해 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태가 높은 정확도로 지수 함수를 따르는 것으로 나타남.
또한, 오리피스에서 더 먼 상류에서 횡방향 속도 프로파일은 균일해짐.
결국, 오리피스 상류의 수심이 8배 상승하면 하상에 생성되는 전단 응력이 148% 증가하는 것으로 나타남.
연구 방법
수치 모델링
본 연구에서는 유한 체적법을 사용하여 중간 Reynolds 수 범위 내에서 Navier-Stokes 방정식을 푸는 상용 CFD 소프트웨어인 FLOW-3D를 사용함.
이 소프트웨어는 유한 체적 모드에서 흐름장의 2D 및 3D 분석을 모두 허용함.
이 소프트웨어는 직교 3D 요소를 사용함.
다양한 유체에 사용할 수 있다는 점을 고려할 때, FLOW-3D는 특히 유압 분야에서 허용 가능한 결과를 제공함.
사용자 수가 증가하고 최근 디버깅으로 인해 소프트웨어는 현재 다양한 유체 역학 분야, 특히 개방 수로 및 유압 구조물의 수역학 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있음.
실험 모델
본 모델은 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 바탕으로 보정되었음.
본 연구에서 실험한 플룸은 폭 122cm, 높이 91cm, 길이 914cm였음 (그림 1).
본 연구에서는 펌프 속도 변화에 따라 의도된 흐름의 유량이 달라짐.
본 연구에서는 직경(D)이 7.62cm와 15.24cm인 두 개의 오리피스가 사용되었음.
측벽의 영향을 제거하기 위해 전체 오리피스의 중심이 채널 폭의 중앙에 위치하였음.
또한, 오리피스 중심 상류의 수심(H)은 5.92cm로 고정되었음.
흐름 패턴은 ±1%의 정확도를 가진 ADV(Acoustic Doppler Velocity Meter)를 사용하여 측정되었음.
수치 모델의 메시 생성, 경계 조건 및 보정
AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 주어진 치수를 기반으로 플룸 형상을 생성함.
시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 솔루션 메시의 크기는 길이 150cm, 폭 122cm, 높이 60cm로 제한되었음.
시뮬레이션에서 유체는 비압축성으로 간주되었음.
메시는 0.01m의 균일한 크기를 가졌으며, 계산 정확도를 높이기 위해 오리피스에 인접한 곳에 더 미세한 메시가 사용되었음.
30초의 기간이 모델링에 할당되었으며, 이는 수치 모델 결과를 실험 모델 결과와 비교하여 적합한 것으로 판명됨.
수치 모델은 이 기간에 정상 상태가 됨.
그림 (2)는 소프트웨어에 의해 정의된 경계 조건을 보여줌.
플룸 입구의 수심은 40.64cm로 고정되었음.
유출 경계 조건은 오리피스에 대해 정의되었고, 벽과 바닥은 강체 경계(벽)를 가졌으며, 대칭 조건은 상단 경계에 대해 정의되었음.
전단 응력을 결정하기 위해 바닥이 오리피스 아래에 위치한 그림 2와 같이 다른 형상이 플롯되었음.
평균 절대 오차(MAE), 제곱 평균 제곱근 오차(RMSE) 및 결정 계수(R2)의 통계적 매개변수가 정확도를 평가하고 최적의 난류 모델을 선택하는 데 사용됨.
연구 결과
모델 보정
앞서 언급했듯이 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 사용하여 모델을 보정하였음.
본 연구에서 사용된 침수비는 0.77이었음.
그림 (3)은 실험 데이터와 추정된 난류 모델을 사용하여 실행된 모델에서 얻은 결과를 비교한 것임.
또한, 표 (1)은 각 모델의 정확도를 결정하기 위해 통계 분석에서 얻은 결과를 제공함.
이에 따라 모든 난류 모델은 결과를 예측하는 데 합리적인 정확도를 보였으며, LES 난류 모델이 상대적으로 더 높은 정확도를 가졌음.
따라서 다른 시나리오를 실행하는 데 사용되었음.
그림 (3)에 따르면 Powell and Khan (2012)이 이미 보고한 바와 같이 상대 속도는 x/D>2에서 0이 되는 경향이 있었음.
종방향 속도 프로파일 모델링
모델을 보정 한 후 오리피스 상류의 수심이 종방향 속도 프로파일 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해 다른 세 개의 침수비 (H/D = 0.5.2.4)가 모델에 정의됨 (Bryant et al.(2008)에서 사용한 것 외에 (H/D = 0.77)).
그림 (4)는 다양한 침수비에서 종방향 속도 프로파일을 비교한 것임.
횡방향 속도 프로파일 모델링
세 개의 상대 거리(x/D = 1.2.3)에서 의도된 침수비에 대한 횡방향 속도 모델링에서 얻은 결과는 그림 (5)에 나와 있음.
그림은 오리피스에서 더 먼 상류에서 속도 변화가 감소하여 0이 되는 경향을 나타냄.
또한, 각 상대 거리에 대해 최대 속도는 오리피스를 따라 있었고, y-축을 따라 오리피스 중심에서 거리가 멀어짐에 따라 속도가 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 전단 응력 분포
그림 (6)은 의도된 침수비에 대한 오리피스 상류의 전단 응력 분포를 보여줌.
그림에서 볼 수 있듯이, 오리피스에서 유출되는 속도가 증가하여 바닥에서 더 높은 전단 응력이 발생하기 때문에 바닥의 전단 응력은 오리피스 상류의 깊이와 함께 증가함.
결과적으로 침수비가 0.5에서 4로 증가함에 따라 전단 응력은 4.31Pa에서 10.7Pa로 148% 증가함.
또한, 더 높은 침수비에서 오리피스 상류의 더 넓은 영역이 전단 응력의 영향을 받는 것으로 관찰됨.
Powell and Khan (2011)에 따르면 댐 하부 게이트를 열고 가압 플러싱을 시작하면 첫 번째 단계에서 퇴적물의 이동은 하상에 형성된 전단 응력으로 인해 시작됨.
따라서 논의된 내용에 따르면 오리피스 상류의 침수비가 증가하면 더 많은 퇴적물이 전단 응력에 의해 씻겨 내려가 물 흐름에 의해 배출될 것으로 예상됨.
결론
연구의 의의
본 연구에서는 FLOW-3D 모델을 사용하여 오리피스 상류의 흐름 패턴을 예측하는 타당성 조사를 수행함.
이와 관련하여 오리피스 상류의 다양한 수심에 대한 몇 가지 시나리오가 모델에 정의되어 다음과 같은 결과를 얻었음:
FLOW-3D 소프트웨어는 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 충분한 정확도로 모델링했음.
Laminar, k-ε. 및 LES 난류 모델은 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 예측하는 데 높은 정확도를 보였으며 거의 동일한 정확도를 가졌음.
오리피스 상류의 수심이 상승함에 따라 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태는 지수 방정식을 따르며 일정해졌음.
오리피스에서 더 먼 거리에서 속도 변화폭이 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 침수비 증가는 더 높은 전단 응력과 더 넓은 면적의 하상이 전단 응력의 영향을 받음.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
References
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Studying the effect of shape changes in plan of labyrinth weir on increasing flow discharge coefficient using Flow-3D numerical model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
서론
연구 배경 및 필요성
위어는 수로 및 하천 폭에 고정되어 수위를 측정, 조절 및 제어하는 데 사용되는 수력 구조물임.
가능한 최대 홍수 사건(PMF)의 규모가 커짐에 따라 방전 용량 증가에 대한 요구가 강조됨.
래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
Tullis et al.(1995)은 래버린스 위어의 용량을 결정하는 효과적인 매개변수를 평가함.
그들은 총 수두, 유효 정점 길이 및 방전 계수를 래버린스 위어의 방전 용량에 영향을 미치는 매개변수로 도입함.
Khode et al.(2011)은 8°에서 30°까지의 다양한 측벽 각도(α)에 대해 흐름-오버 래버린스 위어의 매개변수를 실험적으로 연구함.
그들은 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가한다는 것을 발견함.
Crookston과 Tullis(2012a)는 평면에서 위어의 기하학적 모양을 다르게 하여 다양한 래버린스 위어의 성능을 연구함.
결과에 따르면 아치형 래버린스 위어의 방전 용량이 말굽 래버린스 위어의 방전 용량보다 큼.
Seo et al.(2016)은 위어 모양이 위어 방전에 미치는 영향을 조사함.
래버린스 위어의 방전량은 선형 오지 위어에 비해 약 71% 증가한 것으로 나타남.
연구 목표
본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
연구 방법
연구 설계
다양한 방정식을 사용하여 방전 계수를 평가함.
방정식 (1)은 이 목적을 위해 가장 유효한 방정식 중 하나임.
여기서 Cd(a) = 래버린스 위어의 방전 계수, Q = 위어 방전, Lc = 위어의 총 길이, HT = 총 상류 헤드(비잠수) 및 g는 중력으로 인한 가속도(m2/s)임.
