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” 논문을 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

  • Primary Keyword: 교량 세굴 감지
  • Secondary Keywords: 고유 진동수, 유한요소법(FEM), 유전 알고리즘, 교량 안전성, 구조 건전성 모니터링

Executive Summary

  • 과제: 교량 붕괴의 주요 원인인 세굴 깊이를 직접 측정하는 것은 특히 홍수 시에 어렵고 신뢰성이 떨어집니다.
  • 방법: 유한요소법(FEM)을 사용하여 세굴 깊이가 교량의 고유 진동수에 미치는 영향을 시뮬레이션하고, 유전 알고리즘(GA)을 통해 방대한 시뮬레이션 데이터로부터 예측 공식을 도출했습니다.
  • 핵심 돌파구: 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 명확하고 정량적인 관계를 확립했습니다. 특히 토양 강도는 영향이 미미하며, 특정 세굴 깊이(6~12m)를 넘어서면 진동수가 급격히 감소하여 중요한 경고 지표가 됨을 발견했습니다.
  • 결론: 교량의 고유 진동수를 모니터링하는 것은 위험한 세굴 깊이를 감지하는 신뢰할 수 있는 비접촉식 대리 지표로 활용될 수 있으며, 이를 통해 선제적인 유지보수 및 치명적인 붕괴 사고 예방이 가능합니다.

과제: 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한 이유

교량은 교통 시스템의 핵심 요소이지만, 그 안전은 끊임없이 위협받고 있습니다. 1960년부터 1990년까지 미국에서 발생한 1,000건 이상의 교량 붕괴 사고 중 60%가 ‘세굴(scour)’ 현상 때문이었습니다. 세굴은 교각 주변의 흙이 물의 흐름에 의해 침식되어 기초가 노출되는 현상으로, 교량의 기울어짐이나 붕괴로 이어질 수 있습니다.

문제는 이 위험한 세굴 깊이를 정확히 측정하기가 매우 어렵다는 점입니다. 특히 홍수와 같이 유속이 빠른 상황에서는 잠수부나 장비를 투입하여 직접 측정하는 것이 거의 불가능하며, 수중에 설치된 감지 장치 또한 홍수 후에 불안정해지는 경우가 많습니다. 따라서 교량의 안전을 확보하기 위해서는 원격으로, 그리고 신뢰성 있게 세굴의 위험도를 판단할 수 있는 새로운 방법론이 절실히 필요했습니다. 이 연구는 바로 이 지점에서 시작되었습니다.

접근법: 방법론 분석

본 연구는 교량의 ‘고유 진동수’가 세굴 깊이에 따라 변한다는 점에 착안하여, 이를 세굴 깊이 감지를 위한 대리 지표(proxy)로 활용하는 통합 모델을 개발했습니다.

연구팀은 먼저 유한요소법(Finite Element Method, FEM)을 사용하여 실제 교량(7경간 프리스트레스트 박스 거더교)의 정밀한 3D 모델을 구축했습니다. 이 모델을 통해 다양한 환경 조건을 시뮬레이션했습니다. – 세굴 깊이 변수: 0m부터 19m까지 총 10가지 다른 세굴 깊이를 설정했습니다. – 토양 조건 변수: 토양의 강도(영률)가 고유 진동수에 미치는 영향을 분석하기 위해 6가지 다른 토양 조건을 시뮬레이션했습니다.

이러한 FEM 시뮬레이션을 통해 세굴 깊이와 토양 조건에 따른 방대한 양의 고유 진동수 데이터를 생성했습니다. 하지만 이 데이터만으로는 세굴 깊이를 예측하는 보편적인 공식을 만들기가 어렵습니다.

여기서 두 번째 핵심 기술인 유전 알고리즘(Genetic Algorithms, GA)이 사용되었습니다. 유전 알고리즘은 수많은 데이터 속에서 최적의 해(이 경우, 예측 공식)를 찾아내는 탐색 알고리즘입니다. 연구팀은 GA를 적용하여 FEM 시뮬레이션으로 생성된 방대한 데이터에 가장 잘 맞는, 즉 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계를 정의하는 최적의 일반 공식을 도출했습니다.

돌파구: 주요 발견 및 데이터

발견 1: 토양 강도는 고유 진동수에 미미한 영향을 미친다

가장 중요한 발견 중 하나는 교각 주변 토양의 강도가 교량의 고유 진동수에 큰 영향을 미치지 않는다는 것입니다. 아래 Figure 10은 6가지 다른 토양 조건(Case 1~6)에 대한 정규화된 고유 진동수 변화를 보여줍니다.

그래프에서 볼 수 있듯이, 모든 케이스의 곡선이 거의 일치하며, 특히 세굴 깊이가 0m에서 6m 사이일 때는 그 차이가 거의 없습니다. 이는 현장에서 정확히 파악하기 어려운 토양 강도 변수를 고려하지 않고도 비교적 정확하게 고유 진동수를 통해 세굴 깊이를 예측할 수 있음을 의미하며, 이는 이 방법론의 실용성을 크게 높여줍니다.

발견 2: 특정 세굴 깊이에서 고유 진동수가 급격히 감소하는 ‘경고 구간’ 존재

Figure 9와 논문의 결론에 따르면, 세굴 깊이에 따른 고유 진동수 변화는 특정 임계점을 기준으로 뚜렷한 패턴을 보입니다. – 0m ~ 6m 구간: 세굴이 발생하더라도 고유 진동수의 변화는 미미합니다. – 6m ~ 10m 구간: 고유 진동수가 눈에 띄게 감소하기 시작합니다. 이 구간은 ‘경고 지수(warning index)’로 볼 수 있습니다. – 12m 이상 구간: 세굴 깊이가 12m에 도달하면 고유 진동수는 매우 급격하게 감소합니다. 이는 교량 기초의 지지력이 심각하게 손상되었음을 의미하는 위험 신호입니다.

이러한 발견은 단순히 진동수 변화를 측정하는 것을 넘어, 변화의 ‘정도’를 통해 세굴의 위험 단계를 구분할 수 있는 정량적 기준을 제공합니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

  • 교량 유지보수 및 구조 건전성 모니터링 엔지니어: 이 연구는 교량의 고유 진동수를 지속적으로 모니터링하는 것이 효과적인 세굴 조기 경보 시스템이 될 수 있음을 시사합니다. 기준치 대비 진동수가 점진적으로 감소하다가 급격한 하락이 감지되면, 세굴 깊이가 경고 구간(6m~12m)에 도달했음을 의미하므로 즉각적인 정밀 안전 점검이 필요합니다.
  • 안전 평가팀: 논문의 Figure 9와 Figure 10 데이터는 안전 임계치를 설정하는 정량적 근거를 제공합니다. 육안 검사나 수중 탐사에만 의존하는 대신, 고유 진동수 모니터링을 안전 프로토콜에 통합하여 세굴이 없는 상태 대비 정규화된 진동수가 특정 비율 이하로 떨어지는 교량을 위험 대상으로 자동 분류할 수 있습니다.
  • 설계 엔지니어: 이 연구 결과는 교량 기초가 노출될 경우 구조물의 동적 응답이 얼마나 민감하게 변하는지를 명확히 보여줍니다. 이는 잠재적인 세굴 시나리오와 그것이 전체 구조적 안정성에 미치는 영향을 고려한 견고한 기초 설계의 중요성을 다시 한번 강조합니다.

논문 상세 정보

APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION

1. 개요:

  • 제목: APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION
  • 저자: Hsun-Yi HUANG, Wen-Yen CHOU, Shen-Haw JU, and Chung-Wei FENG
  • 발행 연도: 정보 없음
  • 학술지/학회: 정보 없음
  • 키워드: Natural Frequency, Genetic Algorithm, Scouring around bridge piers

2. 초록:

본 연구에서는 유전 알고리즘과 시뮬레이션 기술을 결합한 통합 모델을 개발하여 교량 구조물의 고유 진동수를 이용해 교각 주변의 세굴 깊이를 추정한다. 교각 주변의 세굴은 교량의 기울어짐과 붕괴를 유발할 수 있으므로 교량 관리의 중요한 안전 문제이다. 그러나 교각 구조물 주변의 물 흐름 메커니즘은 복잡하여 세굴 깊이와 교량 안전성을 결정하는 일반적인 모델을 개발하기가 매우 어렵다. 많은 연구자들이 수심, 평균 유속, 모래 직경 등 다양한 요소를 고려하여 교량 모델을 시뮬레이션함으로써 교각 주변의 세굴 깊이를 추정하려고 시도했다. 그러나 대부분의 모델은 사전 정의된 조건이 필요하며 특정 유형의 교량에만 적용될 수 있다. 본 연구에서는 교량 환경을 잘 시뮬레이션하고 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 결과에 영향을 미치는 중요한 요소를 인식하기 위해 유한요소법을 사용했다. 유한요소법은 말뚝 기초 유형, 토양 강도, 세굴 깊이와 같은 다양한 조건을 메쉬로 시뮬레이션할 수 있다. 시뮬레이션은 방대한 양의 데이터를 생성하므로 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 관계를 분석하고 찾기가 어렵다. 이에 유전 알고리즘을 사용하여 세굴 깊이와 고유 진동수 사이의 관계를 정의하는 적합한 일반 공식을 찾는다. 본 논문에서는 다양한 교량 세굴 깊이 내에서 토양 강도와 고유 진동수를 비교하여 논의한다.

3. 서론:

교량은 교통 시스템의 중요한 구성 요소이므로 건강과 안전을 보장하는 것이 중요하다. Shirole과 Holt는 1960년부터 1990년까지 미국에서 1,000개 이상의 붕괴된 교량을 관찰한 결과, 이들 붕괴의 60%가 세굴 때문임을 확인했다[1]. 문헌 [2], [3]에서는 최근 미국에서의 교량 붕괴 사례를 조사하고, 세굴이 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나라는 결론을 얻었다. Dargahi는 상류 경계층의 3차원 분리와 실린더 후류의 주기적인 와류 방출과 결합된 세굴 메커니즘을 제시했다. [4] Melville 등은 “교량 세굴”이라는 책을 출판했다. 이 책은 교량 기초의 세굴에 대한 설명, 분석 및 설계를 다룬다. 중심 초점은 기존 및 새로운 설계 방법을 완전한 교량 세굴 설계 방법론으로 결합하는 것이다. 이 책은 기존 연구 결과와 설계 경험의 광범위한 요약을 기반으로 한다[5]. 환경적 요인으로 인해 교각 구조물 주변의 물 흐름 메커니즘을 파악하는 것은 여전히 어렵다. 따라서 Johnson은 위험 기반 설계 방법과 붕괴 확률을 사용하여 교량 교각 설계에 불확실성을 통합하는 방법을 논의했다[9]. Johnson 등은 시뮬레이션을 통해 다양한 지점에서 교량이 붕괴될 확률을 결정했다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

교량 붕괴의 약 60%는 교각 주변의 토사가 물에 의해 침식되는 세굴 현상으로 인해 발생한다. 세굴 깊이를 직접 측정하는 것은 특히 홍수 시에 어렵고 위험하여 교량의 안전 상태를 실시간으로 파악하기 힘들다. 따라서 원격으로, 비접촉 방식으로 세굴 위험을 감지할 수 있는 신뢰성 있는 기술이 필요하다.

이전 연구 현황:

많은 연구자들이 수심, 유속 등 다양한 변수를 고려하여 세굴 깊이를 시뮬레이션하려 했으나, 대부분의 모델은 특정 조건과 교량 유형에만 적용되는 한계가 있었다. 또한 위험 기반 설계나 확률적 접근법도 있었지만, 실시간 감지 방법으로는 부족했다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 교량의 고유 진동수 변화를 측정하여 교각 주변의 세굴 깊이를 간접적으로 추정하는 통합 모델을 개발하는 것이다. 이를 위해 유한요소법(FEM)으로 다양한 조건의 시뮬레이션 데이터를 생성하고, 유전 알고리즘(GA)을 이용해 이 데이터로부터 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계를 나타내는 보편적인 예측 공식을 도출하고자 한다.

핵심 연구:

핵심 연구 내용은 FEM을 사용하여 다양한 세굴 깊이와 토양 강도 조건에서 교량의 고유 진동수를 계산하고, 이 방대한 시뮬레이션 결과를 바탕으로 GA를 적용하여 고유 진동수로부터 세굴 깊이를 예측할 수 있는 최적의 수학적 공식을 찾는 것이다. 특히 토양 강도가 고유 진동수에 미치는 영향을 분석하여 모델의 실용성을 검증한다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

본 연구는 시뮬레이션 기반의 모델 개발 연구이다. 7경간 프리스트레스트 박스 거더교를 대상으로 3D 유한요소 모델을 생성했다. 다양한 세굴 깊이(0m ~ 19m, 10단계)와 토양 강도(6가지 케이스)를 변수로 설정하여 시뮬레이션을 수행했다. 생성된 데이터(세굴 깊이에 따른 고유 진동수)를 기반으로 유전 알고리즘을 적용하여 예측 공식을 도출하는 방식으로 설계되었다.

데이터 수집 및 분석 방법:

  • 데이터 생성: 유한요소 해석 프로그램(본문 미언급)을 사용하여 교량의 동적 문제에 대한 고유치 문제(eigenproblem)를 해결했다. 감쇠와 외력을 무시한 운동방정식 (Κ - ω²Μ)Φ = 0을 풀기 위해 부분공간 반복법(subspace iteration method)을 사용했다. 이를 통해 각 시뮬레이션 조건에 대한 교량의 고유 진동수(ω)를 계산했다.
Fig. 1 . 3D finite element mesh without the exposure of the foundation
Fig. 1 . 3D finite element mesh without the exposure of the foundation
  • 데이터 분석: 생성된 방대한 양의 (세굴 깊이, 고유 진동수) 데이터 쌍에 대해 유전 알고리즘(GA)을 적용했다. GA는 잠재적 해(예측 공식)를 염색체 문자열로 표현하고, 교차 및 돌연변이 연산을 통해 더 나은 해를 탐색한다. 각 해의 성능은 시뮬레이션된 실제 값과 공식의 예측 값 사이의 평균 제곱근 오차(RMSE)를 최소화하는 적합도 함수로 평가되었다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 교량의 고유 진동수를 이용한 세굴 깊이 감지에 초점을 맞춘다. 연구 범위는 특정 유형의 교량(프리스트레스트 박스 거더교) 모델에 대한 시뮬레이션으로 한정된다. 주요 연구 주제는 (1) 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계 규명, (2) 토양 강도가 이 관계에 미치는 영향 분석, (3) 유전 알고리즘을 이용한 예측 공식 개발 가능성 탐구이다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

  • 토양 강도는 교량의 고유 진동수에 큰 영향을 미치지 않는다. 특히 세굴 깊이가 0m에서 6m 사이일 때, 여러 토양 조건에 따른 고유 진동수 값의 차이는 거의 없었다.
  • 세굴 깊이가 증가함에 따라 교량의 고유 진동수는 감소한다. 이 감소 경향은 특정 깊이에서 뚜렷해진다.
  • 세굴 깊이가 6m에서 10m 사이가 되면 고유 진동수가 눈에 띄게 감소하기 시작하며, 12m에 도달하면 급격히 감소한다. 이는 6m~10m 구간이 세굴 위험을 감지하는 중요한 ‘경고 지수’가 될 수 있음을 시사한다.
  • 유한요소 시뮬레이션 결과는 현장 실험과 비교했을 때 x, y 방향에서 각각 2.64%~4.58%, 1.42%~4.99%의 오차를 보여 수용 가능한 정확도를 가짐이 검증되었다.
Fig. 9 The relationship between natural frequency and scour depth for each soil case
Fig. 9 The relationship between natural frequency and scour depth for each soil case

그림 목록:

  • Fig. 1 3D finite element mesh without the exposure of the foundation
  • Fig. 2 3D finite element mesh with the exposure of the foundation
  • Fig. 3 Mode 1 in eigen-analysis
  • Fig. 4 Flowchart of GA
  • Fig. 5 GA string
  • Fig. 6 Illustration of transform function selection
  • Fig. 7 The size of the bridge section (unit=m)
  • Fig. 8 The bridge mesh with 13m scour depth
  • Fig. 9 The relationship between natural frequency and scour depth for each soil case
  • Fig. 10 The relationship between normalized natural frequency and scour depth

7. 결론:

본 논문에서는 시뮬레이션 기술과 유전 알고리즘을 결합하여 고유 진동수를 이용해 교각 주변의 세굴 깊이를 추정하는 통합 모델을 소개했다. 접촉식 측정 방식의 어려움 때문에 교량의 고유 진동수는 세굴 깊이를 측정하고 교량 안전을 위한 참고 자료를 제공하는 대안적인 대리 지표가 될 수 있다. 유한요소 해석을 통해 다양한 교량 조건에서 다수의 고유 진동수 데이터를 생성하고, 유전 알고리즘을 적용하여 시뮬레이션 데이터 기반으로 교량 고유 진동수와 세굴 깊이 간의 근사 관계식을 찾고 공식을 도출했다. 이를 통해 현장 실험에서 고유 진동수를 이용하여 교량의 세굴 깊이를 쉽게 계산할 수 있다.

제시된 모델을 통해 다양한 토양 강도가 고유 진동수에 미치는 영향을 분석한 결과, 토양 강도는 교량의 고유 진동수에 큰 영향을 미치지 않으며, 어떤 경우든 세굴 깊이가 0m에서 6m까지는 고유 진동수 변화가 거의 없었다. 6m에서 10m 사이에서는 고유 진동수가 눈에 띄게 감소하며, 12m에 도달하면 급격히 감소한다. 결과적으로, 6m에서 10m의 세굴 깊이는 경고 지수가 될 수 있다. 이는 고유 진동수가 해당 범위 내에 있을 때 교량의 안전을 확보하기 위해 특별 점검이나 유지보수가 필요할 수 있다는 기본적인 시각을 제공한다.

향후 연구에서는 교량 형태, 토양 유형, 교각 형태 등 다양한 환경 조건을 이 모델에 적용할 것이다. 더 중요한 요인들을 찾아내고 교량 세굴 깊이 감지를 위한 유용한 공식을 도출할 것이다.

8. 참고 문헌:

  • [1] Shirole A.M., and Holt, R.C., 1991. “Planning for a Comprehensive Bridge Safety Assurance Program”, Transp. Res. Rec. No. 1290, Transportation Research Board, Washington D.C., 137-142
  • [2] Wardhana, K. and Hadipriono, F.C., 2003. “Analysis of Recent Bridge failures in the United States”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 17, No. 3, pp. 144-150.
  • [3] Biezma, M.V. and Schanack, F., 2007. “Collapse of Steel Bridges”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 21, pp.398-405.
  • [4] Dargahi, B., 1990. “Controlling Mechanism of Local Scouring”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.116, No.10, pp.1197-1214.
  • [5] Melville, B. W, Coleman, S. E., 2000. Bridge Scour, the University of Auckland, New Zealand.
  • [6] Melville, B.W., 1997. “Pier and Abutment Scour: Integrated Approach”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol.123, No. 2, pp. 125-136.
  • [7] Richardson, J.E. and Panchang, V.G., 1998. “Three-Dimensional Simulation of Scour-Inducing Flow at Bridge Piers”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 124, No. 5, pp. 530-540.
  • [8] Bolduc, L.C, Gardoni, P. and Briaud, J.L., 2008. “Probability of Exceedance Estimates for Scour Depth around Bridge Piers”, Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 134, No. 2, pp. 175-184.
  • [9] Johnson, P.A., 1992. “Reliability-Based Pier Scour Engineering”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 10, pp. 1344-1358.
  • [10] Johnson, P. A. and B. M. Ayyub, 1992. “Assessing Time-Variant Bridge Reliability Due to Pier Scour” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 118, No. 6, pp. 887-903.
  • [11] Lebeau, K.H. and Wadia-Fascetti, S.J., 2007. “Fault Tree Analysis of Constructed Facilities”, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 21, No. 4, pp.320-326.
  • [12] Holland, J. H., 1975. “Adaptation in natural and artificial systems”, University of Michigan Press, Ann Arbor, Mich.
  • [13] Goldberg, D. E., 1989, “Genetic algorithms in search”, Optimization and Machine Learning, Addison-Wesley, Reading, Mass.

전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 왜 다른 시뮬레이션 기법 대신 유한요소법(FEM)을 선택했나요?

A1: 논문에 따르면, FEM은 말뚝 기초 유형, 토양 강도, 다양한 세굴 깊이와 같은 복잡한 조건을 정밀하게 모델링하는 데 적합하기 때문입니다. 대부분의 일반 모델은 사전 정의된 조건이 필요하고 특정 교량에만 적용할 수 있는 한계가 있지만, FEM은 다양한 환경 변수를 고려하여 실제 교량 환경을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있어 이 연구에 채택되었습니다.

Q2: FEM 시뮬레이션 데이터가 이미 있는데 유전 알고리즘(GA)을 사용한 이유는 무엇인가요?

A2: FEM 시뮬레이션은 방대한 양의 데이터를 생성했습니다. 이 수많은 데이터 포인트들 사이의 복잡한 관계를 수동으로 분석하여 세굴 깊이와 고유 진동수 간의 관계를 정의하는 보편적인 공식을 찾는 것은 매우 어렵습니다. 유전 알고리즘은 이 방대한 데이터 공간을 효율적으로 탐색하여 시뮬레이션 결과와 실제 값의 오차(RMSE)를 최소화하는 최적의 ‘맞춤형 일반 공식’을 자동으로 찾아내는 역할을 수행했습니다.

Q3: Figure 10에서 토양 강도가 거의 영향을 미치지 않는다는 결과가 왜 중요한가요?

A3: 이 발견은 감지 모델을 크게 단순화시켜 실용성을 높여주기 때문입니다. 현장에서 교각 아래의 토양 강도를 정확하게 측정하는 것은 매우 어렵습니다. 토양 강도에 따라 고유 진동수가 크게 변한다면, 이 방법은 실용성이 떨어질 것입니다. 하지만 이 연구는 토양 강도라는 불확실한 변수 없이도 고유 진동수만으로 세굴 깊이를 신뢰성 있게 추정할 수 있음을 보여주어, 실제 현장 적용 가능성을 크게 높였습니다.

Q4: 6m에서 12m 사이의 세굴 깊이가 ‘경고 지수’라는 것의 실질적인 의미는 무엇인가요?

A4: 이는 안전 관리의 중요한 임계점을 의미합니다. 6m 미만의 세굴에서는 고유 진동수 변화가 작아 감지가 어려울 수 있지만, 6m를 넘어서면서 진동수가 눈에 띄게, 그리고 12m에 가까워질수록 급격히 감소합니다. 이는 교량 기초의 지지력이 심각하게 약화되고 있으며 붕괴 위험이 빠르게 증가하고 있다는 명확한 신호입니다. 따라서 이 구간에 해당하는 진동수 변화가 감지되면 즉각적인 정밀 점검 및 보강 조치가 필요함을 의미합니다.

Q5: 시뮬레이션 결과는 어떻게 검증되었나요?

A5: 논문에 따르면, 시뮬레이션 결과는 현장 실험을 통해 검증되었습니다. “x 방향과 y 방향의 오차는 각각 약 2.64%~4.58%와 1.42%~4.99%였습니다. 유한요소 해석 결과는 수용 가능한 정확도 내에 있습니다”라고 명시되어 있어, 개발된 모델이 실제 교량의 거동을 신뢰성 있게 예측함을 확인했습니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

교량 붕괴의 주범인 세굴을 감지하는 것은 기존의 방식으로 많은 어려움이 있었습니다. 본 연구는 유한요소법과 유전 알고리즘을 결합하여 교량의 고유 진동수 변화만으로 위험한 교량 세굴 감지가 가능함을 입증한 중요한 돌파구를 제시했습니다. 특히 토양 강도와 무관하게 특정 세굴 깊이에서 진동수가 급격히 감소하는 ‘경고 구간’을 발견함으로써, 교량 안전 관리를 위한 실용적이고 정량적인 기준을 마련했습니다.

STI C&D는 최신 산업 연구를 적용하여 고객이 더 높은 생산성과 품질을 달성할 수 있도록 최선을 다하고 있습니다. 이 논문에서 논의된 과제가 귀사의 운영 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 구성 요소에 어떻게 구현할 수 있는지 알아보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

  • 연락처 : 02-2026-0450
  • 이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

저작권 정보

  • 이 콘텐츠는 Hsun-Yi HUANG 외 저자의 논문 “APPLICATION OF FINITE ELEMENT METHOD AND GENETIC ALGORITHMS IN BRIDGE SCOUR DETECTION”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.

이 자료는 정보 제공 목적으로만 사용됩니다. 무단 상업적 사용을 금지합니다. Copyright © 2025 STI C&D. All rights reserved.

PDF View

Broken Pipe

[Webinar] FLOW-3D HYDRO를 활용한 생산수 산업을 위한 고급 유동 모델링 솔루션

생산수 산업은 보이지 않는 곳에서 우리 생활에 필수적인 물 관리를 담당하며, 동시에 거대한 도전에 직면해 있습니다. 유전 및 가스정에서 나오는 생산수는 단순한 물이 아니라, 원유, 가스, 각종 침전물이 혼합된 복합 유체입니다. 이러한 생산수를 처리하고 재활용하는 과정은 날로 엄격해지는 환경 규제와 재사용 수요 증가로 인해 더욱 중요해지고 있습니다. 하지만 현장의 시스템은 종종 기대에 못 미치는 성능을 보이고, 비효율적인 설계는 높은 유지보수 비용으로 이어지기도 합니다.

1. 생산수 산업, 보이지 않는 곳의 거대한 도전

생산수 산업은 환경 보호와 자원 효율성이라는 두 마리 토끼를 잡아야 하는 중대한 시점에 있습니다. 생산수 재사용에 대한 요구가 그 어느 때보다 높아지고 있으며, 이와 동시에 엄격해지는 규제는 재활용량을 늘리고 기술을 개선해야 할 필요성을 증대시키고 있습니다.

이러한 배경 속에서 산업이 겪는 주요 어려움은 다음과 같습니다.

  • 성능 미달 시스템: 화학 물질 사용량이 계산을 훨씬 초과하거나, 기대만큼의 처리 효율을 내지 못하는 경우가 많습니다.
  • 비효율적인 설계: 폭기조의 용존 산소 증가율이 예상보다 낮아 전반적인 처리 효율을 저하시킵니다.
  • 높은 유지보수 비용: 오래된 매니폴드 설계는 유동 불균형을 야기하여 지속적인 모니터링과 수작업을 필요로 합니다.
  • 이론과 현실의 괴리: 실험실에서 성공한 결과가 실제 현장에서는 재현되지 않아 최적화에 어려움을 겪습니다.

2. 문제 해결의 열쇠: 전산 유체 역학(CFD)이란?

이러한 복잡한 문제들을 해결하기 위한 핵심 도구로 전산 유체 역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)이 주목받고 있습니다. CFD는 유체의 흐름, 열 전달, 화학 반응 등 유동 관련 현상을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 예측하고 분석하는 기술입니다. 3D CAD 모델을 기반으로 유동 환경을 설정하고, 실제와 유사한 방식으로 물의 흐름을 계산하여 눈에 보이지 않는 유체의 거동을 시각화합니다.

  • CFD(Computational Fluid Dynamics)란?
    • 컴퓨터를 이용해 물이나 공기 같은 유체의 움직임을 예측하고 분석하는 기술입니다. 예를 들어, 비행기가 날아갈 때 날개 주변의 공기 흐름을 시뮬레이션하거나, 파이프 안의 물이 어떻게 흐르는지 예측하는 데 사용됩니다.

그리고 이러한 CFD 기술의 선두에 서 있는 것이 바로 FLOW-3D HYDRO입니다. FLOW-3D HYDRO는 Flow Science에서 개발한 CFD 소프트웨어로, 1980년대 설립 이래 수자원 애플리케이션을 비롯한 다양한 산업 분야에 맞춤형 CFD 솔루션을 제공해왔습니다.

2. 문제 해결의 열쇠: 전산 유체 역학(CFD)이란?

이러한 복잡한 문제들을 해결하기 위한 핵심 도구로 전산 유체 역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)이 주목받고 있습니다. CFD는 유체의 흐름, 열 전달, 화학 반응 등 유동 관련 현상을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 예측하고 분석하는 기술입니다. 3D CAD 모델을 기반으로 유동 환경을 설정하고, 실제와 유사한 방식으로 물의 흐름을 계산하여 눈에 보이지 않는 유체의 거동을 시각화합니다.

  • CFD(Computational Fluid Dynamics)란?
    • 컴퓨터를 이용해 물이나 공기 같은 유체의 움직임을 예측하고 분석하는 기술입니다. 예를 들어, 비행기가 날아갈 때 날개 주변의 공기 흐름을 시뮬레이션하거나, 파이프 안의 물이 어떻게 흐르는지 예측하는 데 사용됩니다.

그리고 이러한 CFD 기술의 선두에 서 있는 것이 바로 FLOW-3D HYDRO입니다. FLOW-3D HYDRO는 Flow Science에서 개발한 CFD 소프트웨어로, 1980년대 설립 이래 수자원 애플리케이션을 비롯한 다양한 산업 분야에 맞춤형 CFD 솔루션을 제공해왔습니다.3. FLOW-3D HYDRO, 생산수 산업의 ‘가상 실험실’

FLOW-3D HYDRO는 생산수 산업의 복잡한 유동 문제를 해결하는 데 있어 강력한 ‘가상 실험실’ 역할을 수행합니다. 이 기술이 생산수 산업에 필수적인 이유는 다음과 같은 핵심 강점들 때문입니다.

  • 3D 과도 솔루션 제공: 유동의 진행 상황, 농도 및 분포를 3D로 시각화하고 정량적인 데이터를 추출할 수 있습니다.
    • 과도 솔루션(Transient Solution)이란?
    • 시간이 지남에 따라 변화하는 현상을 분석하는 것을 의미합니다. 예를 들어, 물이 파이프를 통해 흐르기 시작할 때부터 안정적인 흐름이 될 때까지의 모든 변화 과정을 시뮬레이션하는 것입니다.
  • 실제 조건 재현: ‘디지털 트윈’의 궁극적인 형태로, 현장 조건을 매우 유사하게 재현하여 추측에 기반한 의사결정을 줄여줍니다.
    • 디지털 트윈(Digital Twin)이란?
    • 실제 물리적인 시스템이나 장치를 컴퓨터 속에 똑같이 만들어 놓은 가상 모델입니다. 이 가상 모델을 통해 실제 시스템의 성능을 예측하고 문제를 해결할 수 있습니다.
  • 이동 객체 모델링 능력: 체크 밸브나 해상 플랫폼 앵커 라인 장력 시뮬레이션 등 복잡한 시나리오를 모델링할 수 있습니다.
  • 다상 유동 모델링: 물뿐만 아니라 가스, 고체, 오일 등 다양한 구성 요소가 혼합된 유동을 정확하게 모델링할 수 있습니다.
    • 다상 유동(Multi-phase Flow)이란?
    • 물, 기름, 가스처럼 서로 섞이지 않는 여러 물질이 함께 흐르는 현상을 말합니다. 생산수처럼 물, 기름, 고체 등이 섞여 있는 경우를 시뮬레이션할 때 중요합니다.
  • 고급 물리 및 화학 모델: 폭기, 비뉴턴 유체(오일 슬러지), 소독 화학, 캐비테이션, 상 변화 등 생산수 처리 과정에서 발생하는 다양한 물리화학적 현상을 시뮬레이션합니다.
    • 폭기(Aeration)란?
    • 물에 공기를 불어넣어 산소를 공급하는 과정입니다. 수처리 과정에서 미생물이 유기물을 분해하는 데 필요한 산소를 공급하거나, 유해 가스를 제거하는 데 사용됩니다.
    • 비뉴턴 유체(Non-Newtonian Fluid)란?
    • 일반적인 물과 달리, 힘을 가했을 때 점성(끈적임)이 변하는 유체입니다. 예를 들어, 케첩이나 치약처럼 힘을 주면 흐르지만 가만히 두면 잘 흐르지 않는 물질들이 이에 해당합니다. 오일 슬러지(기름 찌꺼기)도 비뉴턴 유체에 속합니다.
    • 캐비테이션(Cavitation)이란?
    • 액체 속에서 압력이 낮아져 기포가 생기고, 이 기포가 터지면서 주변에 충격을 주는 현상입니다. 펌프나 프로펠러 등에서 발생하여 장비 손상을 일으킬 수 있습니다.
  • 탁월한 모델링 정확도: 학술 및 산업 분야에서 검증된 실적을 바탕으로 실험 데이터와 모델 결과의 높은 일치율을 자랑합니다.
  • 최적화를 위한 가상 실험실: 현장에서 불가능에 가까운 수많은 매개변수 연구와 최적화 시나리오를 가상으로 테스트할 수 있습니다.

4. 실제 성공 사례: CFD가 바꾼 생산수 공학

FLOW-3D HYDRO를 활용한 실제 사례들을 통해 CFD가 생산수 산업의 난제를 어떻게 해결하고 효율성을 극대화하는지 살펴보겠습니다.

탱크 혼합 최적화

지상 저장 탱크(AST)의 불량한 혼합 문제는 재순환 영역을 형성하고 탱크 내부에 화학 물질이 제대로 혼합되지 않는 ‘사각지대’를 만듭니다. FLOW-3D HYDRO는 이러한 문제를 해결하기 위해 파이프 재구성(180도 맞대기 흐름)과 탁도 차단막(Turbidity Curtain) 설치를 시뮬레이션했습니다.

