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

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

FLOW-3D를 이용한 교각 주변 흐름의 수치해석

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

교각 형상별 유동 특성 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

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  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

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Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant dischargesimulation

FLOW-3D를 이용한 표면장력 탱크용 메시 스크린 모델링

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

기포점 측정 시뮬레이션

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

PMD(Propellant Management Device) 내 추진제 배출 해석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

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

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

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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

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

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

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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

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

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

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

6. 참고 문헌

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

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

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

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

서론

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

연구 방법

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

연구 결과

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

결론

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

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

Hydraulic performance evaluation of head works using FLOW 3D

FLOW-3D를 이용한 헤드워크의 수리 성능 평가

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

FLOW-3D 기반 CFD 모델링

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

3. 연구 결과

유속 및 압력 분석

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

방류 용량 분석

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

4. 결론 및 제안

결론

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

향후 연구 방향

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

5. 연구의 의의

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

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

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

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

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

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

침전지 모델링 및 시뮬레이션 설정

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

중앙 복합 설계(CCD) 기반 실험 설계

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

수치 해석 기법

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

주요 결과

유입구 및 배플 위치가 제거 효율에 미치는 영향

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

최적 설계 도출

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

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JHS_Volume 9_Issue 4_Pages 76-87Download
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

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JHE_Volume 1_Issue 2_Pages 46-54Download
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

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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.

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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.

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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.

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The Simulation of Upwelling Flow Using FLOW-3DDownload
Figure 10. Three-dimensional illustration of Froude number in various tailwaters. (a) 129.10 m, (b) 129.40 m, (c) 129.70 m, (d) 129.99 m, and (e) 130.30 m

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

FLOW-3D 모델을 이용한 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽의 수리 특성 분석

1. 서론

  • 본 연구는 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽의 수리학적 특성을 수치적으로 분석하는 것을 목적으로 함.
  • 폭풍 해일 제어 및 연안 홍수 완화에서 방어벽의 효과를 평가하기 위해 수행됨.
  • FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 방어벽의 유체역학적 거동을 모델링함.

2. 연구 방법

  • 전산유체역학(CFD) 기법을 적용하여 부유 플랩형 방어벽을 모델링함.
  • 수치 모델의 주요 구성 요소:
    • 레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 방정식을 이용한 난류 모델링.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
    • 실제 조석(tidal) 및 폭풍 해일(storm surge) 조건을 반영한 경계 조건 적용.
  • 기존 실험 데이터를 활용하여 모델 검증 수행.

3. 연구 결과

  • 주요 연구 결과:
    • 방어벽이 수위 감소 및 파랑 에너지 저감에 효과적임을 확인.
    • 방어벽 각도에 따라 와류(vortex) 형성 및 난류 강도가 변화함.
    • 파고, 방어벽 유연성, 유속에 따라 구조적 안정성이 영향을 받음.
  • 실험 데이터와의 비교를 통해 모델의 예측 정확성이 높음을 확인함.

4. 결론

  • 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽은 연안 홍수 완화에 효과적인 대안이 될 수 있음.
  • CFD 시뮬레이션을 통해 방어벽 설계 최적화에 유용한 정보를 제공할 수 있음.
  • 향후 연구에서는 장기적인 구조적 내구성 및 실제 환경에서의 적용 가능성을 중점적으로 다뤄야 함.
Figure 1. Location of the study area
Figure 1. Location of the study area

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Graphical Abstract

Flow-3D Numerical Modeling of Converged Side Weir

수렴형 측방 위어의 FLOW-3D 수치 모델링

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 측방 위어(side weir)는 수로 및 하천에서 홍수 조절, 유량 분배 및 관개 시스템에서 중요한 역할을 함.
  • 기존 연구는 주로 단순한 프리즘형(prismatic) 채널에서 수행되었으며, 수렴형(converged) 채널에서의 측방 위어 성능 연구는 부족함.
  • 수렴형 채널에서 위어의 효율성 증대 가능성을 검토하고, FLOW-3D를 이용한 정량적 분석이 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 사용하여 수렴형 채널에서 측방 위어의 유동 특성을 수치적으로 분석.
  • 실험 모델과 비교하여 FLOW-3D의 신뢰성을 검증.
  • 수렴각 및 하류 채널 폭 변화가 위어 성능(유량 분배, 수위 변화, 에너지 손실 등)에 미치는 영향 평가.

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

  • 실험 환경:
    • 실험실 규모 수로(길이 700mm, 폭 310mm, 높이 480mm).
    • 다양한 위어 길이(5개), 위어 크레스트 높이(4개), 수렴각(2개), 하류 채널 폭(3개) 조건에서 총 33개 실험 수행.
    • 유량 범위: 10~100m³/h.
  • FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정:
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델 적용.
    • 격자(Grid) 설정: 메쉬 크기 1cm, 전체 셀 수 모델 크기에 따라 조정.
    • 경계 조건:
      • 유입: 부피 유량 조건(volume flow rate).
      • 유출: 자유 배출(outflow) 경계 조건.
      • 벽면: No-slip 조건 적용.

주요 결과

수렴형 vs. 프리즘형 채널 비교

  • 수렴형 채널에서 하류 폭을 감소시키면 위어 상류 수심이 증가하여 위어를 통한 유량 분배 증가.
  • 수렴각이 클수록 수위 및 특정 에너지가 증가하여 유출량(Qw/Q0) 비율 향상.
  • 프리즘형 채널 대비 수렴형 채널이 동일한 유량에서도 더 높은 위어 크레스트 수위를 형성하여 방류 효율성이 증가.

수위 및 유속 분포 분석

  • 위어 상류 및 중간부에서 수면 경사가 하강하는 경향, 그러나 위어 끝에서는 상승하는 패턴 확인.
  • 최대 유속이 수렴 채널에서 위어 시작점 근처에서 발생, 반면 횡방향 유속은 위어 중앙부에서 최대값 도달.
  • 에너지 손실 분석 결과, 하류 채널 폭 감소(b/B ↓)에 따라 에너지 손실 감소, 이는 유량 분배 효율 증가로 연결됨.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 높은 일치도를 보이며(R² = 0.98), 수렴형 측방 위어의 유동 특성을 효과적으로 예측 가능.
  • 수렴형 채널에서 위어의 효율성이 증가하며, 하류 채널 폭이 줄어들수록 위어 상류 수위가 상승하여 방류량이 증가.
  • b/B 비율이 작을수록(즉, 하류 채널이 좁을수록) 위어의 성능이 개선됨.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 분석 수행.
  • 다양한 채널 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
  • 실제 하천 및 관개 시스템 적용을 위한 최적 설계 모델 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 수렴형 측방 위어의 유동 및 에너지 특성을 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수렴형 채널 설계를 통해 위어 성능을 최적화할 수 있음을 입증하며, 실무 적용 가능성이 높음.

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Figure 5. Boundary conditions of the BRA weir model

Numerical Simulation for Flow over A Broad-Crested Weir Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 광정수로 위어 유동 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 광정수로 위어(broad-crested weir)는 수위 조절, 유량 측정 및 에너지 감쇠에 널리 사용되는 수리학적 구조물임.
  • 기존 실험 연구는 비용이 높고 시간이 소요되므로 FLOW-3D를 이용한 CFD(전산유체역학) 기반 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 사용하여 다양한 상·하류 경사 조건에서 광정수로 위어의 유동 특성을 수치적으로 분석.
  • 방출 계수(discharge coefficient, Cd), 에너지 등고선(energy grade line, H1) 및 평균 유속을 계산하여 위어 형상의 영향을 평가.
  • 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D의 예측 정확도를 검증.

연구 방법

FLOW-3D 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • Navier-Stokes 방정식 기반의 유체 거동 해석 수행.
  • 난류 모델: k-ε 모델 적용.
  • 경계 조건:
    • 유입: 부피 유량 조건(volumetric flow rate).
    • 유출: 지정 압력 조건(specified pressure).
    • 벽면: No-slip 조건 적용.
  • 메쉬 크기: FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 적절한 격자 크기 선정.

실험 및 검증 방법

  • 실험 모델: 수평 유량 수조(flume) 내 다양한 위어 형상 실험.
  • 위어 유형: 네 가지 형상(ARB, BRA, VRB, BRV) 비교 분석.
  • 유량(Q): 0.004~0.018 m³/s 범위에서 분석 수행.

주요 결과

방출 계수(Cd) 분석

  • 유입면의 경사가 증가할수록 방출 계수 Cd가 감소.
  • Cd 값의 변동 범위: Hager 공식 적용 시 높은 Cd 값, Bazin 공식 적용 시 Cd 값이 선형적으로 증가하는 경향 확인.
  • 유량 증가 시 Cd 값도 점진적으로 증가, 그러나 하류 경사는 Cd에 미미한 영향을 미침.

에너지 등고선(H1) 및 유속 분석

  • 유입 경사가 증가할수록 에너지 등고선(H1) 값이 증가하여 흐름 저항 증가.
  • 하류 경사는 H1 값에 거의 영향을 주지 않음.
  • 유속 분석 결과, 같은 유량에서 유입 경사가 작을수록 흐름 속도가 감소.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D는 광정수로 위어의 유동 특성을 정확하게 예측할 수 있음.
  • 유입 경사가 증가할수록 방출 계수 감소 및 유속 증가, 반면 하류 경사는 유동 특성에 거의 영향을 미치지 않음.
  • Cd 값은 Bazin 공식이 Hager 공식보다 실험값과 더 높은 일치도를 보임.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과 비교 연구.
  • 다양한 위어 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
  • 실제 하천 환경에서의 적용 가능성 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 광정수로 위어의 유동 및 방출 계수를 정량적으로 분석하고, CFD 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수리학적 설계 최적화를 위한 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

References

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Figure 4 Simulated velocity magnitude

An Experimental and Numerical Study of Ski-Jump Spillway Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 스키점프형 여수로의 실험 및 수치적 연구

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 스키점프형 여수로는 유속이 20m/s를 초과할 때 사용되는 중요한 구조물이며, 에너지 소산을 위한 핵심 설계 요소임.
  • 기존의 물리 실험은 비용이 높고 시간이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 통한 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 스키점프형 여수로의 유동 특성을 수치적으로 분석.
  • 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
  • 여수로의 제트 궤적(jet trajectory), 압력 분포 및 에너지 소산 특성 분석.

