RIKEN RIBF의 He-Gas 스트리퍼 및 회전 디스크 스트리퍼

He Gas Stripper and Rotating Disk Stripper at the RIKEN RIBF

理研 RI ビームファクトリーにおける He ガスと回転ディスクストリッパー

今尾浩士 *・長谷部裕雄 *

서론

우라늄 빔 등 중원소 빔의 대강도화는 다양한 단수명 원자핵을 생성·이용하고 우주에서의 원소 합성을 이해하기 위한 필수 과제이다. 중이온의 가속에 있어서는, 복수의 가속기를 이용하여, 고에너지까지 캐스케이드상으로 가속해 가지만, 효율적인 가속을 위해 도중의 하전 변환 과정은 필수 과정이라고 할 수 있다.

리켄 RI 빔팩토리(RIBF) 1)에서는 가장 무거운 우라늄 등의 가속에 있어서, 2회의 하전 변환을 실시하고 있다.

그러나 기존에 사용해 온 고정형 탄소막 스트리퍼 2)의 내구성은 대강화의 원리적 병목이며, 미국 FRIB 계획 3) 등을 포함한 차세대 RI 생성 시설의 공통 문제에서도 있었다. RIBF는 가스 4-7)과 회전형 디스크 8, 9)를 사용하여 고강도 우라늄을 견딜 수있는 스트리퍼를 개발했다.

RIBF에서 238U 빔의 가속도를 그림 1에 나타내었다. 28 GHz의 초전도 ECR 이온 소스 (10, 11)로 생성 및 선별 된 238U35 +는 입사기 RILAC2와 4 개의 링 사이클로트론 (RRC, fRC, IRC, SRC)을 사용하여 345 MeV / u까지 가속된다.

스트리퍼는 RRC 가속 후 11 MeV / u와 fRC 가속 후 51 MeV / u에서 두 번 사용된다. 첫 번째 단계는 He 가스 스트리퍼를 사용하며 U35 +에서 U64 +로 변환한다. 두 번째 단계는 회전 흑연 시트 디스크 스트리퍼이며 U64 +에서 U86 +로 변환한다.

중이온 스트리퍼는 총 열 부하, 파워 손실이라는 의미에서는 전혀 작지만, 특히 큰 것은 단위 길이 에너지 손실 dE/dx이며, 이에 특유의 어려움이 있다. 우라늄의 dE / dx는 특히 크고, 수 MeV / u-50 MeV / u 정도까지의 스트리퍼는 dE / dx가 크고 두께가 고체로서는 얇아지기 때문에 어렵다.

우리의 11 MeV / u에서의 목표 강도 10 pA는 dE / dx로 정규화 된 경우, 예를 들어 400 MeV의 양성자 빔이라면 500 mA라고 불리우는 강도에 해당한다. 또한 우라늄의 국부적 인 에너지 손실로 인한 비선형 피해도보고되었으며 상황은 더욱 심각하다.

예를 들어 제1 스트리퍼로 탄소막을 사용했을 경우, 1 µm 정도 이하의 박막을 사용하지 않을 수 없고, 취약성, 불균일성과의 싸움으로, 열 제거도 어렵다. 실제로 RIBF 초기에 사용 된 고정형 탄소막 2)에서는 우라늄 빔 20pnA 정도의 조사 강도에서도 사용 가능 시간은 반일 정도였다. 그런 다음 두 번째 스트리퍼에서도 비슷한 상황이 발생했다.

현재 사용하고 있는 He 가스 스트리퍼와 회전형 그라파이트 디스크 스트리퍼는 당시의 약 100배의 강도라도 사용 시간을 거의 신경쓸 필요가 없을 정도의 내구성을 가지고 있다.

본 논문에서는 He 가스 스트리퍼와 회전형 스트리퍼에 대해 개요와 고출력 표적으로서의 측면을 중심으로 설명한다.

図1 He ガスと回転ディスクストリッパーを用いた現在の RIBF ウラン加速スキーム．

図5 オリフィスから噴出する He のマッハ数の CFD 計算（Solidworks flow simulation）.

図6 238U ビームによる He ガス温度上昇の実験値と計算値の比較．実験値は輸送条件の異なる幾つかの RUN のデータをプロットしている．

図7 マクロパルスの長さと周期を変えた時のΔt の変化（上）とマクロパルスの構造（下）．

図10 2 次元ラバール式ノズルによるガスジェットカーテンの計算例（Solidworks flow simulation）．図はマッハ数のプロットである．

References

1) Y. Yano: Nucl. Instrum. Methods 261, 1009 (2007).
2) ACF-Metals Arizona Carbon Foil Co. Inc.: http://www.
techexpo.com/firms/acf-metl.html
3) J. Wei et al.: “Progress towards the Facility for Rare Isotope Beams,” in Proceedings of 2013 North American
Particle Accelerator Conference (NA-PAC’13), Pasadena,
CA, U.S.A., September 2013, pp. 1453–1457.
4) H. Kuboki, H. Okuno, S. Yokouchi, H. Hasebe, T. Kishida,
N. Fukunishi, O. Kamigaito, A. Goto, M. Kase and Y.
Yano: Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams 13, 093501
(2010).
5) H. Okuno, N. Fukunishi, A. Goto, H. Hasebe, H. Imao, O.
Kamigaito, M. Kase, H. Kuboki, Y. Yano, S. Yokouchi and
A. Hershcovitch: Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams 14,
033503 (2011).
6) H. Imao, H. Okuno, H. Kuboki, S. Yokouchi, N. Fukunishi,
O. Kamigaito, H. Hasebe, T. Watanabe, Y. Watanabe, M.
Kase and Y. Yano: Phys. Rev. Spec. Top. Accel. Beams
15, 123501 (2012).
7) H. Imao et al.: “R&D of Helium Gas Stripper for Intense
Uranium Beams,” in Proceedings of the Twentieth International Conference on Cyclotrons and their Applications
(CYC2013), Vancouver, BC, Canada, September 2013, pp.
265–268.
8) H. Hasebe, H. Okuno, A. Tatami, M. Tachibana, M. Murakami, H. Kuboki, H. Imao, N. Fukunishi, M. Kase and O.
Kamigaito: AIP Conf. Proc. 1962, 030004 (2018).
9) H. Hasebe, H. Okuno, A. Tatami, M. Tachibana, M. Murakami, H. Imao, N. Fukunishi, M. Kase and O. Kamigaito:
EPJ Web of Conferences 229, 01004 (2020).
10) T. Nakagawa, M. Kidera, Y. Higurashi, J. Ohonishi, A.
Goto and Y. Yano: Rev. Sci. Instrum. 79, 02A327 (2008).
11) Y. Higurashi, J. Ohnishi, K. Ozeki, M. Kidera and T. Nakagawa: Rev. Sci. Instrum. 85, 02A953 (2014).
12) 小山亮，内山暁仁，今尾浩士，渡邉環：RIBF にお
けるシステム統合のためのガスストリッパー制御の
更新，PASJ2019, FRPH003 (2019).
13) H. Imao et al.: “Development of gas stripper at RIBF,” in
Proceedings of the 9th International Particle Accelerator
Conference (IPAC2018), Vancouver, BC, Canada, April
2018, pp. 41–46.
14) A. Akashio, K. Tanaka, H. Imao and Y. Uwamino: EPJ
Web of Conferences 153, 01022 (2017).
15) H. Imao et al.: “Charge Stripper Ring for Cyclotron
Cascade,” in Proceedings of the Twenty-first International Conference on Cyclotrons and their Applications
(CYC2016), Zurich, Switzerland, September 2016, pp.
155–159.
16) H. Imao: JINST 15, P12036 (2020).
17) H. Kuboki, H. Okuno, A. Hershcovitch, T. Dantsuka, H.
Hasebe, K. Ikegami, H. Imao, O. Kamigaito, M. Kase,
T. Maie, T. Nakagawa and Y. Yano: J. Radioanal. Nucl.
Chem. 299, 1029 (2014).
18) N. Ikoma, Y. Miyake, M. Takahashi, H. Okuno, S. Namba,
K. Takahashi, T. Sasaki and T. Kikuchi: Rev. Sci. Instrum. 91, 053503 (2020).
19) H. Ryuto, H. Hasebe, N. Fukunishi, S. Yokouchi, A. Goto,
M. Kase and Y. Yano: Nucl. Instrum. Methods Phys. Res.
A 569, 697 (2006).
20) H. Hasebe, H. Okuno, H. Kuboki, H. Imao, N. Fukunishi, M.
Kase and O. Kamigaito: J. Radioanal. Nucl. Chem. 305,
825 (2015).
21) Crystal Optics Inc.: http://www.crystal-opt.co.jp.
22) TANKEN SEAL SEIKO Co., LTD.: http://www.tanken
seal.co.jp.
23) Kaneka Corporation: http://www.elecdiv.kaneka.co.jp.
24) H. Hasebe, H. Okuno, H. Imao, N. Fukunishi, M. Kase and
O. Kamigaito: Proceedings of the 16th annual meeting of
PASJ, p. 9 (2019).
25) A. Tatami, Y. Kawashima, M. Murakami, K. Murashima
and M. Tachibana: Proceedings of the 14th annual meeting of PASJ, p. 159 (2017).

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Figure 10 | Contour lines of the static pressure (Pa) for the standard form of the stepped spillway with discharge of 60 liters/second.

스키밍 흐름 영역에서 계단형 여수로의 수리 성능에 대한 삼각형 프리즘 요소의 영향: 실험 연구 및 수치 모델링

The effect of triangular prismatic elements on the hydraulic performance of stepped spillways in the skimming flow regime: an experimental study and numerical modeling

Kiyoumars Roushangar; Samira Akhgar; Saman Shahnazi

계단식 여수로는 댐의 여수로 위로 흐르는 큰 물의 에너지를 분산시키는 비용 효율적인 유압 구조입니다. 이 연구에서는 삼각주형 요소(TPE)가 계단식 배수로의 수력 성능에 미치는 영향에 초점을 맞췄습니다. 9개의 계단식 배수로 모델이 TPE의 다양한 모양과 레이아웃으로 실험 및 수치적으로 조사되었습니다. 적절한 난류 모델을 채택하려면 RNG k – ε 및 표준 k – ε모델을 활용했습니다. 계산 모델 결과는 계단 표면의 속도 분포 및 압력 프로파일을 포함하여 실험 사례의 계단 여수로에 대한 복잡한 흐름을 만족스럽게 시뮬레이션했습니다. 결과는 계단식 여수로에 TPE를 설치하는 것이 캐비테이션 효과를 줄이는 효과적인 방법이 될 수 있음을 나타냅니다. 계단식 여수로에 TPE를 설치하면 에너지 소실률이 최대 54% 증가했습니다. 계단식 배수로의 성능은 TPE가 더 가깝게 배치되었을 때 개선되었습니다. 또한, 실험 데이터를 이용하여 거칠기 계수( f )와 임계 깊이 대 단차 거칠기( yc / k )의 비율 사이의 관계를 높은 정확도로 얻었다.

Keywords

energy dissipation, Flow-3D, roughness coefficient, stepped spillway, triangular prismatic elements

에너지 소산 , Flow-3D , 거칠기 계수 , 계단식 배수로 , 삼각형 프리즘 요소

Figure 1 | General schematics of laboratory flume facilities.

Figure 2 | Different layouts of the selected TPE in the experimental study (y1 and y2 are initial, and sequent depths of hydraulic jump).

Figure 3 | Geometry and alignment of TPE in the numerical study.

Figure 5 | Comparison of turbulence models in Flow-3D.

Figure 6 | Sequent water depths versus unit flow rate in standard stepped spillways and stepped spillways with triangular TPEs of types A and B.

Figure 7 | Energy dissipation for the standard stepped spillway and the stepped spillway with TPEs.

Figure 8 | Positions of measurement points to investigate the pressure and velocity distributions on the stepped spillway

Figure 9 | Velocity distributions on the vertical surface of step number 4.

Figure 11 | Pressure distribution on the vertical surface of the fourth step.

Figure 12 | Horizontal profile of the pressure distribution on the floor of step 4.

Figure 13 | Roughness coefficient changes with various unit discharges for stepped spillways.

Figure 14 | Variations of sequent depth of downstream with various unit discharges for stepped spillways.

Figure 15 | Energy dissipation rate changes with various unit discharges for different stepped spillways.

Figure 16 | Roughness coefficients (f ) versus the critical depth to the step roughness ratio (yc/K).

REFERENCES

Abbasi, S. & Kamanbedast, A. A. 2012 Investigation of effect of changes in dimension and hydraulic of stepped spillways for maximization
energy dissipation. World Applied Sciences Journal 18 (2), 261–267.
Arjenaki, M. O. & Sanayei, H. R. Z. 2020 Numerical investigation of energy dissipation rate in stepped spillways with lateral slopes using
experimental model development approach. Modeling Earth Systems and Environment 1–12.
Attarian, A., Hosseini, K., Abdi, H. & Hosseini, M. 2014 The effect of the step height on energy dissipation in stepped spillways using
numerical simulation. Arabian Journal for Science and Engineering 39 (4), 2587–2594.
Azhdary Moghaddam, M. 1997 The Hydraulics of Flow on Stepped Ogee-Profile Spillways. Doctoral Dissertation, University of Ottawa,
Canada.
Bakhtyar, R. & Barry, D. A. 2009 Optimization of cascade stilling basins using GA and PSO approaches. Journal of Hydroinformatics 11 (2),
119–132.
Barani, G. A., Rahnama, M. B. & Sohrabipoor, N. 2005 Investigation of flow energy dissipation over different stepped spillways. American
Journal of Applied Sciences 2 (6), 1101–1105.
Boes, R. M. & Hager, W. H. 2003 Hydraulic design of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering 129 (9), 671–679.
Chamani, M. R. & Rajaratnam, N. 1994 Jet flow on stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering 120 (2), 254–259.
Chanson, H. 1994 Comparison of energy dissipation between nappe and skimming flow regimes on stepped chutes. Journal of Hydraulic
Research 32 (2), 213–218.
Felder, S., Guenther, P. & Chanson, H. 2012 Air-Water Flow Properties and Energy Dissipation on Stepped Spillways: A Physical Study of
Several Pooled Stepped Configurations. No. CH87/12. School of Civil Engineering, The University of Queensland.
Harlow, F. H. & Nakayama, P. I. 1968 Transport of Turbulence Energy Decay Rate. No. LA-3854. Los Alamos Scientific Lab, N. Mex.
Hekmatzadeh, A. A., Papari, S. & Amiri, S. M. 2018 Investigation of energy dissipation on various configurations of stepped spillways
considering several RANS turbulence models. Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering 42 (2),
97–109.
Henderson, F. M. 1966 Open Channel Flow. MacMillan Company, New York.
Kavian Pour, M. R. & Masoumi, H. R. 2008 New approach for estimating of energy dissipation over stepped spillways. International Journal
of Civil Engineering 6 (3), 230–237.
Li, S., Li, Q. & Yang, J. 2019 CFD modelling of a stepped spillway with various step layouts. Mathematical Problems in Engineering.
Li, S., Yang, J. & Li, Q. 2020 Numerical modelling of air-water flows over a stepped spillway with chamfers and cavity blockages. KSCE
Journal of Civil Engineering 24 (1), 99–109.
Moghadam, M. K., Amini, A. & Moghadam, E. K. 2020 Numerical study of energy dissipation and block barriers in stepped spillways. Journal
of Hydroinformatics.
Morovati, K., Eghbalzadeh, A. & Javan, M. 2016 Numerical investigation of the configuration of the pools on the flow pattern passing over
pooled stepped spillway in skimming flow regime. Acta Mechanic Journal 227, 353–366.
Parsaie, A. & Haghiabi, A. H. 2019 The hydraulic investigation of circular crested stepped spillway. Flow Measurement and Instrumentation
70, 101624.
Peng, Y., Zhang, X., Yuan, H., Li, X., Xie, C., Yang, S. & Bai, Z. 2019 Energy dissipation in stepped spillways with different horizontal face
angles. Energies 12 (23), 4469.
Roushangar, K., Foroudi, A. & Saneie, M. 2019 Influential parameters on submerged discharge capacity of converging ogee spillways based
on experimental study and machine learning-based modeling. Journal of Hydroinformatics 21 (3), 474–492.
Sarkardeh, H., Marosi, M. & Roshan, R. 2015 Stepped spillway optimization through numerical and physical modeling. International Journal
of Energy and Environment 6 (6), 597.
Shahheydari, H., Nodoshan, E. J., Barati, R. & Moghadam, M. A. 2015 Discharge coefficient and energy dissipation over stepped spillway
under skimming flow regime. KSCE Journal of Civil Engineering 19 (4), 1174–1182.
Tabari, M. M. R. & Tavakoli, S. 2016 Effects of stepped spillway geometry on flow pattern and energy dissipation. Arabian Journal for Science
and Engineering 41 (4), 1215–1224.
Toombes, L. & Chanson, H. 2000 Air-water flow and gas transfer at aeration cascades: a comparative study of smooth and stepped chutes. In
Proceedings of the International Workshop on Hydraulics of Stepped Spillways, Zurich, Switzerland, pp. 22–24.
Torabi, H., Parsaie, A., Yonesi, H. & Mozafari, E. 2018 Energy dissipation on rough stepped spillways. Iranian Journal of Science and
Technology, Transactions of Civil Engineering 42 (3), 325–330.
Wüthrich, D. & Chanson, H. 2014 Hydraulics, air entrainment, and energy dissipation on a Gabion stepped weir. Journal of Hydraulic
Engineering 140 (9), 04014046.
Yakhot, V. & Orszag, S. A. 1986 Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. Journal of Scientific Computing 1 (1), 3–51.
Yakhot, V. & Smith, L. M. 1992 The renormalization group, the ɛ-expansion and derivation of turbulence models. Journal of Scientific
Computing 7 (1), 35–61.

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Figure 13 | Velocity vector for flow condition Q¼22 l/s, Near surface.

Experimental and numerical study of flow at a 90 degree lateral turn-out with enhanced roughness coefficient and invert elevation changes

조도 계수 및 역 고도 변화가 향상된 90도 측면 회전에서 유동의 실험 및 수치 연구

Maryam Bagheria, Seyed M. Ali Zomorodianb, Masih Zolghadrc, H. MD. Azamathulla d,*
and C. Venkata Siva Rama Prasade
^a Hydraulic Structures, Department of Water Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
^bDepartment of Water Engineering, College of Agriculture, Shiraz University, Shiraz, Iran
^cDepartment of Water Sciences Engineering, College of Agriculture, Jahrom University, Jahrom, Iran
dCivil & Environmental Engineering, The University of the West Indies, St. Augustine Campus, Port of Spain, Trinidad
eDepartment of Civil Engineering, St. Peters Engineering College, Hyderabad, India
*Corresponding author. E-mail: azmatheditor@gmail.com

ABSTRACT

Flow separation at the upstream side of the lateral turnouts (intakes) is a critical issue causing eddy currents at the turn-out entrance. It reduces the effective width of flow, turn-out capacity and efficiency.

Therefore, it is essential to identify the dimensions of the separation zone and propose remedies to reduce its dimensions. Installation of 7 types of roughening elements at the turn-out entrance and 3 different bed level inverts, with 4 different discharges (total of 84 experiments) were examined in this study as a method to reduce the dimensions of
the separation zone.

Additionally, a 3-D Computational Fluid Dynamic (CFD) model was utilized to evaluate the flow pattern and dimensions of the separation zone. Results showed that enhancing the roughness coefficient can reduce the separation zone dimensions up to 38% while the drop implementation effect can scale down this area differently based on the roughness coefficient used. Combining both methods can reduce the separation zone dimensions up to 63%.

측면 분기기(흡입구)의 상류 측에서 흐름 분리는 분기기 입구에서 와류를 일으키는 중요한 문제입니다. 이는 흐름의 유효 폭, 턴아웃 용량 및 효율성을 감소시킵니다. 따라서 분리지대의 크기를 파악하고 크기를 줄이기 위한 방안을 제시하는 것이 필수적이다.

이 연구에서는 분리 구역의 치수를 줄이기 위한 방법으로 4가지 다른 배출(총 84개 실험)과 함께 7가지 유형의 조면화 요소를 출구 입구에 설치하고 3가지 서로 다른 베드 레벨 반전 장치를 조사했습니다.

또한 3D CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델을 사용하여 분리 영역의 흐름 패턴과 치수를 평가했습니다. 결과는 거칠기 계수를 향상시키면 분리 영역 치수를 최대 38%까지 줄일 수 있는 반면 드롭 구현 효과는 사용된 거칠기 계수를 기반으로 이 영역을 다르게 축소할 수 있음을 보여주었습니다.

두 가지 방법을 결합하면 분리 영역 치수를 최대 63%까지 줄일 수 있습니다.

Key words

discharge ratio, flow separation zone, intake, three dimensional simulation

Experimental and numerical study of flow at a 90 degree lateral turn-out with enhanced roughness coefficient and invert elevation changes

Figure 3 | Effect of roughness on separation zone dimensions

Figure 4 | Effect of roughness on separation zone dimensions.

Figure 5 | Comparison of separation zone for n¼0.023 and n¼0.032.

Figure 6 | Effect of drop implementation on separation zone dimensions

Figure 7 | Combined effect of roughness and drop on separation zone dimensions

Figure 8 | Non- dimensional Length of separation zone (Lr) variations against relative unit discharge per width (qr) in present study compared with other methods.

Figure 9 | Velocity profiles for various roughness coefficients along turn-out width.

Figure 10 | Effect of roughness on sepration zone dimensions in numerical study

Figure 11 | Comparision of the vortex area (software output) with three roughness (0.009, 0.023 and 0.032).

Figure 12 | Comparison of vortex area in 3D mode (tecplot output) with two roughness (a) 0.009 and (b) 0.032

Figure 14 | Exprimental and numerical measured velocity.

REFERENCES

Abbasi, A., Ghodsian, M., Habibi, M. & Salehi Neishabouri, S. A. 2004 Experimental investigation on dimensions of flow separation zone at
lateral intakeentrance. Research & Construction; Pajouhesh va Sazandegi (in Persian) 62, 38–44.
Al-Zubaidy, R. & Hilo, A. 2021 Numerical investigation of flow behavior at the lateral intake using Computational Fluid Dynamics (CFD).
Materials Today: Proceedings. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.11.172.
Jalili, H., Hosseinzadeh Dalir, A. & Farsadizadeh, D. 2011 Effect of intake geometry on the sediment transport and flow pattern at lateral.
Iranian Water Research Journal(InPersian) 5 (9), 1–10.
Jamshidi, A., Farsadizadeh, D. & Hosseinzadeh Dalir, A. 2016 Variations of flow separation zone at lateral intakes entrance using submerged
vanes. Journal of Civil Engineering Urban 6 (3), 54–63. Journal homepage. Available from: www.ojceu.ir/main.
Karami Moghaddam, K. & Keshavarzi, A. 2007 Investigation of flow structure in lateral intakes 55° and 900
° with rounded entrance edge.
In: 03 National Congress on Civil Engineering University of Tabriz. (In Persian). Available from: https://civilica.com/doc/16317.
Karami, H., Farzin, S., Sadrabadi, M. T. & Moazeni, H. 2017 Simulation of flow pattern at rectangular lateral intake with different dike and
submerged vane scenarios. Journal of Water Science and Engineering 10 (3), 246–255. https://doi.org/10.1016/j.wse.2017.10.001.
Kasthuri, B. & Pundarikanthan, N. V. 1987 Discussion on separation zone at open- channel junction. Journal of Hydraulic Engineering
113 (4), 543–548.
Keshavarzi, A. & Habibi, L. 2005 Optimizing water intake angle by flow separation analysis. Journal of Irrigation and Drain 54, 543–552.
https://doi.org/10.1002/ird.207.
Kirkgöz, M. S. & Ardiçlioğ
lu, M. 1997 Velocity profiles of developing and developed open channel flow. Journal of Hydraulic Engineering
1099–1105. 10.1061/(ASCE)0733-9429(1997)123:12(1099).
Nakato, T., Kennedy, J. F. & Bauerly, D. 1990 Pumpstation intake-shoaling control with submerge vanes. Journal of Hydraulic Engineering.
https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1990)116:1(119).

Neary, V. S., Sotiropoulos, F. & Odgaard, A. J. 1999 Three-dimensional numerical model of lateral-intake in flows. Journal of Hydraulic
Engineering. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1999)125:2(126).
Nikbin, S. & Borghei, S. M. 2011 Experimental investigation of submerged vanes effect on dimensions of flow separation zone at 90°
openchannel junction. In: 06rd National Congress on Civil Engineering University of Semnan. (In Persian). Available from: https://
civilica.com/doc/120494.
Odgaard, J. A. & Wang, Y. 1991 Sediment management with submerged vanes, I: theory. Journal of Hydraulic Engineering 117 (3), 267–283.
Ouyang, H. T. 2009 Investigation on the dimensions and shape of a submerged vane for sediment management in alluvial channels. Journal of
Hydraulic Engineering. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2009)135:3(209).
Ramamurthy, A. S., Junying, Q. & Diep, V. 2007 Numerical and experimental study of dividing open-channel flows. Journal of Hydraulic
Engineering. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2007)133:10(1135).
Samimi Behbahan, T. 2011 Laboratory investigation of submerged vane shapes effect on river banks protection. Australian Journal of Basic
and Applied Sciences 5 (12), 1402–1407.
Seyedian, S., Karami Moghaddam, K. & Shafai Begestan, M. 2008 Determine the optimal radius in lateral intakes 55° and 90° using variation
of flow velocity. In: 07th Iranian Hydraulic Conference. Power & Water University of Technology (PWUT) (in Persian). Available from:
https://civilica.com/doc/56251.
Zolghadr, M. & Shafai Bejestan, M. 2020 Six legged concrete (SLC) elements as scour countermeasures at wing wall bridge abutments.
International Journal of River Basin Management. doi: 10.1080/15715124.2020.1726357.
Zolghadr, M., Zomorodian, S. M. A., Shabani, R. & Azamatulla Md., H. 2020 Migration of sand mining pit in rivers: an experimental,
numerical and case study. Measurement. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2020.108944.

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Figura 1. Parámetros del medidor Palmer-Bowlus

Three-Dimensional Numerical Modeling of the Palmer-Bowlus Measuring Flume Applying the FLOW-3D Software.

TOAPAXI-ALVAREZ*, Jorge; SILA-BASTIDA, Roberto TORRES-JACOBOWITZ, Cristina.

The Palmer-Bowlus flume was developed in 1936, as an adaptation of the Venturi flume for the use in sewer systems, due to the difficulty in modifying the pipe invert. There are commercially available single-body Palmer-Bowlus flume with their respective discharge curves, which increase the cost of sewer projects. Based on the physical model of the Palmer-Bowlus flume (Torres & Vásquez, 2010), the aim of this research was to carry out the three-dimensional numerical modeling of these flow meters, considering four pipe diameters: 160 mm, 200 mm, 250 mm and 400 mm; the selected diameters are the most used ones, according to the information provided by the Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Saneamiento de Quito (EPMAPS). The discharge curves were calibrated and validated using the FLOW-3D program. Meshing had a great influence on the quality results and duration of the numerical simulation; in contrast, the roughness and turbulence models (RNG y k-e) had little influence. The discharge curves obtained in the numerical modeling have good approximation to those obtained in the physical model.

Palmer-Bowlus 수로는 1936년에 하수도 시스템에 사용하기 위해 Venturi 수로를 개조한 것으로 파이프 인버트를 수정하는 것이 어렵기 때문에 개발되었습니다. 각각의 배출 곡선이 있는 시판되는 단일 몸체 Palmer-Bowlus 수로가 있으며, 이는 하수도 프로젝트 비용을 증가시킵니다.

Palmer-Bowlus 수로의 물리적 모델을 기반으로(Torres & Vásquez, 2010), 이 연구의 목적은 160mm, 200mm, 4개의 파이프 직경을 고려하여 이러한 유량계의 3차원 수치 모델링을 수행하는 것이었습니다. 250mm 및 400mm; Empresa Pública Metropolitana de Agua Potable y Sanaeamiento de Quito(EPMAPS)에서 제공한 정보에 따르면 선택한 지름이 가장 많이 사용되는 지름입니다.

방전 곡선은 FLOW-3D 프로그램을 사용하여 보정 및 검증되었습니다. 메싱은 수치 시뮬레이션의 품질 결과와 기간에 큰 영향을 미쳤습니다. 대조적으로, 거칠기 및 난류 모델(RNG y k-e)은 거의 영향을 미치지 않았습니다. 수치 모델링에서 얻은 방전 곡선은 물리적 모델에서 얻은 것과 유사합니다.

Figura 2. Diagrama de flujo de la modelación del medidor Palmer-Bowlus en FLOW-3D

Figura 3. Captura de pantalla del modelo numérico Q=22.047( 𝑙 𝑠 ), Ho=20.038 cm

REFERENCIAS

Aulestia, C. (2017). Modelación numérica en tres dimensiones de flujo en
las compuertas de la captación del Proyecto Toachi – Pilatón
aplicando dinámica de fluidos computacional (CFD). [Tesis
Maestría]. Quito, Ecuador: Escuela Politécnica Nacional.
Casa, E. (2016). Modelación numérica del flujo rasante en una rápida
escalonada aplicando la dinámica de fluidos computacional
(CFD) Programa FLOW-3D. [Tesis maestría]. Quito, Ecuador:
Escuela Politécnica Nacional.
Chow, V. T. (2004). Hidráulica de canales abiertos (Primera ed.). (J.
Saldarriaga, Trad.) Santafé de Bogotá, Colombia: McGrawHill.
Domínguez, F. (1999). Hidráulica (Sexta Edición ed.). Santiango de Chile,
Chile: Editorial Universitaria.
Fernández, J. (2012). Introducción a la dinámica de fluidos computacional
(CFD) por el método de volúmenes finitos. Barcelona: Editorial
Reverté, S.A.
Flow Science, Inc. (2016). Flow-3D v11.2 Documentation. Flow Science,
Inc. Santa Fe: Flow Science.
Ludwig, J., & Ludwig, R. (1951). Design of Palmer-Bowlus Flumes.
Sewafe and Insdustrial Wastes, 23(9), 1096-1107. Obtenido de
https://www.jstor.org/stable/25031687
Recasens, J. (2014). Modelación tridimensional del glujo de entrada en un
sumidero. Barcelona: UPC BARCELONATECH.
Sotelo, G. (1997). Hidráulica General Vol. 1. México D.F.: LIMUSA S.A.
Torres, C., & Vásquez, E. (2010). Análisis de medidores de caudal para
flujo subcrítico en sistemas de alcantarillado. [Tesis
ingeniería]. Quito, Ecuador: Escuela Politécnica Nacional.
Versteeg, H. K., & Malalasekera, W. (1995). An Introduction to
computational fluid dynamics – The finite volume method. New
York: John Wiley & Sons.

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Figure 2 Idea and details of T-shaped weir.

Introducing the T-shaped weir: a new nonlinear weir

Behzad Noroozi; Jalal Bazargan; Akbar Safarzadeh

Abstract

본 연구에서는 LW(Labyrinth Weir)와 PKW(Piano Key Weir)가 결합된 T자형 웨어(TSW)라는 새로운 비선형 웨어를 도입하여 수압 성능을 비교하였다.

PKW. 입구 키, 출구 키 또는 두 키 모두에서 수직 벽의 존재에 따라 TSW 위어는 각각 A, B 또는 C 유형 웨어로 분류되었습니다. 다른 TSW 사례의 흐름 패턴을 분석하고 배출 계수 곡선을 제공했습니다. 또한 테스트된 둑의 유체역학을 정확하게 연구하기 위해 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 3D 수치 시뮬레이션을 수행했습니다.

결과는 출구 키(C-TSW 유형)의 상류에 수직 벽을 삽입하는 것이 PKW의 유압 성능에 미미한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. B-TSW의 토출계수는 PKW 대비 최대 16% 증가하였으며, Ht/p 0.45까지 수직벽의 성능향상 효과 증가 B-TSW는 유지되었습니다.

실험적 및 수치적 실험을 통해 가장 높은 방전 용량을 갖는 B-TSW에서 수직벽의 최적 높이비(Pd/P)는 0.4로 결정되었다.

In the present study, a new nonlinear weir called the T-shaped weir (TSW), which is a combination of the labyrinth weir (LW) and the piano key weir (PKW), was introduced, and its hydraulic performance was compared with the PKW. Based on the presence of the vertical walls at the inlet key, outlet key, or both keys, the TSW weirs were classified as type A, B, or C weirs, respectively. The flow pattern of different TSW cases was analyzed, and the discharge coefficient curves were provided. Furthermore, to accurately study the hydrodynamics of the tested weirs, 3D numerical simulations were performed using the FLOW-3D software. The results showed that inserting a vertical wall at the upstream of the outlet keys (C-TSW type) has a negligible effect on the hydraulic performance of the PKW. A maximum increase of 16% occurred in the discharge coefficient of the B-TSW in comparison to the PKW, and up to a head to height ratio (H_t/p) of 0.45, the effect of the vertical wall on increasing the performance of the B-TSW was maintained. Based on the experimental and numerical tests, the optimal height ratio of the vertical wall (P_d/P) in B-TSW with highest discharge capacity was determined to be equal to 0.4.

HIGHLIGHTS

Listen

A new nonlinear weir called the T-shaped weir (TSW), which is a combination of the labyrinth weir (LW) and the piano key weir (PKW), is introduced.
To investigate the hydrodynamics of the tested weirs in more detail, 3D numerical models are developed on the CFD-software FLOW-3D.
By testing different vertical wall sizes, the optimal size of the vertical wall is determined for B-TSW weir.

Keywords

discharge coefficient, labyrinth weir, local submergence, piano key weir, T-shaped weir

Figure 19. Water surface profile at the middle part of the inlet key for H/P = 0.4.

Figure 21 Transverse water surface profile in the outlet key of tested weirs for H/P = 0.4.

REFERENCES

Anderson R. M. & Tullis B. P. 2011 Influence of Piano Key Weirs Geometry on Discharge. In Labyrinth and Piano Key Weirs – PKW 2011. CRC Press, Leiden, pp. 75–80.

Anderson R. M. & Tullis B. P. 2012 Comparison of piano key and rectangular labyrinth weir hydraulics. Journal of Hydraulic Engineering 138 (4), 358–361.

Azamathulla H. M., Haghiabi A. H. & Parsaie A. 2016 Prediction of side weir discharge coefficient by support vector machine technique. Water Science and Technology: Water Supply 16 (4), 1002–1016.

Bremer F. L. & Oertel M. 2017 Numerical investigation of wall thickness influence on Piano key Weir discharge coefficients: A preliminary study. In Labyrinth and Piano Key Weirs III – PKW 2017. CRC Press, London, UK, pp. 101–108.

Cicero G. M., Delisle J. R., Lefebvre V. & Vermeulen J. 2013 Experimental and Numerical Study of the Hydraulic Performance of A Trapezoidal PKW. In Labyrinths and Piano Key Weirs PKW 2013. CRC Press, Boca Raton, FL, pp. 265–272.

Crookston B. & Tullis B. 2012 Labyrinth Weirs: Nappe interference and local submergence. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 138 (8), 757–765.

Crookston B., Anderson R. M. & Tullis B. P. 2017 Free-flow discharge estimation method for piano key weir geometries. Journal of Hydro-Environment Research 19, 60–167.

Ghasemlounia R. & Saghebian S. M. 2021 Uncertainty assessment of kernel based approaches on scour depth modeling in downstream of ski-jump bucket spillways. Water Supply 21 (5), 2333–2346. doi:10.2166/ws.2021.063.

Kabiri-Samani A. & Javaheri A. 2012 Discharge coefficients for free and submerged flow over piano key weirs. Journal of Hydraulic Research 50 (1), 114–120.

Lefebvre V., Vermeulen J. & Blancher B. 2013 Influence of Geometrical Parameters on PK-Weirs Discharge with 3D Numerical Analysis. In: Labyrinth and Piano key Weirs II – PKW 2013. CRC Press, London, pp. 49–56.

Lempérière F. & Ouamane A. 2003 The piano keys weir: a new cost-effective solution for spillways. International Journal on Hydropower & Dams 10 (5), 144–149.

Machiels O., Erpicum S., Archambeau P., Dewals B. J. & Pirotton M. 2011 Influence of piano key weir height on its discharge capacity. In Proc. Int. Conf. Labyrinth and Piano Key Weirs Liège B, pp. 59–66.

Machiels O., Pirotton M., Pierre A., Dewals B. & Erpicum S. 2014 Experimental parametric study and design of piano key weirs. Journal of Hydraulic Research 52 (3), 326–335.

Parsaie A., Azamathulla H. M. & Haghiabi A. H. 2018 Prediction of discharge coefficient of cylindrical weir-gate using GMDH-PSO. ISH Journal of Hydraulic Engineering 24 (2), 116–123.

Paxson G. & Savage B. 2006 Labyrinth spillways: comparison of two popular USA design methods and consideration of non-standard approach conditions and geometries. Division of Civil Engineering, p.37.

Pourshahbaz H., Abbasi S., Pandey M., Pu J. H., Taghvaei P. & Tofangdar N. 2020 Morphology and hydrodynamics numerical simulation around groynes. ISH Journal of Hydraulic Engineering 1–9.

Pralong J., Vermeulen J., Blancher B., Laugier F., Erpicum S., Machiels O., Pirotton M., Boillat J.-L., Leite Ribeiro M. & Schleiss A. 2011a A naming convention for the Piano Key Weirs geometrical parameters. In Labyrinth and Piano key Weirs – PKW 2011. CRC Press, London, pp. 271–278.

Pralong J., Montarros F., Blancher B. & Laugier F. 2011b A sensitivity analysis of Piano Key Weirs geometrical parameters based on 3D numerical modelling. In Labyrinth and Piano key Weirs – PKW 2011. CRC Press, London, pp. 133–139.

Ribeiro M. L., Bieri M., Boillat J. L., Schleiss A., Delorme F. & Laugier F. 2009 Hydraulic capacity improvement of existing spillways–design of a piano key weir. In Proceedings (on CD) of the 23rd Congress of the Int. Commission on Large Dams CIGB-ICOLD, Brasilia, Vol. 2, No. CONF, pp. 100–118.

Ribeiro M. L., Pfister M., Schleiss A. J. & Boillat J. L. 2012 Hydraulic design of A-type piano key weirs. Journal of Hydraulic Research 50 (4), 400–408.

Roache P. 1994 Perspective: a method for uniform reporting of grid refinement studies. Journal of Fluids Engineering 116 (3), 405–413.

Safarzadeh A. & Mohajeri S. H. 2018 Hydrodynamics of rectangular broad-crested porous weirs. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 144 (10), 04018028.

Safarzadeh A. & Noroozi B. 2014 Three dimensional hydrodynamics of arced piano key spillways. Journal of Hydraulics 9 (3), 61–79.

Safarzadeh A. & Noroozi B. 2017 3D hydrodynamics of trapezoidal piano key spillways. International Journal of Civil Engineering 15 (1), 89–101.

Safarzadeh A., Zaji A. H. & Bonakdari H. 2017 Comparative assessment of the hybrid genetic algorithm–artificial neural network and genetic programming methods for the prediction of longitudinal velocity field around a single straight groyne. Applied Soft Computing 60, 213–228.

Tullis B. P., Young J. C. & Chandler M. A. 2007 Head-discharge relationships for submerged labyrinth weirs. Journal of Hydraulic Engineering 133 (3), 248–254.

Xinlei G., Zhiping L., Tao Wang H., Jiazhen L., Qingfu X. & Yongxin G. 2019 Discharge capacity evaluation and hydraulic design of a piano key weir. Water Supply 19 (3), 871–878.

Zahiri A., Azamathulla H. M. & Bagheri S. 2013 Discharge coefficient for compound sharp crested side weirs in subcritical flow conditions. Journal of Hydrology 480, 162–166.

Zahiri A., Tang X. & Azamathulla H. M. 2014 Mathematical modeling of flow discharge over compound sharp-crested weirs. Journal of Hydro-Environment Research 8 (3), 194–199.

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Fig. 4. Numerical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; (d) Juam-1; (e) Andong-3; (f) Imha-2; (g) Imha-3; and (h) Juam-3.

Interference of Dual Spillways Operations

Jai Hong Lee, Ph.D., P.E., M.ASCE; Pierre Y. Julien, Ph.D., M.ASCE; and Christopher I. Thornton, Ph.D., P.E., M.ASCE

FULL TEXT

Abstract

이중 여수로 간섭은 여수로가 서로 가깝게 배치될 때 수압 성능의 손실을 나타냅니다. 배수로 간섭은 물리적 실험과 수치 시뮬레이션을 모두 사용하여 조사됩니다.

이중 여수로 구성의 4개 물리적 모델의 단계 및 배출 측정값을 한국의 4개 댐 부지에서 Flow-3D 계산 결과와 비교합니다.

두 개의 배수로를 함께 사용하는 것을 각 배수로의 단일 작동과 비교합니다. 두 여수로를 동시에 운영할 경우 두 여수로를 통한 총 유량은 최대 7.6%까지 감소합니다.

간섭 계수는 단계 He가 설계 단계 Hd를 초과하고 두 배수로를 분리하는 거리 D가 배수로 너비 W에 비해 짧을 때 가장 중요합니다. 매개변수 DHd/WHe는 계산 및 측정된 간섭 계수와 매우 잘 관련됩니다.

안동댐 설계방류에 대한 홍수경로 예시는 간섭계수를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우 저수지 수위의 차이가 42cm임을 보여줍니다. 결과적으로 댐 안전을 위해 추가 여수로의 너비(간섭 계수 포함)를 늘려야 합니다.

Dual spillway interference refers to the loss of hydraulic performance of spillways when they are placed close together. Spillway interference is examined using both physical experiments and numerical simulations. Stage and discharge measurements from four physical models with dual spillways configurations are compared to the Flow-3D computational results at four dam sites in South Korea. The conjunctive use of two spillways is compared with the singular operation of each spillway. When both spillways are operated at the same time, the total flow rate through the two spillways is reduced by up to 7.6%. Interference coefficients are most significant when the stage H_e exceeds the design stage H_d and when the distance D separating two spillways is short compared to the spillway width W. The parameter DH_d/WH_ecorrelates very well with the calculated and measured interference coefficients. A flood routing example for the design discharge at Andong dam shows a 42 cm difference in reservoir water level with and without application of the interference coefficient. Consequently, the width of additional spillways (including the interference coefficient) should be increased for dam safety.

Fig. 1. Definition sketch for dual spillways

Fig. 2. Stage-discharge rating curves for dual spillway operations.

Fig. 3. Physical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; and (d) Juam-1

Fig. 5. Meshes and calculation domain for numerical modeling of Andong dam.

Fig. 6. Stage-discharge rating curve for existing and additional spillways (Andong-1): (a) existing spillway; (b) additional spillway; and (c) dual spillway simulations.

Fig. 7. Discharge comparison of physical experiments and numerical simulations. The upper panel is the comparative result for the existing spillway (ES) and the lower panel is for the additional spillway (AS) at four dams.

Fig. 8. Interference coefficients for dual spillways simulations with various scenarios.

Fig. 9. Regression model for the distance-width ratio (D=W) and head ratio (Hd=He) by dual spillway simulations

Fig. 10. Physical and numerical model validation: (a) numerical modeling; (b) solids of overflow weir of the spillway; and (c) physical models of reservoir and spillway

Fig. 11. Interference coefficients for dual spillways operations with various scenarios. The dashed lines indicate the results of the validation model with dual conditions of 1 þ 2, 1 þ 4, 1 þ 6, 3 þ 4, and 4 þ 5.

Fig. 12. Results of reservoir operations under the PMF at Andong dam.

References

Cassidy, J. J. 1965. “Irrotational flow over spillways of finite height.”
J. Eng. Mech. Div. 91 (6): 155–173.
Chanel, P., and J. Doering. 2008. “Assessment of spillway modeling using
computational fluid dynamics.” Can. J. Civ. Eng. 35 (12): 1481–1485.
https://doi.org/10.1139/L08-094.
Chow, V. T. 1959. Open-channel hydraulics, 365–380. New York:
McGraw-Hill.
Ho, D., B. Cooper, K. Riddette, and S. Donohoo. 2006. “Application of
numerical modelling to spillways in Australia.” In Proc., Int. Symp.
on Dams in the Societies of the 21st Century, 22nd Int. Congress on
Large Dams (ICOLD), edited by L. Berga, et al. London: Taylor &
Francis.
Huff, F. A. 1967. “Time distribution of rainfall in heavy storms.” Water
Resour. Res. 3 (4): 1007–1019. https://doi.org/10.1029/WR003i004
p01007.
Kim, D. G., and J. H. Park. 2005. “Analysis of flow structure over ogeespillway in consideration of scale and roughness effects by using CFD
model.” KSCE J. Civ. Eng. 9 (2): 161–169. https://doi.org/10.1007
/BF02829067.
Koutsunis, N. A. 2015. “Impact of climatic changes on downstream hydraulic geometry and its influence on flood hydrograph
routing—Applied to the bluestone dam watershed.” M.S. degree,
Dept. of Civil and Environmental Engineering, Colorado State Univ.
Lee, J. H., and P. Y. Julien. 2016a. “ENSO impacts on temperature over
South Korea.” Int. J. Climatol. 36 (11): 3651. https://doi.org/10.1002
/joc.4581.
Lee, J. H., and P. Y. Julien. 2016b. “Teleconnections of the ENSO and
South Korean precipitation patterns.” J. Hydrol. 534: 237–250.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.01.011.
Lee, J. H., and P. Y. Julien. 2017. “Influence of the El Nino/southern ˜
oscillation on South Korean streamflow variability.” Hydrol. Processes
31 (12): 2162–2178. https://doi.org/10.1002/hyp.11168.
Li, S., S. Cain, N. Wosnik, C. Miller, H. Kocahan, and R. Wyckoff. 2011.
“Numerical modeling of probable maximum flood flowing through a
system of spillways.” J. Hydraul. Eng. 137 (1): 66–74. https://doi.org
/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000279.
MOCT (Ministry of Construction and Transportation). 2003. Hydraulic
model study of Soyanggang multipurpose dam auxiliary spillway.
[In Korean.] Governing City, South Korea: MOCT.
Olsen, N. R., and H. M. Kjellesvig. 1998. “Three-dimensional numerical
flow modeling for estimation of spillway capacity.” J. Hydraul. Res.
36 (5): 775–784. https://doi.org/10.1080/00221689809498602.
Savage, B. M., and M. C. Johnson. 2001. “Flow over ogee spillway:
Physical and numerical model case study.” J. Hydraul. Eng. 127 (8):
640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:8(640).
USACE (US Army Corps of Engineers). 2008. Hydrologic modeling
system HEC-HMS, user’s manual version 3.2. Davis, CA: USACE.
USBR (US Bureau of Reclamation). 1980. Hydraulic laboratory techniques: A water resources technical publication. Denver: US Dept.
of the Interior, Bureau of Reclamation.
Yakhot, V., and S. A. Orszag. 1986. “Renormalization group analysis of
turbulence. I: Basic theory.” J. Sci. Comput. 1 (1): 3–51. https://doi
.org/10.1007/BF01061452.
Yakhot, V., and L. M. Smith. 1992. “The renormalization group, the
e-expansion and derivation of turbulence models.” J. Sci. Comput.
7 (1): 35–61. https://doi.org/10.1007/BF01060210.
Zeng, J., L. Zhang, M. Ansar, E. Damisse, and J. A. Gonzalez-Castro. 2017.
“Applications of computational fluid dynamics to flow ratings at prototype spillways and weirs. I: Data generation and validation.” J. Irrig.
Drain. Eng. 143 (1): 04016072. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR
.1943-4774.0001112.

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3D Numerical Modeling of a Side-Channel Spillway

Géraldine MilésiStéphane Causse

Abstract

Electricité de Tahiti(GDF Suez) 댐의 재건이라는 틀 내에서 Coyne et Bellier는 진단과 Tahiti 댐의 전반적인 연구를 수행했습니다.

Tahinu는 프랑스령 폴리네시아의 Tahiti 섬에 위치한 37m 높이의 수력 발전 댐입니다. 수문학적 연구의 검토와 프랑스 표준의 적용은 최대 설계 홍수를 500에서 644 m3/s(+30%)로 증가시켰습니다.

먼저 측수로 여수로(마루 길이 60m)의 1D 수치 모델링을 수행하여 배수 용량을 평가했습니다. 결론은 마루댐과 배수로 수로 측벽의 오버토핑을 유발할 수 있는 배수로의 용량이 충분하지 않다는 것이었습니다.

그런 다음 이러한 결과를 확인하고 배수로의 특정 구성(정원 아래의 접근 속도와 깊이의 불균일한 분포, 측면 채널 단면의 불규칙한 기하학, 잠긴 둑, 곡선 채널 배수로)을 고려하기 위해, 3D 수치 모델링은 Flow 3D®로 수행되었습니다.

시뮬레이션은 1D 모델(흐름의 일반적인 패턴, 상류 저수지 수위)보다 더 정확한 결과를 보여주었습니다. 이에 따라 댐 능선의 높이와 여수로 측벽을 설계 및 최적화하여 안전을 위한 충분한 freeboards을 확보하도록 하였습니다.

Within the framework of the rehabilitation of Electricité de Tahiti (GDF Suez) dams, Coyne et Bellier carried out a diagnosis and an overall study of the Tahinu dam. Tahinu is a 37-m-high earthfill hydroelectric dam, located in the island of Tahiti, French Polynesia. The review of the hydrological study and the application of French standards lead to increase the peak design flood from 500 to 644 m³/s (+30 %). First, a 1D numerical modeling of the side-channel spillway (crest length 60 m) was performed to assess its discharge capacity. The conclusion was an insufficient capacity of the spillway that might induce an overtopping of the crest dam and of the sidewalls of the spillway channel. Then, to confirm these results and to take into account the specific configuration of the spillway (non-uniform distribution of the approach velocity and depth below crest, irregular geometry of the side-channel cross section, submerged weir, curved channel spillway), a 3D numerical modeling was carried out with Flow 3D^®. Simulations showed more accurate results than 1D model (general pattern of the flow, upstream reservoir level). Consequently, heightenings of the dam crest and the sidewalls of the spillway channel were designed and optimized to secure sufficient freeboards for safety.

Keywords

CFD, Dam, FLOW-3D, Hydraulics, Numerical simulation, Rehabilitation, Submergence, Weir, 저수지, 댐, 측수로, 여수로

References

1.Khatsuria, R. M. (2005). Hydraulics of spillways and energy dissipators. New York: Marcel Dekker.Google Scholar
2.USBR. (1987). Design of small dams (3rd ed.). Washington: US Government printing office.Google Scholar

Copyright information

About this chapter

Cite this chapter as:Milési G., Causse S. (2014) 3D Numerical Modeling of a Side-Channel Spillway. In: Gourbesville P., Cunge J., Caignaert G. (eds) Advances in Hydroinformatics. Springer Hydrogeology. Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-4451-42-0_39

First Online12 November 2013
DOI : https://doi.org/10.1007/978-981-4451-42-0_39
Publisher NameSpringer, Singapore
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Figure 3 Simulation PTC pipes enhanced with copper foam and nanoparticles in FLOW-3D software.

다공성 미디어 및 나노유체에 의해 강화된 수집기로 태양광 CCHP 시스템의 최적화

Optimization of Solar CCHP Systems with Collector Enhanced by Porous Media and Nanofluid

Navid Tonekaboni,¹Mahdi Feizbahr,² Nima Tonekaboni,¹Guang-Jun Jiang,^3,4 and Hong-Xia Chen^3,4

Abstract

태양열 집열기의 낮은 효율은 CCHP(Solar Combined Cooling, Heating, and Power) 사이클의 문제점 중 하나로 언급될 수 있습니다. 태양계를 개선하기 위해 나노유체와 다공성 매체가 태양열 집열기에 사용됩니다.

다공성 매질과 나노입자를 사용하는 장점 중 하나는 동일한 조건에서 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다는 것입니다. 이 연구에서는 평균 일사량이 1b인 따뜻하고 건조한 지역의 600 m2 건물의 전기, 냉방 및 난방을 생성하기 위해 다공성 매질과 나노유체를 사용하여 태양열 냉난방 복합 발전(SCCHP) 시스템을 최적화했습니다.

본 논문에서는 침전물이 형성되지 않는 lb = 820 w/m²(이란) 정도까지 다공성 물질에서 나노유체의 최적량을 계산하였다. 이 연구에서 태양열 집열기는 구리 다공성 매체(95% 다공성)와 CuO 및 Al2O3 나노 유체로 향상되었습니다.

나노유체의 0.1%-0.6%가 작동 유체로 물에 추가되었습니다. 나노유체의 0.5%가 태양열 집열기 및 SCCHP 시스템에서 가장 높은 에너지 및 엑서지 효율 향상으로 이어지는 것으로 밝혀졌습니다.

본 연구에서 포물선형 집열기(PTC)의 최대 에너지 및 엑서지 효율은 각각 74.19% 및 32.6%입니다. 그림 1은 태양 CCHP의 주기를 정확하게 설명하기 위한 그래픽 초록으로 언급될 수 있습니다.

The low efficiency of solar collectors can be mentioned as one of the problems in solar combined cooling, heating, and power (CCHP) cycles. For improving solar systems, nanofluid and porous media are used in solar collectors. One of the advantages of using porous media and nanoparticles is to absorb more energy under the same conditions. In this research, a solar combined cooling, heating, and power (SCCHP) system has been optimized by porous media and nanofluid for generating electricity, cooling, and heating of a 600 m² building in a warm and dry region with average solar radiation of Ib = 820 w/m² in Iran. In this paper, the optimal amount of nanofluid in porous materials has been calculated to the extent that no sediment is formed. In this study, solar collectors were enhanced with copper porous media (95% porosity) and CuO and Al₂O₃ nanofluids. 0.1%–0.6% of the nanofluids were added to water as working fluids; it is found that 0.5% of the nanofluids lead to the highest energy and exergy efficiency enhancement in solar collectors and SCCHP systems. Maximum energy and exergy efficiency of parabolic thermal collector (PTC) riches in this study are 74.19% and 32.6%, respectively. Figure 1 can be mentioned as a graphical abstract for accurately describing the cycle of solar CCHP.

1. Introduction

Due to the increase in energy consumption, the use of clean energy is one of the important goals of human societies. In the last four decades, the use of cogeneration cycles has increased significantly due to high efficiency. Among clean energy, the use of solar energy has become more popular due to its greater availability [1]. Low efficiency of energy production, transmission, and distribution system makes a new system to generate simultaneously electricity, heating, and cooling as an essential solution to be widely used. The low efficiency of the electricity generation, transmission, and distribution system makes the CCHP system a basic solution to eliminate waste of energy. CCHP system consists of a prime mover (PM), a power generator, a heat recovery system (produce extra heating/cooling/power), and thermal energy storage (TES) [2]. Solar combined cooling, heating, and power (SCCHP) has been started three decades ago. SCCHP is a system that receives its propulsive force from solar energy; in this cycle, solar collectors play the role of propulsive for generating power in this system [3].

Increasing the rate of energy consumption in the whole world because of the low efficiency of energy production, transmission, and distribution system causes a new cogeneration system to generate electricity, heating, and cooling energy as an essential solution to be widely used. Building energy utilization fundamentally includes power required for lighting, home electrical appliances, warming and cooling of building inside, and boiling water. Domestic usage contributes to an average of 35% of the world’s total energy consumption [4].

Due to the availability of solar energy in all areas, solar collectors can be used to obtain the propulsive power required for the CCHP cycle. Solar energy is the main source of energy in renewable applications. For selecting a suitable area to use solar collectors, annual sunshine hours, the number of sunny days, minus temperature and frosty days, and the windy status of the region are essentially considered [5]. Iran, with an average of more than 300 sunny days, is one of the suitable countries to use solar energy. Due to the fact that most of the solar radiation is in the southern regions of Iran, also the concentration of cities is low in these areas, and transmission lines are far apart, one of the best options is to use CCHP cycles based on solar collectors [6]. One of the major problems of solar collectors is their low efficiency [7]. Low efficiency increases the area of collectors, which increases the initial cost of solar systems and of course increases the initial payback period. To increase the efficiency of solar collectors and improve their performance, porous materials and nanofluids are used to increase their workability.

There are two ways to increase the efficiency of solar collectors and mechanical and fluid improvement. In the first method, using porous materials or helical filaments inside the collector pipes causes turbulence of the flow and increases heat transfer. In the second method, using nanofluids or salt and other materials increases the heat transfer of water. The use of porous materials has grown up immensely over the past twenty years. Porous materials, especially copper porous foam, are widely used in solar collectors. Due to the high contact surface area, porous media are appropriate candidates for solar collectors [8]. A number of researchers investigated Solar System performance in accordance with energy and exergy analyses. Zhai et al. [9] reviewed the performance of a small solar-powered system in which the energy efficiency was 44.7% and the electrical efficiency was 16.9%.

Abbasi et al. [10] proposed an innovative multiobjective optimization to optimize the design of a cogeneration system. Results showed the CCHP system based on an internal diesel combustion engine was the applicable alternative at all regions with different climates. The diesel engine can supply the electrical requirement of 31.0% and heating demand of 3.8% for building.

Jiang et al. [11] combined the experiment and simulation together to analyze the performance of a cogeneration system. Moreover, some research focused on CCHP systems using solar energy. It integrated sustainable and renewable technologies in the CCHP, like PV, Stirling engine, and parabolic trough collector (PTC) [2, 12–15].

Wang et al. [16] optimized a cogeneration solar cooling system with a Rankine cycle and ejector to reach the maximum total system efficiency of 55.9%. Jing et al. analyzed a big-scale building with the SCCHP system and auxiliary heaters to produced electrical, cooling, and heating power. The maximum energy efficiency reported in their work is 46.6% [17]. Various optimization methods have been used to improve the cogeneration system, minimum system size, and performance, such as genetic algorithm [18, 19].

Hirasawa et al. [20] investigated the effect of using porous media to reduce thermal waste in solar systems. They used the high-porosity metal foam on top of the flat plate solar collector and observed that thermal waste decreased by 7% due to natural heat transfer. Many researchers study the efficiency improvement of the solar collector by changing the collector’s shapes or working fluids. However, the most effective method is the use of nanofluids in the solar collector as working fluid [21]. In the experimental study done by Jouybari et al. [22], the efficiency enhancement up to 8.1% was achieved by adding nanofluid in a flat plate collector. In this research, by adding porous materials to the solar collector, collector efficiency increased up to 92% in a low flow regime. Subramani et al. [23] analyzed the thermal performance of the parabolic solar collector with Al₂O₃ nanofluid. They conducted their experiments with Reynolds number range 2401 to 7202 and mass flow rate 0.0083 to 0.05 kg/s. The maximum efficiency improvement in this experiment was 56% at 0.05 kg/s mass flow rate.

Shojaeizadeh et al. [24] investigated the analysis of the second law of thermodynamic on the flat plate solar collector using Al₂O₃/water nanofluid. Their research showed that energy efficiency rose up to 1.9% and the exergy efficiency increased by a maximum of 0.72% compared to pure water. Tiwari et al. [25] researched on the thermal performance of solar ﬂat plate collectors for working fluid water with different nanoﬂuids. The result showed that using 1.5% (optimum) particle volume fraction of Al₂O₃ nanoﬂuid as an absorbing medium causes the thermal efﬁciency to enhance up to 31.64%.

The effect of porous media and nanofluids on solar collectors has already been investigated in the literature but the SCCHP system with a collector embedded by both porous media and nanofluid for enhancing the ratio of nanoparticle in nanofluid for preventing sedimentation was not discussed. In this research, the amount of energy and exergy of the solar CCHP cycles with parabolic solar collectors in both base and improved modes with a porous material (copper foam with 95% porosity) and nanofluid with different ratios of nanoparticles was calculated. In the first step, it is planned to design a CCHP system based on the required load, and, in the next step, it will analyze the energy and exergy of the system in a basic and optimize mode. In the optimize mode, enhanced solar collectors with porous material and nanofluid in different ratios (0.1%–0.7%) were used to optimize the ratio of nanofluids to prevent sedimentation.

2. Cycle Description

CCHP is one of the methods to enhance energy efficiency and reduce energy loss and costs. The SCCHP system used a solar collector as a prime mover of the cogeneration system and assisted the boiler to generate vapor for the turbine. Hot water flows from the expander to the absorption chiller in summer or to the radiator or fan coil in winter. Finally, before the hot water wants to flow back to the storage tank, it flows inside a heat exchanger for generating domestic hot water [26].

For designing of solar cogeneration system and its analysis, it is necessary to calculate the electrical, heating (heating load is the load required for the production of warm water and space heating), and cooling load required for the case study considered in a residential building with an area of 600 m² in the warm region of Iran (Zahedan). In Table 1, the average of the required loads is shown for the different months of a year (average of electrical, heating, and cooling load calculated with CARRIER software).Table 1 The average amount of electric charges, heating load, and cooling load used in the different months of the year in the city of Zahedan for a residential building with 600 m².

According to Table 1, the maximum magnitude of heating, cooling, and electrical loads is used to calculate the cogeneration system. The maximum electric load is 96 kW, the maximum amount of heating load is 62 kW, and the maximum cooling load is 118 kW. Since the calculated loads are average, all loads increased up to 10% for the confidence coefficient. With the obtained values, the solar collector area and other cogeneration system components are calculated. The cogeneration cycle is capable of producing 105 kW electric power, 140 kW cooling capacity, and 100 kW heating power.

2.1. System Analysis Equations

An analysis is done by considering the following assumptions:(1)The system operates under steady-state conditions(2)The system is designed for the warm region of Iran (Zahedan) with average solar radiation Ib = 820 w/m²(3)The pressure drops in heat exchangers, separators, storage tanks, and pipes are ignored(4)The pressure drop is negligible in all processes and no expectable chemical reactions occurred in the processes(5)Potential, kinetic, and chemical exergy are not considered due to their insignificance(6)Pumps have been discontinued due to insignificance throughout the process(7)All components are assumed adiabatic

Schematic shape of the cogeneration cycle is shown in Figure 1 and all data are given in Table 2.

Figure 1 Schematic shape of the cogeneration cycle.Table 2 Temperature and humidity of different points of system.

Based on the first law of thermodynamic, energy analysis is based on the following steps.

First of all, the estimated solar radiation energy on collector has been calculated:where α is the heat transfer enhancement coefficient based on porous materials added to the collector’s pipes. The coefficient α is increased by the porosity percentage, the type of porous material (in this case, copper with a porosity percentage of 95), and the flow of fluid to the collector equation.

Collector efficiency is going to be calculated by the following equation [9]:

Total energy received by the collector is given by [9]

Also, the auxiliary boiler heat load is [2]

Energy consumed from vapor to expander is calculated by [2]

The power output form by the screw expander [9]:

The efficiency of the expander is 80% in this case [11].

In this step, cooling and heating loads were calculated and then, the required heating load to reach sanitary hot water will be calculated as follows:

First step: calculating the cooling load with the following equation [9]:

Second step: calculating heating loads [9]:

Then, calculating the required loud for sanitary hot water will be [9]

According to the above-mentioned equations, efficiency is [9]

In the third step, calculated exergy analysis as follows.

First, the received exergy collector from the sun is calculated [9]:

In the previous equation, f is the constant of air dilution.

The received exergy from the collector is [9]

In the case of using natural gas in an auxiliary heater, the gas exergy is calculated from the following equation [12]:

Delivering exergy from vapor to expander is calculated with the following equation [9]:

In the fourth step, the exergy in cooling and heating is calculated by the following equation:

Cooling exergy in summer is calculated [9]:

Heating exergy in winter is calculated [9]:

In the last step based on thermodynamic second law, exergy efficiency has been calculated from the following equation and the above-mentioned calculated loads [9]:

3. Porous Media

The porous medium that filled the test section is copper foam with a porosity of 95%. The foams are determined in Figure 2 and also detailed thermophysical parameters and dimensions are shown in Table 3.

Figure 2 Copper foam with a porosity of 95%.Table 3 Thermophysical parameters and dimensions of copper foam.

In solar collectors, copper porous materials are suitable for use at low temperatures and have an easier and faster manufacturing process than ceramic porous materials. Due to the high coefficient conductivity of copper, the use of copper metallic foam to increase heat transfer is certainly more efficient in solar collectors.

Porous media and nanofluid in solar collector’s pipes were simulated in FLOW-3D software using the finite-difference method [27]. Nanoparticles Al₂O₃ and CUO are mostly used in solar collector enhancement. In this research, different concentrations of nanofluid are added to the parabolic solar collectors with porous materials (copper foam with porosity of 95%) to achieve maximum heat transfer in the porous materials before sedimentation. After analyzing PTC pipes with the nanofluid flow in FLOW-3D software, for energy and exergy efficiency analysis, Carrier software results were used as EES software input. Simulation PTC with porous media inside collector pipe and nanofluids sedimentation is shown in Figure 3.

Figure 3 Simulation PTC pipes enhanced with copper foam and nanoparticles in FLOW-3D software.

3.1. Nano Fluid

In this research, copper and silver nanofluids (Al₂O₃, CuO) have been added with percentages of 0.1%–0.7% as the working fluids. The nanoparticle properties are given in Table 4. Also, system constant parameters are presented in Table 4, which are available as default input in the EES software.Table 4 Properties of the nanoparticles [9].

System constant parameters for input in the software are shown in Table 5.Table 5 System constant parameters.

The thermal properties of the nanofluid can be obtained from equations (18)–(21). The basic fluid properties are indicated by the index (bf) and the properties of the nanoparticle silver with the index (np).

The density of the mixture is shown in the following equation [28]:where ρ is density and ϕ is the nanoparticles volume fraction.

The specific heat capacity is calculated from the following equation [29]:

The thermal conductivity of the nanofluid is calculated from the following equation [29]:

The parameter β is the ratio of the nanolayer thickness to the original particle radius and, usually, this parameter is taken equal to 0.1 for the calculated thermal conductivity of the nanofluids.

The mixture viscosity is calculated as follows [30]:

In all equations, instead of water properties, working fluids with nanofluid are used. All of the above equations and parameters are entered in the EES software for calculating the energy and exergy of solar collectors and the SCCHP cycle. All calculation repeats for both nanofluids with different concentrations of nanofluid in the solar collector’s pipe.

4. Results and Discussion

In the present study, relations were written according to Wang et al. [16] and the system analysis was performed to ensure the correctness of the code. The energy and exergy charts are plotted based on the main values of the paper and are shown in Figures 4 and 5. The error rate in this simulation is 1.07%.

Figure 4 Verification charts of energy analysis results.

Figure 5 Verification charts of exergy analysis results.

We may also investigate the application of machine learning paradigms [31–41] and various hybrid, advanced optimization approaches that are enhanced in terms of exploration and intensification [42–55], and intelligent model studies [56–61] as well, for example, methods such as particle swarm optimizer (PSO) [60, 62], differential search (DS) [63], ant colony optimizer (ACO) [61, 64, 65], Harris hawks optimizer (HHO) [66], grey wolf optimizer (GWO) [53, 67], differential evolution (DE) [68, 69], and other fusion and boosted systems [41, 46, 48, 50, 54, 55, 70, 71].

At the first step, the collector is modified with porous copper foam material. 14 cases have been considered for the analysis of the SCCHP system (Table 6). It should be noted that the adding of porous media causes an additional pressure drop inside the collector [9, 22–26, 30, 72]. All fourteen cases use copper foam with a porosity of 95 percent. To simulate the effect of porous materials and nanofluids, the first solar PTC pipes have been simulated in the FLOW-3D software and then porous media (copper foam with porosity of 95%) and fluid flow with nanoparticles (AL₂O₃ and CUO) are generated in the software. After analyzing PTC pipes in FLOW-3D software, for analyzing energy and exergy efficiency, software outputs were used as EES software input for optimization ratio of sedimentation and calculating energy and exergy analyses.Table 6 Collectors with different percentages of nanofluids and porous media.

In this research, an enhanced solar collector with both porous media and Nanofluid is investigated. In the present study, 0.1–0.5% CuO and Al₂O₃ concentration were added to the collector fully filled by porous media to achieve maximum energy and exergy efficiencies of solar CCHP systems. All steps of the investigation are shown in Table 6.

Energy and exergy analyses of parabolic solar collectors and SCCHP systems are shown in Figures 6 and 7.

Figure 6 Energy and exergy efficiencies of the PTC with porous media and nanofluid.

Figure 7 Energy and exergy efficiency of the SCCHP.

Results show that the highest energy and exergy efficiencies are 74.19% and 32.6%, respectively, that is achieved in Step 12 (parabolic collectors with filled porous media and 0.5% Al₂O₃). In the second step, the maximum energy efficiency of SCCHP systems with fourteen steps of simulation are shown in Figure 7.

In the second step, where 0.1, −0.6% of the nanofluids were added, it is found that 0.5% leads to the highest energy and exergy efficiency enhancement in solar collectors and SCCHP systems. Using concentrations more than 0.5% leads to sediment in the solar collector’s pipe and a decrease of porosity in the pipe [73]. According to Figure 7, maximum energy and exergy efficiencies of SCCHP are achieved in Step 12. In this step energy efficiency is 54.49% and exergy efficiency is 18.29%. In steps 13 and 14, with increasing concentration of CUO and Al₂O₃ nanofluid solution in porous materials, decreasing of energy and exergy efficiency of PTC and SCCHP system at the same time happened. This decrease in efficiency is due to the formation of sediment in the porous material. Calculations and simulations have shown that porous materials more than 0.5% nanofluids inside the collector pipe cause sediment and disturb the porosity of porous materials and pressure drop and reduce the coefficient of performance of the cogeneration system. Most experience showed that CUO and AL₂O₃ nanofluids with less than 0.6% percent solution are used in the investigation on the solar collectors at low temperatures and discharges [74]. One of the important points of this research is that the best ratio of nanofluids in the solar collector with a low temperature is 0.5% (AL₂O₃ and CUO); with this replacement, the cost of solar collectors and SCCHP cycle is reduced.