래버린스 위어 조사를 위한 최상의 메시를 선택하기 위해 두 가지 유형의 메시가 사용됨.
564000 및 437000의 메시 수가 최적의 메시 선택을 위해 평가됨.
메시 번호 1에서 셀 크기는 구조 근처의 메시 번호 2의 셀 크기보다 작음.
따라서 메시 1은 모델링 정확도를 높임.
수치 모델링
Crookston과 Tullis(2012b)의 연구에서 실험 Cd(aα) 데이터가 제시됨.
본 논문에서는 3개의 난류 모델(k-ε, RNG k-ε 및 LES 모델)을 사용하여 수치 Cd(a∘)를 수행함.
최대 상관 계수(H T /p 무차원 매개변수의 경우 0.9875)는 RNG k-ε를 사용하여 얻음.
이 지수의 값은 1에 가까우며 모델이 시뮬레이션에 적합함을 보여줌.
이 연구의 이전 결과를 기반으로 RNG 모델을 적합한 모델로 간주하여 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수 변화를 평가함.
연구 결과
결과 분석
결과에 따르면 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가함.
각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 평균 2.28 및 1.24배 큼.
또 다른 주목할 점은 방전 용량이 증가함에 따라 방전 계수가 감소한다는 것임.
방전량이 32.8배 증가하면 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수가 각각 57.2%, 47.4% 및 7.8% 감소함.
다음 단계에서는 선형, 삼각형 및 반원형의 정점 모양을 가진 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
삼각형 및 반원형 정점 모양의 래버린스 위어가 가장 큰 방전 계수 값을 가짐.
삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가한 것으로 나타남.
방정식
본 논문에서는 방정식 (2)에 정의된 대로 다양한 측벽 각도를 가진 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제시함.
이 방정식의 정확도를 결정하기 위한 MAE, RMSE 및 R 2 값은 각각 0.0407, 0.0496 및 0.9122이며, 이는 방전 계수를 결정하는 데 이 방정식의 정확도를 보여줌.
Cd=0.201(e−0.4904(HT/P))(0.00038θ2+2.3735)
결론
연구의 의의
엔지니어들은 홍수 조절 및 운하와 하천의 방전 용량 증가를 위한 솔루션을 찾고 있음.
래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면 각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 큼.
또한 삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가함.
마지막으로 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제안했으며, 이는 허용 가능한 수준의 정확도로 방전 계수를 추정할 수 있음.
Fig.3- Plan of geometric parameters of
congressional overflow
Fig. 4- The boundary conditions of the congressional overflow model
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
References
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본 소개 자료는 Iranian Hydraulic Association Journal of Hydraulics에서 발행한 “Performance Evaluation of Submerged Vanes by Flow-3D Numerical Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
서론
연구 배경 및 필요성
잠수 베인은 접근 흐름에 대해 작은 받음각으로 수로 바닥에 수직으로 장착되는 흐름 패턴 변경 구조물임.
잠수 베인은 베인의 두 측면에 있는 수직 압력 구배로 인해 베인의 상단 높이 아래에서 시작하여 베인의 하류로 확장되는 2차 순환(나선형 흐름)을 생성함.
베인으로 유도된 와류는 채널 단면 내에서 퇴적물을 재분배하고 충적층의 프로파일을 변경함.
그러나 베인 주변의 국부적인 세굴은 잠수 베인 기술 사용의 문제점 중 하나임.
국부적인 세굴공의 확장은 베인의 모양과 관련이 있음.
연구 목표
본 연구에서는 1차 잠수 베인은 일반적으로 평평한 직사각형 판을 사용함.
본 연구에서는 국부적인 세굴을 줄이기 위한 대책으로 베인의 앞쪽 가장자리 일부를 잘라내는 것을 연구함.
연구 대상 베인은 직사각형 베인(기준선 베인)과 θ=30∘, 45∘, 60∘ 70∘ 및 73.3∘의 테이퍼형 앞쪽 가장자리를 갖는 다른 5개의 수정된 베인을 포함함.
본 연구는 이러한 수정이 앞쪽 가장자리에서의 수직 속도 성분과 베인 하류에서 2차 순환의 강도에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 함.
베인 주변의 흐름장을 연구하기 위해 Flow-3D 수치 모델 버전 10을 사용함.
연구 방법
연구 설계
본 연구에서는 상용 CFD 모델인 Flow-3D를 사용함.
모델 보정을 위해 실험 속도 측정을 사용하였으며, 이를 위해 재순환 수로(길이 7.30m, 폭 0.56m, 깊이 0.6m)를 사용함.
원심 펌프는 플룸 입구의 정수 탱크로 물을 배출함.
균일한 물 유입을 만들기 위해 플룸 입구에서 1m 떨어진 곳에 스크린을 설치함.
테일 게이트를 사용하여 플룸의 물 깊이(do)를 0.25m의 일정한 값으로 조정함.
베인의 치수는 Odgaard (2008)의 설계 기준, 즉 베인 높이 대 물 깊이 비율 Ho/do = 0.3, 길이 L = 3$H_o$를 사용하여 결정함.
평균 흐름 깊이 do = 0.25m는 Ho = 0.075m 및 L = 0.25m를 산출함.
흐름 프루드 수 Fr = 0.16에서 베인 V0 및 V3을 사용하여 속도 측정을 수행함.
각 테스트에서 베인은 흐름에 대해 20°의 각도로 플룸의 중심선에 설치됨.
베인으로 유도된 속도장을 연구하기 위해 플룸 전체에서 4×4 cm² 격자를 베인의 중심에서 채취함.
각 격자점에서 전자기 유속계(EVM)를 사용하여 3차원 속도 벡터(u, v, w)의 성분을 측정함.
플룸의 벽에 매우 가까운 속도는 측정하지 않음.
수치 모델링
베인의 고압 측면에서 수직 속도 성분은 위쪽(양수)이었고 저압 측면에서는 아래쪽(음수)이었음.
따라서 베인 하류에서 시계 방향의 2차 순환이 생성됨.
1차 직사각형 베인(베인 V0)의 앞쪽 가장자리에서 아래쪽 속도 성분이 분명했음.
테이퍼형 베인 V1 및 V2의 경우 베인 V0에서 앞쪽 가장자리 부분을 잘라냄으로써 음의 w-속도 성분의 크기가 각각 40% 및 69% 감소함.
베인 V3, V4 및 V5의 경우 테이퍼 각도를 늘리면 아래쪽 속도 성분이 효과적으로 감소함.
모멘트(MOM) 수량을 사용하여 베인으로 유도된 순환의 강도를 평가함.
베인의 성능을 비교하기 위해 MOM 값을 적용함.
이를 위해 베인 중심에서 하류로 2Ho 및 4Ho 거리, 즉 15cm 및 30cm 떨어진 두 단면에서 속도 데이터를 사용함.
MOM 계산에는 100개의 속도 성분(50개의 v-성분 및 50개의 w-성분)을 사용함.
따라서 이 수량은 잠수 베인의 성능 및 효율성을 평가하는 데 유용한 기준이 됨.
연구 결과
세굴 매개변수
베인의 속도 분포 및 모멘트(MOM)는 테이퍼형 베인의 앞쪽 가장자리에서 침식성 음의 속도 성분의 감소를 나타냄.
MOM 값을 기준으로 베인의 앞쪽 가장자리를 잘라내면 성능이 저하됨.
다시 말해, 이러한 수정은 직사각형 베인(베인 V0)에 비해 테이퍼형 베인의 영향을 받는 필드를 제한함.
결과에 따르면 직사각형 베인에 비해 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소함.
4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
결과 분석
이와는 반대로 테이퍼형 베인의 효율성은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고 4Ho 거리에서는 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 세굴을 줄이는 경우 설계 기준에 따라 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장하지 않음.
결론
연구의 의의
속도 분포 및 베인의 모멘텀 모멘트(MOM) 계산 결과, 베인의 선행 에지에서 절단이 선행 에지에서 음의 속도 성분을 감소시키는 데 효과적인 것으로 나타났음.
모멘텀 모멘트 계산을 기반으로 베인의 선행 에지를 절단하면 베인의 성능이 감소하고, 즉, 사각형 베인(V0)에 비해 베인의 영향을 받는 필드의 길이가 감소함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면, 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 사각형 베인에 비해 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소하고, 4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
이와는 반대로, 테이퍼형 베인의 효율은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고, 4Ho 거리에서 증가량은 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서, 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 스코어를 줄이는 경우, 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장되지 않음.
Fig. 1 Laboratory flume used in present researchFig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
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본 소개 내용은 [DESERT]에서 발행한 [“Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D numerical model”] 의 연구 내용입니다.
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
1. 서론
교각, 위어, 밸브, 소파공(stilling basin) 등의 수리 구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 구조물의 안정성을 위협할 수 있음.