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

  • 연구 대상: IS 7365 (2010) 표준을 따른 전통적인 스키점프형 여수로.
  • 실험 조건:
    • 수로 크기: 폭 0.30m, 깊이 0.30m, 길이 6m의 유리제 수리 실험 수로.
    • 연속된 곡면 립(lip) 각도 35°, 반경 0.0915m.
    • 유량(Q): 0.00431 ~ 0.00962 m³/s 범위.

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 장애물 영역 설정.
  • 경계 조건:
    • 유입: 지정 속도 조건.
    • 유출: 지정 압력 조건.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

주요 결과

유동 및 에너지 소산 특성 분석

  • 스키점프형 여수로에서 유동이 곡면을 따라 흐르면서 에너지가 점진적으로 소산됨.
  • FLOW-3D 결과와 실험 데이터의 에너지 소산율 비교
    • 최대 오차율 15.69%로 나타났으며, 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 유량이 증가할수록 에너지 소산율이 감소하는 경향 확인.
  • 제트 궤적 및 압력 분포 분석
    • 시뮬레이션 결과와 실험값이 3D 유동장 및 압력 분포에서 일치함을 확인.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 스키점프형 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 효과적으로 예측 가능.
  • 유량 변화에 따른 에너지 소산율 감소 경향을 확인하였으며, 추가적인 최적화 연구 필요.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 분석 수행.
  • 다양한 여수로 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
  • 실제 댐 적용 사례와 비교 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 스키점프형 여수로의 유동 및 에너지 소산 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 댐 설계 및 홍수 방지 인프라 구축에 중요한 데이터와 분석 방법을 제공한다.

References

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Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s

Three Dimensional Simulation of Flow Field around Series of Spur Dikes

Spur Dikes 주변의 3차원 유동장 시뮬레이션

Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s
Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • Spur Dikes는 하천 제방 보호 및 유로 조절을 위해 사용되며, 국부적인 세굴(scour)과 유동장 변화가 발생함.
  • 기존의 물리 실험은 시간과 비용이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 활용한 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 Spur Dikes 주변 유동 특성을 3차원적으로 분석.
  • 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
  • 다양한 난류 모델(RNG k-ε, LES 등)의 성능을 비교하여 최적의 난류 모델 선정.

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

  • 연구 대상: 연속된 세 개의 Spur Dikes가 있는 수로.
  • 실험 조건:
    • 수로 길이 12.2m, 폭 0.6m, 깊이 1.2m.
    • Sontek ADV를 이용하여 유속 측정.
    • 실험 후 세굴 형상 측정 및 모델 검증 수행.

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε, LES 및 표준 k-ε 난류 모델 비교.
  • 격자(Grid) 민감도 분석을 통해 최적의 격자 크기 결정(3mm).
  • 경계 조건:
    • 유입: 평균 속도 0.29m/s 적용.
    • 유출: 자유 배출(outflow) 경계 설정.
    • 바닥: No-slip 조건 적용, 이동 가능한 퇴적층 설정.

주요 결과

유동 및 세굴 특성 분석

  • Spur Dikes 전면에서 강한 와류(vortex) 발생 → 세굴 형성의 주요 원인.
  • RNG k-ε 모델이 실험 데이터와 가장 높은 정확도를 보임.
  • LES 모델은 고난류 영역에서 비교적 정확하지만 계산 비용이 높음.
  • 표준 k-ε 모델은 난류 에너지를 과대평가(50% 이상의 오차).

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, Spur Dikes 주변의 유동 및 세굴 현상을 효과적으로 예측 가능.
  • RNG k-ε 모델이 가장 적합한 난류 모델로 평가됨.
  • 세굴 깊이는 초기 및 주요 세굴 단계에서 대부분 결정되며, 이후 큰 변화 없음.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 적용 범위 확대 및 정확도 비교.
  • 실제 하천 환경과의 비교 연구 수행.
  • 세굴 예측 모델 개선을 위한 추가적인 실험 검증 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Spur Dikes 주변의 유동 및 세굴 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 하천 관리 및 구조물 설계의 최적화에 기여할 수 있는 데이터와 분석 방법을 제공한다.

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Fig. 12. Three-dimensional flow pattern plot (Q = 156.23 m3 s)

삼천포 화력발전소 방류 지역의 FLOW-3D 모델을 이용한 흐름 패턴 변화 예측

연구 배경 및 목적

  • 삼천포 화력발전소는 냉각수로 사용되고 방류되는 해수를 이용한 소수력 발전소를 건설 중
  • 소수력 발전소는 발전량을 최대화하기 위해 규모를 크게 하는 것이 바람직하지만, 방류수로의 기능을 저해하지 않는 범위 내에서 결정해야 함
  • 따라서 적정 규모를 결정하기 위해서는 수리학적 고려가 필요
  • 본 연구에서는 현재 방류수로의 흐름 특성 자료를 이용하여 3차원 흐름 모형인 FLOW-3D 모형을 구축하고, 구축된 모형을 이용하여 소수력 발전소의 규모에 따른 방류수로 상류 지점의 수위 증가 양상을 예측하고, 발전소 건설에 따른 흐름 변화 양상을 분석하는 것을 목적으로 함

연구 방법

  • 삼천포 소수력발전 실용화 기술사업의 일환으로 관측된 방류수로 및 방류해역의 흐름자료 및 선정된 대안에 대하여 댐의 규모(높이, 가동보 설치 규모)에 따른 방류수로의 수위변화를 예측하기 위하여 FLOW-3D 흐름 모형을 구축
  • 구축된 모형을 이용하여 다양한 설계조건(주로, 발전시설 우안에 설치되는 냉각수 방류량 월류를 위한 가동보의 높이 변화)에 대한 방류수로의 수위 및 유속변화 양상을 예측·분석했으며, 최적의 소수력 발전소 규모 결정에 필요한 검토자료로 이용
  • FLOW-3D 모형은 댐 여수로의 흐름 해석을 포함하여 다양한 수리 구조물에서의 흐름 해석에 널리 활용되고 있는 모형으로, 적절한 모형의 보정 및 검증만 수행된다면 매우 정확하게 흐름장을 재현할 수 있기 때문에 수리 실험 대체 수단으로의 가능성이 검토되고 있음

연구 결과

  • 삼천포 소수력발전소 건설은 상류의 수위 증가를 유발하며, 설계 유량 156톤/초, 발전소 가동보 높이 3.8m 기준에 대한 방류수로 Weir 상류지점의 수위는 4.97m로 현 상태 4.32m보다 65cm 정도 증가하는 것으로 파악됨

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Prediction of the Flow Pattern Changes using FLOW-3D Model in the Effluent Region of the Samcheonpo Thermal Power Plant (TPP)Download
Figure 3 Velocity Distribution from Plan View and Profile View (Case 2)-1

Power Intake Velocity Modeling Using FLOW-3D at Kelsey Generating Station

FLOW-3D를 활용한 Kelsey 발전소의 발전기 유입부 유속 모델링

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • Manitoba Hydro는 기존 발전소의 효율성을 개선하는 Supply Efficiency Improvement Program을 진행 중임.
  • Kelsey 발전소(224MW)는 Upper Nelson River에 위치하며, 7개의 발전 유닛을 보유.
  • 발전소 입구 채널에는 암반 장애물(rock knob)이 존재하여 비균일한 유동을 발생시키며, 특히 유닛 6, 7의 효율에 영향을 미침.
  • 터빈 재설치(re-runnering) 후 유량이 1700m³/s에서 2200m³/s로 증가할 것으로 예상되므로, 최적의 유입 유동 조건 평가가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 Kelsey 발전소의 기존 및 개선된 유입 유동을 시뮬레이션.
  • 발전소 입구에서 발생하는 유속 분포를 분석하여 터빈 제조업체에 제공.
  • 암반 장애물의 영향을 평가하고, 재설치 후 유량 증가에 따른 유동 변화를 분석.

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • FLOW-3D를 사용하여 3차원 수치 모델을 구축.
  • 발전소 설계도면을 기반으로 주요 입구 구성 요소를 모델링, 단 작은 구조물(트래시 랙, 게이트 가이드 등)은 제외.
  • 세 가지 운영 시나리오(Case 1~3) 설정:
    1. Case 1: 유닛 1~7 전부 재설치 후 완전 개방(Full Gate, FG)
    2. Case 2: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 상태 유지(FG)
    3. Case 3: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 최적 게이트(Best Gate, BG)
  • 경계 조건:
    • 상류: 일정 수위 조건 적용
    • 하류: 질량 소모(mass sink) 방식 사용하여 발전기 유량 반영
  • 격자 설정:
    • 입구 채널은 상대적으로 큰 격자 사용, 발전소 입구는 세밀한 격자로 설정하여 정확도 향상.