5. Conclusion and Future Directions

In the present study, ways for increasing the efficiency of solar collectors in order to enhance the efficiency of the SCCHP cycle are examined. The research is aimed at adding both porous materials and nanofluids for estimating the best ratio of nanofluid for enhanced solar collector and protecting sedimentation in porous media. By adding porous materials (copper foam with porosity of 95%) and 0.5% nanofluids together, high efficiency in solar parabolic collectors can be achieved. The novelty in this research is the addition of both nanofluids and porous materials and calculating the best ratio for preventing sedimentation and pressure drop in solar collector’s pipe. In this study, it was observed that, by adding 0.5% of AL₂O₃ nanofluid in working fluids, the energy efficiency of PTC rises to 74.19% and exergy efficiency is grown up to 32.6%. In SCCHP cycle, energy efficiency is 54.49% and exergy efficiency is 18.29%.

In this research, parabolic solar collectors fully filled by porous media (copper foam with a porosity of 95) are investigated. In the next step, parabolic solar collectors in the SCCHP cycle were simultaneously filled by porous media and different percentages of Al₂O₃ and CuO nanofluid. At this step, values of 0.1% to 0.6% of each nanofluid were added to the working fluid, and the efficiency of the energy and exergy of the collectors and the SCCHP cycle were determined. In this case, nanofluid and the porous media were used together in the solar collector and maximum efficiency achieved. 0.5% of both nanofluids were used to achieve the biggest efficiency enhancement.

In the present study, as expected, the highest efficiency is for the parabolic solar collector fully filled by porous material (copper foam with a porosity of 95%) and 0.5% Al₂O₃. Results of the present study are as follows:(1)The average enhancement of collectors’ efficiency using porous media and nanofluids is 28%.(2)Solutions with 0.1 to 0.5% of nanofluids (CuO and Al₂O₃) are used to prevent collectors from sediment occurrence in porous media.(3)Collector of solar cogeneration cycles that is enhanced by both porous media and nanofluid has higher efficiency, and the stability of output temperature is more as well.(4)By using 0.6% of the nanofluids in the enhanced parabolic solar collectors with copper porous materials, sedimentation occurs and makes a high-pressure drop in the solar collector’s pipe which causes decrease in energy efficiency.(5)Average enhancement of SCCHP cycle efficiency is enhanced by both porous media and nanofluid 13%.

Nomenclature

:	Solar radiation
a:	Heat transfer augmentation coefficient
A:	Solar collector area
Bf:	Basic fluid
:	Specific heat capacity of the nanofluid
F:	Constant of air dilution
:	Thermal conductivity of the nanofluid
:	Thermal conductivity of the basic fluid
:	Viscosity of the nanofluid
:	Viscosity of the basic fluid
:	Collector efficiency
:	Collector energy receives
:	Auxiliary boiler heat
:	Expander energy
:	Gas energy
:	Screw expander work
:	Cooling load, in kilowatts
:	Heating load, in kilowatts
:	Solar radiation energy on collector, in Joule
:	Sanitary hot water load
Np:	Nanoparticle
:	Energy efficiency
:	Heat exchanger efficiency
:	Sun exergy
:	Collector exergy
:	Natural gas exergy
:	Expander exergy
:	Cooling exergy
:	Heating exergy
:	Exergy efficiency
:	Steam mass flow rate
:	Hot water mass flow rate
:	Specific heat capacity of water
:	Power output form by the screw expander
T_am:	Average ambient temperature
:	Density of the mixture.

Greek symbols

ρ:	Density
ϕ:	Nanoparticles volume fraction
β:	Ratio of the nanolayer thickness.

Abbreviations

CCHP:	Combined cooling, heating, and power
EES:	Engineering equation solver.

Data Availability

For this study, data were generated by CARRIER software for the average electrical, heating, and cooling load of a residential building with 600 m² in the city of Zahedan, Iran.

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no conflicts of interest.

Acknowledgments

This work was partially supported by the National Natural Science Foundation of China under Contract no. 71761030 and Natural Science Foundation of Inner Mongolia under Contract no. 2019LH07003.

References

A. Fudholi and K. Sopian, “Review on solar collector for agricultural produce,” International Journal of Power Electronics and Drive Systems (IJPEDS), vol. 9, no. 1, p. 414, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
G. Yang and X. Zhai, “Optimization and performance analysis of solar hybrid CCHP systems under different operation strategies,” Applied Thermal Engineering, vol. 133, pp. 327–340, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. Wang, Z. Han, and Z. Guan, “Hybrid solar-assisted combined cooling, heating, and power systems: a review,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 133, p. 110256, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
Y. Tian and C. Y. Zhao, “A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications,” Applied Energy, vol. 104, pp. 538–553, 2013.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. M. Hassan, Q. J. Abdul-Ghafour, and M. F. Mohammed, “CFD simulation of enhancement techniques in flat plate solar water collectors,” Al-Nahrain Journal for Engineering Sciences, vol. 20, no. 3, pp. 751–761, 2017.View at: Google Scholar
M. Jahangiri, O. Nematollahi, A. Haghani, H. A. Raiesi, and A. Alidadi Shamsabadi, “An optimization of energy cost of clean hybrid solar-wind power plants in Iran,” International Journal of Green Energy, vol. 16, no. 15, pp. 1422–1435, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
I. H. Yılmaz and A. Mwesigye, “Modeling, simulation and performance analysis of parabolic trough solar collectors: a comprehensive review,” Applied Energy, vol. 225, pp. 135–174, 2018.View at: Google Scholar
F. Wang, J. Tan, and Z. Wang, “Heat transfer analysis of porous media receiver with different transport and thermophysical models using mixture as feeding gas,” Energy Conversion and Management, vol. 83, pp. 159–166, 2014.View at: Publisher Site | Google Scholar
H. Zhai, Y. J. Dai, J. Y. Wu, and R. Z. Wang, “Energy and exergy analyses on a novel hybrid solar heating, cooling and power generation system for remote areas,” Applied Energy, vol. 86, no. 9, pp. 1395–1404, 2009.View at: Publisher Site | Google Scholar
M. H. Abbasi, H. Sayyaadi, and M. Tahmasbzadebaie, “A methodology to obtain the foremost type and optimal size of the prime mover of a CCHP system for a large-scale residential application,” Applied Thermal Engineering, vol. 135, pp. 389–405, 2018.View at: Google Scholar
R. Jiang, F. G. F. Qin, X. Yang, S. Huang, and B. Chen, “Performance analysis of a liquid absorption dehumidifier driven by jacket-cooling water of a diesel engine in a CCHP system,” Energy and Buildings, vol. 163, pp. 70–78, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
F. A. Boyaghchi and M. Chavoshi, “Monthly assessments of exergetic, economic and environmental criteria and optimization of a solar micro-CCHP based on DORC,” Solar Energy, vol. 166, pp. 351–370, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
F. A. Boyaghchi and M. Chavoshi, “Multi-criteria optimization of a micro solar-geothermal CCHP system applying water/CuO nanofluid based on exergy, exergoeconomic and exergoenvironmental concepts,” Applied Thermal Engineering, vol. 112, pp. 660–675, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
B. Su, W. Han, Y. Chen, Z. Wang, W. Qu, and H. Jin, “Performance optimization of a solar assisted CCHP based on biogas reforming,” Energy Conversion and Management, vol. 171, pp. 604–617, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
F. A. Al-Sulaiman, F. Hamdullahpur, and I. Dincer, “Performance assessment of a novel system using parabolic trough solar collectors for combined cooling, heating, and power production,” Renewable Energy, vol. 48, pp. 161–172, 2012.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. Wang, Y. Dai, L. Gao, and S. Ma, “A new combined cooling, heating and power system driven by solar energy,” Renewable Energy, vol. 34, no. 12, pp. 2780–2788, 2009.View at: Publisher Site | Google Scholar
Y.-Y. Jing, H. Bai, J.-J. Wang, and L. Liu, “Life cycle assessment of a solar combined cooling heating and power system in different operation strategies,” Applied Energy, vol. 92, pp. 843–853, 2012.View at: Publisher Site | Google Scholar
J.-J. Wang, Y.-Y. Jing, and C.-F. Zhang, “Optimization of capacity and operation for CCHP system by genetic algorithm,” Applied Energy, vol. 87, no. 4, pp. 1325–1335, 2010.View at: Publisher Site | Google Scholar
L. Ali, “LDA–GA–SVM: improved hepatocellular carcinoma prediction through dimensionality reduction and genetically optimized support vector machine,” Neural Computing and Applications, vol. 87, pp. 1–10, 2020.View at: Google Scholar
S. Hirasawa, R. Tsubota, T. Kawanami, and K. Shirai, “Reduction of heat loss from solar thermal collector by diminishing natural convection with high-porosity porous medium,” Solar Energy, vol. 97, pp. 305–313, 2013.View at: Publisher Site | Google Scholar
E. Bellos, C. Tzivanidis, and Z. Said, “A systematic parametric thermal analysis of nanofluid-based parabolic trough solar collectors,” Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 39, p. 100714, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
H. J. Jouybari, S. Saedodin, A. Zamzamian, M. E. Nimvari, and S. Wongwises, “Effects of porous material and nanoparticles on the thermal performance of a flat plate solar collector: an experimental study,” Renewable Energy, vol. 114, pp. 1407–1418, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. Subramani, P. K. Nagarajan, S. Wongwises, S. A. El-Agouz, and R. Sathyamurthy, “Experimental study on the thermal performance and heat transfer characteristics of solar parabolic trough collector using Al₂O₃ nanofluids,” Environmental Progress & Sustainable Energy, vol. 37, no. 3, pp. 1149–1159, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
E. Shojaeizadeh, F. Veysi, and A. Kamandi, “Exergy efficiency investigation and optimization of an Al₂O₃-water nanofluid based Flat-plate solar collector,” Energy and Buildings, vol. 101, pp. 12–23, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
A. K. Tiwari, P. Ghosh, and J. Sarkar, “Solar water heating using nanofluids–a comprehensive overview and environmental impact analysis,” International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering, vol. 3, no. 3, pp. 221–224, 2013.View at: Google Scholar
D. R. Rajendran, E. Ganapathy Sundaram, P. Jawahar, V. Sivakumar, O. Mahian, and E. Bellos, “Review on influencing parameters in the performance of concentrated solar power collector based on materials, heat transfer fluids and design,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 140, no. 1, pp. 33–51, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
M. Feizbahr, C. Kok Keong, F. Rostami, and M. Shahrokhi, “Wave energy dissipation using perforated and non perforated piles,” International Journal of Engineering, vol. 31, no. 2, pp. 212–219, 2018.View at: Google Scholar
K. Khanafer and K. Vafai, “A critical synthesis of thermophysical characteristics of nanofluids,” International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 54, no. 19-20, pp. 4410–4428, 2011.View at: Publisher Site | Google Scholar
K. Farhana, K. Kadirgama, M. M. Rahman et al., “Improvement in the performance of solar collectors with nanofluids – a state-of-the-art review,” Nano-Structures & Nano-Objects, vol. 18, p. 100276, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
M. Turkyilmazoglu, “Condensation of laminar film over curved vertical walls using single and two-phase nanofluid models,” European Journal of Mechanics-B/Fluids, vol. 65, pp. 184–191, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Zhang, J. Wang, T. Wang, R. Jiang, J. Xu, and L. Zhao, “Robust feature learning for adversarial defense via hierarchical feature alignment,” Information Sciences, vol. 2020, 2020.View at: Google Scholar
X. Zhang, T. Wang, W. Luo, and P. Huang, “Multi-level fusion and attention-guided CNN for image dehazing,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 1, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Zhang, M. Fan, D. Wang, P. Zhou, and D. Tao, “Top-k feature selection framework using robust 0-1 integer programming,” IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, vol. 1, pp. 1–15, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Zhang, D. Wang, Z. Zhou, and Y. Ma, “Robust low-rank tensor recovery with rectification and alignment,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 43, no. 1, pp. 238–255, 2019.View at: Google Scholar
X. Zhang, R. Jiang, T. Wang, and J. Wang, “Recursive neural network for video deblurring,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 1, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Zhang, T. Wang, J. Wang, G. Tang, and L. Zhao, “Pyramid channel-based feature attention network for image dehazing,” Computer Vision and Image Understanding, vol. 1, 2020.View at: Google Scholar
M. Mirmozaffari, “Machine learning algorithms based on an optimization model,” 2020.View at: Google Scholar
M. Mirmozaffari, M. Yazdani, A. Boskabadi, H. Ahady Dolatsara, K. Kabirifar, and N. Amiri Golilarz, “A novel machine learning approach combined with optimization models for eco-efficiency evaluation,” Applied Sciences, vol. 10, no. 15, p. 5210, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
M. Vosoogha and A. Addeh, “An intelligent power prediction method for wind energy generation based on optimized fuzzy system,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 5, pp. 34–43, 2019.View at: Google Scholar
A. Javadi, N. Mikaeilvand, and H. Hosseinzdeh, “Presenting a new method to solve partial differential equations using a group search optimizer method (GSO),” Computational Research Progress in Applied Science and Engineering, vol. 4, no. 1, pp. 22–26, 2018.View at: Google Scholar
F. J. Golrokh, Gohar Azeem, and A. Hasan, “Eco-efficiency evaluation in cement industries: DEA malmquist productivity index using optimization models,” ENG Transactions, vol. 1, pp. 1–8, 2020.View at: Google Scholar
H. Yu, “Dynamic Gaussian bare-bones fruit fly optimizers with abandonment mechanism: method and analysis,” Engineering with Computers, vol. 1, pp. 1–29, 2020.View at: Google Scholar
C. Yu, “SGOA: annealing-behaved grasshopper optimizer for global tasks,” Engineering with Computers, vol. 1, pp. 1–28, 2021.View at: Google Scholar
W. Shan, Z. Qiao, A. A. Heidari, H. Chen, H. Turabieh, and Y. Teng, “Double adaptive weights for stabilization of moth flame optimizer: balance analysis, engineering cases, and medical diagnosis,” Knowledge-Based Systems, vol. 1, p. 106728, 2020.View at: Google Scholar
J. Tu, H. Chen, J. Liu et al., “Evolutionary biogeography-based whale optimization methods with communication structure: towards measuring the balance,” Knowledge-Based Systems, vol. 212, p. 106642, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
Y. Zhang, “Towards augmented kernel extreme learning models for bankruptcy prediction: algorithmic behavior and comprehensive analysis,” Neurocomputing, vol. 1, 2020.View at: Google Scholar
Y. Zhang, R. Liu, X. Wang, H. Chen, and C. Li, “Boosted binary Harris hawks optimizer and feature selection,” Engineering with Computers, vol. 1, pp. 1–30, 2020.View at: Google Scholar
H.-L. Chen, G. Wang, C. Ma, Z.-N. Cai, W.-B. Liu, and S.-J. Wang, “An efficient hybrid kernel extreme learning machine approach for early diagnosis of Parkinson’s disease,” Neurocomputing, vol. 184, pp. 131–144, 2016.View at: Publisher Site | Google Scholar
L. Hu, G. Hong, J. Ma, X. Wang, and H. Chen, “An efficient machine learning approach for diagnosis of paraquat-poisoned patients,” Computers in Biology and Medicine, vol. 59, pp. 116–124, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
L. Shen, H. Chen, Z. Yu et al., “Evolving support vector machines using fruit fly optimization for medical data classification,” Knowledge-Based Systems, vol. 96, pp. 61–75, 2016.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. Xia, H. Chen, Q. Li et al., “Ultrasound-based differentiation of malignant and benign thyroid Nodules: an extreme learning machine approach,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 147, pp. 37–49, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
C. Li, L. Hou, B. Y. Sharma et al., “Developing a new intelligent system for the diagnosis of tuberculous pleural effusion,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 153, pp. 211–225, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Zhao, X. Zhang, Z. Cai et al., “Chaos enhanced grey wolf optimization wrapped ELM for diagnosis of paraquat-poisoned patients,” Computational Biology and Chemistry, vol. 78, pp. 481–490, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
M. Wang and H. Chen, “Chaotic multi-swarm whale optimizer boosted support vector machine for medical diagnosis,” Applied Soft Computing Journal, vol. 88, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Xu and H.-L. Chen, “Adaptive computational chemotaxis based on field in bacterial foraging optimization,” Soft Computing, vol. 18, no. 4, pp. 797–807, 2014.View at: Publisher Site | Google Scholar
R. U. Khan, X. Zhang, R. Kumar, A. Sharif, N. A. Golilarz, and M. Alazab, “An adaptive multi-layer botnet detection technique using machine learning classifiers,” Applied Sciences, vol. 9, no. 11, p. 2375, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
A. Addeh, A. Khormali, and N. A. Golilarz, “Control chart pattern recognition using RBF neural network with new training algorithm and practical features,” ISA Transactions, vol. 79, pp. 202–216, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
N. Amiri Golilarz, H. Gao, R. Kumar, L. Ali, Y. Fu, and C. Li, “Adaptive wavelet based MRI brain image de-noising,” Frontiers in Neuroscience, vol. 14, p. 728, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
N. A. Golilarz, H. Gao, and H. Demirel, “Satellite image de-noising with Harris hawks meta heuristic optimization algorithm and improved adaptive generalized Gaussian distribution threshold function,” IEEE Access, vol. 7, pp. 57459–57468, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
M. Eisazadeh and J. Rezapour, “Multi-objective optimization of the composite sheets using PSO algorithm,” 2017.View at: Google Scholar
I. Bargegol, M. Nikookar, R. V. Nezafat, E. J. Lashkami, and A. M. Roshandeh, “Timing optimization of signalized intersections using shockwave theory by genetic algorithm,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering, vol. 1, pp. 160–167, 2015.View at: Google Scholar
B. Bai, Z. Guo, C. Zhou, W. Zhang, and J. Zhang, “Application of adaptive reliability importance sampling-based extended domain PSO on single mode failure in reliability engineering,” Information Sciences, vol. 546, pp. 42–59, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. Liu, C. Wu, G. Wu, and X. Wang, “A novel differential search algorithm and applications for structure design,” Applied Mathematics and Computation, vol. 268, pp. 246–269, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
X. Zhao, D. Li, B. Yang, C. Ma, Y. Zhu, and H. Chen, “Feature selection based on improved ant colony optimization for online detection of foreign fiber in cotton,” Applied Soft Computing, vol. 24, pp. 585–596, 2014.View at: Publisher Site | Google Scholar
D. Zhao, “Chaotic random spare ant colony optimization for multi-threshold image segmentation of 2D Kapur entropy,” Knowledge-Based Systems, vol. 24, p. 106510, 2020.View at: Google Scholar
H. Chen, A. A. Heidari, H. Chen, M. Wang, Z. Pan, and A. H. Gandomi, “Multi-population differential evolution-assisted Harris hawks optimization: framework and case studies,” Future Generation Computer Systems, vol. 111, pp. 175–198, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
J. Hu, H. Chen, A. A. Heidari et al., “Orthogonal learning covariance matrix for defects of grey wolf optimizer: insights, balance, diversity, and feature selection,” Knowledge-Based Systems, vol. 213, p. 106684, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
G. Sun, B. Yang, Z. Yang, and G. Xu, “An adaptive differential evolution with combined strategy for global numerical optimization,” Soft Computing, vol. 24, pp. 1–20, 2019.View at: Google Scholar
G. Sun, C. Li, and L. Deng, “An adaptive regeneration framework based on search space adjustment for differential evolution,” Neural Computing and Applications, vol. 24, pp. 1–17, 2021.View at: Google Scholar
A. Addeh and M. Iri, “Brain tumor type classification using deep features of MRI images and optimized RBFNN,” ENG Transactions, vol. 2, pp. 1–7, 2021.View at: Google Scholar
F. J. Golrokh and A. Hasan, “A comparison of machine learning clustering algorithms based on the DEA optimization approach for pharmaceutical companies in developing countries,” Soft Computing, vol. 1, pp. 1–8, 2020.View at: Google Scholar
H. Tyagi, P. Phelan, and R. Prasher, “Predicted efficiency of a low-temperature nanofluid-based direct absorption solar collector,” Journal of Solar Energy Engineering, vol. 131, no. 4, 2009.View at: Publisher Site | Google Scholar
S. Rashidi, M. Bovand, and J. A. Esfahani, “Heat transfer enhancement and pressure drop penalty in porous solar heat exchangers: a sensitivity analysis,” Energy Conversion and Management, vol. 103, pp. 726–738, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
N. Akram, R. Sadri, S. N. Kazi et al., “A comprehensive review on nanofluid operated solar flat plate collectors,” Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, vol. 139, no. 2, pp. 1309–1343, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar

Energy and exergy analysis of an enhanced solar CCHP system with a collector embedded by porous media and nano fluid

Year 2021, Volume 7, Issue 6, 1489 – 1505, 02.09.2021

N. TONEKABONI H. SALARIAN M. Eshagh NIMVARI J. KHALEGHINIA https://doi.org/10.18186/thermal.990897

Abstract

The low efficiency of Collectors that absorb energy can be mentioned as one of the drawbacks in solar cogeneration cycles. In the present study, solar systems have been improved by adding porous media and Nanofluid to collectors. One advantage of using porous media and nanomaterials is to absorb more energy while the surface area is reduced. In this study, first, solar collectors are enhanced using 90% porosity copper in solar combined cooling, heating and power systems (SCCHP). Second, different percentages of CuO and Al2O3 nano-fluids are added to a flat plate and parabolic collectors to enhance thermal properties. Simulations are performed in different modes (simple parabolic collectors, simple flat plate collectors, improved flat plate collectors, parabolic collectors with porous media, and flat plate and parabolic collectors with different density of CuO and Al2O3 nanofluids). A case study is investigated for warm and dry regions with mean solar radiation Ib = 820 w / m2 in Iran. The maximum energy and exergy efficiencies are 60.12% and 18.84%, respectively, that is related to enhanced parabolic solar collectors with porous media and nanofluids. Adding porous media and nano-fluids increases an average 14.4% collector energy efficiency and 8.08% collector exergy efficiency.

Keywords

Exergy analysis, Solar cogeneration system, Porous media, Nanofluid

References

[1] Center TU. Annual report on China building energy efficiency. China Construction Industry Press (In Chinese). 2016.
[2] Tonekaboni N, Salarian H, Fatahian E, Fatahian H. Energy and exergy economic analysis of cogeneration cycle of homemade CCHP with PVT collector. Canadian Journal of Basic and Applied Sciences 2015;3:224-233.
[3] Hassan JM, Abdul-Ghafour QJ, Mohammed MF. CFD simulation of enhancement techniques in flat plate solar water collectors. Al-Nahrain Journal for Engineering Sciences 2017;20:751-761.
[4] Sopian K, Daud WR, Othman MY, Yatim B. Thermal performance of the double-pass solar collector with and without porous media. Renewable Energy 1999;18:557-564. https://doi.org/10.1016/S0960-1481(99)00007-5
[5] Feizbahr M, Kok Keong C, Rostami F, Shahrokhi M. Wave energy dissipation using perforated and non perforated piles. International Journal of Engineering 2018;31:212-219. https://doi.org/10.5829/ije.2018.31.02b.04
[6] Tian Y, Zhao CY. A review of solar collectors and thermal energy storage in solar thermal applications. Applied Energy 2013;104:538-553. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2012.11.051
[7] Wang F, Tan J, Wang Z. Heat transfer analysis of porous media receiver with different transport and thermophysical models using mixture as feeding gas. Energy Conversion and Management 2014;83:159-166. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.03.068
[8] Korti AI. Numerical 3-D heat flow simulations on double-pass solar collector with and without porous media. Journal of Thermal Engineering 2015;1:10-23. https://doi.org/10.18186/jte.86295
[9] Sharma N, Diaz G. Performance model of a novel evacuated-tube solar collector based on minichannels. Solar Energy 2011;85:881-890. https://doi.org/10.1016/j.solener.2011.02.001
[10] Tyagi VV, Kaushik SC, Tyagi SK. Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid collector technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews 2012;16:1383-1398. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.12.013
[11] Zhai H, Dai YJ, Wu JY, Wang RZ. Energy and exergy analyses on a novel hybrid solar heating, cooling and power generation system for remote areas. Applied Energy 2009;86:1395-1404. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2008.11.020
[12] Wang J, Dai Y, Gao L, Ma S. A new combined cooling, heating and power system driven by solar energy. Renewable Energy 2009;34:2780-2788. https://doi.org/10.1016/j.renene.2009.06.010
[13] Jing YY, Bai H, Wang JJ, Liu L. Life cycle assessment of a solar combined cooling heating and power system in different operation strategies. Applied Energy 2012;92:843-853. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2011.08.046
[14] Temir G, Bilge D. Thermoeconomic analysis of a trigeneration system. applied thermal engineering. Applied Thermal Engineering 2004;24:2689-2699. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2004.03.014
[15] Wang JJ, Jing YY, Zhang CF. Optimization of capacity and operation for CCHP system by genetic algorithm. Applied Energy 2010;87:1325-1335. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.08.005
[16] Kleinstreuer C, Chiang H. Analysis of a porous-medium solar collector. Heat Transfer Engineering 1990;11:45-55. https://doi.org/10.1080/01457639008939728
[17] Mbaye M, Bilgen E. Natural convection and conduction in porous wall, solar collector systems without vents. Jornal of Solar Energy Engineering 1992;114:40-46. https://doi.org/10.1115/1.2929980
[18] Hirasawa S, Tsubota R, Kawanami T, Shirai K. Reduction of heat loss from solar thermal collector by diminishing natural convection with high-porosity porous medium. Solar Energy 2013;97:305-313. https://doi.org/10.1016/j.solener.2013.08.035
[19] Jouybari HJ, Saedodin S, Zamzamian A, Nimvari ME, Wongwises S. Effects of porous material and nanoparticles on the thermal performance of a flat plate solar collector: an experimental study. Renewable Energy 2017;114:1407-1418. https://doi.org/10.1016/j.renene.2017.07.008
[20] Subramani J, Nagarajan PK, Wongwises S, El‐Agouz SA, Sathyamurthy R. Experimental study on the thermal performance and heat transfer characteristics of solar parabolic trough collector using Al2O3 nanofluids. Environmental Progress & Sustainable Energy 2018;37:1149-1159. https://doi.org/10.1002/ep.12767
[21] Yousefi T, Veysi F, Shojaeizadeh E, Zinadini S. An experimental investigation on the effect of Al2O3–H2O nanofluid on the efficiency of flat-plate solar collectors. Renewable Energy 2012;39:293-298. https://doi.org/10.1016/j.renene.2011.08.056
[22] Tyagi H, Phelan P, Prasher R. Predicted efficiency of a low-temperature nanofluid-based direct absorption solar collector. Journal of Solar Energy Engineering 2009;131:041004. https://doi.org/10.1115/1.3197562
[23] Shojaeizadeh E, Veysi F, Kamandi A. Exergy efficiency investigation and optimization of an Al2O3–water nanofluid based Flat-plate solar collector. Energy and Buildings 2015;101:12-23. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2015.04.048
[24] Tiwari AK, Ghosh P, Sarkar J. Solar water heating using nanofluids–a comprehensive overview and environmental impact analysis. International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering 2013;3:221-224. [25] Akram N, Sadri R, Kazi SN, Zubir MN, Ridha M, Ahmed W, et al. A comprehensive review on nanofluid operated solar flat plate collectors. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry 2020;139:1309-1343. https://doi.org/10.1007/s10973-019-08514-z
[26] Lemington N. Study of solar driven adsorption cooling potential in Indonesia. Journal of Thermal Engineering 2017;3:1044-1051. https://doi.org/10.18186/thermal.290257
[27] Tong Y, Lee H, Kang W, Cho H. Energy and exergy comparison of a flat-plate solar collector using water, Al2O3 nanofluid, and CuO nanofluid. Applied Thermal Engineering 2019;159:113959. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2019.113959
[28] Khanafer K, Vafai K. A critical synthesis of thermophysical characteristics of nanofluids. International Journal of Heat And Mass Transfer 2011;54:4410-4428. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2011.04.048
[29] Farhana K, Kadirgama K, Rahman MM, Ramasamy D, Noor MM, Najafi G, et al. Improvement in the performance of solar collectors with nanofluids—A state-of-the-art review. Nano-Structures & Nano-Objects 2019;18:100276. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2019.100276
[30] Turkyilmazoglu M. Condensation of laminar film over curved vertical walls using single and two-phase nanofluid models. European Journal of Mechanics-B/Fluids 2017;65:184-91. https://doi.org/10.1016/j.euromechflu.2017.04.007
[31] Chen CC, Huang PC. Numerical study of heat transfer enhancement for a novel flat-plate solar water collector using metal-foam blocks. International Journal of Heat And Mass Transfer 2012;55:6734-6756. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.06.082
[32] Huang PC, Chen CC, Hwang HY. Thermal enhancement in a flat-plate solar water collector by flow pulsation and metal-foam blocks. International Journal of Heat and Mass Transfer 2013;61:696-720. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.02.037
[33] Hajipour M, Dehkordi AM. Mixed-convection flow of Al2O3–H O nanofluid in a channel partially filled with porous metal foam: experimental and numerical study. Experimental Thermal and Fluid Science 2014;53:49-56. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2013.11.002
[34] Rashidi S, Bovand M, Esfahani JA. Heat transfer enhancement and pressure drop penalty in porous solar heat exchangers: a sensitivity analysis. Energy Conversion and Management 2015;103:726-738. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.07.019
[35] Manikandan GK, Iniyan S, Goic R. Enhancing the optical and thermal efficiency of a parabolic trough collector–A review. Applied Energy 2019;235:1524-1540. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.11.048

Details

Primary Language	English
Subjects	Engineering
Journal Section	Articles
Authors	N. TONEKABONI This is me Islamic Azad University Nour Branch 0000-0002-1563-4407 IranH. SALARIAN This is me (Primary Author) Islamic Azad University Nour Branch 0000-0002-2161-0276 IranM. Eshagh NIMVARI This is me Amol University of Special Modern Technologies 0000-0002-7401-315X IranJ. KHALEGHINIA This is me Islamic Azad University Nour Branch 0000-0001-5357-193X Iran
Publication Date	September 2, 2021
Application Date	December 28, 2020
Acceptance Date	May 9, 2020
Published in Issue	Year 2021, Volume 7, Issue 6

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Figure 1. Typical road and rail tunnel sections.

터널의 화재 위험을 평가하는 컴퓨터 모델(FASIT)

A Computer Model to Assess Fire Hazards in Tunnels (FASlT)

David A. Charters, W. Alan Gray, Andrew C. McIntosh
Charters is now with NHS Estates in Leeds (previously with AEA Consultancy
Services), and Gray and Mclntosh are with the University of Leeds, England.

Abstract

터널에서 화재 성장 움직임을 시뮬레이션하는 컴퓨터 모델이 설명되고 터널 시스템에 대한 간략한 개요가 표시됩니다. 질량 흐름, 속도, 연기 농도 및 열 전달을 예측하는 방법과 위험 출력 매개 변수 목록이 표시됩니다. 실험에 대한 모델의 유효성 검사와 향후 작업에 대한 가능한 방향도 제시됩니다.

Introduction

최근 도로 및 철도 터널의 화재 안전에 대해 운송 업계와 여행자들 사이에서 많은 우려가 제기되고 있습니다.

1,2,3 터널에서 연소 생성물은 한 방향 또는 두 방향을 제외한 모든 방향으로 제한되어 매우 빠른 연기 이동과 생명에 대한 빠른 위협을 초래할 수 있습니다.

이 분야의 많은 초기 작업은 Thomas에 의해 수행되었습니다. 4,5 AEA Consultancy Services와 University of Leeds의 연료 및 에너지부는 현재 터널의 구멍으로 인한 위험을 예측하는 컴퓨터 모델을 개발 중입니다.

이 모델은 터널 내 설비의 위험과 화재 위험 수준, 화재 방지 시스템의 이점을 평가하는 데 도움이 됩니다.

유사한 ‘구역’ 화재 모델에서 Considine et al. 7은 유해 물질 운송을 포함하는 피트에 대한 모델을 개발했으며 Miclea 등은 터널 환기에 대한 화재의 영향을 평가하고 비상 환기를 논의하는 터널 환기 모델을 개발했으며 Laage 등은 터널 환기 모델을 개발했습니다.

9는 특히 광산 네트워크의 화재에 대한 모델을 개발했습니다. 다른 터널 화재 모델에서 Kumar et al.10 및 Jones et al.11은 터널 화재의 유체 흐름을 예측하기 위해 전산 유체 역학(CFD) 또는 ‘장’ 모델을 사용합니다.

AEA/Leeds University에서 개발 중인 코드는 터널의 화재 위험을 예측하기 위한 더 큰 모델의 일부가 되도록 의도되었습니다.

이 코드는 FASIT(Fire growth And Smoke movement In Tunnels) 모델이라고 합니다.12 FASIT는 구조가 모듈식이므로 화염, 연기, 부력 흐름, 열 전달 등에 대한 개선된 모델을 많은 수의 재작성 없이 통합할 수 있습니다.

Figure 3. Schematic of plume mass flows°

References

Bertrand, A., “Opening Address,”Safety in Road and Rail Tunnels, 1992.
Haack, A., “Fire Protection Traffic Tunnels-Initial Recognitions from Large Scale Tests,”Safety in Road and Rail Tunnels, 1992.
Luchian, S.F., “The Central Artery/Tunnel Project Memorial Tunnel Fire Test Program,”Safety in Road and Rail Tunnels, 1992.
Thomas, P.H., “The Movement of Buoyant Fluid Against a Stream and the Venting of Underground Fires,”Fire Research Note 351/1958, Fire Research Station, U.K., 1958.Google Scholar
Thomas, P.H., “The Movement of Smoke in Horizontal Passages Against an Air Flow,”Fire Research Note 723/1968, Fire Research Station, U.K., 1968.Google Scholar
Charters, D.A., “Fire Risk Assessment in Rail Tunnels,”Safety in Road and Rail Tunnels, 1992.
Considine, M., Parry, S.T., and Blything, K.,Risk Assessments of Hazardous Substances Through Road Tunnels in the United Kingdom, Department of Transport, 1989.
Miclea, P.C. and Murphy, R.E., “Assessment of Emergency Ventilation Capability in Case of Train Fire in a Tunnel Using Subway Environment Simulation (SES) Computer Program,”Proceedings of 4th U.S. Mine Ventilation Symposium, SME, 1989.
Laage, L.W. and Yang, H., “Mine Fire Experiments at the Waldo Mine,”Proceedings of 5th U.S. Mine Ventilation Symposium, SME, 1991.
Kumar, S. and Cox, G.,Mathematical Modeling of Fire in Road Tunnels—Validation of JASMINE Department of Transport, 1986.
Simcox, S., Wilkies, N.S. and Jones, I.P., “Computer Simulation of the Flows of Hot Gases from Fire at King’s Cross Underground Station,”Institution of Mechanical Engineers, 1989.
Charters, D.A., Gray, W. A., and McIntosh, A.C.,FASIT Tunnel Fire Computer Model—Physical Basis, AEA Technology/Leeds University, 1993.
Heskestad, G., “Fire Plumes,”The SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, SFPE/NFPA, 1988, Chapters 1–6.
Drysdale, D.D.,An Introduction to Fire Dynamics, Wiley, 1985.
British Standard (Draft for Development) 180,Guide for the Assessment of Toxic Hazards in Fire in Buildings and Transport British Standards Institution, 1989.
Vantelon, J.P.,et al., Investigation of Fire-Induced Smoke Movement in Tunnels and Stations: An Application to the Paris Metro, Third International Symposium on Fire Safety Science, Elsevier, 1991.
Heselden, A.J.M., “Studies of Fire and Smoke Behavior Relevant to Tunnels,”Current Paper CP66/78, Building Research Establishment, 1978.
Emmons, H.W., “The Ceiling Jet in Fires,”Proceedings of the 3rd International Symposium of Fire Safety Science, Elsevier, 1991.
Carslaw, H.S. and Jaeger, J.C.,Conduction of Heat in Solids, 2nd edition, Oxford University Press, 1959.
Final Report on the Tests in the Ofenegg Tunnel, Commission for Safety Measures in Road Tunnels, Bern, 1965.
Feizlmayr, A.H.,Brandversuche in Einen Tunnel, Bundesministerium für Banten und Technik, Heft 50, Vienna, 1976.Google Scholar
Keski-Rahkonen, O., Holmlund, C., Loikkanen, P., Ludrigsen, H., and Mikkola, E.,Two Full-Scale Pilot Fire Experiments in a Tunnel, VTT Finland, 1986.
Marshall, I.A., Hines, M.A., Cutler, D.P., and Packer, S.D.,Fire Gallery Tests for Non-Metallic Materials Intended for Underground Use Project No. 7255-10/058, CEC, 1984.
Private communication between Beckett, H. (HSE) and Burke, G. (AEA), 1986.
McCaughey, M.N. and Fletcher, D.F.,Simulation of a Fire in a Tunnel, SRD, 1992.
Fletcher, D.F. and Owens, M.P.,Tunnel Fire Modeling Using FLOW 3D: Progress and Suggested Future Work, SRD, 1993.

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Fig. 2. Schematic indication of the separate parts comprising the rotary kiln model, together with the energy fluxes from Eq. (1).

화염 모델링, 열 전달 및 클링커 화학을 포함한 시멘트 가마에 대한 CFD 예측

E Mastorakos Massias ¹C.D Tsakiroglou D.A Goussis V.N Burganos A.C Payatakes ²

Abstract

실제 작동 조건에서 석탄 연소 회전 시멘트 가마의 클링커 형성은 방사선에 대한 Monte Carlo 방법, 가마 벽의 에너지 방정식에 대한 유한 체적 코드 및 클링커에 대한 화학 반응을 포함한 에너지 보존 방정식 및 종에 대한 새로운 코드. 기상의 온도 장, 벽으로의 복사 열유속, 가마 및 클링커 온도에 대한 예측 간의 반복적인 절차는 내부 벽 온도의 분포를 명시적으로 예측하는 데 사용됩니다. 여기에는 열 흐름 계산이 포함됩니다. 수갑. 가스와 가마 벽 사이의 주요 열 전달 모드는 복사에 의한 것이며 내화물을 통해 환경으로 손실되는 열은 입력 열의 약 10%이고 추가로 40%는 장입 가열 및 클링커 형성. 예측은 실제 규모의 시멘트 가마에서 경험과 제한된 측정을 기반으로 한 경향과 일치합니다.

키워드

산업용 CFD, 로타리 가마, 클링커 형성, 복사 열전달, Industrial CFD, Rotary kilns, Clinker formation, Radiative heat transfer

1 . 소개

시멘트 산업은 에너지의 주요 소비자이며, 미국에서 산업 사용자의 총 화석 연료 소비량의 약 1.4%를 차지하며 [1] 일반적인 비에너지 사용량은 제조된 클링커 1kg당 약 3.2MJ [2] 입니다. CaCO ₃ → CaO + CO ₂ 반응이 일어나기 때문입니다., 클링커 형성의 첫 번째 단계는 높은 흡열성입니다. 시멘트 가마에서 에너지를 절약하기 위한 현재의 경향은 일반적으로 길이가 약 100m이고 직경이 약 5m인 회전 실린더인 가마를 떠나는 배기 가스로부터 에너지를 보다 효율적으로 회수하는 것과 저열량 연료의 사용에 중점을 둡니다. 값. 2-5초 정도의 화염 체류 시간을 허용하고 2200K의 높은 온도에 도달하는 회전 가마의 특성은 또한 시멘트 가마를 유기 폐기물 및 용제에 대한 상업용 소각로에 대한 경쟁력 있는 대안으로 만듭니다 [3]. 클링커의 형성이 이러한 2차 액체 연료의 사용으로 인한 화염의 변화로부터 어떤 식으로든 영향을 받지 않도록 하고, 대기 중으로 방출되는 오염 물질의 양에 대한 현재 및 미래 제한을 준수할 수 있도록, 화염 구조의 세부 사항과 화염에서 고체 충전물로의 열 전달을 더 잘 이해할 필요가 있습니다.

최근 시멘트 가마 4 , 5 , 6 , 7 에서 유동장 및 석탄 연소의 이론적 모델링복사 열 전달을 포함한 전산 유체 역학(CFD) 코드를 사용하여 달성되었습니다. 이러한 결과는 시멘트 가마에 대한 최초의 결과였으며 화염 길이, 산소 소비 등과 관련하여 실험적으로 관찰된 경향을 재현했기 때문에 그러한 코드가 수용 가능한 정확도로 대규모 산업용 용광로에 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 킬른과 클링커는 포함하지 않았고, 벽온도의 경계조건은 가스온도와 용액영역의 열유속에 영향을 미치므로 계산에 필요한 경계조건은 예측하지 않고 실험적 측정에 기초하였다. 기상에 대한 CFD 솔루션은 앞으로의 주요 단계이지만 회전 가마를 포괄적으로 모델링하는 데만으로는 충분하지 않습니다.

내화물의 열 전달과 전하에 대한 세부 사항은 다양한 저자 8 , 9 , 10 , 11에 의해 조사되었습니다 . 충전물(보통 잘 혼합된 것으로 가정)은 노출된 표면에 직접 복사되는 열 외에도 전도에 의해 가마 벽에서 가열됩니다. 가장 완전한 이론적 노력에서, 가마 벽 (내화물)에 대한 3 차원 열전도 방정식을 해결하고, 두 개 또는 세 개의 인접하는 영역으로 한정 한 좌표 축 방향에서 어느 방사선 방사선 열전달 영역 모델과 결합 [ 10] 또는 자세히 해결 [11]. 그러나 클링커 형성 중에 일어나는 화학 반응은 고려되지 않았고 기체 상이 균일한 온도로 고정되어 필요한 수준의 정확도로 처리되지 않았습니다.

최종적으로 연소에 의해 방출되는 에너지(일부)를 받는 고체 전하가 화학 반응을 거쳐 최종 제품인 클링커를 형성합니다. 이것들은 [12]에 설명된 주요 특징에 대한 단순화된 모델과 함께 시멘트 화학 문헌에서 광범위한 조사의 주제였습니다 . 그 작업에서, 고체 온도 및 조성의 축 방향 전개를 설명하는 odes가 공식화되고 해결되었지만, 전하에 대한 열유속 및 따라서 클링커 형성 속도를 결정하는 가스 및 벽 온도는 1차원으로 근사되었습니다. 자세한 화염 계산이 없는 모델.

화염, 벽 및 장입물에 대한 위의 이론적 모델 중 어느 것도 회전식 가마 작동을 위한 진정한 예측 도구로 충분하지 않다는 것이 분명합니다. 국부 가스 온도(CFD 계산 결과 중 하나)는 벽 온도에 크게 의존합니다. 클링커 형성은 에너지를 흡수하므로 지역 가스 및 벽 온도에 따라 달라지며 둘 다 화염에 의존합니다. 벽은 화염에서 클링커로의 순 열 전달에서 “중개자” 역할을 하며, 내화재 두께에 따라 환경으로 피할 수 없는 열 손실이 발생합니다. 이러한 상호 의존성은 가마의 거동에 중요하며 개별 프로세스를 개별적으로 계산하는 데 중점을 두었기 때문에 문헌에서 발견된 수학적 모델로는 다루기 어렵습니다.

본 논문에서 우리는 위에 설명된 유형의 세 가지 개별 모델을 결합하여 수행되는 회전식 시멘트 가마에서 발생하는 대부분의 공정에 대한 포괄적인 모듈식 모델을 제시합니다. 우리 작업은 4 , 5 , 6 , 7 에서와 같이 석탄 연소를 위한 다차원 CFD 코드로 기체 상태를 처리합니다 . 10 , 11 에서와 같이 가마 벽의 3차원 열전도 방정식을 풉니다 . 9 , 12 와 유사한 모델로 잘 혼합된 전하 온도 및 조성을 해결합니다.. 3개의 모듈(화염, 벽, 전하)은 내화물에 입사하는 열유속의 축 분포에 대해 수렴이 달성될 때까지 반복적으로 계산됩니다. 충전 온도 및 구성. 따라서 이전 작업에 비해 현재의 주요 이점은 완전성에 있습니다. 이는 가스-킬른-클링커 시스템의 다양한 부분에서 에너지 흐름의 정량화를 통해 킬른 작동에 대한 더 나은 이해를 가능하게 하고 여기에서 사용된 방법을 건조 및 소각과 같은 다른 회전 킬른 응용 분야에 적용할 수 있게 합니다.

이 문서의 특정 목적은 회전식 시멘트 가마에 대한 포괄적인 모델을 제시하고 화염에서 클링커로의 에너지 플럭스와 가마에서 열 손실을 정량화하는 것입니다. 이 문서의 나머지 부분은 다음과 같이 구성됩니다. 2장 에서는 다양한 모델과 해법을 제시하고 3장 에서는 그 결과를 제시하고 논의한다 . 여기에는 본격적인 회전식 시멘트 가마의 제한된 측정값과의 비교가 포함됩니다. 이 논문은 가장 중요한 결론의 요약으로 끝납니다.

2 . 모델 공식화

2.1 . 개요

Fig. 1 은 시멘트 로터리 킬른의 단면을 보여준다. 가마의 회전은 전하의 움직임을 유도하여 후자를 대략적으로 잘 혼합되도록 합니다 [10] , 여기에서 채택할 가정입니다. 우리는 이 코팅을 클링커와 유사한 물리적 특성의 고체 재료로 모델링하여 가마 내화물에 부착된 클링커의 존재를 허용할 것입니다. 우리는 이 층의 두께가 가마를 따라 균일하다고 가정합니다. 이것은 아마도 지나치게 단순화한 것일 수 있지만 관련 데이터를 사용할 수 없습니다. 모델 설명을 진행하기 전에 그림 2 에 개략적으로 표시된 회전식 가마의 다양한 에너지 흐름을 이해하는 것이 중요합니다 .

석탄 연소에 의해 방출되는 에너지(단위 시간당)( Q _석탄 )는 배기 가스(Δ H _가스 )와 함께 가마 밖으로 흘러 가마 벽에 직접 복사( Q _rad ) 및 대류( Q _conv )됩니다. 공급 및 배기 덕트( Q _rad,1 + Q _rad,2 ) 에 대한 축 방향의 복사에 의해 작은 부분이 손실됩니다 . 전하 가마 시스템은 복사( Q _rad ) 및 대류( Q _conv )에 의해 가스로부터 에너지(Δ H _cl )를 흡수 하고 주변으로 열을 잃습니다( Q _손실 ). 전체 에너지 균형에서 개별 항의 계산, 즉(1a)큐석탄=ΔH가스-Q라드-Q전환-Q일, 1-Q일, 2,(1b)큐라드+Q전환=ΔH클+Q손실여기에서 다음 섹션에 설명된 대로 가스, 가마 및 클링커에 대한 이산화 에너지를 국부적으로 해결함으로써 수행됩니다.

2.2 . CFD 코드

가스 운동량, 종 농도 및 에너지의 Favre 평균 방정식은 표준 k – ε 모델을 사용하여 방사 모듈(RAD-3D)과 함께 상업적으로 이용 가능한 축대칭 CFD 코드(FLOW-3D)에 의해 해결됩니다. [13] . 기하학이 실제로 3차원이고 벽 온도의 각도 분포가 존재하지만 합리적인 시간과 현재 워크스테이션에서 완전한 3으로 솔루션을 얻을 수 있도록 기체상을 축대칭으로 취급합니다. -D를 요구하는 해상도로 계산하려면 슈퍼컴퓨터에 의존해야 합니다. FLOW-3D에서 사용되는 다양한 하위 모델의 일부 기능과 벽 경계 조건에 대한 특수 처리는 다음과 같습니다.

2.2.1 . 석탄 연소

Rossin-Rammler 크기 분포(45μm 평균 직경, 1.3 지수 [6] )를 따르는 석탄 입자 는 CPU 시간을 줄이기 위해 솔루션 영역(즉, 확률적 구성 요소 없이)에서 결정론적으로 추적되었지만 분산을 과소 평가하는 단점이 있습니다 . 14] . 입자는 2-반응 모델에 따라 휘발되도록 허용되었고 휘발성 연소는 무한히 빠른 것으로 간주되었습니다. 석탄 연소에 대한 설명의 세부 사항은 FLOW-3D에서 석탄 휘발 및 열분해의 “표준” 상수 집합이 합리적인 결과를 제공하고 Ref. [5] .

2.2.2 . 복사와 대류

가스의 복사 강도는 RAD-3D 모듈을 사용하여 80,000개의 입자로 Monte-Carlo 방법으로 계산되었습니다. 가마는 반경 방향으로 7개, 축 방향으로 19개(크기가 0.1 × 1.0 m와 0.2 × 5.0 m 사이)로 불균일한 구역으로 나뉘었으며 각 구역 에서 방사선 강도가 균일하다고 가정했습니다. 방사선 모듈의 출력은 내부적으로 FLOW-3D에 대한 유체 계산에 인터페이스되고 외부적으로 벽 및 클링커에 대한 코드에 인터페이스되었습니다( 섹션 2.3 섹션 2.4 참조). 방사선 패키지의 이산화된 구역은 CFD 그리드의 셀보다 훨씬 커야 하므로 구역에 온도 평균이 형성될 수 있는 많은 셀이 포함될 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 상대적으로 조잡한 복사 구역의 분해능과 Monte-Carlo 방법의 통계적 특성은 구역의 복사 열유속이 더 미세한 구역화 및 더 많은 입자로 몇 번의 실행에 의해 결정된 바와 같이 최대 약 10%까지 부정확할 수 있음을 의미합니다. 또한 경계면에 입사하는 열유속은 영역 크기보다 미세한 분해능으로 결정할 수 없으므로 복사 열유속은 벽에 인접한 19개 영역 각각의 중심에서만 계산됩니다. 0.15m ^-1 의 흡수 계수는 Ref.[11] . 엄밀히 말하면, 흡수 계수는 국부적 가스 조성과 온도의 함수이므로 균일하지 않아야 합니다. 그러나 가스 조성은 가마의 일부만 차지하는 화염 내에서만 변 하므로( 3절 참조 ) 균일한 흡수 계수를 가정하는 것이 합리적입니다. 또한, 현재 버전의 소프트웨어는 FLOW-3D의 반복 프로세스 동안 이 요소의 자동 재조정을 허용하지 않습니다. 여기서 로컬 가스 특성이 계산되므로 일정하고 균일한 흡수 계수가 필요합니다.

최종적으로, 벽에서 대류 열전달이 플로우 3D 패키지에서 표준 출력 표준 “벽 기능”제형에 혼입 난류 경계층에 대한 식에 기초하고,의 속도 경계 조건과 유사한 K – ε 모델. FLOW-3D 및 RAD-3D에서 입력으로 사용하고 출력으로 계산된 다양한 양은 그림 3에 개략적으로 표시 됩니다.

2.2.3 . 그리드

반경 방향 47개, 축 방향 155개 노드를 갖는 불균일한 격자를 사용하였으며 격자 독립성 연구를 수행한 결과 충분하다고 판단하였다. 유사한 크기의 그리드도 Refs에서 적절한 것으로 밝혀졌습니다. 4 , 5 , 6 , 7 . 매우 높은 축 방향 및 소용돌이 속도로 인해 석탄 버너 유정에 가까운 지역을 해결하기 위해 특별한 주의를 기울였습니다. HP 715/100MHz 워크스테이션에서 이 그리드의 일반적인 CPU 시간은 10시간이었습니다.

2.2.4 . 경계 조건

벽 온도에 대한 경계 조건은 기체상 및 복사 솔버 모두에 필요하다는 것을 인식하는 것이 중요합니다. 아래에서는 4 , 5 , 6 , 7 을 규정하기 보다는 축대칭 그리드에 대한 이 온도 분포를 예측하는 대략적인 방법을 설명합니다 .

내벽 온도 T _w ( R _in , x , ϕ ) 의 각도 분포 가 알려져 있다고 가정합니다 . 그런 다음 전체 3차원 문제를 “동등한” 축대칭 문제로 줄이기 위해 가상의 내벽 온도 T _RAD ( x )는(2)2πε에티4라드(x) = ε클∫0ㄷ티4클(엑스)디ϕ + ε에∫ㄷ2π티4에(아르 자형~에, x, ϕ)디ϕ”효과적인” 경계 조건으로 사용할 수 있습니다. T _RAD ( x )는 방위각으로 평균화된 “복사 가중” 온도입니다. 필요한 경계 조건으로 이 온도를 사용하는 것은 복사가 열 전달을 지배한다는 기대에 의해 동기가 부여됩니다(후반부 확인, 섹션 3.4 ). 따라서 전체 3차원 문제와 이 “유효한” 축대칭 문제에서 가스에서 가마로의 전체 에너지 흐름은 거의 동일할 것으로 예상됩니다. 식 의 사용 (2) 축대칭 코드로 기체상 및 복사장을 계산할 수 있으므로 엔지니어링 워크스테이션을 사용하여 문제를 다루기 쉽습니다.

고려되는 가마의 규모와 온도에서 가스는 광학적으로 두꺼운 것으로 간주될 수 있습니다. 솔루션(나중에 제시됨)은 평균 경로 길이(즉, “광자”의 모든 에너지가 흡수되기 전의 평균 길이)가 약 3.2m임을 보여주며, 이는 가마 내경 4.1m보다 작습니다. 이것은 내벽에 입사하는 복사 플럭스가 국부적 벽과 가스 온도에 강하게 의존하고 더 먼 축 또는 방위각 위치에서 벽의 온도에 약하게만 의존함을 의미합니다. 이것은 기체상에 사용된 축대칭 근사에 대한 신뢰를 줍니다. 그것은 또한 Refs의 “구역 방법”을 의미합니다. 8 , 9 , 10표면에 입사하는 방사선이 1-2 구역 길이보다 더 먼 축 위치와 무관한 것으로 간주되는 경우에는 충분했을 것입니다.

2.3 . 가마 온도

내부 소성로 표면 온도 T _w ( R _in , x , ϕ )는 Eq. 에서 필요합니다 . (2) 및 가마 벽 에너지 방정식의 솔루션 결과의 일부입니다. 각속도 ω로 회전하는 좌표계 에서 후자는 [10] 이 됩니다 .(3)ω∂(ϱ에씨피티에)∂ϕ=1아르 자형∂∂아르 자형에게에아르 자형∂티에∂아르 자형+1아르 자형2∂∂ϕ에게에∂티에∂ϕ+∂∂엑스에게에∂티에∂엑스경계 조건에 따라(3a)r=R~에,Θ<ϕ⩽2π:에게∂티에∂아르 자형=q라드(x)+q전환(엑스),(3b)r=R~에, 0 <ϕ⩽Θ:에게∂티에∂아르 자형=qw–cl(x, ϕ) = hw–cl티클(x)-T에(아르 자형~에, x, ϕ),(3c)r=R밖, 0 <ϕ⩽2π:.케이∂티에∂아르 자형=h쉿티쉿-T∞+ ε쉿티4쉿-T4∞.

전도도, 밀도 및 비열용량에 대한 값은 실제 가마에 사용되는 내화물 재료에 대한 제조업체 정보에서 가져옵니다 [15] . 외부 쉘 온도 T _sh = T _w ( R _out , x , ϕ )는 x 및 ϕ 에 따라 달라질 수 있습니다 .

위 방정식에 대한 몇 가지 의견이 있습니다. 에서는 식. (3a) 에서 열유속의 방위각 의존성이 제거되었습니다. 이전에 언급했듯이 흐름은 광학적으로 두꺼운 것으로 간주됩니다. 즉, 화염이 너무 방사되고 너무 넓기 때문에 벽면 요소가 화염을 가로질러 반대쪽 벽을 “보지” 않습니다. 따라서 q _rad ( x , ϕ ) 의 계산은 다른 각도 위치로부터의 복사를 포함할 필요 없이 T _가스 ( r , x ) 및 로컬 T _w ( R _in , x , ϕ )를 기반으로 할 수 있습니다. 여기부터 q_rad ( x )는 Eq. 의 방위각 평균 온도를 기반으로 하는 축대칭 RAD-3D 솔루션에서 가져옵니다 . (2) , 결과적인 q _rad ( x )는 어떤 의미에서 방위각으로 평균된 열유속입니다. 식 따라서 (3a) 는 우리가 이 열유속을 모든 ϕ 에 등분포한다는 것을 의미합니다 . Eq 에서 q _rad 의 각도 변화를 무시한다는 점에 유의하십시오 . (3a) 는 Refs. [10] 또는 [11] 이 우선되어야 합니다.

소성로와 장입물 사이의 열전달 계수 h _w-cl 은 소성로의 에너지 흐름과 온도를 정확하게 예측하는 데 중요하지만 잘 알려져 있지 않습니다. 500 W / m의 전형적인 값 ^이 K는 여기에 제시된 결과 사용되고있다 [8] . 계산된 T _w ( r , x , ϕ ) 및 T _RAD ( x) 이 계수의 선택에 따라 달라지지만 예측은 질적으로 변하지 않습니다. 껍질에서 대기로의 열 전달은 복사와 별도로 강제 및 자연 대류를 통해 발생합니다. 자연 대류에 대한 열전달 계수는 Ref. [11] , 현재 조건에서 약 5 W/m ² K의 일반적인 값 을 사용합니다. 그러나 쉘에 불어오는 외부 팬은 과열을 피하기 위해 산업에서 종종 사용되며 이러한 효과는 총 h _sh =30 W/m ² K 를 사용하여 여기에서 모델링 되었습니다. 방사율에는 다음 값이 사용되었습니다. ε _w = ε _cl = 0.9 및 ε _sh = 0.8.

식 (3) 은 가마의 방사형 기울기가 훨씬 더 가파르기 때문에 방위각 및 축 전도를 무시한 후 명시적 유한 체적 방법으로 해결되었습니다. 방사형으로 50개 노드와 축 방향으로 19개 노드가 있는 균일하지 않은 그리드가 사용되었으며 회전으로 인한 화염에 주기적으로 노출되는 표면으로 인해 발생하는 빠른 온도 변화를 따르기 위해 내부 표면에서 적절한 방사형 분해능이 사용되었습니다. 동일한 이유로 사용 된 작은 단계(Δ ϕ = π /100)는 가마의 큰 열 관성과 함께 가마 벽 온도가 수렴되도록 하기 위해 2시간 정도의 CPU 시간이 필요했습니다.

2.4 . 수갑

가마에 대한 모델의 마지막 부분은 클링커 온도 및 조성 보존 방정식에 관한 것으로, 축 방향 기울기만 고려하고 전도는 무시합니다.(4)씨피V클디(ϱ클티클)디엑스=−엘wclㄷㅏ클∫0ㄷ큐w–cl(x, ϕ)디ϕ +엘gclㅏ클큐라드(x)+q전환(엑스)−∑나Nsp아르 자형나시간0, 나는에프+씨피티,(5)V클디(ϱ클와이나)디엑스=r나,(6)V클디ϱ클디엑스=−r무엇2,여기서 A _cl 은 속도 V _{cl 로} 흐르는 전하가 덮는 단면적 이며 둘 다 일정하다고 가정하고 L _gcl =2 R _in sin( Θ /2) 전하로 덮인 섹터의 현( 그림 1 ) , L _WCL = Θ R _에서는 , N _SP 화학 종의 수와 r에 _난을 (kg / m의 형성 속도 순 ³ 종의) I를 . 전하의 밀도는 Eq를 감소시킵니다 . (6) CO _{2 에} 대한 질량 손실로 인한하소하는 동안 초기 값은 총 질량 유량이 ϱ _clV _clA _cl 과 같도록 선택되었습니다 . 참고 ρ _(CL)이 있다 하지 전하 느슨하게 포장 된 입자로 이루어지는 것으로 생각 될 수있는 바와 같이, 충전 재료 밀도하지만 벌크 밀도. 우리는 또한 전하의 실제 입상 흐름 패턴을 조사하는 것보다 적은 것은 모델의 신뢰성에 크게 추가되지 않는 임시 설명 [10] 이라고 믿기 때문에 전하의 전도를 무시 합니다. 전하는 CaCO ₃ , CaO, SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , Fe 로 구성된 것으로 가정합니다.₂ O ₃ , C2S, C3S, C3A 및 C4AF로, 마지막 4종은 클링커화 중에 형성된 복합 염에 대해 시멘트 화학자가 사용하는 특수 표기법으로 표시됩니다. 다음과 같은 화학 반응을 가정합니다 [12] .

(나)	CaCO3→높은+무엇2	k = 108특급(−175728/RT)
(Ⅱ)	높은+2SiO2→C2S	k = 107특급(−240000/RT)
(Ⅲ)	높은+C2S→C3S	k = 109특급(−420000/RT)
(IV)	3높은+로2그만큼3→C3A	k = 108특급(−310000/RT)
(V)	4높은+로2그만큼3+철2그만큼3→Q4AF	k = 108특급(−330000/RT)

상기 시행 착오에 의해 선택되는 아 레니 우스 식에 사용되는 사전 지수 인자 및 활성화 온도는 카코에 대한 활성화 에너지를 제외하고, 가마의 출구에서의 전하의 예상 조성물을 얻었다 ₍₃₎ 에서 촬영 한 분해 참조 [16] . 우리는 이러한 반응이 임시 모델임을 강조합니다. 실제로 고체상의 화학반응은 다양한 종의 결정들 사이의 계면에서 일어나며 확산이 제한적 이지만 [17] , 클링커 화학에 대한 상세한 처리는 본 연구의 범위를 벗어난다.

클링커 형성의 마지막 단계로 간주되는 반응 (III)은 고온에서 액상이 존재할 때만 발생합니다. 클링커의 용융은 액체 분획 Y _fus 에 대해서도 해결함으로써 모델링되었습니다 .(7)엘소란V클디(ϱ클와이소란)디엑스=RHS의식(4)만약 T의 _CL이 융해 온도와 같거나보다 커진다 T의 _FUS 와 T의 _FUS 의 = 1560 K. 상한 Y의 _FUS = 0.3 수행 하였다 [17] 상기 식을. (7) 무시되었다.

상미분 방정식, , , , , Gear 방식과 통합되었습니다. 가마 온도에 대한 유한 체적 코드( 2.3절 )와 클링커에 대한 코드는 반복적으로 해결되었으며( 그림 4 ), 이는 벽 클링커 열유속 q _w–cl ( x , ϕ ).

2.5 . 최종 커플링

전체 문제(가스, 가마, 장입)는 반복 방식으로 해결되었습니다. T _RAD 의 균일한 분포에서 시작 하여 기체상은 q _rad ( x ) 및 q _conv ( x ) 의 축 분포를 제공하도록 해결되었습니다 . 이것들은 다음에서 사용되었습니다., , , , , 그 솔루션의 새로운 추정 결과 T _RAD ( X 통해) 식. (2) . 그런 다음 FLOW3D-RAD3D 실행이 6차 다항식 피팅의 계수 형태로 프로그램에 도입된 새로운 경계 조건으로 반복되었습니다. 의 연속 추정치 사이에 0.5 미만의 밑에 이완 인자 T _RAD ( X)는 벽 온도에 대한 복사 열유속의 민감도가 크기 때문에 필요한 것으로 밝혀졌습니다. 일반적으로 HP 715 워크스테이션에서 10일 정도의 총 CPU 시간에 해당하는 내벽 온도(연속 반복이 40K 이상 변하지 않을 때 정의됨)의 수렴을 달성하기 위해 이러한 단계 사이에 약 10번의 반복이 필요했습니다. . 그림 5 는 균일한 값(1600K)에서 시작하여 최종 프로파일까지 T _RAD ( x ) 의 수렴 이력을 보여줍니다 .

2.6 . 가마 조건

사용된 일부 매개변수에 대한 작동 조건 및 값은 표 1 표 2 표 3에 나와 있습니다. 이 값은 시멘트 회전 가마의 전형입니다.

표 1 . 공기 및 석탄 입자 입구 조건

	축	수송	소용돌이	중고등 학년	석탄
m (kg/s)	2.253	1.759	2.910	45.930	4.0
유 (m/s)	77.1	36.5	76.1	12.73	36.5
V (m/s)	−20.7	0	63.9	0	0
W (m/s)	0	0	112.8	0	0
티 (케이)	318	383	318	1273	383

표 2 . 클링커 조성(질량 분율)

	밀가루	가마 입구	가마 출구
m (kg/s)	50.374	39.815	32.775
티 (케이)	−	1100	1785
CACO ₃	0.7947	0.40218	0
높은	0	0.33801	0.0229
그런가 ₂	0.1434	0.18143	0
알 ₂ O ₃	0.0349	0.0442	0
철 ₂ O ₃	0.0270	0.03416	0
C2S	0	0	0.1808
C3S	0	0	0.5981
C3A	0	0	0.0731
Q4AF	0	0	0.1242
소성 인자	0	0.6	1.0

소성 계수 카코의 비율을 ₃ 의 CaO로 변환 된 FARINE있다.

표 3 . 재료 속성 및 기타 매개변수

ω (래드/초)	0.5
V의 _CL (m / s)	0.035
T _∞ (K)	300
h _sh (W/m ² K)	30
h _w–cl (W/m ² K)	500
ε _w , ε _cl	0.9
ε _쉬	0.8
C의 _P (클링커) (킬로 / kg K)	1.5
ϱ _cl (kg/m ³ )	1200
L _fus (kJ/kg)	418.4
c _p (벽) (kJ/kg K)	1.5
ϱ _w (kg/m ³ )	1600–3000
k는 _w (W / m K)	0.6–3.0
석탄 열 방출(kJ/kg)	25475

3 . 결과 및 토론

이 섹션에서는 먼저 화염 구조에 대한 정보와 함께 예측된 공기역학적 패턴의 세부사항을 제시합니다. 소성로 내화물의 온도 분포와 클링커 조성의 변화를 설명합니다. 이 섹션은 가마의 전체 에너지 균형과 가능한 모델 개선에 대한 논의로 끝납니다.

3.1 . 화염 구조

그림 6 은 명확성을 위해 방사상 좌표가 과장된 온도의 등고선 플롯을 보여줍니다. 석탄은 주입 지점에서 약 1m 지점에서 약간 축에서 벗어나 점화되며 최대 화염 온도(약 2400K)는 경험에 따라 약 40m 하류에서 도달합니다 [15] . 완전한 입자 소진에 대한 가장 긴 시간은 버너에서 45m에 해당하는 약 1.4초였습니다. 방사형 온도 프로파일( 그림 7 ) 은 온도의 상당한 불균일성이 있음을 보여주지만 출구 프로파일이 본질적으로 평평해짐에 따라 하류에서 감소합니다. 또한 벽에 인접한 가스가 더 차가운 열 경계층이 존재한다는 것이 분명합니다.석탄 노즐에서 최대 30m까지 벽보다 이것은 이 영역에서 대류에 의한 열 전달이 음(즉, 기체 쪽으로)임을 의미하며, 3.4절 에서 더 자세히 논의된 지점 입니다.

버너 출구 바로 하류에 길이가 약 1 버너 직경인 재순환 구역이 있는데( 그림 8 ), 여기에서 화염이 더 하류에서 발화하기 때문에 소용돌이 안정화 화염 [7] 에서와 같이 화염 안정화에 기여하지 않습니다 . 그러나 액체 연료를 사용할 때는 중요할 수 있으므로 버너에 가까운 그리드의 세부 사항을 강조해야 합니다. 버너에서 처음 몇 미터는 매우 높은 전단력과 높은 난류 에너지 생산을 포함하며 이것이 그리드 미세 조정을 강조하는 또 다른 이유입니다. 휘발성 물질 연소 영역( x =10m, r =1m) 에서 k 및 ε 의 일반적인 예측 값 은 24.3 및 142m ² /s입니다.³ , 각각. 대규모 난류 시간은 171ms이고 Kolmogorov 시간 규모는 1.1ms입니다. 휘발성 물질의 연소는 0.1ms(일반적인 탄화수소 연료) 정도의 시간 규모에서 발생하며, 이는 가마의 소규모 난류 시간보다 10배 더 짧습니다. 따라서 이 흐름에서 연소에 대한 유한 속도 동역학을 포함할 필요는 없으며 “혼합 연소” 근사가 합리적입니다.

3.2 . 가마 온도 분포

중심선에서 계산된 가스 온도, 온도 T _RAD ( x ) 및 클링커 온도는 그림 9 에서 비교됩니다 . 최고 가스 온도는 25~40m 사이에 위치하며 내화 내부 표면 온도도 최고점입니다. 클링커는 놀랍게도 가마에서 나오기 전 마지막 몇 미터 동안 벽보다 뜨겁 습니다. 복사에 의해 내화물에 입사하는 열유속은 대류에 의한 것보다 1-2 배 더 높으며( 그림 10 ) 가마의 처음 10m에 대한 총 열 전달 은 가스를 향 합니다. 이 관찰의 중요성은 나중에 논의됩니다.

대류로 인한 에너지 플럭스는 화염에서 가마까지의 전체 에너지 플럭스의 매우 작은 부분인 것으로 밝혀졌습니다( 그림 10 ). 여기서 예측된 대류의 작은 기여는 Ref. [11] . 그 작업에서 대류 열 전달 계산에 사용된 가스 온도는 가마 단면의 평균이었고 따라서 축 근처에 있는 화염의 기여로 인해 벽 부근의 온도보다 훨씬 높았습니다. . 여기에서 우리는 온도와 가스 속도 및 난류 운동 에너지의 국부적 값을 기반으로 하는 보다 정확한 열전달 계수를 사용했기 때문에 보다 정확한 결과를 기대합니다.