  • 탁도 차단막(Turbidity Curtain)이란?
    • 물속의 흙탕물이나 부유 물질이 퍼지는 것을 막기 위해 설치하는 장벽입니다. 물의 흐름을 조절하여 혼합 효율을 높이는 데 사용될 수 있습니다.

CFD 시뮬레이션 결과, 탁도 차단막 설계가 가장 우수한 혼합을 보여주었으며, 이는 세균 감소율을 82%에서 92%로 향상시켰습니다. 더 나아가, 하루 평균 1톤의 과산화수소를 사용하는 현장에서 10%의 화학 물질 절약을 통해 연간 약 9만 달러를 절약할 수 있음을 증명했습니다. 10개 현장을 운영할 경우 연간 100만 달러 이상을 절약할 수 있는 엄청난 파급 효과를 보여줍니다.

폭기조 레이아웃 개선

폭기조의 목표는 용존 산소(DO)를 가장 효과적으로 증가시켜 처리 효율을 높이는 것입니다. FLOW-3D HYDRO는 두 가지 폭기조 설계 계획을 비교했습니다.

  • 계획 1: 원수 입구에 더 많은 폭기기를 배치하여 배관 비용을 절감.
  • 계획 2: 폭기기를 더 고르게 분산.

CFD 시뮬레이션 결과, 두 계획 모두 효과적이었지만, 계획 2가 용존 산소의 분포 계수가 더 좋아 DO 분포가 더 균일함을 보였습니다. 출구 DO 농도 또한 계획 1(3.5 PPM)보다 약 8% 높은 3.8 PPM을 기록하여 다음 단계에서 추가적인 화학 물질 비용 절감 가능성을 제시했습니다.

매니폴드 고장 원인 분석

펌프 스테이션에서 방출 라인 중 하나가 파손되고 압력 게이지가 파열되는 심각한 사고가 발생한 사례입니다. FLOW-3D HYDRO는 밀폐형 파이프 2상 유동 모델을 검증하고, 정상 조건 및 사고 상황을 재현했습니다.

시뮬레이션 결과, 펌프 중 하나를 셧다운했을 때 “거대한 역류 서지”와 “슬러그 유동”이 발생하여 매니폴드 플랜지를 파손시킨 “워터 해머 효과”가 근본 원인임을 밝혀냈습니다. 해결책으로 시스템에 양방향 압력 평형 밸브를 설치하는 시뮬레이션을 진행했으며, 이 밸브가 역류 압력과 슬러그 유동의 형성을 완전히 제거하여 구성 요소의 손상을 방지함을 확인했습니다.

  • 워터 해머 효과(Water Hammer Effect)란?
    • 파이프 내에서 흐르던 물의 흐름이 갑자기 멈추거나 방향이 바뀔 때, 물의 운동 에너지가 압력 에너지로 변환되면서 발생하는 급격한 압력 상승 현상입니다. 망치로 파이프를 때리는 듯한 소리가 나기도 하여 ‘워터 해머’라고 불립니다. 이는 파이프나 밸브에 심각한 손상을 줄 수 있습니다.

5. FLOW-3D HYDRO, 시작하기 어렵지 않습니다

FLOW-3D HYDRO의 강력한 기능에도 불구하고, 이 소프트웨어를 시작하는 것이 어렵지 않을까 걱정할 필요는 없습니다. FLOW-3D HYDRO는 사용자 친화적인 워크플로와 합리적인 컴퓨팅 요구 사항을 통해 엔지니어들이 쉽게 접근하고 활용할 수 있도록 설계되었습니다.

  • 직관적인 워크플로: “흐름을 따르라”는 원칙에 따라 CAD 지오메트리 설정, 메쉬 할당, 유동 조건 정의, 시뮬레이션 실행 및 결과 시각화의 단계를 따릅니다.
    • CAD 지오메트리(CAD Geometry)란?
    • 컴퓨터 지원 설계(CAD) 소프트웨어로 만들어진 3D 모델의 형상 정보를 말합니다. 시뮬레이션을 위해 실제 장비나 구조물의 모양을 디지털로 표현한 것입니다.
    • 메쉬 할당(Mesh Assignment)이란?
    • 시뮬레이션을 위해 복잡한 3D 모델을 작은 격자(메쉬)로 나누는 과정입니다. 이 격자 안에서 유체의 움직임이나 물리적 현상을 계산하게 됩니다.
  • 쉬운 설정: 내장된 템플릿과 모듈 덕분에 간단한 문제는 몇 시간 내에 설정이 가능하며, 계산 시간은 하드웨어 성능에 따라 단 몇 분에서 몇 시간까지 소요될 수 있습니다.
  • 컴퓨팅 요구 사항: 대부분의 생산수 시뮬레이션은 12~40코어 및 64GB 메모리로 충분히 실행할 수 있습니다. 더 복잡한 모델의 경우 고성능 컴퓨팅(HPC) 또는 FLOW-3D 클라우드 서비스도 옵션으로 제공됩니다.
    • 고성능 컴퓨팅(HPC, High-Performance Computing)이란?
    • 매우 복잡하고 대규모의 계산 문제를 해결하기 위해 여러 대의 컴퓨터를 연결하여 사용하는 기술입니다. 일반 컴퓨터로는 처리하기 어려운 방대한 데이터를 빠르게 분석할 수 있습니다.

6. 결론: 생산수 산업의 미래를 여는 FLOW-3D HYDRO

CFD, 특히 FLOW-3D HYDRO는 생산수 공학 및 전체 오일 및 가스 산업에 “누락된 중요한 부분을 제공”하는 혁신적인 도구입니다. 이는 유체 역학이나 컴퓨터 과학에 대한 깊은 전문 지식 없이도 사용할 수 있도록 진입 장벽을 낮춘 차세대 엔지니어링 도구입니다.

FLOW-3D HYDRO는 광범위한 내장 모델 컬렉션을 통해 대부분의 생산수 응용 분야를 포괄하며, Flow Science의 물 전문가 팀은 언제든지 사용자 성공을 위한 지원을 제공할 준비가 되어 있습니다. 생산수 산업의 효율성을 개선하고 비용을 절감하며, 지속 가능한 물 관리를 실현하는 데 FLOW-3D HYDRO가 핵심적인 역할을 할 것입니다.

Webinar Summary

FSI에서 제공하는 웨비나 요약 페이지에 오신 것을 환영합니다!

Hydro

이곳에서는 첨단 전산 유체 역학(CFD) 모델링 솔루션, FLOW-3D 웨비나의 핵심 내용을 한눈에 확인하실 수 있습니다. 3D CFD의 기본 개념부터 FLOW-3D 소프트웨어의 강력한 기능, 그리고 다양한 실제 적용 사례까지, 웨비나에서 다뤄진 주요 주제와 아이디어를 간결하게 요약했습니다.

주요 내용:

  • 3D CFD 소개: 왜 3D CFD가 기존 모델링 방식을 넘어설 수 있는지, 그리고 어떤 상황에서 3D 모델링이 필수적인지에 대한 심층적인 이해를 제공합니다.
  • FLOW-3D 개요: Flow Science의 45년 이상 CFD 개발 노하우가 집약된 FLOW-3D의 특징과 다양한 산업 분야에서의 적용 가능성을 소개합니다.
  • 사용자 사례 연구: 복잡한 엔지니어링 문제 해결부터 설계 최적화에 이르기까지, 실제 프로젝트에서 FLOW-3D가 어떻게 성공적으로 활용되었는지 구체적인 사례를 통해 보여줍니다.
  • 핵심 시사점 및 미래 전망: 3D 모델링의 이점과 FLOW-3D의 강점, 그리고 클라우드 컴퓨팅 및 자동화 기술이 전산 유체 역학 분야에 가져올 미래 변화를 조망합니다.

저희 웨비나 요약 페이지를 통해 FLOW-3D가 복잡한 유체 역학 문제 해결에 어떻게 기여하는지 확인하시고, 귀사의 프로젝트에 대한 통찰력을 얻으시길 바랍니다.

FLOW-3D HYDRO
FLOW-3DSTLWebinar Summary스칼라유체파도

FLOW-3D HYDRO를 활용한 CFD 모델링 신뢰도 구축

이 브리핑 문서는 FLOW-3D HYDRO 소프트웨어를 사용한 전산 유체 역학(CFD) 모델링에 대한 신뢰를 구축하는 방법에 중점을 둡니다. 주요 테마는 다음과 ...
Read More
V8 ENGINE
FLOW-3DWebinar Summary가스마커유체주조

[Webinar]V8 엔진 블록 사형 주조

이 브리핑 문서는 v8 엔진 블록 사형 주조 시뮬레이션을 통해 주조 공정의 결함을 체계적으로 분석하고 해결하는 과정을 상세히 다룹니다. 복잡한 ...
Read More
SDAS in FLOW-3D CAST
FLOW-3DWebinar Summary열전달유체주조중력

[Webinar] Flow-3D CAST: 화학 기반 응고 모델

1. 금속 주조의 미래를 열다 – FLOW-3D CAST의 혁신 금속 주조 산업은 끊임없이 진화하며, 더욱 복잡하고 정밀한 부품에 대한 요구가 ...
Read More
Fishway
FLOW-3DSTLWebinar Summary어도유체지형

[Webinar] FLOW-3D HYDRO: 수자원 인프라를 위한 고급 수리 모델링 솔루션

이 문서는 FLOW-3D HYDRO 소프트웨어를 활용한 3d cfd 모델링의 주요 내용과 적용 사례를 소개합니다. CFD는 유체 흐름을 정확하게 시뮬레이션하여 수자원 ...
Read More
Free Webinar For FLOW-3D POST

FLOW-3D POST Webinar

FLOW-3D POST Webinar
FLOW-3D POST Webinar

▶️ 웨비나 주제

“FLOW‑3D POST 2025 최신 기능 소개 & 실전 활용 팁”

🗓 일정 및 등록

  • 일시: 2025년 7월 9일(화) 오후 3:00 ~ 3:30 (KST)
  • 형식: 온라인 웨비나 (실시간 세션 + Q&A)
  • 참가비: 무료 등록
웨비나 등록 링크

🎯 웨비나 주요 내용

  • 새로운 시각화 엔진 & 고속 MP4 출력
    • 최신 ParaView 엔진 탑재, MP4 파일 내보내기 기능 지원
  • 고품질 렌더링: 레이 트레이싱 & 볼륨 렌더링
    • 시각적으로 뛰어난 이미지/영상 제작 가능
  • Surface LIC & 애니메이션 스트림라인
    • 흐름 해석과 가시화, 유체 구조 분석에 최적
  • 자동 단위 표시 & 시간 분석차트
    • 데이터 해석의 정확성 및 보고 효율 향상
  • Python 자동화: 배치 처리 & 스크립트 활용
    • 반복 작업을 스크립팅으로 처리 → 생산성 향상

✅ 누구에게 추천하나요?

  • CFD 시뮬레이션 후결과의 시각화 품질을 향상하고 싶은 엔지니어
  • 전문적인 보고서나 발표 자료를 제작하는 연구자 및 마케팅 담당자
  • 자동화 스크립트를 이용해 대용량 후처리 작업을 효율화하고 싶은 분
  • FLOW‑3D POST를 처음 접하거나 최신 기능을 빠르게 배우고자 하는 분

📌 웨비나 등록 절차

  1. 이름, 소속, 이메일 등 기본 정보 입력
  2. 등록 완료 메일 수신 (웨비나 참여용 접속 링크 포함)
  3. 당일 접속 후 라이브 세션 및 질의응답 참여 가능

파도 / Waves

파도 / Waves

FLOW-3D 는 비정형 파뿐만 아니라 일반 선형 및 비선형파 표면을 시뮬레이션 할 수 있는 기능이 있습니다. 선형파는 작은 진폭 및 급경사를 갖는 사인파 표면 프로파일을 가지며, 비선형파는 선형 파보다 더 큰 진폭 (유한 진폭), 더 뾰족한 볏 및 평탄한 골짜기를 갖는다. 비선형 파는 파동 문자와 그 해를 구하기 위해 사용 된 수학적 방법에 따라 스톡 (stookes), 코니이드 (cnoidal) 파 및 단일 파로 분류 될 수 있습니다.

그림 1. 다른 진행파의 프로파일 비교
도 1 및도 2에 도시 된 바와 같이, 스톡스 파는 심층 및 과도수의 주기적인 파이다. Cnoidal 파는 천수(shallow water)와 중간 물에서 긴주기적인 파이고 Stokes 파보다 더 뾰족한 마루과 평평한 골짜기를 가지고 있습니다. 스톡스와 코니 형 파와 달리 단일 파는 천수(shallow water)와 과도 수에서 존재하는 비 주기적 파이다. 그것은 하나의 마루와 골짜기를 가지며 완전히 방해받지 않은 수면 위입니다. 수학적으로 파장이 무한대가 될 때 그것은 코니 형 파의 제한적인 경우입니다. 심층수, 과도 수 및 파도에 대한 천수(shallow water)의 분류는 표 1에서 찾아 볼 수있다.

그림 2. 다양한 파도의 적용 범위 (Le Méhauté, 1976, Sorensen, 2005 및 USACE, 2008). d : 평균 수심; H : 파고; T : 파주기; g : 중력 가속도

선형 파 이론 (Airy, 1845)이 많은 응용 분야에서 사용되었지만 비선형 파 이론은 파동의 진폭이 작지 않은 경우 선형 파 이론보다 정확도가 크게 향상되었습니다. FLOW-3D 에서 3 개의 비선형 파 이론이 5 차 스톡스 파 이론 (Fenton, 1985), 스톡스 및 코니이드 파에 대한 푸리에 급수 방법 (Fenton, 1999), McCowan의 독방 파 이론 (McCowan, 1891, Munk, 1949). 그 중에서 Fenton의 Fourier 시리즈 방법은 선형 물, 스톡 (Stokes) 및 코니형 (cnoidal) 파를 포함하여 심층수, 과도 수 및 천수(shallow water)에서 모든 종류의 주기적 전파 파들에 유효합니다. 또한 다른 웨이브 이론보다 정확도가 높습니다 (USACE, 2008). 따라서 모든 수심에서 선형 및 비선형 주기파의 모든 유형을 생성하는 것이 권장되는 방법입니다. solitary wave의 경우, FLOW-3D 에 사용 된 McCowan의 이론은 Boussinesq (1871)에 의해 개발 된 다른 널리 사용되는 이론보다 더 높은 주문 정확도를 갖는다.

그림 3. PM과 JOHNSWAP 스펙트럼 (USCE, 2006에서 적응)

Classificationsd /\lambda
Deep water1/2 to ∞
Transitional water1/20 to 1/2
Shallow water0 to 1/20

불규칙파는 파도의 물성이 일정하지 않은 자연적인 바다의 상태를 나타냅니다. FLOW-3D에서 불규칙한 파동은 다양한 진폭과 주파수 및 임의의 위상 변이를 갖는 많은 선형 성분 파의 중첩으로 표현됩니다. Pierson-Moskowitz (Pierson and Moskowitz, 1964)와 JONSWAP 파력 에너지 스펙트럼 (Hasselmann, et al., 1973)은 FLOW-3D에서 구성 요소 파를 생성하기 위해 구현된다. 다른 웨이브 에너지 스펙트럼은 사용자 정의 데이터 파일을 가져와서 사용할 수 있습니다.

계산 시간을 절약하기 위해 웨이브는 메시 블록 경계에서뿐만 아니라 초기 조건으로 정의 될 수 있습니다.

아래의 애니메이션은 웨이브 초기화가 있거나없는 웨이브의 모든 유형에 대한 예제를 보여줍니다.
선형 및 비선형 수위 시뮬레이션을 위해 FLOW-3D 의 성공적인 적용이 이루어졌습니다. Bhinder 외의 예를 참조하십시오. al (2009), Chen (2012), Hsu et. al (2012) Thanyamanta et. al (2011) 및 Yilmaz et. 자세한 내용은 알 (2011)을 참조하십시오.






References

Airy, G. B., 1845, Tides and Waves, Encyc. Metrop. Article 102.

Bhinder, M. A., Mingham, C. G., Causon, D. M., Rahmati, M. T., Aggidis, G. A. and Chaplin, R.V., 2009, A Joint Numerical And Experimental Study Of a Surging Point Absorbing Wave Energy Converter (WRASPA), Proceedings of the ASME 28th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2009-79392, Honolulu, Hawaii.

Boussinesq, J., 1871, Theorie de L’intumescence Liquide Appelee Onde Solitaire ou de Translation se Propageant dans un Canal Rectangulaire, Comptes Rendus Acad. Sci. Paris, Vol 72, pp. 755-759.

Chen, C. H., 2012, Study on the Application of FLOW-3D for Wave Energy Dissipation by a Porous Structure, Master’s Thesis: Department of Marine Environment and Engineering, National Sun Yat-sen University.

Fenton, J. D., 1985, A Fifth-Order Stokes Theory for Steady Waves, Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, Vol. 111, No. 2.

Fenton, J. D., 1999, Numerical Methods for Nonlinear Waves, Advances in Coastal and Ocean Engineering, Vol. 5, ed. P.L.-F. Liu, pp. 241-324, World Scientific: Singapore, 1999.

Hasselmann, K., Barnet, T. P., Bouws, E., Carlson, H., Cartwright, D. E., Enke, K., Ewing, J. A., Gienapp, H., Hasselmann, D. E., Kruseman, P., Meerburg, A., Muller, P., Olbers, D. J., Richter, K., Sell, W., and Walden, H., 1973, Measurement of Wind-Wave Growth and Swell Decay During the Joint North Sea Wave Project (JONSWAP), German Hydrographic Institute, Amburg.

Hsu, T. W., Lai, J. W. and Lan, Y., J., 2012, Experimental and Numerical Studies on Wave Propagation over Coarse Grained Sloping Beach, Proceedings of the International Conference on Coastal Engineering, No 32 (2010), Shanghai, China.

Kamphuis, J. M., 2000, Introduction to Coastal Engineering and Management, World Scientific, Singapore.

Le Méhauté, B., 1976, An Introduction to Hydrodynamics and Water Waves, Springer-Verlag.

McCowan, J., 1891, On the solitary wave, Philosophical Magazine, Vol. 32, pp. 45-58.

Munk, W. H., 1949, The Solitary Wave Theory and Its Application to Surf Problems, Annals New York Acad. Sci., Vol 51, pp 376-423.

Pierson W. J. and Moskowitz, L., 1964, A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S.A. Kitiagordskii, J. Geophys. Res. 9, pp. 5181-5190.

Thanyamanta, W., Herrington, P. and Molyneux, D., 2011, Wave patterns, wave induced forces and moments for a gravity based structure predicted using CFD, Proceedings of the ASME 2011, 30th International Conference on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE2011, Rotterdam, The Netherlands.

USACE (U.S. Army Corps of Engineers), 2006, Coastal Engineering Manual, EM 1110-2-1100, Washington, DC.

Yilmaz, N., Trapp, G. E., Gagan, S. M. and Emmerich, T., R., 2011 CFD Supported Examination of Buoy Design for Wave Energy Conversion, IGEC-VI-2011-173, pp. 537-541

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

  • 문제 정의: 침전지(Settling Basin)는 수처리 및 폐수 처리 공정에서 입자 침전(Sediment Separation)을 위해 중요한 역할을 한다.
    • 침전지의 효율을 높이기 위해서는 원활하고 균일한 흐름을 유지하고, 순환 영역(Circulation Zone)을 최소화해야 한다.
    • 기존 설계 방법은 경험적 공식에 의존하여 유체의 역학적 세부 사항을 충분히 고려하지 못하는 한계가 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 직사각형 침전지의 치수(Length/Width 및 Length/Depth 비율)가 흐름 패턴과 수리 효율에 미치는 영향을 분석.
    • 침전지의 순환 영역 감소 및 침전 효율 최적화를 목표로 함.
    • L/W(길이/너비) 및 L/d(길이/깊이) 비율 변화를 통한 최적의 침전지 설계 조건 도출.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어의 VOF(Volume of Fluid) 기법 및 FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 지형 모델링.
    • k-ε 난류 모델을 사용하여 유동 패턴을 시뮬레이션.
    • 침전지 설계:
      • 입구(Inlet) 및 출구(Outlet) 위치와 부피는 모든 시나리오에서 동일하게 유지.
      • 직사각형 침전지의 L/W 비율: 1, 2, 4, 8 (Case 1~4)
      • L/d 비율: 5, 7, 10 (Case 5, 3, 6)
    • 모델 검증:
      • Shahrokhi et al. 실험 데이터와 비교하여 수치 모델의 신뢰성 평가.
  2. 침전지 치수 시나리오
    • L/W 비율 시나리오:
      • 길이 증가와 너비 감소를 동시에 적용하여 순환 영역의 부피 변화 분석.
      • Case 1(정사각형, L/W = 1)부터 Case 4(L/W = 8)까지 비교.
    • L/d 비율 시나리오:
      • 깊이 감소와 함께 길이 고정(2 m) 조건에서 순환 영역 및 에너지 분포 분석.
      • Case 5(L/d = 5), Case 3(L/d = 7), Case 6(L/d = 10) 비교.

주요 결과

  1. L/W 비율 변화에 따른 영향
    • 순환 영역 부피 감소 효과:
      • L/W 비율 증가 시, 순환 영역 부피가 53% → 22%로 감소.
      • 정사각형 탱크(L/W = 1)에서 순환 영역 부피는 53%, L/W = 8에서는 22%로 감소.
    • 유속 및 에너지 분포 변화:
      • 최대 운동 에너지(red zone)가 80% → 30%로 감소.
      • 이는 입자 침전 효율을 크게 개선함을 의미.
  2. L/d 비율 변화에 따른 영향
    • 순환 영역 감소 효과:
      • L/d 비율 증가(5 → 10) 시, 순환 영역 부피 54% → 16%로 감소.
      • 깊이 감소(0.4m → 0.2m) 시, 순환 영역 감소 및 유속 균일화 효과 발생.
    • 운동 에너지 분포 개선:
      • 최대 운동 에너지 영역 길이가 1.5m → 0.9m로 감소.
      • 이는 침전지 바닥에 부드럽고 균일한 흐름을 형성하여 침전 효율을 향상시킴.
  3. 모델 검증 결과
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 일치도 확인.
    • 속도 프로파일의 평균 제곱근 오차(RMSE)가 x 방향 0.11, 0.07, 0.08, z 방향 0.13, 0.10, 0.19로 분석됨.
    • 이는 유동 패턴 예측 정확도가 높음을 의미.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D를 활용한 침전지 설계 최적화 가능성 입증.
    • L/W 비율이 4 이상, L/d 비율이 7 이상일 때 최적의 침전 효율을 제공.
    • 순환 영역 부피를 감소시켜 입자 침전 성능을 개선할 수 있음.
    • 최적화된 설계는 건설 및 유지보수 비용 절감에도 기여할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 형태의 침전지(L자형 등)를 대상으로 L/W 및 L/d 비율에 따른 추가 연구 필요.
    • 다양한 유동 조건 및 입자 특성을 고려한 수치 모델 고도화.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 침전지 성능 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D 소프트웨어를 통해 직사각형 침전지의 치수 최적화를 위한 설계 가이드라인을 제공하며, 수처리 및 폐수 처리 공정의 효율을 극대화할 수 있는 실질적인 데이터와 설계 기준을 제시한다​.

Reference

  1. H. Asgharzadeh, B. Firoozabadi, H. Afshin,Experimental investigation of effects of baffleconfigurations on the performance of asecondary sedimentation tank, SharifUniversity of Technology (2011) pp. 938-949.
  2. Metcalf & Eddy 2003. Wastewater engineeringtreatment and reuse, New York, McGraw-Hill.
  3. S. Kawamura, Integrated design and operationof water treatment facilities, 2nd ed.; JohnWiley and Sons Inc.: New York, NY, USA,(2000) pp. 159–160.
  4. A. Razmi1, B. Firoozabadi1, G. Ahmadi,Experimental and numerical approach toenlargement of performance of primary settlingtanks, Journal of Applied Fluid Mechanics 2 (1)(2009) pp. 1-12.https://doi.org/10.36884/JAFM.2.01.11850
  5. F. Rostami, M. Shahrokhi, Md Azlin Md Said,A. Rozi, Syafalni, Numerical modeling on inletaperture effects on flow pattern in primarysettling tanks, Applied MathematicalModelling 35 (6) (2011) pp. 3012-3020.https://doi.org/10.1016/j.apm.2010.12.007
  6. M. Shahrokhi, Influence of Baffle structure onthe improvment efficiency of primaryrectangular sedimentation tank, UniversitiSains Malaysia (2012) pp. 42-99.
  7. M. Patziger, Computational fluid dynamicsinvestigation of shallow circular secondarysettling tanks: inlet geometry and performanceindicators, Chemical engineering research anddesign 112 (2016) pp. 122–131.https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.06.018
  8. B. Lee, Evaluation of double perforated bafflesinstalled in rectangular secondary clarifiers,(2017).
  9. Y. Liu, P. Zhang, W. Wei, Simulation of theeffect of a baffle on the flow patterns andhydraulic efficiency in a sedimentation tank.Desalination and Water Treatment, 57 (54)(2016) pp.1-10.https://doi.org/10.1080/19443994.2016.1157521
  10. H. Zanganeh, S. Narakorn, Three-dimensionalVIV prediction model for a long flexiblecylinder with axial dynamics and mean dragmagnifications. Journal of Fluids andStructures (2016) pp. 127–146.https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2016.07.004
  11. M. Javadi Rad, M. Shahrokhi, T. Rajaee,Numerical investigation of the number ofbaffles effect on the efficiency of primarysedimentation tank in true dimensions,Modares Civil Engineering Journal (M.C.E.J)17 (5) (2017) pp. 49-59.
  12. S. Zhou, C. Vitasovic, J.A. McCorquodale, S.Lipke, M. DeNicola, P. Saurer, Improvingperformance of large rectangular secondaryclarifier. Available online: (28 April 2017).https://hydrosims.com/files/Optimization_Rectangular_Clarifiers.pdf
  13. B. Amin nezhad, A. Lajvardi, The effect ofbasin shape on the amount of sediment,Bibliography number: 4535528, (2017).
  14. A. Alighardashi, D. Goodarzi, Simulation ofdepth and wind effects on the hydraulicefficiency of sedimentation tanks, Water andEnvironment Journal, 34 (4) (2019) pp. 432-440.https://doi.org/10.1111/wej.12478
  15. F. Bouisfi, A. Bouisfi, H. Ouarriche, M. E.Bouhali, M. Chaoui, Improving RemovalEfficiency of Sedimentation Tanks UsingDifferent Inlet and Outlet Position, FMETransactions, 47 (4) (2019) pp. 894-900.https://doi.org/10.5937/fmet1904894B
  16. N. Patel, J. Ruparelia, J. Barve, Experimentaland simulation study of rectangular andcircular primary clarifier for wastewatertreatment, Environmental Technology &Innovation, 23 (2021) pp.1-12.https://doi.org/10.1016/j.eti.2021.101610
  17. R. Monk , J.F. Willis, Designing watertreatment facilities. JounalAWWA, 79 (2)(1987) pp. 45-57 .https://doi.org/10.1002/j.1551-8833.1987.tb02798.x
  18. A. L. Stamou, E. W. Adams, W. Rodi,Numerical modeling of flow and settling inprimary rectangular clarifiers, Journal ofHydraulic Research. 27 (1989) pp. 665-682.https://doi.org/10.1080/00221688909499117
  19. C. W. Hirt, B. D. Nichols, Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of FreeBoundaries. Journal of Computational Physics39 (1) (1981) pp. 201-225.https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
  20. Flow-3D Users Manuals, v 11.1. (2016).M. Javadi Rad et al. – Acta Technica Jaurinensis, Vol. 15, No. 4, pp. 207-220, 2022220
  21. A. Ghaderi, M. Dasineh, F. Aristodemo, A.Ghahramanzadeh, Characteristics of free andsubmerged hydraulic jumps over differentmacroroughnesses, Journal of Hydroinformatics, 22 (6) (2020) pp. 1554-1572.https://doi.org/10.2166/hydro.2020.298
  22. M. Ahmadi, A. Ghaderi, H. MohammadNezhad, A. Kuriqi, S. D. Francesco, NumericalInvestigation of Hydraulics in a Vertical SlotFishway with Upgraded Configurations,Water, 13 (19) (2021) pp. 1-23.https://doi.org/10.3390/w13192711
  23. S. Abbasi, S. Fatemi, A. Ghaderi, S. D. Francesco, The Effect of Geometric Parameters of the Antivortex on a Triangular Labyrinth SideWeir, Water, 13 (1) (2020) pp. 2-25. https://doi.org/10.3390/w13010014
  24. Flow-3D, Help, V.11.2, Flow Science Inc
181122_4_672_207-220Download
Fig. 9. Rear view at t ¼ 240 s and Q ¼ 1,300 L=s.