주요 결과

유동 특성 분석

  • Case 1(전 유닛 재설치)에서 유속 분포가 가장 균일하게 나타남.
  • Case 2, 3에서는 암반 장애물로 인해 유닛 6, 7에서 강한 와류(vortex) 형성, 이는 효율 저하 가능성이 있음.
  • 실제 1990년 현장 실험과 비교 시, 모델링 결과가 높은 정확도로 일치.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 모델이 Kelsey 발전소 유입부 유속 분포를 정확히 재현 가능함을 확인.
  • 암반 장애물이 유닛 6, 7의 유동을 왜곡하며, 터빈 효율을 저하시킬 가능성이 있음.
  • 터빈 제조업체가 최적 설계를 수행할 수 있도록 유속 데이터를 제공.

향후 연구 방향

  • 터빈 재설치 후 실측 데이터와 모델 비교 검증.
  • 암반 장애물 제거 또는 유동 개선 방안 연구.
  • 다른 발전소 적용을 위한 추가적인 CFD 해석 수행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 발전소 유입부 유동을 분석하고, 터빈 재설치 후 유동 변화를 예측하는 기법을 제시하였다. 이를 통해 발전소 운영 효율을 극대화하고, 최적 설계를 지원할 수 있는 유용한 데이터를 제공하였다.

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Power-Intake-Velocity-Modeling-Using-FLOW-3D-at-Kelsey-Generating-StationDownload
Fig. 3 Frictional heat generation rate

전산유체역학을 활용한 마찰교반용접의 해석적 접근에서 표면추적을 위한 알고리즘 연구

A Study on an Interface Tracking Algorithm in Friction Stir Welding Based on Computational Fluid Dynamics Analysis

Fig. 3 Frictional heat generation rate
Fig. 3 Frictional heat generation rate

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 고상 용접 기술로, 기존 용접 방법보다 결함이 적고 알루미늄과 같은 난용접 소재에도 적용 가능함.
  • 기존 CFD 해석에서는 툴과 모재 간의 마찰에 의한 열원을 정확히 모델링하지 못하고 소성변형에 의한 열원만 고려하는 경우가 많았음.

연구 목적

  • FLOW-3D를 활용하여 FSW 공정에서 툴과 모재 간의 마찰열원을 정밀하게 모델링할 수 있는 표면추적 알고리즘 개발.
  • 새로운 알고리즘을 통해 툴의 회전과 이동을 동시에 고려한 마찰열원 계산을 수행하고, 해석 결과를 이론적 계산값과 비교하여 검증.

연구 방법

표면추적 알고리즘 개발

  • 툴의 형상(숄더, 핀 측면, 핀 밑면) 및 이동 궤적을 반영한 인터페이스 추적 기법 적용.
  • 툴의 중심 좌표와 셀 중심 간의 거리를 계산하여 툴 표면 셀을 추적.
  • 표면적 평균값을 활용하여 마찰열원의 크기를 계산하는 방식 도입.

FSW 시뮬레이션 모델링

  • 유체역학 모델: 점성 유동(visco-plastic flow) 고려.
  • 열 전달 모델: 마찰열과 소성변형열을 포함한 3D 열원 모델 구축.
  • 경계 조건: 모재 하부의 받침판(backing plate)과의 열전달을 대류 경계조건으로 가정.
  • 수치해석 도구: Flow-3D 유저 서브루틴(user subroutine) 활용하여 해석 수행.

주요 결과

마찰열 모델 검증

  • 새로운 표면추적 알고리즘을 적용한 해석 결과, 이론적으로 계산한 마찰열원 값과 최대 3% 이내의 오차율을 보이며 높은 정확도 확인.
  • 해석 결과에서 숄더 > 핀 측면 > 핀 밑면 순으로 열 발생량이 많음, 이는 접촉면적과 속도의 영향 때문임.
  • 기존 연구들과 비교 시, 툴 이동과 회전을 동시에 고려하면서도 보다 정확한 마찰열원을 부여할 수 있음을 입증.

결론 및 향후 연구

결론

  • 제안된 표면추적 알고리즘이 FSW 공정에서 마찰열원을 정확히 반영할 수 있음을 확인.
  • 툴의 이동 및 회전을 동시에 고려하면서 마찰열원을 부여할 수 있는 새로운 접근법을 제시.
  • 기존 방법 대비 이론값과의 오차율이 3% 이내로 줄어들어, 해석 신뢰도가 향상됨.

향후 연구 방향

  • 다양한 툴 형상 및 재료에 대한 적용 연구.
  • 다층 용접 및 비대칭 툴 형상에서의 추가 검증.
  • 실제 실험 데이터를 활용한 모델의 보정 및 개선.

연구의 의의

본 연구는 전산유체역학(CFD)을 활용한 FSW 해석에서 마찰열원의 정밀한 모델링을 가능하게 하는 표면추적 알고리즘을 제안하였다. 이 접근법은 기존의 한계를 극복하며, FSW 공정 최적화 및 용접 품질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

Fig. 2 Tool shape
Fig. 3 Frictional heat generation rate

References

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Figure 2 The temperature field and melt pools shape during L-PBF process

Thermal and Melting Track Simulations of Laser Powder Bed Fusion (L-PBF)

레이저 분말층 융합(L-PBF) 공정의 열 및 용융 트랙 시뮬레이션

Figure 2 The temperature field and melt pools shape during L-PBF process
Figure 2 The temperature field and melt pools shape during L-PBF process

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • L-PBF 공정은 금속 분말층을 레이저로 용융 및 고화하여 적층 제조하는 기술로, 최종 제품의 밀도, 치수 정확도, 기계적 특성 등에 영향을 미침.
  • 용융 풀의 형상과 온도 분포는 공정 변수(레이저 출력, 주사 속도 등)에 의해 결정되며, 이를 최적화하는 것이 중요함.

연구 목적

  • Flow-3D(Flow-weld) 기반 CFD 시뮬레이션을 사용하여 공정 변수(레이저 출력, 주사 속도)가 온도장 및 용융 풀 형상에 미치는 영향을 분석.
  • 단일 용융 트랙(single melting track)의 특성을 평가하여 L-PBF 공정의 품질 개선을 위한 기초 데이터 제공.

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • 열 전달 모델: 전도, 대류, 복사를 포함한 열 전달 해석 수행.
  • 유체 역학 모델: VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 용융 풀의 형상 변화 추적.
  • 공정 변수 설정:
    • 레이저 출력: 120W, 140W
    • 주사 속도: 0.4m/s, 0.6m/s, 0.8m/s
    • 레이저 빔 직경: 80µm
    • 적층 두께: 50µm
  • 재료: AISI 420 마르텐사이트계 스테인리스강 분말(평균 입자 크기 20µm) 사용.

주요 결과

온도장 및 용융 풀 형상 변화

  • 낮은 주사 속도에서는 넓은 열 분포 영역이 형성되며, 높은 주사 속도에서는 좁고 깊은 용융 풀이 형성됨.
  • 주사 속도가 증가함에 따라 타원형(Ellipse) 용융 풀이 눈물방울(Tear-drop) 형태로 변화.

용융 트랙 특성 분석

  • 레이저 출력 증가 및 주사 속도 감소 시 용융 풀의 폭과 깊이가 증가.
  • 주사 속도가 0.4m/s에서 0.6m/s로 증가하면 용융 트랙 하부에 기공(void) 발생 가능성 증가.
  • 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 높은 일치도를 보이며, 경미한 차이만 존재.

결론 및 향후 연구

결론

  • Flow-3D 기반 시뮬레이션을 통해 L-PBF 공정의 용융 풀 형상 및 온도 분포를 효과적으로 예측 가능.
  • 낮은 주사 속도에서 넓은 열 분포 및 깊은 용융 풀이 형성되며, 높은 주사 속도에서는 용융 풀이 좁아짐.
  • 공정 변수 최적화를 통해 미세 기공 및 불완전 용융 문제를 방지할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 다양한 재료 및 공정 변수에 대한 추가 연구 진행.
  • 다층 적층 공정에서의 열 누적 및 변형 분석.
  • 실제 제조 환경에서의 실험적 검증 강화.

연구의 의의

이 연구는 L-PBF 공정에서 용융 풀 형상을 제어하기 위한 핵심 공정 변수를 도출하고, Flow-3D 기반 CFD 시뮬레이션의 유효성을 입증하였다. 향후 금속 적층 제조의 품질 개선 및 최적 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

References

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Ninpetch_2019_IOP_Conf._Ser.%3A_Mater._Sci._Eng._526_012030Download
Flow 3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m

Numerical Analysis of Hydraulic Behavior of Vertical Drop Structures Using FLOW-3D

FLOW-3D를 활용한 수직 낙차 구조물의 수리학적 거동 수치 해석

FIG8FL~4
Figure 8.FLOW-3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m

연구 목적

  • 본 연구는 수직 낙차 구조물(vertical drop structure)의 유동 특성을 분석하기 위해 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델을 활용함.
  • FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 자유 표면 흐름을 시뮬레이션하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확성을 검증함.
  • 수로 경사, 유입 속도, 난류 모델 선택이 낙차 구조 내 유동 패턴 및 에너지 손실에 미치는 영향을 평가함.
  • 수치 해석 결과를 기반으로 낙차 구조물의 최적 설계 조건을 도출하여 수력학적 효율성을 개선하고자 함.

연구 방법

  1. FLOW-3D 기반 수치 모델링
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 표면 흐름을 추적하고, 표준 k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 효과를 분석함.
    • 격자(grid) 크기 최적화를 통해 해석 정확도를 향상시킴.
    • 수직 낙차 구조물의 유동 특성을 분석하기 위해 다양한 수로 길이 및 낙차 높이 조건을 설정함.
  2. 실험 데이터와 비교 검증
    • 실제 실험에서 측정된 하류 수심 및 에너지 손실 데이터를 CFD 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 평가함.
    • 낙차 구조 내 유동 속도 분포 및 충격력(impact force)을 수치적으로 분석함.
    • 다양한 격자 크기 및 난류 모델을 비교하여 최적 해석 방법을 도출함.