예측된 벽 온도는 모든 방향에서 불균일합니다. Fig. 11 은 가마가 회전함에 따라 화염에 노출되었을 때 벽이 가스에 의해 연속적으로 가열되고 클링커에 열을 공급하여 냉각되는 것을 보여준다. 이것은 약 100K의 일반적인 각도 온도 변화를 갖는 대부분의 가마 길이에 해당됩니다. 대조적으로 버너에 가까우면 벽 은 (0 < ϕ < π /2) 동안 클링커에서 열을 얻고 다음으로 열을 잃 습니다. 노출될 때의 가스( π /2 < ϕ < 2 π ). 벽과 클링커 온도가 같으면서 방위각 변화가 없는 경우가 발생할 수 있습니다( 그림 11 , x = 17.5m). 이 온도 변화가 작은 것으로 간주될 수 있지만 벽에서 클링커까지의 열유속을 계산하는 위치에 있으려면 전체 3차원 내벽 온도 분포를 계산해야 합니다(0 < ϕ 범위에서 발생 < π /2).

그림 12 는 ϕ에 독립적인 외부(쉘) 온도와 함께 고체의 큰 비열로 인해 각도 방향의 변화 영역이 벽으로 약 1cm만 확장됨을 보여줍니다( 그림 12b) .. 벽 온도 방사 분포는 가스 온도, 입사 방사선 및 내화 재료의 특성이 변하기 때문에 축 방향 거리에 따라 달라집니다. 정확한 예측을 위해서는 내화물에 부착된 클링커 코팅의 두께에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 여기에서 우리는 이 코팅을 클링커와 유사한 물성을 가진 균일한 두께의 재료로 취급했습니다. 그러나 이 코팅층의 실제 물리적 특성과 두께 분포에 관한 실험 데이터를 사용하여 예측의 신뢰성이 향상될 것입니다.

마지막으로, 그림 13 은 외부 쉘 온도가 화염 영역에서 최고조에 달하고 대략적으로 실험 경향을 따른다는 것을 보여줍니다 [15] . 외부 가마 외피는 다양한 강철 두께, 방사율(외피 착색으로 인한) 및 열 전달 계수(송풍기 간격으로 인한)를 갖고 가마는 가변 내화 두께(에 의한 침식으로 인해)를 갖기 때문에 정확한 비교는 의미가 없습니다. 클링커), 여기에 사용된 가정과 반대입니다. 전체 규모 가마는 또한 차등 코팅 및 내화 침식으로 인한 최대 ±100K의 쉘 온도 각도 변동을 보여줍니다 [15] . 따라서 우리는 그림 13 의 일치 가 실제 가마의 복잡성을 고려할 때 예상할 수 있는 만큼 우수 하다고 믿습니다 .

이 섹션에 제시된 예측은 가마 내부의 열 전달 경로에 대한 다음 그림을 뒷받침합니다. 대부분의 가마 길이에서 장입물은 화염으로부터의 복사와 벽으로부터의 열 전도에 의해 가열되고 있습니다. 장입물이 내화물보다 더 차갑기 때문입니다. 가마가 회전함에 따라 내화물은 화염에 노출될 때 열을 얻고 이를 클링커에 공급합니다( 그림 11 ). 벽의 이 “재생” 작용은 Refs. 9 , 10 및 현재 결과에서 재현되었습니다. 그러나 버너 근처에서 반대 에너지 흐름이 발생합니다( 그림 11 , 작은 x). 여기의 가스는 아직 충분히 뜨겁지 않아 내화물이나 장입물에 에너지를 공급하지 않습니다. 이 영역에서 벽은 다가오는 전하에 의해 열을 얻으므로 고체가 없을 때보다 더 뜨겁게 유지됩니다. 벽과 전하가 대류와 복사에 의해 가스에 열을 공급합니다. 우리는 이것을 “음의 재생” 작용으로 식별할 수 있으며 가마의 더 높은 온도 영역( x > 15m) 에서 클링커에 의해 흡수된 에너지에 의해 유지됩니다 . 전반적으로 클링커는 x > 15 m 에서 열을 흡수 하고 0 < x < 15 m 에서 일부를 가스로 되돌려 줍니다.

이 상호 작용은 간단하지 않으며 쉽게 예상할 수 없습니다. 이는 예를 들어 고체를 액체 연료로 대체하여 화염을 수정하면 열유속 분포를 변경하여 최종 클링커 온도에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 현재의 포괄적인 모델이 제공하는 세부 사항은 가마에서 이러한 변화를 평가하는 데 도움이 될 것입니다.

3.3 . 클링커 온도 및 조성

클링커 온도( 그림 9 )는 가장 높은 화염 온도에 도달하는 축 방향 위치에서 거의 최고조에 달하며 클링커는 약 1780K에서 킬른에 존재하며 이는 시멘트 킬른에서 실험 측정값에 가까운 값입니다 [15] . 초기 및 최종 클링커 조성은 표 2 에 나와 있으며 실제 가마에서 작동 값에 가깝습니다 [15] . 다양한 클링커 성분의 축방향 분포( 그림 14 )는 완전한 하소를 위해 고체 유입구에서 약 25m, C2S, C3A 및 C4AF 생성을 위해 추가로 10m가 소요됨을 보여줍니다. 첫 번째 액체상은 x 에서 발견됩니다.=50m이고 액화는 경험과 일치하는 예측인 매우 직후에 완료됩니다 [17] . 클링커화 반응(R-III)은 모델에서 액체가 나타날 때 시작되는 것으로 가정되었으며, 그림 14 에서 클링커화에는 나머지 길이의 거의 전체가 완료되어야 한다는 것이 분명 합니다. 예측은 전체적으로 시멘트 가마 운영의 경험과 일치하며 여기에 사용된 화학적 및 물리적 매개변수가 현실적인 값을 가지고 있음을 의미합니다.

3.4 . 글로벌 에너지 균형

전지구적 에너지 균형은 기체상(FLOW-3D 및 RAD-3D에 의한)과 소성로 장입 시스템에 대한 솔루션에서 쉽게 계산할 수 있으며 표 4 에 나와 있습니다. CFD 코드는 방사 모듈과 함께 에너지를 약 2%까지 절약합니다. 작은 것으로 간주되는 이 오류는 주로 RAD-3D의 영역 이산화와 Monte-Carlo 계산의 유한한 입자 수로 인해 발생하는 오류에 기인하며 CPU 시간을 희생하여 개선할 수 있습니다. 소성로-클링커 계산의 정확도는 더 나쁩니다. 소성로-클링커 시스템에 입력되는 에너지의 약 10% 오류( Q _rad + Q _conv )입니다. 이는 수렴된 솔루션이 식 (3) , 그리고 보다 정확한 암시적 솔버에 의해 개선될 수 있습니다.

표 4 . CFD 그리드 및 가마-클링커 조합에 대한 글로벌 에너지 균형

가스	(MW)
Q _라드 , 1	−2.47
Q _라드 , 2	−2.72
큐 _라드	−57.12
Q _전환	0.04
Q _석탄	101.2
Δ H _가스	41.25
균형	2.32

가마 클링커
큐 _라드	57.12
Q _전환	−0.04
Q _손실	−10.45
Δ H의 _CL	40.99
균형	5.64

에너지 흐름의 정의는 그림 2 를 참조하십시오 .

시멘트 회전식 가마의 에너지 사용에 관한 몇 가지 흥미로운 결론은 표 4 의 결과를 통해 얻을 수 있습니다 . 연소에 의해 방출되는 에너지의 약 40%는 전하 가열 및 클링커 형성에 필요하고 약 10%는 내화물을 통해 대기로 손실됩니다. 나머지의 대부분은 본질적으로 배기 가스와 함께 소성로 밖으로 흐릅니다. 이 중 일부는 소성로 외부의 예비 하소기 및 사이클론에서 회수됩니다. 내부 가마 벽과 장입 온도를 자세히 다루는 여기에 제시된 포괄적인 모델에 의존하지 않고는 국지적 가스 온도를 정확하게 예측하고 이에 따라 향후 연구에서 오염 물질 형성을 예측하는 것이 불가능하다는 것이 분명합니다.

3.5 . 논의

여기에 제시된 회전식 시멘트 가마 작동에 대한 포괄적인 모델의 결과는 합리적이며 실험적으로 관찰된 경향을 재현합니다. 이전 모델링 작업에 비해 이 작업의 주요 이점은 가마에서 발생하는 대부분의 물리적 프로세스를 포함한다는 점입니다. 특히, 가스 온도와 클링커로의 열유속 및 이에 따른 클링커 형성을 결정하는 데 가장 중요한 양인 내벽 온도는 실험 데이터를 사용하여 규정된 것이 아니라 예측되었습니다. 이 특정 기능은 현재 모델을 진정한 예측형으로 만듭니다.

우리는 전체 3차원 문제를 공기역학에 대한 “동등한” 축대칭 문제로 줄이는 방법을 포함했습니다( 식 (2) ). 이를 통해 현재 워크스테이션에서 솔루션을 얻을 수 있습니다. 모델의 모듈식 특성, 즉 공기역학, 복사, 가마 및 장입에 대한 별도의 코드는 해당 모듈만 수정하면 다른 회전 가마 응용 프로그램(예: 소각 및 건조)에도 사용할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 고형 폐기물의 소각은 현재 코드로 모델링할 수 있지만 적절한 화학, .

실험 데이터와의 상세한 비교는 이용 가능한 측정이 거의 없고 현지 시멘트 회사에서 제공한 경험적 데이터로 제한되어 매우 어렵습니다 [15] . 비교는 앞서 지적한 바와 같이 출구 클링커 조성과 온도가 산업적 경험( 표 2 ) 이내 이고, 배기 가스 조성은 공장 굴뚝에서 측정된 값에 가깝고(“가짜 공기” 희석을 허용한 후), 가마 외피 온도는 측정 범위 내에 있습니다( 그림 13 ). 이 동의는 모델이 프로세스의 정확한 표현임을 시사합니다.

더 높은 정확도의 예측을 달성하려면 모델의 다양한 부분에서 개선이 필요합니다. 내화물의 정확한 두께(즉, 내화물과 부착된 클링커)를 설정해야 합니다. 이는 가마 벽을 통해 주변으로 열 손실이 발생하여 외부 쉘 온도에 영향을 미치기 때문입니다. 새 내화물이 있는 가마에서 쉘 온도 측정과 자세한 비교가 이루어져야 합니다(불균일한 코팅 두께가 방지되도록). 벽 재료의 물리적 특성(열용량, 밀도, 전도도)의 적절한 값을 사용해야 합니다. 가장 큰 불확실성은 클링커 코팅의 가정된 특성에 관한 것입니다. 내벽 표면의 방사율과 가스의 흡수 계수를 더 자세히 조사해야 합니다. 가마에 입사하는 복사 열유속에 영향을 미치므로 벽 온도에 영향을 줄 수 있습니다. 클링커의 온도는 사용된 비열 용량에 따라 달라지므로 정확한 평가에 각별한 주의가 필요합니다. 화염의 국지적 온도와 종 구성에 대한 지식은 CFD 코드를 검증하는 데 매우 유용할 것이지만 그러한 적대적인 환경에서 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다. 그러한 적대적인 환경에서의 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다. 그러한 적대적인 환경에서의 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다.

이러한 모든 잠재적 개선과 모델과 관련된 불확실성에도 불구하고 가마의 모든 에너지 경로가 적절한 세부 사항으로 모델링되었기 때문에 전체 동작은 최소한 질적으로 정확합니다. 클링커 출구 구성, 쉘 온도 및 배기 가스 구성과 같은 중요한 양은 허용 가능한 정확도로 예측됩니다. 이 모델은 버너, 연료 유형, 품질 및 수량, 예비 하소 수준( 표 2 ) 또는 고형물 유량 등의 변경과 같은 많은 상황에서 산업계에 매우 유용할 것으로 예상됩니다 . 소성로 운영자는 최종 클링커 구성이 여전히 허용 가능하고 현재의 포괄적인 모델이 이 방향에 도움이 될 수 있는지 확인해야 합니다.

4 . 결론

실제 작동 조건에서 석탄 연소 회전 시멘트 가마의 클링커 형성은 석탄 화염과 가마 사이의 열 교환, 가마와 역류 고체 사이의 열 교환, 고형물을 최종 제품(클링커)으로 변환합니다. 방사선에 대한 Monte-Carlo 방법을 포함하는 축대칭 CFD 코드(상용 패키지 FLOW-3D)가 기상에 사용되었습니다. 가마 벽의 온도는 유한 체적 열전도 코드로 계산되었으며 클링커에 대한 종 및 에너지 보존 방정식도 공식화 및 해결되었습니다. 기체 온도 필드에 대한 예측 사이의 반복적인 절차, 벽에 대한 복사 열 유속, 가마 및 클링커 온도는 실험에서 이러한 정보를 사용한 이전 모델링 노력과 달리 내벽 온도 분포를 명시적으로 계산하는 데 사용되었습니다. 접선 좌표에 대한 통합은 CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용되는 “유효” 내벽 온도의 축 분포를 초래했습니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다. CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용됩니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다. CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용됩니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다.

결과는 복사가 가스와 가마 벽 사이의 대부분의 열 전달을 설명하는 반면 내화물을 통한 환경으로의 열 손실은 입력 열의 약 10%를 설명한다는 것을 보여줍니다. 화학 반응과 충전물의 가열은 연소 에너지의 약 40%를 흡수합니다. 따라서 이러한 사항을 반드시 고려해야 합니다. 예측은 실제 규모의 시멘트 가마에서 얻은 경험과 측정값을 기반으로 한 경향과 일치합니다.

감사의 말

이 작업은 과학 및 기술을 위한 그리스 사무국 프로젝트 EPET-II/649의 자금 지원을 받았습니다. Mr.P에게 진심으로 감사드립니다. 시멘트 가마에 관한 지침 및 데이터는 그리스 TITAN SA의 Panagiotopoulos에게 문의하십시오.

References
1 S.R. Turns, An Introduction to Combustion, Concepts and Applications, McGraw-Hill, New York, 1996
Google Scholar
2 V. Johansen, T.V. Kouznetsova, Clinker formation and new processes, Presented at the Ninth International Congress on the Chemistry of Cement, India, 1992; also RAMBOLL Bulletin No. 42, 1993
Google Scholar
3 Basel Convention, UNEP Document No. 93-7758, 1993
Google Scholar
4 N.C Markatos
Mathematical modelling of single and two-phase flow problems in the process industries
Revue de l’Institut Français du Pétrole, 48 (1993), p. 631
View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
5 T. Avgeropoulos, J.P. Glekas, C. Papadopoulos, Numerical simulation of the combustion aerodynamics inside a rotary cement kiln, in: Pilavachi (Ed.), Energy Efficiency in Process Technology, Elsevier, London, 1993, p. 767
Google Scholar
6 F.C. Lockwood, B. Shen, T. Lowes, Numerical study of petroleum coke fired cement kiln flames, Presented at the Third International Conference on Combustion Technologies for a Clean Environment, Lisbon, 1995
Google Scholar
7 F.C. Lockwood, B. Shen, Performance predictions of pulverised-coal flames of power station furnace and cement kiln types, Twenty-Fifth Symposium International on Combustion, The Combustion Institute, 1994 p. 503
Google Scholar
8 P.V Barr, J.K Brimacombe, A.P Watkinson
A heat-transfer model for the rotary kiln: Part II, development of the cross-section model
Metallurgical Transactions B, 20B (1989), p. 403
View Record in ScopusGoogle Scholar
9 V Frisch, R Jeschar
Possibilities for optimizing the burning process in rotary cement kilns
Zement-Kalk-Gips, 36 (1983), p. 549
View Record in ScopusGoogle Scholar
10 A.A Boateng, P.V Barr
A thermal model for the rotary kiln including heat transfer within the bed
Int. J. Heat Mass Transfer, 39 (1996), p. 2131
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
11 M.G. Carvahlo, T. Farias, A. Martius, A three-dimensional modelling of the radiative heat transfer in a cement kiln, in: Carvahlo et al. (Eds.), Combustion Technologies for a Clean Environment, Gordon and Breach, London, 1995, p. 146
Google Scholar
12 H.A Spang
A dynamic model of a cement kiln
Automatica, 8 (1972), p. 309
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
13 CFDS, FLOW-3D Users Manual, AEA Harwell, UK
Google Scholar
14 E Mastorakos, J.J McGuirk, A.M.K.P Taylor
The origin of turbulence acquired by heavy particles in a round, turbulent jet
Part. Part. Syst. Charact., 7 (1990), p. 203
View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
15 P. Panagiotopoulos, TITAN S.A. Cement Company, Personal communication, 1996
Google Scholar
16 M.S Murthy, B.R Harish, K.S Rajanandam, K.Y Ajoy Pavan Kumar
Investigation on the kinetics of thermal decomposition of calcium carbonate
Chem. Eng. Sci., 49 (1996), p. 2198
Google Scholar
17 V. Johansen, Cement production and chemistry, Presented at the Symposium on Cement Manufacturing and Chemistry, Anaheim, November 1989; also RAMBOLL Bulletin No. 41, 1993
Google Scholar
1 Also at Department of Mechanical Engineering, University of Patras, Greece.

2 Also at Department of Chemical Engineering, University of Patras, Greece.

PDF 원문 보기

Fig.(9) Turbulent dissipation for (hs/H)= 0.5, 0.33, 0.25, 0.17and 0.11) for Q = 40 l/s

실험적 및 수치적 계단식 배수로의 에너지 소산 연구

The energy dissipation of Stepped Spillways experimentally and numerically

계단식 여수로는 댐의 통합된 부분인 수압 구조로, 넘침 흐름의 안전한 통과를 허용합니다. 이 논문에서는 에너지 소산을 최대한 활용하기 위해 여수로의 상대적인 계단 높이가 다른 영향을 조사하기 위해 실험적 및 수치적 연구를 수행했습니다.

여수로 위의 흐름 모델링은 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes) 방정식을 푸는 상용 3D CFD 모델인 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다.

FLOW-3D는 에너지 소산율을 분석하고 얻기 위해 사용되었습니다. 최대 에너지 소산을 달성할 수 있는 계단의 최상의 기하학은 관련 문헌을 검토하고 FLOW-3D에서 제안된 모델을 발명하여 결정되었습니다.

결과는 배수로의 상대적 계단 높이(hs/H) = 0.25. FLOW-3D를 사용한 수치모델은 다양한 실험모델에 대한 측정 데이터와 잘 일치하는 것으로 나타났습니다.

^A. ShawkyAwada ,T. Hemdan Nasr-Allah a , Y. Abdallah Mohamed , ^b G. Mohamed Abdel-Aalb.
^a Benah University, Faculty of Engineering, Egypt
^bZagazig University, Faculty of Engineering, Egypt

KEYWORDS

Stepped spillway, FLOW-3D, energy dissipation

Photo (1) general view of laboratory apparatus and flow direction

Photo (2) stepped spillways for (hs/H) =0.17,0.25

Fig.(6) Pressure contours for (hs/H)= 0.5, 0.33, 0.25, 0.17and 0.11) for Q = 40 l/s Fig.(7) Velocity magnitude for (hs/H)= 0.5, 0.33, 0.25, 0.17and 0.11) for Q = 40 l/s

Fig.(8) Flow depth for (hs/H)= 0.5, 0.33, 0.25, 0.17and 0.11) for Q = 40 l/s

REFERENCE

1- A. Hazzab, C. Chafi (2006),” Experimental investigation of flow and energy dissipation in stepped spillways “,
Larhyss Journal, ISSN 1112-3680,vol. 05, pp.91-104.
2- H. Chanson and S. Felder (2007), “Dynamic Similarity and Scale Effects in Turbulent Free-Surface Flows above
Triangular Cavities”, 16th Australasian Fluid Mechanics Conference Crown Plaza, Gold Coast, Australia.
3- G.A. Barani, M.B. Rahnama and N. Sohrabipoor (2005), “Investigation of Flow Energy Dissipation over Different
Stepped Spillways”, American Journal of Applied Sciences 2 (6): 1101-1105, ISSN 1546-9239.
4- Iman Naderi Rad and Mehdi Teimouri (2010),”An Investigation of Flow Energy Dissipation in Simple Stepped
Spillways by Numerical Model”, European Journal of Scientific Research ISSN 1450-216X Vol.47 No.4, pp.544-553.
5- Felder, S., and Chanson, H. (2011). “Energy Dissipation down a Stepped Spillway with Non-Uniform Step
Heights.” Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 137, No. 11, pp. 1543-1548 (DOI 10.1061/(ASCE)HY.1943-
7900.0000455) (ISSN 0733-9429).
6- Hubert Chanson (2008), “Physical modeling scale effects and self similarity of stepped spillways flows”, World
Environmental and Water Resources Congress, Ahupua’a.
7- Chanson, H., YASUDA, Y., and OHTSU, I. (2002). “Flow Resistance in Skimming Flows and its Modelling.” Can
Jl of Civ. Eng., Vol. 29, No. 6, pp. 809-819 (ISSN 0315-1468).

8- Chanson (2004), Hydraulics of stepped chutes: The transition flow, Journal of Hydraulic Research Vol. 42, No. 1 ,
pp. 43–54.
9- Moussa Rassaei, Sedigheh Rahbar (2014), Numerical flow model stepped spillways in order to maximize energy
dissipation using FLUENT software, IOSR Journal of Engineering (IOSRJEN) www.iosrjen.org ISSN (e): 2250-3021,
ISSN (p): 2278-8719 Vol. 04, Issue 06 , PP 17-25.
10- Jean G Chatila & Bassam R Jurdi (2004), Stepped Spillway as an Energy Dissipater, Canadian Water Resources
Journal Vol. 29(3): 147–158 .
11- A.H. Nikseresht, N. Talebbeydokhti and M.J. Rezaei, (2013), Numerical simulation of two-phase flow on steppool spillways, Scientia Iranica A ,20 (2), 222–230.
12- Khosro Morovati , Afshin Eghbalzadeh and Saba Soori,(2016), Numerical Study of Energy Dissipation of Pooled
Stepped Spillways, Civil Engineering Journal , Vol. 2, No. 5.
13- Abbas Mansoori , Shadi Erfanian and Farhad Khamchin Moghadam (2017), A Study of the Conditions of Energy
Dissipation in Stepped Spillways with Λ -shaped step Using FLOW-3D, Civil Engineering Journal Vol. 3, No. 10,
October, 2017

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View of King Edward Memorial Park Foreshore interception structures and approach to vortex drop shaft - Courtesy of Mott MacDonald

Thames Tideway Tunnel – East Contract – Hydraulic Modelling

수력 구조물의 수력 설계 및 모델링 경험 (Experiences in the hydraulic design and modelling of the hydraulic structures)

CFD Modelling: View of Earl Pumping Station interception structures and approach to vortex drop shaft - Courtesy of Mott MacDonald — CFD Modelling: View of Earl Pumping Station interception structures and approach to vortex drop shaft – Courtesy of Mott MacDonald

템스 타이드웨이 터널은 주로 템스 강 아래 런던 중심부를 통과하는 새로운 저장 및 이송 터널입니다. 최대 지름 7.2m의 길이약 25km에 달하는 주요 터널은 서쪽액톤에서 동쪽의 수도원 밀스까지 운행됩니다. 이 프로젝트의 목적은 템스 강에 도달하기 전에 결합된 하수 흐름을 가로채고 저장하여 가장 오염이 많은 복합 하수 오버플로(CSOS)의 34개 를 제어하는 것입니다. 템스 타이드웨이 터널은 베크턴 하수 처리 작업에서 치료를 위해 흐름을 수송할 수도원 밀스의 리 터널에 연결됩니다. CSO 현장에서는 소용돌이 낙하 샤프트와 같은 가로채기 및 전환 구조물이 근처 표면 하수 네트워크에서 깊은 저장 터널로 결합된 하수 흐름을 수송합니다.

East main works

터널을 납품하는 회사인 Tideway는 프로젝트를 세 부분으로 분리했습니다. 동쪽 구간은 프로젝트의 가장 깊은 부분이며, 65m 깊이에 도달합니다. 버몬드시의 챔버 부두는 애비 밀스 (Abbey Mills)에 이르는이 5.5km 터널 섹션의 주요 드라이브 사이트입니다. 동부 개발에는 그리니치 펌핑 스테이션에서 챔버 스워프의 주요 터널까지 약 4.5km의 5m 내부 직경 연결 터널이 포함되어 있습니다.

4개의 드롭 샤프트가 현재 설계 및 제작 중입니다. 이들은 24-36m ³/s 범위의 설계 흐름을 가지며 차단 및 전환 구조, 터널 격리 게이트 및 플랩 밸브가 있는 밸브 챔버, 와류 발생기 입구 구조, 와류 드롭 튜브 및 에너지 소산 및 탈기 챔버를 포함한 유압 구조로 구성됩니다.

The challenge/ hydraulic modelling

이러한 새로운 구조의 설계는 수많은 엔지니어링 문제에 직면해 있습니다. 최대 36m³/_s의 대규모 설계 유량은 기존 네트워크에 부정적인 영향을 미치거나 기존 CSO를 통해 유출되지 않고 완전히 캡처되어 터널로 안전하게 전달되어야 합니다.

또한 복잡한 흐름 패턴이 발생하는 수축된 설계와 시스템의 올바른 작동을 위해 필요하고 불리한 유체 역학 조건으로부터 보호해야 하는 기계 플랜트의 필요성을 초래하는 공간 제약이 있습니다. 또한, 소용돌이 낙하 샤프트 내부에 최대 50m까지 떨어지는 흐름에 의해 생성되는 많은 양의 에너지는 터널로 전달하기 전에 안전하게 소멸되고 유동을 제거해야합니다.

이러한 과제를 해결하기 위해 프로젝트 팀은 물리적 스케일 모델링과 함께 CFD(계산 유체 역학) 모델링을 광범위하게 사용했습니다.

CFD 모델링: 얼 펌핑 스테이션 소용돌이 드롭 샤프트 및 저장 터널 의 보기 - Courtesy of Mott MacDonald — CFD 모델링: *arl Pumping Station* 소용돌이 드롭 샤프트 및 저장 터널 의 보기 – Courtesy of Mott MacDonald

전산 유체 역학 모델링

CFD는 초기 설계 단계에서 사용되는 주요 유압 모델링 도구로, 모든 유압 구조를 모델링하고, 설계 수정을 통합하고, 결과를 신속하게 시각화 및 분석하고, 성능을 마무리할 수 있는 기능을 제공했습니다.

제안된 설계의 3D 건물 정보 모델링(BIM) 형상을 CFD 소프트웨어로 전송하여 CFD 유체 도메인에 대한 형상을 생성하는 데 필요한 시간을 줄였습니다.

FlowScience Inc에서 개발한 Flow 3D가 주요 모델링 플랫폼으로 활용되었습니다. 이 소프트웨어는 공기-물 인터페이스를 추적하기 위해 유체 체적 방법을 적용하여 자유 표면 흐름을 정확하게 모델링하는 기능이 있습니다.

입방 격자를 사용한 3D 구조형 메쉬를 사용하였고, 레이놀즈평균 Navier-Stokes 접근법을 표준 k-omega 난기류 모델로 사용하여 난류를 해석하였습니다.

메쉬 해상도에 대한 민감도 분석이 수행되었고 계산 메쉬의 적합성에 대한 추론을 허용하기 위해 이전 개념 단계 구조의 물리적 스케일 모델링에서 사용 가능한 결과와 비교되었습니다. 와류 발생기 및 드롭 튜브의 목과 같이 급격한 기울기가 발생하는 영역의 메쉬에 특별한 주의를 기울였습니다.

전체 메쉬 해상도와 계산 효율성 간의 균형은 설계 목적을 위해 충분히 정확하지만 설계 프로그램 목표를 충족하는 시간 척도 내에서 결정적으로 중요한 솔루션을 생성하는 데 필요했습니다.

CFD 모델이 수렴되면 결과가 시각화되었습니다. 주요 산출물에는 구조 전체에 걸친 상세한 수위, 크기와 벡터, 흐름 유선이 있는 속도 플롯이 포함되었습니다. CFD 모델에 의해 생성된 데이터는 유동장의 거동을 이해하는 데 매우 유용했으며 이러한 결과를 분석하여 설계가 어떻게 수행되고 있는지에 대한 결론을 내릴 수 있었습니다.

View of King Edward Memorial Park Foreshore drop shaft and energy dissipation chamber - Courtesy of Mott MacDonald — View of King Edward Memorial Park Foreshore drop shaft and energy dissipation chamber – Courtesy of Mott MacDonald

물리적 스케일 유압 모델링

물리적 규모의 수력학적 모델링은 작동 조건의 전체 범위에 걸쳐 설계의 수력학적 성능을 종합적으로 평가하고 설계 개선 사항을 알리고 테스트하는 데 사용되었습니다.

프로그램의 효율성을 위해 수력구조물의 설계가 잘 진행된 단계에서 물리적인 규모의 모델링을 수행하였다. CFD 모델링은 이미 수행되어 설계의 전체 성능에 대한 확신을 제공했습니다. 주요 구조 부재도 MEICA 공장을 위해 크기가 조정되었고 설계 공간이 확보되었습니다.

설계 개발의 이 단계에서 물리적 모델링을 수행하는 것은 시간이 많이 소요되는 물리적 모델에 필요한 주요 변경의 위험을 줄이는 것을 목표로 했습니다. 또한 모델 테스트가 수력 구조의 최종 의도 설계를 가능한 한 가깝게 반영하도록 했습니다.

물리적 모델링을 위해 두 개의 사이트가 선택되었으며, 주로 공간 제약으로 인해 유압 구조의 설계가 더 복잡했습니다. 이러한 사이트는 다음과 같은 사이트였습니다.

그리니치 펌핑 스테이션은 1:10 규모의 전체 작업 현장 모델이 건설되었습니다.
CSO 차단 구조의 모델이 수행된 King Edward Memorial Park 및 Foreshore는 1:10 축척으로, 드롭 샤프트 에너지 소산 및 탈기 챔버의 별도 모델은 1:12 축척으로 구축되었습니다.

모델은 실험실 시설에서 전문 하청 업체 BHR 그룹에 의해 구축 및 테스트되었습니다. 모델은 최신 디자인 BIM 모델에서 생성된 모델 도면을 사용하여 주로 퍼스펙스와 합판으로 구축되었다. 모델 시공승인을 받기 전에 도면은 실험실에서 유압 구조물의 정확한 복제본을 보장하기 위해 BIM 모델에 대한 엄격한 치수 검사를 받았습니다.

Model of King Edward Mermorial Park and Foreshore energy dissipation chamber in operation - Courtesy of Mott MacDonald & BHR Group — Model of King Edward Mermorial Park and Foreshore energy dissipation chamber in operation – Courtesy of Mott MacDonald & BHR Group

중력의 힘이 이러한 구조에서 개방 채널 유체 흐름을 지배하기 때문에 유사성을 보장하기 위해 프로토타입(전체 규모 설계) 및 축소된 축소 모델에서 Froude 수를 동일하게 유지하는 것이 중요합니다. 따라서 Froude 수의 동일성을 유지하기 위해 모델을 유속으로 작동했습니다. 규모는 또한 모든 흐름 조건에서 흐름이 완전히 난류임을 보장할 수 있을 만큼 충분히 커야 했으며 이는 모델의 다른 부분에서 흐름의 레이놀즈 수를 추정하여 확인했습니다.

축소된 물리적 모델에서는 모든 스케일 효과를 제거할 수 없습니다. 표면 장력은 비례하지 않기 때문에 프로토타입과 모델의 Weber 수(초기 힘과 표면 장력 사이의 비율을 나타냄)가 다르고 둘 사이의 액체 상태에 포함된 공기의 양도 다릅니다. 이것은 방법의 한계로 인식되고 이해되며 공기 동반 결과에 스케일링 계수를 적용하여 해결되었습니다.

이 모델은 작동 사례를 설정하는 미리 정의된 테스트 매트릭스에 따라 테스트를 거쳤습니다. 여기에는 다양한 흐름 사례와 저장 터널 꼬리 수위가 포함됩니다. 유량은 보정된 기기로 엄격하게 제어되었으며, 필요한 경우 모델로의 유량은 관심 영역의 유량이 유입구 조건에 의해 인위적으로 영향을 받지 않도록 조절되었습니다.

흐름의 동작을 관찰하고 기록했습니다.

수위는 압력 태핑을 통해 또는 모델 측벽의 수직 눈금을 통해 시각적으로 기록되었습니다.
플로우 패턴은 염료 추적기의 도움을 받아 시각적으로 기록되었습니다.

특히 관심의 한 측면은 소용돌이 흐름이었다. 소용돌이 발생기및 소용돌이 낙하튜브를 통한 흐름에 대한 상세한 관찰은 흐름이 안정적이고, 맥동과 도미 효과가 없는지, 그리고 흐름 범위 전반특히 관심의 한 측면은 소용돌이 흐름이었습니다. 와류 발생기 및 와류 드롭 튜브를 통한 흐름에 대한 자세한 관찰은 흐름이 안정적이고 맥동 과도 효과가 없으며 와류 흐름이 드롭 튜브에서 잘 형성되어 흐름 범위 전체에 걸쳐 안정적인 공기 코어를 유지하면서 관찰되었습니다.

(left) Physical model of Greenwich Pumping Station interception chamber flap valves in operation and (right) physical model of Greenwich PS internal structures for energy dissipation within the shaft - Courtesy of Mott MacDonald and BHR Group — (left) Physical model of Greenwich Pumping Station interception chamber flap valves in operation and (right) physical model of Greenwich PS internal structures for energy dissipation within the shaft – Courtesy of Mott MacDonald and BHR Group

와류 발생기에서 임계유량이 발생하기 때문에 확실한 수두-방전 관계가 설정되어 수위를 판독하여 유량을 측정할 수 있는 기회를 제공합니다. 와류 발생기에 대한 접근 암거에 위치한 압력 탭핑은 유속 범위에 걸쳐 수심 값을 기록하여 각 방울 구조에 대해 수두 방출 곡선을 도출할 수 있도록 했습니다. 프로토타입에서 이 지점에서 수집된 레벨 신호는 흐름을 계산하고 격리 게이트를 제어하는 데 사용됩니다.

흐름이 와류 드롭 튜브 아래로 수 미터 떨어지고 드롭 샤프트의 바닥에 있는 물 풀로 충돌할 때 공기가 물 속으로 동반됩니다. 터널 시스템에서 발생하는 압축 공기 주머니와 저장 용량 감소 문제를 피하기 위해 드롭 샤프트에서 저장 터널로 전달되는 공기의 양을 최소화하는 것이 중요합니다. 이 목적을 달성하기 위해, 드롭 샤프트의 베이스가 흐름의 에너지 소산 및 탈기 기능을 수행하는 것이 매우 중요합니다. 이것은 충분한 체적을 제공하도록 샤프트의 크기를 조정하고 다음과 같은 흐름을 조절하기 위해 샤프트 내부 벽을 설계함으로써 달성되었습니다.

플런지 풀이 형성되었습니다.
샤프트의 흐름 경로/유지 시간은 가능한 한 오래 지속됩니다.
샤프트 의 베이스의 특정 영역은 위쪽 흐름 경로를 촉진합니다.

이러한 조치는 떨어지는 물의 에너지가 소멸되고 공기가 가능한 한 흐름에서 분리되도록 하는 것을 목표로 하고 저장 터널로 전달됩니다.

에너지 소산 및 탈기 구조의 성능을 평가하기 위해 드롭 샤프트에서 저장 터널을 통과하는 공기 흐름을 물 변위 방법으로 측정했습니다. 흐름에 혼입된 정확한 양의 공기를 보장하기 위해 모델은 와류 드롭 튜브의 전체 높이를 통합했습니다. 설계의 허용 기준에 대해 최대 기류는 최대 설계 수류의 백분율로 정의된 미리 정의된 값으로 제한되었습니다. 스케일 효과를 설명하기 위해 모델에서 허용 가능한 최대 기류량은 프로토타입에 비해 약 6배 감소했습니다.

hysical model of Greenwich PS showing energy dissipation chamber and entrance to connection tunnel - Courtesy of Mott MacDonald and BHR Group — hysical model of Greenwich PS showing energy dissipation chamber and entrance to connection tunnel – Courtesy of Mott MacDonald and BHR Group

물리적 규모 모델링은 또한 구조물을 통한 퇴적물의 이동성을 테스트했습니다. 이는 하수 네트워크에서 발생하는 예상 입자 크기 분포와 일치하도록 조정된 모의물의 양으로 모델에 투여함으로써 달성되었습니다.

모델의 설계 개선은 주로 탈기 성능을 개선하기 위한 샤프트 내부 구조의 조정, 퇴적물 이동성을 돕기 위한 벤치 및 기타 조치의 포함으로 구성되었습니다. 이러한 개선 사항은 재테스트를 통해 확인된 다음 설계에 통합되었습니다. 물리적 모델링의 데이터는 관찰된 좋은 일치와 함께 CFD 모델링의 결과와 비교되었습니다.

최종 모델링 결과는 흐름이 기존 하수 네트워크에서 전환되는 위치 근처에서 큰 난류가 발생하는 반면 차단 챔버는 이 에너지를 부분적으로 소산할 수 있을 만큼 충분히 크기가 지정되었으며 특정 수력 설계 요소를 포함하면 문제가 있는 유압 거동이 기계 장비 근처에서 관찰되었습니다. 더 높은 유속에서 일부 공기 동반 와류는 유체의 대부분에 형성됩니다. 그러나 이러한 높은 폭풍 유속의 간헐적인 특성을 고려할 때 콘크리트 구조물의 열화를 일으킬 것으로 예상되지는 않았습니다. 결과는 또한 구조가 최대 설계 흐름을 Thames Tideway Tunnel로 전환하여 기존 보유 CSO를 통한 유출을 방지할 수 있음을 나타냅니다. 차단실과 와류 낙하축을 연결하는 선형 연결 암거는 흐름 조절에 긍정적인 영향을 미쳤고 소용돌이 낙하 튜브의 작동은 흐름 범위에 걸쳐 안정적인 것으로 관찰되었습니다.

Conclusions

Thames Tideway Tunnel의 수력 구조물 설계에는 복잡한 3D 난류 유동 거동이 포함되며 설계 단계에서 고급 수력 모델링 도구를 사용해야 합니다. CFD 모델링을 통해 제안된 설계를 테스트하고 수정할 수 있으므로 설계 흐름이 필요한 성능 매개변수 내에서 안전하게 수용됩니다.

이 프로젝트에서 CFD를 활용한 주요 이점은 비교적 짧은 시간에 수력학적 모델링을 수행할 수 있는 능력, 생성된 데이터의 유용성 및 시각화할 수 있는 능력이었습니다. 이는 설계를 알리고 확인하는 데 도움이 되었습니다. CFD 모델링은 제한된 도시 환경 내에서 설정된 이러한 수력학적 구조를 설계하는 데 유용한 도구였습니다.

Physical Modelling – View of King Edward Memorial Park and Foreshore Energy Dissipation Chamber - Courtesy of Mott MacDonald and BHR Group — Physical Modelling – View of King Edward Memorial Park and Foreshore Energy Dissipation Chamber – Courtesy of Mott MacDonald and BHR Group

구조의 중요성으로 인해 물리적 모델링이 수행되어 결과에 대한 신뢰도를 높이고 CFD가 한계를 나타내는 수력 성능 측면을 추가로 연구했습니다. 물리적 모델은 이해 관계자에게 구조 내부에서 흐름이 어떻게 수행되고 있는지 정확히 보여주기 위해 유용한 것으로 입증되었습니다. 또한, 모델 테스트가 대부분 최종 설계를 반영한다는 점을 감안할 때 구조물의 수력 성능에 대한 기록이 유지됩니다.

Timescale

5개 샤프트 중 4개에 대한 굴착이 진행 중이거나 완료되었으며 1차 기초 슬래브와 2차 라이닝이 올해 말 전에 샤프트에 부어질 것입니다. 주 터널인 Selina의 TBM은 2020년 터널링이 시작되어 연말에 현장으로의 마지막 여정을 시작할 것입니다.

The editor and publishers thank Ricardo Telo, Senior Hydraulic Engineer, and Tejal Shah, Senior Mechanical Engineer, both with Mott MacDonald, for providing the above article for publication.

첨부 파일

템스 – 타이드웨이 이스트 (2019) (3 MB)

원추형 중앙 배플 수로의 CFD 시뮬레이션

CFD Simulations of Conical Central Baffle Flumes

Abstract

Ankur Kapoor; Aniruddha D. Ghare; and Avinash M. Badar

원추형 중앙 배플 수로는 개방 채널에서 임시 유량 측정을 위한 효과적인 솔루션을 제공합니다.

원추형 중앙 배플 수로는 원뿔 모양의 장애물 또는 열린 수로의 중심에서 수직으로 향하는 중앙 배플로 구성됩니다. 본 연구에서, 원추형 중앙 배플 수로를 사용하여 개방 채널에서 유량 측정을 위해 이전에 개발된 배출 예측 모델은 더 넓은 적용 범위를 커버하기 위해 직사각형 및 사다리꼴 채널에서 사용하기 위해 실험적으로 재 보정되었습니다.

제안된 보정 방정식은 FLOW-3D를 사용한 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션 결과를 사용하여 확장된 범위의 흐름 및 기하학적 매개변수에 대해 검증되었습니다.

시뮬레이션 연구는 두 단계로 수행됩니다. 첫 번째 단계는 시뮬레이션의 수면 프로파일과 동일한 배출 및 흐름 조건에 대한 실험 흐름을 비교하여 설정한 정의된 시뮬레이션 문제의 검증입니다.

두 번째 단계는 무차원 방전 및 측면 경사(중1= 0중1=0, 0.50, 1.00 및 1.50). 80% 미만의 수중에서 방전 예측의 오류는 평균값이 거의 3%로 항상 10% 미만인 것으로 나타났습니다.

CFD 분석 결과에 따르면 보정된 배출 예측 모델의 사용은 수중 한계 80%까지 권장되었으며, 그 이상에서는 오차가 10% 이상인 것으로 나타났습니다.

Conical central baffle flumes present an effective solution for temporary flow measurements in open channels. A conical central baffle flume consists of a cone-shaped obstruction, or a central baffle, oriented vertically at the center of an open channel. In the present study, a previously developed discharge prediction model for flow measurements in open channels using the conical central baffle flumes has been experimentally recalibrated for use in rectangular and trapezoidal channels to cover a wider application range. The proposed calibration equation has been validated for an extended range of flow and geometrical parameters using the results of computational fluid dynamics (CFD) simulations using Flow-3D. The simulation studies are carried out in two steps. The first step is the validation of the defined simulation problem set up by comparing the water surface profiles of the simulation and experiment flows for the same discharge and flow conditions. The second step is the validation of the proposed discharge prediction model for the extended range (0–0.50) of the dimensionless discharge and side slopes (m1=0m1=0, 0.50, 1.00, and 1.50). It is found that for submergence less than 80%, the error in discharge prediction is always less than 10% with a mean value of nearly 3%. Based on the results of the CFD analysis, the use of the calibrated discharge prediction model has been recommended up to a submergence limit of 80%, beyond which the errors are found to be greater than 10%.

ASCE Library CFD Simulations of Conical Central Baffle Flumes | Journal of Irrigation and Drainage Engineering | Vol 148, No 2

Channel Flow Measurement Using Portable Conical Central Baffle | Journal of Irrigation and Drainage Engineering | Vol 145, No 11

Figure 2. (a) Scanning electron microscopy images of Ti6Al4V powder particles and (b) simulated powder bed using discrete element modelling

Laser Powder Bed에서 Laser Drilling에 의한 Keyhole 형성 Ti6Al4V 생체 의학 합금의 융합: 메조스코픽 전산유체역학 시뮬레이션 대 경험적 검증을 사용한 수학적 모델링

Keyhole Formation by Laser Drilling in Laser Powder Bed Fusion of Ti6Al4V Biomedical Alloy: Mesoscopic Computational Fluid Dynamics Simulation versus Mathematical Modelling Using Empirical Validation

Asif Ur Rehman 1,2,3,*
,† , Muhammad Arif Mahmood 4,*
,† , Fatih Pitir 1
, Metin Uymaz Salamci 2,3
,
Andrei C. Popescu 4 and Ion N. Mihailescu 4

Abstract

LPBF(Laser Powder Bed fusion) 공정에서 작동 조건은 열 분포를 기반으로 레이저 유도 키홀 영역을 결정하는 데 필수적입니다. 얕은 구멍과 깊은 구멍으로 분류되는 이러한 영역은 LPBF 프로세스에서 확률과 결함 형성 강도를 제어합니다.

LPBF 프로세스의 핵심 구멍을 연구하고 제어하기 위해 수학적 및 CFD(전산 유체 역학) 모델이 제공됩니다. CFD의 경우 이산 요소 모델링 기법을 사용한 유체 체적 방법이 사용되었으며, 분말 베드 보이드 및 표면에 의한 레이저 빔 흡수를 포함하여 수학적 모델이 개발되었습니다.

동적 용융 풀 거동을 자세히 살펴봅니다. 실험적, CFD 시뮬레이션 및 분석적 컴퓨팅 결과 간에 정량적 비교가 수행되어 좋은 일치를 얻습니다.

LPBF에서 레이저 조사 영역 주변의 온도는 높은 내열성과 분말 입자 사이의 공기로 인해 분말층 주변에 비해 급격히 상승하여 레이저 횡방향 열파의 이동이 느려집니다. LPBF에서 키홀은 에너지 밀도에 의해 제어되는 얕고 깊은 키홀 모드로 분류될 수 있습니다. 에너지 밀도를 높이면 얕은 키홀 구멍 모드가 깊은 키홀 구멍 모드로 바뀝니다.

깊은 키홀 구멍의 에너지 밀도는 다중 반사와 키홀 구멍 내의 2차 반사 빔의 집중으로 인해 더 높아져 재료가 빠르게 기화됩니다.

깊은 키홀 구멍 모드에서는 온도 분포가 높기 때문에 액체 재료가 기화 온도에 가까우므로 얕은 키홀 구멍보다 구멍이 형성될 확률이 훨씬 높습니다. 온도가 급격히 상승하면 재료 밀도가 급격히 떨어지므로 비열과 융해 잠열로 인해 유체 부피가 증가합니다.

그 대가로 표면 장력을 낮추고 용융 풀 균일성에 영향을 미칩니다.

In the laser powder bed fusion (LPBF) process, the operating conditions are essential in determining laser-induced keyhole regimes based on the thermal distribution. These regimes, classified into shallow and deep keyholes, control the probability and defects formation intensity in the LPBF process. To study and control the keyhole in the LPBF process, mathematical and computational fluid dynamics (CFD) models are presented. For CFD, the volume of fluid method with the discrete element modeling technique was used, while a mathematical model was developed by including the laser beam absorption by the powder bed voids and surface. The dynamic melt pool behavior is explored in detail. Quantitative comparisons are made among experimental, CFD simulation and analytical computing results leading to a good correspondence. In LPBF, the temperature around the laser irradiation zone rises rapidly compared to the surroundings in the powder layer due to the high thermal resistance and the air between the powder particles, resulting in a slow travel of laser transverse heat waves. In LPBF, the keyhole can be classified into shallow and deep keyhole mode, controlled by the energy density. Increasing the energy density, the shallow keyhole mode transforms into the deep keyhole mode. The energy density in a deep keyhole is higher due to the multiple reflections and concentrations of secondary reflected beams within the keyhole, causing the material to vaporize quickly. Due to an elevated temperature distribution in deep keyhole mode, the probability of pores forming is much higher than in a shallow keyhole as the liquid material is close to the vaporization temperature. When the temperature increases rapidly, the material density drops quickly, thus, raising the fluid volume due to the specific heat and fusion latent heat. In return, this lowers the surface tension and affects the melt pool uniformity.

Keywords: laser powder bed fusion; computational fluid dynamics; analytical modelling; shallow
and deep keyhole modes; experimental correlation

Figure 1. Powder bed schematic with voids.

Figure 3. Temperature field contour formation at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms.

Figure 4. Detailed view of shallow depth melt mode with temperature field at 0.695 ms

Figure 5. Melt flow stream traces formation at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms

Figure 6. Density evolution of the melt pool at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms.

Figure 7. Un-melted and melted regions at different time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms

Figure 8. Transformation from shallow depth melt flow to deep keyhole formation when laser power increased from (a) 170 W to (b) 200 W

Figure 9. Stream traces and laser beam multiple reflections in deep keyhole melt flow mode

Figure 10. A comparison between analytical and CFD simulation results for peak thermal distribution value in the deep keyhole formation

Figure 11. A comparison among experiments [49], CFD and analytical simulations for deep keyhole top width and bottom width

References

Kok, Y.; Tan, X.P.; Wang, P.; Nai, M.L.S.; Loh, N.H.; Liu, E.; Tor, S.B. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and
mechanical properties in metal additive manufacturing: A critical review. Mater. Des. 2018, 139, 565–586. [CrossRef]
Ansari, P.; Salamci, M.U. On the selective laser melting based additive manufacturing of AlSi10Mg: The process parameter
investigation through multiphysics simulation and experimental validation. J. Alloys Compd. 2022, 890, 161873. [CrossRef]
Guo, N.; Leu, M.C. Additive manufacturing: Technology, applications and research needs. Front. Mech. Eng. 2013, 8, 215–243.
[CrossRef]
Mohsin Raza, M.; Lo, Y.L. Experimental investigation into microstructure, mechanical properties, and cracking mechanism of
IN713LC processed by laser powder bed fusion. Mater. Sci. Eng. A 2021, 819, 141527. [CrossRef]
Dezfoli, A.R.A.; Lo, Y.L.; Raza, M.M. Prediction of Epitaxial Grain Growth in Single-Track Laser Melting of IN718 Using Integrated
Finite Element and Cellular Automaton Approach. Materials 2021, 14, 5202. [CrossRef]
Tiwari, S.K.; Pande, S.; Agrawal, S.; Bobade, S.M. Selection of selective laser sintering materials for different applications. Rapid
Prototyp. J. 2015, 21, 630–648. [CrossRef]
Liu, F.H. Synthesis of bioceramic scaffolds for bone tissue engineering by rapid prototyping technique. J. Sol-Gel Sci. Technol.
2012, 64, 704–710. [CrossRef]
Ur Rehman, A.; Sglavo, V.M. 3D printing of geopolymer-based concrete for building applications. Rapid Prototyp. J. 2020, 26,
1783–1788. [CrossRef]
Ur Rehman, A.; Sglavo, V.M. 3D printing of Portland cement-containing bodies. Rapid Prototyp. J. 2021. ahead of print. [CrossRef]
Popovich, A.; Sufiiarov, V. Metal Powder Additive Manufacturing. In New Trends in 3D Printing; InTech: Rijeka, Croatia, 2016.
Jia, T.; Zhang, Y.; Chen, J.K.; He, Y.L. Dynamic simulation of granular packing of fine cohesive particles with different size
distributions. Powder Technol. 2012, 218, 76–85. [CrossRef]
Ansari, P.; Ur Rehman, A.; Pitir, F.; Veziroglu, S.; Mishra, Y.K.; Aktas, O.C.; Salamci, M.U. Selective Laser Melting of 316L
Austenitic Stainless Steel: Detailed Process Understanding Using Multiphysics Simulation and Experimentation. Metals 2021,
11, 1076. [CrossRef]
Ur Rehman, A.; Tingting, L.; Liao, W. 4D Printing; Printing Ceramics from Metals with Selective Oxidation. Patent No.
W0/2019/052128, 21 March 2019.
Ullah, A.; Wu, H.; Ur Rehman, A.; Zhu, Y.; Liu, T.; Zhang, K. Influence of laser parameters and Ti content on the surface
morphology of L-PBF fabricated Titania. Rapid Prototyp. J. 2021, 27, 71–80. [CrossRef]
Ur Rehman, A. Additive Manufacturing of Ceramic Materials and Combinations with New Laser Strategies. Master’s Thesis,
Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, China, 2017.
Wong, K.V.; Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mech. Eng. 2012, 2012, 1–10. [CrossRef]
Körner, C. Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting—A review. Int. Mater. Rev. 2016,
61, 361–377. [CrossRef]
Fayazfar, H.; Salarian, M.; Rogalsky, A.; Sarker, D.; Russo, P.; Paserin, V.; Toyserkani, E. A critical review of powder-based additive
manufacturing of ferrous alloys: Process parameters, microstructure and mechanical properties. Mater. Des. 2018, 144, 98–128.
[CrossRef]
Everton, S.K.; Hirsch, M.; Stavroulakis, P.I.; Leach, R.K.; Clare, A.T. Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology
for metal additive manufacturing. Mater. Des. 2016, 95, 431–445. [CrossRef]
Sing, S.L.; An, J.; Yeong, W.Y.; Wiria, F.E. Laser and electron-beam powder-bed additive manufacturing of metallic implants: A
review on processes, materials and designs. J. Orthop. Res. 2016, 34, 369–385. [CrossRef] [PubMed]
Olakanmi, E.O.; Cochrane, R.F.; Dalgarno, K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy
powders: Processing, microstructure, and properties. Prog. Mater. Sci. 2015, 74, 401–477. [CrossRef]
Mahmood, M.A.; Popescu, A.C.; Hapenciuc, C.L.; Ristoscu, C.; Visan, A.I.; Oane, M.; Mihailescu, I.N. Estimation of clad geometry
and corresponding residual stress distribution in laser melting deposition: Analytical modeling and experimental correlations.
Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020, 111, 77–91. [CrossRef]
Mahmood, M.A.; Popescu, A.C.; Oane, M.; Ristoscu, C.; Chioibasu, D.; Mihai, S.; Mihailescu, I.N. Three-jet powder flow
and laser–powder interaction in laser melting deposition: Modelling versus experimental correlations. Metals 2020, 10, 1113.
[CrossRef]
King, W.; Anderson, A.T.; Ferencz, R.M.; Hodge, N.E.; Kamath, C.; Khairallah, S.A. Overview of modelling and simulation of
metal powder bed fusion process at Lawrence Livermore National Laboratory. Mater. Sci. Technol. 2015, 31, 957–968. [CrossRef]

Gong, H.; Rafi, K.; Gu, H.; Starr, T.; Stucker, B. Analysis of defect generation in Ti-6Al-4V parts made using powder bed fusion
additive manufacturing processes. Addit. Manuf. 2014, 1, 87–98. [CrossRef]
Frazier, W.E. Metal additive manufacturing: A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014, 23, 1917–1928. [CrossRef]
Panwisawas, C.; Qiu, C.L.; Sovani, Y.; Brooks, J.W.; Attallah, M.M.; Basoalto, H.C. On the role of thermal fluid dynamics into the
evolution of porosity during selective laser melting. Scr. Mater. 2015, 105, 14–17. [CrossRef]
Yan, W.; Ge, W.; Qian, Y.; Lin, S.; Zhou, B.; Liu, W.K.; Lin, F.; Wagner, G.J. Multi-physics modeling of single/multiple-track defect
mechanisms in electron beam selective melting. Acta Mater. 2017, 134, 324–333. [CrossRef]
Qian, Y.; Yan, W.; Lin, F. Parametric study and surface morphology analysis of electron beam selective melting. Rapid Prototyp. J.
2018, 24, 1586–1598. [CrossRef]
Panwisawas, C.; Perumal, B.; Ward, R.M.; Turner, N.; Turner, R.P.; Brooks, J.W.; Basoalto, H.C. Keyhole formation and thermal
fluid flow-induced porosity during laser fusion welding in titanium alloys: Experimental and modelling. Acta Mater. 2017, 126,
251–263. [CrossRef]
King, W.E.; Barth, H.D.; Castillo, V.M.; Gallegos, G.F.; Gibbs, J.W.; Hahn, D.E.; Kamath, C.; Rubenchik, A.M. Observation of
keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing. J. Mater. Process. Technol. 2014, 214, 2915–2925.
[CrossRef]
Panwisawas, C.; Sovani, Y.; Turner, R.P.; Brooks, J.W.; Basoalto, H.C.; Choquet, I. Modelling of thermal fluid dynamics for fusion
welding. J. Mater. Process. Technol. 2018, 252, 176–182. [CrossRef]
Martin, A.A.; Calta, N.P.; Hammons, J.A.; Khairallah, S.A.; Nielsen, M.H.; Shuttlesworth, R.M.; Sinclair, N.; Matthews, M.J.;
Jeffries, J.R.; Willey, T.M.; et al. Ultrafast dynamics of laser-metal interactions in additive manufacturing alloys captured by in situ
X-ray imaging. Mater. Today Adv. 2019, 1, 100002. [CrossRef]
Cunningham, R.; Zhao, C.; Parab, N.; Kantzos, C.; Pauza, J.; Fezzaa, K.; Sun, T.; Rollett, A.D. Keyhole threshold and morphology
in laser melting revealed by ultrahigh-speed x-ray imaging. Science 2019, 363, 849–852. [CrossRef] [PubMed]
Tang, C.; Tan, J.L.; Wong, C.H. A numerical investigation on the physical mechanisms of single track defects in selective laser
melting. Int. J. Heat Mass Transf. 2018, 126, 957–968. [CrossRef]
Mirkoohi, E.; Ning, J.; Bocchini, P.; Fergani, O.; Chiang, K.-N.; Liang, S. Thermal Modeling of Temperature Distribution in Metal
Additive Manufacturing Considering Effects of Build Layers, Latent Heat, and Temperature-Sensitivity of Material Properties. J.
Manuf. Mater. Process. 2018, 2, 63. [CrossRef]
Oane, M.; Sporea, D. Temperature profiles modeling in IR optical components during high power laser irradiation. Infrared Phys.
Technol. 2001, 42, 31–40. [CrossRef]
Cleary, P.W.; Sawley, M.L. DEM modelling of industrial granular flows: 3D case studies and the effect of particle shape on hopper
discharge. Appl. Math. Model. 2002, 26, 89–111. [CrossRef]
Parteli, E.J.R.; Pöschel, T. Particle-based simulation of powder application in additive manufacturing. Powder Technol. 2016, 288,
96–102. [CrossRef]
Cao, L. Numerical simulation of the impact of laying powder on selective laser melting single-pass formation. Int. J. Heat Mass
Transf. 2019, 141, 1036–1048. [CrossRef]
Tian, Y.; Yang, L.; Zhao, D.; Huang, Y.; Pan, J. Numerical analysis of powder bed generation and single track forming for selective
laser melting of SS316L stainless steel. J. Manuf. Process. 2020, 58, 964–974. [CrossRef]
Lee, Y.S.; Zhang, W. Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by
laser powder bed fusion. Addit. Manuf. 2016, 12, 178–188. [CrossRef]
Tang, M.; Pistorius, P.C.; Beuth, J.L. Prediction of lack-of-fusion porosity for powder bed fusion. Addit. Manuf. 2017, 14, 39–48.
[CrossRef]
Promoppatum, P.; Yao, S.C.; Pistorius, P.C.; Rollett, A.D. A Comprehensive Comparison of the Analytical and Numerical
Prediction of the Thermal History and Solidification Microstructure of Inconel 718 Products Made by Laser Powder-Bed Fusion.
Engineering 2017, 3, 685–694. [CrossRef]
Rosenthal, D. Mathematical Theory of Heat Distribution During Welding and Cutting. Weld. J. 1941, 20, 220–234.
Chen, Q.; Zhao, Y.Y.; Strayer, S.; Zhao, Y.Y.; Aoyagi, K.; Koizumi, Y.; Chiba, A.; Xiong, W.; To, A.C. Elucidating the Effect
of Preheating Temperature on Melt Pool Morphology Variation in Inconel 718 Laser Powder Bed Fusion via Simulation and
Experiment. Available online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860420310149#bb8 (accessed on 30
April 2021).
Ur Rehman, A.; Pitir, F.; Salamci, M.U. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of In718 and the Impact of Pre-Heating at 500 and
1000 ◦C: Operando Study. Materials 2021, 14, 6683. [CrossRef] [PubMed]
Ur Rehman, A.; Pitir, F.; Salamci, M.U. Full-Field Mapping and Flow Quantification of Melt Pool Dynamics in Laser Powder Bed
Fusion of SS316L. Materials 2021, 14, 6264. [CrossRef] [PubMed]
Gong, H.; Gu, H.; Zeng, K.; Dilip, J.J.S.; Pal, D.; Stucker, B.; Christiansen, D.; Beuth, J.; Lewandowski, J.J. Melt Pool Characterization
for Selective Laser Melting of Ti-6Al-4V Pre-alloyed Powder. In Proceedings of the International Solid Freeform Fabrication
Symposium, Austin, TX, USA, 10–12 August 2014; 2014; pp. 256–267.
Song, B.; Dong, S.; Liao, H.; Coddet, C. Process parameter selection for selective laser melting of Ti6Al4V based on temperature
distribution simulation and experimental sintering. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2012, 61, 967–974. [CrossRef]
Guo, Q.; Zhao, C.; Qu, M.; Xiong, L.; Hojjatzadeh, S.M.H.; Escano, L.I.; Parab, N.D.; Fezzaa, K.; Sun, T.; Chen, L. In-situ full-field
mapping of melt flow dynamics in laser metal additive manufacturing. Addit. Manuf. 2020, 31, 100939. [CrossRef]
Messler, J.R.W. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; John Wiley & Sons: New York, NY, USA, 2008;
ISBN 9783527617494.
Khairallah, S.A.; Anderson, A.T.; Rubenchik, A.M.; King, W.E. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of
complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones. Acta Mater. 2016, 108, 36–45. [CrossRef]
Ur Rehman, A.; Mahmood, M.A.; Pitir, F.; Salamci, M.U.; Popescu, A.C.; Mihailescu, I.N. Mesoscopic Computational Fluid
Dynamics Modelling for the Laser-Melting Deposition of AISI 304 Stainless Steel Single Tracks with Experimental Correlation: A
Novel Study. Metals 2021, 11, 1569. [CrossRef]
Paul, A.; Debroy, T. Free surface flow and heat transfer in conduction mode laser welding. Metall. Trans. B 1988, 19, 851–858.
[CrossRef]
Aucott, L.; Dong, H.; Mirihanage, W.; Atwood, R.; Kidess, A.; Gao, S.; Wen, S.; Marsden, J.; Feng, S.; Tong, M.; et al. Revealing
internal flow behaviour in arc welding and additive manufacturing of metals. Nat. Commun. 2018, 9, 5414. [CrossRef]
Abderrazak, K.; Bannour, S.; Mhiri, H.; Lepalec, G.; Autric, M. Numerical and experimental study of molten pool formation
during continuous laser welding of AZ91 magnesium alloy. Comput. Mater. Sci. 2009, 44, 858–866. [CrossRef]
Bayat, M.; Thanki, A.; Mohanty, S.; Witvrouw, A.; Yang, S.; Thorborg, J.; Tiedje, N.S.; Hattel, J.H. Keyhole-induced porosities in
Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and experimental validation. Addit. Manuf. 2019,
30, 100835. [CrossRef]

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Figure 1 | Original Compound Broad Crested Weir Model (PVC cast).

복합 광대보의 방류계수 예측을 위한 실험적 해석과 CFD 해석의 비교연구

Comparative study of experimental and CFD analysis for predicting discharge coefficient of compound broad crested weir

ABSTRACT

Present study highlights the behavior of weir crest head and width parameter on the discharge coefficient of compound broad crested (CBC) weir. Computational fluid dynamics model (CFD) is validated with laboratory experimental investigations.

In the discharge analysis through broad crested weirs, the upstream head over the weir crest (h) is crucial, where the result is mainly dependent upon the weir crest length (L) in transverse direction to flow, water depth from channel bed. Currently, minimal investigations are known for CFD validations on compound broad crested weirs.

The hydraulic research for measuring discharge numerically is carried out using FLOW 3D software. The model applies renormalized group (RNG) using volume of fluid (VOF) method for improved accuracy in free surface simulations. Structured hexagonal meshes of cubic elements define discretized meshing.

The comparative analysis of the numerical simulations and experimental observations confirm the performance of CBC weir for precise measurement of a wide range of discharges. Series of CFD model studies and experimental validation have led to constant range of discharg coefficients for various head over weir crest. The correlation coefficient of discharge predictions is 0.999 with mean error of 0.28%.

현재 연구에서는 CBC(compound broad crested) 위어의 배출 계수에 대한 위어 볏 머리 및 너비 매개변수의 거동을 강조합니다. 전산 유체 역학 모델(CFD)은 실험실 실험 조사를 통해 검증되었습니다.

넓은 볏이 있는 둑을 통한 유출 분석에서 둑 마루의 상류 수두(h)가 중요합니다. 여기서 결과는 주로 흐름에 대한 횡 방향의 둑 마루 길이(L), 수로 바닥에서 수심에 따라 달라집니다. . 현재 복합 넓은 볏 둑에 대한 CFD 검증에 대해 최소한의 조사가 알려져 있습니다.

수압 연구는 FLOW 3D 소프트웨어를 사용하여 수치적으로 측정합니다. 이 모델은 자유 표면 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 VOF(유체 체적) 방법을 사용하여 RNG(재정규화 그룹)를 적용합니다. 정육면체 요소의 구조화된 육각형 메쉬는 이산화된 메쉬를 정의합니다.

수치 시뮬레이션과 실험적 관찰의 비교 분석을 통해 광범위한 배출의 정확한 측정을 위한 CBC 둑의 성능을 확인했습니다. 일련의 CFD 모델 연구와 실험적 검증을 통해 다양한 head over weir crest에 대한 일정한 범위의 방전 계수가 나타났습니다. 방전 예측의 상관 계수는 0.999이고 평균 오차는 0.28%입니다.

Figure 4 | CFD Simulation for max discharge (y2 ¼ 13.557 cm, Qmax ¼ 10 lps) and min discharge (y2 ¼ 6.56 cm, Qmin ¼ 2 lps).

Figure 5 | (a, b) Velocity profiles corresponding to max discharge (10 lps) and min discharge (2 lps).

Table 8 | Range of Froude number, Reynold number and Weber number

Key words

compound weir, flow 3D, flow measurement, numerical technique, open channel

HIGHLIGHTS

• The Head-Discharge relation is established for discharge measurement using compound broad crested weir, experimentally and numerically.
• Assessment of head over weir crest for different step widths of proposed weir on discharge coefficient is executed.
• Experimental and CFD results of weir performance demonstrate good agreement between the theoretical discharges by traditional rectangular weir formulae keeping Cd constant.

CONCLUSION

The head discharge relationship established for compound rectangular broad crested weir for various discharge ranges was validated by CFD technique. A three dimensional simulation software FLOW 3D was used for this purpose.
Original theoretical compound weir model depicts the relative average error between discharge predictions with Flow 3D simulation as 4.96% which is found less than the predictions made by graphical interpolation technique which is 5.33%.
The standard deviation in Cd parameter for CFD simulation model is less i.e. 0.0146 as compared to experimental output of 0.0502.
The correlation coefficient for physical and CFD studies for modified compound weir model is high, around 0.999 with
error in discharge predictions being 0.28% as compared to the accuracy limits of about +3–5% stated in literature so far.
Discharge coefficient by experimental and CFD approach is maintained constant and equal to design input value of 0.6.
Thus, the proposed CBC weir can be operated for various discharge ranges by maintaining constant discharge coefficients.
Good agreement between the theoretical, experimental and CFD simulation results for obtaining discharge through compound broad crested weir ascertains the fact that CFD model can be used as an effective tool towards modeling flow through compound broad crested weir.

REFERENCES

Abd El-Hady Rady, R. M. 2011 2D 3D modeling of flow over sharp crested weirs. Journal of Applied Sciences Research 7 (12), 2495–2505.
ISSN 1819-544X.
Ackers, P., White, W. R. & Harrison, A. J. M. 1978 Weirs and Flumes for Flow Measurement. Wiley, New York.
Aydin, M. C. 2016 Investigation of a sill effect on rectangular side-weir flow by using CFD. Journal of Irrigation and Drainage Engineering
142 (2), 04015043.
Azimi, A. H. & Rajaratnam, N. 2009 Discharge characteristics of weirs of finite crest length. Journal of Hydraulic Engineering 135 (12),
1081–1085.
Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V. & Kouchakzadeh, S. 2014 New stage discharge relationship for weirs of finite crest length. Journal of
Irrigation and Drainage Engineering 140 (3), 06013006.
Boiten, W. & Pitlo, H. R. 1982 The V- shaped broad-crested weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 108 (2), 142–160.
Bos, M. G. 1989 Discharge Measurement Structures, 3rd edn. International Institute for Land Reclamation and Improvement, Publication 20,
Wageningen, The Netherlands.
Gogus, M., Defne, Z. & Ozkandemir, V. 2006 Broad-crested weirs with rectangular compound cross sections. Journal of Irrigation and
Drainage Engineering 132 (3), 272–280.