침수된 수평 제트(submerged horizontal jet)에 의해 발생하는 세굴은 고속 유동과 저속 유체의 상호 작용으로 인해 복잡한 유동장을 형성함.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 실험 모델과 수치 모델을 비교하여 수치 모델의 정확성을 평가하고, 제트 형상, 개수로 흐름 조건, 세굴 패턴 등을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 형상을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
세굴 패턴 분석
FLOW-3D 모델과 실험 모델 비교 결과 평균 오차율이 약 11%로 확인됨.
제트 유출 속도가 증가할수록 최대 세굴 깊이가 증가하는 경향을 보임.
세굴 깊이 비교
실험 모델과 비교 시 FLOW-3D의 예측 값이 실험 값과 유사하게 나타남.
유량 1.0 ℓ/s에서 실험값 1.50 cm, 수치해석값 1.70 cm(오차율 11.8%).
유량 4.0 ℓ/s에서 실험값 6.85 cm, 수치해석값 6.10 cm(오차율 12.3%).
세굴장 길이 분석
3mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 13.82%.
1mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 12.58%.
세굴장 후방의 사구(hump) 높이 비교
사구 높이에 대한 평균 오차율이 26.12%로, 다른 변수들보다 상대적으로 오차가 큼.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 침수된 수평 제트로 인한 국부 세굴 패턴을 정량적으로 분석할 수 있음.
세굴 깊이는 비교적 정확하게 예측되었으나, 세굴장 후방의 사구 높이는 다소 과소 예측됨.
입경이 클수록 수치 모델과 실험 모델 간 오차가 감소하는 경향을 보임(3mm 입경에서 보다 정확한 결과 도출됨).
향후 연구 방향
다양한 유입 조건 및 퇴적물 특성에 따른 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침수된 수평 제트로 인해 발생하는 국부 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 시 세굴 방지 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
Fig. 3. A Plan of 2D graphical output of scour simulation results in Flow-3D numerical model
6. 참고 문헌
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본 소개 내용은 [Journal of Hydraulic and Water Engineering (JHWE)]에서 발행한 [“Investigating Effect of Changing Vegetation Height with Irregular Layout on Reduction of Waves using Flow-3D Numerical Model”] 의 연구 내용입니다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
1. 서론
해안 식생은 파랑 감쇠 효과를 제공하여 해안 침식을 방지하고 생태계를 보호하는 역할을 함.
식생의 높이, 배치 방식 및 밀도는 파랑 감쇠 효율에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 방안을 도출하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과를 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석
식생의 배치 방식(긴-짧은, 짧은-긴, 지그재그) 및 네 가지 파랑 조건을 고려하여 감쇠율 분석.
긴-짧은(long-to-short) 배치가 가장 효과적인 감쇠 효과를 보이며, 감쇠율(POD)이 최대 36.62%에 도달.
지그재그 배치(zigzag)도 효과적이지만, 짧은-긴(short-to-long) 배치는 상대적으로 낮은 감쇠 효과를 보임.
높이 변화가 큰 배치일수록 유동 저항이 증가하여 감쇠 효과가 증대됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 식생의 기하학적 배치는 파랑 감쇠 성능에 중요한 영향을 미침.
긴-짧은(long-to-short) 패턴이 파랑 감쇠에 가장 효과적이며, 이는 최대 저항을 초기 구간에서 제공하기 때문임.
짧은-긴(short-to-long) 배치는 감쇠 효과가 낮으며, 식생 배치 전략에 있어 신중한 설계가 필요함.
향후 연구 방향
다양한 식생 밀도 및 유속 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 및 최적화 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 식생 배치 방식에 따른 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 전략을 제안하였다. 이를 통해 연안 보호 및 해안 침식 방지에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
6. 참고 문헌
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본 소개 내용은 [Iranian Journal of Irrigation and Water Engineering]에서 발행한 [“Numerical Simulation of the Bed Scouring Downstream Triangular Labyrinth Weirs Using Flow-3D”] 의 연구 내용입니다.
Myer-Peter-Muller Model
서론
연구 배경 및 필요성
선형 위어에 비해 래버린스 위어는 폭 증가를 통해 흐름 용량을 증가시켜 특별한 관심을 받아왔음.
위어 하류의 세굴 및 침식은 구조물 보호를 위해 중요하며, 위어 통과 유량 증가로 인해 하류 세굴량도 증가함.
본 연구는 삼각형 평면을 가진 래버린스 위어의 수치 모델을 연구함.
연구 목표
다양한 요인(댐 본체 높이, 위어 정점 높이, 위어 통과 유량, 위어 정점 각도)이 래버린스 위어 하류의 하상 침식량에 미치는 영향을 연구하기 위해 23개의 모델을 Flow-3D 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션함.
수치 시뮬레이션 결과와 실험 모델 결과의 검증을 통해 수치 시뮬레이션과 실험값 간의 매우 우수한 일치를 확인함.
연구 방법
연구 설계
3가지 정점 각도를 가진 삼각형 래버린스 위어 하류의 하상 세굴을 연구함.
길이 10m, 폭 50cm, 높이 80cm의 인공 소형 수로에서 수치 모델을 수행함.
4가지 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)를 테스트함.
수치 모델링
수로의 물 흐름과 상단의 공기 영역을 포함하는 다상 계산 영역을 다상 흐름 모델로 시뮬레이션함.
계산 영역 준비 시 적절한 메시 생성은 매우 중요하며, 셀 크기가 세굴에 미치는 영향을 조사하기 위해 3가지 다른 셀 수를 적용함.
FLOW-3D는 광범위한 산업 응용 분야 및 물리적 프로세스에서 액체 및 기체의 동적 거동을 연구하는 엔지니어를 위한 완벽하고 다재다능한 CFD 시뮬레이션 플랫폼을 제공함.
연구 결과
세굴 매개변수
다양한 흐름 조건에서 래버린스 위어 하류의 최대 세굴 깊이, 최대 세굴 길이, 최대 퇴적 깊이 및 최대 퇴적 길이를 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행함.
세굴 매개변수를 최소화하는 최적의 정점 각도를 찾기 위해 3가지 다른 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)에 대해 모델을 실행함.
선형 위어 정점에 대한 최대 세굴 매개변수도 측정하여 비교함.
결과 분석
제시된 정점 각도로 삼각형 래버린스 위어를 사용하면 모든 세굴 및 퇴적 현상이 선형 위어에 비해 감소함.
시뮬레이션 결과, 60°의 위어 정점 각도가 모든 세굴 및 퇴적 매개변수에서 더 큰 감소를 나타냄.
선형 위어에 비해 상대 세굴 깊이, 세굴 길이, 퇴적 깊이 및 퇴적 길이에서 각각 약 89%, 77%, 45% 및 49% 감소가 관찰됨.
결론
연구의 의의
시뮬레이션 결과는 세굴 현상을 감소시키는 매우 효율적인 수단으로서 삼각형 래버린스 위어의 신뢰성을 나타냄.
모든 위어 정점 각도에서 다양한 세굴 및 퇴적 매개변수의 감소가 관찰됨.
최적의 위어 설계
선형 위어에 비해 60°의 위어 정점 각도에서 더 낮은 세굴 매개변수가 획득됨.
결론적으로, 최적의 위어 정점 각도인 60°는 선형 위어에 비해 세굴 매개변수를 최소화하고 에너지 소산을 최대화하는 잠재력을 가짐.
세굴 지도는 대칭이며, 최대 세굴은 이동상 하상의 세로 중심선 좌우에서 발생함.
Van Rijn Model
Myer-Peter-Muller Model
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Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
1. 서론
네팔은 농업 현대화를 추진하고 있으며, 이에 따라 효율적인 관개 인프라 구축이 필요함.
Sunkoshi-Marin 유역 전환 프로젝트는 Bagmati 관개 계획을 위한 수자원을 공급하기 위해 설계됨.
헤드워크(headworks)는 하천에서 필요한 수량을 안정적으로 취수하고, 퇴적물 배출 및 홍수 방류를 위한 필수적인 수리 구조물임.
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Sunkoshi-Marin 헤드워크의 수리학적 성능을 평가하고, 구조물의 효율성과 안정성을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유속 및 압력 분석
보(Barrage) 상부 평균 유속: 9 m/s 이상(완전 개방 시).
정지분지(Stilling Basin) 최대 유속: 10 m/s.
종방향 유속 프로파일에서의 최대 유속: 16.90 m/s.
음압(negative pressure) 발생 없음 → 공동(cavitation) 현상 없음.
최소 압력: 101.356 KPa(유입축 하류에서 관측됨).
방류 용량 분석
FSL(Full Supply Level)에서 보와 언더슬루이스(Under-sluice) 동시 운영 시 방류 용량: 10,086 m³/s.
100년 빈도 홍수량(9,241 m³/s) 안전하게 방류 가능.
479.5m 헤드워터 수위에서의 최대 방류 용량: 16,547 m³/s.