주요 결과

  1. 유동 거동 분석
    • 낙차 구조물에서 수류가 낙하하면서 난류 강도가 증가하며, 하류에서 수심이 증가하는 패턴을 보임.
    • 낙차 높이가 증가할수록 충격력이 증가하고, 이에 따른 에너지 손실도 커짐.
    • 하류 채널 길이가 충분할 경우 난류 효과가 감소하며, 유동이 안정화되는 경향을 보임.
  2. CFD 시뮬레이션과 실험 데이터 비교
    • FLOW-3D 모델이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 평균 오차율이 5% 이하로 나타남.
    • 격자 크기가 20,000개 이상일 때 모델 정확도가 최적화됨.
    • 낙차 구조의 형상 및 유입 조건에 따라 난류 강도가 다르게 나타남.
  3. 에너지 손실 및 하류 유동 특성
    • 수로 길이가 증가할수록 에너지 손실이 감소하며, 하류 수심이 증가함.
    • 낙차 구조 설계에 따라 난류 강도가 달라지며, 이를 고려한 최적 설계가 필요함.
    • 낙차 구조 후단부에 역류(backflow)가 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위한 추가 설계가 요구됨.

결론

  • FLOW-3D를 활용한 수치 해석이 수직 낙차 구조물의 유동 특성을 정확하게 예측할 수 있음을 확인함.
  • 하류 수심, 유입 속도 및 난류 모델이 유동 특성 및 에너지 손실에 미치는 영향을 분석함.
  • CFD 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 높은 상관관계를 보이며, 낙차 구조물 설계 최적화를 위한 유용한 도구임을 입증함.
  • 향후 연구에서는 다양한 수리학적 조건을 반영한 추가적인 검증이 필요함.

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Flow 3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m
Flow 3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m
Flow 3D outputs of flow depth and velocity of H =0.15m

Study on the Water Surge Height Line of Landslide Surge of Linear River Course Reservoir Based on FLOW-3D

FLOW-3D를 활용한 선형 하천 저수지의 산사태 파고 선 연구

Fig. 3 Geometric numerical model
Fig. 3 Geometric numerical model

연구 목적

  • 본 연구는 산사태로 인해 발생하는 해일(surge)의 전파 특성과 감쇠 과정을 분석하는 데 초점을 맞춤.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 선형 하천 저수지에서 산사태 해일이 발생하는 기작을 규명함.
  • 산사태 유입각, 하천 깊이, 하천 형상 및 산사태 질량 등 다양한 요소가 해일 높이 및 전파에 미치는 영향을 평가함.
  • 해일의 전파 과정 및 감쇠 메커니즘을 규명하여 수력학적 안정성 평가 및 방재 대책 수립에 기여하고자 함.

연구 방법

  1. FLOW-3D® 기반 수치 해석 모델 구축
    • 산사태로 인해 발생하는 해일의 거동을 모델링하기 위해 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용함.
    • 산사태의 초기 속도, 질량 및 유입각에 따른 해일 생성 및 전파 특성을 분석함.
    • 하천 폭 및 수심 변화에 따른 해일 감쇠 특성을 평가함.
  2. 시뮬레이션 실험 설계
    • 산사태 질량을 0.4 m × 0.2 m × 0.15 m로 고정하고, 유입각을 40°~80° 범위에서 변화시킴.
    • 다양한 수심 조건(0.5 m ~ 0.9 m)에서 해일 전파 특성을 분석함.
    • 5개 주요 측정 지점을 설정하여 해일의 초기 파고 및 전파 과정 데이터를 수집함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 각 실험 조건에서 해일의 최대 파고 및 전파 속도를 측정하고, 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교함.
    • 기존 연구 결과 및 실험 모델과의 비교를 통해 시뮬레이션 신뢰도를 검토함.

주요 결과

  1. 산사태 유입각에 따른 해일 발생 특성
    • 해일의 초기 파고는 유입각 60°에서 최대값을 기록하며, 이후 유입각 증가에 따라 감소하는 경향을 보임.
    • 유입각이 80° 이상일 경우, 슬라이딩 블록의 수직 충돌로 인해 에너지 손실이 증가하여 해일 높이가 감소함.
    • 유입각이 작을 경우(40° 이하), 해일 발생 에너지가 낮아지고 전파 속도도 감소함.
  2. 수심 변화에 따른 해일 전파 및 감쇠 특성
    • 동일한 조건에서 초기 해일 높이는 수심이 깊을수록 감소하는 경향을 보임.
    • 수심이 0.5 m에서 0.9 m로 증가하면, 최대 파고가 49 mm에서 33 mm로 감소함.
    • 이는 깊은 수심에서는 에너지가 더 많은 수체에 분산되기 때문으로 분석됨.
  3. 해일 전파 속도 및 감쇠 패턴
    • 해일의 전파 속도는 초기 파고 및 하천 형상에 따라 달라지며, 좁은 수로에서 감쇠가 느려지는 경향을 보임.
    • 측정 지점별 파고 감소율을 분석한 결과, 해일 감쇠율이 비선형적으로 나타남.
    • 이는 수면 저항 및 흐름 분산에 따른 에너지 손실이 비균일하게 발생하기 때문으로 해석됨.

결론

  • 산사태 유입각이 해일 발생의 주요 변수이며, 60°에서 최대 파고가 발생함.
  • 수심이 깊을수록 해일 감쇠가 더 빠르게 진행되며, 초기 파고가 낮아짐.
  • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션을 통해 선형 하천 저수지에서의 산사태 해일 전파 및 감쇠 메커니즘을 규명할 수 있음.
  • 향후 연구에서는 다양한 하천 형상 및 실제 지형 조건을 반영한 추가 분석이 필요함.

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Fig. 3 Geometric numerical model
Fig. 3 Geometric numerical model
Fig. 5 Grid partition graph
Fig. 5 Grid partition graph
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Fig. 1. Averaged error trend

Assessment of Spillway Modeling Using Computational Fluid Dynamics

컴퓨터 유체 역학을 활용한 방수로 모델링 평가

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 사용하여 방수로(spillway) 유동 거동을 모델링하고, 이를 실험 모델 결과와 비교 분석하는 것을 목표로 함.
  • 기존 연구에서는 CFD 모델이 실험 결과와 유사한 경향을 보였으나, 다양한 방수로 형상과 수문 개방 조건을 고려한 종합적인 분석이 부족했음.
  • 본 연구에서는 세 가지 다른 방수로 사례를 대상으로 CFD 시뮬레이션을 수행하고, 유량 특성 및 정확도를 평가함.

연구 방법

  1. 수리 실험 및 CFD 모델 구축
    • 세 가지 방수로 형상을 선택하여 실험 및 수치 해석을 수행함.
    • 실험 데이터와 CFD 결과를 비교하여 유량 곡선(rating curve)의 일치도를 분석함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 표면 흐름을 해석하고, 난류 모델을 통해 흐름 특성을 분석함.
    • Navier-Stokes 방정식을 활용하여 유동 및 수문 개방 조건에서의 방수로 거동을 평가함.
  3. 실험 데이터와 비교 검증
    • 실험실 수리 모델에서 측정된 유량 데이터와 CFD 결과를 비교하여 시뮬레이션의 신뢰도를 검증함.
    • CFD 결과가 실험 모델과 어느 정도의 오차 범위를 가지는지 분석함.

주요 결과

  1. CFD 시뮬레이션과 실험 결과 비교
    • FLOW-3D®를 사용한 CFD 시뮬레이션은 실험 데이터와 높은 상관관계를 보였음.
    • 특히 유량 곡선(rating curve) 분석 결과, P/Hd(수문 높이 대비 유량 계수) 값이 모델 정확도에 중요한 영향을 미침.
    • 일부 방수로 형상에서는 CFD 결과가 실험보다 약간 낮은 유량을 예측하였으며, 이는 난류 모델 및 경계 조건 설정의 차이에 기인함.
  2. 방수로 형상에 따른 유동 특성 차이
    • 방수로 설계에 따라 유속 분포 및 난류 특성이 달라지는 경향을 보였음.
    • 특정 방수로 구조에서는 수문 개방 비율이 증가할수록 CFD 모델과 실험 간 오차가 감소하는 패턴이 나타남.
  3. 모델 신뢰도 및 한계점 분석
    • CFD 결과가 실험 모델과 대체로 일치하였으나, 특정 고유량 조건에서의 오차를 줄이기 위해 추가적인 보정이 필요함.
    • 난류 모델 최적화 및 메쉬 해상도 향상을 통해 모델의 신뢰도를 더욱 개선할 수 있음.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션은 방수로 유동 해석에 신뢰할 수 있는 도구이며, 실험 데이터와 높은 일치도를 보임.
  • P/Hd 매개변수가 CFD 모델의 정확도에 중요한 영향을 미치며, 이를 고려한 모델링 접근이 필요함.
  • 향후 연구에서는 더욱 복잡한 방수로 형상 및 비선형 유동 조건을 고려한 모델 개선이 필요함.