Numerical Model for a Nineteenth-Century Hydrometric Module

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

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

연구 목적

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

연구 방법:

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과:

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점:

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

레퍼런스:

  • Ali, Z., P. G. Tucker, and S. Shahpar. 2017. “Optimal mesh topologygeneration for CFD.” Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 317 (Apr):431–457. https://doi.org/10.1016/j.cma.2016.12.001.
  • Andersson, A. G., P. Andreasson, and T. Staffan Lundström. 2013. “CFDmodelling and validation of free surface flow during spilling of reservoirin down-scale model.” Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 7 (1): 159–167.https://doi.org/10.1080/19942060.2013.11015461.
  • Arvanaghi, H., and N. N. Oskuei. 2013. “Sharp-crested weir dischargecoefficient.” J. Civ. Eng. Urbanism 3 (3): 87–91.
  • Aydin, I., A. B. Altan-Sakarya, and C. Sisman. 2011. “Discharge formulafor rectangular sharp-crested weirs.” Flow Meas. Instrum. 22 (2):144–151. https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2011.01.003.
  • Aydin, M. C. 2016. “Investigation of a sill effect on rectangular side-weirflow by using CFD.” J. Irrig. Drain. Eng. 142 (2): 04015043. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000957.
  • Babaali, H., A. Shamsai, and H. Vosoughifar. 2015. “Computational modeling of the hydraulic jump in the stilling basin with convergence wallsusing CFD codes.” Arabian J. Sci. Eng. 40 (2): 381–395. https://doi.org/10.1007/s13369-014-1466-z.
  • Bhajantri, M. R., T. I. Eldho, and P. B. Deolalikar. 2006. “Hydrodynamicmodelling of flow over a spillway using a two-dimensional finitevolume-based numerical model.” Sadhana 31 (6): 743–754. https://doi.org/10.1007/BF02716893.
  • Blasone, M., F. Dell’Anno, R. De Luca, O. Faella, O. Fiore, andA. Saggese. 2015. “Discharge time of a cylindrical leaking bucket.”Eur. J. Phys. 36 (3): 035017. https://doi.org/10.1088/0143-0807/36/3/035017.
  • Franchini, M., and L. Lanza. 2013. “Leakages in pipes: GeneralizingTorricelli’s equation to deal with different elastic materials, diametersand orifice shape and dimensions.” Urban Water J. 11 (8): 678–695.https://doi.org/10.1080/1573062X.2013.868496.
  • Hargreaves, D. M., H. P. Morvan, and N. G. Wright. 2007. “Validation ofthe volume of fluid method for free surface calculation: The broadcrested weir.” Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 1 (2): 136–146. https://doi.org/10.1080/19942060.2007.11015188.
  • Kirchner, H., J. Oliver, and S. Vela. 2002. Aigua prohibida:Arqueologia hidràulica del feudalisme a la Cerdanya: El CanalReial de Puigcerdà. Bellaterra, Spain: Universitat Autònoma deBarcelona.
  • Latorre, X. 1995. Història de l’aigua a Catalunya. L’abecedari S.L.Barcelona: Barcelona, Spain.
  • Latorre, X. 2002. La Sèquia de Manresa. Girona, Spain: Fundaci ́o PereGarcía Fària.
  • Lin, C. H., J. F. Yen, and C. T. Tsai. 2002. “Influence of sluice gate contraction coefficient on distinguishing condition.” J. Irrig. Drain. Eng.128 (4): 249–252. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9437(2002)128:4(249).
  • Namaee, M. R., M. Rostami, S. Jalaledini, and M. Habibi. 2014.“A 3D numerical simulation of flow over a broad-crested side weir.”In Advances in hydroinformatics, 511–523. Dordrecht, Netherlands:Springer.
  • Namaee, M. R., and R. Shadpoorian. 2016. “Numerical modeling of flowover two side weirs.” Arabian J. Sci. Eng. 41 (4): 1495–1510. https://doi.org/10.1007/s13369-015-1961-x.
  • Oliveras, J. 1986. La consolidaci ́o de la ciutat industrial: Manresa(1871-1900). Manresa, Spain: Caixa d’Estalvis de Manresa.
  • Pandeyp, R., P. K. Mittalp, and P. M. K. Choudharyp. 2016. “Flow characteristics of sharp crested rectangular weir: A review.” Int. J. InnovateSci. Eng. Technol. 3 (3): 171–178.
  • Sarkardeh, H., A. Reza Zarrati, E. Jabbari, and M. Marosi. 2014. “Numerical simulation and analysis of flow in a reservoir in presence of vortex.”Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 8 (4): 598–608. https://doi.org/10.1080/19942060.2014.11083310.
  • Sarret, J. 1906. La Cequia de Manresa. Manresa, Spain: Caixa d’Estalvisde Manresa.
  • Taghavi, M., and H. Ghodousi. 2015. “Simulation of flow suspended loadin weirs by using FLOW-3D model.” Civ. Eng. J. 1 (1): 37–49.
  • Turalina, D., D. Yembergenova, and K. Alibayeva. 2015. “The experimental study of the features of water flowing through a sharp-crested weir inchannel.” In Vol. 92 of Proc., EPJ Web of Conf., 1–5. Les Ulis, France:EDP Sciences.
  • Verstappen, R., and A. Veldman. 2003. “Symmetry-preserving discretization of turbulent flow.” J. Comput. Phys. 187 (1): 343–368. https://doi.org/10.1016/S0021-9991(03)00126-8.
  • Versteeg, H. K. H. K., and W. W. Malalasekera. 2007. An introduction tocomputational fluid dynamics: The finite volume method. Harlow, UK:Pearson.
  • White, F. M. 1999. Fluid mechanics. Boston: McGraw-Hill.
  • Wu, S., and N. Rajaratnam. 2015. “Solutions to rectangular sluice gate flowproblems.” J. Irrig. Drain. Eng. 141 (12): 06015003. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0000922.
  • Zeng, J., L. Zhang, M. Ansar, E. Damisse, and J. A. González-Castro. 2017.“Applications of computational fluid dynamics to flow ratings at prototype spillways and weirs. I: Data generation and validation.” J. Irrig.Drain. Eng. 143 (1): 04016072. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001112.
numerical-model-for-a-nineteenth-century-hydrometric-module-czws2cyy6hDownload
Figure 13 | 3D illustration of Fr variation in the old stilling basin at (a) 129.10 m tailwater, (b) 129.70 m tailwater, and (c) 130.30 m tailwater. In the new stilling basin at (d) 129.10 m tailwater, (e) 129.70 m tailwater, and (f) 130.30 m tailwater

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법:

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과:

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점:

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

레퍼런스:

  1. Abid, K. M., Hussain, S. S., & Ahmad, S. 2017 Numerical investigation of hydraulic jump characteristics in a channel with baffle blocks.
  2. Alhamid, A. A., & Negm, A. M. 2015 Numerical simulation of hydraulic jump in a channel with positive step. Ain Shams Engineering Journal 6, 1177–1187.
  3. Chanson, H. 2009 Applied hydrodynamics: an introduction to idealized flow models. CRC press.
  4. Chanson, H. 2011 Free-surface flows: An introduction for engineers. CRC press.
  5. Chanson, H. 2013 Open channel hydraulics: An introduction. CRC press.
  6. Chanson, H., & Brattberg, T. 1998 Experimental study of air entrainment in hydraulic jumps. International Journal of Multiphase Flow 24, 703–716.
  7. Chanson, H., & Gualtieri, C. 2008 Discussion of “Hydraulic jump in trapezoidal channel” by M. G. Brown. J. Hydraul. Eng. 134, 1572–1574.
  8. Chanson, H., & Qiao, G. 2010 Hydraulic jumps in stepped channels: mean flow properties. J. Hydraul. Res. 48, 166–174.
  9. Hager, W. H. 1992 Energy dissipators and hydraulic jump. Water resources publications, Littleton, Colorado, USA.
  10. Hager, W. H. 2009 Hydraulic structures. Imperial college press.
  11. Hager, W. H. 2010 Momentum transfer in hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 48, 145–151.
  12. Henderson, F. M. 1966 Open channel flow. Macmillan.
  13. Hughes, D. G., & Flay, R. G. J. 2011 The effect of inflow conditions on hydraulic jump characteristics. J. Hydraul. Res. 49, 44–54.
  14. Kadavy, K. C., & Hager, W. H. 2008 Hydraulic jump as a wall jet. J. Hydraul. Res. 46, 579–587.
  15. Kadavy, K. C., & Knight, D. W. 2011 Mean flow measurements within hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 49, 725–736.
  16. Keulegan, G. H. 1950 Characteristics of roll waves. US National Bureau of Standards.
  17. Kim, Y. M., & Park, J. H. 2005 Numerical analysis of hydraulic jump in stilling basin. KSCE Journal of Civil Engineering 9, 381–388.
  18. Koroušić, A., & Matović, G. 2017 Numerical simulation of hydraulic jump on rough bed. Journal of the Serbian Society for Computational Mechanics 11, 44–58.
  19. Lagerstrom, P. A., Cole, J. D., & Trilling, L. 1949 Energy dissipation at a hydraulic jump. Quarterly of Applied Mathematics 7, 59–77.
  20. Lin, P., & Falconer, R. A. 2002 Three-dimensional modeling of hydraulic jumps. International journal for numerical methods in fluids 40, 147–164.
  21. Long, D., & Sharma, H. R. 2014 Design of hydraulic structures. CRC press.
  22. Pagliara, S., & Carnacina, G. 2011 Hydraulic jump in channels with macro-roughness. Journal of Hydraulic Research 49, 319–327.
  23. Rajaratnam, N. 1965 Discussion of “The hydraulic jump in a rectangular channel” by H. Rouse, T. Siao, and S. C. Hsu. Transactions of the American Society of Civil Engineers 130, 273–277.
  24. Rajaratnam, N. 1967 Hydraulic jumps. Advances in hydroscience 4, 197–280.
  25. Rajaratnam, N., & Subramanian, N. 1968 Flow downstream of a vertical sluice. Journal of the Hydraulics Division 94, 601–615.
  26. Rouse, H., Siao, T. T., & Hsu, S. C. 1959 The hydraulic jump in a rectangular channel. Transactions of the American Society of Civil Engineers 124, 561–585.
  27. Saemi, N., & Yeganeh-Bakhtiary, A. 2014 Numerical simulation of flow over stepped spillways using FLOW-3D. KSCE Journal of Civil Engineering 18, 1373–1382.
  28. Wang, D., & Chanson, H. 2018 Experimental study of turbulence in hydraulic jumps. Experiments in Fluids 59, 1–18. https://doi.org/10.1007/s00348-018-2490-6.
  29. Wang, H., & Chanson, H. 2015 Experimental study of turbulent fluctuations in hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 141, 04015010. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001010.
  30. Wang, Y., Wang, B., Zhang, H., Wang, Z., Zhou, S. & Ye, L. 2016 Three-dimensional Numerical Simulation on Stilling Basin of Sluice in Low Head Proceedings of the 2016 5th International Conference on Civil, Architectural and Hydraulic Engineering (ICCAHE 2016). pp. 503–509. https://doi.org/10.2991/iccahe-16.2016.84.
  31. Wu, S. & Rajaratnam, N. 1996 Transition from hydraulic jump to open channel flow. J. Hydraul. Eng 122, 526–528.
  32. Yakhot, V., Thangam, S., Gatski, T. B., Orszag, S. A. & Speziale, C. G. 1991 Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Phys. Fluids A 4, 1510–1520.
  33. Zulfiqar, C. & Kaleem, S. M. 2015 Launching/Disappearance of stone apron, block floor downstream of the Taunsa barrage and unprecedent drift of the river towards kot addu town. Sci. Technol. Dev. 34, 60–65. https://doi.org/10.3923/std.2015.60.65.
ws023020796Download
Fig.(6) view of an 3D modeling

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법:

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과:

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점:

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

레퍼런스:

    1. Hager, W.H. (1987). “Flow in stepped spillways”, J. Hydraulic Research, IAHR, 25 (3), 305-322.
    1. Chanson, H. (1995). Hydraulic design of stepped cascades, Balkema, Rotterdam.
    1. Chanson, H. (2001). The hydraulics of open channel flow: An introduction. Butterworth-Heinemann, Oxford, UK.
    1. Diez-Cascon, S., Crookston, B.M. and Hager, W.H. (2009). “Hydraulics of stepped spillways with flat steps at very low discharges”, J. of Hydraulic Engineering, ASCE, 135(7), 521-529.
    1. Diez-Cascon, S., Crookston, B.M. and Hager, W.H. (2010). “Hydraulics of stepped spillways with flat steps at intermediate discharges”, J. of Hydraulic Engineering, ASCE, 136(6), 333-342.
    1. Diez-Cascon, S., Crookston, B.M. and Hager, W.H. (2011). “Hydraulics of stepped spillways with flat steps at high discharges”, J. of Hydraulic Engineering, ASCE, 137(1), 1-10.
    1. Faneuil, M. (1936). “Etude experimentale d’une prise d’eau du Type”, en dessous, La Houille Blanche, 9(6), 343-351 (in French).
    1. Ract-madoux, x., bouvard, m., molbert, j., and zumstein, j. (1955). “ouelques realisations recentes de prises en-dessous a haute altitudeen savoie la houille blanche 10(6), 852-878 (in French).
    1. Sandro Brrunella. Will H.Hager, F.ASCE, and Hands-Erwin Minor (2003). “Hydraulic of bottom rack intake”, J of Hydraulic Engineering, ASCE
    1. Shafai Bejestan, M. and A. Kammanbedast (2008). “Experimental investigation of the effects of sediment on discharge coefficient at bottom intake”. 2nd Int. Junior Research on Hydraulic structures, university of Pisa, Pisa, Italy.
    1. Venkataraman. P. (1977) discharges characteristics of an idealized bottom intake. “inst. Eng. India j. ci. 58(9/11), 99-104.
    1. Venkatamaran. P., Nasser, m.s. and Ramamurthy, A.S. (1978). ” flow behaviour in power channels with bottom diversion” 18th int. association of hydraulic research congress cagliary 2, 115-122
    1. Vischer, D. L. and Hager, W.H. (1998)/ dam hydraulics, wiley, chich ester.
    2. Wahl, T. l (2001)/ hydr aulics perfor mance of coanda-effect screen .j.Hydraul.eng.ASCE.,127:480-488.
Simulation_of_Flow_on_Bottom_Turn_out_StDownload
Figure 9. Simulation results (packed sediment height net change) after the steady-state

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

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

① 세굴 예측 성능

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

② 유동장 및 난류 특성 분석

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

결론 및 제언

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

Reference

  1. Hager, W.H., 1989. Discussion of “Scour at Bridge Crossings” by E.V. Richardson and S.R. Davis. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 115(6): 861–866.
  2. Hager, W.H. and Unger, J., 1986. Temporal Evolution of Local Scour. Proc. Intl. Symposium on River Sedimentation, Beijing, China, 4: 1347–1356.
  3. 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.
  4. Melville, B.W. and Chiew, Y.M., 1999. Time Scale for Local Scour at Bridge Piers. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(1): 59–65.
  5. Melville, B.W. and Coleman, S.E., 2000. Bridge Scour. Water Resources Publications, Highlands Ranch, Colorado, USA.
  6. Olsen, N.R.B. and Melaaen, M.C., 1993. Three-dimensional numerical flow modeling for estimation of maximum local scour depth. Journal of Hydraulic Research, 31(6): 693–708.
  7. Olsen, N.R.B., 2003. Scour around circular piles in sand and gravel. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 129(10): 805–811.
  8. Roulund, A., Sumer, B.M., Fredsøe, J. and Michelsen, J., 2005. Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile. Journal of Fluid Mechanics, 534: 351–401.
  9. VOF Theory, Flow Science, Inc. Available at: www.flow3d.com
  10. Vasquez, J.A. and Walsh, M.J., 2009. CFD modeling of local scour around bridge piers. World Environmental and Water Resources Congress 2009, Kansas City, Missouri, USA.
  11. Sheppard, D. M., B. Melville, and H. Demir. “Evaluation of Existing Equations for Local Scour at Bridge Piers.” Journal ofHydraulic Engineering 140, no. 1 (January 2014): 14–23. doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000800.
  12. Melville, Bruce W., and Anna C. Hadfield. “Use of sacrificial piles as pier scour countermeasures.” Journal of HydraulicEngineering 125, no. 11 (1999): 1221-1224. doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:11(1221).
  13. Yao, Weidong, Hongwei An, Scott Draper, Liang Cheng, and John M. Harris. “Experimental Investigation of Local ScourAround Submerged Piles in Steady Current.” Coastal Engineering 142 (December 2018): 27–41.doi:10.1016/j.coastaleng.2018.08.015.
  14. Link, Oscar, Marcelo García, Alonso Pizarro, Hernán Alcayaga, and Sebastián Palma. “Local Scour and Sediment Depositionat Bridge Piers During Floods.” Journal of Hydraulic Engineering 146, no. 3 (March 2020): 04020003.doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001696.
  15. Khan, Mujahid, Mohammad Tufail, Muhammad Fahad, Hazi Muhammad Azmathullah, Muhammad Sagheer Aslam, FayazAhmad Khan, and Asif Khan. “Experimental analysis of bridge pier scour pattern.” Journal of Engineering and AppliedSciences 36, no. 1 (2017): 1-12.
  16. Yang, Yifan, Bruce W. Melville, D. M. Sheppard, and Asaad Y. Shamseldin. “Clear-Water Local Scour at Skewed ComplexBridge Piers.” Journal of Hydraulic Engineering 144, no. 6 (June 2018): 04018019. doi:10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001458.
  17. Moussa, Yasser Abdallah Mohamed, Tarek Hemdan Nasr-Allah, and Amera Abd-Elhasseb. “Studying the Effect of PartialBlockage on Multi-Vents Bridge Pier Scour Experimentally and Numerically.” Ain Shams Engineering Journal 9, no. 4(December 2018): 1439–1450. doi:10.1016/j.asej.2016.09.010.
  18. Guan, Dawei, Yee-Meng Chiew, Maoxing Wei, and Shih-Chun Hsieh. “Characterization of Horseshoe Vortex in a DevelopingScour Hole at a Cylindrical Bridge Pier.” International Journal of Sediment Research 34, no. 2 (April 2019): 118–124.doi:10.1016/j.ijsrc.2018.07.001.
  19. Dougherty, E.M. “CFD Analysis of Bridge Pier Geometry on Local Scour Potential” (2019). LSU Master’s Theses. 5031.
  20. Vijayasree, B. A., T. I. Eldho, B. S. Mazumder, and N. Ahmad. “Influence of Bridge Pier Shape on Flow Field and ScourGeometry.” International Journal of River Basin Management 17, no. 1 (November 10, 2017): 109–129.doi:10.1080/15715124.2017.1394315.
  21. Farooq, Rashid, and Abdul Razzaq Ghumman. “Impact Assessment of Pier Shape and Modifications on Scouring AroundBridge Pier.” Water 11, no. 9 (August 23, 2019): 1761. doi:10.3390/w11091761.
  22. Link, Oscar, Cristian Castillo, Alonso Pizarro, Alejandro Rojas, Bernd Ettmer, Cristián Escauriaza, and Salvatore Manfreda.“A Model of Bridge Pier Scour During Flood Waves.” Journal of Hydraulic Research 55, no. 3 (November 18, 2016): 310–323. doi:10.1080/00221686.2016.1252802.
  23. Karakouzian, Moses, Mehrdad Karami, Mohammad Nazari-Sharabian, and Sajjad Ahmad. “Flow-Induced Stresses andDisplacements in Jointed Concrete Pipes Installed by Pipe Jacking Method.” Fluids 4, no. 1 (February 21, 2019): 34.doi:10.3390/fluids4010034.
  24. Flow Science, Inc. FLOW-3D User’s Manual, Flow Science (2018).
  25. Brethour, J. Modeling Sediment Scour. Flow Science, Santa Fe, NM. (2003).
  26. Brethour, James, and Jeff Burnham. “Modeling sediment erosion and deposition with the FLOW-3D sedimentation & scourmodel.” Flow Science Technical Note, FSI-10-TN85 (2010): 1-22.
  27. Balouchi, M., and Chamani, M.R. “Investigating the Effect of using a Collar around a Bridge Pier, on the Shape of the ScourHole”. Proceedings of the First International Conference on Dams and Hydropower (2012) (In Persian).
  28. Bayon, Arnau, Daniel Valero, Rafael García-Bartual, Francisco José Vallés-Morán, and P. Amparo López-Jiménez.“Performance Assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the Numerical Modeling of a Low Reynolds Number HydraulicJump.” Environmental Modelling & Software 80 (June 2016): 322–335. doi:10.1016/j.envsoft.2016.02.018.
  29. Aminoroayaie Yamini, O., S. Hooman Mousavi, M. R. Kavianpour, and Azin Movahedi. “Numerical Modeling of SedimentScouring Phenomenon Around the Offshore Wind Turbine Pile in Marine Environment.” Environmental Earth Sciences 77,no. 23 (November 24, 2018). doi:10.1007/s12665-018-7967-4.
  30. Nazari-Sharabian, Mohammad, Masoud Taheriyoun, Sajjad Ahmad, Moses Karakouzian, and Azadeh Ahmadi. “Water QualityModeling of Mahabad Dam Watershed–Reservoir System under Climate Change Conditions, Using SWAT and SystemDynamics.” Water 11, no. 2 (February 24, 2019): 394. doi:10.3390/w11020394.

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

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법:

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과:

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점:

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

References

  1. Abbott, M. B., & Basco, D. R. (1989). Computational fluid dynamics—An introduction for engineers. NASA STI/Recon Technical Report A, 90.
  2. Acharya, A. (2011). Experimental study and numerical simulation of flow and sediment transport around a series of spur dikes. The University of Arizona.
  3. Ahmad, M. (1953, August). Experiments on design and behavior of spur dikes. In Proc. Int. Hydraul. Convention (Vol. 145).
  4. Ahmad, N., Bihs, H., Kamath, A., & Arntsen, Ø. A. (2015). Three-dimensional CFD modeling of wave scour around side-by-side and triangular arrangement of piles with REEF3D. Procedia Engineering, 116, 683–690.
  5. Alabi, P. D. (2006). Time development of local scour at a bridge pier fitted with a collar (Doctoral dissertation).
  6. Al-Shukur, A. H. K., & Obeid, Z. H. (2016). Experimental study of bridge pier shape to minimize local scour. International Journal of Civil Engineering and Technology, 7(1), 162–171.
  7. Ataie-Ashtiani, B., & Beheshti, A. A. (2006). Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups. Journal of Hydraulic Engineering, 132(10), 1100–1104.
  8. Ballio, F., & Orsi, E. (2001). Time evolution of scour around bridge abutments. Water Engineering Research, 2(4), 243–259.
  9. Beheshti, A. A., & Ataie-Ashtiani, B. (2008). Analysis of threshold and incipient conditions for sediment movement. Coastal Engineering, 55(5), 423–430.
  10. Bozkus, Z., & Yildiz, O. (2004). Effects of inclination of bridge piers on scouring depth. Journal of Hydraulic Engineering, 130(8), 827–832.
  11. Brethour, J. (2003). Modeling sediment scour. Flow Science, Santa Fe, NM. FloSci-TN62.
  12. Breusers, H. N. C., Nicollet, G., & Shen, H. W. (1977). Local scour around cylindrical piers. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 211–252.
  13. Cardoso, A. H., & Bettess, R. (1999). Effects of time and channel geometry on scour at bridge abutments. Journal of Hydraulic Engineering, 125(4), 388–399.
  14. Carstens, M. R. (1966). Similarity laws for localized scour. Proc. ASCE Journal of the Hydraulic Division, 92(3), 13–36.
  15. Cheremisinoff, P. N., Cheremisinoff, N. P., & Cheng, S. L. (1987). Hydraulic mechanics Civil Engineering Practice. Technomic Publishing Co., Lancaster, PA.
  16. Chiew, Y. M., & Melville, B. W. (1987). Local scour around bridge piers. Journal of Hydraulic Research, 25(1), 15–26.
  17. Dey, S. (1997). Local scour at piers, Part I: A review of developments of research. Int. J. Sediment Res., 12(2), 23–46.
  18. Dey, S., & Barbhuiya, A. K. (2004). Clear-water scour at abutments in thinly armored beds. Journal of Hydraulic Engineering, 130(7), 622–634.
  19. EL-Ghorab, E. A. (2013). Reduction of scour around bridge piers using a modified method for vortex reduction. Alexandria Engineering Journal, 52(3), 467–478.
  20. Elsabaie, I. H. (2013). An experimental study of local scour around circular bridge pier in sand soil. International Journal of Civil & Environmental Engineering IJCEE-IJENS, 13(01).
  21. Ettema, R., Arndt, R., Roberts, P., & Wahl, T. (2000). Hydraulic modeling: Concepts and practice.
  22. Froehlich, D. C. (1988). Analysis of onsite measurements of scour at piers. ASCE National Conf. on Hydraulic Engineering, Colorado Springs, CO, 534–539.
  23. Garde, R., Subramanya, K. S., & Nambudripad, K. D. (1961). Study of scour around spur-dikes. Journal of the Hydraulics Division, 87(6), 23–37.
  24. Hager, W. H., & Oliveto, G. (2002). Shields’ entrainment criterion in bridge hydraulics. Journal of Hydraulic Engineering, 128(5), 538–542.
  25. Heidarpour, M., Afzalimehr, H., & Izadinia, E. (2010). Reduction of local scour around bridge pier groups using collars. International Journal of Sediment Research, 25(4), 411–422.
  26. Hoffmans, G. J., & Verheij, H. J. (1997). Scour manual (Vol. 96). CRC press.
  27. Huang, W., Yang, Q., & Xiao, H. (2009). CFD modeling of scale effects on turbulence flow and scour around bridge piers. Computers & Fluids, 38(5), 1050–1058.
  28. Ismael, A., Gunal, M., & Hussein, H. (2015). Effect of Bridge Pier Position on Scour Reduction According to Flow Direction. Arabian Journal for Science and Engineering, 40(6), 1579–1590.
  29. Johnson, P. A., & Niezgoda, S. L. (2004). Risk-based method for selecting bridge scour countermeasures. Journal of Hydraulic Engineering, 130(2), 121–128.
  30. Kandasamy, J. K. (1989). Abutment scour. University of Auckland, School of Engineering Report, (458).
  31. Kohli, A., & Hager, W. H. (2001, June). Building scour in floodplains. In Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Water and Maritime Engineering, 148(2), 61–80.
  32. Lagasse, P. F., & Richardson, E. V. (2001). ASCE compendium of stream stability and bridge scour papers. Journal of Hydraulic Engineering, 127(7), 531–533.
  33. Lagasse, P. F., et al. (2009). Bridge Scour and Stream Instability Countermeasures: Experience, Selection and Design Guidance. FHWA-NHI-09-111.
  34. Laursen, E. M. (1952). Observations on the nature of scour. In Proceedings of the Fifth Hydraulics Conference, Iowa City, 179–197.
  35. Liu, X., & Garcia, M. H. (2008). 3D numerical model with free surface and mesh deformation for local sediment scour. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 134(4), 203–217.
  36. Melville, B. W. (1995). Bridge abutment scour in compound channels. Journal of Hydraulic Engineering, 121(12), 863–868.
  37. Melville, B. W., & Chiew, Y. M. (1999). Time scale for local scour at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 125(1), 59–65.
  38. Melville, B. W., & Coleman, S. E. (2000). Bridge scour. Water Resources Publication.
  39. Olsen, N. R. (2003). 3D CFD modeling of self-forming meandering channel. Journal of Hydraulic Engineering, 129(5), 366–372.
  40. Richardson, E. V., Harrison, L. J., Richardson, J. R., & Davis, S. R. (1993). Evaluating scour at bridges (HEC 18, 2nd ed.).
  41. Sumer, B. M., & Fredsoe, J. (2001). Scour around pile in combined waves and current. Journal of Hydraulic Engineering, 127(5), 403–411.
  42. Whitehouse, R. (1998). Scour at marine structures: A manual for practical applications. Thomas Telford.
  43. Yanmaz, A. M. (2002). Dynamic reliability in bridge pier scouring. Turkish Journal of Engineering and Environmental Sciences, 26(4), 367–376.
yokAcikBilim_10176394Download
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

① 세굴 깊이 및 패턴 예측

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

② 난류 및 유동장 분석

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

결론

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

References

  1. Ataie-Ashtiani, B. and Beheshti, A.A. (2006). “Experimental investigation of clearwater local scour at pile groups”. J. Hyd. Eng., ASCE, 132(10), 1100-1104.
  2. Brethour, J. M. (2001). Transient 3-D model for lifting, transporting and depositing solid material. 2001 International Symposium on Environmental Hydraulics, Tempe, Arizona (http://flow3d.info/pdfs/tp/wat_env_tp/FloSci-Bib28-01.pdf).
  3. Escarameia, M. (1998). Laboratory investigation of scour around large structures in tidal waters. Conf. Basics of Sediment Transport and Scouring. HR Wallingford (http://kfki.baw.de/conferences/ICHE/1998-Cottbus/55.pdf).
  4. May, R.W.P. and Escarameia, M. (2002). Local scour around structures in tidal flows. First International Conference on Scour Foundations, Texas A&M University.
  5. Margheritini, L., Martinelli, L., Lamberti, A. and Frigaard, P. (2006). Erosione indotta da onde e correnti di marea attorno a pali di grande diametro. XXX Convegni di Idraulica e Construzioni Idrauliche, Rome, September 2006 (http://www.idra2006.it/referee/files/L356.pdf).
  6. Olsen, N.R.B. and Melaan, M.C. (1993). “Three dimensional calculation of scour around cylinders”. J. Hyd. Eng., ASCE, 119(9),1048-1054.
  7. Richardson, E.V., and Davis (2001). Evaluating Scour at Bridged, Hydraulic Engineering Circular No. 18 – Fourth Edition. US Federal Highway Administration, Publication FHWA NHI 01-001.
  8. Roulund, A., Sumer, B.M., Fredsoe, J. and Michelsen, J. (2005). “Numerical and experimental investigation of flow and scour around a circular pile”. J. Fluid Mechanics, 534, 351-401.
Vasquez2009_CFD_scourDownload

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

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과:

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점:

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

Reference

  1. Rahimi E, Qaderi K., Rahimpour M,Ahmadi M. 2018. Effect of Debris onPiers Group Scour: Experimental Study.KSCE Journal of Civil Eng, 22(4):1496-1505.
  2. Yazdani A, Hoseini K, Karami H .2019.Investigation of Scouring of Rectangular Abutment in a Compound Channel Under Unsteady Flow, Amirkabir Journal ofCivil Engineering
  3. Fathi A, Zomorodian A .2018. Effect ofSubmerged Vanes on Scour around aBridge Abutment. KSCE Journal of CivilEng, 22(7): 2281-2289
  4. Hosseini S., Esmaili Varki M, Fazl Oli R.2014. Laboratory study of scouringaround inclined base group located onpile group, 13th Iran HydraulicConference, University of Tabriz[InPersian].
  5. Valizadeh R , Arman A.2019. 3DNumerical Simulation of Shear Stress inRectangular Compound Channel usingAnsys Fluent Model, Irrigation andDrainage Structures EngineeringResearch, 20: 77–94.
  6. Hashemi M , Zomorodian M, Alishahi M.2019. Simulation of Turbulent FlowAround Tandem Piers, Iranian Journal ofScience and Technology – Transactionsof Civil Engineering, 43 :761–768.
  7. Rajabizadeh, Ayubzadeh AS, Ghaderi K.2020. Laboratory study of the effect ofcircular collar on scour of the base of acylindrical bridge in unstable flow,Amirkabir Civil Journal, 10.22060 /CEEJ.2019.17078.6460[In Persian].
  8. Eghbalnik L, Vaqefi M, Golbahar M.2019. Influence of flow conditions on thedimensions of the scour cavity aroundthe base group of 6 sloping andperpendicular bridges on the flowdirection in the 180 degree arc channel.Journal of Civil Engineering TarbiatModares. 19 (4) [In Persian].
  9. Karimi M, Ghaderi K, Rahimpour M,Ahmadi M. 2020. Laboratory study of theeffect of the arrangement of submergedflat plates on scour around thefoundations and supports of the bridge,Amirkabir Civil Journal, 10.22060 /CEEJ.2020.17729.6654[In Persian].
  10. Keshavarzi A, Shrestha C. Zahedani M,Ball J, Khabbaz H . 2018. Experimentalstudy of flow structure around two in-line bridge piers, Proceedings of theInstitution of Civil Engineers – WaterManagement, Vol17(1): 311–327
  11. Osrush M , Hosseini A Kamanbedast A.2019. Evaluation and comparison of theslots and collars performance inreducing scouring around bridgeabutments, Amirkabir Journal of CivilEngineering
  12. Taheri Z , Ghomeshi M .2019.Experimental study of the effect ofnetted collar position on scour deptharound of oblong-shappe bridge pier,Amirkabir Journal of Civil Engineering,51: 81–82.
  13. Qasemzadeh F, Kuchakzadeh P. 2015.Simulation of hydraulic problems inFLOW-3D. Innovative PublishingPublications. Tehran. Iran [In Persian].
  14. Hedayatifar M., Purlak M. 2014.Simulation of fluid dynamics with FLOW-3D. Atiinger Publications. Tehran. Iran[In Persian].
  15. Marousi M., Roshan, R., and Sarkardeh,H. 2014. Analysis and design with Flow-3D software, Fadak Isatis Publications,first edition, Tehran, Iran[In Persian].
  16. Esmaili Varaki M, Saadati Pache KanariS. 2015. Laboratory study of the effect offoundation angle on the foundation onthe amount of scour around the bridgepier “, Journal of Water and SoilKnowledge, 25 (4): 27-39[In Persian]
  17. Hosseini S., Esmaili Varaki M, Fazl Oli R.2016. Laboratory study of scouringaround a sloping base located on a pilegroup “, Journal of Soil and WaterKnowledge, 25 (4): 135-147[In Persian].
  18. Sadat Jafari M. and Ayubzadeh A.,Esmaili Varaki M., Rostami M. 2016.Simulation of flow pattern aroundinclined base group using Flow-3Dnumerical model “, Journal of Water andSoil, 30 (6): 1860-1873[In Persian].
  19. Kardan N, Hassanpour N , Hoseinzade-Dalir H . 2018. Experimental andNumerical Investigation of Bed Erosionaround Bridge Piers with DifferentCross-Sections, Irrigation and DrainageStructures Engineering Research, 19:19–36.
Figure 7. Modelling results of velocity magnitude of the embankment at time interval (a) 60 s, (b) 100 s, and (c) 140 s.

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법:

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과:

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점:

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

레퍼런스:

  • Foster M, Fell R and Spannagle, M (2000) The statistics of embankment dam failures and accidents Can. Geotech. J 37(5) 1000–1024.
  • Allsop N W H A, Kortenhaus A and Morris M W (2007) Failure mechanisms for flood defensestructures FLOODsite Rep. T04-06-01 FLOODsite Consortium 〈www.floodsite.net〉.
  • Costa J E (1985) Floods from dam failures Open-File Rep. No. 85-560, USGS, Denver, 54.
  • Ralston D C (1987) Mechanics of embankment erosion during overflow Hydraulic Engineering, Proc 1987 National Conf. on Hydraulic Eng. ASCE Reston VA 733–738.
  • Xu Y and Zhang L M (2009) Breaching parameters of earth and rockfill dams Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering 135(12) 1957–1970.
  • Mat Lazin N A (2013) Erodible Dam Breaching Patterns Due to Overtopping. Johor Bahru: Universiti Teknologi Malaysia.
  • Zhao G. et al. (2015) Flow hydrodynamics in embankment breach Journal of Hydrodynamics27(6) 835-844.
  • Powledge G R, Ralston D C, Miller P, Chen Y H, Clopper P E and Temple D M (1989) Mechanics of overflow erosion on embankments II: Hydraulics and design considerations Journal of Hydraulic Research 115(8) 1056–1075.
  • ASDSO (Association of State Dam Safety Officials) (2020) Lessons learned: From Dam Incidents and Failure. https://damfailures.org/lessons-learned/high-and- significant-hazard-dams- should-be-design-to-pass-an-appropriate-design-flood-dams-constructed-prior-to-the-availability-of-extreme-rainfall-data-should-be-assessed-to-make-sure-they-have-ad/, retrieved date 15th July 2020.

Figure 9: 3D maximum sour around single pier (no initial flow)

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

연구 목적

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

연구 방법

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점

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

레퍼런스

  • Breusers, H. N. C., Nicollet, G., & Shen, H. W. (1977). Local scour around cylindrical piers. Journal of Hydraulic Research, 15(3), 211-252.
  • Coleman, S. E. (2005). Clearwater local scour at complex piers. Journal of Hydraulic Engineering, 131(4), 330-334.  
  • FLOW-3D User Manual. (n.d.).
  • Jalal, H. K., & Hassan, W. H. (2020). Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 745(1), 012150.  
  • Landers, M. N., & Mueller, D. S. (1996). Channel scour at bridges in the United States.
  • Melville, B. W. (1975). Local scour at bridge sites (Doctoral dissertation, researchspace@ auckland).
  • Melville, B. W., & Coleman, S. E. (2000). Bridge scour. Water Resources Publication.
  • Richardson, J. E., & Panchang, V. G. (1998). Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 124(5), 530-540.
  • Shepherd, R., & Frost, J. D. (1995). Failures in civil engineering: Structural, foundation and geoenvironmental case studies.  
  • Vasquez, J. A., & Walsh, B. W. (2009). CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow. 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, 913–920.
  • Wang, H., Tang, H., Xiao, J., Wang, Y., & Jiang, S. (2016). Clear-water local scouring around three piers in a tandem arrangement. Science China Technological Sciences, 59(6), 888–896.
Figure 6 | (a) Contaminant concentration distribution (gr/L) at 13 cm distance from channel bed; (b) contaminant concentration distribution (gr/L) at 17 cm distance from the channel bed.