Gogus, M., Al-Khatib, I. A., Atalay, A. E. & Khatib, J. I. 2016 Discharge prediction in flow measurement flumes with different downstream
transition slopes. Flow Measurement and Instrumentation 47, 28–34.
Hager, W. H. & Schwalt, M. 1994 Broad – crested weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 120 (1), 13–25.
Harrison, A. J. M. 1967 The streamlined broad-crested weir. Proceedings of the Institution of Civil Engineers 38, 657–678.
Hinge, G. A., Balkrishna, S. & Khare, K. C. 2010 Improved design of stilling basin for deficient tail water. Journal of Basic and Applied
Scientific Research 1 (1), 31–40.
Hinge, G. A., Balkrishna, S. & Khare, K. C. 2011 Experimental and numerical study of compound broad crested weir. International Journal of
Fluids Engineering 3 (2), 197–202.
Horton, R. E. 1907 Weir Experiments, Coefficients, and Formulas. Dept. of the Interior, U.S. Geological Survey, Water-Supply and Irrigation
Paper 200. Government Printing Office, Washington, DC.
Khan, L. A., Wicklein, E. A. & Teixeira, E. C. 2006 Validation of a three-dimensional computational fluid dynamics model of a contact tank.
Journal of Hydraulic Engineering 132 (7), 741–746.
Kindsvater, C. E. & Carter, R. W. 1959 Discharge characteristics of rectangular thin-plate weirs. Paper No. 3001, Transactions, American
Society of Civil Engineers 124.
Kulin, G. & Compton, P. R. 1975 A Guide to Methods and Standards for the Measurement of Water Flow. Special Publication 421, National
Bureau of Standards.
Kulkarni, K. H. & Hinge, G. A. 2017 Compound broad crested weir for measurement of discharge – a novel approach. In: Proceedings
International Conference Organized by Indian Society of Hydraulics – ISH HYDRO, 21–23 Dec 2017, India, pp. 678–687.
Kulkarni, K. H. & Hinge, G. A. 2020 Experimental study for measuring discharge through compound broad crested weir. Flow Measurement
Instrumentation 75, 101803. ISSN 0955-5986.
Man, C., Zhang, G., Hong, V., Zhou, S. & Feng, Y. 2019 Assessment of turbulence models on bridge-pier scour using flow-3D. World Journal
of Engineering and Technology 7, 241–255. ISSN Online: 2331-4249.
Omer, B., Cihan, A. M., Emin, E. M. & Miller, C. J. 2018 Experimental and CFD analysis of circular labyrinth weirs. Journal of Irrigation and
Drainage Engineering 144 (6), 04018007.
RangaRaju, K. G. 1981 Flow Through Open Channels. McGraw-Hill, New York.
Roushangar, K., Nouri, A., Shahnazi, S. & Azamathulla, H. M. 2021 Towards design of compound channels with minimum overall cost
through grey wolf optimization algorithm. IWA – Journal of Hydroinformatics (In – press).
Safarzadeh, A. & Mohajeri, S. H. 2018 Hydrodynamics of rectangular broad-crested porous weir. Journal of Irrigation and Drainage
Engineering 144 (10), 04018028.
Salmasi, F., Poorescandar, S., Dalir, A. H. & Zadeh, D. F. 2012 Discharge relations for rectangular broad crested weirs. Journal of
Agricultural Sciences 17, 324–336.
Samadi, A. & Arvanaghi, H. 2014 CFD simulation of flow over contracted compound arched rectangular sharp crested weirs. International
Journal of Optimization in Civil Engineering 4 (4), 549–560.
Savage, B. M. & Johnson, M. C. 2001 Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering
127 (8), 640–649.
Swamee, P. K. 1988 Generalized rectangular weir equations. Journal of Hydraulic Engineering 945–952. doi:10.1061/(ASCE),0733-9429
114:8(945).
The United States Bureau of Reclamation (USBR) 2001 Water Measurement Manual, Chapter 7 – Weirs. U.S. Government Printing Office,
Washington, DC, p. 20402. Available from: http://www/usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/wmm.
Zahiri, A. & Azamathulla, H. M. 2014 Comparison between linear genetic programming and M5 tree models to predict flow discharge in
compound channels. Neural Computing and Application 24, 413–420.

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능동 가압의 경우 극저온 탱크의 열 및 물질 전달

Heat and Mass Transfer in a Cryogenic Tank in Case of Active-Pressurization

하이라이트

헤닝 슈플러 옌스 게르스트만DLR 독일 항공 우주 센터, 우주 시스템 연구소, 28359 Bremen, Germany

상변화 및 공액 열전달을 포함하는 압축성 2상 솔버 개발.

분석 솔루션으로 솔버를 성공적으로 검증.

극저온 탱크의 압력 및 온도 변화에 대한 정확한 시뮬레이션.

자유 표면에서의 물질 전달 분석.

Abstract

압력 요구 사항을 예측하는 것은 극저온 추진 시스템의 주요 과제 중 하나입니다. 이러한 맥락에서 증발 및 응축 현상을 고려한 탱크 여압을 시뮬레이션하기 위한 수치 모델을 개발하여 적용하였습니다.

새로운 솔버는 PISO(splitting of operator) 알고리즘이 있는 압력 암시적 방법을 기반으로 하는 OpenFOAM의 약한 압축성 다상 솔버와 기울기 기반 위상 변화 모델을 결합합니다. 날카로운 인터페이스를 유지하기 위해 인터페이스에 인접한 셀에 질량 소스 용어가 적용됩니다.

첫째, 모델은 1차원 상 변화 문제와 중력이 없는 상태에서 과열된 액체에서 증기 기포의 성장이라는 두 가지 분석 솔루션에 대해 검증되었습니다.

두 번째 단계에서는 검증된 모델을 극저온 가압 실험에 적용했습니다. 측정된 압력 거동은 수치 모델이 양호한 근사값으로 확인될 수 있습니다.

수치 모델을 사용하면 물리적 거동에 대한 추가 통찰력을 얻을 수 있습니다. 응축 및 증발 효과는 가압 중 및 가압 후의 압력 발생에 상당한 영향을 미칩니다. 기액 계면에서 일어나는 상변화로 인한 질량유동은 계면의 위치와 시간에 따라 달라진다. 벽에서 직접적으로 증발이 지배적이며 액체 표면의 중앙 영역에서 응결이 발생합니다.

응축 및 증발 효과는 가압 중 및 가압 후의 압력 발생에 상당한 영향을 미칩니다. 기액 계면에서 일어나는 상변화로 인한 질량유동은 계면의 위치와 시간에 따라 달라진다. 벽에서 직접적으로 증발이 지배적이며 액체 표면의 중앙 영역에서 응결이 발생합니다.

Predicting the pressurant requirements is one of the key challenges for cryogenic propulsion systems. In this context, a numerical model to simulate the tank pressurization that considers evaporation and condensation phenomena was developed and applied. The novel solver combines the a gradient-based phase change model with a weakly compressible multiphase solver of OpenFOAM based on the pressure implicit method with splitting of operator (PISO) algorithm. To maintain a sharp interface the mass source terms are applied to the cells adjacent to the interface. First, the model is validated against two analytical solutions: the one-dimensional phase change problem and secondly, the growth of a vapor bubble in a superheated liquid in the absence of gravity. In a second step, the validated model was applied to a cryogenic pressurization experiment. The measured pressure behavior could be confirmed with the numerical model being in a good approximation. With the numerical model further insights into the physical behavior could be achieved. The condensation and evaporation effects have a significant impact on the pressure development during and after the pressurization. The mass flows due to phase change occurring at the vapor-liquid interface depend on interface location and time. Directly at the wall, evaporation becomes dominant while condensation occurs at the center area of the liquid surface.

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키워드

Pressurization, Phase Change, CFD, Propellant Management, 가압, 상 변화, 추진제 관리

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CFD 모델링을 사용하여 침수 위험이 있는 해안 구조물에 대한 파랑 하중 평가

Wave Loads Assessment on Coastal Structures at Inundation Risk Using CFD Modellin

Ana GomesJosé Pinho

Conference paperFirst Online: 19 November 2021

지난 수십 년 동안 극한 현상은 심각성과 주민, 기반 시설 및 인류 활동에 대한 위험 증가로 인해 우려를 불러일으켰습니다. 오늘날 해안 구조물이 범람하고 해변 침식 및 기반 시설 파괴가 전 세계 해안에서 흔히 발생합니다.

완화에 효율적으로 기여하고 효율적인 방어 조치를 채택하려면 이러한 영향을 예상하는 것이 매우 중요합니다. 대규모 물리적 모델을 기반으로 하는 이전 실험 작업에서 목조 교각 상단의 고가 해안 구조물의 공극과 그에 따른 수평 및 수직 파도력 사이의 관계가 다양한 파도 하중 조건에 대해 연구되었습니다.

이러한 실험 결과는 CFD 도구를 사용하여 유체/구조 상호 작용을 시뮬레이션하기 위한 수치 모델에 대한 보정 데이터 역할을 합니다. 주어진 파도 조건에 대해 물과 구조물 베이스 레벨 사이의 공극 높이를 다르게 하여 세 가지 시나리오를 시뮬레이션했습니다.

수치 결과를 물리적 모델 결과와 비교하면 수치적으로 구한 수평력과 수직력의 최대값은 각각 평균 14.4%와 25.4%의 상대차로 만족할 만합니다. 또한 구조물을 지지하는 교각에 작용하는 압력과 전단응력을 시뮬레이션하기 위해 실제 수치모델을 적용하였으며, 서로 다른 공극의 높이를 고려하고 각각의 CPU 시뮬레이션 시간을 평가하였습니다.

이러한 방식으로 CFD 모델의 운영 모델링 기능을 평가하여 조기 경보 시스템 내에서 최종 사용에 대한 예측 선행 시간 제한을 결정했습니다.

키워드

Coastal risk, Elevated coastal structure, Numerical simulation, Flow-3D^® , 해안 위험, 높은 해안 구조, 수치 시뮬레이션

References

1.Neumann B, Vafeidis AT, Zimmermann J, Nicholls RJ (2015) Future coastal population growth and exposure to sea-level rise and coastal flooding-a global assessment. PloS one, n. 10(3), p. X-XGoogle Scholar
2.Jones B, O’Neill BC (2016) Spatially explicit global population scenarios consistent with the Shared Socioeconomic Pathways. Environmental Research Letters, N. 11(8):1–10Google Scholar
3.Talbot J (2005) Repairing Florida’s Escambia Bay Bridge. Associated Construction Publications, available online at http://www.acppubs.com/article/CA511040
4.Kennedy A, Rogers S, Sallenger A, Gravois U, Zachry B, Dosa M, Zarama F (2011a) Building destruction from wave and surge on the bolivar peninsula during hurricane Ike. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng. 137 (3), 132–141Google Scholar
5.Tomiczek T, Kennedy A, Rogers S (2014) Collapse limit state fragilities of woodframed residences from storm surge and waves during hurricane Ike. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng. 140 (1), 43–55Google Scholar
6.Dentale F, Donnarumma G, Pugliese Carratelli E (2014a) Simulation of flow within armour blocks in a breakwater. J Coast Res 30(3):528–536CrossRef Google Scholar
7.Peregrine DH (2003) Water wave impact on walls. Annu Rev Fluid Mech 35:23–43CrossRef Google Scholar
8.Cuomo G, Piscopia R, Allsop W (2011) Evaluation of wave impact loads on caisson breakwaters based on joint probability of impact maxima and rise times. Coast Eng 58(1):9–27CrossRef Google Scholar
9.Faltinsen OM, Landrini M, Greco M (2004) Slamming in marine applications. J Eng Math 48(3–4):187–217CrossRef Google Scholar
10.Peregrine DH. et al (2005) Violent water wave impact on a wall. In: Proceedings of 14th Aha Huliko Winter Workshop, Honolulu, HawaiiGoogle Scholar
11.Cuomo G, Tirindelli M, Allsop W (2007) Wave in deck loads on exposed jetties. Coast Eng 54(9):657–679CrossRef Google Scholar
12.Azadbakht M, Yim SC (2015) Simulation and estimation of tsunami loads on bridge superstructures. J Waterw Port Coast Ocean Eng 141(2):20CrossRef Google Scholar
13.Wiebe DM, Park H, Cox DT (2014) Application of the Goda pressure formulae for horizontal wave loads on elevated structures. KSCE J. Civ. EngGoogle Scholar
14.Hayatdavoodi M, Seiffert B, Ertekin RC (2015) Experiments and calculations of cnoidal wave loads on a flat plate in shallow-water. J. Ocean Eng. Mar. Energy 1(1):77–99CrossRef Google Scholar
15.Wei Z, Dalrymple RA (2016) Numerical study on mitigating tsunami force on bridges by an SPH model. J. Ocean. Eng. Mar. Energy 2(365):365–380CrossRef Google Scholar
16.Bradner, C., Schumacher, T., Cox, D., Higgins, C.: Experimental Setup for a largescale bridge superstructure model subjected to waves. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng. 137 (1), 3–11 (2011)Google Scholar
17.Xiao H, Huang W (2008) Numerical modeling of wave runup and forces on an idealized beachfront house. Ocean Eng 35(1):106–116CrossRef Google Scholar
18.Do T, van de Lindt JW, Cox D (2016) Performance-based design methodology for inundated elevated coastal structures subjected to wave load. Eng Struct 117:250–262CrossRef Google Scholar
19.Lara JL, Garcia N, Losada IJ (2006) RANS modeling applied to random wave interaction with submerged permeable structures. Coastal Eng 53(5–6):395–417CrossRef Google Scholar
20.Meringolo DD, Aristodemo F, Veltri P (2015) SPH numerical modeling of wave–perforated breakwater interaction. Coast Eng 101:48–68CrossRef Google Scholar
21.Al-Banaa K, Liu PLF (2007) Numerical study on the hydraulic performance of submerged porous breakwater under solitary wave attack. J Coast Res 50:201–205Google Scholar
22.Gomes, A., Pinho, J.L.S., Valente, T., Antunes do Carmo, J.S., V. Hegde, A.: Performance Assessment of a Semi-Circular Breakwater through CFD Modelling. J. Mar. Sci. Eng. 2020, 8, 226 (2020).Google Scholar
23.Flow Sciences Inc. Flow-3D User Manual, release 9.4, Santa Fe, NM, USA (2009).Google Scholar
24.Smith, H., Foster., D.L.: Modeling of flow around a cylinder over a scoured bed. J. Waterw., Port, Coastal, Ocean Eng.131(1),14–24 (2005).Google Scholar
25.Richardson JE, Panchang VG (1998) Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers. J Hydraul Eng 124(5):530–540CrossRef Google Scholar
26.Jin J, Meng B (2011) Computation of wave loads on the superstructures of coastal highway bridges. Ocean Eng 38(17–18):2185–2200CrossRef Google Scholar
27.Dentale F, Donnarumma G, Pugliese Carratelli E (2014b) Numerical wave interaction with tetrapods breakwater. Int. J. Nav. Arch. Ocean 6:13Google Scholar
28.Carratelli EP, Viccione G, Bovolin V (2016) Free surface flow impact on a vertical wall: a numerical assessment. Theor. Comput. Fluid Mech. 30(5):403–414CrossRef Google Scholar
29.Cavallaro, L., Dentale, F., Donnarumma, G., Foti, E., Musumeci, R.E., Pugliese Carratelli, E.: Rubble mound breakwater overtopping: estimation of the reliability of a 3D numerical simulation, In: ICCE 2012, Interntional Conference on Coastal Engineering, Santander, Spain (2012).Google Scholar
30.Vanneste, D., Suzuki, T., Altomare, C.: Comparison of numerical models for wave overtoping and impact on storm return walls. In: ICCE 2014, International Conference on Coastal Engineering, Seoul, Korea (2014).Google Scholar
31.Park H, Tomiczek T, Cox DT, van de Lindt JW, Lomonaco P (2017) Experimental modeling of horizontal and vertical wave forces on an elevated coastal structure. Coast Eng 128:58–74CrossRef Google Scholar
32.Isfahani AHG, Brethour JM (2009) On the Implementation of Two-Equation Turbulence Models in FLOW-3D; FSI-09-TN86; Flow Science: Santa Fe. NM, USAGoogle Scholar
33.Novais-Barbosa J (1985) Mecânica dos Fluidos e Hidráulica Geral Vol 1 e II Porto Editora, PortoGoogle Scholar
34.Le Méhauté B (1976) An Introduction to Hydrodynamics and Water Waves. Springer, Berlin/Heidelberg, GermanyCrossRef Google Scholar

eBook

와류형 우수 저류지의 수치 모델링에 대한 난류 슈미트 수의 영향 조사

Investigation of the Turbulent Schmidt Number Effects On Numerical Modelling Of Vortex-Type Stormwater Retention Ponds

S. M. Yamini1; H. Shamloo2; S. H. Ghafari3
1M.Eng., Dep. of Civil Engineering K.N. Toosi University of Technology, Valiasr St., Tehran, Iran.
smyamini@alumni.kntu.ac.ir
2Associate Professor, Dep. of Civil Engineering K.N. Toosi University of Technology, Valiasr St., Tehran, Iran.
hshamloo@kntu.ac.ir
3Ph.D., Dep. of Civil Engineering Univ. of Tehran, Enqelab St., Tehran, Iran. sarvenazghafari@ut.ac.ir

Abstract

정확하고 신뢰할 수 있는 CFD 모델링 결과를 얻는 것은 이러한 시뮬레이션에서 입력의 중요성 때문에 종종 정밀 조사의 대상입니다.

난류 모델링이 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 기반으로 하는 경우 난류 스칼라 전송을 추정하려면 난류 흐름에서 질량 1에 대한 운동량 확산의 비율로 정의되는 난류 슈미트 수(Sct)의 정의가 필요합니다.

그러나 이 매개변수는 난류 흐름의 속성이므로 보편적인 값이 허용되지 않았습니다. 우수 저류지의 수치 연구에서 적절한 Sct를 설정하는 실제 역할은 수력 효율의 평가가 추적자 테스트의 출력 질량 농도를 기반으로 하기 때문에 가장 중요합니다.

본 연구에서는 FLOW-3D를 사용하여 와류형 우수 저류지의 여러 수치 시뮬레이션을 체계적으로 수행했습니다. 다양한 난류 슈미트 수의 범위는 메쉬 감도를 조사하기 위해 다른 수의 계산 셀에 의해 수행된 수치 시뮬레이션에 도입되었습니다.

또한 사용자 정의 또는 자동 계산 값으로 최대 난류 혼합 길이의 영향을 평가했습니다. 이 연구의 결과는 실험 결과와 밀접한 일치를 제공하는 Sct= 0.625와 함께 수리학적 직경의 7%와 동일한 최대 난류 혼합 길이의 일정한 값을 갖는 확립된 수치 모델입니다.

특히 수치적 무차원 RDT 곡선의 피크 값은 극적으로 감소하여 실험 결과와 거의 일치했습니다. 이것은 FLOW-3D가 난류 유동의 와류형 물리학에서 질량 확산도를 적절하게 예측하는 상당한 능력을 가지고 있다는 결론을 내립니다.

– Achieving accurate and reliable CFD modelling results often is the subject of scrutiny because of the importance of the inputs in those simulations. If turbulence modelling is based on Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, estimating the turbulent scalar transport requires the definition of the turbulent Schmidt number (Sct), defined as the ratio of momentum diffusivity to mass one in a turbulent flow. However, no universal value has been accepted for this parameter as it is a property of turbulent flows.

The practical role of establishing a suitable Sct in numerical studies of stormwater retention ponds is of the utmost importance because the assessment of the hydraulic efficiency of them is based on output mass concentration of tracer tests. In this study, several numerical simulations of a vortex-type stormwater retention pond were systematically carried out using FLOW-3D. A range of various turbulent Schmidt numbers were introduced in numerical simulations performed by different number of computational cells to investigate mesh sensitivity.

Moreover, the effects of maximum turbulent mixing length as a user-defined or automatically computed value were assessed. The outcome of this study is an established numerical model with a constant value of maximum turbulent mixing length equal to 7% of the hydraulic diameter along with Sct= 0.625 which provides a close agreement with experimental results.

Noticeably, the peak values of numerical dimensionless RDT curves are dramatically decreased, resulted in a close match with experimental results. This concludes that FLOW-3D has a considerable ability to appropriately predict mass diffusivity in vortex-type physics of turbulent flows.

Keywords:

turbulent Schmidt number – maximum turbulent mixing length – CFD – mesh sensitivity – vortex-type
stormwater retention pond – environmental fluid mechanics

Figure 2- Schematic of boundary conditions in the numerical model

References

[1] C. Gualtieri, A. Angeloudis, F. Bombardelli, S. Jha, and T. Stoesser, “On the Values for the Turbulent Schmidt Number
in Environmental Flows,” Fluids, vol. 2, p. 17, 2017.
[2] Å. Adamsson, L. Bergdahl, and S. Lyngfelt, “Measurement and three-dimensional simulation of flow in a rectangular
detention tank,” Urban Water Journal, vol. 2, no. 4, pp. 277-287, 2005/12/01 2005, doi: 10.1080/15730620500386545.
[3] C. Gualtieri, “Numerical simulation of flow and tracer transport in a disinfection contact tank,” 2006.
[4] S. Khan, B. Melville, and A. Shamseldin, Modeling the Layouts of Stormwater Retention Ponds using Residence Time.
2009, pp. 77-83.
[5] F. Martínez-Solano, P. L. I. Rey, C. Gualtieri, and P. López-Jiménez, “Modelling flow and concentration field in
rectangular water tanks,” 2010.
[6] W. B. Rauen, A. Angeloudis, and R. A. Falconer, “Appraisal of chlorine contact tank modelling practices,” Water
Research, vol. 46, no. 18, pp. 5834-5847, 2012/11/15/ 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.08.013.

[7] J. Zhang, A. Tejada-Martínez, and Q. Zhang, “Evaluation of LES and RANS for Determining Hydraulic Performance
of Disinfection Systems for Water Treatment,” Journal of Fluids Engineering, vol. 136, 05/15 2014, doi:
10.1115/1.4027652.
[8] J. Zhang, A. E. Tejada-Martínez, and Q. Zhang, “Developments in computational fluid dynamics-based modeling for
disinfection technologies over the last two decades: A review,” Environmental Modelling & Software, vol. 58, pp. 71-
85, 2014/08/01/ 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2014.04.003.
[9] C. Gualtieri and F. Salzano, “DIscussion on “The effect of baffle spacing on hydrodynamics and solute transport in
serpentine contact tanks”,” Journal of Hydraulic Research, vol. 52, pp. 152-154, 02/28 2014, doi:
10.1080/00221686.2013.877528.
[10] A. Angeloudis, T. Stoesser, R. A. Falconer, and D. Kim, “Flow, transport and disinfection performance in small- and
full-scale contact tanks,” Journal of Hydro-environment Research, vol. 9, no. 1, pp. 15-27, 2015/03/01/ 2015, doi:
https://doi.org/10.1016/j.jher.2014.07.001.
[11] A. Angeloudis, T. Stoesser, C. Gualtieri, and R. A. Falconer, “Contact Tank Design Impact on Process Performance,”
Environmental Modeling & Assessment, vol. 21, no. 5, pp. 563-576, 2016/10/01 2016, doi: 10.1007/s10666-016-9502-
x.
[12] D. Valero and D. B. Bung, “Sensitivity of turbulent Schmidt number and turbulence model to simulations of jets in
crossflow,” Environmental Modelling & Software, vol. 82, pp. 218-228, 2016/08/01/ 2016, doi:
https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.04.030.
[13] F. Sonnenwald, I. Guymer, and V. Stovin, “Computational fluid dynamics modelling of residence times in vegetated
stormwater ponds,” Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Water Management, vol. 171, pp. 1-11, 11/07
2017, doi: 10.1680/jwama.16.00117.
[14] F. Sonnenwald, I. Guymer, and V. Stovin, “A CFD-Based Mixing Model for Vegetated Flows,” Water Resources
Research, vol. 55, no. 3, pp. 2322-2347, 2019, doi: https://doi.org/10.1029/2018WR023628.
[15] S. B. Pope, Turbulent Flows. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2000.
[16] R. Rossi and G. Iaccarino, “Numerical simulation of scalar dispersion downstream of a square obstacle using gradienttransport type models,” Atmospheric Environment, vol. 43, no. 16, pp. 2518-2531, 2009/05/01/ 2009, doi:
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2009.02.044.
[17] R. Chowdhury, M. Ahadi, K. A. Mazurek, G. Putz, D. Bergstrom, and C. Albers, “Physical Scale and Computational
Modeling in the Development of a Vortex-Type Stormwater Retention Pond,” in World Environmental and Water
Resources Congress 2016, 2016, pp. 388-397.
[18] V. Yakhot and L. M. Smith, “The renormalization group, the ɛ-expansion and derivation of turbulence models,” Journal
of Scientific Computing, vol. 7, no. 1, pp. 35-61, 1992/03/01 1992, doi: 10.1007/BF01060210.
[19] Flow Science, Inc., FLOW-3D User manual. Santa Fe, NM, USA. (2015).
[20] M. M. Bishop, J. M. Morgan, B. Cornwell, and D. K. Jamison, “Improving the Disinfection Detention Time of a Water
Plant Clearwell,” Journal AWWA, vol. 85, no. 3, pp. 68-75, 1993, doi: https://doi.org/10.1002/j.1551-
8833.1993.tb05958.x.
[21] F. L. Hart, “Improved Hydraulic Performance of Chlorine Contact Chambers.,” Jounal of Water Pollution Control
Federation, vol. 51(12), pp. 2868–2875, 1979.

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CFD 모델링을 이용한 침수 배수로 흐름의 수리학적 해석 및 슈트 폭기장치 성능 평가: Mangla Dam 배수로 사례 연구

Hydraulic Analysis of Submerged Spillway Flows and Performance Evaluation of Chute Aerator Using CFD Modeling: A Case Study of Mangla Dam Spillway

Muhammad Kaleem Sarwar, Zohaib Nisar, Ghulam Nabi, Faraz ul Haq, Ijaz Ahmad, Muhammad Masood & Noor Muhammad Khan

Abstract

대용량 배출구가 있는 수중 여수로는 일반적으로 홍수 처리 및 침전물 세척의 이중 기능을 수행하기 위해 댐 정상 아래에 제공됩니다. 이 방수로를 통과하는 홍수 물은 난류 거동을 나타냅니다.

게다가 이러한 난류의 수력학적 분석은 어려운 작업입니다.

따라서 본 연구는 파키스탄 Mangla Dam에 건설된 수중 여수로의 수리학적 거동을 수치해석을 통해 조사하는 것을 목적으로 한다. 또한 다양한 작동 조건에서 화기의 유압 성능을 평가했습니다.

Mangla Spillway의 흐름을 수치적으로 모델링하는 데 전산 유체 역학 코드 FLOW 3D가 사용되었습니다. 레이놀즈 평균 Navier-Stokes 방정식은 난류 흐름을 수치적으로 모델링하기 위해 FLOW 3D에서 사용됩니다.

연구 결과에 따르면 개발된 모델은 최대 6%의 허용 오차로 흐름 매개변수를 계산하므로 수중 여수로 흐름을 시뮬레이션할 수 있습니다.

또한, 여수로 슈트 베드 주변 모델에 의해 계산된 공기 농도는 폭기 장치에 램프를 설치한 후 6% 이상으로 상승한 3%로 개발된 모델도 침수형 폭기 장치의 성능을 평가할 수 있음을 보여주었습니다.

Submerged spillways with large capacity outlets are generally provided below the dam crest to perform the dual functions of flood disposal and sediment flushing. Flood water passing through these spillways exhibits turbulent behavior. Moreover; hydraulic analysis of such turbulent flows is a challenging task. Therefore, the present study aims to use numerical simulations to examine the hydraulic behavior of submerged spillways constructed at Mangla Dam, Pakistan. Besides, the hydraulic performance of aerator was also evaluated at different operating conditions. Computational fluid dynamics code FLOW 3D was used to numerically model the flows of Mangla Spillway. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are used in FLOW 3D to numerically model the turbulent flows. The study results indicated that the developed model can simulate the submerged spillway flows as it computed the flow parameters with an acceptable error of up to 6%. Moreover, air concentration computed by model near spillway chute bed was 3% which raised to more than 6% after the installation of ramp on aerator which showed that developed model is also capable of evaluating the performance of submerged spillway aerator.

Keywords

Aerator
CFD
FLOW 3D
Froude number
Submerged spillway

Fig. 1Fig. 2Fig. 3Fig. 4Fig. 5Fig. 6Fig. 7Fig. 8

References

Aydin MC (2018) Aeration efficiency of bottom-inlet aerators for spillways. ISH J Hydraul Eng 24(3):330–336. https://doi.org/10.1080/09715010.2017.1381576 Article Google Scholar
Bennett P, Chesterton J, Neeve D, Ucuncu M, Wearing M, Jones SEL (2018) Use of CFD for modelling spillway performance. Dams Reserv 28(2):62–72. https://doi.org/10.1680/jdare.18.00001 Article Google Scholar
Bhosekar VV, Jothiprakash V, Deolalikar PB (2012) Orifice Spillway Aerator: Hydraulic Design. J Hydraul Eng 138(6):563–572. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000548 Article Google Scholar
Chanel PG, Doering JC (2008) Assessment of spillway modeling using computational fluid dynamics. Can J Civ Eng 35(12):1481–1485. https://doi.org/10.1139/L08-094 Article Google Scholar
Flow Sciences, Inc. (2013) FLOW 3D user manual version 10.1.
Gadge PP, Jothiprakash V, Bhosekar VV (2018) Hydraulic investigation and design of roof profile of an orifice spillway using experimental and numerical models. J Appl Water Eng Res 6(2):85–94. https://doi.org/10.1080/23249676.2016.1214627 Article Google Scholar
Gadge PP, Jothiprakash V, Bhosekar VV (2019) Hydraulic design considerations for orifice spillways. ISH J Hydraul Eng 25(1):12–18. https://doi.org/10.1080/09715010.2018.1423579 Article Google Scholar
Gu S, Ren L, Wang X, Xie H, Huang Y, Wei J, Shao S (2017) SPHysics simulation of experimental spillway hydraulics. Water 9(12):973. https://doi.org/10.3390/w9120973 Article Google Scholar
Gurav NV (2015) Physical and Numerical Modeling of an Orifice Spillway. Int J Mech Prod Eng 3(10):71–75Google Scholar
Hirt CW, Nichols BD (1981) Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J Comput Phys 39(1):201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5 Article MATH Google Scholar
Ho DKH, Riddette KM (2010) Application of computational fluid dynamics to evaluate hydraulic performance of spillways in Australia. Aust J Civ Eng 6(1):81–104. https://doi.org/10.1080/14488353.2010.11463946 Article Google Scholar
Jothiprakash V, Bhosekar VV, Deolalikar PB (2015) Flow characteristics of orifice spillway aerator: numerical model studies. ISH J Hydraul Eng 21(2):216–230. https://doi.org/10.1080/09715010.2015.1007093 Article Google Scholar
Kumcu SY (2017) Investigation of flow over spillway modeling and comparison between experimental data and CFD analysis. KSCE J Civ Eng 21(3):994–1003. https://doi.org/10.1007/s12205-016-1257-z Article Google Scholar
Lian J, Qi C, Liu F, Gou W, Pan S, Ouyang Q (2017) Air entrainment and air demand in the spillway tunnel at the Jinping-I Dam. Appl Sci 7(9):930. https://doi.org/10.3390/app7090930 Article Google Scholar
Luo M, Khayyer A, Lin P (2021) Particle methods in ocean and coastal engineering. Appl Ocean Res 114:102734Article Google Scholar
Moreira A, Leroy A, Violeau D, Taveira-Pinto F (2019) Dam spillways and the SPH method: two case studies in Portugal. J Appl Water Eng Res 7(3):228–245. https://doi.org/10.1080/23249676.2019.1611496 Article Google Scholar
Moreira AB, Leroy A, Violeau D, Taveira-Pinto FA (2020) Overview of large-scale smoothed particle hydrodynamics modeling of dam hydraulics. J Hydraul Eng 146(2):03119001. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001658 Article Google Scholar
O’Connor J, Rogers BD (2021) A fluid–structure interaction model for free-surface flows and flexible structures using smoothed particle hydrodynamics on a GPU. J Fluids Struct. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2021.103312 Article Google Scholar
Sarwar MK, Bhatti MT, Khan NM (2016) Evaluation of air vents and ramp angles on the performance of orifice spillway aerators. J Eng Appl Sci 35(1):85–93Google Scholar
Sarwar MK, Ahmad I, Chaudary ZA, Mughal H-U-R (2020) Experimental and numerical studies on orifice spillway aerator of Bunji Dam. J Chin Inst Eng 43(1):27–36. https://doi.org/10.1080/02533839.2019.1676652 Article Google Scholar
Saunders K, Prakash M, Cleary PW, Cordell M (2014) Application of smoothed particle hydrodynamics for modelling gated spillway flows. Appl Math Model 38(17–18):4308–4322. https://doi.org/10.1016/j.apm.2014.05.008 Article MATH Google Scholar
Savage BM, Johnson MC (2001) Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. J Hydraul Eng 127(8):640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:8(640)Article Google Scholar
Shadloo MS, Oger G, le Touzé D (2016) Smoothed particle hydrodynamics method for fluid flows, towards industrial applications: Motivations, current state, and challenges. Comput Fluids. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.05.029 MathSciNet Article MATH Google Scholar
Shao Z, Jahangir Z, MuhammadYasir Q, Atta-ur-Rahman, Mahmood S (2020) Identification of potential sites for a multi-purpose dam using a dam suitability stream model. Water 12(11):3249. https://doi.org/10.3390/w12113249 Article Google Scholar
Shimizu Y, Khayyer A, Gotoh H, Nagashima K (2020) An enhanced multiphase ISPH-based method for accurate modeling of oil spill. Coast Eng J 62(4):625–646. https://doi.org/10.1080/21664250.2020.1815362 Article Google Scholar
Teng P, Yang J (2016) CFD modeling of two-phase flow of a spillway chute aerator of large width. J Appl Water Eng Res 4(2):163–177. https://doi.org/10.1080/23249676.2015.1124030 Article Google Scholar
Teng P, Yang J, Pfister M (2016) Studies of two-phase flow at a chute aerator with experiments and CFD modelling. Model Simul Eng 2016:1–11. https://doi.org/10.1155/2016/4729128 Article Google Scholar
Wapda (2004) Mangla dam raising project-sectional physical model study report of main spillway: Wapda model study cell, Gujrawala, Pakistan
Yang J, Andreasson P, Teng P, Xie Q (2019) The past and present of discharge capacity modeling for spillways—a Swedish perspective. Fluids 4(1):10. https://doi.org/10.3390/fluids4010010 Article Google Scholar
Yang J, Teng P, Xie Q, Li S (2020) Understanding water flows and air venting features of spillway—a case study. Water 12(8):2106. https://doi.org/10.3390/w12082106 Article Google Scholar
Ye T, Pan D, Huang C, Liu M (2019) Smoothed particle hydrodynamics (SPH) for complex fluid flows: recent developments in methodology and applications. Phys Fluids 31(1):011301Article Google Scholar
Zhan X, Qin H, Liu Y, Yao L, Xie W, Liu G, Zhou J (2020) Variational Bayesian neural network for ensemble flood forecasting. Water 12(10):2740. https://doi.org/10.3390/w12102740 Article Google Scholar

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Validation of Sloshing Simulations in Narrow Tanks

This case study was contributed by Peter Arnold, Minerva Dynamics.

이 작업의 목적은 FLOW-3D 를 검증하는 것입니다. 밀폐된 좁은 스팬 직사각형 탱크의 출렁거림 문제에 대비하여 탱크의 내부 파동 공명 주기에 가깝거나 같은 주기로 롤 운동을 하여 측면 및 지붕 파동 충격 이벤트가 발생합니다.

탱크는 물이나 해바라기 기름으로 두 가지 다른 수준으로 채워졌고 위의 공간은 공기로 채워졌습니다. 압력 센서는 여러 장소의 벽에 설치되었으며 처음 4개의 출렁이는 기간 동안 기록된 롤 각도와 시간 이력이 있습니다. 오일을 사용하는 경우의 흐름은 레이놀즈 수가 1748인 층류인 반면, 물로 채워진 경우의 흐름은 레이놀즈 수가 97546인 난류입니다.

CFD 시뮬레이션은 탱크의 고조파 롤 운동을 복제하기 위해 본체력 방법을 사용했으며, 난류 및 공기 압축성을 설명하기 위해 다른 모델링 가정과 함께 그리드 의존성 테스트를 수행했습니다.

The objective of this work is to validate FLOW-3D against a sloshing problem in a sealed narrow span rectangular tank, subjected to roll motion at periods close to or equal to the tank’s internal wave resonance period, such that side and roof wave impact events occur. The tank was filled to two different levels with water or sunflower oil, with the space above filled by air. Pressure sensors were installed in the walls at several places and their time histories, along with the roll angle, recorded for the first four sloshing periods. For the cases using oil, the flow is laminar with a Reynolds number of 1748, while for the cases filled with water the flow is turbulent with a Reynolds number of 97546. The CFD simulations used the body force method to replicate the harmonic roll motion of the tank, while grid dependence tests were performed along with different modelling assumptions to account for turbulence and air compressibility.

Experimental Problem Setup

원래 실험은 Souto-Iglesias 및 Botia-Vera[1]에 의해 수행되었으며 모든 실험 데이터 파일은 문제 설명, 비디오 및 불확실성 분석과 함께 사용할 수 있습니다. 그림 1에 표시된 형상은 길이 900mm, 높이 508mm, 스팬 62mm의 직사각형 탱크로 구성되어 있으며 물이나 해바라기 기름으로 93mm 또는 355.3mm로 채워져 있으므로 4가지 경우가 고려됩니다. 탱크 벽과 같은 높이로 설치된 압력 센서의 위치도 표시됩니다. 탱크 회전 중심은 수평에 대한 회전 각도와 함께 그림 1에 나와 있습니다. 각 실험 실행은 반복성을 평가할 수 있도록 100번 수행되었습니다.

The original experiment was performed by Souto-Iglesias and Botia-Vera [1] and all experimental data files are available along with problem description, videos and an uncertainty analysis. The geometry shown in Fig. 1 consists of a rectangular tank of 900mm length, 508mm height and 62mm span, filled to either 93mm or 355.3 mm with either water or sunflower oil, hence four cases are considered. The locations of the pressure sensors that were installed flush with the tank walls are also shown. The tank rotation center is shown in Fig. 1, along with the rotation angle relative to the horizontal. Each of the experimental runs was performed 100 times to enable their repeatability to be assessed.

Numerical Simulation

문제는 FLOW-3D 내에서 비관성 기준 좌표계 모델을 사용하여 비교적 간단하게 설정할 수 있으며 , 이는 로컬 기준 좌표계의 가속도에 따라 유체에 체력 을 적용합니다. Z축 회전 속도는 탱크의 롤 운동을 시뮬레이션하기 위한 주기 함수로 정의되었으며 음의 수직 방향으로 작용하는 일정한 중력이 가해졌습니다.

메쉬 미세화, 운동량 이류에 대한 수치 근사 순서, 층류 대 난류 모델 및 탱크 내 공기에 대한 세 가지 다른 처리(즉, 일정 압력, 압축성 기체 및 비압축성 기체)와 같은 것을 조사하기 위해 여러 시뮬레이션을 수행했습니다.

93mm 깊이로 채워진 모든 케이스에 대해 압력은 압력 센서 P1에서만 실험 값과 비교되었으며, 355.3mm 깊이로 채워진 모든 케이스에서는 P3 센서의 데이터만 비교되었습니다.

The problem was relatively simple to set up using the non-inertial reference frame model within FLOW-3D, which applies a body force to the fluid depending on the acceleration of the local reference frame. The Z axis rotational velocity was defined as a periodic function to simulate a roll motion of the tank, and a constant gravity force acting in the negative vertical direction was applied.

Multiple simulations were performed to investigate such things as mesh refinement, the numerical approximation order for momentum advection, laminar versus turbulent models and three different treatments for the air in the tank (i.e., constant pressure, compressible gas and incompressible gas).

For all 93mm depth-filled cases, the pressure was compared to the experimental values at pressure sensor P1 only, while for all 355.3mm depth-filled cases, only data at the P3 sensor was compared.

Results

P1에서 측정된 측면 워터 슬로싱에 대한 메쉬 해상도의 영향은 그림 2에서 볼 수 있습니다. 피크 값 예측 측면에서 특별한 편향을 보이지 않습니다. 모든 측면 사례에서 초기 피크 직후의 압력은 시뮬레이션에서 일관되게 과대 평가되었습니다. 모든 메쉬는 피크의 타이밍 측면에서 우수한 일치를 보입니다. 100회 실행에서 보고된 실험 시간 기록은 평균 값에 가장 가까운 최고 압력을 가진 기록입니다.

The effect of mesh resolution on lateral water sloshing measured at P1 is seen in Fig. 2. It shows no particular bias in terms of the prediction of peak values. In all the Lateral cases, the pressures immediately after the initial peaks are consistently over estimated in the simulations. All meshes have excellent agreement in terms of the timing of the peaks. The experimental time histories reported from the 100 runs made are those with peak pressures closest to the average values.

실험 결과의 반복성은 Souto-Iglesias & Elkin Botia-Vera[1]에 의해 각 테스트를 100번 실행하고 처음 4개의 피크 압력의 평균 및 표준 편차를 측정하여 평가했습니다. CFD 실행이 다른 실험 실행으로 간주되는 경우 오류 막대 내에 있을 확률이 95%입니다. 그러나 CFD 결과의 16개 피크 압력 중 9개만 실험 결과의 2 표준 편차 내에 있으므로 CFD 모델이 실험을 대표하지 않거나 피크 압력이 정규 분포를 따르지 않는다는 결론을 내려야 합니다.

어쨌든 표준 편차는 피크 자체에 비해 상당히 크며, 수성 케이스와 측면 오일의 비율이 가장 작은 피크 값에 대한 표준 편차의 비율이 가장 큰 것으로 나타났습니다. 이러한 결과는 그림 1과 2에서 볼 수 있는 벽 충격 역학의 복잡성을 고려할 때 그리 놀라운 일이 아닙니다. 3,4.

The repeatability of the experimental results was assessed by Souto-Iglesias & Elkin Botia-Vera [1] running each test 100 times and measuring the average and standard deviation of the first four peak pressures. If a CFD run is considered to be another experimental run there is a 95% chance it will lie within the error bars. However, only nine of the 16 peak pressures from the CFD results fall within two standard deviations of the experimental results, so we must conclude that either the CFD model is not representative of the experiment or that the peak pressures are not normally distributed.

In any event, the standard deviations are quite large compared to the peaks themselves, with the largest ratio of standard deviation to peak values occurring for the water-based cases and the lateral oil having the smallest ratio. These results are perhaps not too surprising when one considers the complexity of the wall impact dynamics as seen in Figs. 3,4.

Conclusions

좁은 탱크 슬로싱 문제의 네 가지 구성은 자유 표면 흐름을 위해 설계된 상용 CFD 코드를 사용하여 수치적으로 시뮬레이션되었습니다. 대략 2 X 10 ³ 및 1 X 10 ⁵ 의 Reynolds 수에 해당하는 두 가지 다른 유체 와 두 가지 유체 깊이가 네 가지 경우를 정의하는 데 사용되었습니다. 4가지 경우 모두에 대해 메쉬 셀 크기 독립성 테스트를 수행했지만 메쉬 해상도가 증가함에 따라 실험 결과에 대해 약한 수렴만 발견되었습니다. 조사는 또한 두 가지 다른 운동량 이류 수치 차분 계획을 테스트했으며 두 ^{번째 방법을} 사용하여 더 가까운 일치를 발견했습니다 1차 체계를 사용하는 것보다 차수 단조성 보존 체계. 기본 층류 흐름을 포함한 세 가지 난류 모델이 테스트되었지만 더 낮은 계산 비용으로 인해 층류 이외의 모델에 대한 선호도가 발견되지 않았습니다. 실험 데이터와 공기 감소 일치의 압축성을 포함하여 그 이유는 불분명합니다.

실험 압력 프로브 시간 이력 데이터 세트에는 100회 반복 테스트에서 파생된 각 압력 피크에 대해 100개의 값이 포함되어 있으므로 CFD 시뮬레이션과의 일치의 통계적 유의성을 조사할 수 있었습니다. 수치 시뮬레이션과 실험 모두 출렁이는 파동 충격에 해당하는 매우 가파른 압력 펄스를 발생시켰고 실험 결과는 피크 값에서 높은 정도의 자연적 변동성을 갖는 것으로 나타났습니다. CFD 시뮬레이션의 감도 테스트(예: 약간 다른 초기 시작 조건 사용)는 공식적으로 수행되지 않았지만 수치 솔루션은 또한 다른 메쉬, 차분 체계 및 난류 모델,

모든 경우에 압력 피크가 발생하는 수치해의 타이밍은 매우 정확함을 알 수 있었다. 그러나 가장 난이도가 낮은 Lateral Oil의 경우에도 압력 피크와 바로 뒤따르는 압력 값이 과대 평가되어 수치 모델링의 단점이 나타났습니다. 실험적 피크 압력 변동성을 고려할 때 CFD 생성 값은 CFD 솔루션이 통계적 유의성을 나타내기 위해 필요한 15개 이상이 아니라 16개 피크 중 9개에서 2개의 표준편차 한계 내에 떨어졌습니다. 실험을 대표했다. 이것은 피크가 정규 분포를 따르지 않거나 CFD 모델이 피크를 예측하는 데 어떤 식으로든 결함이 있음을 나타냅니다.

Four configurations of a narrow tank sloshing problem were numerically simulated using a commercial CFD code designed for free surface flow. Two different fluids corresponding to Reynolds numbers of approximately 2 X 10³ and 1 X 10⁵ and two fluid depths were used to define the four cases. Mesh cell size independence tests were conducted for all four cases, but only a weak convergence towards the experimental results with increasing mesh resolution was found. The investigation also tested two different momentum advection numerical differencing schemes and found closer agreement using the 2^nd order monotonicity preserving scheme than by using a first order scheme. Three turbulence models, including the default laminar flow, were tested but no preference was found for any model other than the laminar by virtue of its lower computational cost. Including the compressibility of the air-reduced agreement with the experimental data, the reasons for this are unclear.

The experimental pressure probe time history data sets included 100 values for each of the pressure peaks derived from 100 repeat tests, and thus we were able to examine the statistical significance of the agreement with the CFD simulations. Both the numerical simulations and the experiments gave rise to very steep pressure pulses corresponding to the sloshing wave impacts, and the experimental results were found to have a high degree of natural variability in the peak values. Although sensitivity tests of the CFD simulations (using, for example, slightly different initial starting conditions) were not formally conducted, the numerical solutions also showed a high degree of variability in the pressure peak magnitudes resulting from the use of different meshes, differencing schemes and turbulence models, which could be considered to show that the numerical solution also had a high degree of natural variability.

In all cases, the numerical solutions’ timing of the occurrence of the pressure peaks were found to be very accurate. However, even for the least challenging Lateral Oil case, the pressure peaks and the immediately following pressure values were overestimated, which indicated a shortcoming in the numerical modelling. When the experimental peak pressure variability was taken into account, the CFD-generated values fell inside the two Standard Deviation margin in nine of the 16 peaks rather than the 15 or more that would be required to show statistical significance in the sense that the CFD solution was representative of the experiment. This indicates that either the peaks are not normally distributed and/or the CFD model is in some way deficient at predicting them. Further work is required to establish how the peak pressures are distributed and/or to establish the physical reasons why the CFD model is overestimating the pressure peaks for even the least challenging Lateral Oil configuration.

References

Spheric Benchmark Test Case, Sloshing Wave Impact Problem, Antonio Souto-Iglesias & Elkin Botia-Vera, https://wiki.manchester.ac.uk/spheric/index.php/Test10
Peregrine DH (1993). Water-wave impact on walls. Annual Review of Fluid Mechanics. Vol 35, pp 23-43.

Editor’s Note

The complete document from which this note was extracted and the related data and input files are available on our Users Site. Readers are encouraged to read the original validation to get a full appreciation of the detail in this work investigating comparisons between simulation and experimental data. This study is especially noteworthy since it deals with highly non-linear sloshing of fluids interacting with the boundaries of a confining tank.

With regard to the author’s conclusions, it should be mentioned that the over prediction of fluid impact pressures in simulations could be the result of not allowing for sufficient compressibility effects in the liquids. For instance, in Fig. 3, it appears that there has been some air entrained in the liquid near the side wall. Also, negative pressures (i.e., below atmospheric) recorded experimentally might result from liquid drops remaining on the pressure sensors after the main body of liquid has drained away. Such details, which may be hard to quantify, only emphasize the difficulties involved in undertaking detailed validation studies. The author is commended for his excellent work.

Figure 4. FLOW-3D model results for the preliminary and optimized layout of the proposed spillway at John Hart Dam.

Spillway Hydraulics Assessments

Spillway Hydraulics Assessments

이 기사는 BC Hydro의 Hydrotechnical부서의 전문 엔지니어인 M.A.Sc., P.Eng의 FaizalYusuf에 의해 기고되었다.

브리티시 콜롬비아의 공공 전력 회사인 BC Hydro는 FLOW-3D를 사용하여 현존하는 여러 댐의 복잡한 유압 문제를 조사하고 제안된 시설의 설계와 최적화를 지원합니다. 본 기사에서는 FLOW-3D를 다양한 유형의 드릴에 적용하는 방법과 신뢰할 수 있는 프로토 타입 또는 수치 모델 보정용 물리적 유압 모델 데이터의 중요성을 강조하는 세가지 사례가 제시됩니다.

W.A.C. Bennett Dam

Shock Waves in Spillway Chute

W.C. Bennett 댐에서는 1960년대 물리적 유압 모델과 프로토 타입 사이에 있었던 레일 궤도의 차이로 인해 충격파 형성에 대한 신뢰할 수 있는 결론을 도출하기 어렵습니다. 이 자료는 실제 모델 테스트 결과의 슈트 용량을 제공합니다. 콘크리트 라인 스풀 레이 슈트의 충격 파장의 크기는 헤드 워크에 있는 세 개의 방사형 게이트의 다운 스트림이 44% 감소되는데 크게 영향을 받습니다. 방사형 관문의 방사형 개구부의 충격파는 지역적으로 더 높은 수위로 이어져 특정 과거 작업에서 슈트 월의 과다 주입을 야기합니다.

2012년에 최대 2,865 m³/s 의 배출에 대한 프로토 타입 유출 테스트가 실행되어 슈트 벽, 슈트 내 물 표면에 대한 3D레이저 스캔 및 FLOW-3D model 보정을 위한 흐름 패턴. 수치 모델과 현장 관찰 간에, 특히 슈트 월의 첫번째 충격파의 위치와 높이 사이에 훌륭한 일치가 이루어졌습니다.

Figure 1. Comparison between prototype observations and FLOW-3D for a spill discharge of 2,865 m^3/s at Bennett Dam spillway

보정된 FLOW-3D모델은 기존에 규정된 바와 같이 3개의 방사형 관문이 모두 열리는 한, 유출되지 않고 설계 홍수를 안전하게 통과할 수 있음을 확인했습니다. 바깥쪽 문을 이용한 허가 명령은 안쪽 문보다 더 많이 열립니다.
CFD모델 또한 spillway 슈트의 콘크리트 손상에 대한 통찰력을 제공했습니다. FLOW-3D시뮬레이션 결과로부터 계산된 공동지수를 USBR의 경험적 데이터와 비교했고, spillway의 과거 성능과 일치하는 것으로 확인되었습니다. 수치 해석을 통해 현장 검사를 지원하였으며, 이를 통해 슈트의 콘크리트 상태의 악화가 캐비테이션 때문이 아니라는 결론을 내렸습니다.

Strathcona Dam

Poor Approach Conditions and Uncertainty of Spillway Rating Curves

FLOW-3D는 댐 우측 교대에 수직 리프트 게이트가 3개 포함된 Strathcona댐 배수로의 등급 곡선과 관련한 열악한 접근 조건 및 불확실성을 조사하는 데 사용되었습니다. Strathcona spillway의 등급 곡선은 경험적인 조정과 교각의 기하학적 구조가 포함되지 않은 flume의 제한적인 물리적 유압 모델 테스트의 조합으로부터 개발되었습니다.
수치 모델 테스트 및 보정은 세개의 게이트가 모두 열려 있었던 1982년부터의 프로토 타입 유출 관측치와 비교하여 이루어진 것입니다. 맨 왼쪽 베이의 streamline입니다. 최좌측 베이로의 흐름은 댐 축에 평행하게 흐르는 물과 지하수 댐의 상류 경사에 인접한 콘크리트 옹벽 위로 곤두박질쳐 왜곡됩니다. 이 흐름은 다른 두 베이로 훨씬 더 부드럽게 들어갑니다. 프로토 타입과 비교하여 수치 모델에서 생성된 매우 유사한 흐름 패턴 외에도, 게이트 섹션에서 시뮬레이션된 수위는 1982년의 현장 측정 값과 0.1m이내에 일치했습니다.

Figure 2. Prototype observations and FLOW-3D results for a Strathcona Dam spill in 1982 with all three gates fully open.

Figure 2-2. Prototype observations and FLOW-3D results for a Strathcona Dam spill in 1982 with all three gates fully open

보정된 CFD모델은 모든 게이트가 완전히 열린 상태에서 탱크의 정상 작동 범위에 대해 배수로 정격 곡선의 5%이내에서 배출을 생성합니다. 그러나 큰 홍수가 지나가는 동안 발생할 수 있는 더 높은 저장소 수준에서(그림 3) 시뮬레이션 배출과 등급 곡선 간의 차이는 다음과 같이 10%보다 큽니다. 단순화된 기하학적 구조와 경험적 보정을 사용한 물리적 모델 시험은 복잡한 접근 흐름 패턴을 적절히 나타내지 않았습니다. FLOW-3D모델은 개별 베이의 등급 곡선 정확도, 게이트 조건 및 오리피스와 자유 표면 흐름 사이의 전환에 대한 추가적인 통찰력을 제공합니다.

John Hart Dam

Optimization of a Proposed Spillway

John Hart 콘크리트 댐은 기존의 게이트 배수로와 현재 건설 중인 낮은 층의 출구 구조 사이에 위치할 새로운 free crest spillway를 포함하도록 개조될 것입니다. FLOW-3D를 사용한 체계적인 최적화 프로세스를 통해 제안된 배수로 설계가 크게 개선되었습니다.
free crest 배수로의 예비 설계는 엔지니어링 유압 설계 가이드에 기초했습니다. 콘크리트 에이프런 블록은 댐의 끝에 있는 바위를 보호하기 위한 것입니다. 새로운 우측 도류벽이 새 배수로에서 테일 레일 풀로 흐르는 흐름을 유도하고 낮은 레벨의 배수로 구조물을 배수로로부터 보호합니다.

그림 4는 새 레일의 초기 설계와 최적화 설계에 대한 FLOW-3D모델 결과를 보여 줍니다. CFD분석을 통해 배수 용량이 10%증가하고 도로가 심하게 감소했습니다. 배수로 돌출부 위에 있고 제안된 오른쪽 벽을 따라 최대 5m의 수위 감소를 포함한 흐름 패턴을 개선합니다. 제안된 설계를 확인하기 위해 물리적 유압 모델 테스트가 사용됩니다.

Conclusion

BC Hydro는 다양한 유형의 댐과 물 운반 구조의 흐름 패턴 및 성능 대한 광범위한 유압 장치 문제를 조사하기 위해 FLOW-3D를 사용해 왔습니다. 프로토 타입 데이터와 신뢰할 수 있는 물리적 유압 모델 테스트는 수치 모델 결과에 대한 신뢰도를 높이기 위해 가능할 때마다 사용됩니다

노후 댐 대책

How Computational Fluid Dynamics Modeling Solved Aging Dam Dilemma

By AyresApril 6, 2021No Comments

Keyword : 3D Hydraulic Modeling,CFD, CFD Model, Computational Fluid Dynamics, Dam Hydraulics, Hydrology structure damage

급격한 변화나 예기치 못한 노후화로 인해 댐에서 복잡한 문제가 발생하는 경우 20세기에 개발된 산업 표준 설계 방정식과 방법론이 많은 경우 올바른 솔루션을 제공할 수는 없습니다. 다행스럽게도 엔지니어들은 적절한 조치나 수리를 적용할 수 있도록 유압 상황을 확인하기 위해 전산유체역학(CFD) 모델을 사용할 수 있게 되었습니다.

About the Expert:

Matthew Hickox, PE, brings civil engineering expertise in stormwater and river design, planning, and construction phase services. His experience is founded on a solid understanding of hydrologic modeling, 1- and 2-dimensional hydraulic modeling, in-stream hydraulic structures, scour protection measures, culvert and bridge hydraulics, and the regulatory environment for stormwater projects.

How Does CFD Work in Practice?

최근의 한 사례에서 하천 수문학 및 지형학은 낮은 수두 전환 댐 주변에서 변경되었습니다. 지난 수십 년 동안 빠르게 발전해 온 도시 지역의 하류에 있는 모래 바닥 하천 시스템에 위치한 댐의 문제는 주변 하천 시스템에서 일어나는 여러 가지 일들로 인해 복잡해졌습니다. 증가하는 도시화는 배출 빈도를 증가시켰을 뿐만 아니라 기본 흐름을 증가시켰습니다. 수리학적으로 가파른 시스템은 일시적인 지류에서 연간 베이스 흐름으로의 변화가 상류가 침식됨에 따라 퇴적물 부하도 증가했음을 의미했습니다.

이 조합은 전환 댐의 하류 수로가 지난 15년 동안 3-4피트 감소했고, 배수가 감소된 정수장 apron에서 속도가 증가했으며 구조물 표면에 마모를 유발하는 퇴적물 하중이 감소했음을 의미합니다. 이러한 문제 중 어느 것도 전환 댐의 원래 설계의 잘못이 아니었지만 변화하는 하천 수문 및 지형학으로 인해 원래 설계자가 예상하지 못한 조건이 발생했습니다.

기존 구조물의 단위 너비 CFD 모델은 기존 현장 조건으로 인해 정수기 계류장에 수압 점프가 형성되지 않았다는 현장 관찰을 확인했습니다. 1).

Figure 1. Existing conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure.

설계 표고(열화 전)에서 하류 하류 바닥 표고와 함께 개발된 유사한 단위 너비 CFD 모델은 원래 설계가 정수 유역 계류장과 배수로 전면 근처에서 수압 점프를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이 단위 너비 CFD 모델은 구조에 영향을 미치는 수력학의 가치 있는 검증을 제공하지만 구조 손상이 구조 중간에서 매우 뚜렷하고 다른 영역에서는 거의 손대지 않았기 때문에 이것만으로는 충분하지 않습니다. (그림 2)

Figure 2. Original design conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure. The only difference with Figure 1 is the downstream bed elevation.

전체 기존 조건 CFD 모델은 정수조 앞치마 마모의 범위와 그에 따른 손상을 확인했습니다. (그림 3 및 4)

Figure 3. Existing conditions CFD model results showing velocity streamlines at 2-year event discharge. High velocities are areas of significant abrasion damage, low velocity areas have little or no abrasion damage.

Figure 4. Existing conditions shows rebar exposed from significant abrasion damage to stilling basin apron in high velocity areas

이 구조물에 대한 수리를 위한 예비 설계 동안 간단한 분석에 따르면 구조물의 미수를 높이는 것이 방수로 토우 근처의 구조물에 수력학적 점프를 만드는 데 도움이 될 것이며, 이는 정수 유역 계류장과 계류장을 가로지르는 극한 속도를 감소시킬 것입니다. 따라서 구조의 마모를 크게 줄입니다(그림 5 참조). 이 예비 제안 조건 CFD 모델은 엔드 실 높이만 높였습니다. 구조물 하류의 하천 시스템의 상태와 지형은 나머지 설계 수명 동안 구조물의 안정성을 보장하기 위해 모든 최종 설계 조건에 대해 평가되어야 합니다.

Figure 5. Preliminary design check to verify velocities under a raised tailwater condition at a 2-year event discharge. Velocity cross section slices shown.

CFD 모델은 설계 상황이 확립된 설계 방정식 및 절차의 한계 내에 깔끔하게 속하지 않을 때 유압을 확인하는 또 다른 도구를 제공합니다. 구조와 유역의 개요에 대해 자세히 설명하는 전체적인 관점은 프로젝트 현장의 현재와 미래의 상태를 평가하는 데 필요합니다. 이 예에서 구조의 설계 및 작동은 원래 설계와 매우 유사하게 유지됩니다. 구조 주변에서 변경된 것은 하천 시스템입니다. CFD는 현장 조건 변경으로 인해 예기치 않은 수리력 및 구조 손상이 발생할 때 복잡한 수리력을 분석할 수 있는 도구 상자의 또 다른 도구를 제공합니다.

CFD 또는 여기 Ayres에서 제공하는 유압 엔지니어링 서비스에 대한 자세한 내용은 Matthew Hickox, PE에게 문의하십시오.

Fig. 11. Velocity vectors along x-direction through the center of the box culvert for B0, B30, B50, and B70 respectively.

Numerical investigation of scour characteristics downstream of blocked culverts

막힌 암거 하류의 세굴 특성 수치 조사

NesreenTaha^bMaged M.El-Feky^aAtef A.El-Saiad^aIsmailFathy^a
^aDepartment of Water and Water Structures Engineering, Faculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt
^bLab Manager, Faculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt

Abstract

횡단 구조물을 통한 막힘은 안정성을 위협하는 위험한 문제 중 하나입니다. 암거의 막힘 형상 및 하류 세굴 특성에 미치는 영향에 관한 연구는 거의 없습니다.

이 연구의 목적은 수면과 세굴 모두에서 상자 암거를 통한 막힘의 작용을 수치적으로 논의하는 것입니다. 이를 위해 FLOW 3D v11.1.0을 사용하여 퇴적물 수송 모델을 조사했습니다.

상자 암거를 통한 다양한 차단 비율이 연구되었습니다. FLOW 3D 모델은 실험 데이터로 보정되었습니다. 결과는 FLOW 3D 프로그램이 세굴 다운스트림 상자 암거를 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 나타냅니다.

막힌 경우에 대한 속도 분포, 최대 세굴 깊이 및 수심을 플롯하고 비차단된 사례(기본 사례)와 비교했습니다.

그 결과 암거 높이의 70% 차단율은 상류의 수심을 암거 높이의 2.3배 증가시키고 평균 유속은 기본 경우보다 3배 더 증가시키는 것으로 입증되었다. 막힘 비율의 함수로 상대 최대 세굴 깊이를 추정하는 방정식이 만들어졌습니다.

Blockage through crossing structures is one of the dangerous problems that threaten its stability. There are few researches concerned with blockage shape in culverts and its effect on characteristics of scour downstream it.

The study’s purpose is to discuss the action of blockage through box culvert on both water surface and scour numerically. A sediment transport model has been investigated for this purpose using FLOW 3D v11.1.0. Different ratios of blockage through box culvert have been studied. The FLOW 3D model was calibrated with experimental data.

The results present that the FLOW 3D program was capable to simulate accurately the scour downstream box culvert. The velocity distribution, maximum scour depth and water depths for blocked cases have been plotted and compared with the non-blocked case (base case).

The results proved that the blockage ratio 70% of culvert height makes the water depth upstream increases by 2.3 times of culvert height and mean velocity increases by 3 times more than in the base case. An equation has been created to estimate the relative maximum scour depth as a function of blockage ratio.

1. Introduction

Local scour is the removal of granular bed material by the action of hydrodynamic forces. As the depth of scour hole increases, the stability of the foundation of the structure may be endangered, with a consequent risk of damage and failure [1]. So the prediction and control of scour is considered to be very important for protecting the water structures from failure. Most previous studies were designed to study the different factors that impact on scour and their relationship with scour hole dimensions like fluid characteristics, flow conditions, bed properties, and culvert geometry. Many previous researches studied the effect of flow rate on scour hole by information Froude number or modified Froude number [2], [3], [4], [5], [6]. Cesar Mendoza [6] found a good correlation between the scour depth and the discharge Intensity (Qg^−.5D^−2.5). Breusers and Raudkiv [7] used shear velocity in the outlet-scour prediction procedure. Ali and Lim [8] used the densimetric Froude number in estimation of the scour depth [1], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]. “The densimetric Froude number presents the ratio of the tractive force on sediment particle to the submerged specific weight of the sediment” [15](1)Fd=uρsρ-1gD50

Ali and Lim [8] pointed to the consequence of tailwater depth on scour behavior [1], [2], [8], [13]. Abida and Townsend [2] indicated that the maximum depth of local scour downstream culvert was varying with the tailwater depth in three ways: first, for very shallow tailwater depths, local scouring decreases with a decrease in tailwater depth; second, when the ratio of tailwater depth to culvert height ranged between 0.2 and 0.7, the scour depth increases with decreasing tailwater depth; and third for a submerged outlet condition. The tailwater depth has only a marginal effect on the maximum depth of scour [2]. Ruff et al. [16] observed that for materials having similar mean grain sizes (d₅₀) but different standard deviations (σ). As (σ) increased, the maximum scour hole depth decreased. Abt et al. [4] mentioned to role of soil type of maximum scour depth. It was noticed that local scour was more dangerous for uniform sands than for well-graded mixtures [1], [2], [4], [9], [17], [18]. Abt et al [3], [19] studied the culvert shape effect on scour hole. The results evidenced that the culvert shape has a limited effect on outlet scour. Under equivalent discharge conditions, it was noted that a square culvert with height equal to the diameter of a circular culvert would reduce scour [16], [20]. The scour hole dimension was also effected by the culvert slope. Abt et al. [3], [21] showed that the culvert slope is a key element in estimating the culvert flow velocity, the discharge capacity, and sediment transport capability. Abt et al. [21], [22] tested experimentally culvert drop height effect on maximum scour depth. It was observed that as the drop height was increasing, the depth of scour was also increasing. From the previous studies, it could have noticed that the most scour prediction formula downstream unblocked culvert was the function of densimetric Froude number, soil properties (d₅₀, σ), tailwater depth and culvert opening size. Blockage is the phenomenon of plugging water structures due to the movement of water flow loaded with sediment and debris. Water structures blockage has a bad effect on water flow where it causes increasing of upstream water level that may cause flooding around the structure and increase of scour rate downstream structures [23], [24]. The blockage phenomenon through was studied experimentally and numerical [15], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]. Jaeger and Lucke [33] studied the debris transport behavior in a natural channel in Australia. Froude number scale model of an existing culvert was used. It was noticed that through rainfall event, the mobility of debris was impressed by stream shape (depth and width). The condition of the vegetation (size and quantities) through the catchment area was the main factor in debris transport. Rigby et al. [26] reported that steep slope was increasing the ability to mobilize debris that form field data of blocked culverts and bridges during a storm in Wollongong city.

Streftaris et al. [32] studied the probability of screen blockage by debris at trash screens through a numerical model to relate between the blockage probability and nature of the area around. Recently, many commercial computational fluid programs (CFD) such as SSIIM, Fluent, and FLOW 3D are used in the analysis of the scour process. Scour and sediment transport numerical model need to validate by using experimental data or field data [34], [35], [36], [37], [38]. Epely-Chauvin et al. [36] investigated numerically the effect of a series of parallel spur diked. The experimental data were compared by SSIIM and FLOW 3D program. It was found that the accuracy of calibrated FLOW 3D model was better than SSIIM model. Nielsen et al. [35] used the physical model and FLOW 3D model to analyze the scour process around the pile. The soil around the pile was uniform coarse stones in the physical models that were simulated by regular spheres, porous media, and a mixture of them. The calibrated porous media model can be used to determine the bed shear stress. In partially blocked culverts, there aren’t many studies that explain the blockage impact on scour dimensions. Sorourian et al. [14], [15] studied the effect of inlet partial blockage on scour characteristics downstream box culvert. It resulted that the partial blockage at the culvert inlet could be the main factor in estimating the depth of scour. So, this study is aiming to investigate the effects of blockage through a box culvert on flow and scour characteristics by different blockage ratios and compares the results with a non-blocked case. Create a dimensionless equation relates the blockage ratio of the culvert with scour characteristics downstream culvert.

2. Experimental data

The experimental work of the study was conducted in the Hydraulics and Water Engineering Laboratory, Faculty of Engineering, Zagazig University, Egypt. The flume had a rectangular cross-section of 66 cm width, 65.5 cm depth, and 16.2 m long. A rectangular culvert was built with 0.2 m width, 0.2 m height and 3.00 m long with θ = 25° gradually outlet and 0.8 m fixed apron. The model was located on the mid-point of the channel. The sediment part was extended for a distance 2.20 m with 0.66 m width and 0.20 m depth of coarse sand with specific weight 1.60 kg/cm³, d₅₀ = 2.75 mm and σ (d₉₀/d₅₀) = 1.50. The particle size distribution was as shown in Fig. 1. The experimental model was tested for different inlet flow (Q) of 25, 30, 34, 40 l/s for different submerged ratio (S) of 1.25, 1.50, 1.75.

3. Dimensional analysis

A dimensional analysis has been used to reduce the number of variables which affecting on the scour pattern downstream partial blocked culvert. The main factors affecting the maximum scour depth are:(2)ds=f(b.h.L.hb.lb.Q.ud.hu.hd.D50.ρ.ρs.g.ls.dd.ld)

Fig. 2 shows a definition sketch of the experimental model. The maximum scour depth can be written in a dimensionless form as:(3)dsh=f(B.Fd.S)where the d_s/h is the relative maximum scour depth.

4. Numerical work

The FLOW 3D is (CFD) program used by many researchers and appeared high accuracy in solving hydrodynamic and sediment transport models in the three dimensions. Numerical simulation with FLOW 3D was performed to study the impacts of blockage ratio through box culvert on shear stress, velocity distribution and the sediment transport in terms of the hydrodynamic features (water surface, velocity and shear stress) and morphological parameters (scour depth and sizes) conditions in accurately and efficiently. The renormalization group (RNG) turbulence model was selected due to its high ability to predict the velocity profiles and turbulent kinetic energy for the flow through culvert [39]. The one-fluid incompressible mode was used to simulate the water surface. Volume of fluid (VOF) method was employed in FLOW 3D to tracks a liquid interface through arbitrary deformations and apply the correct boundary conditions at the interface [40].1.