Reference

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Fig. 2. Gated rating curve comparison. CFD, computational fluid dynamics. PM, physical model
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Filling simulation

Simulation of a Thixoforging Process of Aluminium Alloys with FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금의 Thixoforging 공정 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: Thixoforming은 반고체 상태(Semi-Solid State)에서 복잡한 형상의 부품을 고품질 기계적 특성으로 생산할 수 있는 성형 기술이다.
    • Thixoforming은 Thixocasting과 Thixoforging으로 나뉘며, Thixoforging은 유압 프레스(Hydraulic Presses)를 사용하여 닫힌 금형 내에서 성형이 이루어진다.
    • 알루미늄 합금(A356)의 전단 속도(Shear Rate)와 전단 시간(Shear Time)에 따른 의사점도(Apparent Viscosity) 변화를 고려해야 한다.
    • 금형 충전 시뮬레이션은 성형력(Forming Force) 및 금형 충전 특성 분석을 통해 최적의 점도 매개변수 선택을 돕는다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 Thixoforging 공정의 금형 충전 시뮬레이션을 수행하고, 점도 매개변수(Initial Viscosity, Thinning Rate)에 따른 충전 특성 비교.
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델의 신뢰성 검증 및 반고체 소재의 최적 성형 조건 제시.
    • 스포츠 차량의 서스펜션 부품(Steering Knuckle)과 같은 복잡한 형상의 실 부품 적용 가능성 평가.

연구 방법

  1. Thixoforging 공정 개요 및 수치 모델링
    • Thixoforging 공정은 반고체 빌렛(Semi-Solid Billet)을 닫힌 금형 내에서 유압 프레스를 통해 Near-Net-Shape 부품 성형.
    • FLOW-3D 시뮬레이션 설정:
      • 유체 흐름 방정식(Continuity, Momentum, Energy Equation)을 라그랑지안(Langarian) 방식으로 유한 차분법(Finite Difference Method) 사용.
      • 의사점도 모델(Apparent Viscosity Model)을 적용하여 전단율(Shear Rate, γD), 전단 시간(Shear Time, t) 및 고체 분율(Fraction Solid, fs)에 따른 점도 변화 모델링.
      • Scheil 방정식(Scheil Equation)을 이용하여 고체 분율(f_s) 계산.
  2. 점도 매개변수 및 시뮬레이션 조건
    • 점도 매개변수 설정:
      • 초기 점도(Initial Viscosity): 1300 ~ 13000 Pas.
      • Thinning Rate(점도 감소율): 1 ~ 40 s⁻¹.
    • 축대칭 모델(Axisymmetric Model) 실험 설정:
      • 단순 형상(Cup)을 이용하여 금형 충전 특성 분석.
      • 성형력 계산 및 실험 결과와 비교.

주요 결과

  1. 금형 충전 및 성형력 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 간의 높은 일치도 확인.
    • 성형력(Forming Force) 계산:
      • 초기 점도 1300 Pas, Thinning Rate 1 s⁻¹에서 성형력 예측 정확도 높음.
      • 성형 초반부에서는 높은 Thinning Rate가 실제 성형력과 유사, 성형 후반부에서는 낮은 Thinning Rate가 적합.
      • 이중 점도 감소 특성(Two-Stage Thinning Behavior)을 통해 정확도 개선 가능성 제시.
  2. 복잡 형상의 서스펜션 부품(Steering Knuckle) 적용 가능성 평가
    • 산업용 Steering Knuckle 부품 시뮬레이션을 통해 금형 충전 특성 분석.
    • 초기 설계 단계에서 시뮬레이션을 활용하여 금형 설계를 최적화:
      • Overflow 영역의 단면을 수정하여 균일한 물질 흐름 확보.
      • 산화물(Oxide) 및 윤활제 포집을 Overflow로 이동시켜 고강도 용접부(Welding Zone) 형성.
    • 재료 흐름이 Overflow Inlet에서 일치하지 않는 문제 발견, Cross-Section 수정으로 개선 가능.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D를 통한 Thixoforging 공정 시뮬레이션이 실제 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 점도 매개변수(Initial Viscosity, Thinning Rate)에 따른 성형력 및 금형 충전 특성을 정량적으로 평가 가능.
    • 스포츠 차량 서스펜션 부품의 성형에도 적용 가능성 입증.
    • 초기 설계 단계에서 시뮬레이션을 통해 금형 설계를 최적화할 수 있어 시간과 비용 절감.
  • 향후 연구 방향:
    • 복잡한 형상의 부품에 대한 추가적인 시뮬레이션 연구.
    • 이중 점도 감소 모델을 도입하여 시뮬레이션 정확도 개선.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 반고체 공정 최적화 시스템 개발.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 활용하여 Thixoforging 공정에서 반고체 알루미늄 합금의 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 복잡한 형상의 부품 성형에서도 높은 품질을 유지할 수 있는 설계 가이드라인을 제공하며, 자동차 및 항공우주 산업의 생산성 증대 및 비용 절감에 기여할 수 있다​.

Reference

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LFP

Optimizing 3D Laser Foil Printing Parameters for AA 6061: Numerical and Experimental Analysis

AA 6061 합금의 3D 레이저 포일 프린팅(3D LFP) 최적화: 수치 및 실험적 분석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 3D 레이저 포일 프린팅(LFP)은 금속 포일을 적층하여 정밀한 구조물을 제작하는 기술로, 레이저 용접을 통해 층을 쌓아가는 방식을 사용한다.
    • 금속 포일은 빠른 냉각 속도와 효율적인 열전도를 제공하여 미세 입자(fine-grained) 구조 형성에 유리하다.
    • 그러나 알루미늄 합금(AA 6061)과 같은 고반사율 금속을 레이저 용접할 때, 스패터(spattering), 기포(bubble) 형성, 미세 균열(microcrack)과 같은 결함이 발생할 위험이 크다.
  • 연구 목적:
    • Laser Circular Oscillation Welding (LCOW) 기술을 LFP 공정에 적용하여 레이저 용접 결함을 줄이는 방법 연구.
    • 인공신경망(ANN, Artificial Neural Network)과 FLOW-3D 시뮬레이션을 결합하여 최적의 용접 공정 매개변수 도출.
    • 실험 및 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델 신뢰성 검증 및 용접 품질 향상 방안 제시.

연구 방법

  1. LCOW 기술 적용 및 실험 설정
    • AA 6061 포일(두께 0.3mm)과 기판(두께 5mm)을 사용하여 연속 파이버 레이저 시스템(최대 출력 1000W, 스캔 속도 550 mm/s, 스캔 주파수 227 Hz)으로 실험.
    • 레이저 빔의 원형 진동(Circular Oscillation) 모션을 사용하여 용융 풀(Molten Pool) 형상 및 위치 제어.
    • FLOW-3D 소프트웨어를 통해 열원 모델링 및 유체의 자유 표면 이동을 추적.
    • 에너지 밀도가 가우시안(Gaussian) 분포를 따른다고 가정하고, 볼륨 오브 플루이드(VOF) 기법을 사용하여 키홀(Keyhole) 형상 변화 추적.
  2. 시뮬레이션 및 ANN 모델 개발
    • FLOW-3D 시뮬레이션 데이터를 활용하여 ANN 모델을 학습시켜 용접 풀 깊이 및 온도 예측.
    • 원형 패킹 디자인(Circle Packing Design) 기법을 사용하여 36개의 시뮬레이션 데이터를 ANN 학습에 사용.
    • ANN 모델은 평균 99%의 예측 정확도(R=0.99)를 보여, 신뢰성 높은 프로세싱 맵(Processing Map) 생성.
    • 레이저 출력, 스캔 속도 및 주파수에 따른 용접 풀 깊이 및 폭 최적화.

주요 결과

  1. 실험 및 시뮬레이션 비교 분석
    • 최적화된 공정 매개변수: 레이저 출력 800W, 스캔 속도 550 mm/s, 스캔 주파수 227 Hz.
    • FLOW-3D 시뮬레이션 모델의 예측 오차는 약 10% 내외로, 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
    • 용접 부위의 상부 표면에서 균열(cracks)이나 기공(porosity)이 발견되지 않음.
    • 샘플 단면에서의 기공율(Porosity)은 0.12%로 매우 낮음.
  2. 프로세싱 맵 분석 및 최적화 매개변수 도출
    • 용접 풀 깊이(0.6 ~ 0.95 mm) 및 폭(1.05 mm 이상)이 균열과 기공을 최소화하는 최적의 조건으로 설정.
    • 스캔 주파수 150 Hz 이상에서 알루미늄 합금의 열균열 감수성(hot cracking susceptibility) 감소.
    • 세부 영역별 프로세싱 맵을 통해 다양한 용접 조건에 대한 품질 특성 분석.
  3. 다양한 실험 조건에 따른 결과 비교
    • LCOW(Laser Circular Oscillation Welding) 전략을 적용한 샘플에서는 균열과 기공 발생이 거의 없었음.
    • 비진동 레이저 용접(NOLW) 전략에서는 0.41%의 기공율을 보인 반면, LCOW 샘플에서는 0.12%로 현저히 감소.
    • LCOW 전략 적용 시 표면 거칠기(Surface Roughness) Sa 값은 7.27μm, NOLW 샘플은 20.87μm로, LCOW가 더 매끄러운 표면 제공.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 시뮬레이션과 ANN 모델을 활용한 공정 최적화 방법이 AA 6061 합금의 3D LFP 공정에서 뛰어난 성능을 입증.
    • LCOW 기술을 통해 기공과 균열을 줄일 수 있으며, 용접 품질을 크게 향상시킴.
    • 최적화된 공정 매개변수 적용 시 용접 표면 거칠기 및 기공율을 최소화할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 새로운 소재와 기술의 발전에 따라 LCOW 최적화 매개변수의 지속적인 재평가 필요.
    • 마이크로구조(Microstructure) 모델링을 통한 시뮬레이션 결과의 정밀도 향상.
    • AI 및 머신러닝을 통한 실시간 용접 품질 예측 모델 개발.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 및 ANN 모델을 활용한 3D LFP 공정 최적화 방법을 제시하고, 레이저 용접 시 발생할 수 있는 결함을 최소화할 수 있는 새로운 접근법을 제시하여, 산업 현장에서의 적용 가능성을 입증하고 알루미늄 합금의 용접 품질을 향상시킬 수 있다​.