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

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

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

1. 연구 목적

주요 연구 질문:

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

기존 연구의 한계:

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

2. 연구 방법

수치 모델링:

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

경계 조건:

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

3. 주요 결과

수위 차이와 혼합:

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

재순환 영역의 특징:

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

4. 결론

수위 조절의 중요성:

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

향후 연구 방향:

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

Reference

  • Alizadeh, L. & Fernandes, J. 2021 Turbulent flow structure in a confluence: influence of tributaries width and discharge ratios. Water 13 (4), 465.
  • Ashmore, P. E. 1991 How do gravel-bed rivers braid? Canadian Journal of Earth Sciences 28 (3), 326-341.
  • Ashmore, P. & Gardner, J. 2008 Unconfined confluences in braided rivers. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial network John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 119–147.
  • Benda, L., Poff, N. L., Miller, D., Dunne, T., Reeves, G., Pess, G. & Pollock, M. 2004 The network dynamics hypothesis: how channel networks structure riverine habitats. BioScience 54 (5), 413–427.
  • Best, J. L. 1986 The morphology of river channel confluences. Progress in Physical Geography 10 (2), 157–174.
  • Best, J. L. 1987 Flow Dynamics at River Channel Confluences: Implications for Sediment Transport and Bed Morphology. SEPM Special Publication, Tulsa, OK, USA.
  • Best, J. L. 1988 Sediment transport and bed morphology at river channel confluences. Sedimentology 35 (3), 481–498.
  • Best, J. L. & Ashworth, P. J. 1997 Scour in large braided rivers and the recognition of sequence stratigraphic boundaries. Nature 387 (6630), 275–277.
  • Best, J. L. & Reid, I. 1984 Separation zone at open-channel junctions. Journal of Hydraulic Engineering 110 (11), 1588–1594.
  • Best, J. L. & Rhoads, B. L. 2008 Sediment transport, bed morphology and the sedimentology of river channel confluences. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial Network John Wiley & Son, Chichester, UK, pp. 45–72.
  • Best, J. L. & Roy, A. G. 1991 Mixing-layer distortion at the confluence of channels of different depth. Nature 350 (6317), 411–413.
  • Biron, P. M. & Lane, S. N. 2008 Modelling hydraulics and sediment transport at river confluences. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial Network John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 17–43.
  • Biron, P., Best, J. L. & Roy, A. G. 1996a Effects of bed discordance on flow dynamics at open channel confluences. Journal of Hydraulic Engineering 122 (12), 676–682.
  • Biron, P., Roy, A. & Best, J. 1996b Turbulent flow structure at concordant and discordant open-channel confluences. Experiments in Fluids 21 (6), 437–446.
  • Biron, P. M., Ramamurthy, A. S. & Han, S. 2004 Three-dimensional numerical modeling of mixing at river confluences. Journal of Hydraulic Engineering 130 (3), 243–253.
  • Biron, P. M., Buffin-Bélanger, T. & Martel, N. 2018 Mixing processes at an ice-covered river confluence. In E3S Web of Conferences.
  • Boyer, C., Roy, A. G. & Best, J. L. 2006 Dynamics of a river channel confluence with discordant beds: flow turbulence, bed load sediment transport, and bed morphology. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 111 (F4), 1–22.
  • Bridge, J. S. 1993 The interaction between channel geometry, water flow, sediment transport and deposition in braided rivers. Geological Society, London, Special Publications 75 (1), 13–71.
  • Chabokpour, J. & Samadi, A. 2020 Analytical solution of reactive hybrid cells in series (HCIS) model for pollution transport through the rivers. Hydrological Sciences Journal 65 (14), 2499–2507.
  • Chabokpour, J., Azamathulla, H. M., Azhdan, Y. & Ziaei, M. 2020a Study of pollution transport through the river confluences by derivation of an analytical model. Water Science and Technology 82 (10), 2062–2075.
  • Chabokpour, J., Chaplot, B., Dasineh, M., Ghaderi, A. & Azamathulla, H. M. 2020b Functioning of the multilinear lag-cascade flood routing model as a means of transporting pollutants in the river. Water Supply 20 (7), 2845–2857.
  • Ettema, R. 2008 Management of confluences. In Rice, S. P., Roy, A. G. & Rhoads, B. L. (eds) River Confluences, Tributaries and the Fluvial Network John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 93–118.
  • Fielding, C. R. & Gupta, A. 2008 Sedimentology and stratigraphy of large river deposits: recognition in the ancient record, and distinction from ‘incised valley fills’. In Gupta, A. (ed.) Large Rivers: Geomorphology and Management John Wiley & Sons, Chichester, UK, pp. 97–113.
  • Gaudet, J. M. & Roy, A. G. 1995 Effect of bed morphology on flow mixing length at river confluences. Nature 373 (6510), 138–139.
  • Ghostine, R., Vazquez, J., Terfous, A., Rivière, N., Ghenaim, A. & Mosé, R. 2013 A comparative study of 1D and 2D approaches for simulating flows at right angled dividing junctions. Applied Mathematics and Computation 219 (10), 5070–5082.
  • Holbrook, J. M. & Bhattacharya, J. P. 2012 Reappraisal of the sequence boundary in time and space: case and considerations for an SU (subaerial unconformity) that is not a sediment bypass surface, a time barrier, or an unconformity. Earth-Science Reviews 113 (3–4), 271–302.
  • Ikinciogullari, E., Emiroglu, M. E. & Aydin, M. C. 2022 Comparison of scour properties of classical and Trapezoidal Labyrinth Weirs. Arabian Journal for Science and Engineering 47, 4023–4040.
  • Konsoer, K. M. & Rhoads, B. L. 2014 Spatial–temporal structure of mixing interface turbulence at two large river confluences. Environmental Fluid Mechanics 14 (5), 1043–1070.
  • Lane, S. N., Parsons, D. R., Best, J. L., Orfeo, O., Kostaschuk, R. & Hardy, R. J. 2008 Causes of rapid mixing at a junction of two large rivers: Río Paraná and Río Paraguay, Argentina. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 113 (F2), 1–16.
  • Liu, X., Li, L., Hua, Z., Tu, Q., Yang, T. & Zhang, Y. 2019 Flow dynamics and contaminant transport in Y-shaped river channel confluences. International Journal of Environmental Research and Public Health 16 (4), 572.
  • Lyubimova, T. P., Lepikhin, A. P., Parshakova, Y. N., Kolchanov, V. Y., Gualtieri, C., Roux, B. & Lane, S. N. 2020 A numerical study of the influence of channel-scale secondary circulation on mixing processes downstream of river junctions. Water 12 (11), 2969.
  • Mackay, J. R. 1970 Lateral mixing of the Liard and Mackenzie rivers downstream from their confluence. Canadian Journal of Earth Sciences 7 (1), 111–124.
  • Mosley, M. P. 1976 An experimental study of channel confluences. The Journal of Geology 84 (5), 535–562.
  • 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: The Journal of the British Geomorphological Research Group 32 (1), 155–162.
  • Ramamurthy, A. S., Carballada, L. B. & Tran, D. M. 1988 Combining open channel flow at right angled junctions. Journal of Hydraulic Engineering 114 (12), 1449–1460.
  • Ramón, C. L., Hoyer, A. B., Armengol, J., Dolz, J. & Rueda, F. J. 2013 Mixing and circulation at the confluence of two rivers entering a meandering reservoir. Water Resources Research 49 (3), 1429–1445.
  • Rhoads, B. L. & Kenworthy, S. T. 1998 Time-averaged flow structure in the central region of a stream confluence. Earth Surface Processes and Landforms: The Journal of the British Geomorphological Group 23 (2), 171–191.
  • 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.
  • Rhoads, B. L. & Sukhodolov, A. N. 2008 Lateral momentum flux and the spatial evolution of flow within a confluence mixing interface. Water Resources Research 44 (8), 1–17.
  • Richards, K. 1980 A note on changes in channel geometry at tributary junctions. Water Resources Research 16 (1), 241–244.
  • Riley, J. 2013 The Fluvial Dynamics of Confluent Meander Bends. University of Illinois at Urbana, Champaign, IL, USA.
  • 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. Fluvial Sedimentology VII, 145–158.
  • Schindfessel, L., Creëlle, S. & De Mulder, T. 2015 Flow patterns in an open channel confluence with increasingly dominant tributary inflow. Water 7 (9), 4724–4751.
  • Shit, P. K. & Maiti, R. 2013 Confluence dynamics in an ephemeral gully basin (A case study at Rangamati, Paschim Medinipur, West Bengal, India). Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology 15 (5), 3895–3911.
  • Shin, J., Lee, S. & Park, I. 2021 Analysis of storage effects in the recirculation zone based on the junction angle of channel confluence. Applied Sciences 11 (24), 11607.
  • Song, C. G., Seo, I. W. & Do Kim, Y. 2012 Analysis of secondary current effect in the modeling of shallow flow in open channels. Advances in Water Resources 41, 29–48.
  • Tang, H., Zhang, H. & Yuan, S. 2018 Hydrodynamics and contaminant transport on a degraded bed at a 90-degree channel confluence. Environmental Fluid Mechanics 18 (2), 443–463.
  • Van Rooijen, E., Mosselman, E., Sloff, K. & Uijttewaal, W. 2020 The effect of small density differences at river confluences. Water 12 (11), 3084.
  • Webber, N. B. & Greated, C. 1966 An investigation of flow behavior at the junction of rectangular channels. Proceedings of the Institution of Civil Engineers 34 (3), 321–334.
  • Xiao, Y., Xia, Y., Yuan, S. & Tang, H. 2019 Distribution of phosphorus in bed sediment at confluences responding to hydrodynamics. Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, 149–162.
  • Yu, Q., Yuan, S. & Rennie, C. D. 2020 Experiments on the morphodynamics of open channel confluences: implications for the accumulation of contaminated sediments. Journal of Geophysical Research: Earth Surface 125 (9), 1–25. e2019JF005438.
  • Yuan, S., Tang, H., Xiao, Y., Qiu, X., Zhang, H. & Yu, D. 2016 Turbulent flow structure at a 90-degree open channel confluence: accounting for the distortion of the shear layer. Journal of Hydro-Environment Research 12, 130–147.
  • Yuan, S., Tang, H., Xiao, Y., Chen, X., Xia, Y. & Jiang, Z. 2018 Spatial variability of phosphorus adsorption in surface sediment at channel confluences: field and laboratory experimental evidence. Journal of Hydro-Environment Research 18, 25–36.
  • Yuan, S., Tang, H., Li, K., Xu, L., Xiao, Y., Gualtieri, C., Rennie, C. & Melville, B. 2021 Hydrodynamics, sediment transport and morphological features at the confluence between the Yangtze River and the Poyang Lake. Water Resources Research 57 (3), 1–21. e2020WR028284.
  • Zhang, T., Feng, M., Chen, K. & Cai, Y. 2020 Spatiotemporal distributions and mixing dynamics of characteristic contaminants at a large asymmetric confluence in northern China. Journal of Hydrology 591, 125583.
Graphical Abstract

Numerical Investigation of Hydraulic Jump for Different Stilling Basins Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 다양한 정수지(Stilling Basin)에서의 수력 도약(Hydraulic Jump) 수치적 연구

Graphical Abstract
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
    1. Type-A: 기존 USBR Type-III 정수지
    2. Type-B: 쐐기형 바플 블록 적용 정수지
    3. 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 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 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
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

References

  1. Ali, C. Z. & Kaleem, S. M. 2015 Launching/disappearance of Stone Apron, block floor downstream of the Taunsa Barrage and unprecedent drift of the river towards Kot Addu Town. Sci. Technol. Dev. 34, 60–65. https://doi.org/10.3923/std.2015.60.65.
  2. Al-Mansori, N. J. H., Alfatlawi, T. J. M., Hashim, K. S. & Al-Zubaidi, L. S. 2020 The effects of different shaped baffle blocks on the energy dissipation. Civ. Eng. J. 6, 961–973. https://doi.org/10.28991/cej-2020-03091521.
  3. Aydogdu, M., Gul, E. & Dursun, O. F. 2022 Experimentally verified numerical investigation of the sill hydraulics for abruptly expanding stilling basin. Arabian J. Sci. Eng. 48 (4), 4563–4581. https://doi.org/10.1007/s13369-022-07089-6.
  4. Bakhmeteff, B. A. & Matzke, A. E. 1936 The hydraulic jump in terms of dynamic similarity. Trans. ASCE 100, 630–680.
  5. Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., Vallés-Morán, F. J. & López-Jiménez, P. A. 2016 Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environ. Modell. Software 80, 322–335. https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.02.018.
  6. Bayon-Barrachina, A. & Lopez-Jimenez, P. A. 2015 Numerical analysis of hydraulic jumps using OpenFOAM. J. Hydroinf. 17, 662–678. https://doi.org/10.2166/hydro.2015.041.
  7. Bayon-Barrachina, A., Valles-Moran, F. J., Lopes-Jiménez, P. A., Bayn, A., Valles-Morn, F. J. & Lopes-Jimenez, P. A. 2015 Numerical analysis and validation of south valencia sewage collection system. In: E-proceedings 36th IAHR World Congr, 28 June–3 July, 2015, Hague, Netherlands, Numer. 17, pp. 1–11.
  8. Bradley, J. N. & Peterka, A. J. 1958 Discussion of ‘Hydraulic design of stilling basins: Hydraulic jumps on a horizontal apron (Basin I)’. J. Hydraul. Div. 84, 77–81. https://doi.org/10.1061/jyceaj.0000243.
  9. Chachereau, Y. & Chanson, H. 2011 Free-surface fluctuations and turbulence in hydraulic jumps. Exp. Therm. Fluid Sci. 35, 896–909. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2011.01.009.
  10. Chanel, P. G. & Doering, J. C. 2009 Assessment of spillway modeling using computational fluid dynamics. 35, 1481–1485. https://doi.org/10.1139/L08-094.
  11. Chanson, H. & Gualtieri, C. 2008 Similitude and scale effects of air entrainment in hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 46, 35–44. https://doi.org/10.1080/00221686.2008.9521841.
  12. Chaudary, Z. A. & Sarwar, M. K. 2014 Rehabilitated taunsa barrage: Prospects and concerns. Sci. Technol. Dev. 33, 127–131.
  13. Ead, S. A. & Rajaratnam, N. 2002 Hydraulic jumps on corrugated beds. J. Hydraul. Eng. 128, 656–663. https://doi.org/10.1061/(asce)07339429(2002)128:7(656).
  14. Ebrahimiyan, S., Hajikandi, H., Shafai Bejestan, M., Jamali, S. & Asadi, E. 2021 Numerical study on the effect of sediment concentration on jump characteristics in trapezoidal channels. Iran. J. Sci. Technol. – Trans. Civ. Eng. 45, 1059–1075. https://doi.org/10.1007/s40996-02000510-w.
  15. Eloubaidy, A., Al-Baidhani, J. & Ghazali, A. 1999 Dissipation of hydraulic energy by curved baffle blocks. Pertanika J. Sci. Technol. 7, 69–77.
  16. Frizell, K. & Svoboda, C. 2012 Performance of Type III Stilling Basins-Stepped Spillway Studies. US Bur. Reclam, Denver, CO, USA.
  17. Gadge, P. P., Jothiprakash, V. & Bhosekar, V. V. 2018 Hydraulic investigation and design of roof profile of an orifice spillway using experimental and numerical models. J. Appl. Water Eng. Res. 6, 85–94. https://doi.org/10.1080/23249676.2016.1214627.
  18. Ghaderi, A., Daneshfaraz, R., Dasineh, M. & Di Francesco, S. 2020 Energy dissipation and hydraulics of flow over trapezoidal-triangular labyrinth weirs. Water (Switzerland) 12. https://doi.org/10.3390/w12071992.
  19. Goel, A. 2007 Experimental study on stilling basins for square outlets. In: 3rd WSEAS International Conference on Applied and Theoretical Mechanics, Spain, pp. 157–162.
  20. Goel, A. 2008 Design of stilling basin for circular pipe outlets. Can. J. Civ. Eng. 35, 1365–1374. https://doi.org/10.1139/L08-085.
  21. Habibzadeh, A., Wu, S., Ade, F., Rajaratnam, N. & Loewen, M. R. 2011 Exploratory study of submerged hydraulic jumps with blocks. J. Hydraul. Eng. 137, 706–710. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000347.
  22. Habibzadeh, A., Loewen, M. R. & Rajaratnam, N. 2012 Performance of baffle blocks in submerged hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 138, 902–908. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0000587.
  23. Hager, W. H. & Sinniger, R. 1985 Flow characteristics of the hydraulic jump in a stilling basin with an abrupt bottom rise. J. Hydraul. Res. 23, 101–113. https://doi.org/10.1080/00221688509499359.
  24. Hirt, C. W. & Nichols, B. D. 1981 A computational method for free surface hydrodynamics. J. Press. Vessel Technol. Trans. ASME 103, 136–141. https://doi.org/10.1115/1.3263378.
  25. Ikhsan, C., Permana, A. S. & Negara, A. S. 2022 Armor layer uniformity and thickness in stationary conditions with steady uniform flow. Civ. Eng. J. 8, 1086–1099. https://doi.org/10.28991/CEJ-2022-08-06-01.
  26. Jesudhas, V., Balachandar, R., Roussinova, V. & Barron, R. 2018 Turbulence characteristics of classical hydraulic jump using DES. J. Hydraul. Eng. 144, 1–15. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001427.
  27. Johnson, M. C. & Savage, B. M. 2006 Physical and numerical comparison of flow over ogee spillway in the presence of tailwater. J. Hydraul. Eng. 132, 1353–1357. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(2006)132:12(1353).
  28. Jones, W. P. & Launder, B. E. 1972 The prediction of laminarization with a two-equation model of turbulence. Int. J. Heat Mass Transfer 15, 301–314. https://doi.org/10.1016/0017-9310(72)90076-2.
  29. Kamath, A., Fleit, G. & Bihs, H. 2019 Investigation of free surface turbulence damping in RANS simulations for complex free surface flows. Water (Switzerland) 3, 456. https://doi.org/10.3390/w11030456.
  30. Kucukali, S. & Chanson, H. 2008 Turbulence measurements in the bubbly flow region of hydraulic jumps. Exp. Therm. Fluid Sci. 33, 41–53. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2008.06.012.
  31. Lueker, M. L., Mohseni, O., Gulliver, J. S., Schulz, H. & Christopher, R. A. 2008 The Physical Model Study of the Folsom Dam Auxiliary Spillway System. Associates California Engineers LLC, Walnut Creek, CA and Sacramento District of the US Army Corps of Engineers Minneapolis, Minnesota.
  32. Macián-Pérez, J. F., Bayón, A., García-Bartual, R., Amparo López-Jiménez, P. & Vallés-Morán, F. J. 2020a Characterization of structural properties in high reynolds hydraulic jump based on CFD and physical modeling approaches. J. Hydraul. Eng. 146, 04020079. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001820.
  33. Macián-Pérez, J. F., García-Bartual, R., Huber, B., Bayon, A. & Vallés-Morán, F. J. 2020b Analysis of the flow in a typified USBR II stilling basin through a numerical and physical modeling approach. Water (Switzerland) 12, 6–20. https://doi.org/10.3390/w12010227.
  34. Mirzaei, H. & Tootoonchi, H. 2020 Experimental and numerical modeling of the simultaneous effect of sluice gate and bump on hydraulic jump. Model. Earth Syst. Environ. 6, 1991–2002. https://doi.org/10.1007/s40808-020-00835-5.
  35. Moghadam, K. F., Banihashemi, M. A., Badiei, P. & Shirkavand, A. 2019 A numerical approach to solve fluid-solid two-phase flows using time splitting projection method with a pressure correction technique. Prog. Comput. Fluid Dyn. 19, 357–367. https://doi.org/10.1504/pcfd.2019.10024491.
  36. Moghadam, K. F., Banihashemi, M. A., Badiei, P. & Shirkavand, A. 2020 A time-splitting pressure-correction projection method for complete two-fluid modeling of a local scour hole. Int. J. Sediment Res. 35, 395–407. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2020.02.004.
  37. Murzyn, F. & Chanson, H. 2009 Experimental investigation of bubbly flow and turbulence in hydraulic jumps. Environ. Fluid Mech. 9, 143–159. https://doi.org/10.1007/s10652-008-9077-4.
  38. Nikmehr, S. & Aminpour, Y. 2020 Numerical simulation of hydraulic jump over rough beds. Period. Polytech. Civ. Eng. 64, 396–407. https://doi.org/10.3311/PPci.15292.
  39. Peterka, A. J. 1984 Hydraulic design of stilling basins and energy dissipators. Water Resour. Tech. Publ. – US Dep. Inter. 240, 1–240.
  40. Pillai, N. N. & Kansal, M. L. 2022 Stilling basins using wedge-shaped baffle blocks. In: 9th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures (9th ISHS). Proceedings of the 9th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, 9th ISHS, 24–27 October 2022, IIT Roorkee, Roorkee, India.
  41. Pillai, N. N., Goel, A. & Dubey, A. K. 1989 Hydraulic jump type stilling basin for low Froude numbers. J. Hydraul. Eng. 115, 989–994. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(1989)115:7(989).
  42. Qasim, R. M., Mohammed, A. A. & Abdulhussein, I. A. 2022 An investigating of the impact of bed flume discordance on the Weir-Gate hydraulic structure. HighTech Innov. J. 3, 341–355. https://doi.org/10.28991/HIJ-2022-03-03-09.
  43. Savage, B. M. & Johnson, M. C. 2001 Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. J. Hydraul. Eng. 127, 640–649. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9429(2001)127:8(640).
  44. Shirkavand, A. & Badiei, P. 2014 The application of a Godunov-type shock capturing scheme for the simulation of waves from deep water up to the swash zone. Coast. Eng. 94, 1–9.
  45. Shirkavand, A. & Badiei, P. 2015 Evaluation and modification of time splitting method applied to the fully dynamic numerical solution of water wave propagation. Prog. Comput. Fluid Dyn. Int. J. 15, 228–235.
  46. Siuta, T. 2018 The impact of deepening the stilling basin on the characteristics of hydraulic jump. Czas Tech., 173–186. https://doi.org/10.4467/2353737xct.18.046.8341.
  47. Tiwari, H. L. & Goel, A. 2016 Effect of impact wall on energy dissipation in stilling basin. KSCE J. Civ. Eng. 20, 463–467. https://doi.org/10.1007/s12205-015-0292-5.
  48. Tiwari, H. L., Gahlot, V. K. & Goel, A. 2010 Stilling basins below outlet works – an overview. Int. J. Eng. Sci. 2, 6380–6385.
  49. Tohamy, E., Saleh, O. K., Mahgoub, S. A., Abd, N. F., Azim, E., Abd, S. H. & Ghany, E. 2022 Effect of vertical screen on energy dissipation and water surface profile using flow 3D. Egypt. Int. J. Eng. Sci. Technol. 38, 20–25.
  50. Torkamanzad, N., Dalir, A. H., Salmasi, F. & Abbaspour, A. 2019 Hydraulic jump below abrupt asymmetric expanding stilling basin on rough Bed. Water (Switzerland) 11, 1–29.
  51. Verma, D. V. S. & Goel, A. 2003 Development of efficient stilling basins for pipe outlets. J. Irrig. Drain. Eng. 129, 194–200. https://doi.org/10.1061/(asce)0733-9437(2003)129:3(194).
  52. Verma, D. V. S., Goel, A. & Rai, V. 2004 New stilling basins designs for deep rectangular OutletS. IJE Trans. A Basics 17, 1–10.
  53. Wang, H. & Chanson, H. 2015 Experimental study of turbulent fluctuations in hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 141, 04015010. https://doi.org/10.1061/(asce)hy.1943-7900.0001010.
  54. Widyastuti, I., Thaha, M. A., Lopa, R. T. & Hatta, M. P. 2022 Dam-break energy of porous structure for scour countermeasure at bridge abutment. Civ. Eng. J. 8, 3939–3951. https://doi.org/10.28991/CEJ-2022-08-12-019.
  55. Wilcox, D. C. 2008 Formulation of the k-ω turbulence model revisited. AIAA J. 46, 2823–2838. https://doi.org/10.2514/1.36541.
  56. Yakhot, V., Thangam, S., Gatski, T. B., Orszag, S. A. & Speziale, C. G. 1991 Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Phys. Fluids A 4, 1510–1520.
  57. Yamini, O. A., Movahedi, A., Mousavi, S. H., Kavianpour, M. R. & Kyriakopoulos, G. L. 2022 Hydraulic performance of seawater intake system using CFD modeling. J. Mar. Sci. Eng. 10. https://doi.org/10.3390/jmse10070988.
  58. Zaffar, M. W. & Hassan, I. 2023 Hydraulic investigation of stilling basins of the barrage before and after remodelling using FLOW-3D. Water Supply 23, 796–820. https://doi.org/10.2166/ws.2023.032.
  59. Zaidi, S. M. A., Khan, M. A. & Rehman, S. U. 2004 Planning and design of Taunsa Barrage Rehabilitation Project. In: Pakistan Engineering Congress. Lahore. 71st Annu. Sess. Proceedings, Pap.687, pp. 228–286.
  60. Zaidi, S. M. A., Amin, M. & Ahmadani, M. A. 2011 Performance evaluation of Taunsa barrage emergency rehabilitation and modernization project. In Pakistan Engineering Congress. 71st Annu. Sess. Proceedings, Pap. pp. 650–682.
jws0721320Download
FLOW-3D 2025 R1

FLOW-3D 2025R1 의 새로운 기능

FLOW-3D 2025R1은 코어 CFD 솔버에 완전히 결합된 새로운 이산 요소 방법(DEM) 모델을 추가하여 설계 및 연구할 수 있는 제품과 프로세스를 확장합니다. 이제 사용자는 고급 입자-입자 상호작용 기능을 활용하여 다양한 입자 처리, 슬러리 혼합, 분리 공정 및 기타 입자가 많은 흐름을 시뮬레이션할 수 있습니다.

Simulation of a cyclonic separator
새로운 DEM 모델을 사용하여 효율성과 청소율을 최적화하기 위한 사이클론 분리기 설계

참고: 이 모델은 별도의 라이선스 토큰이 필요하며, 추가 비용을 지불하고 추가할 수 있습니다. 

이전 버전 업데이트

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

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법

모델링 설정

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

모델 검증

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

주요 결과

흐름 특성 분석

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

구조물 영향 평가

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

결론 및 시사점

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

레퍼런스

  • Kim, S.H.; Kim, W.; Lee, E.R.; Choi, G.H. Analysis of Hydraulic Effects of Singok Submerged Weir in the Lower Han River. J. Korean Water Resour. Assoc. 2005, 38, 401–413. [CrossRef]  
  • Kim, K.H.; Choi, G.W.; Jo, J.B. An Experimental Study on the Stream Flow by Discharge Ratio. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 377–382.  
  • Lee, D.S.; Yeo, H.G. An Experimental Study for Determination of the Material Diameter of Riprap Bed Protection Structure. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 1036–1039.  
  • Choi, G.W.; Byeon, S.J.; Kim, Y.G.; Cho, S.U. The Flow Characteristic Variation by Installing a Movable Weir having Water Drainage Equipment on the Bottom. J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2008, 8, 117–122.  
  • Jung, J.G. An Experimental Study for Estimation of Bed Protection Length. J. Korean Wetl. Soc. 2011, 13, 677–686.
  • Kim, J.H.; Sim, M.P.; Choi, G.W.; Oh, J.M. Hydraulic Analysis of Air Entrainment by Weir Types. J. Korean Water Resour. Assoc. 2006, 39, 109–119.
  • French, R.H. Open-Channel Hydraulics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1985.
  • Chow, V.T. Open-Channel Hydraulics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1959.
  • Henderson, F.M. Open Channel Flow; Macmillan: New York, NY, USA, 1966.
  • Montes, J.S. Hydraulics of Open Channel Flow; ASCE Press: Reston, VA, USA, 1998.
  • Liggett, J.A. Fluid Mechanics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1994.
  • Anderson, J.D. Fundamentals of Aerodynamics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 2010.
  • Wilcox, D.C. Turbulence Modeling for CFD; DCW Industries: La Canada, CA, USA, 1998.
  • Launder, B.E.; Spalding, D.B. The numerical computation of turbulent flows. Comput. Methods Appl. Mech. Eng. 1974, 3, 269–289. [CrossRef]  
  • Rodi, W. Turbulence Models and Their Application in Hydraulics—A State-of-the-Art Review; IAHR: Delft, The Netherlands, 1980.
  • Pope, S.B. Turbulent Flows; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2000.
  • Fluent Inc. FLUENT 6.3 User’s Guide; Fluent Inc.: Lebanon, NH, USA, 2006.
  • FLOW-3D. FLOW-3D User’s Manual, Version 10.5; Flow Science: Santa Fe, NM, USA, 2010.
  • Kim, Y.D.; Park, J.H.; Lee, J.H.; Kim, K.H. Numerical Analysis of Hydraulic Characteristics around Fishway using FLOW-3D. J. Korean Soc. Civ. Eng. 2012, 32, 1–10. [CrossRef]
  • Kim, K.H.; Choi, G.W.; Jo, J.B. An Experimental Study on the Stream Flow by Discharge Ratio. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 377–382.  
  • Lee, D.S.; Yeo, H.G. An Experimental Study for Determination of the Material Diameter of Riprap Bed Protection Structure. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 2005, 05b, 1036–1039.  
  • Choi, G.W.; Byeon, S.J.; Kim, Y.G.; Cho, S.U. The Flow Characteristic Variation by Installing a Movable Weir having Water Drainage Equipment on the Bottom. J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2008, 8, 117–122.  
  • Jung, J.G. An Experimental Study for Estimation of Bed Protection Length. J. Korean Wetl. Soc. 2011, 13, 677–686.
  • Kim, S.H.; Kim, W.; Lee, E.R.; Choi, G.H. Analysis of Hydraulic Effects of Singok Submerged Weir in the Lower Han River. J. Korean Water Resour. Assoc. 2005, 38, 401–413. [CrossRef]  
  • Kim, J.H.; Sim, M.P.; Choi, G.W.; Oh, J.M. Hydraulic Analysis of Air Entrainment by Weir Types. J. Korean Water Resour. Assoc. 2006, 39, 109–119.
sustainability-14-10493-v3Download
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)

An Investigation on Hydraulic Aspects of Rectangular Labyrinth Pooland Weir Fishway Using FLOW-3D

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)
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 flow
Fig. 1 Weir fishways dimensionless discharge equations: a: Plunging flow and b: Streaming flow
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)