Governing equations

Three-dimensional Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) equation was applied for incompressible viscous fluid motion. The continuity equation is as following:(4)VF∂ρ∂t+∂∂xρuAx+∂∂yρvAy+∂∂zρwAz=RDIF(5)∂u∂t+1VFuAx∂u∂x+vAy∂u∂y+ωAz∂u∂z=-1ρ∂P∂x+Gx+fx(6)∂v∂t+1VFuAx∂v∂x+vAy∂v∂y+ωAz∂v∂z=-1ρ∂P∂y+Gy+fy(7)∂ω∂t+1VFuAx∂ω∂x+vAy∂ω∂y+ωAz∂ω∂z=-1ρ∂P∂z+Gz+fz

ρ is the fluid density,

V_F is the volume fraction,

(x,y,z) is the Cartesian coordinates,

(u,v,w) are the velocity components,

(A_x,A_y,A_z) are the area fractions and

R_DIF is the turbulent diffusion.

P is the average hydrodynamic pressure,

(G_x, G_y, G_z) are the body accelerations and

(f_x, f_y, f_z) are the viscous accelerations.

The motion of sediment transport (suspended, settling, entrainment, bed load) is estimated by predicting the erosion, advection and deposition process as presented in [41].

The critical shields parameter is (θ_cr) is defined as the critical shear stress τ_cr at which sediments begin to move on a flat and horizontal bed [41]:(8)θcr=τcrgd50(ρs-ρ)

The Soulsby–Whitehouse [42] is used to predict the critical shields parameter as:(9)θcr=0.31+1.2d∗+0.0551-e(-0.02d∗)(10)d∗=d50g(Gs-1ν3where:

d_* is the dimensionless grain size

G_s is specific weight (G_s = ρ_s/ρ)

The entrainment coefficient (0.005) was used to scale the scour rates and fit the experimental data. The settling velocity controls the Soulsby deposition equation. The volumetric sediment transport rate per width of the bed is calculated using Van Rijn [43].2.

Meshing and geometry of model

After many trials, it was found that the uniform cell size with 0.03 m cell size is the closest to the experimental results and takes less time. As shown in Fig. 3. In x-direction, the total model length in this direction is 700 cm with mesh planes at −100, 0, 300, 380 and 600 cm respectively from the origin point, in y-direction, the total model length in this direction is 66 cm at distances 0, 23, 43 and 66 cm respectively from the origin point. In z-direction, the total model length in this direction is 120 cm. with mesh planes at −20, 0, 20 and 100 cm respectively.3.

Boundary condition

As shown in Fig. 4, the boundary conditions of the model have been defined to simulate the experimental flow conditions accurately. The upstream boundary was defined as the volume flow rate with a different flow rate. The downstream boundary was defined as specific pressure with different fluid elevation. Both of the right side, the left side, and the bottom boundary were defined as a wall. The top boundary defined as specified pressure with pressure value equals zero.

5. Validation of experimental results and numerical results

The experimental results investigated the flow and scour characteristics downstream culvert due to different flow conditions. The measured value of maximum scour depth is compared with the simulated depth from FLOW 3D model as shown in Fig. 5. The scour results show that the simulated results from the numerical model is quite close to the experimental results with an average error of 3.6%. The water depths in numerical model results is so close to the experimental results as shown in Fig. 6 where the experiment and numerical results are compared at different submerged ratios and flow rates. The results appear maximum error percentage in water depths upstream and downstream the culvert is about 2.37%. This indicated that the FLOW 3D is efficient for the prediction of maximum scour depth and the flow depths downstream box culvert.

6. Computation time

The run time was chosen according to reaching to the stability limit. Hydraulic stability was achieved after 50 s, where the scour development may still go on. For run 1, the numerical simulation was run for 1000 s as shown in Fig. 7 where it mostly reached to scour stability at 800 s. The simulation time was taken 500 s at about 95% of scour stability.

7. Analysis and discussions

Fig. 8 shows the study sections where sec 1 represents to upstream section, sec2 represents to inside section and sec3 represents to downstream stream section. Table 1 indicates the scour hole dimensions at different blockage case. The symbol (B) represents to blockage and the number points to blockage ratio. B0 case signifies to the non-blocked case, B30 is that blockage height is 30% to the culvert height and so on.

Table 1. The scour results of different blockage ratio.

Case	h_{b cm}	B = h_b/h	Q lit/s	S	F_d	d_{50 mm}	d_s/h measured	l_s/h	d_d/h	l_d/h	d_s/h estimated
B0	0	0	35	1.26	1.69	2.5	0.58	1.50	0.27	5.00	0.46
B30	6	0.30	35	1.26	1.68	2.5	0.48	1.25	0.27	4.25	0.40
B50	10	0.50	35	1.22	1.74	2.5	0.45	1.10	0.24	4.00	0.37
B70	14	0.70	35	1.23	1.73	2.5	0.43	1.50	0.16	5.50	0.33

7.1. Scour hole geometry

The scour hole geometry mainly depends on the properties of soil of the bed downstream the fixed apron. From Table 1, the results show that the maximum scour depth in B0 case is about 0.58 of culvert height while the maximum deposition in B0 is 0.27 culvert height. There is a symmetric scour hole as shown in Fig. 9 in B0 case. An asymmetric scour hole is created in B50 and B70 due to turbulences that causes the deviation of the jet direction from the center of the flume where appear in Fig. 11 and Fig. 19.

7.2. Flow water surface

Fig. 10 presents the relative free surface water (h_w/h) along the x-direction at center of the box culvert. From the mention Figure, it is easy to release the effect of different blockage ratios. The upstream water level rises by increasing the blockage ratio. Increasing upstream water level may cause flooding over the banks of the waterway. In the 70% blockage case, the upstream water level rises to 2.3 times of culvert height more than the non-blocked case at the same discharge and submerged ratio. The water surface profile shows an increase in water level upstream the culvert due to a decrease in transverse velocity. Because of decreasing velocity downstream culvert, there is an increase in water level before it reaches its uniform depth.

7.3. Velocity vectors

Scour downstream hydraulic structures mainly affects by velocities distribution and bed shear stress. Fig. 11 shows the velocity vectors and their magnitude in xz plane at the same flow conditions. The difference in the upstream water level due to the different blockage ratios is so clear. The maximum water level is in B70 and the minimum level is in B0. The inlet mean velocity value is about 0.88 m/s in B0 increases to 2.86 m/s in B70. As the blockage ratio increases, the inlet velocity increases. The outlet velocity in B0 case makes downward jet causes scour hole just after the fixed apron in the middle of the bed while the blockage causes upward water flow that appears clearly in B70. The upward jet decreases the scour depth to 0.13 culvert height less than B0 case. After the scour hole, the velocity decreases and the flow becomes uniform.

7.4. Velocity distribution

Fig. 12 represents flow velocity (Vx) distribution along the vertical depth (z/h_u) upstream the inlet for the different blockage ratios at the same flow conditions. From the Figure, the maximum velocity creates closed to bed in B0 while in blocked case, the maximum horizontal velocity creates at 0.30 of relative vertical depth (z/h_u). Fig. 13 shows the (Vz) distribution along the vertical depth (z/h_u) upstream culvert at sec 1. From the mentioned Figure, it is easy to note that the maximum vertical is in B70 which appears that as the blockage ratio increases the vertical ratio also increases. In the non-blocked case. The vertical velocity (Vz) is maximum at (z/h_u) equals 0.64. At the end of the fixed apron (sec 3), the horizontal velocity (Vx) is slowly increasing to reach the maximum value closed to bed in B0 and B30 while the maximum horizontal velocity occurs near to the top surface in B50 and B70 as shown in Fig. 14. The vertical velocity component along the vertical depth (z/h_d) is presented in Fig. 15. The vertical velocity (Vz) is maximum in B0 at vertical depth (z/h_d) 0.3 with value 0.45 m/s downward. Figs. 16 and 17 observe velocity components (Vx, Vz) along the vertical depth just after the end of blockage length at the centerline of the culvert barrel. It could be noticed the uniform velocity distribution in B0 case with horizontal velocity (Vx) closed to 1.0 m/s and vertical velocity closed to zero. In the blocked case, the maximum horizontal velocity occurs in depth more than the blockage height.

7.5. Bed velocity distribution

Fig. 18 presents the x-velocity vectors at 1.5 cm above the bed for different blockage ratios from the velocity vectors distribution and magnitude, it is easy to realize the position of the scour hole and deposition region. In B0 and B30, the flow is symmetric so that the scour hole is created around the centerline of flow while in B50 and B70 cases, the flow is asymmetric and the scour hole creates in the right of flow direction in B50. The maximum scour depth is found in the left of flow direction in B70 case where the high velocity region is found.

8. Maximum scour depth prediction

Regression analysis is used to estimate maximum scour depth downstream box culvert for different ratios of blockage by correlating the maximum relative scour by other variables that affect on it in one formula. An equation is developed to predict maximum scour depth for blocked and non-blocked. As shown in the equation below, the relative maximum scour depth(d_s/h_d) is a function of densimetric Froude number (F_d), blockage ratio (B) and submerged ratio (S)(11)dsh=0.56Fd-0.20B+0.45S-1.05

In this equation the coefficient of correlation (R²) is 0.82 with standard error equals 0·08. The developed equation is valid for F_d = [0.9 to 2.10] and submerged ratio (S) ≥ 1.00. Fig. 19 shows the comparison between relative maximum scour depths (d_s/h) measured and estimated for different blockage ratios. Fig. 20 clears the comparison between residuals and d_s/h estimated for the present study. From these figures, it could be noticed that there is a good agreement between the measured and estimated relative scour depth.

9. Comparison with previous scour equations

Many previous scour formulae have been produced for calculation the maximum scour depth downstream non-blockage culvert. These equations have been included the effect of flow regime, culvert shape, soil properties and the flow rate on maximum scour depth. Two of previous experimental studies data have been chosen to be compared with the present study results in non-blocked study data. Table 2 shows comparison of culvert shape, densmetric Froude number, median particle size and scour equations for these previous studies. By applying the present study data in these studies scour formula as shown in Fig. 21, it could be noticed that there are a good agreement between present formula results and others empirical equations results. Where that Lim [44] and Abt [4] are so closed to the present study data.

Table 2. Comparison of some previous scour formula.

Researchers	F_d	Culvert shape	d₅₀(mm)	Proposed equation	Submerged ratio
Present study	0.9–2.11	square	2.75	dsh=0.56Fd-0.20B+0.45S-1.05	1.25–1.75
Lim [44]	1–10	Circular	1.65	dsh=0.45Fd	0.47
Abt [4]	Fd ≥ 1	Circular	0.22–7.34-	dsh=3.67Fd0.57∗D500.4∗σ-0.4	–

10. Conclusions

The present study has shown that the FLOW 3D model can accurately simulate water surface and the scour hole characteristics downstream the box culvert with error percentage in water depths does not exceed 2.37%. Velocities distribution through and outlets culvert barrel helped on understanding the scour hole shape.

The blockage through culvert had caused of increasing of water surface upstream structure where the upstream water level in B70 was 2.3 of culvert height more than non-blocked case at the same discharge that could be dangerous on the stability of roads above. The depth averaged velocity through culvert barrel increased by 3 times its value in non-blocked case.

On the other hand, blockage through culvert had a limited effect on the maximum scour depth. The little effect of blockage on maximum scour depth could be noticed in Fig. 11. From this Figure, it could be noted that the residual part of culvert barrel after the blockage part had made turbulences. These turbulences caused the deviation of the flow resulting in the formation of asymmetric scour hole on the side of channel. This not only but in B70 the blockage height caused upward jet which made a wide far scour hole as cleared from the results in Table 1.

An empirical equation was developed from the results to estimate the maximum scour depth relative to culvert height function of blockage ratio (B), submerged ratio (S), and densimetric Froude number (F_d). The equation results was compared with some scour formulas at the same densimetric Froude number rang where the present study results was in between the other equations results as shown in Fig. 21.

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

References

[1]P. Sarathi, M. Faruque, R. BalachandarInfluence of tailwater depth, sediment size and densimetric Froude number on scour by submerged square wall jetsJ. Hydraul. Res., 46 (2) (2008), pp. 158-175CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [2]H. Abida, R. TownsendLocal scour downstream of box-culvert outletsJ. Irrig. Drain. Eng., 117 (3) (1991), pp. 425-440CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [3]S.R. Abt, C.A. Donnell, J.F. Ruff, F.K. DoehringCulvert Slope and Shape Effects on Outlet ScourTransp. Res. Rec., 1017 (1985), pp. 24-30View Record in Scopus Google Scholar [4]S.R. Abt, R.L. Kloberdanz, C. MendozaUnified culvert scour determinationJ. Hydraul. Eng., 110 (10) (1984), pp. 1475-1479CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [5]J.P. Bohan, Erosion And Riprap Requirements At Culvert And Storm-Drain Outlets, ARMY ENGINEER WATERWAYS EXPERIMENT STATION VICKSBURG MISS1970.Google Scholar [6]C. Mendoza, S.R. Abt, J.F. RuffHeadwall influence on scour at culvert outletsJ. Hydraul. Eng., 109 (7) (1983), pp. 1056-1060CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [7]H. Breusers, A. Raudkivi, Scouring, hydraulic structures design manual, vol. 143, IAHR, AA Balkema, Rotterdam, 1991.Google Scholar [8]K. Ali, S. LimLocal scour caused by submerged wall jetsProc. Inst. Civ. Eng., 81 (4) (1986), pp. 607-645CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [9]O. Aderibigbe, N. RajaratnamEffect of sediment gradation on erosion by plane turbulent wall jetsJ. Hydraul. Eng., 124 (10) (1998), pp. 1034-1042View Record in Scopus Google Scholar [10]F.W. Blaisdell, C.L. AndersonA comprehensive generalized study of scour at cantilevered pipe outletsJ. Hydraul. Res., 26 (4) (1988), pp. 357-376CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [11]Y.-M. Chiew, S.-Y. LimLocal scour by a deeply submerged horizontal circular jetJ. Hydraul. Eng., 122 (9) (1996), pp. 529-532View Record in Scopus Google Scholar [12]R.A. Day, S.L. Liriano, W.R. WhiteEffect of tailwater depth and model scale on scour at culvert outletsProc. Instit. Civil Eng. – Water Marit. Eng., 148 (3) (2001), pp. 189-198http://www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/wame.2001.148.3.189, 10.1680/wame.2001.148.3.189 View Record in Scopus Google Scholar [13]S. Emami, A.J. SchleissPrediction of localized scour hole on natural mobile bed at culvert outletsScour and Erosion (2010), pp. 844-853CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [14]S. Sorourian, A. Keshavarzi, J. Ball, B. SamaliStudy of Blockage Effect on Scouring Pattern Downstream of a Box Culvert under Unsteady FlowAustr. J Water Resor. (2013)Google Scholar [15]S. Sorourian, Turbulent Flow Characteristics At The Outlet Of Partially Blocked Box Culverts, in: 36th IAHR World Congress, The Hague, the Netherlands, 2015.Google Scholar [16]J. Ruff, S. Abt, C. Mendoza, A. Shaikh, R. KloberdanzScour at culvert outlets in mixed bed materialsUnited States. Federal Highway Administration. Office of Research and Development (1982)Google Scholar [17]S.A. Ansari, U.C. Kothyari, K.G.R. RajuInfluence of cohesion on scour under submerged circular vertical jetsJ. Hydraul. Eng., 129 (12) (2003), pp. 1014-1019View Record in Scopus Google Scholar [18]B. Crookston B. Tullis, Scour and Riprap Protection in a Bottomless Arch Culvert, in: World Environmental and Water Resources Congress 2008: Ahupua’A, 2008, pp. 1–10.Google Scholar [19]S.R. Abt, J. Ruff, F. Doehring, C. DonnellInfluence of culvert shape on outlet scourJ. Hydraul. Eng., 113 (3) (1987), pp. 393-400View Record in Scopus Google Scholar [20]Y.H. Chen, Scour at outlets of box culverts, Colorado State University, 1970.Google Scholar [21]S. Abt, P. Thompson, T. LewisEnhancement of the culvert outlet scour estimation equationsTransp. Res. Rec. J. Transp. Res. Board, 1523 (1996), pp. 178-185View Record in Scopus Google Scholar [22]F.K. Doehring, S.R. AbtDrop height influence on outlet scourJ. Hydraul. Eng., 120 (12) (1994), pp. 1470-1476CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [23]W. Weeks, A. Barthelmess, E. Rigby, G. Witheridge, R. Adamson, Australian rainfall and runoff revison project 11: blockage of hydraulic structures, 2009.Google Scholar [24]W. Weeks, G. Witheridge, E. Rigby, A. BarthelmessProject 11: blockage of hydraulic structuresEngineers Australia (2013)Google Scholar [25]S.R. Abt, T.E. Brisbane, D.M. Frick, C.A. McKnightTrash rack blockage in supercritical flowJ. Hydraul. Eng., 118 (12) (1992), pp. 1692-1696View Record in Scopus Google Scholar [26]E. Rigby, M. Boyd, S. Roso, P. Silveri, A. Davis, Causes and effects of culvert blockage during large storms, in: Global solutions for urban drainage, 2002, pp. 1–16.Google Scholar [27]S. Roso, M. Boyd, E. Rigby, R. VanDrie“Prediction of increased flooding in urban catchments due to debris blockage and flow diversionsProceedings Novatech (2004), pp. 8-13View Record in Scopus Google Scholar [28]C.-D. Jan, C.-L. ChenDebris flows caused by Typhoon Herb in Taiwanin Debris-Flow Hazards and Related Phenomena, Springer (2005), pp. 539-563CrossRef Google Scholar [29]L.W. Zevenbergen, P.F. Lagasse, P.E. Clopper, Effects of debris on bridge pier scour, in: World Environmental and Water Resources Congress 2007: Restoring Our Natural Habitat, 2007, pp. 1–10.Google Scholar [30]A. Barthelmess, E. Rigby, Estimating Culvert and Bridge Blockages-a Simplified Procedure, in: Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology and Water Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, Engineers Australia, 2011, pp. 39.Google Scholar [31]E. Rigby, A. Barthelmess, Culvert Blockage Mechanisms and their Impact on Flood Behaviour, in: Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology and Water Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, Engineers Australia, 2011, pp. 380.Google Scholar [32]G. Streftaris, N. Wallerstein, G. Gibson, S. ArthurModeling probability of blockage at culvert trash screens using Bayesian approachJ. Hydraul. Eng., 139 (7) (2012), pp. 716-726Google Scholar [33]R. Jaeger, T. LuckeInvestigating the relationship between rainfall intensity, catchment vegetation and debris mobilityInt. J. GEOMATE, 12 (33) (2017), pp. 22-29 Download PDF View Record in Scopus Google Scholar [34]S. Amiraslani, J. Fahimi, H. Mehdinezhad, The Numerical Investigation of Free Falling Jet’s Effect On the Scour of Plunge Pool, in: XVIII International conference on water resources, Tehran University, Iran, 2008.Google Scholar [35]A.W. Nielsen, X. Liu, B.M. Sumer, J. FredsøeFlow and bed shear stresses in scour protections around a pile in a currentCoast. Eng., 72 (2013), pp. 20-38Article Download PDF View Record in Scopus Google Scholar [36]G. Epely-Chauvin, G. De Cesare, S. SchwindtNumerical modelling of plunge pool scour evolution in non-cohesive sedimentsEng. Appl. Comput. Fluid Mech., 8 (4) (2014), pp. 477-487 Download PDF CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [37]H. Karami, H. Basser, A. Ardeshir, S.H. HosseiniVerification of numerical study of scour around spur dikes using experimental dataWater Environ. J., 28 (1) (2014), pp. 124-134CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [38]S.-H. Oh, K.S. Lee, W.-M. JeongThree-dimensional experiment and numerical simulation of the discharge performance of sluice passageway for tidal power plantRenew. Energy, 92 (2016), pp. 462-473Article Download PDF View Record in Scopus Google Scholar [39]M.A. Khodier, B.P. TullisExperimental and computational comparison of baffled-culvert hydrodynamics for fish passageJ. Appl. Water Eng. Res. (2017), pp. 1-9CrossRef View Record in Scopus Google Scholar [40]F.S. Inc., FLOW-3D user’s manual, Flow Science, Inc., 2009.Google Scholar [41]G. Wei, J. Brethour, M. Grünzner, J. BurnhamSedimentation scour modelFlow Science Report, 7 (2014), pp. 1-29View Record in Scopus Google Scholar [42]R. Soulsby, R. Whitehouse, Threshold of sediment motion in coastal environments, in: Pacific Coasts and Ports’ 97: Proceedings of the 13th Australasian Coastal and Ocean Engineering Conference and the 6th Australasian Port and Harbour Conference, vol. 1, Centre for Advanced Engineering, University of Canterbury, 1997, pp. 145.Google Scholar [43]L.C.v. RijnSediment transport, part II: suspended load transportJ. Hydraul. Eng., 110 (11) (1984), pp. 1613-1641View Record in Scopus Google Scholar [44]S Y LIMScour below unsubmerged full-flowing culvert outletsProc. Instit. Civil Eng. – Water Marit. Energy, 112 (2) (1995), pp. 136-149http://www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/iwtme.1995.27659, 10.1680/iwtme.1995.27659 View Record in Scopus Google Scholar

Peer review under responsibility of Faculty of Engineering, Alexandria University.

Figure 1- Schematic diagram of pooled stepped spillway conducted by Felder et al. (2012A): Notes: h step height (10 cm): w pool height (3.1 cm): l horizontal step length (20 cm): lw pool weir length (1.5 cm): d' is the water depth above the crest; y' is the distance normal to the crest invert

Study of inception point, void fraction and pressure over pooled stepped spillways using Flow-3D

Khosro Morovati , Afshin Eghbalzadeh
International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow

ISSN: 0961-5539

Article publication date: 3 April 2018

Abstract

많은 계단식 배수로 지오메트리 설계 지침이 평평한 단계를 위해 개발되었지만 통합 단계를 설계하는 것이 더 효율적으로 작동하는 배수로에 대한 적절한 대안이 될 수 있습니다.

이 논문은 POOL의 다른 높이에서 공기 연행과 보이드 비율의 시작점을 다루는 것을 목표로 합니다. 그 후, FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 POOL과 경사면의 높이를 다르게 하여 폭기된 지역과 폭기되지 않은 지역에서 압력 분포를 평가했습니다.

얻어진 수치 결과와 실험 결과의 비교는 본 연구에 사용된 모든 방류에 대해 잘 일치했습니다. POOL 높이는 시작 지점 위치에 미미한 영향을 미쳤습니다. 공극률의 값은 높은 방류에 비해 낮은 방전에서 더 많은 영향을 받았습니다.

여수로의 마루(통기되지 않은 지역)에서는 음압이 나타나지 않았으며 각 방류에서 마루를 따라 높이가 15cm인 수영장에서 최대 압력 값이 얻어졌습니다.

모든 사면에서 웅덩이 및 평평한 계단형 여수로의 계단층 부근에서는 음압이 형성되지 않았습니다. 그러나 평단식 여수로에 비해 평단식 여수로의 수직면 부근에서 음압이 더 많이 형성되어 평단식 슈트에서 캐비테이션 현상이 발생할 확률이 증가하였습니다.

Study of inception point, void fraction and pressure over pooled
stWhile many stepped spillways geometry design guidelines were developed for flat steps, designing pooled steps might be an appropriate alternative to spillways working more efficiency. This paper aims to deal with the inception point of air-entrainment and void fraction in the different height of the pools. Following that, pressure distribution was evaluated in aerated and non-aerated regions under the effect of different heights of the pools and slopes through the use of the FLOW-3D software. Comparison of obtained numerical results with experimental ones was in good agreement for all discharges used in this study. Pools height had the insignificant effect on the inception point location. The value of void fraction was more affected in lower discharges in comparison with higher ones. Negative pressure was not seen over the crest of spillway (non-aerated region), and the maximum pressure values were obtained for pools with 15 cm height along the crest in each discharge. In all slopes, negative pressure was not formed near the step bed in the pooled and flat stepped spillways. However, negative pressure was formed in more area near the vertical face in the flat stepped spillway compared with the pooled stepped spillway which increases the probability of cavitation phenomenon in the flat stepped chute.

Design/methodology/approach

압력, 공극률 및 시작점을 평가하기 위해 POOL된 계단식 여수로가 사용되었습니다. 또한 POOL의 다른 높이가 사용되었습니다. 이 연구의 수치 시뮬레이션은 Flow-3D 소프트웨어를 통해 수행되었습니다. 얻어진 결과는 풀이 압력, 공극률 및 시작점을 포함한 2상 유동 특성에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다.

Findings

마루 위에는 음압이 보이지 않았습니다. 압력 값은 사용된 모든 높이와 15cm 높이에서 얻은 최대 값에 대해 다릅니다. 또한, 풀링 스텝은 플랫 케이스에 비해 음압점 감소에 더 효과적인 역할을 하였습니다. 시작 지점 위치는 특히 9 및 15cm 높이에 대해 스키밍 흐름 영역과 비교하여 낮잠 및 전환 흐름 영역에서 더 많은 영향을 받았습니다.

Keywords

Citation

Morovati, K. and Eghbalzadeh, A. (2018), “Study of inception point, void fraction and pressure over pooled stepped spillways using Flow-3D”, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Vol. 28 No. 4, pp. 982-998. https://doi.org/10.1108/HFF-03-2017-0112

Figure 2- meshing domain and distribution of blocks

Figure 3- Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012A); mesh convergence analysis; pooled stepped spillway (slope: 26.6 0 )

Figure 4- Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012A); Flat stepped spillway (slope: 0 26 6. )

Figure 5-Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012B); pooled and flat stepped spillways (slope: 0 9.8 )

Figure 6- TKE distribution on steps 8, 9 and 10 for four different mesh numbers: 261252 (model 1), 288941 (model 2), 323578 (model 3) and 343154 (model 4)

Figure 7- Comparison of obtained Void fraction distribution on step 10 in numerical simulation with experimental work conducted by Felder et al. (2012A); (slope 26.60 )

Figure 8- Results of inception point of air entrainment in different height of the pools: comparison with empirical correlations (Eqs 8-9), experimental (Felder et al. (2012A)) and numerical data

Figure 9- Void fraction distribution for different pool heights on steps 10; slope 26.6 0

Figure 10- Comparison of pressure distribution between numerical simulation and experimental work conducted by Zhang and Chanson (2016); flat stepped spillway (slope: 0 45 )

Figure 11- A comparison of the pressure distribution above the crest of the spillway; B comparison of the free surface profile along the crest of the spillway. Note: x’ indicates the longitudinal distance from the starting point of the crest.

Figure 12- pressure distribution along crest of spillway in different discharges; slope 26.6

Figure 13- Pressure distribution near the last step bed for different slopes and discharges: x'' indicatesthe longitudinal distance from the intersection of the horizontal and vertical faces of step 10; y" is the distance from the intersection of the horizontal and vertical faces in the vertical direction — Figure 13- Pressure distribution near the last step bed for different slopes and discharges: x” indicatesthe longitudinal distance from the intersection of the horizontal and vertical faces of step 10; y” is the distance from the intersection of the horizontal and vertical faces in the vertical direction

Figure 14- Pressure distribution adjacent the vertical face of step 9 for different discharges and slopes

Table1- Used discharges for assessments of mesh convergence analysis and hydraulic characteristics

Conclusion

본 연구에서는 자유표면을 모사하기 위해 VOF 방법과 k -ε (RNG) 난류 모델을 활용하여 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하였고, 계단식 배수로의 유동을 모사하기 위한 목적으로 난류 특성을 모사하였다. 얻은 결과는 수치 모델이 시작점 위치, 보이드 비율 및 압력을 적절하게 시뮬레이션했음을 나타냅니다. 풀의 높이는 공기 유입 위치에 미미한 영향을 미치므로 얻은 결과는 이 문서에서 제시된 상관 관계와 잘 일치했습니다. 즉, 사용 가능한 상관 관계를 서로 다른 풀 높이에 사용할 수 있습니다. 공극률의 결과는 스텝 풀 근처의 나프 유동 영역에서 공극율 값이 다른 배출보다 더 큰 것으로 나타났다. 더욱이 고방출량 .0 113m³/s에서 수영장 높이를 변경해도 수영장 표면 근처의 공극률 값에는 영향을 미치지 않았습니다.

낮잠 및 전환 체제의 압력 분포에 대한 0 및 3cm 높이의 수영장 효과는 많은 지점에서 대부분 유사했습니다. 더욱이 조사된 모든 높이에서 여수로의 마루를 따라 부압이 없었습니다. 여수로 끝단의 바닥 부근의 압력 결과는 평평하고 고인 경우 부압이 발생하지 않았음을 나타냅니다. 수직면 부근의 음압은 웅덩이에 비해 평평한 계단형 여수로의 깊이(w=0 cm)의 대부분에서 발생하였다. 또한 더 큰 사면에 대한 풀링 케이스에서 음압이 제거되었습니다. 평단식 여수로에서는 계단의 수직면에 인접한 더 넓은 지역에서 음압이 발생하였기 때문에 이 여수로에서는 고형단식여수로보다 캐비테이션 현상이 발생할 가능성이 더 큽니다.

In this study, the FLOW-3D software was used through utilizing the VOF method and k −ε (RNG) turbulence model in order to simulate free surface, and turbulence characteristics for the purpose of simulating flow over pooled stepped spillway. The results obtained indicated that the numerical model properly simulated the inception point location, void fraction, and pressure. The height of the pools has the insignificant effect on the location of air entrainment, so that obtained results were in good agreement with the correlations presented in this paper. In other words, available correlations can be used for different pool heights. The results of void fraction showed that the void fraction values in nappe flow regime near the step pool were more than the other discharges. Furthermore in high discharge, 0.113m³/s, altering pool height had no effect on the value of void fraction near the pool surface.

The effect of the pools with 0 and 3 cm heights over the pressure distribution in nappe and transition regimes was mostly similar in many points. Furthermore, in all examined heights there was no negative pressure along the crest of the spillway. The pressure results near the bed of the step at the end of the spillway indicated that negative pressure did not occur in the flat and pooled cases. Negative pressure near the vertical face occurred in the most part of the depth in the flat stepped spillway (w=0 cm) in comparison with the pooled case. Also, the negative pressure was eliminated in the pooled case for the larger slopes. Since negative pressure occurred in a larger area adjacent the vertical face of the steps in the flat stepped spillways, it is more likely that cavitation phenomenon occurs in this spillway rather than the pooled stepped spillways.

References

André, S. (2004), “High velocity aerated flows on stepped chutes with macro-roughness elements.” Ph.D. thesis,
Laboratoire de Constructions Hydraulics (LCH), EPFL, Lausanne, Switzerland, 272 pages.
Attarian, A. Hosseini, Kh. Abdi, H and Hosseini, M. (2014), “The Effect of the Step Height on Energy
Dissipation in Stepped Spillways Using Numerical Simulation”. Arabian Journal for Science and
Engineering, 39(4), 2587-2594.
Bombardelli, F.A. Meireles. I. Matos, J. (2011), “Laboratory measurements and multi-block numerical
simulations of the mean flow and turbulence in the non-aerated skimming flow region of steep stepped
spillways”. Environmental fluid mechanics, 11(3) 263-288.
Chakib, B. (2013), “Numerical Computation of Inception Point Location for Flat-sloped Stepped Spillway”.
International Journal of Hydraulic Engineering; 2(3): 47-52.
Chakib, B. Mohammed, H. (2015), “Numerical Simulation of Air Entrainment for Flat-Sloped Stepped Spillway.
Journal of computational multiphase flows”, Volume 7. Number 1.
Chanson, H. Toombes, L. (2002), “Air–water flows down stepped chutes: turbulence and flow structure
observations”. International Journal of Multiphase Flow, 28(11) 1737-1761
Chen, Q. Dai, G. Liu, H. (2002), “Volume of Fluid Model for Turbulence Numerical Simulation
of Stepped Spillway Overflow”. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429128:7(683).
Cheng, X. Chen, Y. Luo, L. (2006), “Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways”.
Science in China Series E: Technological Sciences, 49(6), 674-684.
Cheng, X. Luo, L. Zhao, W. (2004), “Study of aeration in the water flow over stepped spillway”. In: Proceedings
of the world water congress.
Chinnarasri, Ch. Kositgittiwong, D. Julien, Y. (2013), “Model of flow over spillways by computational fluid
dynamics”. Proceedings of the ICE – Water Management, Volume 167(3) 164 –175.
Dastgheib, A. Niksokhan, M.H. and Nowroozpour, A.R. (2012), “Comparing of Flow Pattern and Energy
Dissipation over different forms of Stepped Spillway”. World Environmental and Water Resources
Congress ASCE.
Eghbalzadeh, A. Javan, M. (2012), “Comparison of mixture and VOF models for numerical simulation of air
entrainment in skimming flow over stepped spillway”. Procedia Engineering, 28. 657-660.
Felder, S, Chanson, H. (2012), “Free-surface Profiles, Velocity and Pressure Distributions on a
Broad-Crested Weir: a Physical study “Free-surface Profiles, Velocity and Pressure Distributions on a
Broad-Crested Weir: a Physical study
Felder, S. Fromm, Ch. Chanson, H. (2012B), “Air entrainment and energy dissipation on a 8.9 slope stepped
spillway with flat and pooled steps”, School of Civil Engineering, The University of Queensland,.
Brisbane, Australia.
Felder, S. Chanson, H. (2014A), Triple decomposition technique in air–water flows: application to instationary
flows on a stepped spillway. International Journal of Multiphase Flow, 58, 139-153.
Felder, S. Chanson, H. (2014B), Effects of step pool porosity upon flow aeration and energy dissipation on
pooled stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 140(4), 04014002.
Felder, S. Chanson, H. (2013A), “Air entrainment and energy dissipation on porous pooled stepped spillways”.
Paper presented at the International Workshop on Hydraulic Design of Low-Head Structures.
Felder, S. Chanson, H. (2013B), “Aeration, flow instabilities, and residual energy on pooled stepped spillways of
embankment dams”. Journal of irrigation and drainage engineering, 139(10) 880-887.
Felder, S. Guenther, Ph. Chanson, H. (2012A). “Air-water flow properties and energy dissipation on stepped
spillways: a physical study of several pooled stepped configurations”, School of Civil Engineering, The
University of Queensland,. Brisbane, Australia.
Flow Science, (2013). “FLOW-3D user’s manual”, version 10.1. Flow Science, Inc, Los Alamos.
Frizell, K.W. Renna, F.M. Matos, J. (2012), “Cavitation potential of flow on stepped spillways”. Journal of
Hydraulic Engineering, 139(6), 630-636.
Gonzalez, C. (2005), “An experimental study of free-surface aeration on embankment stepped chutes”,
department of civil engineering, Brisbane, Australia, Phd thesis.
Gonzalez, C.A. Chanson, H. (2008), “Turbulence manipulation in air–water flows on a stepped chute: An
experimental study”. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 27(4), 388-408.
Guenther, Ph.. Felder, S. Chanson, H. (2013), “Flow aeration, cavity processes and energy dissipation on flat and
pooled stepped spillways for embankments”. Environmental fluid mechanics, 13(5) 503-525.
Hamedi, A. Mansoori, A. Malekmohamadi, I. Roshanaei, H. (2011), “Estimating Energy Dissipation in Stepped
Spillways with Reverse Inclined Steps and End Sill”. World Environmental and Water Resources
Congress, ASCE.
Hirt, C.W. (2003), “Modeling Turbulent Entrainment of Air at a Free Surface”. Flow Science Inc.
Hunt, S.L. Kadavy, K.C. (2013), “Inception point for enbankment dam stepped spillway”. J. Hydraul. Eng.,
139(1), 60–64.
Hunt, S.L. Kadavy, K.C. (2010), “Inception Point Relationship for Flat-Sloped Stepped
Spillways”. DOI: 10.1061/ASCEHY.1943-7900.0000297.
Matos, J. Quintela, A. (2000), “Air entrainment and safety against cavitation damage in stepped spillways over
RCC dams. In: Proceeding Intl. Workshop on Hydraulics of Stepped Spillways”, VAW, ETH-Zurich, H.E.
Minor and W.H. Hager. Balkema. 69–76.
Meireles, I. Matos, J. (2009), “Skimming flow in the nonaerated region of stepped spillways over embankment
dams”. J. Hydraul. Eng., 135(8), 685–689.
Miang-liang, ZH. Yong-ming, SH. (2008), “Three dimentional simulation of meandering river basin on 3-D
RNG k − ε turbulence model”. Journal of hydrodynamics, 20(4): 448-455.
Morovati, Kh. Eghbalzadeh, A. Javan, M. (2015), “Numerical investigation of the configuration of the pools on
the flowPattern passing over pooled stepped spillway in skimming flow regime. Acta Mech, DOI
10.1007/s00707-015-1444-x
Morovati, Kh. Eghbalzadeh, A. Soori, S. (2016), “Numerical Study of Energy Dissipation of Pooled Stepped
spillway”. Civil Engineering Journal. Vol. 2, No. 5.
Nikseresht, A.H. Talebbeydokhti, N. and Rezaei, M.J. (2013), “Numerical simulation of two-phase flow on steppool spillways”. Scientia Iranica, A 20 (2), 222–230.
Peyras, L. Royet, P. Degoutte, G. (1990), “Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs”. ASCE
Convention.
Qun, Ch. Guang-qing, D. Feu-qing, Zh. Qing, Y. (2004). “Three-dimensional turbulence numerical simulation of
a stepped spillway overflow”. Journal of hydrodynamics, Ser. B, 1, 74-79.
Relvas, A. T. Pinheiro, A. N. (2008), Inception point and air concentration in flows on stepped chutes lined with
wedge-shaped concrete blocks. Journal of Hydraulic Engineering, 134(8), 1042-1051
Sanchez, M. (2000), “Pressure field in skimming flow over a stepped spillways”. In: Proceeding Intl. Workshop
on Hydraulics of Stepped Spillways, VAW, ETH-Zurich, H.E. Minor and W.H. Hager. Balkema,
137–146.
Sarfaraz, M. Attari, J. Pfister, M. (2012), “Numerical Computation of Inception Point Location for Steeply
Sloping Stepped Spillways”. 9th International Congress on Civil Engineering, May 8-10. Isfahan
University of Technology (IUT), Isfahan, Iran.
Savage, Bruce M. Michael C. Johnson. (2001), “Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case
study.” Journal of Hydraulic Engineering 127.8:640-649.
Shahhedari, H. Jafari Nodoshan, E. Barati, R. Azhdary moghadam, M. (2014). “Discharge coeficient and energy
dissipation over stepped spillway under skimming flow regime”. KSCE Journal of Civil Engineering, DOI
10.1007/s12205-013-0749-3.
Tabbara, M. Chatila, J. Awwad, R. (2005), “Computational simulation of flow over stepped spillways”.
Computers & structures, 83(27) 2215-2224.
Thorwarth, J. (2008), “Hydraulisches Verhalten der Treppengerinne mit eingetieften Stufen—Selbstinduzierte
Abflussinstationaritäten und Energiedissipation” [Hydraulics of pooled stepped spillways— Self-induced
unsteady flow and energy dissipation]. Ph.D. thesis, Univ. of Aachen, Aachen, Germany (in German).
WeiLin, XU. ShuJing, LUO, QiuWen, ZH. Jing, LUO. (2015), “Experimental study on pressure and aeration
characteristics in stepped chute flows. SCIENCE CHINA. Vol.58 No.4: 720–726. doi: 10.1007/s11431-015-
5783-6.
Xiangju, Ch. Yongcan, C. Lin, L. (2006), “Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped
spillways”. Science in China Series E: Technological Sciences, 49(6), 674-684.
Zare, K.H. Doering, J.C. (2012), “Inception Point of Air Entrainment and Training Wall
Characteristics of Baffles and Sills on Stepped Spillways”. DOI: 10.1061/(ASCE)HY
.1943-7900.0000630.
Zhan, J. Zhang, J. Gong, Y. (2016), “Numerical investigation of air-entrainment in skimming flow over stepped
spillways”. Theoretical and Applied Mechanics Letters. Volume 6. Pages 139–142.
Zhang, G. Chanson, H. (2016), Hydraulics of the developing flow region of stepped spillways. II: Pressure and
velocity fields. Journal of Hydraulic Engineering, 142(7).
Zhenwei, M. Zhiyan, Zh. Tao, Zh. (2012), “Numerical Simulation of 3-D Flow Field of Spillway based on VOF
Method”. Procedia Engineering, 28, 808-812.
Zhi-yong, D. Hun-wei, L.J. (2006), “Numerical simulation of skimming flow over mild stepped channel”.
Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 18(3) 367-371.
ZhongDong, Q. XiaoQing, H. WenXin, H. António, A. (2009), “Numerical simulation and analysis of water
flow over stepped spillways”. Science in China Series E: Technological Sciences, 52(7) 1958-1965.

원문보기

Figure 3.4 Upstream View of the Radial Gated-Spillway

방사형 게이트 아래의 흐름에 대한 실험 및 수치 조사

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW UNDER RADIAL GATES

submitted by MAHMUT TANYERİ in partial fulfillment of the requirements for
the degree of Master of Science in Civil Engineering, Middle East Technical
University by,
Prof. Dr. Halil Kalıpçılar
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences
Prof. Dr. Ahmet Türer
Head of the Department, Civil Engineering
Prof. Dr. Mete Köken
Supervisor, Civil Engineering, METU
Prof. Dr. İsmail Aydın
Co-Supervisor, Civil Engineering, METU

Abstract

방사형 게이트는 여수로에서 일반적으로 사용됩니다. 부분 게이트 개구부에서 60년대에 수행된 실험 작업에서 얻은 경험 방정식을 사용하여 통과하는 방전을 계산합니다.

그러나 이러한 방정식에서 얻은 배출 값과 유한 체적 방법 및 수리적 모델을 기반으로 한 수치 계산에서 얻은 값 사이에는 약간의 불일치가 있습니다. 이러한 차이의 원인을 밝히는 것이 목적입니다.

이를 위해 다양한 게이트 구성에 대한 실험과 수치 계산이 수행되었습니다. 수많은 수치 시뮬레이션에서 나온 경향을 활용하여 연구 말미에 새로운 방전 방정식을 도출했습니다.

하나의 수리학적 매개변수와 두 개의 기하학적 매개변수가 있는 제안된 방정식을 사용하면 설계자가 지루한 정격 곡선 없이도 쉽게 배출을 계산할 수 있습니다.

Keywords

Radial Gate, Spillway, Empirical Equations, Discharge Coefficient, Discharge Rating Curve

Introduction

방사형 수문(또는 테인터 수문)은 특히 수두가 높은 댐에서 홍수 방출을 제어하기 위해 광범위하게 사용되는 오버플로 수문 유형 중 하나입니다. 그것은 강철 곡선 리프, 지지 암 및 슈트 채널의 측벽에 장착된 고정 조인트로 구성됩니다.

게이트는 하류의 물 수요를 충족시키거나 상류 수두를 조절하기 위해 원하는 각도로 피벗 지점을 중심으로 쉽게 회전할 수 있습니다. 방사형 게이트는 다른 유형에 비해 많은 장점이 있습니다. 그들의 가장 놀라운 특성은 게이트를 움직이는 데 필요한 호이스트 힘이 적다는 것입니다.

이는 상류의 물이 게이트에 양력을 가할 수 있는 아치형 덕분에 에너지 소비도 감소합니다. 더욱이, 방사형 게이트는 슬롯이 필요하지 않으며, 시간이 지남에 따라 떠다니는 파편이 그 안에 쌓일 수 있기 때문에 때때로 작동 문제를 일으킬 수 있습니다. 그 활용 분야는 여러 가지가 있지만, 본 연구의 범위는 오지형 여수로에만 수반되는 방사형 게이트로 제한됩니다.

부분적으로 열리면 래디얼 게이트 아래를 통과하는 흐름은 다양한 수리적 및 기하학적 요인의 영향을 받습니다. 따라서 정확한 배출 추정은 어려운 문제입니다. 이 문제는 주로 게이트 근처에서 유선형 동작의 복잡성으로 인해 발생합니다.

유동 영역은 고도의 곡선 유선을 포함하기 때문에 유속에 대한 해석적 솔루션이 불가능합니다. 이러한 이유로 방전은 대부분 실험적 모델에서 조사되었으며 이에 따라 실증적 관계가 도출되었습니다.

방전 방정식은 유선의 총 에너지 변환과 관련된 베르누이 방정식을 기반으로 개발되었습니다. 게이트 바로 아래의 평균 속도는 에너지 방정식에서 추론할 수 있으며, 게이트 개방의 순 면적을 곱하면 체적 유량의 이론적인 값을 얻을 수 있습니다.

그러나 실제로는 바닥 게이트 립과 같은 날카로운 모서리를 유선이 완벽하게 따라갈 수 없고 마찰로 인해 이론 속도가 약간 감소하기 때문에 실제로 분사되는 워터젯의 단면적이 수축합니다.

이러한 효과 때문에 실제 배출량을 추정하기 위해 배출 계수라고 하는 경험적 보정 계수가 방정식에 도입됩니다(Tokyay, 2019). 사례 연구로 터키의 민간 엔지니어링 회사인 TEMELSU(2018)에서 수행한 Lower Kaleköy 댐에 속한 방사형 여수로의 수리학적 계산을 조사했습니다.

그들은 세계적으로 인기 있는 수력 설계 책인 ‘Design of Small Dams’에 제공된 배출 계수 등급 곡선을 사용하여 이러한 계산을 수행했습니다. 이러한 곡선을 기반으로 산출된 토출량 값을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램에서 생성한 수치모델 결과와 비교하였다.

게이트가 부분적으로 열린 경우 이러한 결과 사이에 명백한 불일치가 있는 것으로 관찰되었습니다. 일반적으로 제안된 경험식은 시뮬레이션에 비해 최대 20%까지 유량을 과소평가한다.

본 연구의 목적은 크게 두 가지이다. 첫 번째 목표는 언급된 실험식과 수치해석 간의 불일치 이유를 조사하는 것이고, 두 번째 목표는 어떤 수리적 및 기하학적 매개변수가 방사형 게이트 아래의 배출에 실제로 영향을 미치는지 탐구하는 것입니다.

먼저 METU 수력학 연구소에서 건설한 Lower Kaleköy 댐의 물리적 모델에서 미리 결정된 수문 개구부의 배출 값을 측정했습니다. 이러한 실험에서 얻은 데이터 세트를 수치 모델의 결과와 비교하여 일치 여부를 확인했습니다.

이러한 방식으로 수치적 결과를 검증한 후 원래 수력 조건이 동일하게 유지되는 경우 수치 모델의 게이트 위치, 배수로 형상과 같은 다양한 구성을 시뮬레이션했습니다.

분석은 연구 전반에 걸쳐 모델 규모로 수행되었습니다. 상술한 효과와 관련된 연구 결과, 수치해를 기반으로 새로운 방전방정식을 공식화하였다. 마지막으로 기존 실험식과 새로운 공식에서 얻은 결과를 수치해와 비교하여 정확도를 관찰하였다.

Figure 3.3 General View of the Experimental Setup

Figure 3.5 Side View of the Radial Gate During Operation

Figure 4.7 Mesh Details of the 2D Numerical Model

Figure 4.12 Velocity Magnitude Contours of T1, T2, T3 and T4 at the Design Head (d=10cm)

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낙하 배수로의 플립 버킷에서의 동적 압력: 수치 해석

Dynamic Pressure at Flip Buckets of Chute Spillways: A Numerical Study

International Journal of Civil Engineering (2021)Cite this article

Abstract

이 연구는 이러한 구조물의 가장 중요한 설계 매개변수 중 하나인 슈트 여수로의 플립 버킷에서 동적 압력을 조사합니다. 첫째, 압력에 영향을 미치는 무차원 매개변수를 치수해석을 통해 결정하였다.

그 후, 플립 버킷으로 이어지는 슈트 여수로가 있는 선택된 댐의 특성에 따라 플립 버킷으로의 특정 Froude 수 간격과 슈트 경사 각도, 반경 및 플립 버킷 곡률 각도가 분석을 위해 선택되었습니다.

이러한 매개변수의 조합으로 FLOW-3D에서 총 137개 모델을 시뮬레이션하여 플립 버킷의 바닥 압력과 최대 압력 값을 얻었습니다.

다음으로 고려된 무차원 매개변수를 기반으로 다중 회귀 분석을 사용하여 슈트의 플립 버킷 다운스트림에서 바닥 압력과 최대 압력을 결정하기 위한 방정식이 제안되었습니다. 수치 모델링 실행 결과와 다중 회귀 분석을 사용하여 무차원 압력 관계의 미지의 계수를 결정하고 바닥 압력과 최대 압력에 대한 최종 방정식을 제시했습니다.

저압과 최고압을 결정하기 위해 제안된 식의 상관계수와 MAPE(Mean Absolute Percentage Error) 값은 각각 0.94와 0.96, 6.75%와 8.49%였습니다.

이 값은 제안된 방정식의 적절한 정확도를 나타냅니다. 제안된 방정식에서 Froude 수, 상대 곡률, 슈트 경사각, 이륙 각도 및 플립 버킷의 곡률 각도가 각각 저면 압력과 최대 압력에 가장 큰 영향을 미쳤습니다.

This study investigates the dynamic pressure at the flip buckets of chute spillways, which is one of the most important design parameters of these structures. First, the dimensionless parameters affecting pressure were determined by dimensional analysis. Following that, according to the characteristics of selected dams with chute spillways leading to flip buckets, certain Froude number intervals of inflow to the flip bucket, as well as the chute slope angle, radius, and flip bucket curvature angle were selected for analysis. The combination of these parameters resulted in a total of 137 models simulated in FLOW-3D to obtain bottom pressure and maximum pressure values in the flip bucket. Next, based on the dimensionless parameters considered, equations were proposed to determine the bottom pressure and maximum pressure in the flip bucket downstream of the chute, using multiple regression analysis. Using the numerical modeling run results, along with multiple regression analyses, the unknown coefficients of the dimensionless pressure relationship were determined, and final equations for the bottom pressure and maximum pressure were presented. The correlation coefficient and Mean Absolute Percentage Error (MAPE) values of the proposed equations for determining the bottom pressure and maximum pressure were 0.94 and 0.96, and, 6.75% and 8.49%, respectively. These values indicate the appropriate accuracy of the proposed equations. In the proposed equations, the Froude number, relative curvature, chute slope angle, takeoff angle, and flip bucket’s curvature angle, respectively, had the highest impacts on the bottom pressure and maximum pressure.

Keywords

Dam spillway
Flip bucket
Ski jump
Dynamic pressure
Numerical modeling
FLOW-3D

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10

References

1.Vischer DL, Hager WH (1995) Energy dissipators. Balkema, Rotterdam, The NetherlandsGoogle Scholar
2.Khatsuria RM (2005) Hydraulics of spillways and energy dissipators. CRC Press, Dekker, New YorkGoogle Scholar
3.Novak P, Moffat AIB, Nalluri C, Narayanan R (2006) Hydraulics structures. Spon, LondonGoogle Scholar
4.Chow VT (1959) Open channel hydraulics. McGraw-Hill Book Co., New YorkGoogle Scholar
5.Balloffet A (1961) Pressures on spillway flip buckets. J Hydraul Div ASCE 87(5):87–98. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0000650 Article Google Scholar
6.Chen TC, Yu YS (1965) Pressure distribution on spillway flip buckets. J Hydraul Div ASCE 91(2):51–63. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0001228 Article Google Scholar
7.Lenau CW, Cassidy JJ (1969) Flow through spillway flip bucket. Journal of the Hydraulics Division ASCE 95(2):633–648. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0002029 Article Google Scholar
8.Juon R, Hager WH (2000) Flip bucket without and with deflectors. J Hydraul Eng 126(11):837–845. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2000)126:11(837)Article Google Scholar
9.Savage BM, Johnson MC (2001) Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. J Hydraul Eng 127(8):640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:8(640)Article Google Scholar
10.Heller V, Hager WH, Minor HE (2005) Ski jump hydraulics. J Hydraul Eng 131(5):347–355. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:5(347)Article Google Scholar
11.Larese A, Rossi R, Onate E, Idelsohn SR (2008) Validation of the particle finite element method (PFEM) for simulation of free surface flows. Eng Comput 25(4):385–425. https://doi.org/10.1108/02644400810874976 Article MATH Google Scholar
12.Steiner R, Heller V, Hager WH, Minor HE (2008) Deflector ski jump hydraulics. J Hydraul Eng 134(5):562–571. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:5(562)Article Google Scholar
13.Kirkgoz MS, Akoz MS, Oner AA (2009) Numerical modeling of flow over a chute spillway. J Hydraul Res 47(6):790–797. https://doi.org/10.3826/jhr.2009.3467 Article Google Scholar
14.Jorabloo M, Maghsoodi R, Sarkardeh H (2011) 3D simulation of flow over flip buckets at dams. J Am Sci 7(6):931–936Google Scholar
15.Nazari O, Jabbari E, Sarkardeh H (2015) Dynamic pressure analysis at chute flip buckets of five dam model studies. Int J Civil Eng 13(1):45–54. http://ijce.iust.ac.ir/article-1-951-en.html
16.Yamini OA, Kavianpour MR, Movahedi A (2015) Pressure distribution on the bed of the compound flip buckets. J Comput Multiphase Flows 7(3):181–194. https://doi.org/10.1260/1757-482X.7.3.181 Article Google Scholar
17.Hojjati SH, Mohammadiun S, Salehi Neyshabouri SAA (2016) Effects of different turbulence models on flow over a triangular flip- bucket. Modares Civil Eng J 16(4):69–81 (in Persian)Google Scholar
18.Lauria A, Alfonsi G (2020) Numerical investigation of ski jump hydraulics. J Hydraul Eng 146(4):121–127. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001718 Article MATH Google Scholar
19.Muralha A, Melo J, Ramos HM (2020) Assessment of CFD solvers and turbulent models for water free jets in spillways. Fluids 5(3):104. https://doi.org/10.3390/fluids5030104 Article Google Scholar
20.Novak P, Cabelka J (1981) Model in hydraulic engineering. Pitman Advanced Publishing Program, LondonGoogle Scholar
21.Flow Science, Inc. FLOW-3D User Manual Version 11.2.
22.Water Research Institute (2003) Hydraulic model of Shafaroud Dam flood control system. Final Report, vol 5. Hydraulic structures Divisions, Tehran, Iran, Chapter 5, pp 1–35 (in Persian)Google Scholar

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유체 역학 및 응용 유압 분야에서 사용하기 위한 수치 모델링(CFD)을 적용한 가상 실험실 실습 매뉴얼

This manual was developed with the purpose of presenting and executing basic numerical models in the software known as Flow 3D within the virtual laboratories of Fluid Mechanics and Applied Hydraulics, to complement and reinforce what was learned in class, the development of the manual covers a theoretical content and an exemplified práctical part for the handling of the software, besides including some feedback for the students, in order to mark the characteristics that the software has. With the handling of the Flow 3D program, the student will be introduced to the concept of Computational Fluid Dynamics or CFD, and a simple procedure to represent numerically and graphically the behavior of hydraulic structures. The hydraulic structures presented in the laboratory manual are: thin and thick wall orifices, gates with free and submerged discharge, thin and thick wall spillways with free and submerged discharge, WES type spillway, submerged intake with pressure conduction and as a complement, hydrostatic pressures on vertical, curved and inclined walls were added. Each of the mentioned hydraulic structures obtained a práctical verification as a verification within the Flow 3D software, presenting a consistency in the results obtained in both ways.

이 매뉴얼은 Fluid Mechanics 및 Applied Hydraulics의 가상 연구실 내에서 Flow 3D로 알려진 소프트웨어에서 기본 수치 모델을 제시하고 실행하기 위해 개발되었으며, 수업에서 배운 내용을 보완하고 강화하기 위해 개발되었으며, 매뉴얼 개발은 이론적인 내용을 다룹니다. 소프트웨어의 특성을 표시하기 위해 학생들을 위한 일부 피드백을 포함하는 것 외에도 소프트웨어 처리에 대한 내용 및 예시된 실제적인 부분. Flow 3D 프로그램을 다루면서 학생은 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics) 또는 CFD의 개념과 수력학적 구조의 거동을 수치 및 그래픽으로 표현하는 간단한 절차를 소개합니다. 실험실 매뉴얼에 제시된 유압 구조는 얇고 두꺼운 벽 오리피스, 자유 및 수중 배출이 있는 수문, 자유 및 수중 배출이 있는 얇고 두꺼운 벽 여수로, WES 유형 방수로, 압력 전도 및 보완으로 수중 유입이 있는 수중 흡입구입니다. 수직, 곡선 및 경사 벽에 추가되었습니다. 언급된 각 수력학적 구조는 Flow 3D 소프트웨어 내에서 검증으로 실제 검증을 획득하여 두 가지 방식에서 얻은 결과의 일관성을 나타냅니다.

Keywords: Flow 3D, numerical modeling, manual, practice, Fluid Mechanics.

REFERENCIAS

Anguisa, M., & Maza, X.(2012). Estudio de los procesos de flujo en una obra de
camptación mediante experimentación de un modelo físico de escala reducida.
[Tesis de grado,Universidad de Cuenca]. Archivo Digital
http://dspace.ucuenca.edu.ec/bitstream/123456789/775/1/ti901.pdf
Arreaga, W., & Mantilla, D. (2016). Determinación de coeficientes de descarga en
orificios circulares, de pared delgada en descarga libre para diferentes
diámetros en modelos físicos. [Tesis de grado,Universidad de Guayaquil].
Archivo Digital
http://repositorio.ug.edu.ec/bitstream/redug/15855/1/ARREAGA_WILLIAM_
MANTILLA_DIEGO_TRABAJO_TITULACIÓN_HIDRÁULICA_DICIEMB
RE_2016.pdf
Arrecis, J., (2018). Evaluación de las carácterísticas del prefil tipo Creager. [Tesis de
grado,Universidad de San Carlos de Guatemala]. Archivo Digital
http://www.repositorio.usac.edu.gt/11372/1/Jared%20Alexander%20V%C3%A
9liz%20Arrecis.pdf
Barba, C. A. B. (2020). Modelación numérica (CDF) del flujo combinado superior e
inferior en una compuerta plana con el program Flow 3D. [Tesis de
Maestria,Escuela Politénica Nacional]. Archivo Digital
Bureau of Reclamation, (2007). Traducida por: Martínez, M., Batanero, A., Martínez,
G., Martínez, O., Gonzáles, O.: Diseño de Presas Peuqeñas(3ra ed). España:
Editorial Bellisco.
Calderon, F. V., Cazares, L. G., & Camacho, F. F. (2017). Dificultades conceptuales
para la comprensión de la Ecuación de Bernoulli. Revista Eureka Sobre
Enseñanza y Divulgación de Las Ciencias, 14(12), 339–352.
Fernández, J.(2012).Técnicas numéricas en ingeniería de fluido: Introducción a la
dinámica de fluidos computacional (CFD) por el método de volúmenes
finitos.Barcelona , España.:Editorial Reverté, S.A.
Flow Science. (2008). Manual de Flow 3D.
https://www.google.com/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&cad=r
ja&uact=8&ved=2ahUKEwie6p3mpfTsAhWJpFkKHRWpAHcQFjADegQIBh
AC&url=https%3A%2F%2Fwww.researchgate.net%2Fprofile%2FAli_Agha7%
2Fpost%2FSomebody_can_recommend_me_the_tutorials_pdf_video_of_Flow_
3d_v101_software%2Fattachment%2F59d6285e79197b8077986bf3%2FAS%2
53A330000659173377%25401455689696420%2Fdownload%2F%255BFlow_
Science%255D_FLOW3D_V9.3_User_Manual%252C_Volume_1%2528BookZZ.org%2529.pdf&usg
=AOvVaw3ALDHf9jsqn-wDYnhAXNB1
Intituto Internacional de la Investigación de Tecnología Educativa INITE. (2006).
Ecuaciones fundamentales de la hidráulica.
https://gc.scalahed.com/recursos/files/r144r/w226w/Problema_2/Problema2_Hi
draulica_Ecuaciones.pdf
Inciso, C. (2016). Análisis comparativo de las descargas en orificios y boquillas en
laboratorio de Hidráulica de un UPN, Cajamarca. [Tesis de grado,Universidad
Privada del Norte, Cajamarca. Perú]. Archivo Digital
https://repositorio.upn.edu.pe/bitstream/handle/11537/9980/Inciso%20Pajares%
20%20Carlos%20Jonathan.pdf?sequence=1&isAllowed=y

Gutiérrez, Y. (2016). Modelación numérica computacional del diseño de un vertedor
de pared delgada de sección compuesta. [Tesis de grado,Universidad Central
Marta Abreu de las Villas]. Archivo Digital
https://dspace.uclv.edu.cu/bitstream/handle/123456789/6671/Tesis%20Yunior%
20Gutierrez.pdf?sequence=1&isAllowed=y
Guncay, K. (2017). Estudio del desempeño hidráulico del canal multipropósito del
laboratorio de hidráulica y dinámica de fluidos LH&DF del campus Balzay.
[Tesis de grado,Universidad de Cuenca]. Archivo Digital
Jiménez, J., Jiménez J. (2018). Elaboración del modelo físico y la guia metodológica
para la práctica: vertederos de pared delgada, de la asignatura Mecánica de
Fluidos de la Universidad de Azuay. [Tesis de grado,Universidad de Cuenca].
Archivo Digital
http://dspace.uazuay.edu.ec/bitstream/datos/8371/1/14091.pdf
Monroy, M. (2010). Medidores De Flujo En Canales Abiertos. [Tesis de
grado,Universidad de San Carlos de Guatemala]. Archivo Digital
http://biblioteca.usac.edu.gt/tesis/08/08_3165_C.pdf
Penagos, D. F. R. (2012). Diseño y modelación de las uniones soldadas de las
compuertas planas para presas. [Tesis de posgrado,Universidad Libre de
Colombia]. Archivo Digital
https://core.ac.uk/download/pdf/198447125.pdf
Sotelo, A. (1997). Hidráulica General, Volumen 1(18va ed). Balderas 95, México,
D.F.: Editorial Limusa, S.A.
Vega, D. (2004). Vertederos de pared delgada.Centro Andino para la gestión y uso
del agua. Cochabamba.
https://www.academia.edu/6129654/Serie_T%C3%A9cnica_Agua_y_Suelo_N_
1_VERTEDEROS_DE_PARED_DELGADA_Rectangular_y_Triangular
Ven Te Chow. (1994). Hidráulica de canales abiertos. Santafé de Bogotá, Colombia.:
Editorial Martha Edna Suárez R.

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Figure 1. Photorealistic view of an inclined axis TAST (photo A. Stergiopoulou).

그리스 수로의 작은 수력 전위를 활용하는 관형 아르키메데스 스크류 터빈의 CFD 시뮬레이션

CFD Simulations of Tubular Archimedean Screw Turbines Harnessing the Small Hydropotential of Greek Watercourses

Alkistis Stergiopoulou1
, Vassilios Stergiopoulos2
1
Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktiven Wasserbau, B.O.K.U. University,
Muthgasse 18, 1190 Vienna, (actually Senior Process Engineer at the VTU Engineering in Vienna,
Zieglergasse 53/1/24, 1070 Vienna, Austria).
2 School of Pedagogical and Technological Education, Department of Civil Engineering Educators,
ASPETE Campus, Eirini Station, 15122 Amarousio, Athens, Greece.

Abstract

이 논문은 “그리스 아르키메데스의 부활: 아르키메데스 달팽이관 물레방아의 수리역학 및 유체역학적 거동 연구, 그리스 자연 및 기술 수로의 수력 잠재력 회복에 대한 기여”. 라는 제목의 최근 연구에서 수행한 최초의 아르키메데스 나사 터빈 CFD 모델링 결과에 대한 간략한 견해를 제시합니다.

FLOW-3D 코드를 기반으로 하는 이 CFD 분석은 일반적인 TAST(Tubular Archimedean Screw Turbines)에 관한 것으로, 그리스의 자연 및 기술 수로의 중요한 미개척 수력 잠재력을 활용하는 소규모 수력 발전 시스템에 대한 TWh/년 및 수천 MW 범위의 총 설치 용량등 몇 가지 유망한 성능을 보여줍니다.

This paper presents a short view of the first Archimedean Screw Turbines CFD modelling results, which were carried out within the recent research entitled “Rebirth of Archimedes in Greece: contribution to the study of hydraulic mechanics and hydrodynamic behavior of Archimedean cochlear waterwheels, for recovering the hydraulic potential of Greek natural and technical watercourses”. This CFD analysis, based to the Flow-3D code, concerns typical Tubular Archimedean Screw Turbines (TASTs) and shows some promising performances for such small hydropower systems harnessing the important unexploited hydraulic potential of natural and technical watercourses of Greece, of the order of several TWh / year and of a total installed capacity in the range of thousands MWs.

Keywords

CFD; Flow-3D; TAST; Small Hydro; Renewable Energy; Greek Watercourses.

Figure 4. Creation of the 3bladed Archimedean Screw with Solidworks.

Figure 8. Comparison of Archimedean Screw Turbine power performances P(W) for angle of orientation θ = 22ο and 32ο and for various water discharge values Q = 0.15, 0.30, 0.45 m3 /s.

Figure 12. Various performances of the Archimedean Screw (MKE/Mean Kinetic Energy, Torque, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation) for flow discharge Q = 0.45 m3 /s and an angle of orientation θ = 32ο .

References

[1] A. Stergiopoulou, Computational and experimental investigation of the hydrodynamic behaviour of
screw hydro turbine, Ph.D. Thesis, NTUA, 2017.
[2] B. Pelikan, A. Lashofer, Verbesserung der Strömungseigenschaften sowie Planungs-und
Betriebsoptimierung von Wasserkraftschnecken, Research Project, BOKU University, Vienna,
2012.
[3] G. Müller, J. Senior, Simplified theory of Archimedean screws, Journal of Hydraulic Research 47
(5) (2009) 666-669.
[4] C. Rorres, The turn of the screw: Optimal design of an Archimedes screw, Journal of Hydraulic
Engineering, 80 (2000) 72-80.
[5] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Return of Archimedes: Harnessing with new Archimedean
spirals the hydraulic potential of the Greek watercourses, in: Proceedings of the Conference for
Climate Change, Thessaloniki, 2009.
[6] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, from the old Archimedean screw pumps to the new
Archimedean screw turbines for hydropower production in Greece, in: Proceedings of CEMEPE
Conference, Mykonos, June 21-26, 2009.

[7] V. Stergiopoulos, A. Stergiopoulou, E. Kalkani, Quo Vadis Archimedes Nowadays in Greece?
Towards Modern Archimedean Turbines for Recovering Greek Small Hydropower Potential, in:
Proceedings of 3rd International Scientific “Energy and Climate Change” Conference, Athens, 2010.
[8] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, E. Κalkani, Greece beyond the horizon of the era of transition:
Archimedean screw hydropower development terra incognita, International Journal of Energy and
Development, v.6, Issue 6, pp. 627-536, 2015.
[9] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, E. Κalkani, Experimental and theoretical research of zero head
innovative horizontal axis Archimedean screw turbines, Journal of Energy and Development, v.6,
Issue 5, pp. 471-478, 2015.
[10] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, E. Κalkani, Back to the Future: Rediscovering the Archimedean
screws as modern turbines for harnessing Greek small hydropower potential, in: Proceedings of the
Third International Conference CEMEPE 2011 & SECOTOX, Skiathos, 2011.
[11] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Educational Renewable Energy Screw Wheel Technologies for
Pico Hydropower Generation, Modern Environmental Science and Engineering, v.4, No.5, pp. 439-
445, May 2018.
[12] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Educational Renewable Energy Screw Wheel Technologies for
Pico Hydropower Generation, Modern Environmental Science and Engineering, v.4, No.5, pp. 439-
445, May 2018.
[13] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Towards an inventory of the archimedean small hydropower
potential of Greece, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY AND ENVIRONMENT
Volume 11, Issue 2, 2020 pp.137-144.
[14] Flow Science, FLOW-3D Manual, 2013.
[15] K. Versteeg and W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Pearson,
2007.
[16] C. Hirsch, Numerical Computation of internal and external flows: The fundamentals of
Computational Fluid dynamics, John Wiley & Sons, 2007.
[17] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos and E. Kalkani, An eagle’s CFD view of Studying Innovative
Archimedean Screw Renewable Hydraulic Energy Systems, Proceedings of the 4th International
Conference on Environmental Management, Engineering, Planning and Economics (CEMEPE) and
SECOTOX Conference, Mykonos island, Greece, pp.454-460 June 24-28, 2013.
[18] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, A., E. Kalkani, Computational Fluid Dynamics Study on a 3D
Graphic Solid Model of Archimedean Screw Turbines, Fresenius Environmental Bulletin, vol.23-
No1, 2014.
[19] Α. Stergiopoulou, Kalkani E., “Towards a First C.F.D. Study of Innovative Archimedean Inclined
Axis Hydropower Turbines”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT),
Vol. 2 Issue 9, September – 2013, pp. 193-199.
[20] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, A first CFD study of small hydro energy recovery from the
Attica water supply network, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY AND
ENVIRONMENT, Volume 11, Issue 3, 2020 pp.157-166.