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DED model

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

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

연구 배경 및 목적

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

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

연구 방법

DED 공정 개요

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

FLOW-3D 기반 수치 모델링

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

주요 결과

분말 속도가 증착 형상 및 용융 풀 거동에 미치는 영향

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

유체 흐름 및 온도 분포 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

Air Entrainment

Investigating Surface Entertainment Events Using CFD

전산유체역학을 이용한 표면 혼입 현상 연구

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Investigating_surface_entertainment_events_using_CFD-2009Download
Coupling

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Way

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

Reference

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Velocity Magnitude

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

  1. 포장 모델 설계 및 시뮬레이션 설정
    • AutoCAD를 이용해 모듈러 포장 모델링을 수행하고, FLOW-3D 소프트웨어에서 수치 시뮬레이션을 진행.
    • 포장 모델 구성:
      • 모듈러 포장층, 자갈층, 모래층의 3가지 레이어로 구성.
      • HDPE 모듈러 포장은 80 mm 직경, 5 mm 두께의 얇은 대각선 기둥 구조.
      • Jabatan Kerja Raya 표준에 따라 설계.
    • 수치 모델 설정:
      • FLOW-3D의 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체 흐름 및 유동 깊이 예측.
      • Navier-Stokes 방정식을 사용하여 3차원 불압축성 유동(Incompressible Flow) 시뮬레이션.
      • 모듈러 포장 모델의 경계 조건은 대칭(Symmetry), 연속(Continuative), 체적 유량(Volume Flow Rate), 벽(Wall) 경계로 설정.
  2. 시뮬레이션 시나리오 및 변수 설정
    • 강우 강도 시나리오:
      • 낮은 강우(5 mm/h) 및 높은 강우(85 mm/h) 조건을 설정하여 모듈러 포장의 유동 특성 분석.
    • 측정 변수:
      • 속도(속도의 x, y, z 성분), 유동 깊이(Flow Depth), Froude 수(Fr)를 측정.
      • Froude 수는 유속과 관성력의 비율을 나타내며, 유동 상태(서브크리티컬 또는 슈퍼크리티컬) 평가에 사용.

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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Amirah_2023_IOP_Conf._Ser.%3A_Earth_Environ._Sci._1135_012017Download
Dam

Numerical Simulation of Dam Failure Process Based on FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 과정의 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 댐 붕괴(Dam Failure)는 하류 지역의 인명 및 재산 안전에 심각한 위협을 가할 수 있다.
    • 댐 붕괴 시 발생하는 홍수는 예측이 어렵고 복잡한 수리학적 현상을 동반하며, 긴급 구조 및 대응 계획 마련이 필수적이다.
    • 특히 Tangjiashan 산사태 댐(Tangjiashan Landslide Dam)과 같은 장애호수(Barrier Lake)의 붕괴는 갑작스러운 월류 및 사면 불안정(Slope Instability)을 초래할 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 3차원 수치 모델링을 통해 시뮬레이션.
    • 초기 붕괴 수위(Initial Breach Water Level)의 민감도 분석을 통해 붕괴 유량 및 최종 붕괴 폭(Breach Width)에 미치는 영향 평가.
    • 비상 계획 수립 및 재난 대응을 위한 기술적 참조 자료 제공.

연구 방법

  1. 댐 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • 모델 구축:
      • Autodesk Civil3D 소프트웨어를 사용하여 위성 원격 감지 데이터를 바탕으로 Tangjiashan 댐의 3D 모델 생성.
      • 댐의 실제 지형 데이터를 1:1 비율로 반영하여 복잡한 월류 및 붕괴 과정을 시뮬레이션.
    • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션:
      • 3차원 수치 모델을 통해 월류(Ovetopping) 및 붕괴 과정 재현.
      • 계산 효율성을 높이기 위해:
        • 모델 크기: 1100m × 700m × 150m.
        • 붕괴 영역(Breach Area)에는 세밀한 격자(2.5m × 2.5m × 2.5m) 사용.
        • 총 유효 격자 수: 약 390만 개.
    • 경계 조건(Boundary Condition) 설정:
      • 상류(Upstream): 압력 경계(Pressure Boundary).
      • 하류(Downstream): 자유 유출(Outflow) 경계.
      • 측면(Sides): 대칭 경계(Symmetrical Boundary).
      • 바닥(Bottom): 벽(Wall) 경계.
      • 상단(Top): 대기압과 동일한 압력 경계(Atmospheric Pressure).
  2. 민감도 분석(Sensitivity Analysis)
    • 초기 붕괴 수위 변화 시나리오:
      • 742m, 745m, 748m의 세 가지 초기 수위 조건을 설정.
      • 각각의 초기 수위에 따른 최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow) 및 붕괴 폭 변화 분석.
    • 침식 및 퇴적 모델링:
      • 댐 재료의 물리적 특성(예: 건조 벌크 밀도 2200 kg/m³, 임계 Froude 수 0.05)을 반영.
      • 모델 입력 파라미터는 기존 연구 및 현장 측정 데이터를 활용.

주요 결과

  1. 시뮬레이션 결과 분석
    • 최대 붕괴 유량(Peak Breach Flow):
      • 742m 초기 수위에서 6937 m³/s 도달.
      • 745m 초기 수위에서는 7597 m³/s, 9.5% 증가.
      • 748m 초기 수위에서는 8542 m³/s, 23.1% 증가.
    • 최종 붕괴 폭(Breach Width):
      • 초기 수위 증가에 따라 150m → 220.8m로 47.2% 증가.
    • 유량 도달 시간(Time to Peak Flow):
      • 초기 수위 증가 시 도달 시간이 단축:
        • 742m 수위에서는 5.83시간, 748m에서는 3.55시간(39.1% 감소).
    • 모델 검증(Validation):
      • 시뮬레이션 결과와 현장 측정 데이터 비교:
        • 최대 붕괴 유량의 상대 오차 7.05%.
        • 최종 붕괴 폭의 상대 오차 4.16%.
        • 유량 도달 시간은 실제보다 약 40분 빠름.
  2. 민감도 분석 결과
    • 초기 붕괴 수위는 붕괴 과정에 매우 민감:
      • 수위가 높아질수록 붕괴 유량 및 하류 방출 유량이 급격히 증가.
      • 정확한 초기 수위 측정의 중요성 강조.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 통한 Tangjiashan 댐 붕괴 시뮬레이션이 실제 현상과 높은 일치도를 보임.
    • 초기 붕괴 수위는 붕괴 유량, 최종 붕괴 폭 및 붕괴 과정 전반에 큰 영향을 미침.
    • 긴급 구조 및 대응 계획 수립 시 초기 수위 데이터를 정확히 반영할 필요.
    • 본 연구 결과는 향후 장애호수 붕괴 대응 및 재난 관리 정책 수립에 중요한 기술적 참조 자료 제공.
  • 향후 연구 방향:
    • 수치 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 물의 밀도 변화(퇴적물 침식에 따른 영향) 고려.
    • 다양한 초기 조건(예: 강우 패턴, 하천 유량 변화)에 따른 시나리오 분석.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 댐 붕괴 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Tangjiashan 산사태 댐의 붕괴 과정을 정량적으로 평가하고, 재난 대응 및 비상 계획 수립을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공하며, 장애호수 붕괴 시 인명 및 재산 피해를 최소화하는 데 기여할 수 있다​.

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ATDE-36-ATDE230245Download
Casting

Effect of Casting Parameters on Microstructure and Casting Quality of Si-Al Alloy for Vacuum Sputtering

진공 스퍼터링용 Si-Al 합금의 미세 구조 및 주조 품질에 미치는 주조 매개변수의 영향

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 Si-30wt.% Al 합금의 주조 품질을 분석함.
  • 실험 결과와 시뮬레이션을 비교하여 주조 결함(수축 기공 및 조성 편석) 발생 원인을 규명함.
  • 금형 두께, 주조 온도, 주형 온도 등의 주조 매개변수가 주조물의 미세 구조 및 품질에 미치는 영향을 연구함.
  • Si-Al 합금의 비전도성 진공 금속화(Non-Conductive Vacuum Metallization, NCVM) 특성을 평가하여 최적 조성을 도출함.

연구 방법

  1. 실험 및 시뮬레이션 설정
    • Si-Al 합금(20, 25, 30, 35wt.% Al)을 진공 유도로에서 용해한 후 얇은 금형에 주조함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 수행하여 주조 유동 및 응고 과정에서의 결함 발생 패턴을 분석함.
    • 금형 두께, 주조 온도, 주형 온도 변화가 미세 구조 및 수축 기공 형성에 미치는 영향을 평가함.
  2. 미세 구조 및 필름 특성 분석
    • 주조 후, 광학 현미경(OM) 및 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 Si-Al 합금의 미세 조직을 관찰함.
    • 반사율 측정(n&k 분석기 1280)을 통해 Si-Al 박막의 반사율 특성을 평가함.
    • Si-30wt.%Al 박막을 유리 기판에 스퍼터링하여 전도성 및 비전도성 특성을 비교 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 결과와 FLOW-3D® 시뮬레이션 비교를 통해 주조 결함 및 응고 거동을 분석함.
    • 응고 속도를 조절하여 수축 기공 및 조성 편석을 최소화하는 최적 조건을 도출함.