참고 문헌

  1. Katopodis C (1992) Introduction to fishway design, working document. Freshwater Institute, Central Arctic Region
  2. Marriner, B.A.; Baki, A.B.M.; Zhu, D.Z.; Thiem, J.D.; Cooke, S.J.; Katopodis, C.: Field and numerical assessment of turning pool hydraulics in a vertical slot fishway. Ecol. Eng. 63, 88–101 (2014). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2013.12.010
  3. Dasineh, M.; Ghaderi, A.; Bagherzadeh, M.; Ahmadi, M.; Kuriqi, A.: Prediction of hydraulic jumps on a triangular bed roughness using numerical modeling and soft computing methods. Mathematics 9, 3135 (2021)
  4. Silva, A.T.; Bermúdez, M.; Santos, J.M.; Rabuñal, J.R.; Puertas, J.: Pool-type fishway design for a potamodromous cyprinid in the Iberian Peninsula: the Iberian barbel—synthesis and future directions. Sustainability 12, 3387 (2020). https://doi.org/10.3390/su12083387
  5. Santos, J.M.; Branco, P.; Katopodis, C.; Ferreira, T.; Pinheiro, A.: Retrofitting pool-and-weir fishways to improve passage performance of benthic fishes: effect of boulder density and fishway discharge. Ecol. Eng. 73, 335–344 (2014). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.09.065
  6. Ead, S.; Katopodis, C.; Sikora, G.; Rajaratnam, N.J.J.: Flow regimes and structure in pool and weir fishways. J. Environ. Eng. Sci. 3, 379–390 (2004)
  7. Guiny, E.; Ervine, D.A.; Armstrong, J.D.: Hydraulic and biological aspects of fish passes for Atlantic salmon. J. Hydraul. Eng. 131, 542–553 (2005)
  8. Yagci, O.: Hydraulic aspects of pool-weir fishways as ecologically friendly water structure. Ecol. Eng. 36, 36–46 (2010). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2009.09.007
  9. Dizabadi, S.; Hakim, S.S.; Azimi, A.H.: Discharge characteristics and structure of flow in labyrinth weirs with a downstream pool. Flow Meas. Instrum. 71, 101683 (2020). https://doi.org/10.1016/j.flowmeasinst.2019.101683
  10. Kim, J.H.: Hydraulic characteristics by weir type in a pool-weir fishway. Ecol. Eng. 16, 425–433 (2001). https://doi.org/10.1016/S0925-8574(00)00125-7
  11. Zhong, Z.; Ruan, T.; Hu, Y.; Liu, J.; Liu, B.; Xu, W.: Experimental and numerical assessment of hydraulic characteristic of a new semi-frustum weir in the pool-weir fishway. Ecol. Eng. 170, 106362 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2021.106362
  12. Hirt, C.W.; Nichols, B.D.: Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 39, 201–225 (1981). https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5
  13. Roache, P.J.: Perspective: a method for uniform reporting of grid refinement studies. J. Fluids Eng. 1994(116), 405–413 (1994)
  14. Guo, S.; Chen, S.; Huang, X.; Zhang, Y.; Jin, S.: CFD and experimental investigations of drag force on spherical leak detector in pipe flows at high Reynolds number. Comput. Model. Eng. Sci. 101(1), 59–80 (2014)
  15. Ahmadi, M.; Kuriqi, A.; Nezhad, H.M.; Ghaderi, A.; Mohammadi, M.: Innovative configuration of vertical slot fishway to enhance fish swimming conditions. J. Hydrodyn. 34, 917–933 (2022). https://doi.org/10.1007/s42241-022-0071-y
  16. Ahmadi, M.; Ghaderi, A.; MohammadNezhad, H.; Kuriqi, A.; Di Francesco, S.J.W.: Numerical investigation of hydraulics in a vertical slot fishway with upgraded configurations. Water 13, 2711 (2021)
  17. Celik, I.B.; Ghia, U.; Roache, P.J.; Freitas, C.J.J.: Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. J. Fluids Eng. Trans. ASME (2008). https://doi.org/10.1115/1.2960953
  18. Li, S.; Yang, J.; Ansell, A.: Evaluation of pool-type fish passage with labyrinth weirs. Sustainability (2022). https://doi.org/10.3390/su14031098
  19. Ghaderi, A.; Dasineh, M.; Aristodemo, F.; Aricò, C.: Numerical simulations of the flow field of a submerged hydraulic jump over triangular macroroughnesses. Water 13(5), 674 (2021)
  20. Branco, P.; Santos, J.M.; Katopodis, C.; Pinheiro, A.; Ferreira, M.T.: Pool-type fishways: two different morpho-ecological cyprinid species facing plunging and streaming flows. PLoS ONE 8, e65089 (2013). https://doi.org/10.1371/journal.pone.0065089
  21. Baki, A.B.M.; Zhu, D.Z.; Harwood, A.; Lewis, A.; Healey, K.: Rock-weir fishway I: flow regimes and hydraulic characteristics. J. Ecohydraulics 2, 122–141 (2017). https://doi.org/10.1080/24705357.2017.1369182
  22. Dizabadi, S.; Azimi, A.H.: Hydraulic and turbulence structure of triangular labyrinth weir-pool fishways. River Res. Appl. 36, 280–295 (2020). https://doi.org/10.1002/rra.3581
  23. Faizal, W.M.; Ghazali, N.N.N.; Khor, C.Y.; Zainon, M.Z.; Ibrahim, N.B.; Razif, R.M.: Turbulent kinetic energy of flow during inhale and exhale to characterize the severity of obstructive sleep apnea patient. Comput. Model. Eng. Sci. 136(1), 43–61 (2023)
  24. Cotel, A.J.; Webb, P.W.; Tritico, H.: Do brown trout choose locations with reduced turbulence? Trans. Am. Fish. Soc. 135, 610–619 (2006). https://doi.org/10.1577/T04-196.1
  25. Hargreaves, D.M.; Wright, N.G.: On the use of the k–ε model in commercial CFD software to model the neutral atmospheric boundary layer. J. Wind Eng. Ind. Aerodyn. 95, 355–369 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jweia.2006.08.002
  26. Kupferschmidt, C.; Zhu, D.Z.: Physical modelling of pool and weir fishways with rock weirs. River Res. Appl. 33, 1130–1142 (2017). https://doi.org/10.1002/rra.3157
  27. Romão, F.; Quaresma, A.L.; Santos, J.M.; Amaral, S.D.; Branco, P.; Pinheiro, A.N.: Multislot fishway improves entrance performance and fish transit time over vertical slots. Water (2021). https://doi.org/10.3390/w13030275
s00024-024-03443-xDownload
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

Comparison Between Numerical Flow3D Software and Laboratory Data for Sediment Incipient Motion

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
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:
      1. MPM (Meyer-Peter Müller, 1948) 모델
      2. 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 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 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
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

References

  1. Dey S and Debnath K, (2000). Influence of streamwise bed slope on sediment threshold under streamflow. J. Irrig. Drain. Eng. 126(4), 255-263.
  2. Sulaiman S O, Al-Ansari, N., Shahadha, A. et al. Evaluation of sediment transport empirical equations: case study of the Euphrates River West Iraq. Arab J Geosci 14, 825 (2021). https://doi.org/10.1007/s12517-021-07177-1.
  3. Yaseen Z M, Sulaiman S O, Sharif A. (2021) The Nature of Tigris–Euphrates Rivers Flow: Current Status and Future Prospective. In: Jawad L.A. (eds) Tigris and Euphrates Rivers: Their Environment from Headwaters to Mouth. Aquatic Ecology Series, vol 11. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-57570-0_8
  4. Kosaj R, Alboresha R, and Sulaiman S, University of Anbar, sediment incipient motion in the rigid boundary open channel of the city of Ramadi, Iraq. Design Engineering, 2021, p.1474-1484.
  5. Liu N, Zhang J, 2019. Computational Fluid Dynamics, ASCE Publications. American Society of Civil Engineers, Reston, VA. https://doi.org/10.1061/9780784415313.
  6. Mustafa A S, Sulaiman S O and Hussein O M. (2016) “Application of SWAT Model for Sediment Loads from Valleys Transmitted to Haditha Reservoir”, Journal of Engineering, 22(1), pp. 184–197.
  7. Dargahi J, 2006. Physical model Study and 3D Numerical Simulations. Hydraul. Eng. 132, 899–907. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2006)132:9(899)
  8. Tu J, Yeoh G H, Liu C, 2018. Computational fluid dynamics: a practical approach. Butterworth-Heinemann.
  9. Sulaiman S O, Abdullah H H, Al-Ansari, N., Laue, J., Yaseen, Z.M. (2021). Simulation model for optimal operation of Dokan Dam reservoir northern of Iraq. International Journal of Design & Nature and Ecodynamics, Vol. 16, No. 3, pp. 301-306. https://doi.org/10.18280/ijdne.160308
  10. Sarwar M K, Ahmad I, Chaudary Z A, Mughal H U R, 2020. Physical model and numerical studies on orifice spillway aerator of Bunji Dam. J. Chinese Inst. Eng. 43, 27–36. https://doi.org/10.1080/02533839.2019.1676652.
  11. Zeng J, Zhang L, Ansar M, Damisse E, González-Castro J A, 2017. Applications of Computational Fluid Dynamics to Flow Ratings at Prototype Spillways and Weirs. II: Framework for Planning, Data Assessment, and Flow Rating. J. Irrig. Drain. Eng. 143, 04016073. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001113
  12. Akintorinwa O J, Ajayi C A, Oyedele A A, 2020. Determination and establishment of the empirical relationship between magnetic susceptibility and mechanical properties of typical basement rocks in Southwestern Nigeria. Int. J. Phys. Sci. 15, 70 – 89. https://doi.org/10.5897/IJPS2020.4870.
  13. Al-Qadami E H H, Abdurrasheed A S, Mustaffa Z, Yusof K W, Malek M A, Ghani A A, 2019. Numerical modeling of flow characteristics over the sharp-crested triangular hump. Results Eng. 4, 100052. https://doi.org/10.1016/j.rineng.2019.100052.
  14. Aydin M C, Isik E, Ulu A E, 2020. Numerical modeling of spillway aerators in high-head dams. Appl. Water Sci. 10, 42. https://doi.org/10.1007/s13201- 019-1126-2.
  15. Dehdar-behbahani S, Parsaie A, 2016. Numerical modeling of flow pattern in dam spillway’s guide wall. Case study: Balaroud dam, Iran. Alexandria Eng. J. 55, 467–473. https://doi.org/10.1016/j.aej.2016.01.006.
  16. Dong, Wang, Vetsch, Boes, Tan, 2019. Numerical Simulation of Air– Water Two-Phase Flow on Stepped Spillways Behind X-Shaped Flaring Gate Piers under Very High Unit Discharge. Water 11, 1956. https://doi.org/10.3390/w11101956.
  17. Fadaei K E, Barani G A, 2014. Numerical simulation of flow over spillway based on the CFD method.
  18. Ghanbari R, Heidarnejad M, 2020. Physical model and numerical analysis of flow hydraulics in triangular and rectangular piano key weirs. Water Sci. 1– 7. https://doi.org/10.1080/11104929.2020.1724649.
  19. Macián-Pérez J F, García-Bartual R, Huber B, Bayon A, Vallés-Morán F J, 2020. Analysis of the Flow in a Typified USBR II Stilling Basin through a Numerical and Physical Modeling Approach. Water 12, 227. https://doi.org/10.3390/w12010227.
  20. Savage B M, Johnson M C, 2001. Flow over Ogee Spillway: Physical and Numerical Model Case Study. J. Hydraul. Eng. 127, 640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:8(640).
  21. Yildiz A, Yarar A, Kumcu S Y, Marti, A.I., 2020. Numerical and ANFIS modeling of flow over an ogee-crested spillway. Appl. Water Sci. 10, 90. https://doi.org/10.1007/s13201-020-1177-4.
  22. Ho D K H, Boyes K M, Donohoo S M, 2001. Investigation of behavior under increased maximum flood by computational fluid dynamics technique, in 14th Australasian Fluid Mechanics Conference, Adelaide University, Adelaide, Australia.
  23. Morais V H P, Gireli T Z, Vatavuk P, 2020. Numerical and physical model models applied to an ogee crest spillway and roller bucket stilling basin. RBRH 25. https://doi.org/10.1590/2318-0331.252020190005.
  24. Yusuf F, Micovic Z, 2020. Prototype-Scale Investigation of Spillway Cavitation Damage and Flow3D Numerical Modeling of Mitigation Options. J. Hydraul. Eng. 146, 04019057. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943- 7900.0001671.
  25. Hirt C W, Nichols B D, 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of Computational Physics, Volume 39, Issue 1, January 1981, Pages 201-225, https://doi.org/10.1016/0021- 9991(81)90145-5.
  26. Simsek O, Akoz M S, Soydan N G, 2016. Numerical validation of open channel flow over a curvilinear broad-crested weir. Prog. Comput. fluid Dyn. an Int. J. 16, 364–378.
  27. Hekmatzadeh A A, Papari S, , Amiri S M, 2018. Investigation of Energy Dissipation on Various Configurations of Stepped Spillways Considering Several RANS Turbulence Models. Iran. J. Sci. Technol. Trans. Civ. Eng. 42, 97–109. https://doi.org/10.1007/s40996-017-0085-9.
  28. Parsaie A, Haghiabi A H, Moradinejad A, 2015. CFD modeling of flow pattern in the approach channel. Sustain. Water Resour. Manag. 1, 245–251. https://doi.org/10.1007/s40899-015-0020-9.
  29. 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. pp. 39–64.
  30. Nielsen P, 1992, Coastal bottom boundary layers and sediment transport (Vol. 4). World scientific.
  31. Jacobsen J, Olsen N R B, 2010. Numerical modeling of the capacity for a complex spillway, January 2010Water Management 163(6):283-288, DOI:10.1680/wama.2010.163.6.283.b
  32. Chanel P G, Doering J C, 2008. Assessment of spillway modeling using computational fluid dynamics. Can. J. Civ. Eng. 35, 1481–1485.
  33. Demeke G K, Asfaw D H, Shiferaw, Y.S., 2019. 3D Hydrodynamic Modelling Enhances the Design of Tendaho Dam Spillway, Ethiopia. Water 11, 82. https://doi.org/10.3390/w11010082.
Kosaj_2022_IOP_Conf._Ser.__Earth_Environ._Sci._961_012031Download

Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan

Flow-3D 모형을 이용한 충주댐 보조여수로 계획 평가

FLOW-3D를 이용한 충주댐 보조여수로 설치 계획 평가 및 개선안 제시

Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 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

  1. 기존 설계안
  2. 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. 1. Additional Construction Plan for the Chungju Dam Spillway
Fig. 6. Discharge Passing through Each Weir
Fig. 6. Discharge Passing through Each Weir
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan
Fig. 9. Improvement Measures for Tunnel Plan

References

  1. Ahn, C.H. (2003). Application of CFD program for analyzing the hydrodynamic characteristics of baffled PAC contactor. Ph.D. dissertation, Chungbuk National University.
  2. Ho, D.K.H., Boyes, K.M., and Donohoo, S.M. (2001). Investigation of spillway behavior under increased maximum flood by com-putational fluid dynamics technique. 14th Australasian Fluid Mechanics Conference, pp. 10-14.
  3. Jeong, C.S. (2015). Discharge coefficient of side weir for various curvatures simulated by FLOW-3D. Journal of Korean Society of Disaster and Security, Vol. 8, No. 1, pp. 5-13.
  4. Jeong, J.W., Jeung, S.J., and Kim, B.S. (2021). Future extreme climate analysis of Jeju using climate change scenario and ETCCDI index. J. Korean Soc. Hazard Miti., Vol. 21, No. 4, pp. 13-21.
  5. Joo, J.G., Lee, J.M., and Park, M.J. (2023). Evaluation of carbon emissions according to the steep slope maintenance project. J. Korean Soc. Hazard Mitig., Vol. 23, No. 1, pp. 37-42.
  6. Kang, S.H. (2012). A comparison of hydraulic phenomenon in inlet and outlet point in retention reservoir using FLOW-3D model and hydraulic experiment. Master’s thesis, Donga University.
  7. Kim, D.G., Choi, J.W., Kim, C.S., and Lee, J.W. (2005). Spillway design by using hydraulic and numerical model wxperiment: Case study of hwabuk multipurpose dam. Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 38, No. 3, pp. 179-188.
  8. Kim, H.Y., Zhang, X.H., Cho, J.H., and Joo, J.G. (2020). Analysis of regional drought correlation using drought indicators. J. Korean Soc. Hazard Mitig., Vol. 20, No. 6, pp. 283-290.
  9. Kim, N.I. (2003). Investigation of scale effects of hydraulic model for dam spillway using 3-D CFD model. Ph.D. dissertation, Seoul National University.
  10. K-Water. (1994). Basic plan to review dam hydrological stability and increase flood control capacity.
  11. Oh, B.D. (2004). Flow analysis of parshall flume using FLOW-3D. Ph.D. dissertation, Chungbuk National University.
  12. Savage, B.M., and Johnson, M.C. (2001). Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 127, No. 8, pp. 640-649.
KOSHAM-2023-23-5-165Download
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)

변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증

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

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

항주파 이론식 개발

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

수치 실험(FLOW-3D) 설정

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

주요 결과

이론식과 FLOW-3D 시뮬레이션 비교

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

References

  1. Havelock, T. H. (1908). “The propagation of groups of waves in dispersive media, with application to waves on water produced by a travelling disturbance.” Proceedings of the Royal Society of London, Series A, pp. 398-430.
  2. Kelvin, W. T. (1887). “On the waves produced by a single impulse in water of any depth.” Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 42, pp. 80-83.
  3. Lee, C., Lee, B. W., Kim, Y. J., and Ko, K. O. (2011). “Ship wave crests in intermediate-depth water.” Proceedings of the 6th International Conference on Asian and Pacific Coasts, Hong Kong, pp. 1818-1825.
  4. Taylor, D. W. (1943). The Speed and Power of Ships. U.S. Government Printing Office.
Prediction of ship wave Crests on Varying Water Depths and Verification by FLOW-3DDownload
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.

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

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

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

어도(Fishway) 모델 설정

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

주요 결과

유동 구조 분석

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

계산 비용 및 효율 비교

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

References

  1. Bayon, A., Valero, D., García-Bartual, R., Vallés-Morán, F.J., and López-Jiménez, P.A. (2016). “Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump.” Environ. Model. Software, 80, 322-335.
  2. Chen, F., Xu, A.G., Zhang, G.C., and Li, Y.J. (2010). “Three-Dimensional Lattice Boltzmann Model for High-Speed Compressible Flows.” Communications in Theoretical Physics, 54(6), 1121.
  3. Chen, S.C., Wang, S.C., and Tfwala, S.S. (2017). “Hydraulics driven upstream migration of taiwanese indigenous fishes in a fish-bone-type fishway.” Ecol. Eng., 108(Part A), 179-193.
  4. Flow Science (2012). Flow-3D User Manual: v10.1, Flow Science, Inc.
  5. Harlow, F.H. (1964). “The Particle-in-Cell Computing Method for Fluid Dynamics.” Methods in Computational Physics, 3, 319-343.
  6. 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.
  7. Hirt, C.W., and Sicilian, J.M. “A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes.” Proc., Proceeding 4th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics.
  8. Kueh, T.C., Beh, S.L., Rilling, D., and Ooi, Y. (2014). “Numerical Analysis of Water Vortex Formation for the Water Vortex Power Plant.” International Journal of Innovation, Management and Technology, 5(2), 111-115.
  9. Liu, J., Koshizuka, S., and Oka, Y. (2005). “A hybrid particle-mesh method for viscous, incompressible, multiphase flows.” Journal of Computational Physics, 202(1), 65-93.
  10. Luo, L.S., Krafczyk, M., and Shyy, W. (2010). “Lattice Boltzmann Method for Computational Fluid Dynamics.” Encyclopedia of Aerospace Engineering, John Wiley & Sons, Ltd.
  11. Markauskas, D., Kruggel-Emden, H., Sivanesapillai, R., and Steeb, H. (2017). “Comparative study on mesh-based and mesh-less coupled CFD-DEM methods to model particle-laden flow.” Powder Technology, 305, 78-88.
  12. XFlowTM (2016). “User guide.” DS Simulia.
Performance Assessment of FLOW-3D and XFlow in the Numerical ModeDownload
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area

FLOW-3D를 이용한 항만 수역 배치 설계의 타당성 분석

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

다양한 항만 입구 배치에 따른 유동 특성 비교

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

계류 및 선박 기동성 평가

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. SP 350.1326000.2018. 2018 Norms for technological design of sea ports (Moscow: Standartinform) p 226
  2. SP 444.1326000.2019. 2019 Standards for the design of sea channels, fairways and maneuvering areas (Moscow: Standartinform) p 62
  3. SP 38.13330.2012. 2014 Loads and impacts on Hydraulic structures (from wave, ice and ships) (Moscow: Ministry of Regional Development of the Russian Federation) p 112
  4. Rijnsdorp D P Smit PB and Zijlema M 2012 Non-hydrostatic modelling of infragravity waves using SWASH. Proceedings of 33rd Conference on Coastal Engineering. pp 1287-1299
  5. Kantardgi I G Zheleznyak M J 2016 Laboratory and numerical study of waves in the port area. Magazine of Civil Engineering No 6 pp 49-59 DOI: 10.5862/MCE.66.5
  6. Zheleznyak M J Kantardgi I G Sorokin MS and Polyakov A I 2015 Resonance properties of seaport water areas Magazine of Civil Engineering № 5(57) pp 3-19 DOI:10.5862/MCE.57.1
  7. Kantarzhi I Zuev N Shunko N 2014 Numerical and physical modelling of the waves inside the new marina in Gelendjik (Black Sea) Application of physical modelling to port and coastal protection. Proceedings of 5th international conference Coastlab (Varna) Vol 2 pp 253-262
  8. Makarov KN and Chebotarev A G 2015 Breakwater placement at the root of a seawall Magazine of Civil Engineering № 3(55) pp 67-78 DOI: 10.5862/MCE.55.8
  9. Belyaev N D Lebedev V V and Alexeeva A V 2017 Investigation of the soil structure changes under the tsunami waves impact on the marine hydrotechnical structures V 10 № 4 pp 44-52 DOI: 10.7868/S2073667317040049
  10. Lebedev V V Nudner I S and Belyaev N D 2018 The formation of the seabed surface relief near the gravitational object Magazine of Civil Engineering No 79(3) pp 120-131 DOI: 10.18720/MCE.79.13
  11. Kofoed-Hansen H Sloth P Sørensen OR Fuchs J 2000 Combined numerical and physical modelling of seiching in exposed new marina Proceedings of 27th international conference of coastal engineering pp 3600-3614
  12. Smit P Stelling G and Zijlema M 2011 Assessment of nonhydrostatic wave-flow model SWASH for directionally spread waves propagating through a barred basin Proceedings of ACOMEN 2011 pp 1-10
  13. Zijlema M Stelling G Smit P 2011 SWASH: An operational public domain code for simulating wave fields and rapidly varied flows in coastal waters. Coastal Engineering. № 10(58). pp 992-1012
  14. FLOW-3D® 2008 User’s Manual Version 9.3 Flow Science Inc p 821
  15. Pan Bayan and Belyaev N D 2019 Week of Science SPbPU: Proceedings of an international scientific conference The best reports. pp 3-7
  16. Girgidov A A 2011 Hybrid simulation in hydrotechnical facilities design and FLOW-3D as a tool its realization Magazine of Civil Engineering №3 pp 21-27
  17. Girgidov A A 2010 Proceeding of the VNIIG vol 260. pp 12-19
  18. Vasquez J A Walsh B W 2009 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow, 33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, © 2009 by International Association of Hydraulic Engineering & Research (IAHR) ISBN: 978-94-90365-01-1.
  19. Shan-Hwei Ou Tai-Wen Hsu and Jian-Feng Lin 2010 Experimental and Numerical Studies on Wave Transformation over Artificial Reefs Proceedings of the International Conference on Coastal Engineering (Shanghai, China) No 32
  20. Hirt C and Nichols B 1980 Volume of Fluid Method for the Dynamics of Free Boundaries Journal Comp. Phys 39 p 201.
Pan_2020_IOP_Conf._Ser.%3A_Mater._Sci._Eng._883_012020Download
Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.

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

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

Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.
Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

방파제 경사 및 장애물 배치에 따른 유속 변화 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.
Figure_1._Flow_velocity_on_seawall_in_A1_modeling.

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

6. 참고 문헌

  1. Owen, M.W. (1980) Design of Seawalls Allowing for Wave Overtopping. Rep. EX924, Hydraulics Research Wallingford, England.
  2. van der Meer, J.W. and Janssen, J.P.F.M. (1995) Wave Run-Up and Wave Overtopping at Dikes. In: Kobayashi, N. and Demirbilek, Z., Eds., Wave Forces on Inclined and Vertical Wall Structures, ASCE, New York.
  3. CIRIA/CUR (1995) Manual on the Use of Rock in Hydraulic Engineering. CUR/RWS Report 169, A.A. Balkema, Rotterdam.
  4. Pullen, T., Allsop, N.W.H., Bruce, T., Kortenhaus, A., Schuttrumpf, H. and van der Meer, J.W. (2007) EurOtop—Wave Overtopping of Seadefences and Related Structures Assessment Manual. http://www.overtopping-manual.com/manual.html
  5. De Wall, J.P. and Van der Meer, J.W. (1992) Wave Run-Up and Overtopping at Coastal Structures. ASCE, Proceeding of 23rd ICCE, Venice, 1758-1771.
  6. De Gerloni, M., Franco, L. and Passoni, G. (1991) The Safety of Breakwaters against Wave Overtopping. Proceedings of ICE Conference on Breakwaters and Coastal Structures, Thomas Telford, London.
  7. Fenton, J.D. (1988) The Numerical Solution of Steady Water Wave Problems. Computers & Geosciences, 14. http://dx.doi.org/10.1016/0098-3004(88)90066-0
  8. Owen, M.W. (1982) Design of Seawalls Allowing for Wave Overtopping. Rep. EX924, Hydraulics Research Wallingford, England.
  9. Allsop, W., Bruce, T., Pearson, J. and Besley, P. (2006) Wave Overtopping at Vertical and Steep Seawall.
  10. TAW (1974) Technical Advisory Committee on Protection against Inundation, Wave Run-Up and Overtopping. Government Publishing Office, The Hague.
OJMS_2016042615293630Download
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases

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

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

AFC 적용 유무에 따른 세굴 특성 비교

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고문헌

  1. Basu, D., Das, K., Green, S., Janetzke, R., and Stamatakos, J.: Numerical simulation of surface waves generated by subaerial landslide at Lituya Bay Alaska, J. Offshore Mech. Arct., 132, 041101, https://doi.org/10.1115/1.4001442, 2010.
  2. Braathen, A., Blikra, L. H., Berg, S. S., and Karlsen, F.: Rock- slope failures in Norway: type, geometry, deformation mecha- nisms and stability, Norsk Geol. Tidsskr., 84, 67–88, 2004.
  3. Bridge, T.: When mountains fall into the sea: https://www. hakaimagazine.com/, last access: September 2018.
  4. Chuanqi, S., Yi, A., Qiang, W., Qingquan, L., and Zhix- ian, C.: Numerical simulation of landslide-generated waves using a soil-water coupling smoothed particle hy- drodynamics model, Adv. Water Resour., 92, 130–141, https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.04.002, 2016.
  5. Das, K., Janetzke, R., Basu, D., Green, S., and Stamatakos, J.: Numerical Simulations of Tsunami Wave Generation by Submarine and Aerial Landslides Using RANS and SPH Models, 28th International Conference on Ocean, Off- shore and Arctic Engineering, Honolulu, USA, 5, 581–594, https://doi.org/10.1115/OMAE2009-79596, 2009.
  6. DGGS: DGGS Elevation portal – Alaska Division of Geologi- cal and Geophysical Surveys, https://elevation.alaska.gov/#65. 14611:-155.74219:4, last access 24 March 2020.
  7. Evers, F. M., Heller, V., Fuchs, H., Hager, W. H., and Boes, R. M.: Landslide generated impulse waves in reservoirs – Ba- sics and computation, VAW Communications, Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 254 pp., 2019.
  8. Flow Science Inc.: Flow-3D®, Version 12.0, User’s Manual, https:// www.flow3d.com (last access: 31 January 2020), Santa Fe, USA, 2018.
  9. Franco, A.: Lituya Bay 1958 Tsunami – pre-event bathymetry reconstruction and 3D-numerical mod- elling utilizing the CFD software Flow-3D, Zenodo, https://doi.org/10.5281/zenodo.3831448, 2020.
  10. Fritz, H. M., Hager, W. H., and Minor, H. E.: Lituya Bay case: Rockslide impact and wave run-up, Sci. Tsunami Hazards, 19, 3–22, 2001.
  11. Fritz, H. M., Mohammed, F., and Yoo, J.: Lituya Bay landslide im- pact generated mega-tsunami 50th anniversary, Pure Appl. Geo- phys., 166, 153–175, https://doi.org/10.1007/s00024-008-0435- 4, 2009.
  12. Furseth, A.: Dommedagsfjellet – Tafjord 1934, Gyldendal Norsk Forlag A/S, Oslo, Norway, 1958.
  13. Gauthier, D., Anderson, S. A., Fritz, H. M., and Giachetti, T.: Karrat Fjord (Greenland) Tsunamigenic landslide of 17 June 2017: initial 3D observations, Landslides, 15, 327-332, https://doi.org/10.1007/s10346-017-0926-4, 2017.
  14. González-Vida, J. M., Macías, J., Castro, M. J., Sánchez-Linares, C., de la Asunción, M., Ortega-Acosta, S., and Arcas, D.: The Lituya Bay landslide-generated mega-tsunami- numerical sim- ulation and sensitivity analysis, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 19, 369-388, https://doi.org/10.5194/nhess-19-369-2019, 2019.
  15. Haeussler, P. J., Gulick, S. P. S., McCall, N., Walton, M., Reece, R., Larsen, C., Shugar, D. H., Geertsema, M., Venditti, J. G., and Labay, K.: Submarine deposition of a subaerial landslide in Taan Fjord, Alaska, J. Geophys. Res.-Earth, 123, 2443-2463, https://doi.org/10.1029/2018JF004608, 2018.
  16. Harbitz, C., Pedersen, G., and Gjevik, B.: Numerical simulations of large water waves due to landslides, J. Hydraul. Eng. 119, 1325- 1342, 1993.
  17. Hall Jr., J. V. and Watts, G. M.: Laboratory investigation of the ver- tical rise of solitary waves on impermeable slopes, U.S. Army Corps of Engineers, Beach Erosion Board, 173-189, 1953.
  18. Harlow, F. H. and Welch, J. E.: Numerical Calculation of Time- Dependent Viscous Incompressible Flow, Phys. Fluids, 8, 2182- 2189, https://doi.org/10.1063/1.1761178, 1965.
  19. Heller, V., Hager, W. H., and Minor, H.-E.: Landslide generated impulse waves in reservoirs Basics and computation, VAW Communications, 211, Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 211 pp., 2009.
  20. Heller, V. and Hager, W. H.: Impulse product parameter in landslide generated impulse waves, J. Waterw. Port Coast., 136, 145-155, https://doi.org/10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000037, 2010. Hinze, J. O.: Turbulence, McGraw-Hill, New York, USA, 1975. Hirt, C.W. and Nichols, B. D.: Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries, J. Comput. Phys., 39, 201- 225, https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5, 1981.
  21. Hirt, C.W. and Sicilian, J.M.: A Porosity Technique for the Def- inition of Obstacles in Rectangular Cell Meshes, Proceedings of the Fourth International Conference on Ship Hydrodynamics, National Academy of Sciences. Washington, D.C., USA, 25-27 September 1985, 1-19, 1985.
  22. Holmsen, G.: De siste bergskred i Tafjord og Loen, Norge, Svensk geografisk Arbok 1936, Lunds Universitet, Geografiska Institu- tionen Meddelande, 124, 171-190, 1936.
  23. Huber, A. and Hager, W. H.: Forecasting impulse waves in reser- voirs, Dix-neuvième Congrès des Grands Barrages C31, Flo- rence, Italy, Commission International des Grands Barrages, Paris, France, 993-1005, 1997.
  24. Kamphuis, J. W. and Bowering, R. J.: Impulse waves generated by landslides, Coast. Eng., 35, 575-588, https://doi.org/10.9753/icce.v12.35, 1970.
  25. Körner H. J.: Reichweite und Geschwindigkeit von Bergstürzen und Fliessschneelawinen, Rock Mech., 8, 225-256, 1976.
  26. Li, G., Chen, G., Li, P., and Jing, H.: Efficient and Accurate 3-D Numerical Modelling of Landslide Tsunami, Water, 11, 2033, https://doi.org/10.3390/w11102033, 2019.
  27. Mader, C. L.: Modelling the 1958 Lituya Bay mega-tsunami, Sci. Tsunami Hazards, 17, 57-67, 2001.
  28. Mader C. L and Gittings M. L.: Modelling the 1958 Lituya Bay mega-tsunami II, Sci. Tsunami Hazards, 20, 241-250, 2002. Mao J., Zhao L., Liu X., Cheng J., and Avital E.: A three-phases model for the simulation of landslide-
  29. generated waves using the improved conservative level set method, Comput. Fluids, 159, 243-253, ISSN: 0045-7930, https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2017.10.007, 2017.
  30. Miller, D.: Giant Waves in Lituya Bay, Alaska: A Timely Account of the Nature and Possible Causes of Certain Giant Waves, with Eyewitness Reports of Their Destructive Capacity, professional paper, US Government Printing Office, Washington, D.C., USA, 49-85, 1960.
  31. Noda, E.: Water waves generated by landslides, J. Waterway Div- ASCE., 96, 835-855, 1970.
  32. Pastor, M.. Herreros, I., Fernndez Merodo, J. A., Mira, P., Haddad, B., Quecedo, M., González, E., Alvarez- Cedrón, C., and Drempetic, V.: Modelling of fast catas- trophic landslides and impulse waves induced by them in fjords, lakes and reservoirs, Eng. Geol., 109, 124-134, https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2008.10.006, 2008.
  33. Paronuzzi, P. and Bolla, A.: The prehistoric Vajont rockslide: an update geological model, Geomorphology, 169-170, 165-191, https://doi.org/10.1016/j.geomorph. 2012.04.021, 2012.
  34. Pararas-Carayannis, G.: Analysis of mechanism of tsunami genera- tion in Lituya Bay, Sci. Tsunami Hazards, 17, 193-206, 1999. Quecedo, M., Pastor, M., and Herreros, M.: Numerical modelling of impulse wave generated by fast landslides, Int. J. Numer. Meth. Eng., 59, 1633-1656, https://doi.org/10.1002/nme.934, 2004. Rady, R. M. A. E.: 2D-3D Modeling of Flow Over Sharp-Crested Weirs, J. Appl. Sci. Res., 7, 2495-2505, 2011.
  35. Slingerland, R. L. and Voight, B.: Occurrences, properties, and predictive models of landslide-generated water waves, Devel- opments in Geotechnical Engineering 14B, Rockslides and avalanches 2, Engineering Sites, Elsevier Scientific Publishing, Amsterdam, the Netherlands, 317-397, 1979.
  36. Schwaiger, H. F. and Higman, B.: Lagrangian hydrocode simulations of the 1958 Lituya Bay tsunamigenic rockslide, Geochem. Geophys. Geosyst., 8, Q07006, https://doi.org/10.1029/2007GC001584, 2007.
  37. Schwer L. E.: Is your mesh refined enough? Estimating Discretiza- tion Error using GCI, in 7th German LS-DYNA Forum, Bam- berg, Germany, 2008.
  38. Sepúlveda, S. A., A. Serey, M. Lara, A. Pavez, and Sepúlveda, S. A., Serey, A., Lara, M., Pavez, A., Rebolledo, S.: Landslides in- duced by the April 2007 Aysén Fjord earthquake, Chilean Patag- onia, Landslides, 7, 483-492, https://doi.org/10.1007/s10346- 010-0203-2, 2010.
  39. Sharpe, C.: Landslides and Related Phenomena, Columbia Univ. Press, New York, USA, 1938.
  40. Synolakis, C.: The runup of solitary waves, J. Fluid. Mech., 185, 523-545, https://doi.org/10.1017/S002211208700329X, 1987. Tocher, D. and Miller D. J.: Field observations on effects of Alaska earthquake of 10 July, 1958, Science, 129, 3346, 394-395, https://doi.org/10.1126/science.129.3346.394, 1959.
  41. Tognacca, C.: Beitrag zur Untersuchung der Entstehungsmechanis- men von Murgangen, VAW communications, 164, Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology, ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 1999.
  42. US Coast and Geodetic Survey: Survey id: H04608: NOS Hy- drographic Survey, 1926-12-31, available at: https://data.world/us-noaa-gov/f6786b28-ea06-4c9a-ac30-53cb5356650c (last ac- cess: 28 September 2018), 1926.
  43. US Coast and Geodetic Survey: Survey id: H08492: NOS Hydrographic Survey, Lituya Bay, Alaska, 1959- 08-27, available at: https://data.world/us-noaa-9401821a-28f5-4846-88db-43e702a5b12b (last access: 28 September 2018), 1959.
  44. U.S. Coast and Geodetic Survey: Chart 8505, Lituya Bay, Washington D.C., USA, 1942.
  45. U.S. Coast and Geodetic Survey: Chart 8505, Lituya Bay, Washington D.C., USA, 1969.
  46. U.S. Coast and Geodetic Survey: Chart 16762, Lituya Bay, Washington D.C., USA, 1990.
  47. Vanneste, D.: Experimental and numerical study of wave-induced porous flow in rubble-mound breakwaters, Ph.D. thesis, Gent University, Gent, Belgium, 2012.
  48. Varnes, D.: Landslide type and Processes, In Landslides and Engineering Practice, H R B Special Rep., 29, 22–47, National Research Council (US), Washington D.C., USA, 1958.
  49. Vasquez, J. A.: Modelling the generation and propagation of landslide-generated landslide, CSCE SCGC, Leadership in Sustainable Infrastructure, Annual Conference, May 31–June 3 2017, Vancouver, Canada, 2017.
  50. Yakhot, V. and Smith, L. M.: The Renormalization Group, the eExpansion and Derivation of Turbulence Models, J. Sci. Comput., 7, 35–61, https://doi.org/10.1093/gji/ggv026, 1992.
  51. Wang, J., Ward, S. N., and Xiao, L.: Numerical simulation of the December 4, 2007 landslide-generated tsunami in Chehalis Lake, Canada, Geophys. J. Int., 201, 372–376, https://doi.org/10.1093/gji/ggv026, 2015.
  52. Ward, S. N. and Day, S.: The 1958 Lituya bay landslide and tsunami – A tsunami ball approach, J. Earthq. Tsunami, 4, 285–319, https://doi.org/10.1142/S1793431110000893, 2010.
  53. Weiss, R. and Wuennemann, K.: Understanding tsunami by landslides as the next challenge for hazard, risk and mitigation: Insight from multi-material hydrocode modeling, American Geophysical Union, Fall Meeting 2007, San Francisco, CA, USA, S51C-06, 2007.
  54. Weiss, R., Fritz, H. M., and Wünnemann, K.: Hybrid modeling of the mega-tsunami runup in Lituya Bay after half a century, Geophys. Res. Lett., 36, L09602, https://doi.org/10.1029/2009GL037814, 2009.
  55. Welch, J. E., Harlow, F. H., Shannon, J. P., and Daly, B. J.: The MAC Method: A Computing Technique for Solving Viscous, Incompressible, Transient Fluid Flow Problems Involving Freesurfaces, Los Alamos Scientific Laboratory report LA-3425, Los Alamos, NM, USA, 1966.
  56. Wiegel, R. L.: Oceanographical Engineering, Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA, 1964.
  57. Xenakis, A. M., Lind, S. J., Stansby, P. K., and Rogers, B. D.: Landslides and tsunamis predicted by incompressible smoothed particle hydrodynamics (SPH) with application to the 1958 Lituya Bay event and idealized experiment, P. R. Soc. A, 473, 1–18, https://doi.org/10.1098/rspa.2016.0674, 20
Numerical-simulation-of-local-scour-around-the-pier-with-and-without-airfoil-collar-AFC-using-FLOW-3DDownload
Fig. 6. Air core forming process display.