10,000년 빈도 홍수를 방류하기 위해 481.00m 데크(deck) 수준이 적절함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 헤드워크의 수리학적 성능을 평가할 수 있음.
음압이 발생하지 않으며 공동현상이 우려되지 않음.
보와 언더슬루이스 구조가 퇴적물 배출 및 홍수 방류에 효과적으로 작용함.
수력 점프(hydraulic jump) 형성이 확인되며, 수위 변화에 따라 위치가 조정됨.
향후 연구 방향
다양한 수위 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
다른 난류 모델(예: LES)과 비교 연구 필요.
현장 데이터와의 비교를 통해 모델 검증 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 헤드워크의 수리적 성능을 정량적으로 분석하고, 홍수 방류 및 취수 구조물 설계 최적화에 기여할 수 있는 정보를 제공함.
Figure 2. Weir axis at head works site
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
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배플 설계 시 높이, 거리 등을 신중히 조절해야 하며, 부적절한 배플 설치는 오히려 효율 저하를 초래할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 형상의 배플을 적용한 추가 실험 수행.
실제 현장 실험을 통한 모델 검증.
다층 침전지 설계를 위한 추가 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침전지의 설계를 최적화할 수 있는 방법을 제시하고, 효율적인 수처리 시스템 구축을 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.
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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
연구 배경 및 목적
문제 정의
교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 유속 증가, 난류, 침식 작용에 의해 발생하며, 이는 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나임.
기후 변화로 인해 홍수 빈도가 증가하면서 교량 안전성 확보가 더욱 중요해짐.
기존 실험 방식은 비용이 높고 유지보수가 어렵기 때문에 컴퓨터 기반 CFD 시뮬레이션을 활용한 예측 연구 필요.
연구 목적
FLOW-3D를 사용하여 원형 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴을 시뮬레이션하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
유입 유량(5, 10, 19, 30 L/sec)에 따른 세굴 깊이 변화 분석.
세굴 발생 위치와 유동 특성을 평가하여 교량 설계 및 유지보수에 활용할 데이터 제공.
연구 방법
시뮬레이션 모델링 및 설정
수치 모델:
채널 크기: 너비 0.4m, 길이 1.0m
교각 크기: 지름 0.03m, 높이 0.3m
퇴적층 크기: 길이 1.0m, 너비 0.4m, 높이 0.12m
유체 해석 기법:
VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 유체-퇴적층 경계 추적
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름 해석
침식 및 퇴적 모델: 입자 크기 0.72mm, 밀도 2650kg/m³, Shields 수 0.031 적용
경계 조건:
유입: 부피 유량 조건 적용
유출: 출구 경계 조건 설정
하부: 고정 벽 경계 적용
상부: 대칭 경계 조건 사용
주요 결과
세굴 깊이 분석
시뮬레이션 600초 후, 각 유량에서 최대 세굴 깊이:
5 L/sec → 0.0cm
10 L/sec → 1.3cm
19 L/sec → 2.4cm
30 L/sec → 3.6cm
세굴 발생 패턴:
교각 상류에서 세굴이 심하게 발생, 하류에서는 상대적으로 적음.
말굽 와류(horseshoe vortex)와 수직 와류(vertical wake vortex)가 퇴적물 이동의 주요 원인임.
실험 데이터와 비교
실험 결과와 비교 시, FLOW-3D 시뮬레이션은 상류에서 30%, 하류에서 20% 낮게 예측됨.
이는 침식 역학에 대한 추가적인 보정이 필요함을 의미.
하지만 전체적인 세굴 패턴 및 경향은 실험 결과와 일치.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 세굴 시뮬레이션이 실험 데이터와 높은 상관관계를 가짐을 확인.
세굴 깊이는 유입 유량에 따라 증가하며, 상류에서 더 깊은 침식 발생.
모델의 한계점(세굴 깊이 과소 예측)을 개선하기 위해 추가적인 침식 보정이 필요.
향후 연구 방향
더 긴 시뮬레이션 시간 설정을 통한 침식-퇴적 균형 분석.
다양한 교각 형상 및 하상 조건에서 추가 검증 수행.
현장 측정 데이터와 비교하여 모델 신뢰성 향상.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 교각 주변 세굴을 시뮬레이션하고, 유량에 따른 세굴 패턴을 정량적으로 분석하였다. 이 결과는 향후 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 활용될 수 있으며, 홍수 시 교량 붕괴를 예방하는 데 기여할 것으로 기대된다.
Figure 1. Geometry and meshing structure of the model for simulation of scour around a cylindrical pier
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
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하지만 마그네슘 다이캐스팅 과정에서는 내부 재활용 재료 비율이 높아(50~80%) 비용과 에너지가 증가함.
핫 러너(hot runner) 기술을 적용하면 용융 상태에서 금속을 유지하며 주입할 수 있어 소재 손실을 줄일 수 있음.
하지만 핫 러너 시스템에는 열 차단(thermal seal) 기술이 필요하며, 기존 냉각 방식(물/오일 기반)으로는 반응성이 높은 마그네슘을 안전하게 냉각하기 어려움.
연구 목적
액체 CO₂ 냉각 시스템을 적용하여 핫 러너 내 마그네슘의 냉각 효율성과 기동성을 평가.
냉각 매개변수와 노즐 지오메트리 변화에 따른 성능 분석.
실험 데이터를 FLOW-3D 기반 열 시뮬레이션과 비교하여 검증.
연구 방법
실험 장치(Test Rig) 구성
중력 기반(gravity-driven) 핫 러너 테스트 리그 제작.
CO₂ 냉각을 위한 캡릴러 튜브 및 확장 보어(expansion bore) 설치.
온도 센서를 통해 냉각 속도 및 온도 분포 측정.
핫 러너 내부 용융 마그네슘 합금(AZ91D, 640℃)을 대상으로 실험 진행.
CO₂ 냉각 시스템 설계
CO₂는 60 bar 압력에서 공급되며, 팽창 시 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과를 이용하여 급속 냉각.
냉각 노즐의 직경(8mm, 12mm, 16mm)에 따른 열 차단 성능 평가.
온도 측정을 위해 NiCr-Ni 열전대 배치.
FLOW-3D 기반 시뮬레이션
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 용융 마그네슘의 거동 분석.
난류 모델(RNG k-ε) 적용하여 열 흐름 시뮬레이션 수행.
냉각 및 가열 프로세스를 개별적으로 모델링하여 계산 효율성 향상.
주요 결과
냉각 성능 평가
16mm 노즐을 사용한 경우 냉각 속도가 최대 4.8℃/s로 가장 높았음.
냉각 시간이 증가할수록 냉각 속도가 비선형적으로 감소(지수 함수 형태).
냉각 후 CO₂ 확산으로 인해 온도가 다시 상승하는 현상이 관찰됨.
노즐 직경별 냉각 효과 비교
8mm 및 12mm 노즐은 냉각 효과가 제한적이며, 산화물 형성으로 인해 흐름 방해 위험이 있음.
16mm 노즐이 가장 효율적이며, 핫 러너 내 부분 응고(partial solidification) 없이 열 차단 가능.
FLOW-3D 시뮬레이션 검증
실험 결과와 시뮬레이션 간 높은 상관성 확인(냉각 속도 및 최저 온도 차이 ±3%).
냉각 시스템의 국부적(local) 영향 확인 → 특정 영역에서 급속 냉각 후 주변부 온도 회복.
냉각 매개변수(펄스 지속시간, 펄스 간격) 최적화를 통해 냉각 시간 단축 가능.
결론 및 향후 연구
결론
액체 CO₂ 냉각 시스템이 핫 러너의 열 차단 및 용융 마그네슘 냉각에 효과적임을 입증.
16mm 노즐이 최적의 냉각 성능을 제공하며, 산업 적용 가능성이 높음.
FLOW-3D 기반 열 시뮬레이션이 실험 결과를 정확히 재현하여 신뢰성 확보.
향후 연구 방향
다양한 냉각 매개변수를 추가 분석하여 최적 냉각 전략 도출.
LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 해석을 통해 냉각 성능 향상.
실제 산업 환경에서의 테스트를 통해 스케일업(scale-up) 가능성 검토.
연구의 의의
이 연구는 액체 CO₂를 이용한 핫 러너 냉각 시스템의 효율성과 기동성을 평가한 연구로, 기존 냉각 기술 대비 높은 열 차단 효과를 제공하며, 다이캐스팅 공정의 품질 및 생산성 향상에 기여할 가능성을 제시하였다.
Fig. 3. CAD representation of the measuring range around the pin tip with color-coded thermocouples for the heating control (orange)
Fig. 8. Interpolation of the temperature curves at measuring points 1, 2 and 3 over time and distance from CO2 cooling
Fig. 12. Sectional view of the nozzle with color scaled temperatures in the melt
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사각형 및 원형 교각 주변 유속은 유사한 분포를 보였으며, 최대 유속은 교각 측면에서 2배 증가.