주요 결과

  1. Si-Al 박막의 반사율 및 전도성 변화
    • Al 함량이 증가할수록 박막의 반사율이 증가하나, 전기 전도성이 향상됨.
    • 비전도성 특성을 유지하면서 반사율을 극대화하려면 Al 함량을 30wt.%로 유지하는 것이 최적.
  2. 주조 결함 분석
    • Si-Al 합금은 응고 시 심각한 조성 편석과 다량의 수축 기공(shrinkage pores)을 형성.
    • 두꺼운 금형을 사용할 경우 수축 기공이 증가하지만, 얇은 금형을 사용하면 기공 형성이 감소함.
    • 주조 온도를 1270°C, 금형 온도를 50°C로 설정하면 Al 편석이 억제되고 수축 기공이 4% 이하로 감소.
    • 반대로 주조 온도 1300°C 이상, 금형 온도 200°C 이상에서는 심각한 수축 기공과 Al 편석이 발생.
  3. FLOW-3D® 시뮬레이션 검증
    • 시뮬레이션 결과, 얇은 금형을 사용할 경우 주조물 표면에 “hot spot”이 형성되며 국부적인 과열로 인해 표면 결함 발생.
    • 용탕이 라이저(riser)에서 금형 내부로 흐를 때, 고온 영역에서 표면 기포(casting pits)가 집중적으로 형성됨.
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 평균 오차율이 5~8% 수준으로 확인됨.
  4. 최적 주조 조건 및 개선 방안
    • U자형 주조 결함(U-shaped defect)은 주조 흐름이 갑자기 증가할 때 발생하며, 주조 흐름을 안정화하기 위해 턴디시(tundish) 사용 필요.
    • 용탕이 금형 내부로 직접 유입되도록 개선하면 “hot spot” 발생 억제 가능.
    • 최적화된 주조 조건: 주조 온도 1270°C, 금형 온도 50°C, 얇은 금형 사용.

결론

  • Si-30wt.% Al 합금은 NCVM 박막의 최적 조성을 제공하며, 반사율과 비전도성을 동시에 만족시킴.
  • 주조 결함(수축 기공, 조성 편석)은 금형 두께 및 주조 조건을 최적화하여 크게 줄일 수 있음.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용한 주조 결함 예측이 높은 신뢰도를 보이며, 실험 데이터와 유사한 결과를 제공함.
  • 향후 연구에서는 주조 공정 최적화를 위한 추가적인 냉각 제어 및 형상 설계가 필요.

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07–In-Ting Hong, Huan-Chien Tung, Chun-Hao Chiu and Hung-Shang HuangDownload
HPDC

Design of Gating System for Radiator Die Castings Based on FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 기반으로 한 라디에이터 다이캐스팅 주입 시스템 설계

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D®를 사용하여 라디에이터 다이캐스팅 공정의 게이팅 시스템(Gating System) 설계 최적화를 수행함.
  • 두 가지 다른 게이트 구조를 비교 분석하여 금속 충진(filling) 및 결함 형성을 평가함.
  • 기포(Porosity), 산화물(Oxide Inclusion), 불완전 충진(Incomplete Filling) 등의 결함을 예측하고 최적의 설계안을 도출함.
  • 최적화된 게이팅 시스템이 충진 균일성 및 표면 결함 감소에 미치는 영향을 분석함.

연구 방법

  1. 다이캐스팅 모델링 및 실험 설정
    • 라디에이터 고압 다이캐스팅(HPDC)을 위한 두 가지 게이트 구조를 설계함.
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 금속 충진 과정 및 결함 발생 영역을 예측함.
    • 실험적으로 주입 온도(680°C), 금형 예열 온도(220°C), 주입 속도(60m/s) 조건을 설정함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 모델을 적용하여 충진 거동을 해석함.
    • 난류 모델 및 자유 표면 추적 기법을 활용하여 공기 혼입 및 금속 유동 패턴을 평가함.
    • 네 가지 게이팅 시스템 변형 모델을 추가적으로 분석하여 최적 설계를 도출함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 각 게이팅 구조에서 금속 충진 균일성, 표면 결함 분포, 산화물 혼입 여부를 평가함.
    • 시뮬레이션을 통해 예측된 결함 위치를 실제 주조 실험과 비교하여 검증함.
    • 최적의 게이트 및 오버플로우 트로프(Overflow Trough) 설계를 도출함.

주요 결과

  1. 충진 균일성 및 유동 패턴 분석
    • 최적의 게이팅 시스템에서는 금속이 고르게 충진되며 표면 결함이 최소화됨.
    • 일부 설계에서는 유속이 너무 빠르게 형성되며 산화물 혼입 및 불완전 충진 발생.
    • 오버플로우 트로프를 적절히 배치하면 유동 균형이 개선되며 기공 발생이 감소함.
  2. 결함 예측 및 최적화 가능성
    • 기포 및 산화물 결함은 특정 영역에서 집중적으로 발생하며, 게이팅 디자인 변경으로 30% 이상 감소 가능.
    • 충진 속도가 너무 빠르면 난류 효과가 증가하여 불완전 충진 및 산화물 혼입이 심화됨.
    • 유동 방향을 제어하기 위한 게이트 크기 및 배치 최적화 필요.
  3. CFD 시뮬레이션 검증 결과
    • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션은 실험 데이터와 85% 이상의 상관관계를 보임.
    • 시뮬레이션을 활용하여 충진 패턴 및 결함 예측이 가능하며, 최적 설계 도출에 효과적.
    • 추가 연구를 통해 다양한 재료 및 환경 조건에서도 적용 가능성 확인 필요.

결론

  • FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션을 활용하여 다이캐스팅 게이팅 시스템 최적화 가능.
  • 최적의 게이팅 설계로 기포 및 산화물 결함을 30% 이상 감소 가능.
  • 충진 속도 및 유동 균형을 고려한 설계가 표면 결함 억제에 중요.
  • 향후 연구에서는 다양한 다이캐스팅 소재 및 복합 설계 적용을 추가적으로 분석할 필요.

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Melt Pool

Investigations of Weld Profiling and Intermetallic Formation in Laser Welding of Steel-to-Aluminium: A Multi-Physics CFD Approach Using Beam Shaping

강-알루미늄 레이저 용접에서 용접 형상 및 금속간 화합물 형성 연구: 빔 형상을 활용한 다중 물리 CFD 접근

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션을 활용하여 강-알루미늄 레이저 용접 과정에서의 용접 형상 및 금속간 화합물(IMC) 형성을 분석함.
  • 빔 형상(Laser Beam Shaping) 기법이 키홀(Keyhole) 안정성, 기공 형성, 용접 품질 및 IMC 형성에 미치는 영향을 연구함.
  • 링-코어 빔(Ring-Core Beam) 비율 조정을 통해 용접 품질을 개선할 수 있는 가능성을 평가함.
  • 실험 결과와 CFD 시뮬레이션 결과를 비교하여 용접 공정 최적화 방향을 제안함.

연구 방법

  1. 레이저 용접 모델링 및 실험 설정
    • 강(IF steel) – 알루미늄(1050 Al) 이종 금속 용접을 수행함.
    • 고출력 연속파 레이저(16kW) 및 다양한 빔 형상 조합(코어-링 빔 비율 조정)을 적용함.
    • 용접 형상, 기공 생성, IMC 형성 정도를 평가하여 실험 데이터를 확보함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 다중 물리 CFD 모델을 사용하여 용융지 유동, 열 전달, 상변화(Phase Change) 및 기공 형성을 해석함.
    • 레이저 빔 흡수 모델 및 증발 유도 반동 압력(Recoil Pressure) 효과를 포함함.
    • 다양한 링-코어 빔 비율(100% 코어, 100% 링, 혼합 모드 등)을 적용하여 용접 특성을 비교 분석함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 용접 형상(비드 폭, 깊이), 키홀 안정성, IMC 두께를 실험과 CFD 결과를 비교하여 검증함.
    • 고해상도 현미경(HR Microscopy) 및 기계적 시험을 수행하여 용접부의 물리적 특성을 분석함.
    • CFD 모델과 실험 데이터를 기반으로 최적의 용접 빔 형상 및 공정 조건을 도출함.

주요 결과

  1. 키홀 안정성 및 기공 형성 영향
    • 순수 코어 빔(Core-Only Beam) 사용 시 키홀이 불안정하며 기공(Porosity)이 증가하는 경향을 보임.
    • 순수 링 빔(Ring-Only Beam) 적용 시 키홀 안정성이 향상되며, 기공 형성이 최대 50% 감소함.
    • 혼합 모드(Core-Ring Combination)에서는 코어 빔의 깊이 효과와 링 빔의 안정성이 조합되어 최적의 용접 품질을 보임.
  2. IMC 두께 및 용접 강도 비교
    • 순수 코어 빔 사용 시 IMC 두께가 증가(최대 8µm)하여 취성이 증가함.
    • 순수 링 빔 적용 시 IMC 두께가 감소(최대 50%)하며, 용접부 강도가 16% 증가함.
    • 링 빔을 활용하면 냉각 속도 조절을 통해 과도한 IMC 형성을 억제할 수 있음.
  3. CFD 시뮬레이션 검증 및 최적화 가능성
    • CFD 모델을 통해 용융지 유동 및 키홀 형상 예측이 실험과 85% 이상의 상관관계를 보임.
    • 레이저 빔 형상의 조정이 용접 품질에 미치는 영향을 정량적으로 분석 가능.
    • 향후 연구에서는 다양한 레이저 파장 및 펄스 변조 기법을 적용한 추가적인 검증이 필요함.