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Experimental study and numerical simulation of hydraulic characteristics of ogee spillway tunnel

WU Jingxia1
, ZHANG Chunjin2,3
(1. Xi’an Water Conservancy Survey Design Institute, Xi’an　 710054, Shaanxi, China; 2. Key Laboratory of
Yellow River Sediment Research, M. W. R. , Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou　
450003, Henan, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic
Engineering, Hohai University, Nanjing　 210098, Jiangsu, China)

수치 시뮬레이션을 통해 오지 여수로 터널의 수리적 특성 연구의 타당성을 탐색하기 위해 황하 Xiaolangdi 수질 관리 프로젝트의 2번 오지 여수로 터널을 연구 대상으로 취한 다음 오지의 수리 특성 설계 및 점검 홍수 수준 조건에서 여수로 터널은 RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 배출 용량, 터널 크라운 잔류 공간, 단면 유속, 압전 수두, 유동 캐비테이션 수, 제트 흐름 범위 및 1 ∶ 40의 일반 수리 모델과 결합된 세굴 구덩이 깊이, 시뮬레이션 값과 실험 값 모두 비교됩니다.

연구결과 모의실험값이 실험값과 일치하여 오지 여수로터널의 수리적 특성을 수치모사를 통해 탐색할 수 있음을 확인하였다. 여수로터널 내부의 흐름은 안정적이고 터널 크라운 잔류 공간은 개방 흐름과 완전 흐름의 교대 흐름 패턴이 없는 25% 이상입니다.

체크 홍수 수위에서 시뮬레이션 값과 유량 계수의 실험 값은 모두 설계에서보다 높으므로 배출 용량은 홍수 제어 관련 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 오지 단면과 플립 단면의 유동 캐비테이션 수는 캐비테이션 손상이 발생할 가능성이 작기 때문에 캐비테이션 침식을 줄이기 위한 적절한 적절한 조치가 채택될 필요가 있습니다.

유압 모델의 고르지 않은 표면에 부압이 발생하면 표면 구조에 관련주의를 기울일 필요가 있습니다. 연구 결과는 여수로 터널의 설계 및 건설에 대한 관련 참고 및 이론적 근거를 제공할 수 있습니다.

Keywords

Xiaolangdi Water Control Project; ogee spillway tunnel; simulative calculation; hydraulic characteristics; turbulent
model

Fig. 6　 Sectional surface profile distributions

Fig. 7　 Comparison between simulated results and experimental results for flow velocity of section-cross

参考文献(References)

[1]　谢省宗, 吴一红, 陈文学. 我国高坝泄洪消能新技术的研究和创
新[J]. 水利学报, 2016, 47(3): 324-336.
XIE Shengzong, WU Yihong, CHEN Wenxue. New technology and
innovation on flood discharge and energy dissipation of high dams in
China [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47( 3): 324-
336.
[2]　刘嘉夫, 齐昕. 龙抬头水电站泄洪洞水力特性研究[ J]. 水利水
电技术, 2019, 50(2): 139-143.
LIU Jiafu, QI Xin. Study on hydraulic characteristics of ogee spillway
tunnel of hydropower station [ J]. Water Resources and Hydropower
Engineering, 2019, 50(2): 139-143.
[3]　范灵, 张宏伟, 刘之平, 等. 明流泄洪洞布置形式对水力特性影
响的数值研究[J]. 水力发电学报, 2009, 28(3): 126-131.
FAN Ling, ZHANG Hongwei, LIU Zhiping, et al. Numerical study
on hydraulic characteristic of free surface flow in spillway tunnel with
different configuration [ J ]. Journal of Hydroelectric Engineering,
2009, 28(3): 126-131.
[4]　张春晋, 李永业, 孙西欢. 明流泄洪洞水力特性的二维数值模拟
与试验研究[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(1): 54-60.
ZHANG Chunjin, LI Yongye, SUN Xihuan. Two-dimensional numerical simulation and experimental research of hydraulic characteristics
in spillway tunnel with free water surface [ J]. Journal of Yangtze
River Scientific Research Institute, 2016, 33(1): 54-60.
[5]　徐国宾, 章环境, 刘昉, 等. 龙抬头泄洪洞水力特性的数值模拟
[J]. 长江科学院院报, 2015, 32(1): 84-87.
XU Guobin, ZHANG Huanjing, LIU Fang, et al. Numerical simulation on hydraulic characteristic of high head ogee spillway tunnel [J].
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(1):
84-87.
[6]　陈瑞华, 杨吉健, 马麟, 等. 小湾水电站泄洪洞洞身数值模拟
[J]. 排灌机械工程学报, 2017, 35(6): 488-494.
CHEN Ruihua, YANG Jijian, MA Lin, et al. Numerical simulation
of tunnel of Xiaowan Hydropower Station [ J]. Journal of Drainage
and Irrigation Machinery Engineering, 2017, 35(6): 488-494.
[7]　翟保林, 刘亚坤. 高水头明流泄洪洞三维数值模拟[ J]. 水利与
建筑工程学报, 2017, 15(3): 31-34.
ZHAI Baolin, LIU Yakun. 3-D Numerical simulation of high water
head spillway tunnel with free surface [ J ]. Journal of Water
Resources and Architectural Engineering, 2017, 15(3): 31-34.
[8]　姜攀, 尹进步, 何武全, 等. 有压泄洪洞弯道压力特性数值模拟
与试验研究[J]. 水力发电, 2016, 42(2): 49-53.
JIANG Pan, YIN Jinbu, HE Wuquan, et al. Numerical simulation
and experimental research on pressure characteristic of curved section
of pressure spillway tunnel [J]. Water Power, 2016, 42(2): 49-53.
[9]　邓军, 许唯临, 雷军, 等. 高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模
拟[J]. 水利学报, 2005(10): 1209-1212.
DENG Jun, XU Weilin, LEI Jun, et al. Numerical simulation of
hydraulic characteristics of high head spillway tunnel [J]. Journal of
Hydraulic Engineering, 2005(10): 1209-1212.
[10] 史晓薇, 王长新, 李琳. 高流速泄洪隧洞水力特性的三维数值模
拟[J]. 新疆农业大学学报, 2015, 38(6): 495-501.
SHI Xiaowei, WANG Changxin, LI Lin. Three dimensional numerical
simulation of hydraulic characteristics of spillway tunnel with high flow
velocity [ J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2015, 38
(6): 495-501.
[11] 叶茂, 伍平, 王波, 等. 泄洪洞掺气水流的数值模拟研究[J]. 水
力发电学报, 2014, 33(4): 105-110.
YE Mao, WU Ping, WANG Bo, et al. Numerical simulation of
aerated flow in hydraulic tunnel [ J ]. Journal of Hydroelectric
Engineering, 2014, 33(4): 105-110.
[12] 胡涛, 王均星, 杜少磊. 大流量泄洪洞掺气坎水力特性数值模拟
[J]. 武汉大学学报(工学版), 2014, 47(5): 615-620.
HU Tao, WANG Junxing, DU Shaolei. Numerical simulation of
hydraulic characteristics of aerators in spillway tunnel with large
discharge [J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2014, 47
(5): 615-620.
[13] 孙鹏飞, 姜哲, 崔维成, 等. 基于 CFD 的全海深载人潜水器直航
阻力性能研究[J]. 中国造船, 2019, 60(2): 77-87.
SUN Pengfei, JIANG Zhe, CUI Weicheng, et al. Numerical simulation of a full ocean depth manned submersible based on CFD method
[J]. Shipbuilding of China, 2019, 60(2): 77-87.
[14] 宛鹏翔, 范俊, 韩省思, 等. 冲击射流流动换热超大涡模拟研究
[J]. 推进技术, 2020, 41(10): 2237-2247.
WAN Pengxiang, FAN Jun, HAN Xingsi, et al. Very-large eddy
simulation of impinging jet flow and heat transfer [ J]. Journal of
Propulsion Technology, 2020, 41(10): 2237-2247.
[15] 李国杰, 黄萌, 陈斌. 基于 PISO 算法的非结构化网格 VOF 算法
[J]. 工程热物理学报, 2013, 34(3): 476-479.
LI Guojie, HUANG Meng, CHEN Bing. VOF method on unstructured
grid using PISO algorithm [ J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(3): 476-479.
[16] 董玮, 何庆南, 梁武科, 等. 双蜗壳离心泵泵腔轴向宽度与流动

DONG Wei, HE Qingnan, LIANG Wuke, et al. Relationship
between axial width and flow characteristics of pump chamber in
double volute centrifugal pump [ J ]. Journal of Northwestern
Polytechnical University, 2020, 38(6): 1322-1329.
[17] 陈恺, 张震宇, 王同光, 等. 基于 CFD 的水平轴风力机叶尖小翼
增功研究[J]. 太阳能学报, 2021, 42(1): 272-278.
CHEN Kai, ZHANG Zhenyu, WANG Tongguang, et al. CFD-Based
power enhancement of winglets for horizontal-axis wind turbines [ J].
Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(1): 272-278.
[18] 张志君, 金柱男, 辛相锦, 等. 基于 VOF 方法的湿式离合器润滑
油路 CFD 数值模拟[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2020, 41
(5): 716-722.
ZHANG Zhijun, JIN Zhunan, XIN Xiangjin, et al. VOF method
based CFD numerical simulation for wet clutch lubricating oil passage
[ J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2020, 41
(5): 716-722.
[19] 罗永钦, 刁明军, 何大明, 等. 高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数
值模拟分析[J]. 水科学进展, 2012, 23(1): 110-116.
LUO Yongqin, DIAO Mingjun, HE Daming, et al. Numerical simulation of aeration and cavitation in high dam spillway tunnels [ J].
Advances in Water Science, 2012, 23(1): 110-116.
[20] 许文海, 党彦, 李国栋, 等. 双洞式溢洪洞三维流动的数值模拟
[J]. 水力发电学报, 2007(1): 56-60.
XU Wenhai, DANG Yan, LI Guodong, et al. Three dimensional
numerical simulation of the bi-tunnel spillway flow [ J]. Journal of
Hydroelectric Engineering, 2007(1): 56-60.
[21] 李爱华, 王腾, 刘沛清. 溪洛渡坝区岩石河床冲刷过程数值模拟
[J]. 水力发电学报, 2012, 31(5): 154-158.
LI Aihua, WANG Teng, LIU Peiqing. Numerical simulation of rock
bed scour behind the dam of Xiluodu hydropower station [J]. Journal
of Hydroelectric Engineering, 2012, 31(5): 154-15

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Flow velocity profiles for canals with a depth of 3 m and flow velocities of 5–5.3 m/s.

Optimization Algorithms and Engineering: Recent Advances and Applications

Mahdi Feizbahr,¹ Navid Tonekaboni,²Guang-Jun Jiang,^3,4 and Hong-Xia Chen^3,4Show moreAcademic Editor: Mohammad YazdiReceived08 Apr 2021Revised18 Jun 2021Accepted17 Jul 2021Published11 Aug 2021

Abstract

Vegetation along the river increases the roughness and reduces the average flow velocity, reduces flow energy, and changes the flow velocity profile in the cross section of the river. Many canals and rivers in nature are covered with vegetation during the floods. Canal’s roughness is strongly affected by plants and therefore it has a great effect on flow resistance during flood. Roughness resistance against the flow due to the plants depends on the flow conditions and plant, so the model should simulate the current velocity by considering the effects of velocity, depth of flow, and type of vegetation along the canal. Total of 48 models have been simulated to investigate the effect of roughness in the canal. The results indicated that, by enhancing the velocity, the effect of vegetation in decreasing the bed velocity is negligible, while when the current has lower speed, the effect of vegetation on decreasing the bed velocity is obviously considerable.

강의 식생은 거칠기를 증가시키고 평균 유속을 감소시키며, 유속 에너지를 감소시키고 강의 단면에서 유속 프로파일을 변경합니다. 자연의 많은 운하와 강은 홍수 동안 초목으로 덮여 있습니다. 운하의 조도는 식물의 영향을 많이 받으므로 홍수시 유동저항에 큰 영향을 미칩니다. 식물로 인한 흐름에 대한 거칠기 저항은 흐름 조건 및 식물에 따라 다르므로 모델은 유속, 흐름 깊이 및 운하를 따라 식생 유형의 영향을 고려하여 현재 속도를 시뮬레이션해야 합니다. 근관의 거칠기의 영향을 조사하기 위해 총 48개의 모델이 시뮬레이션되었습니다. 결과는 유속을 높임으로써 유속을 감소시키는 식생의 영향은 무시할 수 있는 반면, 해류가 더 낮은 유속일 때 유속을 감소시키는 식생의 영향은 분명히 상당함을 나타냈다.

1. Introduction

Considering the impact of each variable is a very popular field within the analytical and statistical methods and intelligent systems [1–14]. This can help research for better modeling considering the relation of variables or interaction of them toward reaching a better condition for the objective function in control and engineering [15–27]. Consequently, it is necessary to study the effects of the passive factors on the active domain [28–36]. Because of the effect of vegetation on reducing the discharge capacity of rivers [37], pruning plants was necessary to improve the condition of rivers. One of the important effects of vegetation in river protection is the action of roots, which cause soil consolidation and soil structure improvement and, by enhancing the shear strength of soil, increase the resistance of canal walls against the erosive force of water. The outer limbs of the plant increase the roughness of the canal walls and reduce the flow velocity and deplete the flow energy in vicinity of the walls. Vegetation by reducing the shear stress of the canal bed reduces flood discharge and sedimentation in the intervals between vegetation and increases the stability of the walls [38–41].

One of the main factors influencing the speed, depth, and extent of flood in this method is Manning’s roughness coefficient. On the other hand, soil cover [42], especially vegetation, is one of the most determining factors in Manning’s roughness coefficient. Therefore, it is expected that those seasonal changes in the vegetation of the region will play an important role in the calculated value of Manning’s roughness coefficient and ultimately in predicting the flood wave behavior [43–45]. The roughness caused by plants’ resistance to flood current depends on the flow and plant conditions. Flow conditions include depth and velocity of the plant, and plant conditions include plant type, hardness or flexibility, dimensions, density, and shape of the plant [46]. In general, the issue discussed in this research is the optimization of flood-induced flow in canals by considering the effect of vegetation-induced roughness. Therefore, the effect of plants on the roughness coefficient and canal transmission coefficient and in consequence the flow depth should be evaluated [47, 48].

Current resistance is generally known by its roughness coefficient. The equation that is mainly used in this field is Manning equation. The ratio of shear velocity to average current velocity is another form of current resistance. The reason for using the ratio is that it is dimensionless and has a strong theoretical basis. The reason for using Manning roughness coefficient is its pervasiveness. According to Freeman et al. [49], the Manning roughness coefficient for plants was calculated according to the Kouwen and Unny [50] method for incremental resistance. This method involves increasing the roughness for various surface and plant irregularities. Manning’s roughness coefficient has all the factors affecting the resistance of the canal. Therefore, the appropriate way to more accurately estimate this coefficient is to know the factors affecting this coefficient [51].

To calculate the flow rate, velocity, and depth of flow in canals as well as flood and sediment estimation, it is important to evaluate the flow resistance. To determine the flow resistance in open ducts, Manning, Chézy, and Darcy–Weisbach relations are used [52]. In these relations, there are parameters such as Manning’s roughness coefficient (n), Chézy roughness coefficient (C), and Darcy–Weisbach coefficient (f). All three of these coefficients are a kind of flow resistance coefficient that is widely used in the equations governing flow in rivers [53].

The three relations that express the relationship between the average flow velocity (V) and the resistance and geometric and hydraulic coefficients of the canal are as follows:where n, f, and c are Manning, Darcy–Weisbach, and Chézy coefficients, respectively. V = average flow velocity, R = hydraulic radius, S_f = slope of energy line, which in uniform flow is equal to the slope of the canal bed, = gravitational acceleration, and K_n is a coefficient whose value is equal to 1 in the SI system and 1.486 in the English system. The coefficients of resistance in equations (1) to (3) are related as follows:

Based on the boundary layer theory, the flow resistance for rough substrates is determined from the following general relation:where f = Darcy–Weisbach coefficient of friction, y = flow depth, K_s = bed roughness size, and A = constant coefficient.

On the other hand, the relationship between the Darcy–Weisbach coefficient of friction and the shear velocity of the flow is as follows:

By using equation (6), equation (5) is converted as follows:

Investigation on the effect of vegetation arrangement on shear velocity of flow in laboratory conditions showed that, with increasing the shear Reynolds number (), the numerical value of the ratio also increases; in other words the amount of roughness coefficient increases with a slight difference in the cases without vegetation, checkered arrangement, and cross arrangement, respectively [54].

Roughness in river vegetation is simulated in mathematical models with a variable floor slope flume by different densities and discharges. The vegetation considered submerged in the bed of the flume. Results showed that, with increasing vegetation density, canal roughness and flow shear speed increase and with increasing flow rate and depth, Manning’s roughness coefficient decreases. Factors affecting the roughness caused by vegetation include the effect of plant density and arrangement on flow resistance, the effect of flow velocity on flow resistance, and the effect of depth [45, 55].

One of the works that has been done on the effect of vegetation on the roughness coefficient is Darby [56] study, which investigates a flood wave model that considers all the effects of vegetation on the roughness coefficient. There are currently two methods for estimating vegetation roughness. One method is to add the thrust force effect to Manning’s equation [47, 57, 58] and the other method is to increase the canal bed roughness (Manning-Strickler coefficient) [45, 59–61]. These two methods provide acceptable results in models designed to simulate floodplain flow. Wang et al. [62] simulate the floodplain with submerged vegetation using these two methods and to increase the accuracy of the results, they suggested using the effective height of the plant under running water instead of using the actual height of the plant. Freeman et al. [49] provided equations for determining the coefficient of vegetation roughness under different conditions. Lee et al. [63] proposed a method for calculating the Manning coefficient using the flow velocity ratio at different depths. Much research has been done on the Manning roughness coefficient in rivers, and researchers [49, 63–66] sought to obtain a specific number for n to use in river engineering. However, since the depth and geometric conditions of rivers are completely variable in different places, the values of Manning roughness coefficient have changed subsequently, and it has not been possible to choose a fixed number. In river engineering software, the Manning roughness coefficient is determined only for specific and constant conditions or normal flow. Lee et al. [63] stated that seasonal conditions, density, and type of vegetation should also be considered. Hydraulic roughness and Manning roughness coefficient n of the plant were obtained by estimating the total Manning roughness coefficient from the matching of the measured water surface curve and water surface height. The following equation is used for the flow surface curve:where is the depth of water change, S₀ is the slope of the canal floor, Sf is the slope of the energy line, and Fr is the Froude number which is obtained from the following equation:where D is the characteristic length of the canal. Flood flow velocity is one of the important parameters of flood waves, which is very important in calculating the water level profile and energy consumption. In the cases where there are many limitations for researchers due to the wide range of experimental dimensions and the variety of design parameters, the use of numerical methods that are able to estimate the rest of the unknown results with acceptable accuracy is economically justified.

FLOW-3D software uses Finite Difference Method (FDM) for numerical solution of two-dimensional and three-dimensional flow. This software is dedicated to computational fluid dynamics (CFD) and is provided by Flow Science [67]. The flow is divided into networks with tubular cells. For each cell there are values of dependent variables and all variables are calculated in the center of the cell, except for the velocity, which is calculated at the center of the cell. In this software, two numerical techniques have been used for geometric simulation, FAVOR™ (Fractional-Area-Volume-Obstacle-Representation) and the VOF (Volume-of-Fluid) method. The equations used at this model for this research include the principle of mass survival and the magnitude of motion as follows. The fluid motion equations in three dimensions, including the Navier–Stokes equations with some additional terms, are as follows:where are mass accelerations in the directions x, y, z and are viscosity accelerations in the directions x, y, z and are obtained from the following equations:

Shear stresses in equation (11) are obtained from the following equations:

The standard model is used for high Reynolds currents, but in this model, RNG theory allows the analytical differential formula to be used for the effective viscosity that occurs at low Reynolds numbers. Therefore, the RNG model can be used for low and high Reynolds currents.

Weather changes are high and this affects many factors continuously. The presence of vegetation in any area reduces the velocity of surface flows and prevents soil erosion, so vegetation will have a significant impact on reducing destructive floods. One of the methods of erosion protection in floodplain watersheds is the use of biological methods. The presence of vegetation in watersheds reduces the flow rate during floods and prevents soil erosion. The external organs of plants increase the roughness and decrease the velocity of water flow and thus reduce its shear stress energy. One of the important factors with which the hydraulic resistance of plants is expressed is the roughness coefficient. Measuring the roughness coefficient of plants and investigating their effect on reducing velocity and shear stress of flow is of special importance.

Roughness coefficients in canals are affected by two main factors, namely, flow conditions and vegetation characteristics [68]. So far, much research has been done on the effect of the roughness factor created by vegetation, but the issue of plant density has received less attention. For this purpose, this study was conducted to investigate the effect of vegetation density on flow velocity changes.

In a study conducted using a software model on three density modes in the submerged state effect on flow velocity changes in 48 different modes was investigated (Table 1).Table 1 The studied models.

The number of cells used in this simulation is equal to 1955888 cells. The boundary conditions were introduced to the model as a constant speed and depth (Figure 1). At the output boundary, due to the presence of supercritical current, no parameter for the current is considered. Absolute roughness for floors and walls was introduced to the model (Figure 1). In this case, the flow was assumed to be nonviscous and air entry into the flow was not considered. After seconds, this model reached a convergence accuracy of .

Figure 1 The simulated model and its boundary conditions.

Due to the fact that it is not possible to model the vegetation in FLOW-3D software, in this research, the vegetation of small soft plants was studied so that Manning’s coefficients can be entered into the canal bed in the form of roughness coefficients obtained from the studies of Chow [69] in similar conditions. In practice, in such modeling, the effect of plant height is eliminated due to the small height of herbaceous plants, and modeling can provide relatively acceptable results in these conditions.

48 models with input velocities proportional to the height of the regular semihexagonal canal were considered to create supercritical conditions. Manning coefficients were applied based on Chow [69] studies in order to control the canal bed. Speed profiles were drawn and discussed.

Any control and simulation system has some inputs that we should determine to test any technology [70–77]. Determination and true implementation of such parameters is one of the key steps of any simulation [23, 78–81] and computing procedure [82–86]. The input current is created by applying the flow rate through the VFR (Volume Flow Rate) option and the output flow is considered Output and for other borders the Symmetry option is considered.

Simulation of the models and checking their action and responses and observing how a process behaves is one of the accepted methods in engineering and science [87, 88]. For verification of FLOW-3D software, the results of computer simulations are compared with laboratory measurements and according to the values of computational error, convergence error, and the time required for convergence, the most appropriate option for real-time simulation is selected (Figures 2 and 3 ).

Figure 2 Modeling the plant with cylindrical tubes at the bottom of the canal.

Figure 3 Velocity profiles in positions 2 and 5.

The canal is 7 meters long, 0.5 meters wide, and 0.8 meters deep. This test was used to validate the application of the software to predict the flow rate parameters. In this experiment, instead of using the plant, cylindrical pipes were used in the bottom of the canal.

The conditions of this modeling are similar to the laboratory conditions and the boundary conditions used in the laboratory were used for numerical modeling. The critical flow enters the simulation model from the upstream boundary, so in the upstream boundary conditions, critical velocity and depth are considered. The flow at the downstream boundary is supercritical, so no parameters are applied to the downstream boundary.

The software well predicts the process of changing the speed profile in the open canal along with the considered obstacles. The error in the calculated speed values can be due to the complexity of the flow and the interaction of the turbulence caused by the roughness of the floor with the turbulence caused by the three-dimensional cycles in the hydraulic jump. As a result, the software is able to predict the speed distribution in open canals.

2. Modeling Results

After analyzing the models, the results were shown in graphs (Figures 4–14 ). The total number of experiments in this study was 48 due to the limitations of modeling.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)Figure 4 Flow velocity profiles for canals with a depth of 1 m and flow velocities of 3–3.3 m/s. Canal with a depth of 1 meter and a flow velocity of (a) 3 meters per second, (b) 3.1 meters per second, (c) 3.2 meters per second, and (d) 3.3 meters per second.

Figure 5 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3 meters per second.

Figure 6 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3.1 meters per second.

Figure 7 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3.2 meters per second.

Figure 8 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3.3 meters per second.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)Figure 9 Flow velocity profiles for canals with a depth of 2 m and flow velocities of 4–4.3 m/s. Canal with a depth of 2 meters and a flow rate of (a) 4 meters per second, (b) 4.1 meters per second, (c) 4.2 meters per second, and (d) 4.3 meters per second.

Figure 10 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4 meters per second.

Figure 11 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4.1 meters per second.

Figure 12 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4.2 meters per second.

Figure 13 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4.3 meters per second.
(a)
(b)
(c)
(d)
(a)
(b)
(c)
(d)Figure 14 Flow velocity profiles for canals with a depth of 3 m and flow velocities of 5–5.3 m/s. Canal with a depth of 2 meters and a flow rate of (a) 4 meters per second, (b) 4.1 meters per second, (c) 4.2 meters per second, and (d) 4.3 meters per second.

To investigate the effects of roughness with flow velocity, the trend of flow velocity changes at different depths and with supercritical flow to a Froude number proportional to the depth of the section has been obtained.

According to the velocity profiles of Figure 5, it can be seen that, with the increasing of Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases.

According to Figures 5 to 8, it can be found that, with increasing the Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the models 1 to 12, which can be justified by increasing the speed and of course increasing the Froude number.

According to Figure 10, we see that, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases.

According to Figure 11, we see that, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of Figures 5–10, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

With increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases (Figure 12). But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher models (Figures 5–8 and 10, 11), which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

According to Figure 13, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of Figures 5 to 12, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

According to Figure 15, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases.

Figure 15 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5 meters per second.

According to Figure 16, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher model, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

Figure 16 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5.1 meters per second.

According to Figure 17, it is clear that, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher models, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

Figure 17 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5.2 meters per second.

According to Figure 18, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher models, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

Figure 18 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5.3 meters per second.

According to Figure 19, it can be seen that the vegetation placed in front of the flow input velocity has negligible effect on the reduction of velocity, which of course can be justified due to the flexibility of the vegetation. The only unusual thing is the unexpected decrease in floor speed of 3 m/s compared to higher speeds.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)Figure 19 Comparison of velocity profiles with the same plant densities (depth 1 m). Comparison of velocity profiles with (a) plant densities of 25%, depth 1 m; (b) plant densities of 50%, depth 1 m; and (c) plant densities of 75%, depth 1 m.

According to Figure 20, by increasing the speed of vegetation, the effect of vegetation on reducing the flow rate becomes more noticeable. And the role of input current does not have much effect in reducing speed.
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)Figure 20 Comparison of velocity profiles with the same plant densities (depth 2 m). Comparison of velocity profiles with (a) plant densities of 25%, depth 2 m; (b) plant densities of 50%, depth 2 m; and (c) plant densities of 75%, depth 2 m.

According to Figure 21, it can be seen that, with increasing speed, the effect of vegetation on reducing the bed flow rate becomes more noticeable and the role of the input current does not have much effect. In general, it can be seen that, by increasing the speed of the input current, the slope of the profiles increases from the bed to the water surface and due to the fact that, in software, the roughness coefficient applies to the channel floor only in the boundary conditions, this can be perfectly justified. Of course, it can be noted that, due to the flexible conditions of the vegetation of the bed, this modeling can show acceptable results for such grasses in the canal floor. In the next directions, we may try application of swarm-based optimization methods for modeling and finding the most effective factors in this research [2, 7, 8, 15, 18, 89–94]. In future, we can also apply the simulation logic and software of this research for other domains such as power engineering [95–99].
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)Figure 21 Comparison of velocity profiles with the same plant densities (depth 3 m). Comparison of velocity profiles with (a) plant densities of 25%, depth 3 m; (b) plant densities of 50%, depth 3 m; and (c) plant densities of 75%, depth 3 m.

3. Conclusion

The effects of vegetation on the flood canal were investigated by numerical modeling with FLOW-3D software. After analyzing the results, the following conclusions were reached:(i)Increasing the density of vegetation reduces the velocity of the canal floor but has no effect on the velocity of the canal surface.(ii)Increasing the Froude number is directly related to increasing the speed of the canal floor.(iii)In the canal with a depth of one meter, a sudden increase in speed can be observed from the lowest speed and higher speed, which is justified by the sudden increase in Froude number.(iv)As the inlet flow rate increases, the slope of the profiles from the bed to the water surface increases.(v)By reducing the Froude number, the effect of vegetation on reducing the flow bed rate becomes more noticeable. And the input velocity in reducing the velocity of the canal floor does not have much effect.(vi)At a flow rate between 3 and 3.3 meters per second due to the shallow depth of the canal and the higher landing number a more critical area is observed in which the flow bed velocity in this area is between 2.86 and 3.1 m/s.(vii)Due to the critical flow velocity and the slight effect of the roughness of the horseshoe vortex floor, it is not visible and is only partially observed in models 1-2-3 and 21.(viii)As the flow rate increases, the effect of vegetation on the rate of bed reduction decreases.(ix)In conditions where less current intensity is passing, vegetation has a greater effect on reducing current intensity and energy consumption increases.(x)In the case of using the flow rate of 0.8 cubic meters per second, the velocity distribution and flow regime show about 20% more energy consumption than in the case of using the flow rate of 1.3 cubic meters per second.

Nomenclature

n:	Manning’s roughness coefficient
C:	Chézy roughness coefficient
f:	Darcy–Weisbach coefficient
V:	Flow velocity
R:	Hydraulic radius
g:	Gravitational acceleration
y:	Flow depth
Ks:	Bed roughness
A:	Constant coefficient
:	Reynolds number
∂y/∂x:	Depth of water change
S₀:	Slope of the canal floor
Sf:	Slope of energy line
Fr:	Froude number
D:	Characteristic length of the canal
G:	Mass acceleration
:	Shear stresses.

Data Availability

All data are included within the paper.

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no conflicts of interest.

Acknowledgments

This work was partially supported by the National Natural Science Foundation of China under Contract no. 71761030 and Natural Science Foundation of Inner Mongolia under Contract no. 2019LH07003.

References

H. Yu, L. Jie, W. Gui et al., “Dynamic Gaussian bare-bones fruit fly optimizers with abandonment mechanism: method and analysis,” Engineering with Computers, vol. 20, pp. 1–29, 2020.
X. Zhao, D. Li, B. Yang, C. Ma, Y. Zhu, and H. Chen, “Feature selection based on improved ant colony optimization for online detection of foreign fiber in cotton,” Applied Soft Computing, vol. 24, pp. 585–596, 2014.
J. Hu, H. Chen, A. A. Heidari et al., “Orthogonal learning covariance matrix for defects of grey wolf optimizer: insights, balance, diversity, and feature selection,” Knowledge-Based Systems, vol. 213, Article ID 106684, 2021.
C. Yu, M. Chen, K. Chen et al., “SGOA: annealing-behaved grasshopper optimizer for global tasks,” Engineering with Computers, vol. 4, pp. 1–28, 2021.
W. Shan, Z. Qiao, A. A. Heidari, H. Chen, H. Turabieh, and Y. Teng, “Double adaptive weights for stabilization of moth flame optimizer: balance analysis, engineering cases, and medical diagnosis,” Knowledge-Based Systems, vol. 8, Article ID 106728, 2020.
J. Tu, H. Chen, J. Liu et al., “Evolutionary biogeography-based whale optimization methods with communication structure: towards measuring the balance,” Knowledge-Based Systems, vol. 212, Article ID 106642, 2021
Y. Zhang, R. Liu, X. Wang et al., “Towards augmented kernel extreme learning models for bankruptcy prediction: algorithmic behavior and comprehensive analysis,” Neurocomputing, vol. 430, 2020.
H.-L. Chen, G. Wang, C. Ma, Z.-N. Cai, W.-B. Liu, and S.-J. Wang, “An efficient hybrid kernel extreme learning machine approach for early diagnosis of Parkinson׳s disease,” Neurocomputing, vol. 184, pp. 131–144, 2016.
J. Xia, H. Chen, Q. Li et al., “Ultrasound-based differentiation of malignant and benign thyroid Nodules: an extreme learning machine approach,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 147, pp. 37–49, 2017.
C. Li, L. Hou, B. Y. Sharma et al., “Developing a new intelligent system for the diagnosis of tuberculous pleural effusion,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 153, pp. 211–225, 2018.
X. Xu and H.-L. Chen, “Adaptive computational chemotaxis based on field in bacterial foraging optimization,” Soft Computing, vol. 18, no. 4, pp. 797–807, 2014.
M. Wang, H. Chen, B. Yang et al., “Toward an optimal kernel extreme learning machine using a chaotic moth-flame optimization strategy with applications in medical diagnoses,” Neurocomputing, vol. 267, pp. 69–84, 2017.
L. Chao, K. Zhang, Z. Li, Y. Zhu, J. Wang, and Z. Yu, “Geographically weighted regression based methods for merging satellite and gauge precipitation,” Journal of Hydrology, vol. 558, pp. 275–289, 2018.
F. J. Golrokh, G. Azeem, and A. Hasan, “Eco-efficiency evaluation in cement industries: DEA malmquist productivity index using optimization models,” ENG Transactions, vol. 1, 2020.
D. Zhao, L. Lei, F. Yu et al., “Chaotic random spare ant colony optimization for multi-threshold image segmentation of 2D Kapur entropy,” Knowledge-Based Systems, vol. 8, Article ID 106510, 2020.
Y. Zhang, R. Liu, X. Wang, H. Chen, and C. Li, “Boosted binary Harris hawks optimizer and feature selection,” Engineering with Computers, vol. 517, pp. 1–30, 2020.
L. Hu, G. Hong, J. Ma, X. Wang, and H. Chen, “An efficient machine learning approach for diagnosis of paraquat-poisoned patients,” Computers in Biology and Medicine, vol. 59, pp. 116–124, 2015.
L. Shen, H. Chen, Z. Yu et al., “Evolving support vector machines using fruit fly optimization for medical data classification,” Knowledge-Based Systems, vol. 96, pp. 61–75, 2016.
X. Zhao, X. Zhang, Z. Cai et al., “Chaos enhanced grey wolf optimization wrapped ELM for diagnosis of paraquat-poisoned patients,” Computational Biology and Chemistry, vol. 78, pp. 481–490, 2019.
Y. Xu, H. Chen, J. Luo, Q. Zhang, S. Jiao, and X. Zhang, “Enhanced Moth-flame optimizer with mutation strategy for global optimization,” Information Sciences, vol. 492, pp. 181–203, 2019.
M. Wang and H. Chen, “Chaotic multi-swarm whale optimizer boosted support vector machine for medical diagnosis,” Applied Soft Computing Journal, vol. 88, Article ID 105946, 2020.
Y. Chen, J. Li, H. Lu, and P. Yan, “Coupling system dynamics analysis and risk aversion programming for optimizing the mixed noise-driven shale gas-water supply chains,” Journal of Cleaner Production, vol. 278, Article ID 123209, 2020.
H. Tang, Y. Xu, A. Lin et al., “Predicting green consumption behaviors of students using efficient firefly grey wolf-assisted K-nearest neighbor classifiers,” IEEE Access, vol. 8, pp. 35546–35562, 2020.
H.-J. Ma and G.-H. Yang, “Adaptive fault tolerant control of cooperative heterogeneous systems with actuator faults and unreliable interconnections,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 61, no. 11, pp. 3240–3255, 2015.
H.-J. Ma and L.-X. Xu, “Decentralized adaptive fault-tolerant control for a class of strong interconnected nonlinear systems via graph theory,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 66, 2020.
H. J. Ma, L. X. Xu, and G. H. Yang, “Multiple environment integral reinforcement learning-based fault-tolerant control for affine nonlinear systems,” IEEE Transactions on Cybernetics, vol. 51, pp. 1–16, 2019.
J. Hu, M. Wang, C. Zhao, Q. Pan, and C. Du, “Formation control and collision avoidance for multi-UAV systems based on Voronoi partition,” Science China Technological Sciences, vol. 63, no. 1, pp. 65–72, 2020.
C. Zhang, H. Li, Y. Qian, C. Chen, and X. Zhou, “Locality-constrained discriminative matrix regression for robust face identification,” IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, vol. 99, pp. 1–15, 2020.
X. Zhang, D. Wang, Z. Zhou, and Y. Ma, “Robust low-rank tensor recovery with rectification and alignment,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 43, no. 1, pp. 238–255, 2019.
X. Zhang, J. Wang, T. Wang, R. Jiang, J. Xu, and L. Zhao, “Robust feature learning for adversarial defense via hierarchical feature alignment,” Information Sciences, vol. 560, 2020.
X. Zhang, R. Jiang, T. Wang, and J. Wang, “Recursive neural network for video deblurring,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 03, p. 1, 2020.
X. Zhang, T. Wang, J. Wang, G. Tang, and L. Zhao, “Pyramid channel-based feature attention network for image dehazing,” Computer Vision and Image Understanding, vol. 197-198, Article ID 103003, 2020.
X. Zhang, T. Wang, W. Luo, and P. Huang, “Multi-level fusion and attention-guided CNN for image dehazing,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 3, p. 1, 2020.
L. He, J. Shen, and Y. Zhang, “Ecological vulnerability assessment for ecological conservation and environmental management,” Journal of Environmental Management, vol. 206, pp. 1115–1125, 2018.
Y. Chen, W. Zheng, W. Li, and Y. Huang, “Large group Activity security risk assessment and risk early warning based on random forest algorithm,” Pattern Recognition Letters, vol. 144, pp. 1–5, 2021.
J. Hu, H. Zhang, Z. Li, C. Zhao, Z. Xu, and Q. Pan, “Object traversing by monocular UAV in outdoor environment,” Asian Journal of Control, vol. 25, 2020.:
P. Tian, H. Lu, W. Feng, Y. Guan, and Y. Xue, “Large decrease in streamflow and sediment load of Qinghai-Tibetan Plateau driven by future climate change: a case study in Lhasa River Basin,” Catena, vol. 187, Article ID 104340, 2020.
A. Stokes, C. Atger, A. G. Bengough, T. Fourcaud, and R. C. Sidle, “Desirable plant root traits for protecting natural and engineered slopes against landslides,” Plant and Soil, vol. 324, no. 1, pp. 1–30, 2009.
T. B. Devi, A. Sharma, and B. Kumar, “Studies on emergent flow over vegetative channel bed with downward seepage,” Hydrological Sciences Journal, vol. 62, no. 3, pp. 408–420, 2017.:
G. Ireland, M. Volpi, and G. Petropoulos, “Examining the capability of supervised machine learning classifiers in extracting flooded areas from Landsat TM imagery: a case study from a Mediterranean flood,” Remote Sensing, vol. 7, no. 3, pp. 3372–3399, 2015.
L. Goodarzi and S. Javadi, “Assessment of aquifer vulnerability using the DRASTIC model; a case study of the Dezful-Andimeshk Aquifer,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 17–22, 2016.:
K. Zhang, Q. Wang, L. Chao et al., “Ground observation-based analysis of soil moisture spatiotemporal variability across a humid to semi-humid transitional zone in China,” Journal of Hydrology, vol. 574, pp. 903–914, 2019.
L. De Doncker, P. Troch, R. Verhoeven, K. Bal, P. Meire, and J. Quintelier, “Determination of the Manning roughness coefficient influenced by vegetation in the river Aa and Biebrza river,” Environmental Fluid Mechanics, vol. 9, no. 5, pp. 549–567, 2009.
M. Fathi-Moghadam and K. Drikvandi, “Manning roughness coefficient for rivers and flood plains with non-submerged vegetation,” International Journal of Hydraulic Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 1–4, 2012.:
F.-C. Wu, H. W. Shen, and Y.-J. Chou, “Variation of roughness coefficients for unsubmerged and submerged vegetation,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 125, no. 9, pp. 934–942, 1999.
M. K. Wood, “Rangeland vegetation-hydrologic interactions,” in Vegetation Science Applications for Rangeland Analysis and Management, vol. 3, pp. 469–491, Springer, 1988.
C. Wilson, O. Yagci, H.-P. Rauch, and N. Olsen, “3D numerical modelling of a willow vegetated river/floodplain system,” Journal of Hydrology, vol. 327, no. 1-2, pp. 13–21, 2006.
R. Yazarloo, M. Khamehchian, and M. R. Nikoodel, “Observational-computational 3d engineering geological model and geotechnical characteristics of young sediments of golestan province,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 03, 2017.:
G. E. Freeman, W. H. Rahmeyer, and R. R. Copeland, “Determination of resistance due to shrubs and woody vegetation,” International Journal of River Basin Management, vol. 19, 2000.:
N. Kouwen and T. E. Unny, “Flexible roughness in open channels,” Journal of the Hydraulics Division, vol. 99, no. 5, pp. 713–728, 1973.
S. Hosseini and J. Abrishami, Open Channel Hydraulics, Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 2007.
C. S. James, A. L. Birkhead, A. A. Jordanova, and J. J. O’Sullivan, “Flow resistance of emergent vegetation,” Journal of Hydraulic Research, vol. 42, no. 4, pp. 390–398, 2004.
F. Huthoff and D. Augustijn, “Channel roughness in 1D steady uniform flow: Manning or Chézy?,,” NCR-days, vol. 102, 2004.:
M. S. Sabegh, M. Saneie, M. Habibi, A. A. Abbasi, and M. Ghadimkhani, “Experimental investigation on the effect of river bank tree planting array, on shear velocity,” Journal of Watershed Engineering and Management, vol. 2, no. 4, 2011.:
A. Errico, V. Pasquino, M. Maxwald, G. B. Chirico, L. Solari, and F. Preti, “The effect of flexible vegetation on flow in drainage channels: estimation of roughness coefficients at the real scale,” Ecological Engineering, vol. 120, pp. 411–421, 2018.
S. E. Darby, “Effect of riparian vegetation on flow resistance and flood potential,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 125, no. 5, pp. 443–454, 1999.
V. Kutija and H. Thi Minh Hong, “A numerical model for assessing the additional resistance to flow introduced by flexible vegetation,” Journal of Hydraulic Research, vol. 34, no. 1, pp. 99–114, 1996.
T. Fischer-Antze, T. Stoesser, P. Bates, and N. R. B. Olsen, “3D numerical modelling of open-channel flow with submerged vegetation,” Journal of Hydraulic Research, vol. 39, no. 3, pp. 303–310, 2001.
U. Stephan and D. Gutknecht, “Hydraulic resistance of submerged flexible vegetation,” Journal of Hydrology, vol. 269, no. 1-2, pp. 27–43, 2002.
F. G. Carollo, V. Ferro, and D. Termini, “Flow resistance law in channels with flexible submerged vegetation,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 131, no. 7, pp. 554–564, 2005.
W. Fu-sheng, “Flow resistance of flexible vegetation in open channel,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. S1, 2007.:
P.-f. Wang, C. Wang, and D. Z. Zhu, “Hydraulic resistance of submerged vegetation related to effective height,” Journal of Hydrodynamics, vol. 22, no. 2, pp. 265–273, 2010.
J. K. Lee, L. C. Roig, H. L. Jenter, and H. M. Visser, “Drag coefficients for modeling flow through emergent vegetation in the Florida Everglades,” Ecological Engineering, vol. 22, no. 4-5, pp. 237–248, 2004.
G. J. Arcement and V. R. Schneider, Guide for Selecting Manning’s Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains, US Government Printing Office, Washington, DC, USA, 1989.
Y. Ding and S. S. Y. Wang, “Identification of Manning’s roughness coefficients in channel network using adjoint analysis,” International Journal of Computational Fluid Dynamics, vol. 19, no. 1, pp. 3–13, 2005.
E. T. Engman, “Roughness coefficients for routing surface runoff,” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, vol. 112, no. 1, pp. 39–53, 1986.
M. Feizbahr, C. Kok Keong, F. Rostami, and M. Shahrokhi, “Wave energy dissipation using perforated and non perforated piles,” International Journal of Engineering, vol. 31, no. 2, pp. 212–219, 2018.
M. Farzadkhoo, A. Keshavarzi, H. Hamidifar, and M. Javan, “Sudden pollutant discharge in vegetated compound meandering rivers,” Catena, vol. 182, Article ID 104155, 2019.
V. T. Chow, Open-channel Hydraulics, Mcgraw-Hill Civil Engineering Series, Chennai, TN, India, 1959.
X. Zhang, R. Jing, Z. Li, Z. Li, X. Chen, and C.-Y. Su, “Adaptive pseudo inverse control for a class of nonlinear asymmetric and saturated nonlinear hysteretic systems,” IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 8, no. 4, pp. 916–928, 2020.:
C. Zuo, Q. Chen, L. Tian, L. Waller, and A. Asundi, “Transport of intensity phase retrieval and computational imaging for partially coherent fields: the phase space perspective,” Optics and Lasers in Engineering, vol. 71, pp. 20–32, 2015.
C. Zuo, J. Sun, J. Li, J. Zhang, A. Asundi, and Q. Chen, “High-resolution transport-of-intensity quantitative phase microscopy with annular illumination,” Scientific Reports, vol. 7, no. 1, pp. 7654–7722, 2017.
B.-H. Li, Y. Liu, A.-M. Zhang, W.-H. Wang, and S. Wan, “A survey on blocking technology of entity resolution,” Journal of Computer Science and Technology, vol. 35, no. 4, pp. 769–793, 2020.
Y. Liu, B. Zhang, Y. Feng et al., “Development of 340-GHz transceiver front end based on GaAs monolithic integration technology for THz active imaging array,” Applied Sciences, vol. 10, no. 21, p. 7924, 2020.
J. Hu, H. Zhang, L. Liu, X. Zhu, C. Zhao, and Q. Pan, “Convergent multiagent formation control with collision avoidance,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 36, no. 6, pp. 1805–1818, 2020.
M. B. Movahhed, J. Ayoubinejad, F. N. Asl, and M. Feizbahr, “The effect of rain on pedestrians crossing speed,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 6, no. 3, 2020.:
A. Li, D. Spano, J. Krivochiza et al., “A tutorial on interference exploitation via symbol-level precoding: overview, state-of-the-art and future directions,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 22, no. 2, pp. 796–839, 2020.
W. Zhu, C. Ma, X. Zhao et al., “Evaluation of sino foreign cooperative education project using orthogonal sine cosine optimized kernel extreme learning machine,” IEEE Access, vol. 8, pp. 61107–61123, 2020.
G. Liu, W. Jia, M. Wang et al., “Predicting cervical hyperextension injury: a covariance guided sine cosine support vector machine,” IEEE Access, vol. 8, pp. 46895–46908, 2020.
Y. Wei, H. Lv, M. Chen et al., “Predicting entrepreneurial intention of students: an extreme learning machine with Gaussian barebone harris hawks optimizer,” IEEE Access, vol. 8, pp. 76841–76855, 2020.
A. Lin, Q. Wu, A. A. Heidari et al., “Predicting intentions of students for master programs using a chaos-induced sine cosine-based fuzzy K-Nearest neighbor classifier,” Ieee Access, vol. 7, pp. 67235–67248, 2019.
Y. Fan, P. Wang, A. A. Heidari et al., “Rationalized fruit fly optimization with sine cosine algorithm: a comprehensive analysis,” Expert Systems with Applications, vol. 157, Article ID 113486, 2020.
E. Rodríguez-Esparza, L. A. Zanella-Calzada, D. Oliva et al., “An efficient Harris hawks-inspired image segmentation method,” Expert Systems with Applications, vol. 155, Article ID 113428, 2020.
S. Jiao, G. Chong, C. Huang et al., “Orthogonally adapted Harris hawks optimization for parameter estimation of photovoltaic models,” Energy, vol. 203, Article ID 117804, 2020.
Z. Xu, Z. Hu, A. A. Heidari et al., “Orthogonally-designed adapted grasshopper optimization: a comprehensive analysis,” Expert Systems with Applications, vol. 150, Article ID 113282, 2020.
A. Abbassi, R. Abbassi, A. A. Heidari et al., “Parameters identification of photovoltaic cell models using enhanced exploratory salp chains-based approach,” Energy, vol. 198, Article ID 117333, 2020.
M. Mahmoodi and K. K. Aminjan, “Numerical simulation of flow through sukhoi 24 air inlet,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 03, 2017.:
F. J. Golrokh and A. Hasan, “A comparison of machine learning clustering algorithms based on the DEA optimization approach for pharmaceutical companies in developing countries,” ENG Transactions, vol. 1, 2020.:
H. Chen, A. A. Heidari, H. Chen, M. Wang, Z. Pan, and A. H. Gandomi, “Multi-population differential evolution-assisted Harris hawks optimization: framework and case studies,” Future Generation Computer Systems, vol. 111, pp. 175–198, 2020.
J. Guo, H. Zheng, B. Li, and G.-Z. Fu, “Bayesian hierarchical model-based information fusion for degradation analysis considering non-competing relationship,” IEEE Access, vol. 7, pp. 175222–175227, 2019.
J. Guo, H. Zheng, B. Li, and G.-Z. Fu, “A Bayesian approach for degradation analysis with individual differences,” IEEE Access, vol. 7, pp. 175033–175040, 2019.
M. M. A. Malakoutian, Y. Malakoutian, P. Mostafapour, and S. Z. D. Abed, “Prediction for monthly rainfall of six meteorological regions and TRNC (case study: north Cyprus),” ENG Transactions, vol. 2, no. 2, 2021.:
H. Arslan, M. Ranjbar, and Z. Mutlum, “Maximum sound transmission loss in multi-chamber reactive silencers: are two chambers enough?,,” ENG Transactions, vol. 2, no. 1, 2021.:
N. Tonekaboni, M. Feizbahr, N. Tonekaboni, G.-J. Jiang, and H.-X. Chen, “Optimization of solar CCHP systems with collector enhanced by porous media and nanofluid,” Mathematical Problems in Engineering, vol. 2021, Article ID 9984840, 12 pages, 2021.
Z. Niu, B. Zhang, J. Wang et al., “The research on 220GHz multicarrier high-speed communication system,” China Communications, vol. 17, no. 3, pp. 131–139, 2020.
B. Zhang, Z. Niu, J. Wang et al., “Four‐hundred gigahertz broadband multi‐branch waveguide coupler,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 14, no. 11, pp. 1175–1179, 2020.
Z.-Q. Niu, L. Yang, B. Zhang et al., “A mechanical reliability study of 3dB waveguide hybrid couplers in the submillimeter and terahertz band,” Journal of Zhejiang University Science, vol. 1, no. 1, 1998.
B. Zhang, D. Ji, D. Fang, S. Liang, Y. Fan, and X. Chen, “A novel 220-GHz GaN diode on-chip tripler with high driven power,” IEEE Electron Device Letters, vol. 40, no. 5, pp. 780–783, 2019.
M. Taleghani and A. Taleghani, “Identification and ranking of factors affecting the implementation of knowledge management engineering based on TOPSIS technique,” ENG Transactions, vol. 1, no. 1, 2020.

A 3-D numerical simulation of the characteristics of open channel flows with submerged rigid vegetation

수중 강성 식생이 있는 개방 수로 흐름의 특성에 대한 3차원 수치 시뮬레이션

Journal of Hydrodynamics (2021)Cite this article

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Abstract

이 논문은 FLOW-3D를 적용하여 다양한 흐름 배출 및 식생 시나리오가 유속(종방향, 횡방향 및 수직 속도 포함)에 미치는 영향을 조사합니다.

실험적 측정을 통한 검증 후 식생직경, 식생높이, 유출량에 대한 민감도 분석을 수행하였습니다. 종방향 속도의 경우 흐름 구조에 대한 가장 큰 영향은 배출보다는 식생 직경에서 비롯됩니다.

그러나 식생 높이는 수직 분포의 변곡점을 결정합니다. 식생 지역, 즉 상류와 하류의 두 위치에서 횡단 속도를 비교하면 수심을 따라 대칭 패턴이 식별됩니다. 식생 지역의 횡단 및 수직 유체 순환 패턴을 포함하여 흐름 또는 식생 시나리오에 관계없이 수직 속도에서도 동일한 패턴이 관찰됩니다.

또한 식생 직경이 클수록 이러한 패턴이 더 분명해집니다. 상부 순환은 식생 캐노피 근처에서 발생합니다. 식생 지역의 가로 세로 방향 순환에 관한 이러한 발견은 수중 식생을 통한 3차원 흐름 구조를 밝혀줍니다.

This paper applies the Flow-3D to investigate the impacts of different flow discharge and vegetation scenarios on the flow velocity (including the longitudinal, transverse and vertical velocities). After the verification by using experimental measurements, a sensitivity analysis is conducted for the vegetation diameter, the vegetation height and the flow discharge. For the longitudinal velocity, the greatest impact on the flow structure originates from the vegetation diameter, rather than the discharge. The vegetation height, however, determines the inflection point of the vertical distribution. Comparing the transverse velocities at two positions in the vegetated area, i.e., the upstream and the downstream, a symmetric pattern is identified along the water depth. The same pattern is also observed for the vertical velocity regardless of the flow or vegetation scenario, including both transverse and vertical fluid circulation patterns in the vegetated area. Moreover, the larger the vegetation diameter is, the more evident these patterns become. The upper circulation occurs near the vegetation canopy. These findings regarding the circulations along the transverse and vertical directions in the vegetated region shed light on the 3-D flow structure through the submerged vegetation.

Key words

Submerged rigid vegetation
longitudinal velocity
transverse velocity
vertical velocity

References

[1]Angelina A., Jordanova C. S. J. Experimental study of bed load transport through emergent vegetation [J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 2003, 129(6): 474–478.Article Google Scholar
[2]Li Y., Wang Y., Anim D. O. et al. Flow characteristics in different densities of submerged flexible vegetation from an open-channel flume study of artificial plants [J]. Geomorphology, 2014, 204: 314–324.Article Google Scholar
[3]Bai F., Yang Z., Huai W. et al. A depth-averaged two dimensional shallow water model to simulate flow-rigid vegetation interactions [J]. Procedia Engineering, 2016, 154: 482–489.Article Google Scholar
[4]Huai W. X., Song S., Han J. et al. Prediction of velocity distribution in straight open-channel flow with partial vegetation by singular perturbation method [J]. Applied Mathematics and Mechanics (Engilsh Editon), 2016, 37(10): 1315–1324.MathSciNet Article Google Scholar
[5]Wang P. F., Wang C. Numerical model for flow through submerged vegetation regions in a shallow lake [J]. Journal of Hydrodynamics, 2011, 23(2): 170–178.Article Google Scholar
[6]Wang W. J., Cui X. Y., Dong F. et al. Predictions of bulk velocity for open channel flow through submerged vegetation [J]. Journal of Hydrodynamics, 2020, 32(4): 795–799.Article Google Scholar
[7]Zhang M., Li C. W., Shen Y. Depth-averaged modeling of free surface flows in open channels with emerged and submerged vegetation [J]. Applied Mathematical Modelling, 2013, 37(1–2): 540–553.MathSciNet Article Google Scholar
[8]Huai W., Wang W., Hu Y. et al. Analytical model of the mean velocity distribution in an open channel with double-layered rigid vegetation [J]. Advances in Water Resources, 2014, 69: 106–113.Article Google Scholar
[9]Panigrahi K., Khatua K. K. Prediction of velocity distribution in straight channel with rigid vegetation [J]. Aquatic Procedia, 2015, 4: 819–825.Article Google Scholar
[10]Huai W. X., Zeng Y. H., Xu Z. G. et al. Three-layer model for vertical velocity distribution in open channel flow with submerged rigid vegetation [J]. Advances in Water Resources, 2009, 32(4): 487–492.Article Google Scholar
[11]Chen S. C., Kuo Y. M., Li Y. H. Flow characteristics within different configurations of submerged flexible vegetation [J]. Journal of Hydrology, 2011, 398(1–2): 124–134.Article Google Scholar
[12]Yagci O., Tschiesche U., Kabdasli M. S. The role of different forms of natural riparian vegetation on turbulence and kinetic energy characteristics [J]. Advances in Water Resources, 2010, 33(5): 601–614.Article Google Scholar
[13]Wu F. S. Characteristics of flow resistance in open channels with non-submerged rigid vegetation [J]. Journal of Hydrodynamics, 2008, 20(2): 239–245.Article Google Scholar
[14]Huai W., Hu Y., Zeng Y. et al. Velocity distribution for open channel flows with suspended vegetation [J]. Advances in Water Resources, 2012, 49: 56–61.Article Google Scholar
[15]Pu J. H., Hussain A., Guo Y. K. et al. Submerged flexible vegetation impact on open channel flow velocity distribution: An analytical modelling study on drag and friction [J]. Water Science and Engineering, 2019, 12(2): 121–128.Article Google Scholar
[16]Zhang M. L., Li C. W., Shen Y. M. A 3D non-linear k-ε turbulent model for prediction of flow and mass transport in channel with vegetation [J]. Applied Mathematical Modelling, 2010, 34(4): 1021–1031.MathSciNet Article Google Scholar
[17]Anjum N., Tanaka N. Numerical investigation of velocity distribution of turbulent flow through vertically double-layered vegetation [J]. Water Science and Engineering, 2019, 12(4): 319–329.Article Google Scholar
[18]Wang W., Huai W. X., Gao M. Numerical investigation of flow through vegetated multi-stage compound channel [J]. Journal of Hydrodynamics, 2014, 26(3): 467–473.Article Google Scholar
[19]Ghani U., Anjum N., Pasha G. A. et al. Numerical investigation of the flow characteristics through discontinuous and layered vegetation patches of finite width in an open channel [J]. Environmental Fluid Mechanics, 2019, 19(6): 1469–1495.Article Google Scholar
[20]Aydin M. C., Emiroglu M. E. Determination of capacity of labyrinth side weir by CFD [J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2013, 29: 1–8.Article Google Scholar
[21]Hao W. L., Wu W. Q., Zhu C. J. et al. Experimental study on vertical distribution of flow velocity in vegetated river channel [J]. Water Resources and Power, 2015, 33(2): 85–88(in Chinese).Google Scholar
[22]Pietri L., Petroff A., Amielh M. et al. Turbulent flows interacting with varying density canopies [J]. Mécanique and Industries, 2009, 10(3–4): 181–185.Article Google Scholar
[23]Li Y., Du W., Yu Z. et al. Impact of flexible emergent vegetation on the flow turbulence and kinetic energy characteristics in a flume experiment [J]. Journal of Hydro-environment Research, 2015, 9(3): 354–367.Article Google Scholar
[24]Li W. Q., Wang D., Jiao J. L. et al. Effects of vegetation patch density on flow velocity characteristics in an open channel [J]. Journal of Hydrodynamics, 2018, 31(5): 1052–1059.Article Google Scholar
[25]Langre E. D., Gutierrez A., Cossé J. On the scaling of drag reduction by reconfiguration in plants [J]. Comptes Rendus Mécanique, 2012, 340(1–2): 35–40.Article Google Scholar
[26]Fathi-Maghadam M., Kouwen N. Nonrigid, nonsubmerged, vegetative roughness on floodplains [J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1997, 123(1): 51–57.Article Google Scholar
[27]Liang D., Wu X. A random walk simulation of scalar mixing in flows through submerged vegetations [J]. Journal of Hydrodynamics, 2014, 26(3): 343–350.MathSciNet Article Google Scholar
[28]Ghisalberti M., Nepf H. Mass transport in vegetated shear flows [J]. Environmental Fluid Mechanics, 2005, 5(6): 527–551.

PDF View DOI

Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of（a）700 μm,（b）1000 μm, and（c）1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively

추가 생산용 전자빔 조사에 의한 316L 스테인리스 용융 · 응고 거동

Melting and Solidification Behavior of 316L Steel Induced by Electron-Beam Irradiation for Additive Manufacturing

付加製造用電子ビーム照射による 316L ステンレス鋼の溶融・凝固挙動

奥川将行＊・宮田雄一朗＊・王　　雷＊・能勢和史＊
小泉雄一郎＊・中野貴由＊
Masayuki OKUGAWA, Yuichiro MIYATA, Lei WANG, Kazufumi NOSE,
Yuichiro KOIZUMI and Takayoshi NAKANO

Abstract

적층 제조(AM) 기술은 복잡한 형상의 3D 부품을 쉽게 만들고 미세 구조 제어를 통해 재료 특성을 크게 제어할 수 있기 때문에 많은 관심을 받았습니다. PBF(Powderbed fusion) 방식의 AM 공정에서는 금속 분말을 레이저나 전자빔으로 녹이고 응고시키는 과정을 반복하여 3D 부품을 제작합니다.

일반적으로 응고 미세구조는 Hunt[Mater. 과학. 영어 65, 75(1984)]. 그러나 CET 이론이 일반 316L 스테인리스강에서도 높은 G와 R로 인해 PBF형 AM 공정에 적용될 수 있을지는 불확실하다.

본 연구에서는 미세구조와 응고 조건 간의 관계를 밝히기 위해 전자빔 조사에 의해 유도된 316L 강의 응고 미세구조를 분석하고 CtFD(Computational Thermal-Fluid Dynamics) 방법을 사용하여 고체/액체 계면에서의 응고 조건을 평가했습니다.

CET 이론과 반대로 높은 G 조건에서 등축 결정립이 종종 형성되는 것으로 밝혀졌다. CtFD 시뮬레이션은 약 400 mm s-1의 속도까지 유체 흐름이 있음을 보여 주며 수상 돌기의 파편 및 이동의 영향으로 등축 결정립이 형성됨을 시사했습니다.

Additive manufacturing（AM）technologies have attracted much attention because it enables us to build 3D parts with complicated geometry easily and control material properties significantly via the control of microstructures. In the powderbed fusion（PBF）type AM process, 3D parts are fabricated by repeating a process of melting and solidifying metal powders by laser or electron beams. In general, the solidification microstructures can be predicted from solidification conditions defined by the combination of temperature gradient G and solidification rate R on the basis of columnar-equiaxed transition（CET）theory proposed by Hunt [Mater. Sci. Eng. 65, 75（1984）]. However, it is unclear whether the CET theory can be applied to the PBF type AM process because of the high G and R, even for general 316L stainless steel. In this study, to reveal relationships between microstructures and solidification conditions, we have analyzed solidification microstructures of 316L steel induced by electronbeam irradiation and evaluated solidification conditions at the solid/liquid interface using a computational thermal-fluid dynamics （CtFD）method. It was found that equiaxed grains were often formed under high G conditions contrary to the CET theory. CtFD simulation revealed that there is a fluid flow up to a velocity of about 400 mm s-1, and suggested that equiaxed grains are formed owing to the effect of fragmentations and migrations of dendrites.

Keywords

Additive Manufacturing, 316L Stainless Steel, Powder Bed Fusion, Electron Beam Melting, Computational Thermal
Fluid Dynamics Simulation

Fig. 1 Width, height, and height differences calculated from laser microscope analysis of melt tracks formed by scanning electron beam. Fig. 2（a）Scanning electron microscope（SEM）image and（b） corresponding electron back-scattering diffraction（EBSD） IPF-map taken from the electron-beam irradiated region in P900-V100 sample. Fig. 3 Average grain size and their aspect ratio calculated from EBSD IPF-map taken from the electron-beam irradiated region.

Fig. 4 Comparison of experimental SEM image and computational thermal fluid dynamics（CtFD）simulated melt pool with a beam diameter of 700 μm and absorption rates of（a）0.3,（b）0.5, and （c）0.7. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively.

Fig. 6 Depth of melt tracks calculated from experimental SEM image and CtFD simulation results.

Fig. 7 G-R plots of 316L steel colored by（a）aspect ratio of crystalline grains and（b）fluid velocity.

Fig. 8 Comparison of solidification microstructure（EBSD IPF-map）of melt region formed by scanning electron beam and corresponding snap shot of CtFD simulation colored by fluid velocity

References

1） M.C. Sow, T. De Terris, O. Castelnau, Z. Hamouche, F. Coste, R.
Fabbro and P. Peyre: “Influence of beam diameter on Laser Powder

Bed Fusion（L-PBF）process”, Addit. Manuf. 36（2020）, 101532.
2） J.C. Simmons, X. Chen, A. Azizi, M.A. Daeumer, P.Y. Zavalij, G.
Zhou and S.N. Schiffres: “Influence of processing and microstructure
on the local and bulk thermal conductivity of selective laser melted
316L stainless steel”, Addit. Manuf. 32（2020）, 100996.
3） S. Dryepondt, P. Nandwana, P. Fernandez-Zelaia and F. List:
“Microstructure and High Temperature Tensile properties of 316L
Fabricated by Laser Powder-Bed Fusion”, Addit. Manuf. 37（2020）,
101723.
4） S.H. Sun, T. Ishimoto, K. Hagihara, Y. Tsutsumi, T. Hanawa and T.
Nakano: “Excellent mechanical and corrosion properties of austenitic
stainless steel with a unique crystallographic lamellar microstructure
via selective laser melting”, Scr. Mater. 159（2019）, 89-93.
5） T. Ishimoto, S. Wu, Y. Ito, S.H. Sun, H. Amano and T. Nakano:
“Crystallographic orientation control of 316L austenitic stainless
steel via selective laser melting”, ISIJ Int. 60（2020）, 1758-1764.
6） T. Ishimoto, K. Hagihara, K. Hisamoto, S.H. Sun and T. Nakano:
“Crystallographic texture control of beta-type Ti-15Mo-5Zr3Al alloy by selective laser melting for the development of novel
implants with a biocompatible low Young’s modulus”, Scr. Mater.
132（2017）, 34-38.
7） X. Ding, Y. Koizumi, D. Wei and A. Chiba: “Effect of process
parameters on melt pool geometry and microstructure development
for electron beam melting of IN718: A systematic single bead
analysis study”, Addit. Manuf. 26（2019）, 215-226.
8） K. Karayagiz, L. Johnson, R. Seede, V. Attari, B. Zhang, X. Huang,
S. Ghosh, T. Duong, I. Karaman, A. Elwany and R. Arróyave: “Finite
interface dissipation phase field modeling of Ni-Nb under additive
manufacturing conditions”, Acta Mater. 185（2020）, 320-339.
9） M.M. Kirka, Y. Lee, D.A. Greeley, A. Okello, M.J. Goin, M.T.
Pearce and R.R. Dehoff: “Strategy for Texture Management in
Metals Additive Manufacturing”, JOM, 69（2017）, 523-531.
10） S.S. Babu, N. Raghavan, J. Raplee, S.J. Foster, C. Frederick, M.
Haines, R. Dinwiddie, M.K. Kirka, A. Plotkowski, Y. Lee and
R.R. Dehoff: “Additive Manufacturing of Nickel Superalloys:
Opportunities for Innovation and Challenges Related to
Qualification”, Metall. Mater. Trans. A. 49（2018）, 3764-3780.
11） M.R. Gotterbarm, A.M. Rausch and C. Körner: “Fabrication of
Single Crystals through a μ-Helix Grain Selection Process during
Electron Beam Metal Additive Manufacturing”, Metals, 10（2020）,
313.
12） J.D.D. Hunt: “Steady state columnar and equiaxed growth of
dendrites and eutectic”, Mater. Sci. Eng. 65（1984）, 75-83.
13） S. Bontha, N.W. Klingbeil, P.A. Kobryn and H.L. Fraser: “Effects of
process variables and size-scale on solidification microstructure in
beam-based fabrication of bulky 3D structures”, Mater. Sci. Eng. A.
513-514（2009）, 311-318.
14） J. Gockel and J. Beuth: “Understanding Ti-6Al-4V microstructure
control in additive manufacturing via process maps”, 24th Int. SFF
Symp. – An Addit. Manuf. Conf. SFF 2013.（2013）, 666-674.
15） B. Schoinochoritis, D. Chantzis and K. Salonitis: “Simulation of
metallic powder bed additive manufacturing processes with the finite
element method: A critical review”, Proc. of Instit. Mech. Eng., Part
B: J. Eng. Manuf. 231（2017）, 96-117.
16）小泉雄一郎: “計算機シミュレーションを用いたAdditive
Manufacturing プロセス最適化予測”, スマートプロセス学会誌，
8-4（2019）, 132-138.
17） Y. Zhao, Y. Koizumi, K. Aoyagi, D. Wei, K. Yamanaka and A. Chiba:
“Molten pool behavior and effect of fluid flow on solidification
conditions in selective electron beam melting（SEBM）of a
biomedical Co-Cr-Mo alloy”, Addit. Manuf. 26（2019）, 202-214.
18） C. Tang, J.L. Tan and C.H. Wong: “A numerical investigation on
the physical mechanisms of single track defects in selective laser
melting”, Int. J. Heat Mass Transf. 126（2018）, 957-968.
19） Technical data for Iron, [Online]. Available: http://periodictable.com/
Elements/026/data.html. [Accessed: 8-Feb-2021].
20） N. Raghavan, R. Dehoff, S. Pannala, S. Simunovic, M. Kirka, J.
Turner, N. Carl-son and S.S. Babu: “Numerical modeling of heattransfer and the influence of process parameters on tailoring the grain
morphology of IN718 in electron beam additive manufacturing”,
Acta Mater. 112（2016）, 303-314.
21） S. Morita, Y. Miki and K. Toishi: “Introduction of Dendrite
Fragmentation to Microstructure Calculation by Cellular Automaton
Method”, Tetsu-to-Hagane. 104（2018）, 559-566.
22） H. Esaka and M. Tamura: “Model Experiment Using Succinonitrile
on the Formation of Equiaxed Grains caused by Forced Convection”,
Tetsu-to-Hagane. 86（2000）, 252-258.