교각 후면부에서 난류 및 역류(Reverse Flow) 발생.
다중 교각
Tandem 배치:
후방 교각 전면의 유속이 감소 → 전방 교각이 방패 역할 수행.
S/D = 2에서 난류 강도가 가장 크며, S/D ≥ 6에서는 서로 독립적인 흐름 형성.
Side-by-side 배치:
교각 간격이 작을수록(S/D = 2) 두 교각 사이 유속이 증가하여 침식 위험 증가.
S/D ≥ 6에서는 두 교각이 서로 독립적인 영향을 미침.
난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE) 분석
TKE는 교각 후방에서 가장 높은 값을 보이며, 이는 난류 생성과 관련됨.
Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각이 보호 효과를 받으며, S/D = 4에서 TKE가 최대값을 기록 후 S/D = 6에서 감소.
Side-by-side 배치에서는 S/D = 2에서 두 교각 사이 난류가 증가했으며, S/D ≥ 6에서는 TKE가 독립적인 분포를 형성.
전단 응력(Shear Stress) 분석
침식이 시작되기 전 상태에서 하상 전단 응력을 평가.
단일 교각: 최대 전단 응력은 교각 전면 및 측면에서 발생.
다중 교각:
Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각의 전단 응력이 낮아지고, S/D = 4에서 최대값을 기록.
Side-by-side 배치에서는 S/D = 2~4에서 교각 사이 전단 응력이 가장 높으며, S/D = 6에서는 개별 교각과 유사한 패턴을 보임.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 비침식성 하상 시뮬레이션을 통해 교각 주변 유동 특성을 정량적으로 분석 가능.
단일 교각(사각형, 원형) 주변 유동 특성은 거의 유사하며, 교각 형상이 큰 차이를 만들지는 않음.
다중 교각 배치에서 S/D = 2~4 구간이 가장 불안정하며, S/D ≥ 6에서는 독립적인 유동장 형성.
비침식성 하상 조건에서의 유동 특성 연구를 통해 침식 시작 전에 교각 설계를 최적화할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 모델 적용하여 더욱 정밀한 유동 해석 수행.
다양한 하상 조건(침식성 및 비침식성)에 따른 비교 연구 진행.
실제 교량 구조물 적용을 위한 현장 실험 및 검증 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 비침식성 하상에서 단일 및 다중 교각 주변 유동 특성을 분석한 연구로, 교각 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 2 The scenario of simulated experiments in the present study
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 9 The shear stress near the bed surface around the group pier and single pier in a non-erodible bed
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FLOW-3D를 이용한 수문(Sluice Gate) 하부의 자유 유동 및 Sill의 영향 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
수문(Sluice Gate)은 관개 시스템 및 수로에서 수위 조절과 유량 조절을 위한 중요한 구조물임.
수문 하부에 Sill(문턱 구조물)을 설치하면 수문의 높이를 줄여 건설 비용을 절감할 수 있으며, 동시에 방류 계수(discharge coefficient)에도 영향을 미침.
기존 연구에서는 수문 자체의 유량 계수를 연구했으나, Sill의 형상과 높이가 방류 계수에 미치는 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D 모델을 이용하여 수문 하부에 설치된 Sill의 형상, 높이 및 위치가 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
실험 데이터와 수치 모델을 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
Sill 형상이 사각형(Rectangular)과 반원형(Semicircular)일 때 방류 계수의 변화를 평가.
방류 계수 보정식을 도출하여 설계 최적화를 지원.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
격자(cell) 크기 최적화 분석 후 0.025 배율로 설정.
경계 조건:
유입부: 실험 유량 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
실험 데이터 검증
Alhamid(1998) 및 Akoz et al.(2009)의 실험 데이터를 이용하여 FLOW-3D 결과 검증.
수문 하류 유속 및 압력 분포 비교하여 평균 오차율 3% 이내 확인.
비교 분석 대상
Sill이 없는 수문 (기준 모델)
사각형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
반원형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
주요 결과
Sill의 높이 변화가 방류 계수에 미치는 영향
Sill을 추가하면 방류 계수가 증가하며, 특정 높이에서 최대치 도달 후 감소.
최적의 방류 계수 증가율
사각형 Sill(P/w = 2) → 방류 계수 8.3% 증가
반원형 Sill(P/w = 0.5) → 방류 계수 23% 증가
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 큼.
Sill의 위치가 방류 계수에 미치는 영향
사각형 Sill의 시작점에서 수문까지의 거리(5cm, 10cm, 15cm) 비교.
거리 증가 시 방류 계수 감소 → 즉, Sill이 수문에 가까울수록 효과가 큼.
압력 분포 변화
Sill이 있으면 수문 하부에서 음압(Negative Pressure) 발생 → 방류 계수 증가 유발.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 압력 분포 변화가 크며, 방류 계수 향상 효과가 더 뚜렷함.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 수치 해석 결과, Sill 추가 시 방류 계수가 증가함을 확인.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 크며, 최적의 P/w 비율이 각각 0.5, 2.0으로 도출됨.
Sill의 위치가 방류 계수에 영향을 미치며, 수문에 가까울수록 방류 계수 증가율이 큼.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용한 난류 해석 추가 연구.
다양한 유량 조건 및 실제 현장 실험과 비교 검증 수행.
Sill의 형상 최적화를 위한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 수문 하부의 Sill이 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석한 연구로, 관개 수로 설계 최적화 및 수문 구조 개선에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
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취수 구조물은 홍수 조절, 관개, 전력 생산, 상수 공급 등을 위해 사용되며, 이러한 구조물에서 발생하는 와류(Vortex)는 시스템 효율과 안정성을 저하시킬 수 있음.
와류는 공기 유입, 진동, 캐비테이션(cavitation), 방류량 감소 등 다양한 운영 문제를 유발할 수 있음.
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 3D 수치 모델을 구축하고, 취수 구조물에서 공기 유입형 와류(Air-entraining vortex)의 발생 조건을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 및 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
와류 형성 조건 분석
취수구의 직경, 벽면 간격, 수위(Submergence depth), 유량 등의 변수에 따라 와류 형성 여부가 달라짐.
실험 결과와 비교 시, FLOW-3D는 와류를 효과적으로 예측하지만, 일부 임계 수위(Submergence depth)에서 실험 결과와 차이가 발생함.
벽면 간격(Sidewall clearance)이 작을수록 와류 형성이 더욱 뚜렷하게 나타나며, LES 모델이 laminar 모델보다 더 정확한 결과를 제공함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D는 취수 구조물에서의 와류 형성을 정량적으로 예측하는데 효과적이며, 벽면 간격 및 유량 변화에 따른 흐름 특성을 분석할 수 있음.
LES 모델은 난류 효과를 보다 정밀하게 반영하여 보다 신뢰성 높은 결과를 제공.
반와류 장치(Anti-vortex plate) 사용 시, 와류 형성이 현저히 감소함을 확인.
향후 연구 방향
다양한 취수 구조물 형상 및 유속 조건에서의 추가 연구 필요.
LES 모델과 실험 데이터를 비교하여 모델의 정확도를 더욱 개선.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 취수 구조물에서의 와류 형성 조건을 분석하고, LES 모델을 이용하여 난류 효과를 보다 정밀하게 반영하는 방법을 제시하였다. 향후 취수 구조물 설계 및 운영 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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FLOW-3D 및 HEC-RAS를 이용한 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동의 수치 모델링
1. 서론
수치유체역학(CFD)의 발전으로 다양한 수리 구조물의 성능을 평가하는 연구가 활발하게 이루어짐.
본 연구에서는 FLOW-3D(k-ε 모델)와 HEC-RAS(정상유동 모델)를 사용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 모의함.
실험 데이터를 활용하여 두 모델의 정확도를 비교 분석하며, 특히 정수제 전·후방 및 계단부에서의 유동 특성을 평가함.
2. 연구 방법
모델 설정 및 시뮬레이션 조건
FLOW-3D 모델
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 이용하여 복잡한 구조 형상 반영.
HEC-RAS 모델
Steady-Flow 모듈을 이용하여 정상유동 해석.
수위 프로파일을 에너지 방정식을 이용하여 계산.
수력 점프(hydraulic jump) 및 과도 흐름(supercritical flow) 예측.
경계 조건 설정
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유동 패턴 분석
정수제 상류부:
HEC-RAS와 FLOW-3D 모두 상류부에서의 수위 분포를 정확하게 예측(평균 오차: 0.52%, 0.59%).
정수제 상부 흐름:
HEC-RAS는 점진적인 흐름을 정확히 계산하지 못하고 불연속적인 프로파일을 생성함.
FLOW-3D는 점진적인 흐름 변화를 보다 정확하게 시뮬레이션(평균 오차: 1.57%, HEC-RAS: 2.48%).
낙수(nape flow) 및 수력 점프(hydraulic jump) 형성:
HEC-RAS는 수직면을 지나가는 흐름을 제대로 시뮬레이션하지 못함.