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

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

실험 및 수치 모델 비교 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. Athar, M., U. C. Kothyari, and R. J. Garde (2002). “Sediment removal efficiency of vortex chamber type sediment extractor.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 128(12), 1051-1059.
  2. Cecen, K. and N. Akmandor (1973). “Circular settling basins with horizontal floor.” MAG Report No. 183, TETAK, Ankara, Turkey.
  3. Chapokpour, J. and J. Farhoudi (2011). “Turbulent flow measurement in vortex settling basin.” Iranica Journal of Energy & Environment, 2(4), 382-389.
  4. Chapokpour, J., F. Ghasemzadeh, and J. Farhoudi (2012). “The numerical investigation on vortex flow behavior using FLOW-3D.” Iranica Journal of Energy & Environment, 3(1), 88-96.
  5. Hajiahmadi, A., M. Saneie, and M. A. Moghadam (2014). “Effects of curvature submerge vane in efficiency of vortex settling basin.” Journal of Applied Research in Water and Wastewater, 1(2), 80-85.
  6. Hite, E. J. Jr. and W. C. Mih (1994). “Velocity of air-core vortices at hydraulic intakes.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 120(3), 284-297.
  7. Wang, S. J., Z. Zhou, J. Hou, and X. Y. Qiu (2002). “Flow field characteristics of the sand funnel and its mechanics of sediment transport.” Journal of Hydrodynamics Ser. B, 3, 130-134.
  8. Ziaei, A. N. and J. M. McDonough (2007). “Using vorticity to define conditions at multiple open boundaries for simulating flow in a simplified vortex settling basin.” International Journal for Numerical Methods in Fluids, 54, 1-28.
NUMERICAL SIMULATIONS OF WATER SURFACE PROFILES AND VORTEX STRUCTDownload
Fig. 9. Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1)

FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성 비교

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. American Bureau of Shipping (ABS) (2013). Guide for Building and Classing Bottom-Founded Offshore Wind Turbine Installations.
  2. API RP 2A WSD (2005). Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design. API.
  3. Det Norske Veritas (DNV) (2010). OS-J101 Design of Offshore Wind Turbine Structures.
  4. Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH) (2007). Standard. Design of Offshore Wind Turbines.
  5. FLOW SCIENCE (2014). FLOW-3D User’s Manual, Version 11.0.4.5.
  6. International Electrotechnical Commission (IEC) (2009). IEC 61400-3: Wind turbines – Part 3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines, Edition 1.0, IEC.
  7. International Organization for Standardization (ISO) (2007). ISO 19902: Petroleum and Natural Gas Industries – Fixed Steel Offshore Structures.
  8. Kim, Y.S., and Kang G.O. (2011). Experimental Study on Hydraulic Resistance of Sea Ground Considering Tidal Current Flow. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 23(1), 118-125 (in Korean).
  9. Kim, Y.S., Han, B.D., and Kang G.O. (2012). Effect of Incidence Angle of Current on the Hydraulic Resistance Capacity of Clayey Soil. Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, 24(1), 26-35 (in Korean).
  10. KORDI (2011). BSPN64710-2275-2. An Analysis on the Marine Characteristics and Design Supporting for Offshore Wind Power Plant (in Korean).
  11. Ministry of Maritime Affairs and Fisheries (2005). Harbor and Fishery Design Criteria (in Korean).
  12. Soulsby, R. (1997). Dynamics of Marine Sands. Thomas Telford Publications, London.
  13. U.S. Army Corps of Engineers (2006). Coastal Engineering Manual, Part II: Coastal Hydrodynamics, Chapter II-2, Meteorology and Wave Climate.
  14. van Rijn, L. (1984). Sediment Transport, Part II: Bed Load Transport. Journal of Hydraulic Engineering, 110(10), 1431-1456.
Numerical Simulation Test of Scour around Offshore Jacket Structure using FLOW-3DDownload

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

FLOW-3D를 이용한 사다리꼴 넓은 마루 위어 유동의 수치 모델링

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 및 SSIIM 2 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

FLOW-3D와 SSIIM 2 결과 비교

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

압력 및 유속 분포 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. Azimi AH, Rajaratnam N (2009). Discharge characteristics of weirs of finite crest length. Journal of Hydraulic Engineering, 135(12):1081–1085.
  2. Bazin H (1898). Expériences nouvelles sur l’écoulement en d’éversoir. Annales des Ponts et Chaussées, 68(2):151-265.
  3. Bos MG (1976). Discharge measurement structures. Laboratorium voor Hydraulica an Afvoerhydrologie, Landbouwhogeschool, Wageningen, The Netherlands, Rapport 4.
  4. Bhuiyan F, Hey R (2007). Computation of three-dimensional flow field created by weir-type structures. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 1(4):350–360.
  5. Flow-3D (2010). User Manual Version 9.4. Flow Science Inc., Santa Fe.
  6. Fritz HM, Hager WH (1998). Hydraulics of embankment weirs. Journal of Hydraulic Research, 124(9):963–971.
  7. Hager WH (1986). Discharge measurement structures. Communication 1, Chaire de constructions hydrauliques, Département de Génie Civil, EPFL, Lausanne.
  8. Hager WH, Schwalt M (1994). Broad Crested Weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 120(1):13–26.
  9. 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):136–147.
  10. Hirt CW, Nichols BD (1981). Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39:201–225.
  11. Launder BE, Spalding DB (1972). Lectures in mathematical models of turbulence. Academic Press, London.
  12. Olsen NRB (1999). Computational Fluid Dynamics in Hydraulic and Sedimentation Engineering. Class Notes, Department of Hydraulic and Environmental Engineering, The Norwegian University of Science and Technology.
  13. Olsen NRB (2009). A three-dimensional numerical model for simulation of sediment movements in water intakes with multiblock option. User’s Manual, The Norwegian University of Science and Technology.
  14. Patankar SV (1980). Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. McGraw-Hill Book Company, New York.
  15. Sargison JE, Percy A (2009). Hydraulics of Broad-Crested Weirs with Varying Side Slopes. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 135(1):115-118.
  16. Sarker MA, Rhodes DG (2004). Calculation of free-surface profile over a rectangular broad-crested weir. Flow Measurement and Instrumentation, 15:215-219.
  17. Schlichting H (1979). Boundary layer theory. McGraw-Hill Book Company, New York.
  18. Williams JJR (2007). Free-surface simulations using an interface-tracking finite-volume method with 3D mesh movement. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics, 1(1):49–56.
  19. Woodburn JG (1932). Tests on broad crested weirs. Trans. ASCE, 1797 96:387–408.
Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested WeirDownload
그림 11. 연직방향 유속분포(교각전면부)

FLOW-3D를 이용한 교각 주변 흐름의 수치해석

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

교각 형상별 유동 특성 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. Flow Science, Inc. (2000). FLOW 3D User’s Manuals.
  2. Hirt, C.W., Amsden, A.A., and Cook, J.L. (1974). “An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Computing Method for All Flow Speeds.” Journal of Computational Physics, 14, 227.
  3. 최성욱 등 (2004). “3차원 수치모형을 이용한 수제 주변 흐름의 수치 모의.” 한국수자원학회 학술발표논문집, 한국수자원학회.
  4. 오병동 등 (2004). “Flow 3D에 의한 파샬 플륨 흐름 해석.” 한국수자원학회논문집, 37(5), 375-386.
Numerical Analysis of Flow around Bridge Pier using FLOW-3DDownload
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions (R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).

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

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 3D 수치 모델링

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

3. 연구 결과

쓰나미 형성과 파랑 전파 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6.참고 문헌

  1. Basu, D., Das, K., Green, S., Janetzke, R., and Stamatakos, J.: Numerical simulation of surface waves generated by subaerial landslide at Lituya Bay Alaska, J. Offshore Mech. Arct., 132, 041101, https://doi.org/10.1115/1.4001442, 2010.
  2. Braathen, A., Blikra, L. H., Berg, S. S., and Karlsen, F.: Rock- slope failures in Norway: type, geometry, deformation mecha- nisms and stability, Norsk Geol. Tidsskr., 84, 67–88, 2004.
  3. Bridge, T.: When mountains fall into the sea: https://www. hakaimagazine.com/, last access: September 2018.
  4. Chuanqi, S., Yi, A., Qiang, W., Qingquan, L., and Zhix- ian, C.: Numerical simulation of landslide-generated waves using a soil-water coupling smoothed particle hy- drodynamics model, Adv. Water Resour., 92, 130–141, https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2016.04.002, 2016.
  5. Das, K., Janetzke, R., Basu, D., Green, S., and Stamatakos, J.: Numerical Simulations of Tsunami Wave Generation by Submarine and Aerial Landslides Using RANS and SPH Models, 28th International Conference on Ocean, Off- shore and Arctic Engineering, Honolulu, USA, 5, 581–594, https://doi.org/10.1115/OMAE2009-79596, 2009.
  6. DGGS: DGGS Elevation portal – Alaska Division of Geologi- cal and Geophysical Surveys, https://elevation.alaska.gov/#65. 14611:-155.74219:4, last access 24 March 2020.
  7. Evers, F. M., Heller, V., Fuchs, H., Hager, W. H., and Boes, R. M.: Landslide generated impulse waves in reservoirs – Ba- sics and computation, VAW Communications, Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 254 pp., 2019.
  8. Flow Science Inc.: Flow-3D®, Version 12.0, User’s Manual, https:// www.flow3d.com (last access: 31 January 2020), Santa Fe, USA, 2018.
  9. Franco, A.: Lituya Bay 1958 Tsunami – pre-event bathymetry reconstruction and 3D-numerical mod- elling utilizing the CFD software Flow-3D, Zenodo, https://doi.org/10.5281/zenodo.3831448, 2020.
  10. Fritz, H. M., Hager, W. H., and Minor, H. E.: Lituya Bay case: Rockslide impact and wave run-up, Sci. Tsunami Hazards, 19, 3–22, 2001.
  11. Fritz, H. M., Mohammed, F., and Yoo, J.: Lituya Bay landslide im- pact generated mega-tsunami 50th anniversary, Pure Appl. Geo- phys., 166, 153–175, https://doi.org/10.1007/s00024-008-0435- 4, 2009.
  12. Furseth, A.: Dommedagsfjellet – Tafjord 1934, Gyldendal Norsk Forlag A/S, Oslo, Norway, 1958.
  13. Gauthier, D., Anderson, S. A., Fritz, H. M., and Giachetti, T.: Karrat Fjord (Greenland) Tsunamigenic landslide of 17 June 2017: initial 3D observations, Landslides, 15, 327-332, https://doi.org/10.1007/s10346-017-0926-4, 2017.
  14. González-Vida, J. M., Macías, J., Castro, M. J., Sánchez-Linares, C., de la Asunción, M., Ortega-Acosta, S., and Arcas, D.: The Lituya Bay landslide-generated mega-tsunami- numerical sim- ulation and sensitivity analysis, Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 19, 369-388, https://doi.org/10.5194/nhess-19-369-2019, 2019.
  15. Haeussler, P. J., Gulick, S. P. S., McCall, N., Walton, M., Reece, R., Larsen, C., Shugar, D. H., Geertsema, M., Venditti, J. G., and Labay, K.: Submarine deposition of a subaerial landslide in Taan Fjord, Alaska, J. Geophys. Res.-Earth, 123, 2443-2463, https://doi.org/10.1029/2018JF004608, 2018.
  16. Harbitz, C., Pedersen, G., and Gjevik, B.: Numerical simulations of large water waves due to landslides, J. Hydraul. Eng. 119, 1325- 1342, 1993.
  17. Hall Jr., J. V. and Watts, G. M.: Laboratory investigation of the ver- tical rise of solitary waves on impermeable slopes, U.S. Army Corps of Engineers, Beach Erosion Board, 173-189, 1953.
  18. Harlow, F. H. and Welch, J. E.: Numerical Calculation of Time- Dependent Viscous Incompressible Flow, Phys. Fluids, 8, 2182- 2189, https://doi.org/10.1063/1.1761178, 1965.
  19. Heller, V., Hager, W. H., and Minor, H.-E.: Landslide generated impulse waves in reservoirs Basics and computation, VAW Communications, 211, Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology (VAW), ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 211 pp., 2009.
  20. Heller, V. and Hager, W. H.: Impulse product parameter in landslide generated impulse waves, J. Waterw. Port Coast., 136, 145-155, https://doi.org/10.1061/(ASCE)WW.1943-5460.0000037, 2010. Hinze, J. O.: Turbulence, McGraw-Hill, New York, USA, 1975. Hirt, C.W. and Nichols, B. D.: Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries, J. Comput. Phys., 39, 201- 225, https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5, 1981.
  21. Hirt, C.W. and Sicilian, J.M.: A Porosity Technique for the Def- inition of Obstacles in Rectangular Cell Meshes, Proceedings of the Fourth International Conference on Ship Hydrodynamics, National Academy of Sciences. Washington, D.C., USA, 25-27 September 1985, 1-19, 1985.
  22. Holmsen, G.: De siste bergskred i Tafjord og Loen, Norge, Svensk geografisk Arbok 1936, Lunds Universitet, Geografiska Institu- tionen Meddelande, 124, 171-190, 1936.
  23. Huber, A. and Hager, W. H.: Forecasting impulse waves in reser- voirs, Dix-neuvième Congrès des Grands Barrages C31, Flo- rence, Italy, Commission International des Grands Barrages, Paris, France, 993-1005, 1997.
  24. Kamphuis, J. W. and Bowering, R. J.: Impulse waves generated by landslides, Coast. Eng., 35, 575-588, https://doi.org/10.9753/icce.v12.35, 1970.
  25. Körner H. J.: Reichweite und Geschwindigkeit von Bergstürzen und Fliessschneelawinen, Rock Mech., 8, 225-256, 1976.
  26. Li, G., Chen, G., Li, P., and Jing, H.: Efficient and Accurate 3-D Numerical Modelling of Landslide Tsunami, Water, 11, 2033, https://doi.org/10.3390/w11102033, 2019.
  27. Mader, C. L.: Modelling the 1958 Lituya Bay mega-tsunami, Sci. Tsunami Hazards, 17, 57-67, 2001.
  28. Mader C. L and Gittings M. L.: Modelling the 1958 Lituya Bay mega-tsunami II, Sci. Tsunami Hazards, 20, 241-250, 2002. Mao J., Zhao L., Liu X., Cheng J., and Avital E.: A three-phases model for the simulation of landslide-
  29. generated waves using the improved conservative level set method, Comput. Fluids, 159, 243-253, ISSN: 0045-7930, https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2017.10.007, 2017.
  30. Miller, D.: Giant Waves in Lituya Bay, Alaska: A Timely Account of the Nature and Possible Causes of Certain Giant Waves, with Eyewitness Reports of Their Destructive Capacity, professional paper, US Government Printing Office, Washington, D.C., USA, 49-85, 1960.
  31. Noda, E.: Water waves generated by landslides, J. Waterway Div- ASCE., 96, 835-855, 1970.
  32. Pastor, M.. Herreros, I., Fernndez Merodo, J. A., Mira, P., Haddad, B., Quecedo, M., González, E., Alvarez- Cedrón, C., and Drempetic, V.: Modelling of fast catas- trophic landslides and impulse waves induced by them in fjords, lakes and reservoirs, Eng. Geol., 109, 124-134, https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2008.10.006, 2008.
  33. Paronuzzi, P. and Bolla, A.: The prehistoric Vajont rockslide: an update geological model, Geomorphology, 169-170, 165-191, https://doi.org/10.1016/j.geomorph. 2012.04.021, 2012.
  34. Pararas-Carayannis, G.: Analysis of mechanism of tsunami genera- tion in Lituya Bay, Sci. Tsunami Hazards, 17, 193-206, 1999. Quecedo, M., Pastor, M., and Herreros, M.: Numerical modelling of impulse wave generated by fast landslides, Int. J. Numer. Meth. Eng., 59, 1633-1656, https://doi.org/10.1002/nme.934, 2004. Rady, R. M. A. E.: 2D-3D Modeling of Flow Over Sharp-Crested Weirs, J. Appl. Sci. Res., 7, 2495-2505, 2011.
  35. Slingerland, R. L. and Voight, B.: Occurrences, properties, and predictive models of landslide-generated water waves, Devel- opments in Geotechnical Engineering 14B, Rockslides and avalanches 2, Engineering Sites, Elsevier Scientific Publishing, Amsterdam, the Netherlands, 317-397, 1979.
  36. Schwaiger, H. F. and Higman, B.: Lagrangian hydrocode simulations of the 1958 Lituya Bay tsunamigenic rockslide, Geochem. Geophys. Geosyst., 8, Q07006, https://doi.org/10.1029/2007GC001584, 2007.
  37. Schwer L. E.: Is your mesh refined enough? Estimating Discretiza- tion Error using GCI, in 7th German LS-DYNA Forum, Bam- berg, Germany, 2008.
  38. Sepúlveda, S. A., A. Serey, M. Lara, A. Pavez, and Sepúlveda, S. A., Serey, A., Lara, M., Pavez, A., Rebolledo, S.: Landslides in- duced by the April 2007 Aysén Fjord earthquake, Chilean Patag- onia, Landslides, 7, 483-492, https://doi.org/10.1007/s10346- 010-0203-2, 2010.
  39. Sharpe, C.: Landslides and Related Phenomena, Columbia Univ. Press, New York, USA, 1938.
  40. Synolakis, C.: The runup of solitary waves, J. Fluid. Mech., 185, 523-545, https://doi.org/10.1017/S002211208700329X, 1987. Tocher, D. and Miller D. J.: Field observations on effects of Alaska earthquake of 10 July, 1958, Science, 129, 3346, 394-395, https://doi.org/10.1126/science.129.3346.394, 1959.
  41. Tognacca, C.: Beitrag zur Untersuchung der Entstehungsmechanis- men von Murgangen, VAW communications, 164, Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology, ETH Zurich, Zurich, Switzerland, 1999.
  42. US Coast and Geodetic Survey: Survey id: H04608: NOS Hy- drographic Survey, 1926-12-31, available at: https://data.world/us-noaa-gov/f6786b28-ea06-4c9a-ac30-53cb5356650c (last ac- cess: 28 September 2018), 1926.
  43. US Coast and Geodetic Survey: Survey id: H08492: NOS Hydrographic Survey, Lituya Bay, Alaska, 1959- 08-27, available at: https://data.world/us-noaa-9401821a-28f5-4846-88db-43e702a5b12b (last access: 28 September 2018), 1959.
  44. U.S. Coast and Geodetic Survey: Chart 8505, Lituya Bay, Washington D.C., USA, 1942.
  45. U.S. Coast and Geodetic Survey: Chart 8505, Lituya Bay, Washington D.C., USA, 1969.
  46. U.S. Coast and Geodetic Survey: Chart 16762, Lituya Bay, Washington D.C., USA, 1990.
  47. Vanneste, D.: Experimental and numerical study of wave-induced porous flow in rubble-mound breakwaters, Ph.D. thesis, Gent University, Gent, Belgium, 2012.
  48. Varnes, D.: Landslide type and Processes, In Landslides and Engineering Practice, H R B Special Rep., 29, 22–47, National Research Council (US), Washington D.C., USA, 1958.
  49. Vasquez, J. A.: Modelling the generation and propagation of landslide-generated landslide, CSCE SCGC, Leadership in Sustainable Infrastructure, Annual Conference, May 31–June 3 2017, Vancouver, Canada, 2017.
  50. Yakhot, V. and Smith, L. M.: The Renormalization Group, the eExpansion and Derivation of Turbulence Models, J. Sci. Comput., 7, 35–61, https://doi.org/10.1093/gji/ggv026, 1992.
  51. Wang, J., Ward, S. N., and Xiao, L.: Numerical simulation of the December 4, 2007 landslide-generated tsunami in Chehalis Lake, Canada, Geophys. J. Int., 201, 372–376, https://doi.org/10.1093/gji/ggv026, 2015.
  52. Ward, S. N. and Day, S.: The 1958 Lituya bay landslide and tsunami – A tsunami ball approach, J. Earthq. Tsunami, 4, 285–319, https://doi.org/10.1142/S1793431110000893, 2010.
  53. Weiss, R. and Wuennemann, K.: Understanding tsunami by landslides as the next challenge for hazard, risk and mitigation: Insight from multi-material hydrocode modeling, American Geophysical Union, Fall Meeting 2007, San Francisco, CA, USA, S51C-06, 2007.
  54. Weiss, R., Fritz, H. M., and Wünnemann, K.: Hybrid modeling of the mega-tsunami runup in Lituya Bay after half a century, Geophys. Res. Lett., 36, L09602, https://doi.org/10.1029/2009GL037814, 2009.
  55. Welch, J. E., Harlow, F. H., Shannon, J. P., and Daly, B. J.: The MAC Method: A Computing Technique for Solving Viscous, Incompressible, Transient Fluid Flow Problems Involving Freesurfaces, Los Alamos Scientific Laboratory report LA-3425, Los Alamos, NM, USA, 1966.
  56. Wiegel, R. L.: Oceanographical Engineering, Prentice Hall, Englewood Cliffs, USA, 1964.
  57. Xenakis, A. M., Lind, S. J., Stansby, P. K., and Rogers, B. D.: Landslides and tsunamis predicted by incompressible smoothed particle hydrodynamics (SPH) with application to the 1958 Lituya Bay event and idealized experiment, P. R. Soc. A, 473, 1–18, https://doi.org/10.1098/rspa.2016.0674, 20
nhess-20-2255-2020Download
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant dischargesimulation

FLOW-3D를 이용한 표면장력 탱크용 메시 스크린 모델링

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

기포점 측정 시뮬레이션

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

PMD(Propellant Management Device) 내 추진제 배출 해석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. David J. C and Maureen T. K, “Screen Channel Liquid Acquisition Devices for Cryogenic Propellants” NASA-TM-2005-213638, 2005.
  2. Hartwig, J., Mann, J. A. Jr., Darr, S. R., “Parametric Analysis of the Liquid Hydrogen and Nitrogen Bubble Point Pressure for Cryogenic Liquid Acquisition Devices”, Cryogenics, Vol. 63, 2014, pp. 25-36.
  3. Jurns, J. M., McQuillen, J. B., “Bubble Point Measurement with Liquid Methane of a Screen Capillary Liquid Acquisition Device”, NASA-TM-2009-215496, 2009.
  4. Jaekle, D. E. Jr., “Propellant Management Device: Conceptual Design and Analysis: Galleries”, AIAA 29th Joint Propulsion Conference, AIAA-97-2811, 1997.
  5. Jaekle, D. E. Jr., “Propellant Management Device: Conceptual Design and Analysis: Traps and Troughs”, AIAA 31st Joint Propulsion Conference, AIAA-95-2531, 1995.
  6. Yu, A., Ji, B., Zhuang, B. T., Hu, Q., Luo, X. W., Xu, H. Y., “Flow Analysis in a Vane-type Surface Tension Propellant Tank”, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 52, No. 7, 2013, Article number: 072018.
  7. Chato, D. J., McQuillen, J. B., Motil, B. J., Chao, D. F., Zhang, N., “CFD simulation of Pressure Drops in Liquid Acquisition Device Channel with Sub-Cooled Oxygen”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 3, 2009, pp. 144-149.
  8. McQuillen, J. B., Chao, D. F., Hall, N. R., Motil, B. J., Zhang, N., “CFD simulation of Flow in Capillary Flow Liquid Acquisition Device Channel”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 6, 2012, pp. 640-646.
  9. Hartwig, J., Chato, D., McQuillen, J., “Screen Channel LAD Bubble Point Tests in Liquid Hydrogen”, International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 39, No. 2, 2014, pp. 853-861.
  10. Fischer, A., Gerstmann, J., “Flow Resistance of Metallic Screens in Liquid, Gaseous and Cryogenic Flow”, 5th European Conference for Aeronautics and Space Sciences, Munich, Germany, 2013.
  11. Fries, N., Odic, K., Dreyer, M., “Wicking of Perfectly Wetting Liquids into a Metallic Mesh”, 2nd International Conference on Porous Media and its Applications in Science and Engineering, 2007.
  12. Seo, M. K., Kim, D. H., Seo, C. W., Lee, S. Y., Jang, S. P., Koo, J., “Experimental Study of Pressure Drop in Compressible Fluid through Porous Media”, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers – B, Vol. 37, No. 8, pp. 759-765, 2013.
  13. Hartwig, J., Mann, J. A., “Bubble Point Pressures of Binary Methanol/Water Mixtures in Fine-Mesh Screens”, AlChE Journal, Vol. 60, No. 2, 2014, pp. 730-739.
Modeling of Mesh Screen for Use in Surface Tension Tank Using Flow-3d SoftwareDownload
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

References

  1. Bryant, D.B., Khan, A.A. and Aziz, N.M., 2008. Investigation of flow upstream of orifices. Journal of Hydraulic Engineering, 134(1), pp.98-104.
  2. Chanson, H., Aoki, S.I. and Maruyama, M., 2002. Unsteady two-dimensional orifice flow: a large-size experimental investigation. Journal of Hydraulic Research, 40(1), pp.63-71.
  3. Chapokpour, J., Ghasemzadeh, F. and Farhoudi, J., 2012. The numerical investigation on vortex flow behavior using FLOW-3D. Iranica Journal of Energy & Environment, 3(1), pp.88-96.-
  4. Dargahi, B., 2010. Flow characteristics of bottom outlets with moving gates. Journal of Hydraulic Research, 48(4), pp.476-482.
  5. Powell, D.N. and Khan, A.A., 2011. Sediment transport mechanics upstream of an orifice. Journal of visualization, 14(4), pp.315-320.
  6. Powell, D.N. and Khan, A.A., 2012. Scour upstream of a circular orifice under constant head. Journal of hydraulic research, 50(1), pp.28-34..
  7. Powell, D.N. and Khan, A.A., 2015. Flow field upstream of an orifice under fixed bed and equilibrium scour conditions. Journal of Hydraulic Engineering, 141(2), p.04014076.
  8. Shahmirzadi, M.M., Dehghani, A.A., Meftahh, M. and Mosaedi, A., 2010. Experimental investigation of pressure flushing technique in reservoir storages. Water Geosci, 1, pp.132-137.
  9. Shammaa, Y., Zhu, D.Z. and Rajaratnam, N., 2009. Flow field in a rectangular basin with a line inlet and a circular outlet. Journal of Hydraulic Engineering, 135(10), pp.857-864.
  10. Wei G, Brethour J, Grünzner M, Burnham J. The sedimentation scour model in FLOW-3D®. Flow Sci. Rep. 2014 Jun:3-14.
JISE_Volume 44_Issue 2_Pages 1-9Download
Fig.5- View of a simulated congressional overflow

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

References

  1. Crookston, B. M. and Tullis, B. P., 2012a. Arced labyrinth weirs. Journal of Hydraulic Engineering. 138(6), pp.555-562.
  2. Crookston, B. M. and Tullis, B. P., 2012b, Hydraulic design and analysis of labyrinth weirs. I: Discharge relationships. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 139(5), pp.363-370.
  3. Khode, B. V., Tembhurkar, A. R., Porey, P. D. and Ingle, R. N., 2011. Experimental studies on flow over labyrinth weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138(6), pp.548-552.
  4. Seo, I. W., Do Kim, Y., Park, Y. S. and Song, C. G. 2016, Spillway discharges by modification of weir shapes and overflow surroundings. Environmental Earth Sciences. 75(6), pp.1-13.
  5. Tullis, J. P., Amanian, N. and Waldron, D., 1995. Design of labyrinth spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 121(3), pp.247-255.
  6. Farzin, S., Karami, H. and Zamiri, E., 2016. Study of the Flow over Rubber Dam Using Computational Hydrodynamics. Journal of Dam and Hydroelectric Powerplant. 3(9), pp.1-11. (In Persian).
  7. Hirt, C. W. and Richardson, J. E., 1999. The modeling of shallow flows, Flow Science, Technical Notes. 48, pp.1-14.
  8. Hosseini, K., Tajnesaie, M. and Jafari Nodoush, E., 2015. Optimization of the Geometry of Triangular Labyrinth Spillways, Using Fuzzy‐Neural System and Differential Evolution Algorithm. Journal of Civil and Environmental Engineering. 45(1), PP.81-91. (In Persian).
  9. Khode, B. V., Tembhurkar, A. R., Porey, P. D. and Ingle, R. N., 2011. Experimental studies on flow over labyrinth weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 138(6), pp.548-552.
  10. Nezami, F., Farsadizadeh, D., Hosseinzadeh Delir, A. and Salmasi, F., 2012. Experimental Study of Discharge Coefficient of Trapezoidal Labyrinth Side-Weirs. Journal of Water and Soil Science. 23(1), PP.247-257. (In Persian).
  11. Nikpiek, P. and Kashefipour, S. M., 2014. Effect of the hydraulic conditions and structure geometry on mathematical modelling of discharge coefficient for duckbill and oblique weirs. Journal of Irrigation Science and Engineering. 39(1), pp.1-10. (In Persian).
  12. Noori, B. M. and Aaref, N. T., 2017. Hydraulic Performance of Circular Crested Triangular Plan Form Weirs. Arabian Journal for Science and Engineering. pp.1-10.
  13. Noruzi, S. and Ahadiyan, J., 2016. Effect of Vortex Breaker Blades 45 Degree on Discharge Coefficient of Morning Glory Spillway Using Flow-3D. Journal of Irrigation Science and Engineering. 39(4), PP. 47-58. (In Persian).
  14. Paxson, G. and Savage, B., 2006. Labyrinth spillways: comparison of two popular USA design methods and consideration of non-standard approach conditions and geometries. Proceedings of the international junior researcher and engineer workshop on hydraulic structures, Montemor-o-Novo, Portugal, Division of Civil Engineering, 37.
  15. Payri, R., Tormos, B., Gimeno, J. and Bracho, G., 2010. The potential of Large Eddy Simulation (LES) code for the modeling of flow in diesel injectors. Mathematical and Computer Modelling. 52(7), pp.1151-1160.
  16. Rezaee, M., Emadi, A. and Aqajani Mazandarani, Q., 2016. Experimental Study of Rectangular Labyrinth Weir. Journal of Water and Soil. 29(6), pp. 1438-1446. (In Persian).
  17. Seo, I. W., Do Kim, Y., Park, Y. S. and Song, C. G. 2016, Spillway discharges by modification of weir shapes and overflow surroundings. Environmental Earth Sciences. 75(6), pp.1-13.
  18. Suprapto, M., 2013. Increase spillway capacity using Labyrinth Weir. Procedia Engineering. 54, pp. 440-446.
  19. Tullis, J. P., Amanian, N. and Waldron, D., 1995. Design of labyrinth spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 121(3), pp.247-255.
  20. Zamiri, E., Karami, H. and Farzin, S., 2016. Numerical Study of Labyrinth Weir Using RNG Turbulence Model. 15th Iranian Hydraulic Conference, Imam Khomeini International University, Qazvin, Iran. (In Persian).
JISE_Volume 43_Issue 1_Page 101-116Download
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane (x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