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Numerical study of the dam-break waves and Favre waves down sloped wet rigid-bed at laboratory scale

WenjunLiu^aBoWang^bYakunGuo^c

^aState Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu, 610065, China

^bState Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, College Of Water Resource and Hydropower, Chengdu, 610065, China

^cfaculty of Engineering & Informatics, University of Bradford, BD7 1DP, UK

Abstract

The bed slope and the tailwater depth are two important ones among the factors that affect the propagation of the dam-break flood and Favre waves. Most previous studies have only focused on the macroscopic characteristics of the dam-break flows or Favre waves under the condition of horizontal bed, rather than the internal movement characteristics in sloped channel. The present study applies two numerical models, namely, large eddy simulation (LES) and shallow water equations (SWEs) models embedded in the CFD software package FLOW-3D to analyze the internal movement characteristics of the dam-break flows and Favre waves, such as water level, the velocity distribution, the fluid particles acceleration and the bed shear stress, under the different bed slopes and water depth ratios. The results under the conditions considered in this study show that there is a flow state transition in the flow evolution for the steep bed slope even in water depth ratio α = 0.1 (α is the ratio of the tailwater depth to the reservoir water depth). The flow state transition shows that the wavefront changes from a breaking state to undular. Such flow transition is not observed for the horizontal slope and mild bed slope. The existence of the Favre waves leads to a significant increase of the vertical velocity and the vertical acceleration. In this situation, the SWEs model has poor prediction. Analysis reveals that the variation of the maximum bed shear stress is affected by both the bed slope and tailwater depth. Under the same bed slope (e.g., S₀ = 0.02), the maximum bed shear stress position develops downstream of the dam when α = 0.1, while it develops towards the end of the reservoir when α = 0.7. For the same water depth ratio (e.g., α = 0.7), the maximum bed shear stress position always locates within the reservoir at S₀ = 0.02, while it appears in the downstream of the dam for S₀ = 0 and 0.003 after the flow evolves for a while. The comparison between the numerical simulation and experimental measurements shows that the LES model can predict the internal movement characteristics with satisfactory accuracy. This study improves the understanding of the effect of both the bed slope and the tailwater depth on the internal movement characteristics of the dam-break flows and Favre waves, which also provides a valuable reference for determining the flood embankment height and designing the channel bed anti-scouring facility.

댐붕괴 홍수와 파브르 파도의 전파에 영향을 미치는 요인 중 하상경사와 후미수심은 두 가지 중요한 요소이다. 대부분의 선행 연구들은 경사 수로에서의 내부 이동 특성보다는 수평층 조건에서 댐파괴류나 Favre파동의 거시적 특성에만 초점을 맞추었다.

본 연구에서는 CFD 소프트웨어 패키지 FLOW-3D에 내장된 LES(Large Eddy Simulation) 및 SWE(Shallow Water Equation) 모델의 두 가지 수치 모델을 적용하여 댐-파괴 흐름 및 Favre 파도의 내부 이동 특성을 분석합니다.

수위, 속도 분포, 유체 입자 가속도 및 층 전단 응력, 다양한 층 경사 및 수심 비율로. 본 연구에서 고려한 조건하의 결과는 수심비 α = 0.1(α는 저수지 수심에 대한 tailwater 깊이의 비율)에서도 급경사면에 대한 유동상태 전이가 있음을 보여준다. 유동 상태 전이는 파면이 파단 상태에서 비정형으로 변하는 것을 보여줍니다.

수평 경사와 완만한 바닥 경사에서는 이러한 흐름 전이가 관찰되지 않습니다. Favre 파의 존재는 수직 속도와 수직 가속도의 상당한 증가로 이어집니다. 이 상황에서 SWE 모델은 예측이 좋지 않습니다.

분석에 따르면 최대 바닥 전단 응력의 변화는 바닥 경사와 꼬리 수심 모두에 영향을 받습니다. 동일한 바닥 경사(예: S0 = 0.02)에서 최대 바닥 전단 응력 위치는 α = 0.1일 때 댐의 하류에서 발생하고 α = 0.7일 때 저수지의 끝쪽으로 발생합니다.

동일한 수심비(예: α = 0.7)에 대해 최대 바닥 전단 응력 위치는 항상 S0 = 0.02에서 저수지 내에 위치하는 반면, S0 = 0 및 0.003에 대해 흐름이 진화한 후 댐 하류에 나타납니다. 수치적 시뮬레이션과 실험적 측정을 비교한 결과 LES 모델이 내부 움직임 특성을 만족스러운 정확도로 예측할 수 있음을 알 수 있습니다.

본 연구는 댐 파절류 및 Favre파의 내부 이동 특성에 대한 하상 경사 및 후미 수심의 영향에 대한 이해를 향상 시키며, 이는 또한 제방 높이를 결정하고 수로 저반위 설계를 위한 귀중한 참고자료를 제공한다.

Keywords

Figure Numerical study of the dam-break waves and Favre waves down sloped wet rigid-bed at laboratory scale

전체 원문 보기

Dam-break flow, Bed slope, Wet bed, Velocity profile, Bed shear stress, Large eddy simulation
댐파괴유동, 하상경사, 습상, 유속분포, 하상전단응력, 대와류 시뮬레이션

Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump

낮은 레이놀즈 수 유압 점프의 수치 모델링에서 OpenFOAM 및 FLOW-3D의 성능 평가

ArnauBayon^a DanielValero^b RafaelGarcía-Bartual^a Francisco JoséVallés-Morán^a P. AmparoLópez-Jiménez^a

Abstract

A comparative performance analysis of the CFD platforms OpenFOAM and FLOW-3D is presented, focusing on a 3D swirling turbulent flow: a steady hydraulic jump at low Reynolds number. Turbulence is treated using RANS approach RNG k-ε. A Volume Of Fluid (VOF) method is used to track the air–water interface, consequently aeration is modeled using an Eulerian–Eulerian approach. Structured meshes of cubic elements are used to discretize the channel geometry. The numerical model accuracy is assessed comparing representative hydraulic jump variables (sequent depth ratio, roller length, mean velocity profiles, velocity decay or free surface profile) to experimental data. The model results are also compared to previous studies to broaden the result validation. Both codes reproduced the phenomenon under study concurring with experimental data, although special care must be taken when swirling flows occur. Both models can be used to reproduce the hydraulic performance of energy dissipation structures at low Reynolds numbers.

CFD 플랫폼 OpenFOAM 및 FLOW-3D의 비교 성능 분석이 3D 소용돌이치는 난류인 낮은 레이놀즈 수에서 안정적인 유압 점프에 초점을 맞춰 제시됩니다. 난류는 RANS 접근법 RNG k-ε을 사용하여 처리됩니다.

VOF(Volume Of Fluid) 방법은 공기-물 계면을 추적하는 데 사용되며 결과적으로 Eulerian-Eulerian 접근 방식을 사용하여 폭기가 모델링됩니다. 입방체 요소의 구조화된 메쉬는 채널 형상을 이산화하는 데 사용됩니다. 수치 모델 정확도는 대표적인 유압 점프 변수(연속 깊이 비율, 롤러 길이, 평균 속도 프로파일, 속도 감쇠 또는 자유 표면 프로파일)를 실험 데이터와 비교하여 평가됩니다.

모델 결과는 또한 결과 검증을 확장하기 위해 이전 연구와 비교됩니다. 소용돌이 흐름이 발생할 때 특별한 주의가 필요하지만 두 코드 모두 실험 데이터와 일치하는 연구 중인 현상을 재현했습니다. 두 모델 모두 낮은 레이놀즈 수에서 에너지 소산 구조의 수리 성능을 재현하는 데 사용할 수 있습니다.

Keywords

CFDRANS, OpenFOAM, FLOW-3D ,Hydraulic jump, Air–water flow, Low Reynolds number

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References

Ahmed, F., Rajaratnam, N., 1997. Three-dimensional turbulent boundary layers: a
review. J. Hydraulic Res. 35 (1), 81e98.
Ashgriz, N., Poo, J., 1991. FLAIR: Flux line-segment model for advection and interface
reconstruction. Elsevier J. Comput. Phys. 93 (2), 449e468.
Bakhmeteff, B.A., Matzke, A.E., 1936. .The hydraulic jump in terms dynamic similarity. ASCE Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 101 (1), 630e647.
Balachandar, S., Eaton, J.K., 2010. Turbulent dispersed multiphase flow. Annu. Rev.
Fluid Mech. 42 (2010), 111e133.
Bayon, A., Lopez-Jimenez, P.A., 2015. Numerical analysis of hydraulic jumps using

OpenFOAM. J. Hydroinformatics 17 (4), 662e678.
Belanger, J., 1841. Notes surl’Hydraulique, Ecole Royale des Ponts et Chaussees
(Paris, France).
Bennett, N.D., Crok, B.F.W., Guariso, G., Guillaume, J.H.A., Hamilton, S.H.,
Jakeman, A.J., Marsili-Libelli, S., Newhama, L.T.H., Norton, J.P., Perrin, C.,
Pierce, S.A., Robson, B., Seppelt, R., Voinov, A.A., Fath, B.D., Andreassian, V., 2013.
Characterising performance of environmental models. Environ. Model. Softw.
40, 1e20.
Berberovic, E., 2010. Investigation of Free-surface Flow Associated with Drop
Impact: Numerical Simulations and Theoretical Modeling. Imperial College of
Science, Technology and Medicine, UK.
Bidone, G., 1819. Report to Academie Royale des Sciences de Turin, s eance. Le
Remou et sur la Propagation des Ondes, 12, pp. 21e112.
Biswas, R., Strawn, R.C., 1998. Tetrahedral and hexahedral mesh adaptation for CFD
problems. Elsevier Appl. Numer. Math. 26 (1), 135e151.
Blocken, B., Gualtieri, C., 2012. Ten iterative steps for model development and
evaluation applied to computational fluid dynamics for environmental fluid
mechanics. Environ. Model. Softw. 33, 1e22.
Bombardelli, F.A., Meireles, I., Matos, J., 2011. Laboratory measurements and multiblock numerical simulations of the mean flow and turbulence in the nonaerated skimming flow region of steep stepped spillways. Springer Environ.
Fluid Mech. 11 (3), 263e288.
Bombardelli, F.A., 2012. Computational multi-phase fluid dynamics to address flows
past hydraulic structures. In: 4th IAHR International Symposium on Hydraulic
Structures, 9e11 February 2012, Porto, Portugal, 978-989-8509-01-7.
Borges, J.E., Pereira, N.H., Matos, J., Frizell, K.H., 2010. Performance of a combined
three-hole conductivity probe for void fraction and velocity measurement in
airewater flows. Exp. fluids 48 (1), 17e31.
Borue, V., Orszag, S., Staroslesky, I., 1995. Interaction of surface waves with turbulence: direct numerical simulations of turbulent open channel flow. J. Fluid
Mech. 286, 1e23.
Boussinesq, J., 1871. Theorie de l’intumescence liquide, applelee onde solitaire ou de
translation, se propageantdans un canal rectangulaire. Comptes Rendus l’Academie Sci. 72, 755e759.
Bradley, J.N., Peterka, A.J., 1957. The hydraulic design of stilling Basins : hydraulic
jumps on a horizontal Apron (Basin I). In: Proceedings ASCE, J. Hydraulics
Division.
Bradshaw, P., 1996. Understanding and prediction of turbulent flow. Elsevier Int. J.
heat fluid flow 18 (1), 45e54.
Bung, D.B., 2013. Non-intrusive detection of airewater surface roughness in selfaerated chute flows. J. Hydraulic Res. 51 (3), 322e329.
Bung, D., Schlenkhoff, A., 2010. Self-aerated Skimming Flow on Embankment
Stepped Spillways-the Effect of Additional Micro-roughness on Energy Dissipation and Oxygen Transfer. IAHR European Congress.
Caisley, M.E., Bombardelli, F.A., Garcia, M.H., 1999. Hydraulic Model Study of a Canoe
Chute for Low-head Dams in Illinois. Civil Engineering Studies, Hydraulic Engineering Series No-63. University of Illinois at Urbana-Champaign.
Carvalho, R., Lemos, C., Ramos, C., 2008. Numerical computation of the flow in
hydraulic jump stilling basins. J. Hydraulic Res. 46 (6), 739e752.
Celik, I.B., Ghia, U., Roache, P.J., 2008. Procedure for estimation and reporting of
uncertainty due to discretization in CFD applications. ASME J. Fluids Eng. 130
(7), 1e4.
Chachereau, Y., Chanson, H., 2011. .Free-surface fluctuations and turbulence in hydraulic jumps. Exp. Therm. Fluid Sci. 35 (6), 896e909.
Chanson, H. (Ed.), 2015. Energy Dissipation in Hydraulic Structures. CRC Press.
Chanson, H., 2007. Bubbly flow structure in hydraulic jump. Eur. J. Mechanics-B/
Fluids 26.3(2007) 367e384.
Chanson, H., Carvalho, R., 2015. Hydraulic jumps and stilling basins. Chapter 4. In:
Chanson, H. (Ed.), Energy Dissipation in Hydraulic Structures. CRC Press, Taylor
& Francis Group, ABalkema Book.
Chanson, H., Gualtieri, C., 2008. Similitude and scale effects of air entrainment in
hydraulic jumps. J. Hydraulic Res. 46 (1), 35e44.
Chanson, H., Lubin, P., 2010. Discussion of “Verification and validation of a
computational fluid dynamics (CFD) model for air entrainment at spillway
aerators” Appears in the Canadian Journal of Civil Engineering 36(5): 826-838.
Can. J. Civ. Eng. 37 (1), 135e138.
Chanson, H., 1994. Drag reduction in open channel flow by aeration and suspended
load. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 32, 87e101.
Chanson, H., Montes, J.S., 1995. Characteristics of undular hydraulic jumps: experimental apparatus and flow patterns. J. hydraulic Eng. 121 (2), 129e144.
Chanson, H., Brattberg, T., 2000. Experimental study of the airewater shear flow in
a hydraulic jump. Int. J. Multiph. Flow 26 (4), 583e607.
Chanson, H., 2013. Hydraulics of aerated flows: qui pro quo? Taylor & Francis
J. Hydraulic Res. 51 (3), 223e243.
Chaudhry, M.H., 2007. Open-channel Flow, Springer Science & Business Media.
Chen, L., Li, Y., 1998. .A numerical method for two-phase flows with an interface.
Environ. Model. Softw. 13 (3), 247e255.
Chow, V.T., 1959. Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill Book Company, Inc, New
York.
Daly, B.J., 1969. A technique for including surface tension effects in hydrodynamic
calculations. Elsevier J. Comput. Phys. 4 (1), 97e117.
De Padova, D., Mossa, M., Sibilla, S., Torti, E., 2013. 3D SPH modeling of hydraulic
jump in a very large channel. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 51 (2), 158e173.
Dewals, B., Andre, S., Schleiss, A., Pirotton, M., 2004. Validation of a quasi-2D model
for aerated flows over stepped spillways for mild and steep slopes. Proc. 6th Int.
Conf. Hydroinformatics 1, 63e70.
Falvey, H.T., 1980. Air-water flow in hydraulic structures. NASA STI Recon Tech. Rep.
N. 81, 26429.
Fawer, C., 1937. Etude de quelquesecoulements permanents
a filets courbes (‘Study
of some Steady Flows with Curved Streamlines’). Thesis. Imprimerie La Concorde, Lausanne, Switzerland, 127 pages (in French).
Gualtieri, C., Chanson, H., 2007. .Experimental analysis of Froude number effect on
air entrainment in the hydraulic jump. Springer Environ. Fluid Mech. 7 (3),
217e238.
Gualtieri, C., Chanson, H., 2010. Effect of Froude number on bubble clustering in a
hydraulic jump. J. Hydraulic Res. 48 (4), 504e508.
Hager, W., Sinniger, R., 1985. Flow characteristics of the hydraulic jump in a stilling
basin with an abrupt bottom rise. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 23 (2),
101e113.
Hager, W.H., 1992. Energy Dissipators and Hydraulic Jump, Springer.
Hager, W.H., Bremen, R., 1989. Classical hydraulic jump: sequent depths. J. Hydraulic
Res. 27 (5), 565e583.
Hartanto, I.M., Beevers, L., Popescu, I., Wright, N.G., 2011. Application of a coastal
modelling code in fluvial environments. Environ. Model. Softw. 26 (12),
1685e1695.
Hirsch, C., 2007. Numerical Computation of Internal and External Flows: the Fundamentals of Computational Fluid Dynamics. Butterworth-Heinemann, 1.
Hirt, C., Nichols, B., 1981. .Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free
boundaries. J. Comput. Phys. 39 (1), 201e225.
Hyman, J.M., 1984. Numerical methods for tracking interfaces. Elsevier Phys. D.
Nonlinear Phenom. 12 (1), 396e407.
Juez, C., Murillo, J., Garcia-Navarro, P., 2013. Numerical assessment of bed-load
discharge formulations for transient flow in 1D and 2D situations.
J. Hydroinformatics 15 (4).
Keyes, D., Ecer, A., Satofuka, N., Fox, P., Periaux, J., 2000. Parallel Computational Fluid
Dynamics’ 99: towards Teraflops, Optimization and Novel Formulations.
Elsevier.
Kim, J.J., Baik, J.J., 2004. A numerical study of the effects of ambient wind direction
on flow and dispersion in urban street canyons using the RNG keε turbulence
model. Atmos. Environ. 38 (19), 3039e3048.
Kim, S.-E., Boysan, F., 1999. Application of CFD to environmental flows. Elsevier
J. Wind Eng. Industrial Aerodynamics 81 (1), 145e158.
Liu, M., Rajaratnam, N., Zhu, D.Z., 2004. Turbulence structure of hydraulic jumps of
low Froude numbers. J. Hydraulic Eng. 130 (6), 511e520.
Lobosco, R., Schulz, H., Simoes, A., 2011. Analysis of Two Phase Flows on Stepped
Spillways, Hydrodynamics – Optimizing Methods and Tools. Available from. :
http://www.intechopen.com/books/hyd rodynamics-optimizing-methods-andtools/analysis-of-two-phase-flows-on-stepped-spillways. Accessed February
27th 2014.
Long, D., Rajaratnam, N., Steffler, P.M., Smy, P.R., 1991. Structure of flow in hydraulic
jumps. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 29 (2), 207e218.
Ma, J., Oberai, A.A., Lahey Jr., R.T., Drew, D.A., 2011. Modeling air entrainment and
transport in a hydraulic jump using two-fluid RANS and DES turbulence
models. Heat Mass Transf. 47 (8), 911e919.
Matos, J., Frizell, K., Andre, S., Frizell, K., 2002. On the performance of velocity
measurement techniques in air-water flows. Hydraulic Meas. Exp. Methods
2002, 1e11. http://dx.doi.org/10.1061/40655(2002)58.
Meireles, I.C., Bombardelli, F.A., Matos, J., 2014. .Air entrainment onset in skimming
flows on steep stepped spillways: an analysis. J. Hydraulic Res. 52 (3), 375e385.
McDonald, P., 1971. The Computation of Transonic Flow through Two-dimensional
Gas Turbine Cascades.
Mossa, M., 1999. On the oscillating characteristics of hydraulic jumps, Journal of
Hydraulic Research. Taylor &Francis 37 (4), 541e558.
Murzyn, F., Chanson, H., 2009a. Two-phase Gas-liquid Flow Properties in the Hydraulic Jump: Review and Perspectives. Nova Science Publishers.
Murzyn, F., Chanson, H., 2009b. Experimental investigation of bubbly flow and
turbulence in hydraulic jumps. Environ. Fluid Mech. 2, 143e159.
Murzyn, F., Mouaze, D., Chaplin, J.R., 2007. Airewater interface dynamic and free
surface features in hydraulic jumps. J. Hydraulic Res. 45 (5), 679e685.
Murzyn, F., Mouaze, D., Chaplin, J., 2005. Optical fiber probe measurements of
bubbly flow in hydraulic jumps. Elsevier Int. J. Multiph. Flow 31 (1), 141e154.
Nagosa, R., 1999. Direct numerical simulation of vortex structures and turbulence
scalar transfer across a free surface in a fully developed turbulence. Phys. Fluids
11, 1581e1595.
Noh, W.F., Woodward, P., 1976. SLIC (Simple Line Interface Calculation), Proceedings
of the Fifth International Conference on Numerical Methods in Fluid Dynamics
June 28-July 2. 1976 Twente University, Enschede, pp. 330e340.
Oertel, M., Bung, D.B., 2012. Initial stage of two-dimensional dam-break waves:
laboratory versus VOF. J. Hydraulic Res. 50 (1), 89e97.
Olivari, D., Benocci, C., 2010. Introduction to Mechanics of Turbulence. Von Karman
Institute for Fluid Dynamics.
Omid, M.H., Omid, M., Varaki, M.E., 2005. Modelling hydraulic jumps with artificial
neural networks. Thomas Telford Proc. ICE-Water Manag. 158 (2), 65e70.
OpenFOAM, 2011. OpenFOAM: the Open Source CFD Toolbox User Guide. The Free
Software Foundation Inc.
Peterka, A.J., 1984. Hydraulic design of spillways and energy dissipators. A water
resources technical publication. Eng. Monogr. 25.
Pope, S.B., 2000. Turbulent Flows. Cambridge university press.
Pfister, M., 2011. Chute aerators: steep deflectors and cavity subpressure, Journal of
hydraulic engineering. Am. Soc. Civ. Eng. 137 (10), 1208e1215.
Prosperetti, A., Tryggvason, G., 2007. Computational Methods for Multiphase Flow.
Cambridge University Press.
Rajaratnam, N., 1965. The hydraulic jump as a Wall Jet. Proc. ASCE, J. Hydraul. Div. 91
(HY5), 107e132.
Resch, F., Leutheusser, H., 1972. Reynolds stress measurements in hydraulic jumps.
Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 10 (4), 409e430.
Romagnoli, M., Portapila, M., Morvan, H., 2009. Computational simulation of a
hydraulic jump (original title, in Spanish: “Simulacioncomputacional del
resaltohidraulico”), MecanicaComputacional, XXVIII, pp. 1661e1672.
Rouse, H., Siao, T.T., Nagaratnam, S., 1959. Turbulence characteristics of the hydraulic jump. Trans. ASCE 124, 926e966.
Rusche, H., 2002. Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-phase Flows at
High Phase Fractions. Imperial College of Science, Technology and Medicine, UK.
Saint-Venant, A., 1871. Theorie du movement non permanent des eaux, avec
application aux crues des riviereset a l’introduction de mareesdansleurslits.
Comptesrendus des seances de l’Academie des Sciences.
Schlichting, H., Gersten, K., 2000. Boundary-layer Theory. Springer.
Spalart, P.R., 2000. Strategies for turbulence modelling and simulations. Int. J. Heat
Fluid Flow 21 (3), 252e263.
Speziale, C.G., Thangam, S., 1992. Analysis of an RNG based turbulence model for
separated flows. Int. J. Eng. Sci. 30 (10), 1379eIN4.
Toge, G.E., 2012. The Significance of Froude Number in Vertical Pipes: a CFD Study.
University of Stavanger, Norway.
Ubbink, O., 1997. Numerical Prediction of Two Fluid Systems with Sharp Interfaces.
Imperial College of Science, Technology and Medicine, UK.
Valero, D., García-Bartual, R., 2016. Calibration of an air entrainment model for CFD
spillway applications. Adv. Hydroinformatics 571e582. http://dx.doi.org/
10.1007/978-981-287-615-7_38. P. Gourbesville et al. Springer Water.
Valero, D., Bung, D.B., 2015. Hybrid investigations of air transport processes in
moderately sloped stepped spillway flows. In: E-Proceedings of the 36th IAHR
World Congress, 28 June e 3 July, 2015 (The Hague, the Netherlands).
Van Leer, B., 1977. Towards the ultimate conservative difference scheme III. Upstream-centered finite-difference schemes for ideal compressible flow. J.
Comput. Phys 23 (3), 263e275.
Von Karman, T., 1930. MechanischeAhnlichkeit und Turbulenz, Nachrichten von der
Gesellschaft der WissenschaftenzuGottingen. Fachgr. 1 Math. 5, 58 € e76.
Wang, H., Murzyn, F., Chanson, H., 2014a. Total pressure fluctuations and two-phase
flow turbulence in hydraulic jumps. Exp. Fluids 55.11(2014) Pap. 1847, 1e16
(DOI: 10.1007/s00348-014-1847-9).
Wang, H., Felder, S., Chanson, H., 2014b. An experimental study of turbulent twophase flow in hydraulic jumps and application of a triple decomposition
technique. Exp. Fluids 55.7(2014) Pap. 1775, 1e18. http://dx.doi.org/10.1007/
s00348-014-1775-8.
Wang, H., Chanson, H., 2015a. .Experimental study of turbulent fluctuations in
hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 141 (7) http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)
HY.1943-7900.0001010. Paper 04015010, 10 pages.
Wang, H., Chanson, H., 2015b. Integral turbulent length and time scales in hydraulic
jumps: an experimental investigation at large Reynolds numbers. In: E-Proceedings of the 36th IAHR World Congress 28 June e 3 July, 2015, The
Netherlands.
Weller, H., Tabor, G., Jasak, H., Fureby, C., 1998. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Comput. Phys.
12, 620e631.
Wilcox, D., 1998. Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries. La Canada, California (USA).
Witt, A., Gulliver, J., Shen, L., June 2015. Simulating air entrainment and vortex
dynamics in a hydraulic jump. Int. J. Multiph. Flow 72, 165e180. ISSN 0301-

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.02.012. http://www.
sciencedirect.com/science/article/pii/S0301932215000336.
Wood, I.R., 1991. Air Entrainment in Free-surface Flows, IAHR Hydraulic Design
Manual No.4, Hydraulic Design Considerations. Balkema Publications, Rotterdam, The Netherlands.
Yakhot, V., Orszag, S., Thangam, S., Gatski, T., Speziale, C., 1992. Development of
turbulence models for shear flows by a double expansion technique, Physics of
Fluids A: fluid Dynamics (1989-1993). AIP Publ. 4 (7), 1510e1520.
Youngs, D.L., 1984. An interface tracking method for a 3D Eulerian hydrodynamics
code. Tech. Rep. 44 (92), 35e35.
Zhang, G., Wang, H., Chanson, H., 2013. Turbulence and aeration in hydraulic jumps:
free-surface fluctuation and integral turbulent scale measurements. Environ.
fluid Mech. 13 (2), 189e204.
Zhang, W., Liu, M., Zhu, D.Z., Rajaratnam, N., 2014. Mean and turbulent bubble
velocities in free hydraulic jumps for small to intermediate froude numbers.
J. Hydraulic Eng.

Stability and deformations of deposited layers in material extrusion additive manufacturing

Conflict resolution in the multi-stakeholder stepped spillway design under uncertainty by machine learning techniques

Md TusherMollah, Raphaël Comminal, Marcin P.Serdeczny, David B.Pedersen, Jon Spangenberg
Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark

Abstract

This paper presents computational fluid dynamics simulations of the deposition flow during printing of multiple layers in material extrusion additive manufacturing. The developed model predicts the morphology of the deposited layers and captures the layer deformations during the printing of viscoplastic materials. The physics is governed by the continuity and momentum equations with the Bingham constitutive model, formulated as a generalized Newtonian fluid. The cross-sectional shapes of the deposited layers are predicted, and the deformation of layers is studied for different constitutive parameters of the material. It is shown that the deformation of layers is due to the hydrostatic pressure of the printed material, as well as the extrusion pressure during the extrusion. The simulations show that a higher yield stress results in prints with less deformations, while a higher plastic viscosity leads to larger deformations in the deposited layers. Moreover, the influence of the printing speed, extrusion speed, layer height, and nozzle diameter on the deformation of the printed layers is investigated. Finally, the model provides a conservative estimate of the required increase in yield stress that a viscoplastic material demands after deposition in order to support the hydrostatic and extrusion pressure of the subsequently printed layers.

이 논문은 재료 압출 적층 제조에서 여러 레이어를 인쇄하는 동안 증착 흐름의 전산 유체 역학 시뮬레이션을 제공합니다. 개발된 모델은 증착된 레이어의 형태를 예측하고 점소성 재료를 인쇄하는 동안 레이어 변형을 캡처합니다.

물리학은 일반화된 뉴턴 유체로 공식화된 Bingham 구성 모델의 연속성 및 운동량 방정식에 의해 제어됩니다. 증착된 층의 단면 모양이 예측되고 재료의 다양한 구성 매개변수에 대해 층의 변형이 연구됩니다. 층의 변형은 인쇄물의 정수압과 압출시 압출압력으로 인한 것임을 알 수 있다.

시뮬레이션에 따르면 항복 응력이 높을수록 변형이 적은 인쇄물이 생성되는 반면 플라스틱 점도가 높을수록 증착된 레이어에서 변형이 커집니다. 또한 인쇄 속도, 압출 속도, 층 높이 및 노즐 직경이 인쇄된 층의 변형에 미치는 영향을 조사했습니다.

마지막으로, 이 모델은 후속 인쇄된 레이어의 정수압 및 압출 압력을 지원하기 위해 증착 후 점소성 재료가 요구하는 항복 응력의 필요한 증가에 대한 보수적인 추정치를 제공합니다.

Keywords

Viscoplastic MaterialsMaterial Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM)Multiple-Layers DepositionComputational Fluid Dynamics (CFD)Deformation Control

The Optimal Operation on Auxiliary Spillway to Minimize the Flood Damage in Downstream River with Various Outflow Conditions

류하천의 영향 최소화를 위한 보조 여수로 최적 활용방안 검토

Hyung Ju Yoo¹ Sung Sik Joo² Beom Jae Kwon³ Seung Oh Lee^4*
유 형주¹ 주 성식² 권 범재³ 이 승오^4*
¹Ph.D Student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University²Director, Water Resources & Environment Department, HECOREA³Director, Water Resources Department, ISAN⁴Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University
¹홍익대학교 건설환경공학과 박사과정
²㈜헥코리아 수자원환경사업부 이사
³㈜이산 수자원부 이사
⁴홍익대학교 건설환경공학과 교수*Corresponding Author

ABSTRACT

최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다.

그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다.

이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다.

수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다.

따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다.

이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다.

그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다.

키워드

보조 여수로, FLOW-3D, 수치모의, 호안 안정성, 소류력

Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate change increased and the aging of the existing spillway, it is necessary to establish a plan to utilize an auxiliary spillway to minimize the flood damage of downstream rivers. Most studies have been conducted on the review of flow characteristics according to the operation of auxiliary spillway through the hydraulic experiments and numerical modeling. However, the studies on examination of flood damage in the downstream rivers and the stability of the revetment according to the operation of the auxiliary spillway were relatively insufficient in the literature. In this study, the stability of the revetment on the downstream river according to the outflow conditions of the existing and auxiliary spillway was examined by using 3D numerical model, FLOW-3D. The velocity, water surface elevation and shear stress results of FLOW-3D were compared with the permissible velocity and shear stress of design criteria. It was assumed the sluice gate was fully opened. As a result of numerical simulations of various auxiliary spillway operations during flood season, the single operation of the auxiliary spillway showed the reduction effect of maximum velocity and the water surface elevation compared with the single operation of the existing spillway. The stability of the revetment on downstream was satisfied under the condition of outflow less than 45% of the design flood discharge. However, the potential overtopping damage was confirmed in the case of exceeding the 45% of the design flood discharge. Therefore, the simultaneous operation with the existing spillway was important to ensure the stability on design flood discharge condition. As a result of examining the allocation ratio and the total allowable outflow, the reduction effect of maximum velocity was confirmed on the condition, where the amount of outflow on auxiliary spillway was more than that on existing spillway. It is because the flow of downstream rivers was concentrated in the center due to the outflow of existing spillway. The permissible velocity and shear stress were satisfied under the condition of less than 77% of the design flood discharge with simultaneous operation. It was found that the flood damage of downstream rivers can be minimized by setting the amount allocated to the auxiliary spillway to be larger than the amount allocated to the existing spillway for the total outflow with simultaneous operation condition. However, this study only reviewed the flow characteristics around the revetment according to the outflow of spillway under the full opening of the sluice gate condition. Therefore, the various sluice opening conditions and outflow scenarios will be asked to derive more efficient utilization of the auxiliary spillway in th future.KeywordsAuxiliary spillway FLOW-3D Numerical simulation Revetment stability Shear stress

1. 서 론

최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로 유입되는 홍수량이 설계 홍수량보다 증가하여 댐 안정성 확보가 필요한 실정이다(Office for Government Policy Coordination, 2003). MOLIT & K-water(2004)에서는 기존댐의 수문학적 안정성 검토를 수행하였으며 이상홍수 발생 시 24개 댐에서 월류 등으로 인한 붕괴위험으로 댐 하류지역의 극심한 피해를 예상하여 보조여수로 신설 및 기존여수로 확장 등 치수능력 증대 기본계획을 수립하였고 이를 통하여 극한홍수 발생 시 홍수량 배제능력을 증대하여 기존댐의 안전성 확보 및 하류지역의 피해를 방지하고자 하였다. 여기서 보조 여수로는 기존 여수로와 동시 또는 별도 운영하는 여수로로써 비상상황 시 방류 기능을 포함하고 있고(K-water, 2021), 최근에는 기존 여수로의 노후화에 따라 보조여수로의 활용방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 기존 및 보조 여수로의 방류량 조합에 따른 하류 영향을 분석하고 하류 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오를 검토하고자 한다.

기존의 댐 여수로 검토에 관한 연구는 주로 수리실험을 통하여 방류조건 별 흐름특성을 검토하였으나 최근에는 수치모형 실험결과가 수리모형실험과 비교하여 근사한 것을 확인하는 등 점차 수치모형실험을 수리모형실험의 대안으로 활용하고 있다(Jeon et al., 2006; Kim, 2007; Kim et al., 2008). 국내의 경우, Jeon et al.(2006)은 수리모형 실험과 수치모의를 이용하여 임하댐 바상여수로의 기본설계안을 도출하였고, Kim et al.(2008)은 가능최대홍수량 유입 시 비상여수로 방류에 따른 수리학적 안정성과 기능성을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하여 검토하였다. 또한 Kim and Kim(2013)은 충주댐의 홍수조절 효과 검토 및 방류량 변화에 따른 상·하류의 수위 변화를 수치모형을 통하여 검토하였다. 국외의 경우 Zeng et al.(2017)은 3차원 수치모형인 Fluent를 활용한 여수로 방류에 따른 흐름특성 결과와 측정결과를 비교하여 수치모형 결과의 신뢰성을 검토하였다. Li et al.(2011)은 가능 최대 홍수량(Probable Maximum Flood, PMF)조건에서 기존 여수로와 신규 보조 여수로 유입부 주변의 흐름특성에 대하여 3차원 수치모형 Fluent를 활용하여 검토하였고, Lee et al.(2019)는 서로 근접해있는 기존 여수로와 보조여수로 동시 운영 시 방류능 검토를 수리모형 실험 및 수치모형 실험(FLOW-3D)을 통하여 수행하였으며 기존 여수로와 보조 여수로를 동시운영하게 되면 배수로 간섭으로 인하여 총 방류량이 7.6%까지 감소되어 댐의 방류능력이 감소하였음을 확인하였다.

그러나 대부분의 여수로 검토에 대한 연구는 여수로 내에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였고. 이에 기존 여수로와 보조 여수로 방류운영에 따른 하류하천의 흐름특성 변화 및 호안 안정성 평가에 관한 추가적인 검토가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안 안정성분석을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 이용하여 검토하였다. 또한 다양한 방류 배분 비율 및 허용 방류량 조건 변화에 따른 하류하천의 흐름특성 및 소류력 분석결과를 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 기준과 비교하여 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 최적의 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.

2. 본 론

2.1 이론적 배경

2.1.1 3차원 수치모형의 기본이론

FLOW-3D는 미국 Flow Science, Inc에서 개발한 범용 유체역학 프로그램(CFD, Computational Fluid Dynamics)으로 자유 수면을 갖는 흐름모의에 사용되는 3차원 수치해석 모형이다. 난류모형을 통해 난류 해석이 가능하고, 댐 방류에 따른 하류 하천의 흐름 해석에도 많이 사용되어 왔다(Flow Science, 2011). 본 연구에서는 FLOW-3D(version 12.0)을 이용하여 홍수 시 기존 여수로의 노후화에 대비하여 보조 여수로의 활용방안에 대한 검토를 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다.

2.1.2 유동해석의 지배방정식

1) 연속 방정식(Continuity Equation)

FLOW-3D는 비압축성 유체에 대하여 연속방정식을 사용하며, 밀도는 상수항으로 적용된다. 연속 방정식은 Eqs. (1), (2)와 같다.

(1)

∇·v=0

(2)

∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ

여기서, ρ는 유체 밀도(kg/m³), u, v, w는 x, y, z방향의 유속(m/s), Ax, Ay, Az는 각 방향의 요소면적(m²), RSOR는 질량 생성/소멸(mass source/sink)항을 의미한다.

2) 운동량 방정식(Momentum Equation)

각 방향 속도성분 u, v, w에 대한 운동방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 다음 Eqs. (3), (4), (5)와 같다.

(3)

∂u∂t+1VF(uAx∂u∂x+vAy∂v∂y+wAz∂w∂z)=-1ρ∂p∂x+Gx+fx-bx-RSORρVFu

(4)

∂v∂t+1VF(uAx∂u∂x+vAy∂v∂y+wAz∂w∂z)=-1ρ∂p∂y+Gy+fy-by-RSORρVFv

(5)

∂w∂t+1VF(uAx∂u∂x+vAy∂v∂y+wAz∂w∂z)=-1ρ∂p∂z+Gz+fz-bz-RSORρVFw

여기서, Gx, Gy, Gz는 체적력에 의한 가속항, fx, fy, fz는 점성에 의한 가속항, bx, by, bz는 다공성 매체에서의 흐름손실을 의미한다.

2.1.3 소류력 산정

호안설계 시 제방사면 호안의 안정성 확보를 위해서는 하천의 흐름에 의하여 호안에 작용하는 소류력에 저항할 수 있는 재료 및 공법 선택이 필요하다. 국내의 경우 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서 계획홍수량 유하 시 소류력 산정 방법을 제시하고 있다. 소류력은 하천의 평균유속을 이용하여 산정할 수 있으며, 소류력 산정식은 Eqs. (6), (7)과 같다.

1) Schoklitsch 공식

Schoklitsch(1934)는 Chezy 유속계수를 적용하여 소류력을 산정하였다.

(6)

τ=γRI=γC2V2

여기서, τ는 소류력(N/m²), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m³), I는 에너지경사, C는 Chezy 유속계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.

2) Manning 조도계수를 고려한 공식

Chezy 유속계수를 대신하여 Manning의 조도계수를 고려하여 소류력을 산정할 수 있다.

(7)

τ=γn2V2R1/3

여기서, τ는 소류력(N/m²), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m³), n은 Manning의 조도계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.

FLOW-3D 수치모의 수행을 통하여 하천의 바닥 유속을 도출할 수 있으며, 본 연구에서는 Maning 조도계수롤 고려하여 소류력을 산정하고자 한다. 소류력을 산정하기 위해서 여수로 방류에 따른 대안부의 바닥유속 변화를 검토하여 최대 유속 값을 이용하였다. 최종적으로 산정한 소류력과 호안의 재료 및 공법에 따른 허용 소류력과 비교하여 제방사면 호안의 안정성 검토를 수행하게 된다.

2.2 하천호안 설계기준

하천 호안은 계획홍수위 이하의 유수작용에 대하여 안정성이 확보되도록 계획하여야 하며, 호안의 설계 시에는 사용재료의 확보용이성, 시공상의 용이성, 세굴에 대한 굴요성(flexibility) 등을 고려하여 호안의 형태, 시공방법 등을 결정한다(MOLIT, 2019). 국내의 경우, 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서는 다양한 호안공법에 대하여 비탈경사에 따라 설계 유속을 비교하거나, 허용 소류력을 비교함으로써 호안의 안정성을 평가한다. 호안에 대한 국외의 설계기준으로 미국의 경우, ASTM(미국재료시험학회)에서 호안블록 및 식생매트 시험방법을 제시하였고 제품별로 ASTM 시험에 의한 허용유속 및 허용 소류력을 제시하였다. 일본의 경우, 호안 블록에 대한 축소실험을 통하여 항력을 측정하고 이를 통해서 호안 블록에 대한 항력계수를 제시하고 있다. 설계 시에는 항력계수에 의한 블록의 안정성을 평가하고 있으나, 최근에는 세굴의 영향을 고려할 수 있는 호안 안정성 평가의 필요성을 제기하고 있다(MOLIT, 2019). 관련된 국내·외의 하천호안 설계기준은 Table 1에 정리하여 제시하였고, 본 연구에서 하천 호안 안정성 평가 시 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)과 ASTM 시험에서 제시한 허용소류력 및 허용유속 기준을 비교하여 각각 0.28 kN/m², 5.0 m/s 미만일 경우 호안 안정성을 확보하였다고 판단하였다.

Table 1.

Standard of Permissible Velocity and Shear on Revetment

Country (Reference)	Material	Permissible velocity (Vp, m/s)	Permissible Shear (τp, kN/m²)
Korea	River Construction Design Practice Guidelines (MOLIT, 2016)	Vegetated	5.0	0.50
Stone	5.0	0.80
USA	ASTM D’6460	Vegetated	6.1	0.81
Unvegetated	5.0	0.28
JAPAN	Dynamic Design Method of Revetment	–	5.0	–

2.3. 보조여수로 운영에 따른 하류하천 영향 분석

2.3.1 모형의 구축 및 경계조건

본 연구에서는 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 보조여수로의 활용방안에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안안정성 평가를 수행하기 위해 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 기존 여수로 및 보조 여수로는 치수능력 증대사업(MOLIT & K-water, 2004)을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하여 구축하였다. ○○댐은 설계빈도(100년) 및 200년빈도 까지는 계획홍수위 이내로 기존 여수로를 통하여 운영이 가능하나 그 이상 홍수조절은 보조여수로를 통하여 조절해야 하며, 또한 2011년 기존 여수로 정밀안전진단 결과 사면의 표층 유실 및 옹벽 밀림현상 등이 확인되어 노후화에 따른 보수·보강이 필요한 상태이다. 이에 보조여수로의 활용방안 검토가 필요한 것으로 판단하여 본 연구의 대상댐으로 선정하였다. 하류 하천의 흐름특성을 예측하기 위하여 격자간격을 0.99 ~ 8.16 m의 크기로 하여 총 격자수는 49,102,500개로 구성하였으며, 여수로 방류에 따른 하류하천의 흐름해석을 위한 경계조건으로 상류는 유입유량(inflow), 바닥은 벽면(wall), 하류는 수위(water surface elevation)조건으로 적용하도록 하였다(Table 2, Fig. 1 참조). FLOW-3D 난류모형에는 혼합길이 모형, 난류에너지 모형, k-ϵ모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ϵ모형, LES 모형 등이 있으며, 본 연구에서는 여수로 방류에 따른 복잡한 난류 흐름 및 높은 전단흐름을 정확하게 모의(Flow Science, 2011)할 수 있는 RNG k-ϵ모형을 사용하였고, 하류하천 호안의 안정성 측면에서 보조여수로의 활용방안을 검토하기 위하여 방류시나리오는 Table 3에 제시된 것 같이 설정하였다. Case 1 및 Case 2를 통하여 계획홍수량에 대하여 기존 여수로와 보조 여수로의 단독 운영이 하류하천에 미치는 영향을 확인하였고 보조 여수로의 방류량 조절을 통하여 호안 안정성 측면에서 보조 여수로 방류능 검토를 수행하였다(Case 3 ~ Case 6). 또한 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천의 영향 검토(Case 7 ~ Case 10) 및 방류 배분에 따른 허용 방류량을 호안 안정성 측면에서 검토를 수행하였다(Case 11 ~ Case 14).

수문은 완전개도 조건으로 가정하였으며 하류하천의 계획홍수량에 대한 기존 여수로와 보조여수로의 배분량을 조절하여 모의를 수행하였다. 여수로는 콘크리트의 조도계수 값(Chow, 1959)을 채택하였고, 댐 하류하천의 조도계수는 하천기본계획(Busan Construction and Management Administration, 2009) 제시된 조도계수 값을 채택하였으며 FLOW-3D의 적용을 위하여 Manning-Strickler 공식(Vanoni, 2006)을 이용하여 조도계수를 조고값으로 변환하여 사용하였다. Manning-Strickler 공식은 Eq. (8)과 같으며, FLOW-3D에 적용한 조도계수 및 조고는 Table 4와 같다.

(8)

n=ks1/68.1g1/2

여기서, kS는 조고 (m), n은 Manning의 조도계수, g는 중력가속도(m/s²)를 의미한다.

시간에 따라 동일한 유량이 일정하게 유입되도록 모의를 수행하였으며, 시간간격(Time Step)은 0.0001초로 설정(CFL number < 1.0) 하였다. 또한 여수로 수문을 통한 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우는 연속방정식을 만족하고 있다고 가정하였다. 이는, 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우 유속의 변동 값 역시 1.0%이내이며, 수치모의 결과 1.0%의 유속변동은 호안의 유속설계기준에 크게 영향을 미치지 않는다고 판단하였다. 그 결과 모든 수치모의 Case에서 2400초 이내에 결과 값이 수렴하는 것을 확인하였다.

Table 2.

Mesh sizes and numerical conditions

Mesh	Numbers	49,102,500 EA
Increment (m)	Direction	Existing Spillway	Auxiliary Spillway
∆X	0.99 ~ 4.30	1.00 ~ 4.30
∆Y	0.99 ~ 8.16	1.00 ~ 5.90
∆Z	0.50 ~ 1.22	0.50 ~ 2.00
Boundary Conditions	X_min / Y_max	Inflow / Water Surface Elevation
X_max, Y_min, Z_min / Z_max	Wall / Symmetry
Turbulence Model	RNG model

Table 3.

Case of numerical simulation (Qp : Design flood discharge)

Case	Existing Spillway (Q_e, m³/s)	Auxiliary Spillway (Q_a, m³/s)	Remarks
1	Q_p	0	Reference case
2	0	Q_p
3	0	0.58Q_p	Review of discharge capacity on auxiliary spillway
4	0	0.48Q_p
5	0	0.45Q_p
6	0	0.32Q_p
7	0.50Q_p	0.50Q_p	Determination of optimal division ratio on Spillways
8	0.61Q_p	0.39Q_p
9	0.39Q_p	0.61Q_p
10	0.42Q_p	0.58Q_p
11	0.32Q_p	0.45Q_p	Determination of permissible division on Spillways
12	0.35Q_p	0.48Q_p
13	0.38Q_p	0.53Q_p
14	0.41Q_p	0.56Q_p

Table 4.

Roughness coefficient and roughness height

Criteria	Roughness coefficient (n)	Roughness height (ks, m)
Structure (Concrete)	0.014	0.00061
River	0.033	0.10496

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Fig. 1

Layout of spillway and river in this study

2.3.2 보조 여수로의 방류능 검토

본 연구에서는 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천 대안부의 유속분포 및 수위분포를 검토하기 위해 수치모의 Case 별 다음과 같이 관심구역을 설정하였다(Fig. 2 참조). 관심구역(대안부)의 길이(L)는 총 1.3 km로 10 m 등 간격으로 나누어 검토하였으며, Section 1(0 < X/L < 0.27)은 기존 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간, Section 2(0.27 < X/L < 1.00)는 보조 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간으로 각 구간에서의 수위, 유속, 수심결과를 확인하였다. 기존 여수로의 노후화에 따른 보조 여수로의 방류능 검토를 위하여 Case 1 – Case 6까지의 결과를 비교하였다.

보조 여수로의 단독 운영 시 기존 여수로 운영 시 보다 하류하천의 대안부의 최대 유속(Vmax)은 약 3% 감소하였으며, 이는 보조 여수로의 하천 유입각이 기존 여수로 보다 7°작으며 유입하천의 폭이 증가하여 유속이 감소한 것으로 판단된다. 대안부의 최대 유속 발생위치는 하류 쪽으로 이동하였으며 교량으로 인한 단면의 축소로 최대유속이 발생하는 것으로 판단된다. 또한 보조 여수로의 배분량(Qa)이 증가함에 따라 하류하천 대안부의 최대 유속이 증가하였다. 하천호안 설계기준에서 제시하고 있는 허용유속(Vp)과 비교한 결과, 계획홍수량(Qp)의 45% 이하(Case 5 & 6)를 보조 여수로에서 방류하게 되면 허용 유속(5.0 m/s)조건을 만족하여 호안안정성을 확보하였다(Fig. 3 참조). 허용유속 외에도 대안부에서의 소류력을 산정하여 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 소류력(τp)과 비교한 결과, 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 계획홍수량의 45% 이하일 경우 허용소류력(0.28 kN/m²) 조건을 만족하였다(Fig. 4 참조). 각 Case 별 호안설계조건과 비교한 결과는 Table 5에 제시하였다.

하류하천의 수위도 기존 여수로 운영 시 보다 보조 여수로 단독 운영 시 최대 수위(ηmax)가 약 2% 감소하는 효과를 보였으며 최대 수위 발생위치는 수충부로 여수로 방류시 처오름에 의한 수위 상승으로 판단된다. 기존 여수로의 단독운영(Case 1)의 수위(ηref)를 기준으로 보조 여수로의 방류량이 증가함에 따라 수위는 증가하였으나 계획홍수량의 58%까지 방류할 경우 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보되었다(Fig. 5 참조). 그러나 계획홍수량 조건에서는 월류에 대한 위험성이 존재하기 때문에 기존여수로와 보조여수로의 적절한 방류량 배분 조합을 도출하는 것이 중요하다고 판단되어 진다.

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Fig. 2

Region of interest in this study

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Fig. 3

Maximum velocity and location of Vmax according to Q_a

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Fig. 4

Maximum shear according to Q_a

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Fig. 5

Maximum water surface elevation and location of ηmax according to Q_a

Table 5.

Numerical results for each cases (Case 1 ~ Case 6)

Case	Maximum Velocity (Vmax, m/s)	Maximum Shear (τmax, kN/m²)	Evaluation in terms of Vp	Evaluation in terms of τp
1 (Q_a = 0)	9.15	0.54	No Good	No Good
2 (Q_a = Q_p)	8.87	0.56	No Good	No Good
3 (Q_a = 0.58Q_p)	6.53	0.40	No Good	No Good
4 (Q_a = 0.48Q_p)	6.22	0.36	No Good	No Good
5 (Q_a = 0.45Q_p)	4.22	0.12	Accpet	Accpet
6 (Q_a = 0.32Q_p)	4.04	0.14	Accpet	Accpet

2.3.3 기존 여수로와 보조 여수로 방류량 배분 검토

기존 여수로 및 보조 여수로 단독운영에 따른 하류하천 및 호안의 안정성 평가를 수행한 결과 계획홍수량 방류 시 하류하천 대안부에서 호안 설계 조건(허용유속 및 허용 소류력)을 초과하였으며, 처오름에 의한 수위 상승으로 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 계획 홍수량 조건에서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분을 통하여 호안 안정성을 확보하고 하류하천에 방류로 인한 피해를 최소화할 수 있는 배분조합(Case 7 ~ Case 10)을 검토하였다. Case 7은 기존 여수로와 보조여수로의 배분 비율을 균등하게 적용한 경우이고, Case 8은 기존 여수로의 배분량이 보조 여수로에 비하여 많은 경우, Case 9는 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로에 비하여 많은 경우를 의미한다. 최대유속을 비교한 결과 보조 여수로의 배분 비율이 큰 경우 기존 여수로의 배분량에 의하여 흐름이 하천 중심에 집중되어 대안부의 유속을 저감하는 효과를 확인하였다. 보조여수로의 방류량 배분 비율이 증가할수록 기존 여수로 대안부 측(0.00<X/L<0.27, Section 1) 유속 분포는 감소하였으나, 신규여수로 대안부 측(0.27<X/L<1.00, Section 2) 유속은 증가하는 것을 확인하였다(Fig. 6 참조). 그러나 유속 저감 효과에도 대안부 전구간에서 설계 허용유속 조건을 초과하여 제방의 안정성을 확보하지는 못하였다. 소류력 산정 결과 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량 보다 크면 감소하는 것을 확인하였고 일부 구간에서는 허용 소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 7 참조).

따라서 유속 저감효과가 있는 배분 비율 조건(Qa>Qe)에서 Section 2에 유속 저감에 영향을 미치는 기존 여수로 방류량 배분 비율을 증가시켜 추가 검토(Case 10)를 수행하였다. 단독운영과 비교 시 하류하천에 유입되는 유량은 증가하였음에도 불구하고 기존 여수로 방류량에 의해 흐름이 하천 중심으로 집중되는 현상에 따라 대안부의 유속은 단독 운영에 비하여 감소하는 것을 확인하였고(Fig. 8 참조), 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 조건을 만족하는 구간이 발생하여 호안 안정성도 확보한 것으로 판단되었다. 최종적으로 각 Case 별 수위 결과의 경우 여수로 동시 운영을 수행하게 되면 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 9 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 6에 제시하였다.

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Fig. 6

Maximum velocity on section 1 & 2 according to Q_a

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Fig. 7

Maximum shear on section 1 & 2 according to Q_a

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Fig. 8

Velocity results of FLOW-3D (a: auxiliary spillway operation only , b : simultaneous operation of spillways)

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Fig. 9

Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to Q_a

Table 6.

Numerical results for each cases (Case 7 ~ Case 10)

Case (Q_e & Q_a)	Maximum Velocity (Vmax, m/s)	Maximum Shear (τmax, kN/m²)	Evaluation in terms of Vp	Evaluation in terms of τp
Section 1	Section 2	Section 1	Section 2	Section 1	Section 2	Section 1	Section 2
7 Qe : 0.50QpQa : 0.50Qp	8.10	6.23	0.64	0.30	No Good	No Good	No Good	No Good
8 Qe : 0.61QpQa : 0.39Qp	8.88	6.41	0.61	0.34	No Good	No Good	No Good	No Good
9 Qe : 0.39QpQa : 0.61Qp	6.22	7.33	0.24	0.35	No Good	No Good	Accept	No Good
10 Qe : 0.42QpQa : 0.58Qp	6.39	4.79	0.30	0.19	No Good	Accept	No Good	Accept

2.3.4 방류량 배분 비율의 허용 방류량 검토

계획 홍수량 방류 시 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 검토 결과 Case 10(Q_e = 0.42Q_p, Q_a = 0.58Q_p)에서 방류에 따른 하류 하천의 피해를 최소화시킬 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 대안부 전 구간에 대하여 호안 설계조건을 만족하지 못하였다. 따라서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류 배분 비율을 고정시킨 후 총 방류량을 조절하여 허용 방류량을 검토하였다(Case 11 ~ Case 14).

호안 안정성 측면에서 검토한 결과 계획홍수량 대비 총 방류량이 감소하면 최대 유속 및 최대 소류력이 감소하고 최종적으로 계획 홍수량의 77%를 방류할 경우 하류하천의 대안부에서 호안 설계조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 10, Fig. 11 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 7에 제시하였다. 또한 Case 별 수위 검토 결과 처오름으로 인한 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 12 참조).

Table 7.

Numerical results for each cases (Case 11 ~ Case 14)

Case (Qe & Qa)	Maximum Velocity (Vmax, m/s)	Maximum Shear (τmax, kN/m²)	Evaluation in terms of Vp	Evaluation in terms of τp
Section 1	Section 2	Section 1	Section 2	Section 1	Section 2	Section 1	Section 2
11 Qe : 0.32QpQa : 0.45Qp	3.63	4.53	0.09	0.26	Accept	Accept	Accept	Accept
12 Qe : 0.35QpQa : 0.48Qp	5.74	5.18	0.23	0.22	No Good	No Good	Accept	Accept
13 Qe : 0.38QpQa : 0.53Qp	6.70	4.21	0.28	0.11	No Good	Accept	Accept	Accept
14 Qe : 0.41QpQa : 0.56Qp	6.54	5.24	0.28	0.24	No Good	No Good	Accept	Accept

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Fig. 10

Maximum velocity on section 1 & 2 according to total outflow

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Fig. 11

Maximum shear on section 1 & 2 according to total outflow

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Fig. 12

Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to total outflow

3. 결 론

본 연구에서는 홍수 시 기존 여수로의 노후화로 인한 보조 여수로의 활용방안에 대하여 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다. 여수로 방류로 인한 하류하천의 흐름특성을 검토하기 위하여 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하였고, 여수로 지형은 치수능력 증대사업을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하였다. 하류하천 조도 계수 및 여수로 방류량은 하천기본계획을 참고하여 적용하였다. 최종적으로 여수로 방류로 인한 하류하천의 피해를 최소화 시킬 수 있는 적절한 보조 여수로의 활용방안을 도출하기 위하여 보조 여수로 단독 운영과 기존 여수로와의 동시 운영에 따른 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다.

수문은 완전 개도 상태에서 방류한다는 가정으로 계획 홍수량 조건에서 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천 대안부의 유속 및 수위를 검토한 결과 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대 유속 및 최대 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천으로 유입각도가 작아지고, 유입되는 하천의 폭이 증가되기 때문이다. 그러나 계획 홍수량 조건에서 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 유속(5.0 m/s)과 허용 소류력(0.28 kN/m²)과 비교하였을 때 호안 안정성을 확보하지 못하였으며, 계획홍수량의 45% 이하 방류 시에 대안부의 호안 안정성을 확보하였다. 수위의 경우 여수로 방류에 따른 대안부에서 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성을 확인하였고 이를 통하여 기존 여수로와의 동시 운영 방안을 도출하는 것이 중요하다고 판단된다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 측면에서 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 및 총 방류량을 변화시켜가며 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다. 배분 비율의 경우 기존 여수로와 보조 여수로의 균등 배분(Case 7) 및 편중 배분(Case 8 & Case 9)을 검토하여 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 중심부로 집중되어 대안부의 최대유속, 최대소류력 및 최대수위가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 근거로 기존 여수로의 방류 비율을 증가(Q_e=0.42Q_p, Q_a=0.58Q_p)시켜 검토한 결과 대안부 일부 구간에서 허용 유속 및 허용소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 기존 여수로와 보조 여수로의 동시 운영을 통하여 적절한 방류량 배분 비율을 도출하는 것이 방류로 인한 하류하천의 피해를 저감하는데 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 설계홍수량 방류 시 전 구간에서 허용 유속 및 소류력 조건을 만족하지 못하였다. 최종적으로 전체 방류량에서 기존 여수로의 방류 비율을 42%, 보조 여수로의 방류 비율을 58%로 설정하여 허용방류량을 검토한 결과, 계획홍수량의 77%이하로 방류 시 대안부의 최대유속은 기존여수로 방류의 지배영향구간(section 1)에서 3.63 m/s, 기존 여수로와 보조 여수로 방류의 영향구간(section 2)에서 4.53 m/s로 허용유속 조건을 만족하였고, 산정한 소류력도 각각 0.09 kN/m² 및 0.26 kN/m²로 허용 소류력 조건을 만족하여 대안부 호안의 안정성을 확보하였다고 판단된다.

본 연구 결과는 기후변화 및 기존여수로의 노후화로 인하여 홍수 시 기존여수로의 단독운영으로 하류하천의 피해가 발생할 수 있는 현시점에서 치수증대 사업으로 완공된 보조 여수로의 활용방안에 대한 기초자료로 활용될 수 있고, 향후 계획 홍수량 유입 시 최적의 배분 비율 및 허용 방류량 도출에 이용할 수 있다. 다만 본 연구는 여수로 방류에 따른 제방에 작용하는 수충력은 검토하지 못하고, 허용 유속 및 허용소류력은 제방과 유수의 방향이 일정한 구간에 대하여 검토하였다. 또한 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토하여 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.

Acknowledgements

본 결과물은 K-water에서 수행한 기존 및 신규 여수로 효율적 연계운영 방안 마련(2021-WR-GP-76-149)의 지원을 받아 연구되었습니다.

References

1 Busan Construction and Management Administration (2009). Nakdonggang River Master Plan. Busan: BCMA.
2 Chow, V. T. (1959). Open-channel Hydraulics. McGraw-Hill. New York.
3 Flow Science (2011). Flow3D User Manual. Santa Fe: NM.
4 Jeon, T. M., Kim, H. I., Park, H. S., and Baek, U. I. (2006). Design of Emergency Spillway Using Hydraulic and Numerical Model-ImHa Multipurpose Dam. Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference. 1726-1731.
5 Kim, D. G., Park, S. J., Lee, Y. S., and Hwang, J. H. (2008). Spillway Design by Using Numerical Model Experiment – Case Study of AnDong Multipurpose Dam. Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference. 1604-1608.
6 Kim, J. S. (2007). Comparison of Hydraulic Experiment and Numerical Model on Spillway. Water for Future. 40(4): 74-81.
7 Kim, S. H. and Kim, J. S. (2013). Effect of Chungju Dam Operation for Flood Control in the Upper Han River. Journal of the Korean Society of Civil Engineers. 33(2): 537-548. 10.12652/Ksce.2013.33.2.537
8 K-water (2021). Regulations of Dam Management. Daejeon: K-water.
9 K-water and MOLIT (2004). Report on the Establishment of Basic Plan for the Increasing Flood Capacity and Review of Hydrological Stability of Dams. Sejong: K-water and MOLIT.
10 Lee, J. H., Julien, P. Y., and Thornton, C. I. (2019). Interference of Dual Spillways Operations. Journal of Hydraulic Engineering. 145(5): 1-13. 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001593
11 Li, S., Cain, S., Wosnik, M., Miller, C., Kocahan, H., and Wyckoff, R. (2011). Numerical Modeling of Probable Maximum Flood Flowing through a System of Spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 137(1): 66-74. 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000279
12 MOLIT (2016). Practice Guidelines of River Construction Design. Sejong: MOLIT.
13 MOLIT (2019). Standards of River Design. Sejong: MOLIT.
14 Prime Minister’s Secretariat (2003). White Book on Flood Damage Prevention Measures. Sejong: PMS.
15 Schoklitsch, A. (1934). Der Geschiebetrieb und Die Geschiebefracht. Wasserkraft Wasserwirtschaft. 4: 1-7.
16 Vanoni, V. A. (Ed.). (2006). Sedimentation Engineering. American Society of Civil Engineers. Virginia: ASCE. 10.1061/9780784408230
17 Zeng, J., Zhang, L., Ansar, M., Damisse, E., and González-Castro, J. A. (2017). Applications of Computational Fluid Dynamics to Flow Ratings at Prototype Spillways and Weirs. I: Data Generation and Validation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 143(1): 1-13. 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001112

Korean References Translated from the English

1 건설교통부·한국수자원공사 (2004). 댐의 수문학적 안정성 검토 및 치수능력증대방안 기본계획 수립 보고서. 세종: 국토교통부.
2 국무총리실 수해방지대책단 (2003). 수해방지대책 백서. 세종: 국무총리실.
3 국토교통부 (2016). 하천공사 설계실무요령. 세종: 국토교통부.
4 국토교통부 (2019). 하천설계기준해설. 세종: 국토교통부.
5 김대근, 박선중, 이영식, 황종훈 (2008). 수치모형실험을 이용한 여수로 설계 – 안동다목적댐. 한국수자원학회 학술발표회. 1604-1608.
6 김상호, 김지성 (2013). 충주댐 방류에 따른 댐 상하류 홍수위 영향 분석. 대한토목학회논문집. 33(2): 537-548. 10.12652/Ksce.2013.33.2.537
7 김주성 (2007). 댐 여수로부 수리 및 수치모형실험 비교 고찰. Water for Future. 40(4): 74-81.
8 부산국토관리청 (2009). 낙동강수계 하천기본계획(변경). 부산: 부산국토관리청.
9 전태명, 김형일, 박형섭, 백운일 (2006). 수리모형실험과 수치모의를 이용한 비상여수로 설계-임하댐. 한국수자원학회 학술발표회. 1726-1731.
10 한국수자원공사 (2021). 댐관리 규정. 대전: 한국수자원공사.

원문 보기

Figure 17. Longitudinal turbulent kinetic energy distribution on the smooth and triangular macroroughnesses: (A) Y/2; (B) Y/6.

Numerical Simulations of the Flow Field of a Submerged Hydraulic Jump over Triangular Macroroughnesses

Triangular Macroroughnesses 대한 잠긴 수압 점프의 유동장 수치 시뮬레이션

by Amir Ghaderi^1,2 ,Mehdi Dasineh³,Francesco Aristodemo² andCostanza Aricò^4,*¹Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Zanjan, Zanjan 537138791, Iran²Department of Civil Engineering, University of Calabria, Arcavacata, 87036 Rende, Italy³Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh 8311155181, Iran⁴Department of Engineering, University of Palermo, Viale delle Scienze, 90128 Palermo, Italy^*Author to whom correspondence should be addressed.Academic Editor: Anis YounesWater2021, 13(5), 674; https://doi.org/10.3390/w13050674

Abstract

The submerged hydraulic jump is a sudden change from the supercritical to subcritical flow, specified by strong turbulence, air entrainment and energy loss. Despite recent studies, hydraulic jump characteristics in smooth and rough beds, the turbulence, the mean velocity and the flow patterns in the cavity region of a submerged hydraulic jump in the rough beds, especially in the case of triangular macroroughnesses, are not completely understood. The objective of this paper was to numerically investigate via the FLOW-3D model the effects of triangular macroroughnesses on the characteristics of submerged jump, including the longitudinal profile of streamlines, flow patterns in the cavity region, horizontal velocity profiles, streamwise velocity distribution, thickness of the inner layer, bed shear stress coefficient, Turbulent Kinetic Energy (TKE) and energy loss, in different macroroughness arrangements and various inlet Froude numbers (1.7 < Fr₁ < 9.3). To verify the accuracy and reliability of the present numerical simulations, literature experimental data were considered.

Keywords: submerged hydraulic jump; triangular macroroughnesses; TKE; bed shear stress coefficient; velocity; FLOW-3D model

수중 유압 점프는 강한 난류, 공기 동반 및 에너지 손실로 지정된 초임계에서 아임계 흐름으로의 급격한 변화입니다. 최근 연구에도 불구하고, 특히 삼각형 거시적 거칠기의 경우, 평활 및 거친 베드에서의 수압 점프 특성, 거친 베드에서 잠긴 수압 점프의 공동 영역에서 난류, 평균 속도 및 유동 패턴이 완전히 이해되지 않았습니다.

이 논문의 목적은 유선의 종방향 프로파일, 캐비티 영역의 유동 패턴, 수평 속도 프로파일, 스트림 방향 속도 분포, 두께를 포함하여 서브머지드 점프의 특성에 대한 삼각형 거시 거칠기의 영향을 FLOW-3D 모델을 통해 수치적으로 조사하는 것이었습니다.

내부 층의 층 전단 응력 계수, 난류 운동 에너지(TKE) 및 에너지 손실, 다양한 거시 거칠기 배열 및 다양한 입구 Froude 수(1.7 < Fr1 < 9.3). 현재 수치 시뮬레이션의 정확성과 신뢰성을 검증하기 위해 문헌 실험 데이터를 고려했습니다.

Introduction

격렬한 난류 혼합과 기포 동반이 있는 수압 점프는 초임계에서 아임계 흐름으로의 변화 과정으로 간주됩니다[1]. 자유 및 수중 유압 점프는 일반적으로 게이트, 배수로 및 둑과 같은 수력 구조 아래의 에너지 손실에 적합합니다. 매끄러운 베드에서 유압 점프의 특성은 널리 연구되었습니다[2,3,4,5,6,7,8,9].

베드의 거칠기 요소가 매끄러운 베드와 비교하여 수압 점프의 특성에 어떻게 영향을 미치는지 예측하기 위해 거시적 거칠기에 대한 자유 및 수중 수력 점프에 대해 여러 실험 및 수치 연구가 수행되었습니다. Ead와 Rajaratnam[10]은 사인파 거대 거칠기에 대한 수리학적 점프의 특성을 조사하고 무차원 분석을 통해 수면 프로파일과 배출을 정규화했습니다.

Tokyayet al. [11]은 두 사인 곡선 거대 거칠기에 대한 점프 길이 비율과 에너지 손실이 매끄러운 베드보다 각각 35% 더 작고 6% 더 높다는 것을 관찰했습니다. Abbaspur et al. [12]는 6개의 사인파형 거대 거칠기에 대한 수력학적 점프의 특성을 연구했습니다. 그 결과, 꼬리수심과 점프길이는 평상보다 낮았고 Froude 수는 점프길이에 큰 영향을 미쳤습니다.

Shafai-Bejestan과 Neisi[13]는 수압 점프에 대한 마름모꼴 거대 거칠기의 영향을 조사했습니다. 결과는 마름모꼴 거시 거칠기를 사용하면 매끄러운 침대와 비교하여 꼬리 수심과 점프 길이를 감소시키는 것으로 나타났습니다. Izadjoo와 Shafai-Bejestan[14]은 다양한 사다리꼴 거시 거칠기에 대한 수압 점프를 연구했습니다.

그들은 전단응력계수가 평활층보다 10배 이상 크고 점프길이가 50% 감소하는 것을 관찰하였습니다. Nikmehr과 Aminpour[15]는 Flow-3D 모델 버전 11.2[16]를 사용하여 사다리꼴 블록이 있는 거시적 거칠기에 대한 수력학적 점프의 특성을 조사했습니다. 결과는 거시 거칠기의 높이와 거리가 증가할수록 전단 응력 계수뿐만 아니라 베드 근처에서 속도가 감소하는 것으로 나타났습니다.

Ghaderi et al. [17]은 다양한 형태의 거시 거칠기(삼각형, 정사각형 및 반 타원형)에 대한 자유 및 수중 수력 점프 특성을 연구했습니다. 결과는 Froude 수의 증가에 따라 자유 및 수중 점프에서 전단 응력 계수, 에너지 손실, 수중 깊이, 미수 깊이 및 상대 점프 길이가 증가함을 나타냅니다.

자유 및 수중 점프에서 가장 높은 전단 응력과 에너지 손실은 삼각형의 거시 거칠기가 존재할 때 발생했습니다. Elsebaie와 Shabayek[18]은 5가지 형태의 거시적 거칠기(삼각형, 사다리꼴, 2개의 측면 경사 및 직사각형이 있는 정현파)에 대한 수력학적 점프의 특성을 연구했습니다. 결과는 모든 거시적 거칠기에 대한 에너지 손실이 매끄러운 베드에서보다 15배 이상이라는 것을 보여주었습니다.