FLOW-3D는 수력 점프 위치를 보다 정확하게 예측.
임계수심(yc) 및 전면수심(yb) 분석
FLOW-3D 예측 값(yc/yb 비율 = 1.5687)이 실험값(1.5)과 가장 유사.
HEC-RAS는 yb를 과대 예측하여 yc/yb 비율이 1.0193으로 나타남.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D는 점진적 흐름, 난류, 수력 점프의 위치 등을 보다 정밀하게 예측하는데 유리함.
HEC-RAS는 장거리 채널에서 정상유동을 빠르게 분석하는 데 효과적이나, 급격한 흐름 변화가 있는 경우 부정확할 수 있음.
낙수 영역에서 HEC-RAS는 곡면 흐름을 제대로 재현하지 못하지만, FLOW-3D는 이를 보다 현실적으로 모의.
향후 연구 방향
다양한 계단 형상 및 유량 조건에서의 추가 연구 필요.
실제 현장 데이터를 이용한 모델 검증 연구 진행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D와 HEC-RAS를 활용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 수치적으로 분석하고, 두 모델의 성능을 비교하였다. FLOW-3D는 난류 흐름과 수력 점프를 보다 정밀하게 예측하는 데 유용하며, HEC-RAS는 정상 유동 조건에서 경제적인 해석이 가능함을 확인하였다.
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대형 댐의 붕괴는 하류 지역에 심각한 홍수 피해를 초래하며, 인명 및 재산 손실이 발생할 위험이 큼.
기존 댐 붕괴 분석은 주로 1차원 모델을 사용하였으나, 복잡한 수리학적 특성을 반영하기 어려움.
FLOW-3D를 이용한 2차원 및 3차원 수치 모델링을 통해 홍수 흐름을 보다 정확히 예측하는 것이 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 어퍼 고트반드 댐(Upper Gotvand Dam) 붕괴 시 홍수 시뮬레이션 수행.
홍수 진행 속도 및 침수 영향 범위를 분석하여, 인명 피해를 최소화할 수 있는 비상 대응 계획(EAP) 수립.
기존 수리 실험 및 다른 수치 모델과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
대상 댐: 어퍼 고트반드 댐 (Upper Gotvand Dam)
이란 카룬(Karun) 강에 위치한 높이 182m의 대형 암석 및 토석 댐.
총 저수 용량 5.1 billion m³, 평균 연간 유량 13.3 billion m³.
하류 지역에는 고트반드(Gotvand) 및 쇼슈타르(Shushtar) 도시가 위치하여 홍수 위험성이 높음.
FLOW-3D 모델 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
Navier-Stokes 방정식 기반 유동 해석 적용.
격자 크기: 1000m × 159m 도메인에 대해 비균일 격자 적용.
경계 조건:
상류: 초기 저수지 용량(5.1 billion m³) 설정.
하류: 자유 방출 조건 적용 (dry bed).
벽면: No-slip 조건 적용.
시뮬레이션 수행
붕괴 시나리오: 댐이 순간적으로 완전 붕괴하는 조건으로 설정.
타임 스텝: 0.5초 간격으로 22.1초 동안 시뮬레이션 진행.
주요 결과
홍수 전파 속도 분석
붕괴 후 2.2초: 저수지 전면 수축 시작.
붕괴 후 9.5초: 홍수 흐름이 1km 하류까지 도달.
붕괴 후 10분 이내: 쇼슈타르(Shushtar) 도시까지 홍수 도달 예상.
유속 변화 분석
초기 저수지 내 유속: 0.002 ~ 0.361 m/s.
붕괴 후 홍수 흐름 속도 증가: 최대 41.8 m/s.
고트반드(Gotvand) 도시에 6분 이내 홍수가 도달할 것으로 예상됨.
비상 대응 계획(Emergency Action Plan, EAP) 수립
고트반드 및 쇼슈타르 지역에 대한 즉각적인 대피 명령 필요.
홍수 위험 지역 식별 및 대피 경로 설정.
홍수 도달 예상 시간을 고려한 경고 시스템 도입.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 댐 붕괴 시 홍수 확산 및 유속 변화를 정량적으로 분석 가능.
홍수 전파 속도를 기반으로 실질적인 비상 대응 계획(EAP) 수립이 가능함.
하류 지역에 미치는 영향을 고려하여 방재 인프라 구축 필요.
향후 연구 방향
다양한 붕괴 시나리오(부분 붕괴, 점진적 붕괴) 분석.
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 해석 정밀도 향상.
다른 홍수 모델(HEC-RAS, TELEMAC)과의 비교 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 대형 댐 붕괴 시 홍수 흐름을 예측하고, 인명 피해를 최소화하기 위한 비상 대응 계획을 수립한 연구로, 향후 댐 안전 관리 및 홍수 대비 시스템 구축에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
Figure 1. Upper Gotvand Dam
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation
Figure 7. The distribution of velocity (m/s)
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FLOW-3D 세굴 모델을 이용한 보(Barrage) 하류 정수지(Stilling Basin)의 성능 평가
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
연구 배경 및 목적
문제 정의
파키스탄 평야 지역의 주요 보(Barrage)들은 50~100년 전에 건설되었으며, 지속적인 침식과 구조적 결함 문제를 겪고 있음.
과거에는 미국 USBR(United States Bureau of Reclamation) Type III 정수지가 사용되었으나, 에너지 소산 효율이 낮아 개량이 필요함.
최근 개량된 USBR Type II 및 쐐기형 바플 블록(Wedge-Shaped Baffle Blocks, WSBB) 설계의 성능을 비교할 필요가 있음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 USBR Type III, Type II, WSBB 정수지 모델을 구축하고 성능을 비교 분석.
유속 분포, 국부적 전단 응력(BSS, Bed Shear Stress), 세굴 깊이 및 세굴 길이 평가.
설계 방류량(28.30 m³/s/m) 및 홍수 방류량(17.5 m³/s/m) 조건에서 성능을 평가하여 최적의 설계를 도출.
연구 방법
수치 모델 설정 (FLOW-3D 적용)
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 모사.
격자(cell) 크기: 비균일(non-uniform) 격자 사용, 3D CAD 모델링 적용.
경계 조건:
유입부: 실험 유량(28.30 m³/s/m 및 17.5 m³/s/m) 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
비교 모델
USBR Type III (기존 설계)
USBR Type II (개량 설계)
WSBB (쐐기형 바플 블록 설계)
주요 결과
유속 분석
설계 방류량(28.30 m³/s/m) 조건에서 USBR Type III 모델은 유속이 가장 높고, WSBB 모델이 가장 낮았음.
WSBB 모델의 경우 바플 블록으로 인해 유속이 효과적으로 감소.
홍수 방류량(17.5 m³/s/m) 조건에서도 WSBB 모델이 가장 낮은 유속을 보이며 안정적 흐름 형성.
전단 응력(BSS) 분석
USBR Type III 및 Type II 모델은 높은 전단 응력을 보여 하류 침식 가능성이 높음.
WSBB 모델에서는 전단 응력이 감소하여 세굴을 효과적으로 줄임.
세굴 분석
USBR Type III 모델에서는 하류 강바닥이 완전히 노출됨(침식 심화).
USBR Type II 모델에서는 침식이 85% 감소하였으나 여전히 문제가 있음.
WSBB 모델에서는 침식이 가장 적었으며, 세굴 깊이가 최소화됨.
결론 및 향후 연구
결론
WSBB 정수지가 USBR Type II 및 Type III 모델보다 더 효과적으로 에너지를 소산하고 하류 침식을 줄임.
USBR Type II 모델은 기존 USBR Type III 모델보다 개선되었으나 여전히 침식 문제가 존재.
FLOW-3D 모델이 정수지 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 활용 가능함.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
실제 현장 실험과의 비교 검증을 통한 모델 정밀도 향상.
다양한 보(Barrage) 및 정수지 형상에 대한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 정수지 설계의 성능을 비교 분석한 연구로, 보 하류 침식 저감을 위한 최적 설계를 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 2. Energy dissipation arrangement, (a) old basin (Type I), (b) remodeled basin (Type II), and (c) WSBB basin (Type III)
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
Figure 15. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 17.5 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
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본 연구는 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽의 수리학적 특성을 수치적으로 분석하는 것을 목적으로 함.
폭풍 해일 제어 및 연안 홍수 완화에서 방어벽의 효과를 평가하기 위해 수행됨.
FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 방어벽의 유체역학적 거동을 모델링함.
2. 연구 방법
전산유체역학(CFD) 기법을 적용하여 부유 플랩형 방어벽을 모델링함.
수치 모델의 주요 구성 요소:
레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 방정식을 이용한 난류 모델링.
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
실제 조석(tidal) 및 폭풍 해일(storm surge) 조건을 반영한 경계 조건 적용.
기존 실험 데이터를 활용하여 모델 검증 수행.