결론

  • FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션은 강-알루미늄 레이저 용접의 용접 형상 및 IMC 형성을 정밀하게 예측 가능.
  • 링 빔을 활용한 용접이 키홀 안정성 향상 및 IMC 감소에 효과적임.
  • 실험과 시뮬레이션 결과가 높은 신뢰도를 보이며, 용접 공정 최적화 가능성을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 레이저 빔 형상 및 추가적인 용접 환경 변수를 고려해야 함.

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Cladding

Influence of Fluid Convection on Weld Pool Formation in Laser Cladding

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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2.WeldingJournal-InfluenceofFluidConvectiononWeldPoolFormationinLaserCladdingDownload
mornig glory test

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

Reference

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267923744Download

Wave

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

FLOW-3D를 이용한 파랑 생성의 CFD 재료 접근법

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D®를 이용하여 파랑 생성 및 파랑 붕괴 현상을 수치적으로 분석함.
  • 실험적인 접근법과 비교하여 CFD 기반 시뮬레이션의 정확도 및 적용 가능성을 평가함.
  • 포리어 급수(Fourier series) 및 CFD 모델을 적용하여 다양한 파랑 조건을 해석함.
  • 해양 구조물 및 파력 발전 설계를 위한 정확한 파랑 모델링 가능성을 탐색함.

연구 방법

  1. 파랑 수치 모델링 및 설정
    • FLOW-3D®의 자유 표면 모델(Free-Surface Model)을 활용하여 파랑 형성을 시뮬레이션함.
    • 포리어 급수(Fourier Series) 방법을 적용하여 수치적으로 파랑의 기본 형태를 정의함.
    • 난류 모델 적용: Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 모델을 사용하여 난류 효과를 고려함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 초기 및 경계 조건을 설정하여 파랑의 전파 및 붕괴 과정을 분석함.
    • 다양한 파고 및 주기를 적용하여 파랑의 다양한 특성(높이, 주기, 속도 등)을 평가함.
    • 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 시뮬레이션 결과를 실험적 연구 및 기존 문헌 데이터와 비교 분석함.
    • 파랑 생성 및 붕괴 과정에서 발생하는 동역학적 변화를 평가함.
    • 해양 구조물 및 파력 발전과의 적용 가능성을 논의함.

주요 결과

  1. 파랑 생성 및 붕괴 특성 분석
    • FLOW-3D® 시뮬레이션을 통해 다양한 높이와 주기의 파랑을 생성할 수 있음.
    • 높은 주파수의 파랑에서는 강한 붕괴(breaking) 현상이 발생하며, 저주파 파랑은 안정적인 진행성을 유지함.
    • 파랑 붕괴 시 에너지 소산 및 흐름 변화가 명확하게 나타남.
  2. 수치 모델의 신뢰성 평가
    • 실험 결과와 비교했을 때 시뮬레이션의 평균 오차율이 5~10% 수준으로 확인됨.
    • 높은 파고(high wave height)에서는 실험값보다 약간 낮은 수치를 예측하는 경향이 있음.
    • 추가적인 모델 보정 및 난류 효과 개선이 필요함.
  3. 해양 공학 및 에너지 적용 가능성
    • FLOW-3D®를 활용하면 파력 발전 시스템의 설계 최적화 가능.
    • 해양 구조물(방파제, 해상 플랫폼 등) 설계 시 파랑 하중 분석에 유용하게 적용 가능.
    • 향후 연구에서는 다양한 환경 조건에서 추가적인 시뮬레이션 검증 필요.

결론

  • FLOW-3D®를 활용한 CFD 시뮬레이션은 파랑 생성 및 붕괴 분석에 효과적임.
  • 실험 데이터와 비교했을 때 높은 신뢰성을 보이며, 일부 난류 모델 개선이 필요함.
  • 해양 공학 및 파력 발전 설계에 적용할 수 있는 가능성을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 파랑 조건 및 실제 환경 적용성을 추가로 검토해야 함.

Reference

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Schematic-representation-of-the-structure-of-a-rapid-shell-system-2

Advancing Current Materials and Methods Used in the Investment Casting of Cobalt Prosthesis

코발트 보형물 정밀 주조에서 사용되는 최신 소재 및 방법의 발전

연구 목적

  • 본 논문은 MedCast 프로젝트의 일환으로 정밀 주조(investment casting)에서 사용되는 재료 및 공정 방법을 개선하는 연구를 진행함.
  • 특히, 고속 쉘 건조(Rapid Shell Drying) 기술과 주조 공정 시뮬레이션(Casting Modelling)에 중점을 둠.
  • 쉘 건조 시간 단축과 산화물 필름 혼입(Oxide Film Entrainment, OFEM) 및 미세 기공 결함 감소를 목표로 함.
  • FLOW-3D® 시뮬레이션을 활용하여 주조 결함 분석 및 최적화 전략을 도출함.

연구 방법

  1. 고속 쉘 건조 기술(Rapid Shell Technology) 평가
    • 기존 세라믹 쉘 시스템과 비교하여 고속 쉘 건조 기술이 주조 품질에 미치는 영향을 평가함.
    • 쉘의 미세 구조(microstructure) 변화, 기공 형성, 기계적 강도 감소(20%) 등을 분석함.
    • 추가적인 쉘 코팅을 통해 강도를 보완하면서도 건조 시간 단축(1/3 감소) 가능성을 탐색함.
  2. FLOW-3D® 기반 주조 공정 시뮬레이션
    • 산화물 필름 혼입(Oxide Film Entrainment Model, OFEM) 모델을 적용하여 산화물 형성 및 최종 위치 예측.
    • 입자 추적 기법을 활용하여 주형 사전 가열 시 생성된 재의 거동을 모델링함.
    • 산화물과 미세 입자(ash particles)의 이동 경로를 예측하고, 결함이 발생하는 주요 영역을 파악함.
  3. 실험 데이터 검증
    • 실제 주조 실험(in-process foundry trials)을 수행하여 시뮬레이션 결과를 검증함.
    • 기공 발생 패턴과 OFEM 예측값을 비교하여 시뮬레이션의 정확성을 평가함.
    • 실험 데이터를 기반으로 주조 결함 저감 전략을 도출함.
  4. 추가 분석
    • 쉘 건조 속도, 산화물 형성 과정, 용탕 충진 패턴 등을 종합적으로 고려하여 최적화 방안을 연구함.
    • 주조 결함을 최소화할 수 있는 쉘 코팅 두께 및 건조 환경 조정 전략을 평가함.

주요 결과

  1. 쉘 건조 속도 및 기계적 특성 변화
    • 고속 쉘 건조(Rapid Shell Drying) 공정을 적용한 결과, 건조 시간이 1/3로 단축됨.
    • 그러나 기존 쉘 대비 기계적 강도가 20% 감소하는 경향이 확인됨.
    • 추가적인 코팅을 적용하면 강도 저하를 보완하면서도 건조 시간 단축 가능.
  2. 산화물 필름 및 미세 입자 추적 결과
    • FLOW-3D® OFEM 모델을 활용한 시뮬레이션에서, 산화물 필름 혼입이 특정 위치에 집중됨을 확인함.
    • 주형 사전 가열 과정에서 발생한 재(ash) 입자가 주형 내부에 부착됨 → 이는 최종 주조물 표면의 미세 기공 결함(pinhole defects) 발생 원인이 됨.
    • 실험 데이터와 비교했을 때, 입자 추적 시뮬레이션 결과가 높은 상관성을 보임.
  3. 주조 결함 분석 및 개선 가능성
    • 실험 결과, 주조물 상단(top row)에서 기공 결함이 가장 많음.
    • 이는 용탕 충진 시 난류(turbulent flow)와 산화물 혼입이 주요 원인으로 분석됨.
    • 용탕 충진 경로 및 주형 내부 표면 처리 방식을 개선하면 기공 결함을 30% 이상 줄일 수 있음.
  4. 실험과 시뮬레이션 비교 검증
    • FLOW-3D® 기반 시뮬레이션 결과와 실제 실험 데이터 간 80~90%의 상관 관계를 확인함.
    • 다만, 실험에서는 예상보다 더 많은 미세 기공이 발생함 → 이는 주형 내부 잔류 왁스(wax residue) 연소 영향 때문으로 추정됨.
    • 주형 사전 세척 및 표면 처리 개선이 필요함.

결론

  • 고속 쉘 건조 기술은 기존 방식 대비 건조 시간 단축 효과가 크지만, 기계적 강도 저하 문제 해결 필요.
  • FLOW-3D® OFEM 시뮬레이션을 활용하여 산화물 및 미세 기공 결함 원인을 효과적으로 분석 가능.
  • 실험 결과와 시뮬레이션이 높은 일치도를 보이며, 주조 결함 개선을 위한 설계 최적화 가능성 확인.
  • 향후 연구에서는 주형 표면 처리 및 용탕 충진 최적화를 추가적으로 고려해야 함.

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Welding

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 레이저 빔 진동 및 작은 입사각이 2219 알루미늄 합금 T 조인트의 기공 억제에 효과적.
    • 20° 입사각 DLBOW에서 기공률 0.26%로 기계적 특성 개선 및 기공 결함 감소.
    • FLOW-3D 시뮬레이션이 키홀 불안정성 및 기공 형성 메커니즘을 정량적으로 설명할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 용접 속도 및 레이저 출력 조건에서 기공 억제 메커니즘 추가 분석.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 기공 예측 모델 개발.
    • 산업 응용을 위한 최적화 설계 연구.

연구의 의의

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

Reference

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FLOW Vector

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

Reference

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FLOW-3D MESH

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

고압 다이캐스팅에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실 특성화

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Welding

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

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금 레이저 용접의 CFD 시뮬레이션

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

Reference

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Numerical-modelling

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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impulse wave

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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