Reference

  1. Flokstra, C. (2006). Modeling of submerged vanes. J. Hydraulic Research. 44(5), 591-602.
  2. Gupta, U.P., Ojha, C.S.P. and Sharma, N. (2010). Enhancing utility of submerged vanes with collar. J. Hydraulic Engineering, ASCE, 136(9), 651-655.
  3. Gupta, U.P., Sharma, N. and Ojha, C.S.P. (2006). Performance evaluation of submergence ratio of a rectangular submerged vane with collar. International Journal of Sediment Research. 21(1), 42-49.
  4. Kalathil, S.T., Wuppukondur, A., Balakrishnan, R.K. and Chandra, V. (2018). Control or sediment inflow into a trapezoidal intake canal using submerged vanes. ASCE, J. Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering. 144(6), 04018020.
  5. Odgaard, A.J. and Spoljaric, A. (1986). Sediment control by submerged vanes. ASCE, J. Hydraulic Engineering. 112(12), 1164-1181.
  6. Odgaard, A.J. and Wang, Y. (1991a). Sediment management with submerged vanes, I: Theory. J. Hydraulic Engineering, ASCE. 117(3), 267-283.
  7. Odgaard, A.J. and Wang, Y. (1991b). Sediment management with submerged vanes, II: Application. J. Hydraulic Engineering, ASCE. 117(3), 284-302.
  8. Ouyang, H.T. (2009). Investigation on the Dimensions and shape of a submerged vane for sediment management in alluvial channels. J. Hydraulic Engineering, ASCE. 135(3), 209-217.
  9. Ouyang, H.T. and Cheng, P.L. (2016). Characteristics of interactions among a row of submerged vanes in various shapes. J. Hydro-environmental Research. 13, 14-25.
  10. Spoljaric, A. (1988). Mechanics of submerged vanes on flat boundaries. PhD thesis, University of Iowa, Iowa city, Iowa.
JHYD_Volume 15_Issue 1_Pages 1-11Download
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)

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

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

세굴 패턴 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. Abdelaziz, S., M.D. Bui, P. Rutschmann, 2010. Numerical simulation of scour development due to submerged horizontal jet. River Flow. Process of the International Conference on Fluvial Hydraulics, 8–10 September, Braunschweig, Germany.
  2. Ali Hosseini, P., 2008. The study of local scour due to submerged horizontal Jets using experimental models. M.Sc. Thesis, University of Tehran, Tehran, Iran.
  3. Amir Aslani, Sh., M. Pirestani, A.A. Salehi neishabouri, 2008. Numerical study on the effects of internal friction angle of sediments on scour hole caused by free fall Jet. 2nd National Conference on Dam and Hydroelectric Power Plants, 14&15 May, Tehran, Iran.
  4. Bakhiet, Sh., G.A. Abdel-Rahim, K.A. Ali, N. Izumi, 2013. Prediction of scour downstream regulators using ANNs. International Journal of Hydraulic Engineering, 2; 1-13.
  5. Baranya S., J. Jozsa, 2006. Flow analysis in river Danube by field measurement and 3D CFD turbulence modelling. Journal of Periodica Polytechnica. Civil Engineering, 50; 57–68.
  6. Chatterjee, S., S. Ghoch, 1980. Submerged horizontal jet over erodible bed, Journal of the Hydraulics Division Proceedings of the American Society of Civil Engineers, 106; 1765-1782.
  7. Day, S., A. Sarkar, 2008. Characteristics of turbulent flow in submerged jumps on rough beds. Journal of Engineering Mechanic, 134; 49-59.
  8. Hager, W., H. Hans Erivin Minor, 2005. Plunge pool in prototype and laboratory. Hydraulics of Dam and River structures, London, 165-172.
  9. Hussein H.H, A.k.J. Inam, I.H. Nashwan, 2012. Evaluation of the local scour downstream untraditional bridge piers. Journal of Engineering and Development, 16; 36 – 49.
  10. Hamidifar, H., M.H. Omid, M. Nasrabadi, 2011. Scour downstream of a rough rigid apron. World Applied Sciences Journal 14; 1169-1178.
  11. Hopfinger, E.J., A. Kurniawan, W.H. Graf, W.U. Lemmin, 2004. Sediment erosion by Görtler vortices: The scour-hole problem. Journal of Fluid Mechanics, 520; 327-342.
  12. Karim, O.A., K.H.M. Ali, 2000. Prediction of patterns in local scour holes caused by turbulent water jets. Journal of Hydraulic Research, 38; 279-287.
  13. Khosronejad, A., S. Kang, F. Sotiropoulos, 2012. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers. Journal of Advances in Water Resources, 37; 73-85.
  14. Liu, X., M. García, 2008. Three-dimensional numerical model with free water surface and mesh deformation for local sediment scour. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, ASCE, 134; 203–217.
JDESERT_Volume 20_Issue 1_Pages 47-55Download
Figure 2. 3D view related to descending mode.

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

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. Asano, T. (1988). Wave damping characteristics due to seaweed, Proc. 35th Conf. on Coastal Engrg.
  2. Asano, T., Deguchi, H., & Kobayashi, N. (1992). Interaction between water waves and vegetation, Coastal Engineering 1992, 2709-2723.
  3. Best, Ü.S., van der Wegen, M., Dijkstra, J., Reyns, J., van Prooijen, B.C., & Roelvink, D. (2022). Wave attenuation potential, sediment properties and mangrove growth dynamics data over Guyana’s intertidal mudflats: assessing the potential of mangrove restoration works. Earth System Science Data, 14(5), 2445-2462.
  4. Cooper, N.J. (2005). Wave dissipation across intertidal surfaces in the Wash tidal inlet, eastern England. Journal of Coastal Research, 21(1), 28-40.
  5. Dean, R. (1979). Effects of vegetation on shoreline erosional processes. R. E. Greeson, J.R. Clark, & J., 1(2), 416-426.
  6. Dean, R.G., & Dalrymple, R.A. (1991). Water wave mechanics for engineers and scientists, 2nd ed., World Scientific Publishing.
  7. Dubi, A. (1995). Damping of water waves by submerged vegetation–a case study on Laminaria hyperborea. Dr. Ing. Thesis, Department of Structural Engineering, NTNU/SINTEF-NHL, Trondheim, Norway.
  8. Erduran, K., & Kutija, V. (2003). Quasi-three-dimensional numerical model for flow through flexible, rigid, submerged and non-submerged vegetation. Journal of Hydroinformatics, 5(3), 189-202.
  9. Fathi-Moghadam, M., Kashefipour, M., Ebrahimi, N., & Emamgholizadeh, S. (2011). Physical and numerical modeling of submerged vegetation roughness in rivers and flood plains. Journal of Hydrologic Engineering, 16(11), 858-864.
  10. Hu, Z., Lian, S., Zitman, T., Wang, H., He, Z., Wei, H., Ren, L., Uijttewaal, W., & Suzuki, T. (2022). Wave breaking induced by opposing currents in submerged vegetation canopies. Water Resources Research, 58(4), e2021WR031121.
  11. Imamura, M. et al. (2006). Current status of hematopoietic cell transplantation for adult patients with hematologic diseases and solid tumors in Japan. International Journal of Hematology, 83, 164-178.
  12. Li, R.-M., & Shen, H.W. (1973). Effect of tall vegetations on flow and sediment. Journal of the Hydraulics Division, 99(5), 793-814.
  13. Ma, Y. et al. (2023). Wave attenuation by flattened vegetation (Scirpus mariqueter). Frontiers in Marine Science, 10, 571.
  14. Mukherjee, A., Cajas, J.C., Houzeaux, G., Lehmkuhl, O., Suckale, J., & Marras, S. (2023). Forest density is more effective than tree rigidity at reducing the onshore energy flux of tsunamis. Coastal Engineering, 182, 104286.
  15. Wu, W.-C., & Cox, D.T. (2016). Effects of vertical variation in vegetation density on wave attenuation. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 142(2), 04015020.
  16. Zhang, X., Lin, P., & Nepf, H. (2022). A wave damping model for flexible marsh plants with leaves considering linear to weakly nonlinear wave conditions. Coastal Engineering, 175, 104124.
JHWE_Volume 1_Issue 1_Pages 55-64Download
Van Rijn Model

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

Reference

  1. D’Agostino, V. and Ferro, V. 2004. “Scour on alluvial bed downstream of grade-control structures.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 130(1): 24–37.
  2. Dargahi, B. (2003). “Scour development downstream of a spillway.” Journal of Hydraulic Research, 41(4): 417–426.
  3. Dey, S., Bose, S.K. and Sastry, G.L.N. 1995. “Clear-water scour at circular piers: a model.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 121(12): 869-876.
  4. Elnikhely, E.A. 2016. “Minimizing scour downstream of spillways using curved vertical sill.” Nineteenth International Water Technology Conference.
  5. Ettema, R. 1980. “Scour at bridge piers.” PhD Thesis, Auckland University, Auckland, New Zealand.
  6. Falvey, H.T. 2003. “Hydraulic design of labyrinth weirs.” ASCE Press, Reston, VA, United States.
  7. Flow Science, Inc. 2008. “FLOW-3D User’s Manual.” Flow Science, Inc.
  8. Gentilini, B. 1940. “Stramazzi con cresta a planta obliqua e a zig-zag, Memorie e Studi dell Instituto di Idraulica e Construzioni Idrauliche del Regil Politecnico di Milano, Italian.”
  9. Ghodsian, M. 2009. “Stage–discharge relationship for a triangular labyrinth spillway, in Proceedings of the Institution of Civil Engineers.” Water Management, 162(3): 173-178.
  10. Gupta, K.K., Kumar, S. and Ahmad, Z. 2015. “Effect of weir height on flow performance of sharp crested rectangular – planform weir.” World Applied Sciences Journal, 33(1): 168-175.
  11. Guven, A. and Gunal, M. 2008. “Prediction of scour downstream of grade-control structures using neural networks.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 134(11): 1656–1660.
  12. Heidarpour, M., Mousavi, S.F. and Roshanimehr, A.R. 2007. “Investigation of polyhedron weirs with rectangular plan and U-shaped, (in Persian).” Journal of Science and Technology of Agriculture and Natural Resources, 3(A): 1-11.
  13. Jüstrich, S., Pfister, M. and Schleiss, A.J. 2016. “Mobile riverbed scours downstream of a Piano Key weir.” Journal of Hydraulic Engineering, 142(11): 40-46.
  14. Kardan, N., Hakimzadeh, H. and Hassanzadeh, Y. (2013). “3D Numerical simulation of hydrodynamic parameters around the bridge piers using various turbulence models.” Journal of Irrigation Science and Engineering, 37(4): 39-54 (in Persian).
  15. Kumar, V., Rang Raju, K.G. and Vittal, N. 1999. “Reduction of local scour around bridge piers using slot and collars.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(12): 1302-1305.
  16. Kumar, B. and Ahmad, Z. 2020. “Experimental study on scour downstream of a piano key weir with nose.” 8th IAHR ISHS, Santiago, Chile.
  17. Melville, B.W. and Chiew, Y.M. 1999. “Time scale for local scour at bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 125(1): 59-65.
  18. Melville, B.W. and Lim, S.Y. 2013. “Scour caused by 2D horizontal jet.” Journal of Hydraulic Engineering, 140(2): 149-155.
  19. Melville, B.W. 2015. “Scour at various hydraulic structures: sluice gates, submerged bridges and low weirs.” Conference: 5th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, Brisbane, Australia, 2014, Conference Paper, Australasian. Journal of Water Resources, 18(2): 101–117.
  20. Morsali M. 2019. “Investigation on scour downstream of triangular labyrinth weir.” M.Sc. thesis, University of Zanjan, Zanjan, Iran.
  21. Novak, P.J. 1961. “Influence of bed load passage on scour and turbulence downstream of stilling basin, in: 9th Congress, IAHR, Dubrovnik, Croatia.”
  22. Saleh, O.K., Elnikhely, E.A. and Ismail, F. 2019. “Minimizing the hydraulic side effects of weirs construction by using labyrinth weirs.” Flow Measurement and Instrumentation, 66: 1–11.
  23. Scurlock, S.M., Thornton, L.C. and Abt, S.R. 2012. “Equilibrium scours downstream of three-dimensional grade control structure.” Journal of Hydraulic Engineering, 138(2): 167-176.
  24. Schoklitsch Kolkbildungunteru, A. 1932. “Berfallstrahlen, Scour formation below overfall jets, Dieasserwirtschaft,” 25(24): 341–343 (in German).
  25. Sheppard, D.M. and Miller, W. 2006. “Live Bed Local pier scour experiments.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 132(7): 635-642.
  26. Smith, H. and Foster, D. 2005. “Modeling of flow around a cylinder over a scoured Bed.” Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, 14(1): 121-137.
  27. Van Rijn, L.C. 1984. “Principles of sediment transport in rivers, estuaries and coastal seas.” University of Utrecht, the Netherlands.
  28. Yazdi, A.M., Hoseini, S.A., Nazari, S. and Amanian, N. 2021. “Effects of weir geometry on scour development in the downstream of Piano Key Weirs.” Water Supply, 21(1): 289-298.
IWE_Volume 14_Issue 4_Pages 53-73Download
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement

Hydraulic performance evaluation of head works using FLOW 3D

FLOW-3D를 이용한 헤드워크의 수리 성능 평가

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

유속 및 압력 분석

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

방류 용량 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

  1. Goel, A.; Pillai, N.N (2008). A flowmeter for rectangular irrigation field channels. Water Manag. 161, 135–139.
  2. Khater, A.; Kitamura, Y.; Shimizu, K.; Abou El Hassan, W.; Fujimaki, H. (2015). Quantitative analysis of reusing agricultural water to compensate for water supply deficiencies in the Nile Delta irrigation network. Paddy Water Environ. 13, 367–378.
  3. Outeiro, J.C.; Umbrello, D.; M’saoubi, R. (2006). Experimental and numerical modelling of the residual stresses induced in orthogonal cutting of AISI 316L steel. Int. J. Mach. Tools Manuf. 46, 1786–1794.
  4. Qiao, Q.; Li, C.G.; Jing, H.F.; Huang, L.X.; Yang, C. (2021). Impact of an artificial chute cutoff on the river morphology and flow structure in Sipaikou area of the Upper Yellow River. J. Mt. Sci. 18, 16.
  5. Kim, B.J.; Hwang, J.H.; Kim, B. (2022). FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures. Sustainability 14, 10493. https://doi.org/10.3390/su141710493
  6. Le Thi Thu Hien, Duong Hoai Duc. (2020). Numerical Simulation of Free Surface Flow on Spillways and Channel Chutes with Wall and Step Abutments by Coupling Turbulence and Air Entrainment Models. Water 12, 3036; doi:10.3390/w12113036
  7. Chanson, H.; Brattberg, T. (2000). Experimental study of the air–water shear flow in a hydraulic jump. Int. J. Multiph. Flow 26, 583–607.
  8. Dhamotharan, S.; Gulliver, J.S.; Stefan, H.G. (1981). Unsteady one-dimensional settling of suspended sediment. Water Resour. Res. 17, 1125–1132.
  9. Olsen, N.R.B. (1999). Two-dimensional numerical modelling of flushing processes in water reservoirs. J. Hydraul. Res. 37, 3–16.
  10. Kim, K.H.; Choi, G.W.; Jo, J.B. (2005). An Experimental Study on the Stream Flow by Discharge Ratio. Korea Water Resour. Assoc. Acad. Conf. 05b, 377–382.
  11. Saad, N.Y.; Fattouh, E.M. (2017). Hydraulic characteristics of flow over weirs with circular openings. Ain Shams Eng. J. 8, 515–522.
  12. Bagheri, S.; Kabiri-Samani, A.R. Hydraulic Characteristics of flow over the streamlined weirs. Modares Civ. Eng. J. 2018, 17, 29–42.
  13. Sharafati, A.; Haghbin, M.; Motta, D.; Yaseen, Z.M. (2021). The application of soft computing models and empirical formulations for hydraulic structure scouring depth simulation: A comprehensive review, assessment and possible future research direction. Arch. Comput. Methods Eng. 28, 423–447.
JHS_Volume 10_Issue 3_Pages 72-89Download
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.

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

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

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

침전지 모델링 및 시뮬레이션 설정

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

중앙 복합 설계(CCD) 기반 실험 설계

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

수치 해석 기법

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

주요 결과

유입구 및 배플 위치가 제거 효율에 미치는 영향

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

최적 설계 도출

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

References

  1. Shahrokhi, M., F. Rostami, M.A. Md. Said, S.R.S. Yazdi, and Syafalni, (2013). Experimental investigation of the influence of baffle position on the flow field, sediment concentration, and efficiency of rectangular primary sedimentation tanks. Journal of Hydraulic Engineering, 139(1): p. 88-94.
  2. Shahrokhi, M., F. Rostami, M.A.M. Said, and S.R.S. Yazdi, (2012). The effect of number of baffles on the improvement efficiency of primary sedimentation tanks. Applied Mathematical Modelling, 36(8): p. 3725-3735.
  3. Borna, M., A. Janfeshan, E. Merufinia, and A. Asnaashari, (2014). Numerical simulations of distribution and sediment transmission in pre-settled pools using Finite Volume Method and comparison with experimental results. Journal of Civil Engineering and Urbanism, 4(3): p. 287-292.
  4. Rad, M.J., P.E. Firoozabadi, and F. Rostami, (2022). Numerical Investigation of the Effect Dimensions of Rectangular Sedimentation Tanks on Its Hydraulic Efficiency Using Flow-3D Software. Acta Technica Jaurinensis, 15(4): p. 207-220.
  5. Hirom, K. and T.T. Devi, (2022). Application of computational fluid dynamics in sedimentation tank design and its recent developments: A review. Water, Air, & Soil Pollution, 233: p. 1-26.
  6. Tarpagkou, R. and A. Pantokratoras, (2014). The influence of lamellar settler in sedimentation tanks for potable water treatment—A computational fluid dynamic study. Powder Technology, 268: p. 139-149.
  7. Razmi, A.M., R. Bakhtyar, B. Firoozabadi, and D.A. Barry, (2013). Experiments and numerical modeling of baffle configuration effects on the performance of sedimentation tanks. Canadian Journal of Civil Engineering, 40(2): p. 140-150.
  8. Liu, Y., P. Zhang, and W. Wei, (2016). Simulation of effect of a baffle on the flow patterns and hydraulic efficiency in a sedimentation tank. Desalination and Water Treatment, 57(54): p. 25950-25959.
  9. Saeedi, E., E. Behnamtalab, and S. Salehi Neyshabouri, (2020). Numerical simulation of baffle effect on the performance of sedimentation basin. Water and Environment Journal, 34(2): p. 212-222.
  10. Guo, H., S.J. Ki, S. Oh, Y.M. Kim, S. Wang, and J.H. Kim, (2017). Numerical simulation of separation process for enhancing fine particle removal in tertiary sedimentation tank mounting adjustable baffle. Chemical Engineering Science, 158: p. 21-29.
  11. Razmi, A.M., R. Bakhtyar, B. Firoozabadi, and D.A. Barry, (2013). Experiments and
    numerical modeling of baffle configuration effects on the performance of sedimentation tanks.
    Canadian Journal of Civil Engineering,. 40(2): p. 140-150.
  12. Liu, Y., P. Zhang, and W. Wei, (2016). Simulation of effect of a baffle on the flow patterns
    and hydraulic efficiency in a sedimentation tank. Desalination and Water Treatment,. 57(54):
    p. 25950-25959.
  13. Saeedi, E., E. Behnamtalab, and S. Salehi Neyshabouri, (2020). Numerical simulation of baffle
    effect on the performance of sedimentation basin. Water and environment journal,. 34(2): p.
    212-222.
  14. Miri, J.K., B. Aminnejad, and A. Zahiri, (2023). Numerical Study of Flow Pattern, Sediment
    Field and Effect of the Arrangement of Guiding Blades (Baffles) on Sedimentation in PreSedimentation Basins by Numerical Models. Water Resources,. 50(1): p. 68-81.
  15. Heydari, M.M., M. Rahbani, and S.M.M. Jamal, (2014). Experimental and numerical
    investigations of baffle effect on the removal efficiency of sedimentation basin. Advances in
    Environmental Biology,: p. 1015-1022.
  16. Guo, H., S.J. Ki, S. Oh, Y.M. Kim, S. Wang, and J.H. Kim, (2017). Numerical simulation of
    separation process for enhancing fine particle removal in tertiary sedimentation tank mounting
    adjustable baffle. Chemical engineering science,. 158: p. 21-29.
JHS_Volume 9_Issue 4_Pages 76-87Download
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 around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software
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 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
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

References

  1. Abdelaziz, S., Bui, M.D., Rutschmann, P. 2010. Numerical simulation of scour development due to submerged horizontal jet, 5th River Flow, International Conference on Fluvial Hydraulics.
  2. Alabi, P.D. 2006. Time development of local scour at bridge pier fitted with a collar. Master Science Thesis, University of Saskatchewan, Canada.
  3. Briaud, J.L., Gardoni, P., Yao, C. 2012. Bridge Scour Risk, ICSE6 Paris. ICSE6-011.
  4. Elsebaie, I.H. 2013. An Experimental Study of Local Scour around Circular Bridge Pier in Sand Soil, International Journal of Civil & Environmental Engineering (IJCEE-IJENS), 13(1), 23-28.
  5. Flow-3D v.9.2, Flow Science Inc., 2007, User’s Manual. www.flow3d.com.
  6. Jafari, M., Ayyoubzadeh, S.A., Esmaeili Varaki, M., Rostami, M. 2017. Simulation of Flow Pattern around Inclined Bridge Group Pier using FLOW-3D Software. Journal of Water and Soil, 30(6), 1860-1873.
  7. Heidarpour, M., Afzalimehr, H., Izadinia, E. 2010. Reduction of local scour around bridge pier groups using collars, International Journal of Sediment Research, 25(4): 411-422.
  8. Melville, B.W., Sutherland. A.J. 1988. Design method for local scour at bridge piers. J. Hyd. Eng, 114(10): 1210-1226.
  9. Olsen, N.R. 2007. A three dimensional numerical model for simulation of sediment movements in water intakes with multiblock option, User’s manual [Online]. Available: http://www.ntnu.no.
  10. Prendergast L.J., Gavin, K. 2014. A review of bridge scour monitoring techniques, Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering, 6, 138-149.
  11. Ramezani, Y., Babagoli Sefidkoohi, R. 2016. Comparison of Turbulence Models for Estimation of Bed Shear Stress Around Bridge Abutment in Compound Channel, Water and soil science, 26(2): 95-109.
  12. Soltani-Gerdefaramarzi, S., Afzalimehr, H., Chiew, Y.M., Lai, J.S. 2013a. Jets to control scour around circular bridge piers. Canadian journal of civil engineering, 40(3), 204-212.
  13. Soltani-Gerdefaramarzi, S., Afzalimehr, H., Chiew, Y.M., Ghasemi, M. 2013b. Turbulent characteristics in flow subjected to bed suction and jet injection as a pier-scour countermeasure, International Journal of Hydraulic Engineering, 2(5), 93-100.
  14. Soltani-Gerdefaramarzi, S., Afzalimehr, H., Chiew, Y.M., Gallichand, J. 2014. Reduction of pier scour using bed suction and jet injection. Water management. 167(2), 105-114.
  15. Smith, H. 2007. Flow and sediment dynamics around three-dimensional structures in coastal environments, Ph.D. thesis, The Ohio State University.
  16. Yildiz, B., Koken, M., Gogus, M. 2013. Abutment Scour Simulations by Using FLOW-3D, FLOW-3D user conference, Flow Science Inc.
JHE_Volume 1_Issue 2_Pages 46-54Download
Graphical Abstract

Efficiency and Agility of a Liquid CO2 Cooling System for Molten Metal Systems

용융 금속 시스템을 위한 액체 CO₂ 냉각 시스템의 효율성과 기동성 연구

Graphical Abstract
Graphical Abstract

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 마그네슘 합금은 가벼운 금속 구조재료로서 알루미늄과 철강을 대체할 가능성이 있음.
  • 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. 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. 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
Fig. 12. Sectional view of the nozzle with color scaled temperatures in the melt

References

  1. C. Herrmann, H. Pries, G. Hartmann, Energie- und ressourceneffiziente Produktion von Aluminiumdruckguss, Springer Vieweg, Heidelberg, 2013, ISBN 978-3-642-39852-0.
  2. V. Goryany, P.J. Mauk, O. Myronova, Magnesium als Leichtbauwerkstoff – Eigenschaften, Anwendungen, Entwicklungspotential, Giesserei-Rundschau 53 (2006) 9–10.
  3. A. Lohmüller, M. Scharrer, C. Rauber, et al., Neue Entwicklungen beim Thixospritzgießen von Magnesium, Neue Materialien Fürth GmbH, Fürth, 2007.
  4. D.V. Rosato, M.G. Rosato, Injection Molding Handbook 3, Springer Science & Business Media, 2012.
  5. R. Spina, Injection moulding of automotive components: comparison between hot runner systems for a case study, J. Mater. Process. Technol. 155–156 (2004) 1497–1504, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.04.359.
  6. A. Demirer, Y. Soydan, A.O. Kapti, An experimental investigation of the effects of hot runner system on injection moulding process in comparison with conventional runner system, Materials and Design 28 (5) (2007) 1467–1476, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2006.03.015.
  7. J. Glück, A. Schilling, M. Fehlbier, J. Röse, A. Gebauer-Teichmann, Düse für Metall-Druckgussanwendungen, DE102015224410B4, 2020, DPMA German Patent.
  8. J. Glück; A. Schilling; M. Fehlbier; J. Röse; A. Gebauer-Teichmann, Rückschlagventil, 2019, 1-11. DE102015224411B4.
  9. J. Glück; A. Schilling; M. Fehlbier; J. Röse; A. Gebauer-Teichmann; Gusseinrichtung; DPMA German Patent. 2017, 1-19. DE102015224414A1.
  10. L. Reiche, Entwicklung einer geregelten und energieeffizienten Werkzeugtemperierung im Dauerformguss unter Einsatz einer Sprühkühlung mit Wärmerückgewinnung, Dissertation, Universität Kassel, Kassel, 2019, https://doi.org/10.17170/kobra-202007281500.
  11. W. Kotzab, Methoden der Impulstemperierung, in: Kunststoffe, Hanser Verlag, München, 2006, 8/2006.
  12. W. Steinko, C. Bader, Optimierung von Spritzgießprozessen, Hanser, München, 2008, ISBN 978-3-446-40977-4.
  13. N. Abbas, S. Nadeem, A. Saleem, Computational analysis of water based Cu – Al2O3/H2O flow over a vertical wedge, Adv. Mech. Eng. 12 (11) (2020) 1–10, https://doi.org/10.1177/1687814020968322.
  14. S. Nadeem, N. Abbas, A.U. Khan, Characteristics of three dimensional stagnation point flow of Hybrid nanofluid past a circular cylinder, Results in Physics 8 (2018) 829–835, https://doi.org/10.1016/j.rinp.2018.01.024.
  15. X.C. Liu, Y.F. Sun, H. Fujii, Clarification of microstructure evolution of aluminum during friction stir welding using liquid CO2 rapid cooling, Mater. Des. 129 (2017) 151–163, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.05.013.
  16. Nan Xu, Rintaro Ueji, Yoshiaki Morisada, Hidetoshi Fujii, Modification of mechanical properties of friction stir welded Cu joint by additional liquid CO2 cooling, Mater. Des. 6 (2014) 20–25, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.10.076.
  17. N. Hanenkamp, S. Amon, D. Gross, Hybrid supply system for conventional and CO2/MQL-based cryogenic cooling, Procedia CIRP 77 (2018) 219–222, https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.08.293.
  18. Huihong Liu, Kohsaku Ushioda, Hidetoshi Fujii, Elucidation of microstructural evolution of beta-type titanium alloy joint during friction stir welding using liquid CO2 cooling, Mater. Char. 145 (2018) 490–500, https://doi.org/10.1016/j.matchar.2018.09.005.
  19. Zaman Ziabakhsh-Ganji, Henk Kooi, Sensitivity of Joule–Thomson cooling to impure CO2 injection in depleted gas reservoirs, Appl. Energy 113 (2014) 434–451, https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2013.07.059.
  20. C.M. Oldenburg, Joule-Thomson cooling due to CO2 injection into natural gas reservoirs, Energy Convers. Manag. 48 (6) (2007) 1808–1815, https://doi.org/10.1016/j.enconman.2007.01.010.
  21. G. Walker, Joule-Thomson cooling systems, in: Cryocoolers. The International Cryogenics Monograph Series, Springer, Boston, MA, 1983, https://doi.org/10.1007/978-1-4899-5286-8_6.
  22. K.-P. Tucan, R. Gschwandtner, P. Hofer, G. Schindelbacher, P. Schumacher, Vergleich der Wirkung von lokalen Temperiermaßnahmen in Druckgießformen, Giesserei-Rundschau 59 (2012) 211–216, 7/8.
Efficiency and agility of a liquid CO2 cooling system for molten metal systemsDownload
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state

Investigation of the Flow Field Around Bridge Piers on a Non-Eroding Bed Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 비침식성 하상에서 교각 주변 유동장 연구

Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 교각(Bridge Pier)은 강 또는 하천 내에 위치하는 구조물로, 주변 유속 및 난류 형성에 영향을 미쳐 침식(Scour) 현상을 유발할 수 있음.
  • 기존 연구들은 주로 침식이 발생하는 조건에서 단일 교각에 대한 실험 연구를 수행하였으며, 비침식성(non-eroding) 하상에서 다중 교각(Group Piers)의 유동 특성 연구가 부족함.
  • 침식이 시작되기 전 유동 특성을 분석하면 교각 설계 및 침식 저감 대책 수립에 기초 자료를 제공할 수 있음.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 단일 교각 및 다중 교각 배열(tandem 및 side-by-side)에서의 유동 특성을 수치적으로 분석.
  • 비침식성 하상에서 유속 분포, 난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE), 전단 응력(Shear Stress) 등을 평가.
  • 다양한 교각 배치 간격(S/D 비율)에 따른 유동 특성을 연구하여 안정적인 설계 기준 제시.

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.
  • 실험 데이터 검증:
    • Khatam Al-Anbia 기술대학교의 수리 실험실에서 단일 사각형 및 원형 교각(3×3cm) 모델을 사용한 실험 수행.
    • Acoustic Doppler Velocimeter (ADV)를 이용한 유속 측정 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 비교.
    • 중앙부(b/B = 0.5)에서 평균 오차율 7.44%, 측면(b/B = 0.25)에서 5.59%로 검증 성공.