3. 연구 결과
주요 연구 결과:
방어벽이 수위 감소 및 파랑 에너지 저감에 효과적임을 확인.
방어벽 각도에 따라 와류(vortex) 형성 및 난류 강도가 변화함.
파고, 방어벽 유연성, 유속에 따라 구조적 안정성이 영향을 받음.
실험 데이터와의 비교를 통해 모델의 예측 정확성이 높음을 확인함.
4. 결론
부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽은 연안 홍수 완화에 효과적인 대안이 될 수 있음.
CFD 시뮬레이션을 통해 방어벽 설계 최적화에 유용한 정보를 제공할 수 있음.
향후 연구에서는 장기적인 구조적 내구성 및 실제 환경에서의 적용 가능성을 중점적으로 다뤄야 함.
Figure 1. Location of the study area
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프리즘형 채널 대비 수렴형 채널이 동일한 유량에서도 더 높은 위어 크레스트 수위를 형성하여 방류 효율성이 증가.
수위 및 유속 분포 분석
위어 상류 및 중간부에서 수면 경사가 하강하는 경향, 그러나 위어 끝에서는 상승하는 패턴 확인.
최대 유속이 수렴 채널에서 위어 시작점 근처에서 발생, 반면 횡방향 유속은 위어 중앙부에서 최대값 도달.
에너지 손실 분석 결과, 하류 채널 폭 감소(b/B ↓)에 따라 에너지 손실 감소, 이는 유량 분배 효율 증가로 연결됨.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 높은 일치도를 보이며(R² = 0.98), 수렴형 측방 위어의 유동 특성을 효과적으로 예측 가능.
수렴형 채널에서 위어의 효율성이 증가하며, 하류 채널 폭이 줄어들수록 위어 상류 수위가 상승하여 방류량이 증가.
b/B 비율이 작을수록(즉, 하류 채널이 좁을수록) 위어의 성능이 개선됨.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 분석 수행.
다양한 채널 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 하천 및 관개 시스템 적용을 위한 최적 설계 모델 연구.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 수렴형 측방 위어의 유동 및 에너지 특성을 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수렴형 채널 설계를 통해 위어 성능을 최적화할 수 있음을 입증하며, 실무 적용 가능성이 높음.
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Figure 7. Fluid interface shape after moving a round droplet against a square obstacle using the standard (left) and the Lagrangian method(right)
연구 배경 및 목적
문제 정의
기존 FLOW-3D의 Volume-of-Fluid(VOF) 기법은 Hirt와 Nichols(1981)에 의해 개발된 donor-acceptor 접근 방식을 기반으로 하며, 다양한 복잡한 유동 환경에서 정확도를 유지하도록 개선되어 왔음.
그러나 기존 방식은 연산 과정에서 좌표 방향에 대한 분할 기법(operator splitting)을 사용하여 유체 표면이 복잡한 기울기를 가질 때 정확도가 저하되는 문제가 있음.
이를 해결하기 위해 3D 인터페이스 재구성을 기반으로 한 새로운 VOF 이류 기법이 FLOW-3D 버전 8.2에 도입됨.
연구 목적
새로운 VOF 이류 기법을 개발하여 기존 방식의 단점을 보완하고, 비직교 유동 환경에서의 정확도를 향상.
기존 방법과 새로운 방법의 성능을 비교하고, 각 방법의 부정확성과 체적 보존 오류를 분석.
라그랑지안 기반 기법을 도입하여 인터페이스 이동을 보다 정밀하게 수행할 수 있도록 개선.
연구 방법
기존 VOF 방식과 새로운 방법 비교
기존 방식(IFVOF=4, 기본 설정)
좌표 방향 분할(operator splitting) 적용.
시간 스텝 크기가 Courant 안정성 조건에 접근하면 과도한 유체 체적 손실 발생 가능.
직교 좌표 정렬 상태에서는 비교적 정확하지만, 비직교 방향의 유동에서는 인터페이스 왜곡 발생.
새로운 라그랑지안 방식(IFVOF=5)
인터페이스를 3D 평면으로 재구성하고 한 번에 이동하여 보다 정확한 인터페이스 추적 가능.
체적 보존 성능이 개선되었으며, 흐름 방향에 따른 체적 손실 감소.
VOF 값이 0과 1 사이의 셀에서 유체 체적을 선형 근사하여 이동.
수치 시뮬레이션 및 검증
원형 액적(round droplet) 이동 테스트
2D 격자에서 유체 덩어리가 이동할 때 기존 방법과 새로운 방법의 차이를 분석.
기존 방법: 45° 방향 이동 시 체적 손실 발생, 인터페이스 왜곡 심함.
새로운 방법: 인터페이스 보존 성능 향상, 체적 손실 미미(0.0002%).
3D 유체 제트(jet) 흐름 시뮬레이션
원형 홀에서 방출된 유체 제트가 흐름을 따라 움직일 때 표면 거동 분석.
기존 방식: 무작위적인 표면 변형 및 작은 위성 액적 형성.
새로운 방법: 규칙적이고 대칭적인 표면 변형 유지.
주요 결과
기존 VOF 방식의 문제점 분석
45° 방향 이동 시 인터페이스 형태가 심하게 왜곡됨.
유체 체적 손실이 발생하며, 표면적이 증가하면서 물리적으로 부정확한 결과가 발생.
유체 이동이 좌표 방향과 정렬되지 않으면 체적 보존 성능이 저하됨.
새로운 방법의 성능 개선
모든 방향에서 체적 보존 성능이 향상되었으며, 3D 유체 흐름에서도 정확도가 증가.
표면 장력 모델과의 결합 시 기존 방법보다 더욱 안정적인 결과 도출.
CPU 연산 시간은 기존 방법 대비 ±3% 차이로, 추가적인 계산 부담 없이 성능 개선 가능.
결론 및 향후 연구
결론
새로운 라그랑지안 VOF 이류 기법(IFVOF=5)은 기존 방식 대비 더 나은 체적 보존 성능을 제공하며, 복잡한 유체 흐름에서도 보다 정확한 인터페이스 추적이 가능함.
좌표 방향 정렬 문제를 해결하여, 유체 인터페이스를 보다 안정적으로 유지 가능.
특히 고난류 환경에서의 유체 이동 예측 정확도가 개선됨.
향후 연구 방향
복잡한 난류 모델(RANS, LES)과의 결합을 통한 추가 검증 수행.
다양한 유체-구조 상호작용(FSI) 문제에 대한 적용 가능성 분석.
3D 격자 해상도 최적화를 통해 추가적인 연산 성능 개선 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D에서 보다 정확한 VOF 기반 유체 이동 모델을 구현하기 위해 라그랑지안 기반의 인터페이스 추적 기법을 도입하고, 기존 방식과의 성능 차이를 체계적으로 분석하였다. 새로운 기법은 보다 나은 체적 보존 성능과 인터페이스 유지 성능을 제공하며, 다양한 유체 흐름 문제에 적용될 수 있다.
Figure 7. Fluid interface shape after moving a round droplet against a square obstacle using the standard (left) and the Lagrangian method(right)
References
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이를 해결하기 위해 어도(fishway)가 설치되지만, 현재 어도 설계는 어류의 이동 특성과 유동 특성을 충분히 고려하지 못하고 있음.
기존 연구는 주로 수리 실험(laboratory experiment)에 의존했으나, 이는 시간·비용의 제약이 크므로 수치 해석(numerical simulation)을 통한 검토가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도(Baffled Fishway) 내 유동 특성을 수치적으로 해석.
수리 실험 결과와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 평가.
어도 내 유속 분포 및 난류 특성을 분석하여 최적의 설계 방안을 도출.
연구 방법
수리 실험(Laboratory Experiment)
길이 25m × 폭 0.8m × 높이 0.8m의 개수로(rectangular flume)에서 실험 수행.
0.45m × 0.007m × 0.4m 크기의 도류벽(baffles) 5개 배치.
유량 조건: 46 L/s
유속 측정 위치: 도류벽 중앙 및 하류 3개 지점
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 적용.
격자(cell) 크기 0.015m, 비균일(non-uniform) 격자 적용.
경계 조건:
유입부: 실험 유량(46 L/s) 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
주요 결과
유속 분포 분석
수리 실험과 FLOW-3D 결과 비교 시, 최대 오차율 13% 이내로 나타남.
도류벽과 도류벽 사이에서는 유속 변화가 크며, 도류벽 중앙부에서 난류 강도가 증가.
FLOW-3D 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 보이며, 신뢰성이 높음.
최대 유속 발생 지점 비교
최대 유속 발생 위치는 실험과 수치 모델에서 유사하게 나타남(오차율 6%).
도류벽 시작 지점에서 유속이 가장 높았으며, 도류벽 하류에서는 난류로 인해 유속이 감소.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 도류벽식 어도 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 확보 가능.
어도 내 유동 특성을 정확히 예측하여 최적 설계를 위한 기초 자료로 활용 가능.