수치 모델 설정

  • 비침식성 하상을 가정하여 유동장만 분석.
  • 단일 교각(사각형, 원형) 및 다중 교각(2개) 배열 실험 수행.
  • 다중 교각 배열 조건:
    • Tandem 배치 (전후 교각 간 거리: S/D = 2, 4, 6)
    • Side-by-side 배치 (나란히 배치, 거리: S/D = 2, 4, 6)

주요 결과

유속 분포(Velocity Profiles) 분석

  • 단일 교각
    • 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. 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. 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
Fig. 9 The shear stress near the bed surface around the group pier and single pier in a non-erodible bed

References

  1. Kirkil, G.; Constantinescu, G.; Ettema, R. Coherent structures in the flow field around a circular cylinder with scour hole. J. Hydraul. Eng. 2008, 134, 572–587.
  2. Laursen EM, Toch A (1956) Scour around bridge piers and abutments. Bulletin No. 4. Iowa Highway Research Board, Bureau of Public Roads, Iowa.
  3. Melville BW (1975) Local scour at bridge sites. School of Engineering, University of Auckland, Auckland.
  4. Raudkivi AJ, Ettema R (1985) Scour at cylindrical bridge piers in armored beds. J Hydraul Eng 111:713–731
  5. Melville BW, Sutherland AJ (1988) Design method for local scour at bridge piers. J Hydraul Eng 114:1210–1226.
  6. Breusers HNC, Raudkivi AJ (1991) ‘‘Scouring.’’ Hydraulic structures design manual, vol 2. A. A. Balkmea, Rotterdam.
  7. Yanmaz AM, Altinbilek HD (1991) Study of time-depenbent local scour around bridge piers. J Hydraul Eng 117:1247–1268.
  8. Dey S, Bose SK, Sastry GLN (1995) Clear water scour at circular piers: a model. J Hydraul Eng 121:869–876.
  9. Melville BW, Coleman SE (2000) Bridge scour. Water Resource Publicatians, LLC, Denvernd.
  10. M.N. Landers, D.S. Mueller, Channel scour at bridges in the United States, Pub. FHWA-RD-95-184. USDOT, Turner Fairbanks Hwy. Res. Ctr., McLean, Va. 1996.
  11. Zokaei, M.; Zarrati, A.R.; Salamatian, S.A.; Karimaee Tabarestani, M. Study on scouring around bridge piers protected by collar using low-density sediment. Int. J. Civ. Eng. 2013, 11, 199–205.
  12. Zarrati, R.A.; Nazariha, M.; Mashahir, M.B. Reduction of Local Scour in the Vicinity of Bridge Pier Groups Using Collars and Riprap. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 154–162.
  13. Singh, K.U.; Ahmad, Z.; Kumar, A. Turbulence characteristics of flow over the degraded cohesive bed of clay–silt–sand mixture. ISH J. Hydraul. Eng. 2017, 23, 308–318.
  14. Pandey, M.; Ahmad, Z.; Sharma, P.K. Flow-characteristics around circular pier model. In Proceedings of the HYDRO’15 International Conference, IIT ROORKEE, Roorkee, India, 17–19 December 2015.
  15. Melville, B.W. Pier and Abutment Scour: Integrated Approach. J. Hydraul. Eng. 1997, 123, 125–136.
  16. Melville, B. W. (1984). Live-bed scour at bridge piers. Journal of hydraulic engineering, 110(9), 1234-1247.
  17. Farooq, R., & Ghumman, A. R. (2019). Impact assessment of pier shape and modifications on scouring around bridge pier. Water, 11(9), 1761.
  18. 18- Liang, F., Wang, C., Huang, M., & Wang, Y. (2017). Experimental observations and evaluations of formulae for local scour at pile groups in steady currents. Marine Georesources & Geotechnology, 35(2), 245-255.
  19. Amini, A.; Melville, B.W.; Ali, T.M.; Ghazli, A.H. Clear water local scour around pile groups in shallow-water flow. J. Hydraul. Eng. 2012, 138, 177–185.
  20. Ataie-Ashtiani, B.; Beheshti, A.A. Experimental investigation of clear-water local scour at pile groups. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 1100–1104.
  21. Beg, M. Characteristics of developing scour holes around two piers placed in transverse arrangement. In Proceedings of the 5th International Conference on Scour and Erosion, San Francisco, CA, USA, 7–10 November 2010.
  22. Lanca, R.; Fael, C.; Maia, R.; Pego, J.P.; Cardoso, A.H. Clear-water scour at pile groups. J. Hydraul. Eng. 2013, 139, 1089–1098.
  23. Tafarojnoruz, A.; Gaudio, R.; Calomino, F. Bridge pier scour mitigation under steady and unsteady flow conditions. Acta Geophys. 2012, 60, 1076–1097.
  24. Zarrati, A.R.; Nazariha, M.; Mashahir, M.B. Reduction of local scour in the vicinity of bridge pier groups using collars and riprap. J. Hydraul. Eng. 2006, 132, 154–162.
  25. Zhou, K., Duan, J. G., & Bombardelli, F. A. (2020). Experimental and theoretical study of local 498 scour around three-group pier. Journal of Hydraulic Engineering, 146(10), 04020069.
  26. Sheppard, D. M., & Miller Jr, W. (2006). Live-bed local pier scour experiments. Journal of 485 Hydraulic Engineering, 132(7), 635-642.
  27. Keshavarzi, A., Shrestha, C. K., Melville, B., Khabbaz, H., Ranjbar-Zahedani, M., & Ball, J. 449 (2018). Estimation of maximum scour depths at upstream of front and rear piers for two in-line 450 circular columns. Environmental Fluid Mechanics, 18(2), 537-550.
  28. Richardson, E. V. and Davis, S. R. (2001). Evaluating scour at bridges, Hydraulic Engineering Circular No. 18, Federal Highway Administration, Washington, D.C.
  29. Elliott, K. and Baker, C. (1985). “Effect of pier spacing on scour around bridge piers.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 111, No. 7, pp. 1105-1109, DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429(1985) 111:7(1105).
  30. Gao, D. G., Posada, L. G., and Nordin, C. F. (1993). Pier scour equations used in the People’s Republic of China: REVIEW AND SUMMARY, Tech. Rep., Department of Civil Engineering, Colorado State University, Fort Collins, Colorado.
  31. Melville, B. W. and Coleman, S. E. (2000). Bridge scour, Littleton, Colorado: Water Resources Publications.
  32. Ghasemi, M.; Soltani, S. The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D. J. Hydrosci. Environ. 2017, 1, 46–54.
  33. Flow Science. Flow-3D: Version 9.3: User Manual; Flow Science: Santa Fe, NM, USA, 2008.
  34. Zhang, Q.; Zhou, X.L.; Wang, J.H. Numerical investigation of local scour around three adjacent piles with different arrangements under current. Ocean Eng. 2017, 142, 625–638.
  35. Hassan, Z.F.; Karim, I.R.; Al-Shukur, A.-H.K. Numerical Simulation of Local Scour around Tandem Bridge Piers. J. Water Resour. Res. Dev. 2020, 3, 1–10.
  36. Ataie-Ashtiani, B., & Aslani-Kordkandi, A. (2012). Flow field around side-by-side piers with and without a scour hole. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 36, 152-166.
  37. Cengel, Y.A.; Cimbala, J.M. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 2014; ISBN 9780073380322.
  38. Daneshfaraz R, Ghahramanzadeh A, Ghaderi A, Joudi AR, Abraham J, (2016). Investigation of the Effect of Edge Shape on Characteristics of Flow under Vertical Gates. Journal of American Water Works Association, Doi.org/10.5942/jawwa.2016.108.0102.
  39. Tang, J. H., & Puspasari, A. D. (2021). Numerical simulation of local scour around three cylindrical piles in a tandem arrangement. Water, 13(24), 3623.
  40. Ghasemi, M.; Soltani, S. The Scour Bridge Simulation around a Cylindrical Pier Using Flow-3D. J. Hydrosci. Environ. 2017,1, 46–54.
  41. Zhang, Q.; Zhou, X.L.; Wang, J.H. Numerical investigation of local scour around three adjacent piles with different arrangements under current. Ocean Eng. 2017, 142, 625–638.
  42. Jalal, H.K.; Hassan, W.H. Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2020, 745, 012150.
  43. Omara, H.; Tawfik, A. Numerical study of local scour around bridge piers. IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2018, 151, 012013.
  44. Nazari-Sharabian, M.; Nazari-Sharabian, A.; Karakouzian, M.; Karami, M. Sacrificial Piles as Scour Countermeasures in River Bridges A Numerical Study using Flow-3D. Civ. Eng. J. 2020, 6, 1091–1103.
  45. Raudkivi, A. (1998). Loose Boundary Hydraulics. 4th edition. Balkema, Rotterdam, The Netherlands.
  46. Cook, W., Barr, P.J., and Halling, M.W. (2015). Bridge failure rate, Journal of Performance of Constructed Facilities, 29(3). 1061/(ASCE)CF.1943-5509.0000571,04014080.
  47. Omara, H., & Tawfik, A. (2018, May). Numerical study of local scour around bridge piers. In IOP conference series: earth and environmental science (Vol. 151, No. 1, p. 012013). IOP Publishing.
  48. White, F.M. Viscous Fluid Flow, 2nd ed; McGraw-Hill University of Rhode Island: Rhode Island, NE, USA, 1991.
  49. Ahmadi, M., Kuriqi, A., Nezhad, H. M., Ghaderi, A., & Mohammadi, M. (2022). Innovative configuration of vertical slot fishway to enhance fish swimming conditions. Journal of Hydrodynamics, 34(5), 917-933.
  50. Karimaei Tabarestani, M. (2020). Study on time development of horse-shoe vortex diameter and shear stress at bridge pier. Water Resources Engineering, 13(44), 51-65. (In Persian)
  51. Besharati M H, Hakimzadeh H. 3D NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW PATTERN AND BED SHEAR STRESS AROUND CONICAL PIERS. Marine Engineering 2010; 6 (11):63-70. (In Persian)
  52. Sumer BM, Fredsoe J (2002) The mechanics of scour in the marine environment. Advance series on ocean engineering, Toh Tuck link. World Scientific Publishing Com. Pty, Toh Tuck Link.
Investigationoftheflowfieldaroundbridgepiersonanon-erodingbedusingFLOW-3DDownload
Fig.2 Casting filling process

Process Analysis and Defect Improvement of Integrated Die Casting Parts for a Certain Automobile Rear Cabin

특정 자동차 후방 캐빈의 일체형 다이캐스팅 부품 공정 분석 및 결함 개선

Fig.2 Casting filling process
Fig.2 Casting filling process

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 자동차 경량화는 연료 효율성과 환경 보호를 위해 필수적이며, 이를 위해 일체형 다이캐스팅 기술이 널리 활용됨.
  • 자동차 후방 캐빈(Rear Cabin)은 차체의 중요한 구조적 요소이며, 강도, 내구성, NVH(소음·진동·불쾌감) 성능에 영향을 미침.
  • 대형 다이캐스팅 부품은 두께 불균형 및 복잡한 형상으로 인해 기공(Porosity)과 기계적 강도 저하 문제가 발생할 가능성이 큼.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 자동차 후방 캐빈 다이캐스팅 공정 중 충진(Filling) 및 결함 발생 과정을 시뮬레이션.
  • U자형 슬롯(U-shaped groove)에서 발생하는 기공 결함을 분석하고 개선 방법을 제시.
  • 개선된 설계를 실험적으로 검증하여 기계적 성질 향상을 평가.

연구 방법

제품 구조 및 다이캐스팅 공정 설계

  • 대상 부품: 알루미늄 합금(JDA1B)으로 제작된 자동차 후방 캐빈.
  • 부품 크기: 1591mm × 1311mm × 777mm, 중량 63.377kg.
  • 평균 벽 두께: 2.5mm(최대 10mm 이상 불균형 구조 포함).
  • FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 충진 및 응고 거동 분석.

압력 다이캐스팅 시스템

  • 72,000kN 다이캐스팅 기계 사용(계산된 최소 요구 클램핑력: 69,060kN).
  • 금속 용탕(알루미늄) 주입 온도: 720℃.
  • 충진 속도: 저속(0.2m/s) → 고속(6.5m/s) 단계적 변화.
  • 압력: 34MPa 유지.

FLOW-3D 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
  • U자형 슬롯에서 발생하는 금속 유동 거동 및 공기 함유 현상 분석.

주요 결과

초기 충진 시뮬레이션 결과

  • U자형 슬롯 내부에서 충진 말기 공기 혼입(Entrapped Air) 발생 → 기공 형성 확인.
  • X-ray 분석 결과, 해당 부위에서 내부 기공 결함이 다수 발견됨.
  • 기공이 기계적 강도를 저하시켜, 평균 연신율(Elongation)이 요구 기준(≥5%)을 충족하지 못함.

개선된 설계 및 효과 분석

  • 기존 설계의 오버플로우(Overflow) 시스템을 최적화하여 공기 함유 현상을 줄임.
  • U자형 슬롯 내 독립적인 배기 시스템 추가 → 공기 방출 효율 증가.
  • FLOW-3D 재시뮬레이션 결과, 금속 유동이 안정화되고 기공 감소.
  • X-ray 분석 결과, 내부 구조가 더 조밀해졌으며 기공 결함이 현저히 감소.

기계적 성질 개선

  • 최적화된 설계로 생산된 샘플의 평균 연신율(Elongation)이 기존 대비 30% 증가.
  • 기공 감소로 인해 제품 강도 및 내구성 향상 확인.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션이 다이캐스팅 공정 최적화에 효과적임을 입증.
  • U자형 슬롯의 공기 함유 문제를 해결하기 위해 배기 시스템 최적화가 필요.
  • 최적화된 다이캐스팅 설계를 통해 내부 결함을 줄이고 기계적 강도를 향상시킬 수 있음.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 효과를 보다 정밀하게 분석.
  • 실제 생산 환경에서의 대규모 실험을 통한 추가 검증 수행.
  • 다양한 다이캐스팅 합금 및 주조 조건에 따른 결함 제어 연구 진행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 활용하여 자동차 후방 캐빈 다이캐스팅 부품의 결함을 분석하고, 최적화된 설계를 통해 기계적 성질을 향상시킨 연구로, 향후 대형 일체형 다이캐스팅 기술의 품질 개선 및 산업 적용에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.

Fig.6 X-ray detection of the specimens
Fig.6 X-ray detection of the specimens
Fig.9 Die-casting flow field in the U-shaped groove area after optimizing overflow system
Fig.9 Die-casting flow field in the U-shaped groove area after optimizing overflow system
Fig.10 X-ray results of optimized sample
Fig.10 X-ray results of optimized sample

References

  1. 李龙，夏承东，宋友宝，等 . 铝合金在新能源汽车工业的应用现状及展望［J］. 轻合金加工技术，2017，45（9）：18-25.
  2. 马进 . 新能源汽车轻量化的关键技术研究［J］. 产业创新研究，2022（2）：45-47.
  3. 樊振中，袁文全，王端志，等 . 压铸铝合金研究现状与未来发展趋势［J］. 铸造，2020，69（2）：159-166.
  4. JEONG S I，JIN C K，SEO H Y，et al. Mold structure design and casting simulation of the high-pressure die casting for aluminum automotive clutch housing manufacturing［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 84： 1 561-1 572.
  5. NIU Z，LIU G，LI T，et al. Effect of high pressure die casting on the castability， defects and mechanical properties of aluminium alloys in extra-large thin-wall castings［J］. Journal of Materials Processing Technology，2022，303：117-525.
  6. SCHILLING A， SCHMIDT D， GLÜCK J， et al. About the impact on gravity cast salt cores in high pressure die casting and rheo-casting［J］. Simulation Modelling Practice and Theory，2022，119：102-585.
  7. 舒虎平 . 冷却速度对铝合金铸件气孔形成的影响［A］. 第十二届全国铸造年会暨 2011 中国铸造活动周论文集［C］. 苏州，2011.
Process Analysis and Defect Improvement of Integrated Die Casting Parts for a Certain Automobile Rear CabinDownload
Fig. 9 The effect of rectangular sill’s height on the pressure distribution near the sluice gate

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

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

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

FLOW-3D 모델링

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

실험 데이터 검증

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

비교 분석 대상

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

주요 결과

Sill의 높이 변화가 방류 계수에 미치는 영향

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

Sill의 위치가 방류 계수에 미치는 영향

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

압력 분포 변화

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

References

  1. Alhamid, A.A. (1998). “Coefficient of discharge for free flow sluice gates.” Journal of King Saud University, 11(1), 33–48.
  2. Akoz, M., Kirkgoz, M., Oner, A. (2009). “Experimental and numerical modeling of a sluice gate flow.” Journal of Hydraulic Research, 47(2), 167–176.
  3. Bos, M.G. (1989). “Discharge measurement structures.” International Institute for Land Reclamation and Improvement (ILRI).
  4. Cassan, L., Belaud, G. (2012). “Experimental and numerical investigation of flow under sluice gates.” Journal of Hydraulic Engineering, 138(4), 367–373.
  5. Flow Science Inc. (2014). FLOW-3D User’s Manual Version 11.0. Flow Science Inc., Santa Fe.
  6. Habibzadeh, A., Vatankhah, A.R., Rajaratnam, N. (2011). “Role of energy loss on discharge characteristics of sluice gates.” Journal of Hydraulic Engineering, 137(9), 1079–1084.
  7. Henry, H.R. (1950). “Diffusion of submerged jets.” Transactions of the American Society of Civil Engineers, 115(1), 687–694.
  8. Jalil, S.A., Sarhan, S.A., Ibrahim, S.S. (2016). “Effect of prismatic sill on the performance of free flow under sluice gate.” Journal of University of Zakho, 4(1), 150–158.
  9. Kim, D. (2007). “Numerical analysis of free flow past a sluice gate.” KSCE Journal of Civil Engineering, 11(2), 127–132.
  10. Li J, Renardy YY, Renardy M (2000) Numerical simulation of breakup of a viscous drop in simple shear flow through a volume-of-fluid method. Phys Fluids 12(2):269–282. https ://doi.org/10.1063/1.87030 5
  11. Rajaratnam N, Subramanya K (1967) Flow equations for the sluice gate. J Irrig Drain Eng 93(9):167–186
  12. Sarker MA, Rhodes DG (2004) Calculation of free-surface profile over a rectangular broad-crested weir. Flow Meas Instrum 15:215–219. https ://doi.org/10.1016/j.flowm easin st.2004.02.003
  13. Savage BM, Johnson MC (2001) Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. J Hydraul Eng 127(8):640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001) 127:8(640)
  14. Swamee, P.K. (1992). “Sluice gate discharge equation.” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 118(1), 56–60.
Investigation_of_Free_Flow_Under_the_SluDownload
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 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.

6. 참고 문헌

  1. Aydın, İ. (2001), “CE 580 Computational Techniques for Fluid Dynamics”, lecture notes, Middle East Technical University.
  2. Aybar, A. (2012), “Computational Modelling of Free Surface Flow in Intake Structures Using Flow 3D Software”, thesis submitted to Middle East Technical University.
  3. Baykara, A. (2013), “Effect of Hydraulic Parameters on the Formation of Vortices at Intake Structures”, thesis submitted to Middle East Technical University.
  4. Beale J.T., Majda A. (1982a), “Vortex methods I: Convergence in Three Dimensions”, Mathematics of Computation, 39, 1-27.
  5. Beale J.T., Majda A. (1982b), “Vortex methods II: Higher Order Accuracy in Two and Three Dimensions”, Mathematics of Computation, 39, 29-52.
  6. Chen Y., Wu, C. and Ye, M., Ju, X. (2007), “Hydraulic Characteristics of Vertical Vortex at Hydraulic Intakes”, Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 19(2): 143-149.
  7. Chorin, A.J. (1973), “Numerical Study of Slightly Viscous Flow”, Journal of Fluid Mechanics, 57, 785-796.
  8. Chorin, A.J. (1980), “Flame Advection and Propagation Algorithms”, Journal of Computational Physics, 35: 1-11.
  9. Chorin, A.J. (1982), “The Evolution of a Turbulent Vortex”, Communications in Mathematical Physics, 83, 517-535.
  10. Constantinescu, G., and Patel, V. C. (1998a), ‘‘Numerical Model for Simulation of Pump-Intake Flow and Vortices”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 124(2), 123–134.
  11. Durgin, W.W. and Hecker, G.E. (1978), “The Modeling of Vortices in Intake Structures”, Proc IAHR-ASME-ASCE Joint Symposium on Design and Operation of Fluid Machinery, CSU Fort Collins, June 1978 vols I and III.
  12. Einstein, H.A. and Li, H.L. (1955), “Steady Vortex in a Real Fluid”, La Houllie Blanche, 483-496.
  13. Flow Science Inc., www.flow3d.com, last visited on April 2014.
  14. Hald O.H. and V.M. del Prete (1978), “Convergence of Vortex Methods for Euler’s Equations”, Math, Comp., 32, 791-809.
  15. Hirt, C.W., Nichols, B.D. and Romero, N. C. (1975) “SOLA – A Numerical Solution Algorithm for Transient Fluid Flows,” Los Alamos Scientific Laboratory report LA5852.
  16. Hirt, C.W., Nichols, B.D. (1981), “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries”, Journal of Computational Physics, Volume 39, Issue 1: 201–225.
  17. Hite, J.E. and Mih, W.C. (1994), “Velocity of Air-Core Vortices at Hydraulic Intakes”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, HY3, 284-297.
  18. Julien, P.Y. (1986), “Concentration of very Fine Silts in a Steady Vortex”, J Hydr. Res, 24(4): 255-264
  19. Knauss, J. (1987), “Swirling Flow Problems at Intakes”, A.A. Balkema, Rotterdam.
  20. Li, Hai-feng, Chen, Hong-xun, Ma Zheng, et al. (2008), “Experimental and Numerical Investigation of Free Surface Vortex”, Journal of Hydrodynamics, 20 (4), 485-491.
  21. Lugt, H.J. (1983), “Vortex Flow in Nature and Technology”, Book, 34-35.
  22. Ma, Jing-ming, Huang, Ji-tang and Liu, Tian-xiong (1995), “The Critical Submergence at Pressure Intakes”, Water Resources and Hydropower Engineering, 30(5): 55-57.
  23. Mih, W.C. (1990), “Discussion of Analysis of Fine Particle Concentrations in a Combined Vortex”, Journal of Hydraulic Resources, 28(3): 392-395.
  24. Moore, D.W. (1971), “The Discrete Vortex Approximation of a Finite Vortex Sheet”, California Inst. of Tech. Report AFOSR-1804-69.
  25. Nagahara, T., Sato, T., Okamura, T., Iwano, R. (2003), “Measurement of the Flow Around the Submerged Vortex Cavitation in a Pump Intake by Means of PIV”, Fifth International Symposium on Cavitation (cav2003) Osaka, Japan, November 1-4.
  26. Newman, B.G. (1959), “Flow in a Viscous Trailing Vortex”, Aeronautical Quarterly, X(2): 149-162.
  27. Odgaard, A.J. (1986), “Free-Surface Air Core Vortex”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, HY7, 610-620.
  28. Okamura, T., Kyoji, K., Jun, M. (2007), “CFD Prediction and Model Experiment on Suction Vortices in Pump Sump”, The 9th Asian International Conference on Fluid Machinery, October 16-19, Jeju, Korea.
  29. Pritchard, W.G. (1970), “Solitary Waves in Rotating Fluids”, Journal of Fluid Mechanics, 42 (Part 1): 61-83.
  30. Rajendran, V.P., Constantinescu, G.S., Patel V.C. (1998), “Experiments on Flow in a Model Water-Pump Intake Sump to Validate a Numerical Model”, Proceedings of FEDSM’98, 1998 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting June 21-25, Washington, DC.
  31. Rajendran, V.P., Constantinescu S.G., and Patel, V.C. (1999), “Experimental Validation of Numerical Model of Flow in Pump-Intake Bays”, Journal of Hydraulic Engineering, 125, 1119-1125.
  32. Reddy, Y.R. and Pickford, J.A. (1972), “Vortices at Intakes in Conventional Sumps”, Water Power, 108-109.
  33. Rosenhead, L. (1931), “The Formation of Vortices from a Surface of Discontinuity”, Proc. Roy. Soc. London Ser. A, 134, 170-192.
  34. Sethian, J.A. and Salem, J.B, (1988), “Animation of Interactive Fluid Flow Visualization Tools on a Data Paralel Machine”, Internet. J. Super. Appl., 3.2, 10-39.
  35. Siggia E.D. (1985), “Collapse and Amplification of a Vortex Filament”, Journal of Physics of Fluids, Vol 28: 794-805.
  36. Takami H. (1964), “Numerical Experiment with Discrete Vortex Approximation, with Reference to the Rolling Up of a Vortex Sheet”, Dept. of Aero, and Astr., Stanford University Report SUDAER-202.
  37. Vatistas G.H., Lin S., Kwok C.K. (1986), “Theoretical and Experimental Studies on Vortex Chamber Flow”, AIAA J, 24(4): 635-642.
  38. Yıldırım N. and Kocabaş F. (1995),“Critical Submergence for Intakes at Open Channel Flow”, Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 121, HY12, 900-905.
  39. Yıldırım, N. (2004), “Critical Submergence for a Rectangular Intake”, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 130, No. 10, 1195-1210.
indexDownload
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 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.

6. 참고 문헌

  1. Akan, A. O. (2006), Open Channel Hydraulics, First edition, Elsevier.
  2. Akbar, Z.A.; Habib, M.J.S.; Hassan, L.: Simulation of Hydraulic Jump through Channels Junction Using the FLOW-3D and Flunent Models, Research Journal of Recent Sciences, 4(1), 129-134 (2015).
  3. Babaali, H.; Shamsai, A.; Vosoughifar, H.: Computational Modeling of the Hydraulic Jump in the Stilling Basin with Convergence Walls Using CFD Codes, Arabian Journal for Science and Engineering, 4(2), 381–395 (2015).
  4. Chanson, H.: The Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction, Second edition, Elsevier (2004).
  5. Chow, V.T.: Open-Channel Hydraulics, McGraw-Hill (1959).
  6. Cook, A.C.: Comparison of One-Dimensional HEC-RAS with Two-Dimensional FESWMS Model in Flood Inundation Mapping, MSc thesis, Purdue University, USA (2008).
  7. Crookston, B.M.; Paxson, G.S.; Savage, B.M.: Hydraulic Performance of Labyrinth Weirs for High Headwater Ratios, The 4th IAHR International Symposium on Hydraulic Structures, Porto, Portugal, 1-8 (2012).
  8. FLOW-3D Documentation, Release 10.1.0, Flow Science, Inc. (2012).
  9. Graebel, W.P.: Advanced Fluid Mechanics, Elsevier (2007).
  10. Gonzalez, N.S.: Two-Dimensional Modeling of the Red River Floodway, MSc thesis, University of Manitoba, Canada (1999).
  11. Hoseini, S.H.: 3D Simulation of Flow over a Triangular Broad-Crested Weir, Journal of River Engineering, 2(2), 1-7 (2014).
  12. Khazaee, I.; Mohammadiun, M.: Effect of flow field on open channel flow properties using numerical investigation and experimental comparison, International Journal of Energy and Environment, 3(4), 617-628 (2012).
  13. Mohammed, J.R.; Qasim, J.M.: Comparison of One-Dimensional HEC-RAS with Two-Dimensional ADH for Flow over Trapezoidal Profile Weirs, Caspian Journal of Applied Sciences Research, 1(6), 1-12 (2012).
  14. Rady, R.M.: 2D-3D Modeling of Flow over Sharp-Crested Weirs, Journal of Applied Sciences Research, 7(12), 2495-2505 (2011).
  15. Siddique-E-Akbor, A.H.M.; Hossain, F.; Lee, H.; Shum, C.K.: Inter-comparison study of water level estimates derived from hydrodynamic–hydrologic model and satellite altimetry for a complex deltaic environment, Remote Sensing of Environment, Vol. 115, 1522–1531 (2011).
  16. Subramanya, K.: Flow in Open Channels, McGraw-Hill (1986).
  17. Toombes, L.; Chanson, H.: Numerical Limitations of Hydraulic Models, The 34th International
    Association for Hydraulic Research World Congress, Brisbane, Australia, 2322-2329 (2011).
Jalil_and_Qasim_2016_Numerical_ModellingDownload
Fig. 6. Vector plot of turbulent energy.

FLOW-3D 모형을 이용한 용승류 모의

Fig. 6. Vector plot of turbulent energy.

1. 서론

  • 최근 일본과 한국에서 대규모 해양구조물을 이용하여 인공적으로 용승류를 발생시키는 연구가 활발히 진행되고 있음.
  • 용승류는 심층수의 영양염을 표층으로 이동시켜 어장 환경을 개선하는 효과를 가짐.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 용승류의 흐름을 수치적으로 모의하고, Marker 기법을 활용하여 영양염의 이동을 분석하는 방법을 탐색함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 해저 구조 반영.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 일정 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.
  • 검사단면(Observation section) 설정
    • 검사단면에서의 영양염 농도 변화를 추적하여 용승효과를 정량적으로 분석.

3. 연구 결과

용승류 흐름 분석

  • 용승 구조물 설치 전후 비교 결과, 구조물 설치 후 수직 유속이 증가하여 영양염이 상층으로 이동함.
  • 구조물 높이에 따른 용승류의 강도 변화 확인:
    • 높이 14m: 최대 연직 유속 0.204 m/s.
    • 높이 17m: 최대 연직 유속 0.210 m/s.
  • 난류 강도 및 유동 패턴
    • 용승류가 발생하는 위치에서 난류 에너지가 증가하며, 영양염이 효과적으로 이동하는 것으로 나타남.
  • Marker 기법을 이용한 영양염 이동 분석
    • 해저에 분포한 Marker가 구조물의 용승 효과로 인해 표층으로 이동하는 것을 확인함.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 수치 모델이 용승류 효과를 정성적으로 분석하는 데 유용함.
  • 구조물의 높이가 증가할수록 용승류가 강해지고, 영양염의 이동 효과가 뚜렷해짐.
  • 검사단면에서의 영양염 농도 변화를 분석하면 용승효과를 사전에 평가할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 다양한 구조물 형상과 배치 조건에서 용승효과 최적화 연구.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
  • 현장 데이터를 기반으로 실험적 검증 진행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 인공 용승류의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, Marker 기법을 이용하여 영양염의 이동을 정량적으로 평가하였다. 이를 통해 어장 조성 사업의 효과를 사전에 예측할 수 있는 방법론을 제시한다.

Fig. 5. Vector plot of current
Fig. 6. Vector plot of turbulent energy.

6. 참고 문헌

  1. 신정교, 김규한, 편종근 (2004). 인공리프의 용승류 발생효과에 관한 연구, 대한토목학회 정기학술대회논문집, 5548-5551.
  2. 해양수산부 (2005). 인공용승류를 이용한 어장환경 개선 연구 1차년도 보고서.
  3. 해양수산부 (2006). 인공용승류를 이용한 어장환경 개선 연구 2차년도 보고서.
  4. 해양수산부 (2007). 인공용승류를 이용한 어장환경 개선 연구 3차년도 보고서.
  5. 金卷精一, 鈴木達雄 (2001). 沖合域における漁場造成の課題, 水産工學關係試驗硏究推進會議水産基盤部會報告書, 水産工學硏究所, 23-41.
  6. 武田眞典, 左タ木洋之 (2006). 人工海底山脈漁場造成現狀課題, 全國漁港漁場整備技術硏究發表會講演集, 5, 105-120.
  7. 中島敏光 (2002). 海洋深層水の利用, 綠書房.
The Simulation of Upwelling Flow Using FLOW-3DDownload
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation

Human Life Saving by Simulation of Dam Break using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 시 인명 구조 시뮬레이션 – 어퍼 고트반드 댐 사례 연구

Figure 5. Hydraulic jump during the simulation
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 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 1. Upper Gotvand Dam
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation
Figure 7. The distribution of velocity (m/s)
Figure 7. The distribution of velocity (m/s)

References

  1. Brufau P. and García-Navarro P. (2000). Two-dimensional dam break flow simulation. Universidad de Zaragoza, Comsol Multiphysics Users Guide v. 3.2. (2005). COMSOL AB. p. 638
  2. Comsol Multiphysics Users Guide v. 3.2. (2005). COMSOL AB. p. 638
  3. Douglas K., Spannagle M. and Fell R. (1999). Analysis of concrete and masonry dam incidents. Hydropower Dams. Issue Four
  4. Fennema R.J. and Chaudhry M.H. (1990). Explicit methods for 2D transient free-surface flows. JHE. 116(8): 1013-1034.
  5. Finnish Environment Institute in Grant Agreement with the European Commission (2001). RESCDAM Project – Development of Rescue Actions Based on Dam-Break Flood Analysis. Final Report. 48 p.
  6. Hervouet J.M., (2000). A high resolution 2-D dam-break model using parallelization. Laboratoire National d’Hydraulique-EDF-DER. Hydrological Processes. 2211-2230.
  7. Hervouet J.M., Samie R. and Moreau B. (EDF) (2001). Modelling urban areas in dam-break flood-wave numerical simulations. Ecole Centrale de Paris. 14.
  8. International Commission on Large Dams (1999). Dam break Flood Analysis. Bulletin. 111.
  9. Kinnmark I. (1988). The shallow water wave equations: formulation, analysis and application. Department of Civil Engineering – University of Notre Dame, Indiana. Mathematics of Computation, Vol. 51, No. 184, pp. 842-843
  10. Lemperiere F. (1999). Risk Analysis: what sort should be applied and to which dams? Hydropower & Dams, Issue Four.
  11. Quevedo M., Pastor M., Herreros M.I., Fernandez Merodo J.A. and Zhang Q. (2004). Comparison of two mathematical models for solving the dam break problem using the FEM method. Comput. Methods Appl. Mech. Engineering, Elsevier. 194:3984-4005.
  12. Rahman M. and Chaudhry M.H. (1998). Simulation of dam-break flow with grid adaptation. Civil & Environmental department – Washington State University. Advances Water Resources. Elsevier. 21(1): 1-9.
  13. Valiani A., Caleffi V. and Zanni A. (1999). Finite volume scheme for 2D shallow-water equations application to the Malpasset dam-break.. Università degli Studi di Ferrara-Dipartimento di Ingegneria, pp 63-94.
  14. Zoppou C. and Roberts S. (1991). Numerical solution of the two-dimensional unsteady dam break. Engineering division, ACTEW Corporation, Canberra. 22 p.
Human-Life-Saving-by-Simulation-of-Dam-Break-using-FLOW-3DDownload