도류벽 간격 및 형상을 조정하면 어류 이동을 돕는 유속을 형성할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 어도 형상(슬롯형, 계단식)과 비교 연구 수행.
어종별 이동 특성을 반영한 최적 유속 범위 검토.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도의 유동 특성을 분석한 연구로, 향후 어도 설계 및 최적화를 위한 수치 모델 활용 가능성을 제시하였다.
그림 1. 개수로 실험 장치 및 어도 설치 (b) 어도 설치 후
그림 4. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
References
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Figure 5 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 40s
연구 배경 및 목적
문제 정의
폐광석 저수지(tailings pond)는 광산 채굴 후 배출되는 폐기물을 저장하는 인공 저수지로, 붕괴 시 하류 지역에 심각한 환경적·경제적 피해를 초래할 수 있음.
폐광석 모르타르(tailings mortar)는 중금속(Pb, Cu, Mn 등)을 포함하며, 붕괴 시 고속 동적 에너지 모래 흐름(high-speed dynamic energy sand flow)으로 변환되어 하류 지역에 영향을 미침.
기존 연구는 폐광석 모르타르의 확산 범위 및 중금속 이동 경로 분석에 초점을 맞췄으며, 배출 속도 및 유동 특성에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 유동 특성을 수치적으로 분석.
폐광석 모르타르의 밀도, 점도, 하류 거칠기(roughness height)가 배출 속도 및 이동 거리에 미치는 영향을 연구.
기존 경험식과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체-고체 경계를 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
3D CAD 모델링을 통해 폐광석 저수지 및 하류 1000m × 400m × 30m 영역을 설정.
격자(cell) 수: 48,592개, 격자 크기: 3m.
경계 조건:
유입부: 폐광석 저수지에서 배출되는 유체 설정.
유출부: 하류 개방 경계 조건 적용.
바닥면: 다양한 거칠기(0.25m, 0.5m, 1.0m) 적용.
실험 데이터 및 경험식 비교
기존 Kang(1960), Fu(2007) 등의 경험식을 사용하여 FLOW-3D 결과 검증.
폐광석 모르타르의 밀도(1800, 2500, 3200 kg/m³), 점도(0.5, 5, 15 kg/m/s) 변화에 따른 배출 속도 비교.
주요 결과
배출 속도 변화
FLOW-3D 결과와 기존 경험식 비교 시 최대 오차율 3% 이내로 확인.
폐광석 모르타르의 배출 속도는 초기 급격히 증가한 후 점진적으로 감소하며 안정화됨.
밀도가 높을수록 초기 속도가 빠르지만, 일정 거리 이후 속도 차이 감소.
점도가 클수록 유동 저항 증가 → 유속 감소 및 이동 거리 단축.
거칠기(roughness height)가 클수록 배출 속도 감소 (450m에서 속도 감소율: 19.6~43.7%).
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 폐광석 모르타르 유동 해석이 기존 경험식과 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 검증됨.
밀도 및 점도 변화가 배출 속도에 영향을 미치며, 하류 지역의 거칠기 증가가 유동 속도를 효과적으로 저감할 수 있음.
폐광석 저수지 붕괴 시 피해 최소화를 위해 하류에 식생 및 수리 구조물 설치 필요.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 추가 난류 분석.
하류 지역의 실제 데이터와 비교 검증 수행.
다양한 저수지 형상 및 붕괴 시나리오 적용 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 배출 속도 및 유동 특성을 수치적으로 분석한 연구로, 향후 광산 안전 관리 및 재난 예방 시스템 구축에 기여할 수 있는 데이터를 제공하였다.
Figure 2 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 10s
Figure 3 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 20s
Figure 4 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 30s
Figure 5 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 40s
References
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FLOW-3D 기반 수치 해석을 통해 대체 설계(ALT 1, ALT 2)가 기존 암거 출구 대비 침식 및 세굴 저감 효과가 있음을 확인.
ALT 1 설계가 상대적으로 운동에너지 및 침식 감소 효과가 더 우수함.
FLOW-3D는 암거 출구 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 활용 가능함.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 활용한 추가 분석.
실제 현장 실험과의 비교 검증을 통한 모델 정밀도 향상.
다양한 유량 및 암거 형상에 대한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침식 방지용 소멸형 암거 출구 설계를 수치적으로 분석한 최초 연구 중 하나로, 환경 친화적인 암거 설계 및 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 1. Plan view of control and alternative dissipating culvert end designs (a) control culvert end plan view (b) alternative dissipating culvert end (ALT 1) plan view and (c) alternative dissipating culvert end (ALT 2) plan view
Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2
Fig. 4. Experimental and simulation results on culvert upstream water depth at different flow rates
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횡월류 위어(Side Weir)는 인공수로나 자연하천에서 홍수 조절, 취수 및 배수 등의 목적으로 사용되며, 유량 조절의 핵심 요소이다.
특히 만곡수로(Meandering Channel)에서는 곡률 반경이 유량계수(Discharge Coefficient, CmC_mCm)에 미치는 영향이 크며, 정확한 유량계수 산정이 필요하다.
기존 연구들은 주로 직선 수로에서 수행되었으며, 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수 연구는 부족한 실정이다.
연구 목적:
FLOW-3D 수치 모델을 이용하여 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수를 분석.
직선 수로와 만곡 수로에서의 유량계수를 비교하여 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 규명.
기존 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
모델링 및 실험 설정
FLOW-3D를 사용하여 만곡수로(180°) 및 직선 수로를 모델링.
유량계수 산정을 위해 곡률 반경(RcR_cRc)과 수로 폭(bbb)의 비율(Rc/bR_c/bRc/b)을 변화시키며 시뮬레이션 수행.
기존 연구(Agaccioglu, 1998)에서 수행된 수리 실험 데이터를 활용하여 모델 검증.
위어 높이(www), 위어 폭(LLL), 유입 유량(QQQ) 등의 변수 변경을 통해 유량계수 변화 분석.
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 모의.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 사용하여 횡월류 위어의 구조적 형상을 정확히 표현.
RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 사용하여 난류 유동 해석 수행.
격자(Grid) 설정 최적화:
기본 격자 크기: 2cm × 2cm × 2cm.
횡월류 위어 주변의 정밀 해석을 위해 0.5cm 크기의 세부 격자 적용.
주요 결과
곡률 반경 변화에 따른 유량계수 분석
Rc/bR_c/bRc/b 비율이 작아질수록(즉, 곡률 반경이 작아질수록) 횡월류 위어의 유량계수 감소.
Rc/bR_c/bRc/b가 1.25 이하가 되면 유량계수가 다시 증가하는 경향을 보임.
최대 유량계수는 Rc/b=0.5R_c/b = 0.5Rc/b=0.5에서 발생.
직선 수로 대비 만곡 수로에서 유량계수가 최대 20% 이상 감소할 수 있음.
유량 변화에 따른 유량계수 변화
유입 유량이 증가할수록 유량계수 또한 증가하는 경향을 보임.
곡률 반경이 작을수록 유량이 증가할 때 유량계수 변화 폭이 커짐.
Rc/b=2.5R_c/b = 2.5Rc/b=2.5일 때, 유량 증가에 따른 유량계수 변화가 가장 적음.
FLOW-3D 모델 검증 및 비교 분석
FLOW-3D 결과와 기존 실험 데이터(Agaccioglu, 1998) 비교 결과 높은 신뢰도(R² > 0.95) 확인.
프루드 수(FrFrFr) 증가에 따른 유량계수 변화 경향이 실험 결과와 유사.
기존 연구와 비교하여 3차원 유체 시뮬레이션이 만곡수로 내 유동 해석에 효과적임을 입증.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D는 횡월류 위어의 유량계수를 산정하는 데 신뢰성 높은 모델임을 입증.
곡률 반경(RcR_cRc)이 작아질수록 유량계수가 감소하지만, 특정 임계값(Rc/b=1.25R_c/b = 1.25Rc/b=1.25 이하) 이후에는 다시 증가.
직선 수로 대비 만곡 수로에서의 유량계수 차이를 보정하는 새로운 유량계수 산정 방법 제안 가능.
향후 연구 방향:
다양한 위어 형상(삼각형, 반원형 등)에 따른 유량계수 변화 연구.
만곡수로에서의 2차 흐름과 와류(Vortex)가 유량계수에 미치는 영향 분석.
실제 하천 및 저류지 적용을 위한 대규모 실험 검증 연구 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 횡월류 위어의 유량계수를 수치적으로 분석하고, 기존 실험 데이터와 비교하여 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 정량적으로 제시하며, 향후 수로 설계 및 홍수 관리 시스템 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
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Agaccioglu, H., Yalcin, Y. (1998). Side-Weir Flow in Curved Channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 124(3), 163-175.
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![Fig. 4 Scour hole profle from Melville and Raudkivi [16] and simulated results](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-452-png.webp)