Samadi-Boroujeni et al. [19]는 다양한 각도의 6개의 삼각형 거시 거칠기에 대한 수력 점프를 조사한 결과 삼각형 거시 거칠기가 평활 베드에 비해 점프 길이를 줄이고 에너지 손실과 베드 전단 응력 계수를 증가시키는 것으로 나타났습니다.

Ahmed et al. [20]은 매끄러운 베드와 삼각형 거시 거칠기에서 수중 수력 점프 특성을 조사했습니다. 결과는 부드러운 침대와 비교할 때 잠긴 깊이와 점프 길이가 감소했다고 밝혔습니다. 표 1은 다른 연구자들이 제시한 과거의 유압 점프에 대한 실험 및 수치 연구의 세부 사항을 나열합니다.

Table 1. Main characteristics of some past experimental and numerical studies on hydraulic jumps.

Reference	Shape Bed-Channel Type- Jump Type	Channel Dimension (m)	Roughness (mm)	Fr₁	Investigated Flow Properties
Ead and Rajaratnam [10]	-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free jump	CL¹ = 7.60 CW² = 0.44 CH³ = 0.60	-Corrugated sheets (RH⁴ = 13 and 22)	4–10	-Upstream and tailwater depths-Jump length-Roller length-Velocity-Water surface profile
Tokyay et al. [11]	-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free jump	CL = 10.50 CW = 0.253 CH = 0.432	-Two sinusoidal corrugated (RH = 10 and 13)	5–12	-Depth ratio-Jump length-Energy loss
Izadjoo and Shafai-Bejestan [14]	-Smooth and rough beds-Two rectangular-channel-Free jump	CL = 1.2, 9 CW = 0.25, 0.50 CH = 0.40	Baffle with trapezoidal cross section (RH: 13 and 26)	6–12	-Upstream and tailwater depths-Jump length-Velocity-Bed shear stress coefficient
Abbaspour et al. [12]	-Horizontal bed with slope 0.002-Rectangular channel—smooth and rough beds-Free jump	CL = 10 CW = 0.25 CH = 0.50	-Sinusoidal bed (RH = 15,20, 25 and 35)	3.80–8.60	-Water surface profile-Depth ratio-Jump length-Energy loss-Velocity profiles-Bed shear stress coefficient
Shafai-Bejestan and Neisi [13]	-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free jump	CL = 7.50 CW = 0.35 CH = 0.50	Lozenge bed	4.50–12	-Sequent depth-Jump length
Elsebaie and Shabayek [18]	-Smooth and rough beds-Rectangular channel-With side slopes of 45 degrees for two trapezoidal and triangular macroroughnesses and of 60 degrees for other trapezoidal macroroughnesses-Free jump	CL = 9 CW = 0.295 CH = 0.32	-Sinusoidal-Triangular-Trapezoidal with two side-Rectangular-(RH = 18 and corrugation wavelength = 65)	50	-Water surface profile-Sequent depth-Jump length-Bed shear stress coefficient
Samadi-Boroujeni et al. [19]	-Rectangular channel-Smooth and rough beds-Free jump	CL = 12 CW = 0.40 CH = 0.40	-Six triangular corrugated (RH = 2.5)	6.10–13.10	-Water surface profile-Sequent depth-Jump length-Energy loss-Velocity profiles-Bed shear stress coefficient
Ahmed et al. [20]	-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Submerged jump	CL = 24.50 CW = 0.75 CH = 0.70	-Triangular corrugated sheet (RH = 40)	1.68–9.29	-Conjugated and tailwater depths-Submerged ratio-Deficit depth-Relative jump length-Jump length-Relative roller jump length-Jump efficiency-Bed shear stress coefficient
Nikmehr and Aminpour [15]	-Horizontal bed with slope 0.002-Rectangular channel-Rough bed-Free jump	CL = 12 CW = 0.25 CH = 0.50	-Trapezoidal blocks (RH = 2, 3 and 4)	5.01–13.70	-Water surface profile-Sequent depth-Jump length-Roller length-Velocity
Ghaderi et al. [17]	-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free and submerged jump	CL = 4.50 CW = 0.75 CH = 0.70	-Triangular, square and semi-oval macroroughnesses (RH = 40 and distance of roughness of I = 40, 80, 120, 160 and 200)	1.70–9.30	-Horizontal velocity distributions-Bed shear stress coefficient-Sequent depth ratio and submerged depth ratio-Jump length-Energy loss
Present study	Rectangular channel Smooth and rough beds Submerged jump	CL = 4.50 CW = 0.75 CH = 0.70	-Triangular macroroughnesses (RH = 40 and distance of roughness of I = 40, 80, 120, 160 and 200)	1.70–9.30	-Longitudinal profile of streamlines-Flow patterns in the cavity region-Horizontal velocity profiles-Streamwise velocity distribution-Bed shear stress coefficient-TKE-Thickness of the inner layer-Energy loss

CL¹: channel length, CW²: channel width, CH³: channel height, RH⁴: roughness height.

이전에 논의된 조사의 주요 부분은 실험실 접근 방식을 기반으로 하며 사인파, 마름모꼴, 사다리꼴, 정사각형, 직사각형 및 삼각형 매크로 거칠기가 공액 깊이, 잠긴 깊이, 점프 길이, 에너지 손실과 같은 일부 자유 및 수중 유압 점프 특성에 어떻게 영향을 미치는지 조사합니다.

베드 및 전단 응력 계수. 더욱이, 저자[17]에 의해 다양한 형태의 거시적 거칠기에 대한 수력학적 점프에 대한 이전 발표된 논문을 참조하면, 삼각형의 거대조도는 가장 높은 층 전단 응력 계수 및 에너지 손실을 가지며 또한 가장 낮은 잠긴 깊이, tailwater를 갖는 것으로 관찰되었습니다.

다른 거친 모양, 즉 정사각형 및 반 타원형과 부드러운 침대에 비해 깊이와 점프 길이. 따라서 본 논문에서는 삼각형 매크로 거칠기를 사용하여(일정한 거칠기 높이가 T = 4cm이고 삼각형 거칠기의 거리가 I = 4, 8, 12, 16 및 20cm인 다른 T/I 비율에 대해), 특정 캐비티 영역의 유동 패턴, 난류 운동 에너지(TKE) 및 흐름 방향 속도 분포와 같은 연구가 필요합니다.

CFD(Computational Fluid Dynamics) 방법은 자유 및 수중 유압 점프[21]와 같은 복잡한 흐름의 모델링 프로세스를 수행하는 중요한 도구로 등장하며 수중 유압 점프의 특성은 CFD 시뮬레이션을 사용하여 정확하게 예측할 수 있습니다 [22,23 ].

본 논문은 초기에 수중 유압 점프의 주요 특성, 수치 모델에 대한 입력 매개변수 및 Ahmed et al.의 참조 실험 조사를 제시합니다. [20], 검증 목적으로 보고되었습니다. 또한, 본 연구에서는 유선의 종방향 프로파일, 캐비티 영역의 유동 패턴, 수평 속도 프로파일, 내부 층의 두께, 베드 전단 응력 계수, TKE 및 에너지 손실과 같은 특성을 조사할 것입니다.

Figure 1. Definition sketch of a submerged hydraulic jump at triangular macroroughnesses.

Table 2. Effective parameters in the numerical model.

Bed Type	Q (l/s)	I (cm)	T (cm)	d (cm)	y₁ (cm)	y₄ (cm)	Fr₁= u₁/(gy₁)^0.5	S	Re₁= (u₁y₁)/υ
Smooth	30, 45	–	–	5	1.62–3.83	9.64–32.10	1.7–9.3	0.26–0.50	39,884–59,825
Triangular macroroughnesses	30, 45	4, 8, 12, 16, 20	4	5	1.62–3.84	6.82–30.08	1.7–9.3	0.21–0.44	39,884–59,825

Figure 2. Longitudinal profile of the experimental flume (Ahmed et al. [20]).

Table 3. Main flow variables for the numerical and physical models (Ahmed et al. [20]).

Models	Bed Type	Q (l/s)	d (cm)	y₁ (cm)	u₁ (m/s)	Fr₁
Numerical and Physical	Smooth	45	5	1.62–3.83	1.04–3.70	1.7–9.3
	T/I = 0.5	45	5	1.61–3.83	1.05–3.71	1.7–9.3
	T/I = 0.25	45	5	1.60–3.84	1.04–3.71	1.7–9.3

Figure 3. The boundary conditions governing the simulations.

Table 4. Characteristics of the computational grids.

Mesh	Nested Block Cell Size (cm)	Containing Block Cell Size (cm)
1	0.55	1.10
2	0.65	1.30
3	0.85	1.70

Table 5. The numerical results of mesh convergence analysis.

Parameters	Amounts
f_s₁ (-)	7.15
f_s₂ (-)	6.88
f_s₃ (-)	6.19
K (-)	5.61
E₃₂ (%)	10.02
E₂₁ (%)	3.77
GCI₂₁ (%)	3.03
GCI₃₂ (%)	3.57
GCI₃₂/r^p GCI₂₁	0.98

Figure 5. Time changes of the flow discharge in the inlet and outlet boundaries conditions (A): Q = 0.03 m3/s (B): Q = 0.045 m3/s.

Figure 6. The evolutionary process of a submerged hydraulic jump on the smooth bed—Q = 0.03 m3/s.

Figure 7. Numerical versus experimental basic parameters of the submerged hydraulic jump. (A): y3/y1; and (B): y4/y1.

Figure 8. Velocity vector field and flow pattern through the gate in a submerged hydraulic jump condition: (A) smooth bed; (B) triangular macroroughnesses.

Figure 9. Velocity vector distributions in the x–z plane (y = 0) within the cavity region.

Figure 10. Typical vertical distribution of the mean horizontal velocity in a submerged hydraulic jump [46].

Figure 11. Typical horizontal velocity profiles in a submerged hydraulic jump on smooth bed and triangular macroroughnesses.

Figure 12. Horizontal velocity distribution at different distances from the sluice gate for the different T/I for Fr1 = 6.1

Figure 13. Stream-wise velocity distribution for the triangular macroroughnesses with T/I = 0.5 and 0.25.

Figure 14. Dimensionless horizontal velocity distribution in the submerged hydraulic jump for different Froude numbers in triangular macroroughnesses.

Figure 15. Spatial variations of (umax/u1) and (δ⁄y1).

Figure 16. The shear stress coefficient (ε) versus the inlet Froude number (Fr1).

Figure 18. The energy loss (EL/E3) of the submerged jump versus inlet Froude number (Fr1).

Conclusions

본 논문에서는 유선의 종방향 프로파일, 공동 영역의 유동 패턴, 수평 속도 프로파일, 스트림 방향 속도 분포, 내부 층의 두께, 베드 전단 응력 계수, 난류 운동 에너지(TKE)를 포함하는 수중 유압 점프의 특성을 제시하고 논의했습니다. ) 및 삼각형 거시적 거칠기에 대한 에너지 손실. 이러한 특성은 FLOW-3D® 모델을 사용하여 수치적으로 조사되었습니다. 자유 표면을 시뮬레이션하기 위한 VOF(Volume of Fluid) 방법과 난류 RNG k-ε 모델이 구현됩니다. 본 모델을 검증하기 위해 평활층과 삼각형 거시 거칠기에 대해 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 비교했습니다. 본 연구의 다음과 같은 결과를 도출할 수 있다.
개발 및 개발 지역의 삼각형 거시 거칠기의 흐름 패턴은 수중 유압 점프 조건의 매끄러운 바닥과 비교하여 더 작은 영역에서 동일합니다. 삼각형의 거대 거칠기는 거대 거칠기 사이의 공동 영역에서 또 다른 시계 방향 와류의 형성으로 이어집니다.
T/I = 1, 0.5 및 0.33과 같은 거리에 대해 속도 벡터 분포는 캐비티 영역에서 시계 방향 소용돌이를 표시하며, 여기서 속도의 크기는 평균 유속보다 훨씬 작습니다. 삼각형 거대 거칠기(T/I = 0.25 및 0.2) 사이의 거리를 늘리면 캐비티 영역에 크기가 다른 두 개의 소용돌이가 형성됩니다.
삼각형 거시조도 사이의 거리가 충분히 길면 흐름이 다음 조도에 도달할 때까지 속도 분포가 회복됩니다. 그러나 짧은 거리에서 흐름은 속도 분포의 적절한 회복 없이 다음 거칠기에 도달합니다. 따라서 거시 거칠기 사이의 거리가 감소함에 따라 마찰 계수의 증가율이 감소합니다.
삼각형의 거시적 거칠기에서, 잠수 점프의 지정된 섹션에서 최대 속도는 자유 점프보다 높은 값으로 이어집니다. 또한, 수중 점프에서 두 가지 유형의 베드(부드러움 및 거친 베드)에 대해 깊이 및 와류 증가로 인해 베드로부터의 최대 속도 거리는 감소합니다. 잠수 점프에서 경계층 두께는 자유 점프보다 얇습니다.
매끄러운 베드의 난류 영역은 게이트로부터의 거리에 따라 생성되고 자유 표면 롤러 영역 근처에서 발생하는 반면, 거시적 거칠기에서는 난류가 게이트 근처에서 시작되어 더 큰 강도와 제한된 스위프 영역으로 시작됩니다. 이는 반시계 방향 순환의 결과입니다. 거시 거칠기 사이의 공간에서 자유 표면 롤러 및 시계 방향 와류.
삼각 거시 거칠기에서 침지 점프의 베드 전단 응력 계수와 에너지 손실은 유입구 Froude 수의 증가에 따라 증가하는 매끄러운 베드에서 발견된 것보다 더 큽니다. T/I = 0.50 및 0.20에서 최고 및 최저 베드 전단 응력 계수 및 에너지 손실이 평활 베드에 비해 거칠기 요소의 거리가 증가함에 따라 발생합니다.
거의 거칠기 요소가 있는 삼각형 매크로 거칠기의 존재에 의해 주어지는 점프 길이와 잠긴 수심 및 꼬리 수심의 감소는 결과적으로 크기, 즉 길이 및 높이가 감소하는 정수조 설계에 사용될 수 있습니다.
일반적으로 CFD 모델은 다양한 수력 조건 및 기하학적 배열을 고려하여 잠수 점프의 특성 예측을 시뮬레이션할 수 있습니다. 캐비티 영역의 흐름 패턴, 흐름 방향 및 수평 속도 분포, 베드 전단 응력 계수, TKE 및 유압 점프의 에너지 손실은 수치적 방법으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 거시적 차원과 유동장 및 공동 유동의 변화에 대한 다양한 배열에 대한 연구는 향후 과제로 남아 있다.

References

White, F.M. Viscous Fluid Flow, 2nd ed.; McGraw-Hill University of Rhode Island: Montreal, QC, Canada, 1991. [Google Scholar]
Launder, B.E.; Rodi, W. The turbulent wall jet. Prog. Aerosp. Sci. 1979, 19, 81–128. [Google Scholar] [CrossRef]
McCorquodale, J.A. Hydraulic jumps and internal flows. In Encyclopedia of Fluid Mechanics; Cheremisinoff, N.P., Ed.; Golf Publishing: Houston, TX, USA, 1986; pp. 120–173. [Google Scholar]
Federico, I.; Marrone, S.; Colagrossi, A.; Aristodemo, F.; Antuono, M. Simulating 2D open-channel flows through an SPH model. Eur. J. Mech. B Fluids 2012, 34, 35–46. [Google Scholar] [CrossRef]
Khan, S.A. An analytical analysis of hydraulic jump in triangular channel: A proposed model. J. Inst. Eng. India Ser. A 2013, 94, 83–87. [Google Scholar] [CrossRef]
Mortazavi, M.; Le Chenadec, V.; Moin, P.; Mani, A. Direct numerical simulation of a turbulent hydraulic jump: Turbulence statistics and air entrainment. J. Fluid Mech. 2016, 797, 60–94. [Google Scholar] [CrossRef]
Daneshfaraz, R.; Ghahramanzadeh, A.; Ghaderi, A.; Joudi, A.R.; Abraham, J. Investigation of the effect of edge shape on characteristics of flow under vertical gates. J. Am. Water Works Assoc. 2016, 108, 425–432. [Google Scholar] [CrossRef]
Azimi, H.; Shabanlou, S.; Kardar, S. Characteristics of hydraulic jump in U-shaped channels. Arab. J. Sci. Eng. 2017, 42, 3751–3760. [Google Scholar] [CrossRef]
De Padova, D.; Mossa, M.; Sibilla, S. SPH numerical investigation of characteristics of hydraulic jumps. Environ. Fluid Mech. 2018, 18, 849–870. [Google Scholar] [CrossRef]
Ead, S.A.; Rajaratnam, N. Hydraulic jumps on corrugated beds. J. Hydraul. Eng. 2002, 128, 656–663. [Google Scholar] [CrossRef]
Tokyay, N.D. Effect of channel bed corrugations on hydraulic jumps. In Proceedings of the World Water and Environmental Resources Congress 2005, Anchorage, AK, USA, 15–19 May 2005; pp. 1–9. [Google Scholar]
Abbaspour, A.; Dalir, A.H.; Farsadizadeh, D.; Sadraddini, A.A. Effect of sinusoidal corrugated bed on hydraulic jump characteristics. J. Hydro-Environ. Res. 2009, 3, 109–117. [Google Scholar] [CrossRef]
Shafai-Bejestan, M.S.; Neisi, K. A new roughened bed hydraulic jump stilling basin. Asian J. Appl. Sci. 2009, 2, 436–445. [Google Scholar] [CrossRef]
Izadjoo, F.; Shafai-Bejestan, M. Corrugated bed hydraulic jump stilling basin. J. Appl. Sci. 2007, 7, 1164–1169. [Google Scholar] [CrossRef]
Nikmehr, S.; Aminpour, Y. Numerical Simulation of Hydraulic Jump over Rough Beds. Period. Polytech. Civil Eng. 2017, 64, 396–407. [Google Scholar] [CrossRef]
Flow Science Inc. FLOW-3D V 11.2 User’s Manual; Flow Science Inc.: Santa Fe, NM, USA, 2016. [Google Scholar]
Ghaderi, A.; Dasineh, M.; Aristodemo, F.; Ghahramanzadeh, A. Characteristics of free and submerged hydraulic jumps over different macroroughnesses. J. Hydroinform. 2020, 22, 1554–1572. [Google Scholar] [CrossRef]
Elsebaie, I.H.; Shabayek, S. Formation of hydraulic jumps on corrugated beds. Int. J. Civil Environ. Eng. IJCEE–IJENS 2010, 10, 37–47. [Google Scholar]
Samadi-Boroujeni, H.; Ghazali, M.; Gorbani, B.; Nafchi, R.F. Effect of triangular corrugated beds on the hydraulic jump characteristics. Can. J. Civil Eng. 2013, 40, 841–847. [Google Scholar] [CrossRef]
Ahmed, H.M.A.; El Gendy, M.; Mirdan, A.M.H.; Ali, A.A.M.; Haleem, F.S.F.A. Effect of corrugated beds on characteristics of submerged hydraulic jump. Ain Shams Eng. J. 2014, 5, 1033–1042. [Google Scholar] [CrossRef]
Viti, N.; Valero, D.; Gualtieri, C. Numerical simulation of hydraulic jumps. Part 2: Recent results and future outlook. Water 2019, 11, 28. [Google Scholar] [CrossRef]
Gumus, V.; Simsek, O.; Soydan, N.G.; Akoz, M.S.; Kirkgoz, M.S. Numerical modeling of submerged hydraulic jump from a sluice gate. J. Irrig. Drain. Eng. 2016, 142, 04015037. [Google Scholar] [CrossRef]
Jesudhas, V.; Roussinova, V.; Balachandar, R.; Barron, R. Submerged hydraulic jump study using DES. J. Hydraul. Eng. 2017, 143, 04016091. [Google Scholar] [CrossRef]
Rajaratnam, N. The hydraulic jump as a wall jet. J. Hydraul. Div. 1965, 91, 107–132. [Google Scholar] [CrossRef]
Hager, W.H. Energy Dissipaters and Hydraulic Jump; Kluwer Academic Publisher: Dordrecht, The Netherlands, 1992; pp. 185–224. [Google Scholar]
Long, D.; Steffler, P.M.; Rajaratnam, N. LDA study of flow structure in submerged Hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 1990, 28, 437–460. [Google Scholar] [CrossRef]
Chow, V.T. Open Channel Hydraulics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1959. [Google Scholar]
Wilcox, D.C. Turbulence Modeling for CFD, 3rd ed.; DCW Industries, Inc.: La Canada, CA, USA, 2006. [Google Scholar]
Hirt, C.W.; Nichols, B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 1981, 39, 201–225. [Google Scholar] [CrossRef]
Pourshahbaz, H.; Abbasi, S.; Pandey, M.; Pu, J.H.; Taghvaei, P.; Tofangdar, N. Morphology and hydrodynamics numerical simulation around groynes. ISH J. Hydraul. Eng. 2020, 1–9. [Google Scholar] [CrossRef]
Choufu, L.; Abbasi, S.; Pourshahbaz, H.; Taghvaei, P.; Tfwala, S. Investigation of flow, erosion, and sedimentation pattern around varied groynes under different hydraulic and geometric conditions: A numerical study. Water 2019, 11, 235. [Google Scholar] [CrossRef]
Zhenwei, Z.; Haixia, L. Experimental investigation on the anisotropic tensorial eddy viscosity model for turbulence flow. Int. J. Heat Technol. 2016, 34, 186–190. [Google Scholar]
Carvalho, R.; Lemos Ramo, C. Numerical computation of the flow in hydraulic jump stilling basins. J. Hydraul. Res. 2008, 46, 739–752. [Google Scholar] [CrossRef]
Bayon, A.; Valero, D.; García-Bartual, R.; López-Jiménez, P.A. Performance assessment of Open FOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environ. Model. Softw. 2016, 80, 322–335. [Google Scholar] [CrossRef]
Daneshfaraz, R.; Ghaderi, A.; Akhtari, A.; Di Francesco, S. On the Effect of Block Roughness in Ogee Spillways with Flip Buckets. Fluids 2020, 5, 182. [Google Scholar] [CrossRef]
Ghaderi, A.; Abbasi, S. CFD simulation of local scouring around airfoil-shaped bridge piers with and without collar. Sādhanā 2019, 44, 216. [Google Scholar] [CrossRef]
Ghaderi, A.; Daneshfaraz, R.; Dasineh, M.; Di Francesco, S. Energy Dissipation and Hydraulics of Flow over Trapezoidal–Triangular Labyrinth Weirs. Water 2020, 12, 1992. [Google Scholar] [CrossRef]
Ghaderi, A.; Abbasi, S.; Abraham, J.; Azamathulla, H.M. Efficiency of trapezoidal labyrinth shaped stepped spillways. Flow Meas. Instrum. 2020, 72, 101711. [Google Scholar] [CrossRef]
Yakhot, V.; Orszag, S.A. Renormalization group analysis of turbulence. I. basic theory. J. Sci. Comput. 1986, 1, 3–51. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Biscarini, C.; Di Francesco, S.; Ridolfi, E.; Manciola, P. On the simulation of floods in a narrow bending valley: The malpasset dam break case study. Water 2016, 8, 545. [Google Scholar] [CrossRef]
Ghaderi, A.; Daneshfaraz, R.; Abbasi, S.; Abraham, J. Numerical analysis of the hydraulic characteristics of modified labyrinth weirs. Int. J. Energy Water Resour. 2020, 4, 425–436. [Google Scholar] [CrossRef]
Alfonsi, G. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations for turbulence modeling. Appl. Mech. Rev. 2009, 62. [Google Scholar] [CrossRef]
Abbasi, S.; Fatemi, S.; Ghaderi, A.; Di Francesco, S. The Effect of Geometric Parameters of the Antivortex on a Triangular Labyrinth Side Weir. Water 2021, 13, 14. [Google Scholar] [CrossRef]
Celik, I.B.; Ghia, U.; Roache, P.J. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. J. Fluids Eng. 2008, 130, 0780011–0780013. [Google Scholar]
Khan, M.I.; Simons, R.R.; Grass, A.J. Influence of cavity flow regimes on turbulence diffusion coefficient. J. Vis. 2006, 9, 57–68. [Google Scholar] [CrossRef]
Javanappa, S.K.; Narasimhamurthy, V.D. DNS of plane Couette flow with surface roughness. Int. J. Adv. Eng. Sci. Appl. Math. 2020, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]
Nasrabadi, M.; Omid, M.H.; Farhoudi, J. Submerged hydraulic jump with sediment-laden flow. Int. J. Sediment Res. 2012, 27, 100–111. [Google Scholar] [CrossRef]
Pourabdollah, N.; Heidarpour, M.; Abedi Koupai, J. Characteristics of free and submerged hydraulic jumps in different stilling basins. In Water Management; Thomas Telford Ltd.: London, UK, 2019; pp. 1–11. [Google Scholar]
Rajaratnam, N. Turbulent Jets; Elsevier Science: Amsterdam, The Netherlands, 1976. [Google Scholar]
Aristodemo, F.; Marrone, S.; Federico, I. SPH modeling of plane jets into water bodies through an inflow/outflow algorithm. Ocean Eng. 2015, 105, 160–175. [Google Scholar] [CrossRef]
Shekari, Y.; Javan, M.; Eghbalzadeh, A. Three-dimensional numerical study of submerged hydraulic jumps. Arab. J. Sci. Eng. 2014, 39, 6969–6981. [Google Scholar] [CrossRef]
Khan, A.A.; Steffler, P.M. Physically based hydraulic jump model for depth-averaged computations. J. Hydraul. Eng. 1996, 122, 540–548. [Google Scholar] [CrossRef]
De Dios, M.; Bombardelli, F.A.; García, C.M.; Liscia, S.O.; Lopardo, R.A.; Parravicini, J.A. Experimental characterization of three-dimensional flow vortical structures in submerged hydraulic jumps. J. Hydro-Environ. Res. 2017, 15, 1–12. [Google Scholar] [CrossRef]

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Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (a) Non-submerged flow

Numerical Methods in Civil Engineering

Rasoul Daneshfaraz*, Ehsan Aminvash**, Silvia Di Francesco***, Amir Najibi**, John Abraham****

토목공학의 수치해석법

Abstract

The main purpose of this study is to provide a method to increase energy dissipation on an inclined drop. Therefore, three types of rough elements with cylindrical, triangular and batshaped geometries are used on the inclined slope in the relative critical depth range of 0.128 to 0.36 and the effect of the geometry of these elements is examined using Flow 3D software. The results showed demonstrate that the downstream relative depth obtained from the numerical analysis is in good agreement with the laboratory results. The application of rough elements on the inclined drop increased the downstream relative depth and also the relative energy dissipation. The application of rough elements on the sloping surface of the drop significantly reduced the downstream Froude number, so that the Froude number in all models ranging from 4.7~7.5 to 1.45~3.36 also decreased compared to the plain drop. Bat-shaped elements are structurally smaller in size, so the use of these elements, in addition to dissipating more energy, is also economically viable.

이 연구의 주요 목적은 경사진 낙하에서 에너지 소산을 증가시키는 방법을 제공하는 것입니다. 따라서 0.128 ~ 0.36의 상대 임계 깊이 범위에서 경사면에 원통형, 삼각형 및 박쥐 모양의 형상을 가진 세 가지 유형의 거친 요소가 사용되며 이러한 요소의 형상의 영향은 Flow 3D 소프트웨어를 사용하여 조사됩니다. 결과는 수치 분석에서 얻은 하류 상대 깊이가 실험실 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 경 사진 낙하에 거친 요소를 적용하면 하류 상대 깊이와 상대 에너지 소산이 증가했습니다. 낙차 경사면에 거친 요소를 적용하면 하류의 Froude 수를 크게 감소시켜 4.7~7.5에서 1.45~3.36 범위의 모든 모델에서 Froude 수도 일반 낙차에 비해 감소했습니다. 박쥐 모양의 요소는 구조적으로 크기가 더 작기 때문에 더 많은 에너지를 분산시키는 것 외에도 이러한 요소를 사용하는 것이 경제적으로도 가능합니다.

Keywords: Downstream depth, Energy dissipation, Froude number, Inclined drop, Roughness elements

Introduction

급수 네트워크 시스템, 침식 수로, 수처리 시스템 및 경사가 큰 경우 흐름 에너지를 더 잘 제어하기 위해 경사 방울을 사용할 수 있습니다. 낙하 구조는 지반의 자연 경사를 설계 경사로 변환하여 에너지 소산, 유속 감소 및 수심 증가를 유발합니다. 따라서 흐름의 하류 에너지를 분산 시키기 위해 에너지 분산 구조를 사용할 수 있습니다. 난기류와 혼합된 물과 공기의 형성은 에너지 소비를 증가 시키는 효과적인 방법입니다. 흐름 경로에서 거칠기 요소를 사용하는 것은 에너지 소산을 위한 알려진 방법입니다. 이러한 요소는 흐름 경로에 배치됩니다. 그들은 종종 에너지 소산을 증가시키기 위해 다른 기하학적 구조와 배열을 가지고 있습니다. 이 연구의 목적은 직사각형 경사 방울에 대한 거칠기 요소의 영향을 조사하는 것입니다.

Fig. 2: Geometric and hydraulic parameters of an inclined drop equipped with roughness elements

Fig. 3: Views of the incline with (a) Bat-shaped, (b) Cylindrical, (c) Triangular roughness elements

Fig. 4: Geometric profile of inclined drop and boundary conditions with the bat-shape roughness element

Fig. 5: Variation of the RMSE varying cell size

Fig. 6: Numerical and laboratory comparison of the downstream relative depth

Fig. 7: Flow profile on inclined drop in discharge of 5 L/s: (a) Without roughness elements; (b) Bat-shaped roughness element; (c) Cylindrical roughness element; (d) Triangular roughness element

Fig. 8: Relative edge depth versus the relative critical depth

Fig. 9: Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (b) Submerged flow

Fig. 10: Relative downstream depth versus the relative critical depth

Fig. 11: Relative downstream depth versus the relative critical depth

Conclusions

현재 연구에서 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 한 높이, 한 각도, 밀도 15% 및 지그재그 배열에서 삼각형, 원통형 및 박쥐 모양의 형상을 가진 세 가지 유형의 거칠기 요소를 사용하여 경사 낙하 수리학적 매개변수에 대한 거칠기 요소 형상의 영향 평가되었다. VOF 방법을 사용하여 자유 표면 흐름을 시뮬레이션하고 초기에 3개의 난류 모델 RNG, k-ɛ 및 kω를 검증에 사용하고 이를 검토한 후 RNG 방법을 사용하여 다른 모델을 시뮬레이션했습니다. 1- 수치 결과에서 얻은 부드러운 경사 방울의 하류 상대 깊이는 실험실 데이터와 매우 좋은 상관 관계가 있으며 원통형 요소가 장착 된 경사 방울의 상대 에지 깊이 값이 가장 높았습니다. 2- 하류 상대깊이는 임계상대깊이가 증가함에 따라 상승하는 경향을 나타내어 박쥐형 요소를 구비한 경사낙하와 완만한 경사낙하가 각각 하류상대깊이가 가장 높고 가장 낮았다. 3- 하류 깊이의 증가로 인해 상대적 임계 깊이가 증가함에 따라 상대적 에너지 소산이 감소합니다. 한편, 가장 높은 에너지 소산은 박쥐 모양의 요소가 장착된 경사 낙하와 관련이 있으며 가장 낮은 에너지 소산은 부드러운 낙하와 관련이 있습니다. 삼각형, 원통형 및 박쥐 모양의 거친 요소가 장착된 드롭은 부드러운 드롭보다 각각 65%, 76% 및 85% 더 많은 흐름 에너지를 소산합니다. 4- 낙차의 경사면에 거친 요소를 적용하여 다운 스트림 Froude 수를 크게 줄여 4.7 ~ 7.5에서 1.45 ~ 3.36까지의 모든 모델에서 Froude 수가 부드러운 낙하에 비해 감소했습니다. 또한, 다른 원소보다 부피가 작은 박쥐 모양의 거칠기의 부피로 인해 이러한 유형의 거칠기를 사용하는 것이 경제적입니다.

References

References:
[1] Abbaspour, A., Shiravani, P., and Hosseinzadeh dalir, A.,
“Experimental study of the energy dissipation on the rough ramps”,
ISH journal of hydraulic engineering, 2019, p. 1-9.
[2] Abraham, J.P., Sparrow, E.M., Gorman, J.M., Zhao, Y., and
Minkowycz, W.J., “Application of an Intermittency model for
laminar, transitional, and turbulent internal flows”, Journal of
Fluids Engineering, vol. 141, 2019, paper no. 071204.
[3] Ahmad, Z., Petappa, N.M., and Westrich, B., “Energy
dissipation on block ramps with staggered boulders”, Journal of
hydraulic engineering, vol. 135(6), 2009, p. 522-526.
[4] Babaali, H.R., Shamsai, A., and Vosoughifar, H.R.,
“Computational modeling of the hydraulic jump in the stilling
basin with convergence walls using CFD codes”, Arabian Journal
for Science and Engineering, vol. 40(2), 2014, p. 381-395.
[5] Castillo, L.G., Carrillo, J.M., and Cacía, J.T., “Numerical
simulations and laboratory measurements in hydraulic jumps”,
International conference on hydroinformatics. (2014, August) New
York city.
[6] Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Esmaeli, R., Sadeghfam, S.,
and Abraham, J., “Experimental and numerical investigation for
energy dissipation of supercritical flow in sudden contractions”,
Journal of groundwater science and engineering, vol. 8(4), 2020a,
p. 396-406.
[7] Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Ghaderi, A., Kuriqi, A., and
Abraham, J., “Three-dimensional investigation of hydraulic
properties of vertical drop in the presence of step and grid
dissipators”, Symmetry, vol. 13 (5), 2021a, p. 895.
[8] Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Ghaderi, A., Abraham, J., and
Bagherzadeh, M., “SVM performance for predicting the effect of
horizontal screen diameters on the hydraulic parameters of a
vertical drop”, Applied sciences, vol. 11 (9), 2021b, p. 4238.
[9] Daneshfaraz, R., Bagherzadeh, M., Esmaeeli, R., Norouzi, R.,
and Abraham, J. “Study of the performance of support vector
machine for predicting vertical drop hydraulic parameters in the
presence of dual horizontal screens”, Water supply, vol 21(1),
2021c, p. 217-231.
[10] Daneshfaraz, R., and Ghaderi, A., “Numerical investigation of
inverse curvature ogee spillways”, Civil engineering journal, vol.
3(11), 2017, p. 1146-1156.
[11] Daneshfaraz, R., Majedi Asl, M., and Bagherzadeh, M.,
“Experimental Investigation of the Energy Dissipation and the
Downstream Relative Depth of Pool in the Sloped Gabion Drop
and the Sloped simple Drop”, AUT Journal of Civil Engineering,
2020b (In persian).
[12] Daneshfaraz, R., Majedi Asl, M., Bazyar, A., Abraham, J.,
Norouzi, R., “The laboratory study of energy dissipation in inclined
drops equipped with a screen”, Journal of Applied Water
Engineering and Research, 2020c, p. 1-10.
[13] Daneshfaraz, R., Minaei, O., Abraham, J., Dadashi, S., and
Ghaderi, A., “3-D Numerical simulation of water flow over a
broad-crested weir with openings”, ISH Journal of Hydraulic
Engineering, 2019, p.1-9.
[14] Daneshfaraz, R., Sadeghfam, S., and Kashani, M., “Numerical
simulation of flow over stepped spillways”, Research in civil
engineering and environmental engineering, vol. 2(4), 2014, p.
190-198.
[15] Ghaderi, A., Abbasi, S., Abraham, J., and Azamathulla, H.M.,
“Efficiency of trapezoidal labyrinth shaped stepped spillways”,
Flow measurement and instrumentation, vol. 72, 2020a.
[16] Ghaderi, A., Daneshfaraz, R., Dasineh, M., and Di Francesco,
S., “Energy dissipation and hydraulics of flow over trapezoidaltriangular labyrinth weirs”, Water, vol. 12(7), 2020b, p. 1-18.
[17] Ghaderi, A., Daneshfaraz, R., Torabi, M., Abraham, and
Azamathulla, H.M. “Experimental investigation on effective
scouring parameters downstream from stepped spillways”, Water
supply, vol. 20(4), 2020c, p. 1-11.
[18] Ghare, A.D., Ingle, R.N., Porey, P.D., and Gokhale, S.S.
“Block ramp design for efficient energy dissipation”, Journal of
energy dissipation, vol. 136(1), 2010, p. 1-5.
[19] Gorman, J.M., Sparrow, E.M., Smith, C.J., Ghoash, A.,
Abraham, J.P., Daneshfaraz, R., Rezezadeh, J., “In-bend pressure
drop and post-bend heat transfer for a bend with partial blockage at
its inlet”, Numerical Heat Transfer A, vol, 73, 2018, p. 743-767.
[20] Jamil, M., and Khan, S.A., “Theorical study of hydraulic jump
in circular channel section”, ISH journal of hydraulic engineering,
vol. 16(1), 2010, p. 1-10.
[21] Katourani, S., and Kashefipour, S.M., “Effect of the geometric
characteristics of baffle on hydraulic flow condition in baffled
apron drop”, Irrigation sciences and engineering, vol. 37(2), 2012,
p. 51-59.
[22] Lai, Y.G., and Wu, K.A., “Three-dimensional flow and
sediment transport model for free surface open channel flow on
unstructured flexible meshes”, Fluids, vol. 4(1), 2019, p. 1-19.

[23] Nayebzadeh, B., Lotfollahi yaghin, M.A., and Daneshfaraz,
R., “Numerical investigation of hydraulic characteristics of vertical
drops with screens and gradually wall expanding”, Amirkabir
journal of civil engineering, 2020 (In Persian).
[24] Nurouzi, R., Daneshfaraz, R., and Bazyar, A., “The study of
energy dissipation due to the use of vertical screen in the
downstream of inclined drop by adaptive Neuro-Fuzzy inference
system (ANFIS)”, AUT journal of civil engineering, 2019, (In
Persian).
[25] Ohtsu, I., and Yasuda, Y., “Hydraulic jump in sloping
channel”, Journal of hydraulic engineering, vol. 117(7), 1991, p.
905-921.
[26] Olsen, L., Abraham, J.P., Cheng, L.K., Gorman, J.M., and
Sparrow, E.M., “Summary of forced-convection fluid flow and
heat transfer for square cylinders of different aspect ratios ranging
from the cube to a two-dimensional cylinder”, Advances in Heat
Transfer, Vol. 51, 2019, p. 351-457.
[27] Pagliara, S., Das, R., and Palermo, M., “Energy dissipation on
submerged block ramps”, Journal of irrigation and drainage
engineering, vol. 134(4), 2008, p.527-532.
[28] Pagliara, S., and Palermo, M., “Effect of stilling basin
geometry on the dissipative process in the presence of block
ramps”, Journal of irrigation and drainage engineering, vol.
138(11), 2012, p. 1027-1031.
[29] Simsek, O., Akoz, M.S, and Soydan, N.G., “Numerical
validation of open channel flow over a curvilinear broad-creasted
weir”, Progress in computational fluid dynamics an international
journal, vol. 16(6), 2016, p. 364-378.
[30] Sharif, N., and Rostami, A., “Experimental and numerical
study of the effect of flow sepration on dissipating energy in
compound bucket”, APCBEE procedia, vol. 9, 2014, p. 334-338.
[31] Sparrow, E.M., Tong, J.C.K., and Abraham, J.P., “Fluid flow
in a system with separate laminar and turbulent zones”, Numerical
Heat Transfer A, vol. 53(4), 2008, p. 341-353.
[32] Sparrow, E.M., Gorman, J.M., Abraham, J.P., and
Minkowycz, W.J., “Validation of turbulence models for numerical
simulation of fluid flow and convective heat transfers”, Advances
in Heat Transfer, vol. 49, 2017, p. 397-421.
[33] Wagner, W.E., “Hydraulic model studies of the check intake
structure-potholes East canal”, Bureau of reclamation hydraulic
laboratory report hyd, 1956, 411.

FLOW-3D AM

FLOW-3D WELD 2025R1 변경점

워크플로우 향상

User Interface 통일

FLOW-3D AM 2025R1은 FLOW-3D, FLOW-3D WELD, FLOW-3D DEM의 기능을 매끄럽게 통합하여 획기적인 사용 편의성을 제공합니다. 사용자는 하나의 간소화된 인터페이스 내에서 모든 관련 물리 모델을 활성화할 수 있으며, 단일 또는 이중 합금 적용을 위한 모든 필요한 재료 특성을 정의할 수 있습니다.

신규 프로세스 탬플릿

FLOW-3D AM 2025R1에 새로 추가된 사전 로드 템플릿은 복잡한 시뮬레이션 설정을 그 어느 때보다 쉽게 만들어 줍니다. 사용자는 분말 작업, 레이저 용융, 능동 입자가 포함된 레이저 용융의 세 가지 새로운 템플릿 중 하나로 시뮬레이션을 시작할 수 있습니다. 이후에는 프로세스 시뮬레이션의 다양한 단계 간을 손쉽게 이동할 수 있으며, FLOW-3D AM 내에서 프로젝트의 연속성을 완벽하게 유지할 수 있습니다.

Restrat 워크플로우 향상

모든 입자 데이터, 재료 및 유체 특성을 이제 Restart 시뮬레이션을 위한 초기 유체 영역으로 직접 변환할 수 있습니다. 또한 사용자는 이전 분말층 적층 시뮬레이션에서 생성된 입자층을 시각화하면서 레이저 용융 시뮬레이션을 설정할 수 있습니다.

퍼포먼스 향상

이번 릴리스를 통해 FLOW-3D AM 2025R1은 고성능 컴퓨팅(HPC) 플랫폼을 지원하여 시뮬레이션 처리 속도를 대폭 향상시킵니다. 코어 솔버의 고급 OpenMP – MPI 기능을 활용함으로써, HPC 플랫폼에서의 적층 제조(AM) 시뮬레이션은 일반 워크스테이션 대비 최대 약 9배 빠르게 실행됩니다. 이를 통해 적층 제조 전문가들은 보다 빠른 시뮬레이션 수행으로 핵심 AM 애플리케이션의 시장 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

반사 모델 향상

용융 표면의 에너지 반사는 특히 키홀 영역을 시뮬레이션할 때 중요한 요소가 될 수 있습니다. FLOW-3D WELD의 개선된 반사 모델은 레이저 반사를 보다 정확하게 표현할 수 있습니다.

열원 통합 및 개선

업그레이드된 열원 정의 옵션을 통해 사용자는 나선형 및 스큐 라인과 같은 복잡한 레이저 경로를 더 정밀하게 정의할 수 있습니다. 추가적인 제어 기능을 통해 다중 소스 시뮬레이션을 위한 열원 속성을 전송할 수 있어 시간을 절약하고 오류 발생 가능성을 줄입니다.

입자-입자 상호작용

FLOW-3D AM에 새롭게 통합된 DEM 기능은 이제 파티클 위젯 내에서 기본적으로 제공되며, 다양한 입자 클래스에서 지원됩니다. DEM 모델은 병렬화되어 있으며 고성능 컴퓨팅(HPC) 플랫폼과도 호환됩니다.

개선된 반사 모델은 실제 키홀(keyhole) 역학을 보다 정밀하게 재현하기 위해 에너지 반사를 정확하게 포착함

FLOW-3D POST 지원

유체, 용융 영역, 열원, 반사 및 입자를 위한 새로운 사전 구성 객체는 FLOW-3D WELD 시뮬레이션의 시각화를 용이하게 합니다. 일반적으로 사용되는 출력의 주석은 FLOW-3D POST에서 결과 파일을 열면 자동으로 제공되므로 후처리 워크플로우가 가속화됩니다.

와이어 파우더 기반 DED | Wire Powder Based DED

일부 연구자들은 부품을 만들기 위해 더 넓은 범위의 처리 조건을 사용하여 하이브리드 와이어 분말 기반 DED 시스템을 찾고 있습니다. 예를 들어, 이 시뮬레이션은 다양한 분말 및 와이어 이송 속도를 가진 하이브리드 시스템을 살펴봅니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=pgAuNzYNtT4[/embedyt]

와이어 기반 DED | Wire Based DED

와이어 기반 DED는 분말 기반 DED보다 처리량이 높고 낭비가 적지만 재료 구성 및 증착 방향 측면에서 유연성이 떨어집니다. FLOW-3D AM 은 와이어 기반 DED의 처리 결과를 이해하는데 유용하며 최적화 연구를 통해 빌드에 대한 와이어 이송 속도 및 직경과 같은 최상의 처리 매개 변수를 찾을 수 있습니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=raxawp2DJPg[/embedyt]

FLOW-3D AM Brochure Download

FLOW-3D AM은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을 위한 수지 침투 및 확산에 대해 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.

3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다. FLOW-3D AM 은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.

파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.

FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)

LPBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.

FLOW-3D DEM 및 FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM 은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

파우더 베드 부설 공정

FLOW-3D DEM을 통해 분말 크기 분포, 재료 특성, 응집 효과는 물론 롤러 또는 블레이드 움직임 및 상호 작용과 같은 기하학적 효과와 관련된 분말 확산 및 압축을 이해할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 공정 매개 변수가 후속 인쇄 공정에서 용융 풀 역학에 직접적인 영향을 미치는 패킹 밀도와 같은 분말 베드 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 정확한 이해를 제공합니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=gnbTPaPSu4k[/embedyt] [embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=kUM3F_AysFU[/embedyt]

다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.

파우더 베드 분포 다양한 입자 크기 분포 — 세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치

파우더 베드 압축 결과 — 세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축

입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.

이 FLOW-3D AM 시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

Melting | 파우더 베드 용해

DEM 시뮬레이션에서 파우더 베드가 생성되면 STL 파일로 추출됩니다. 다음 단계는 CFD를 사용하여 레이저 용융 공정을 시뮬레이션하는 것입니다. 여기서는 레이저 빔과 파우더 베드의 상호 작용을 모델링 합니다. 이 프로세스를 정확하게 포착하기 위해 물리학에는 점성 흐름, 용융 풀 내의 레이저 반사 (광선 추적을 통해), 열 전달, 응고, 상 변화 및 기화, 반동 압력, 차폐 가스 압력 및 표면 장력이 포함됩니다. 이 모든 물리학은 이 복잡한 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 TruVOF 방법을 기반으로 개발되었습니다.

레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.

용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM 압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.

Multilayer | 다층 적층 제조

용융 풀 트랙이 응고되면 DEM을 사용하여 이전에 응고된 층에 새로운 분말 층의 확산을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 유사하게, 레이저 용융은 새로운 분말 층에서 수행되어 후속 층 간의 융합 조건을 분석 할 수 있습니다.

해석 진행 절차는 첫 번째 용융층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=q4FWOblW4Qo[/embedyt]

LPBF의 키홀 링 | Keyholing in LPBF

키홀링 중 다공성은 어떻게 형성됩니까? 이것은 TU Denmark의 연구원들이 FLOW-3D AM을 사용하여 답변한 질문이었습니다. 레이저 빔의 적용으로 기판이 녹으면 기화 및 상 변화로 인한 반동 압력이 용융 풀을 압박합니다. 반동 압력으로 인한 하향 흐름과 레이저 반사로 인한 추가 레이저 에너지 흡수가 공존하면 폭주 효과가 발생하여 용융 풀이 Keyholing으로 전환됩니다. 결국, 키홀 벽을 따라 온도가 변하기 때문에 표면 장력으로 인해 벽이 뭉쳐져서 진행되는 응고 전선에 의해 갇힐 수 있는 공극이 생겨 다공성이 발생합니다. FLOW-3D AM 레이저 파우더 베드 융합 공정 모듈은 키홀링 및 다공성 형성을 시뮬레이션 하는데 필요한 모든 물리 모델을 보유하고 있습니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=JYNsd-3CUsk[/embedyt]

바인더 분사 (Binder jetting)

Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.

Scan Strategy | 스캔 전략

스캔 전략은 온도 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치기 때문에 미세 구조에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구원들은 FLOW-3D AM 을 사용하여 결함 형성과 응고된 금속의 미세 구조에 영향을 줄 수 있는 트랙 사이에서 발생하는 재 용융을 이해하기 위한 최적의 스캔 전략을 탐색하고 있습니다. FLOW-3D AM 은 하나 또는 여러 레이저에 대해 시간에 따른 방향 속도를 구현할 때 완전한 유연성을 제공합니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=X5uiJGnBz_A[/embedyt]

Beam Shaping | 빔 형성

레이저 출력 및 스캔 전략 외에도 레이저 빔 모양과 열유속 분포는 LPBF 공정에서 용융 풀 역학에 큰 영향을 미칩니다. AM 기계 제조업체는 공정 안정성 및 처리량에 대해 다중 코어 및 임의 모양의 레이저 빔 사용을 모색하고 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하면 멀티 코어 및 임의 모양의 빔 프로파일을 구현할 수 있으므로 생산량을 늘리고 부품 품질을 개선하기 위한 최상의 구성에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

이 영역에서 수행 된 일부 작업에 대해 자세히 알아 보려면 “The Next Frontier of Metal AM”웨비나를 시청하십시오.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=4DZZiHutW78[/embedyt]

Multi-material Powder Bed Fusion | 다중 재료 분말 베드 융합

이 시뮬레이션에서 스테인리스 강 및 알루미늄 분말은 FLOW-3D AM 이 용융 풀 역학을 정확하게 포착하기 위해 추적하는 독립적으로 정의 된 온도 의존 재료 특성을 가지고 있습니다. 시뮬레이션은 용융 풀에서 재료 혼합을 이해하는 데 도움이됩니다.

[embedyt] https://www.youtube.com/watch?v=AH7I4z-DlfE[/embedyt]

다중 재료 용접 사례 연구

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사

GM과 University of Utah의 연구원들은 FLOW-3D WELD 를 사용 하여 레이저 키홀 용접을 통한 이종 금속의 혼합을 이해했습니다. 그들은 반동 압력 및 Marangoni 대류와 관련하여 구리와 알루미늄의 혼합 농도에 대한 레이저 출력 및 스캔 속도의 영향을 조사했습니다. 그들은 시뮬레이션을 실험 결과와 비교했으며 샘플 내의 절단 단면에서 재료 농도 사이에 좋은 일치를 발견했습니다.

참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056

방향성 에너지 증착

FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.

electromagnetic metal casting computation designs Fig1

A survey of electromagnetic metal casting computation designs, present approaches, future possibilities, and practical issues

The European Physical Journal Plus volume 136, Article number: 704 (2021) Cite this article

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Abstract

Electromagnetic metal casting (EMC) is a casting technique that uses electromagnetic energy to heat metal powders. It is a faster, cleaner, and less time-consuming operation. Solid metals create issues in electromagnetics since they reflect the electromagnetic radiation rather than consume it—electromagnetic energy processing results in sounded pieces with higher-ranking material properties and a more excellent microstructure solution. For the physical production of the electromagnetic casting process, knowledge of electromagnetic material interaction is critical. Even where the heated material is an excellent electromagnetic absorber, the total heating quality is sometimes insufficient. Numerical modelling works on finding the proper coupled effects between properties to bring out the most effective operation. The main parameters influencing the quality of output of the EMC process are: power dissipated per unit volume into the material, penetration depth of electromagnetics, complex magnetic permeability and complex dielectric permittivity. The contact mechanism and interference pattern also, in turn, determines the quality of the process. Only a few parameters, such as the environment’s temperature, the interference pattern, and the rate of metal solidification, can be controlled by AI models. Neural networks are used to achieve exact outcomes by stimulating the neurons in the human brain. Additive manufacturing (AM) is used to design mold and cores for metal casting. The models outperformed the traditional DFA optimization approach, which is susceptible to local minima. The system works only offline, so real-time analysis and corrections are not yet possible.

Korea Abstract

전자기 금속 주조 (EMC)는 전자기 에너지를 사용하여 금속 분말을 가열하는 주조 기술입니다. 더 빠르고 깨끗하며 시간이 덜 소요되는 작업입니다.

고체 금속은 전자기 복사를 소비하는 대신 반사하기 때문에 전자기학에서 문제를 일으킵니다. 전자기 에너지 처리는 더 높은 등급의 재료 특성과 더 우수한 미세 구조 솔루션을 가진 사운드 조각을 만듭니다.

전자기 주조 공정의 물리적 생산을 위해서는 전자기 물질 상호 작용에 대한 지식이 중요합니다. 가열된 물질이 우수한 전자기 흡수재인 경우에도 전체 가열 품질이 때때로 불충분합니다. 수치 모델링은 가장 효과적인 작업을 이끌어 내기 위해 속성 간의 적절한 결합 효과를 찾는데 사용됩니다.

EMC 공정의 출력 품질에 영향을 미치는 주요 매개 변수는 단위 부피당 재료로 분산되는 전력, 전자기의 침투 깊이, 복합 자기 투과성 및 복합 유전율입니다. 접촉 메커니즘과 간섭 패턴 또한 공정의 품질을 결정합니다. 환경 온도, 간섭 패턴 및 금속 응고 속도와 같은 몇 가지 매개 변수 만 AI 모델로 제어 할 수 있습니다.

신경망은 인간 뇌의 뉴런을 자극하여 정확한 결과를 얻기 위해 사용됩니다. 적층 제조 (AM)는 금속 주조용 몰드 및 코어를 설계하는 데 사용됩니다. 모델은 로컬 최소값에 영향을 받기 쉬운 기존 DFA 최적화 접근 방식을 능가했습니다. 이 시스템은 오프라인에서만 작동하므로 실시간 분석 및 수정은 아직 불가능합니다.

electromagnetic metal casting computation designs Fig2

electromagnetic metal casting computation designs Fig3

electromagnetic metal casting computation designs Fig4

electromagnetic metal casting computation designs Fig5

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electromagnetic metal casting computation designs Fig7

electromagnetic metal casting computation designs Fig8

electromagnetic metal casting computation designs Fig9

References

1.J. Sun, W. Wang, Q. Yue, Review on electromagnetic-matter interaction fundamentals and efficient electromagnetic-associated heating strategies. Materials 9(4), 231 (2016). https://doi.org/10.3390/ma9040231 ADS Article Google Scholar
2.E. Ghasali, A. Fazili, M. Alizadeh, K. Shirvanimoghaddam, T. Ebadzadeh, Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al-TiC metal matrix composite prepared by conventional, electromagnetic and spark plasma sintering methods. Materials 10(11), 1255 (2017). https://doi.org/10.3390/ma10111255 ADS Article Google Scholar
3.D. Agrawal, Latest global developments in electromagnetic materials processing. Mater. Res. Innov. 14(1), 3–8 (2010). https://doi.org/10.1179/143307510×12599329342926 Article Google Scholar
4.S. Singh, P. Singh, D. Gupta, V. Jain, R. Kumar, S. Kaushal, Development and characterization of electromagnetic processed cast iron joint. Eng. Sci. Technol. Int. J. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.10.012 Article Google Scholar
5.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Electromagnetic melting and processing of metal–ceramic composite castings. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 232(7), 1235–1243 (2016). https://doi.org/10.1177/0954405416666900 Article Google Scholar
6.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Novel electromagnetic composite casting process: theory, feasibility and characterization. Mater. Des. 111, 51–59 (2016). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.08.071 Article Google Scholar
7.J. Lucas, J, What are electromagnetics? LiveScience. (2018). https://www.livescience.com/50259-Electromagnetics.html
8.R. Samyal, A.K. Bagha, R. Bedi, the casting of materials using electromagnetic energy: a review. Mater. Today Proc. (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.255 Article Google Scholar
9.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Processing of Ni-WC-8Co MMC casting through electromagnetic melting. Mater. Manuf. Process. (2017). https://doi.org/10.1080/10426914.2017.1291954 Article Google Scholar
10.R. Singh, S. Singh, V. Mahajan, Investigations for dimensional accuracy of investment casting process after cycle time reduction by advancements in shell moulding. Procedia Mater. Sci. 6, 859–865 (2014). https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.103 Article Google Scholar
11.R.R. Mishra, A.K. Sharma, On melting characteristics of bulk Al-7039 alloy during in-situ electromagnetic casting. Appl. Therm. Eng. 111, 660–675 (2017). https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.09.122 Article Google Scholar
12.S. Zhang, 10 Different types of casting process. (2021). MachineMfg.com, https://www.machinemfg.com/types-of-casting/
13.Envirocare, Foundry health risks. (2013). https://envirocare.org/foundry-health-risks/
14.S.S. Gajmal, D.N. Raut, A review of opportunities and challenges in electromagnetic assisted casting. Recent Trends Product. Eng. 2(1) (2019)
15.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Electromagnetic-material interaction phenomena: heating mechanisms, challenges and opportunities in material processing. Compos. Part A (2015). https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.10.035 Article Google Scholar
16.S. Chandrasekaran, T. Basak, S. Ramanathan, Experimental and theoretical investigation on electromagnetic melting of metals. J. Mater. Process. Technol. 211(3), 482–487 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.11.001 Article Google Scholar
17.C.R. Bird, J.M. Mertz, U.S. Patent No. 4655276. (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 1987)
18.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Experimental investigation on in-situ electromagnetic casting of copper. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 346, 012052 (2018). https://doi.org/10.1088/1757-899x/346/1/012052 Article Google Scholar
19.V. Gangwar, S. Kumar, V. Singh, H. Singh, Effect of process parameters on hardness of AA-6063 in-situ electromagnetic casting by using taguchi method, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 804(1) (IOP Publishing, 2020), p. 012019
20.X. Ye, S. Guo, L. Yang, J. Gao, J. Peng, T. Hu, L. Wang, M. Hou, Q. Luo, New utilization approach of electromagnetic thermal energy: preparation of metallic matrix diamond tool bit by electromagnetic hot-press sintering. J. Alloy. Compd. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.183 Article Google Scholar
21.S. Das, A.K. Mukhopadhyay, S. Datta, D. Basu, Prospects of Electromagnetic processing: an overview. Bull. Mater. Sci. 32(1), 1–13 (2009). https://doi.org/10.1007/s12034-009-0001-4 Article Google Scholar
22.K.L. Glass, D.M. Ashby, U.S. Patent No. 9050656. (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 2015)
23.S. Verma, P. Gupta, S. Srivastava, S. Kumar, A. Anand, An overview: casting/melting of non ferrous metallic materials using domestic electromagnetic oven. J. Mater. Sci. Mech. Eng. 4(4), (2017). p-ISSN: 2393-9095; e-ISSN: 2393-9109
24.S.S. Panda, V. Singh, A. Upadhyaya, D. Agrawal, Sintering response of austenitic (316L) and ferritic (434L) stainless steel consolidated in conventional and electromagnetic furnaces. Scripta Mater. 54(12), 2179–2183 (2006). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.02.034 Article Google Scholar
25.Y. Zhang, S. Yang, S. Wang, X. Liu, L. Li, Microwave/freeze casting assisted fabrication of carbon frameworks derived from embedded upholder in tremella for superior performance supercapacitors. Energy Storage Mater. (2018). https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.006 Article Google Scholar
26.D. Thomas, P. Abhilash, M.T. Sebastian, Casting and characterization of LiMgPO4 glass free LTCC tape for electromagnetic applications. J. Eur. Ceram. Soc. 33(1), 87–93 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.08.002 Article Google Scholar
27.M.H. Awida, N. Shah, B. Warren, E. Ripley, A.E. Fathy, Modeling of an industrial Electromagnetic furnace for metal casting applications. 2008 IEEE MTT-S Int. Electromagn. Symp. Digest. (2008). https://doi.org/10.1109/mwsym.2008.4633143 Article Google Scholar
28.P.K. Loharkar, A. Ingle, S. Jhavar, Parametric review of electromagnetic-based materials processing and its applications. J. Market. Res. 8(3), 3306–3326 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.04.004 Article Google Scholar
29.E.B. Ripley, J.A. Oberhaus, WWWeb search power page-melting and heat treating metals using electromagnetic heating-the potential of electromagnetic metal processing techniques for a wide variety of metals and alloys is. Ind. Heat. 72(5), 65–70 (2005)Google Scholar
30.J. Campbell, Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy, Techniques and Design (Butterworth-Heinemann, 2015)Google Scholar
31.B. Ravi, Metal Casting: Computer-Aided Design and Analysis, 1st edn. (PHI Learning Ltd, 2005)Google Scholar
32.D.E. Clark, W.H. Sutton, Electromagnetic processing of materials. Annu. Rev. Mater. Sci. 26(1), 299–331 (1996)ADS Article Google Scholar
33.A.D. Abdullin, New capabilities of software package ProCAST 2011 for modeling foundry operations. Metallurgist 56(5–6), 323–328 (2012). https://doi.org/10.1007/s11015-012-9578-8 Article Google Scholar
34.J. Ha, P. Cleary, V. Alguine, T. Nguyen, Simulation of die filling in gravity die casting using SPH and MAGMAsoft, in Proceedings of 2nd International Conference on CFD in Minerals & Process Industries (1999) pp. 423–428
35.M. Sirviö, M. Woś, Casting directly from a computer model by using advanced simulation software FLOW-3D Cast Ž. Arch. Foundry Eng. 9(1), 79–82 (2009)Google Scholar
36.NOVACAST Systems, Nova-Solid/Flow Brochure, NOVACAST, Ronneby (2015)
37.AutoCAST-X1 Brochure, 3D Foundry Tech, Mumbai
38.EKK, Inc. Metal Casting Simulation Software and Consulting Services, CAPCAST Brochure
39.P. Muenprasertdee, Solidification modeling of iron castings using SOLIDCast (2007)
40.CasCAE, CT-CasTest Inc. Oy, Kerava
41.E. Dominguez-Tortajada, J. Monzo-Cabrera, A. Diaz-Morcillo, Uniform electric field distribution in electromagnetic heating applicators by means of genetic algorithms optimization of dielectric multilayer structures. IEEE Trans. Electromagn. Theory Tech. 55(1), 85–91 (2007). https://doi.org/10.1109/tmtt.2006.886913 ADS Article Google Scholar
42.B. Warren, M.H. Awida, A.E. Fathy, Electromagnetic heating of metals. IET Electromagn. Antennas Propag. 6(2), 196–205 (2012)Article Google Scholar
43.S. Ashouri, M. Nili-Ahmadabadi, M. Moradi, M. Iranpour, Semi-solid microstructure evolution during reheating of aluminum A356 alloy deformed severely by ECAP. J. Alloy. Compd. 466(1–2), 67–72 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.11.010 Article Google Scholar
44.Penn State, Metal Parts Made In The Electromagnetic Oven. ScienceDaily. (1999) Retrieved May 8, 2021, from www.sciencedaily.com/releases/1999/06/990622055733.htm
45.R.R. Mishra, A.K. Sharma, A review of research trends in electromagnetic processing of metal-based materials and opportunities in electromagnetic metal casting. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 41(3), 217–255 (2016). https://doi.org/10.1080/10408436.2016.1142421 ADS Article Google Scholar
46.D.K. Ghodgaonkar, V.V. Varadan, V.K. Varadan, Free-space measurement of complex permittivity and complex permeability of magnetic materials at Electromagnetic frequencies. IEEE Trans. Instrum. Meas. 39(2), 387–394 (1990). https://doi.org/10.1109/19.52520 Article Google Scholar
47.J. Baker-Jarvis, E.J. Vanzura, W.A. Kissick, Improved technique for determining complex permittivity with the transmission/reflection method. Microw. Theory Tech. IEEE Trans. 38, 1096–1103 (1990)ADS Article Google Scholar
48.M. Bologna, A. Petri, B. Tellini, C. Zappacosta, Effective magnetic permeability measurementin composite resonator structures. Instrum. Meas. IEEE Trans. 59, 1200–1206 (2010)Article Google Scholar
49.B. Ravi, G.L. Datta, Metal casting–back to future, in 52nd Indian Foundry Congress, (2004)
50.D. El Khaled, N. Novas, J.A. Gazquez, F. Manzano-Agugliaro. Microwave dielectric heating: applications on metals processing. Renew. Sustain. Energy Rev. 82, 2880–2892 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.043 Article Google Scholar
51.H. Sekiguchi, Y. Mori, Steam plasma reforming using Electromagnetic discharge. Thin Solid Films 435, 44–48 (2003)ADS Article Google Scholar
52.J. Sun, W. Wang, C. Zhao, Y. Zhang, C. Ma, Q. Yue, Study on the coupled effect of wave absorption and metal discharge generation under electromagnetic irradiation. Ind. Eng. Chem. Res. 53, 2042–2051 (2014)Article Google Scholar
53.K.I. Rybakov, E.A. Olevsky, E.V. Krikun, Electromagnetic sintering: fundamentals and modeling. J. Am. Ceram. Soc. 96(4), 1003–1020 (2013). https://doi.org/10.1111/jace.12278 Article Google Scholar
54.A.K. Shukla, A. Mondal, A. Upadhyaya, Numerical modeling of electromagnetic heating. Sci. Sinter. 42(1), 99–124 (2010)Article Google Scholar
55.M. Chiumenti, C. Agelet de Saracibar, M. Cervera, On the numerical modeling of the thermomechanical contact for metal casting analysis. J. Heat Transf. 130(6), (2008). https://doi.org/10.1115/1.2897923 Article MATH Google Scholar
56.B. Ravi, Metal Casting: Computer-Aided Design and Analysis. (PHI Learning Pvt. Ltd., 2005)
57.J.H. Lee, S.D. Noh, H.-J. Kim, Y.-S. Kang, Implementation of cyber-physical production systems for quality prediction and operation control in metal casting. Sensors 18, 1428 (2018). https://doi.org/10.3390/s18051428 ADS Article Google Scholar
58.B. Aksoy, M. Koru, Estimation of casting mold interfacial heat transfer coefficient in pressure die casting process by artificial intelligence methods. Arab. J. Sci. Eng. 45, 8969–8980 (2020). https://doi.org/10.1007/s13369-020-04648-7 Article Google Scholar
59.S.S. Miriyala, V.R. Subramanian, K. Mitra, TRANSFORM-ANN for online optimization of complex industrial processes: casting process as case study. Eur. J. Oper. Res. 264(1), 294–309 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ejor.2017.05.026 MathSciNet Article MATH Google Scholar
60.J.K. Kittu, G.C.M. Patel, M. Parappagoudar, Modeling of pressure die casting process: an artificial intelligence approach. Int. J. Metalcast. (2015). https://doi.org/10.1007/s40962-015-0001-7 Article Google Scholar
61.W. Chen, B. Gutmann, C.O. Kappe, Characterization of electromagnetic-induced electric discharge phenomena in metal-solvent mixtures. ChemistryOpen 1, 39–48 (2012)Article Google Scholar
62.J. Walker, A. Prokop, C. Lynagh, B. Vuksanovich, B. Conner, K. Rogers, J. Thiel, E. MacDonald, Real-time process monitoring of core shifts during metal casting with wireless sensing and 3D sand printing. Addit. Manuf. (2019). https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.02.018 Article Google Scholar
63.G.C. Manjunath Patel, A.K. Shettigar, M.B. Parappagoudar, A systematic approach to model and optimize wear behaviour of castings produced by squeeze casting process. J. Manuf. Process. 32, 199–212 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.02.004 Article Google Scholar
64.G.C. Manjunath Patel, P. Krishna, M.B. Parappagoudar, An intelligent system for squeeze casting process—soft computing based approach. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 86, 3051–3065 (2016). https://doi.org/10.1007/s00170-016-8416-8 Article Google Scholar
65.M. Ferguson, R. Ak, Y.T. Lee, K.H. Law, Automatic localization of casting defects with convolutional neural networks, in 2017 IEEE International Conference on Big Data (Big Data) (Boston, MA, USA, 2017), pp. 1726–1735. https://doi.org/10.1109/BigData.2017.8258115.
66.P.K.D.V. Yarlagadda, Prediction of die casting process parameters by using an artificial neural network model for zinc alloys. Int. J. Prod. Res. 38(1), 119–139 (2000). https://doi.org/10.1080/002075400189617 Article MATH Google Scholar
67.G.C. ManjunathPatel, A.K. Shettigar, P. Krishna, M.B. Parappagoudar, Back propagation genetic and recurrent neural network applications in modelling and analysis of squeeze casting process. Appl. Soft Comput. 59, 418–437 (2017). https://doi.org/10.1016/j.asoc.2017.06.018 Article Google Scholar
68.J. Zheng, Q. Wang, P. Zhao et al., Optimization of high-pressure die-casting process parameters using artificial neural network. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 44, 667–674 (2009). https://doi.org/10.1007/s00170-008-1886-6 Article Google Scholar
69.E. Mares, J. Sokolowski, Artificial intelligence-based control system for the analysis of metal casting properties. J. Achiev. Mater. Manuf. Eng. 40, 149–154 (2010)Google Scholar
70.K.S. Senthil, S. Muthukumaran, C. Chandrasekhar Reddy, Suitability of friction welding of tube to tube plate using an external tool process for different tube diameters—a study. Exp. Tech. 37(6), 8–14 (2013)Article Google Scholar
71.N.K. Bhoi, H. Singh, S. Pratap, P.K. Jain, Electromagnetic material processing: a clean, green, and sustainable approach. Sustain. Eng. Prod. Manuf. Technol. (2019). https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816564-5.00001-3 Article Google Scholar
72.K.S. Senthil, D.A. Daniel, An investigation of boiler grade tube and tube plate without block by using friction welding process. Mater. Today Proc. 5(2), 8567–8576 (2018)Article Google Scholar
73.E. Hetmaniok, D. Słota, A. Zielonka, Restoration of the cooling conditions in a three-dimensional continuous casting process using artificial intelligence algorithms. Appl. Math. Modell. 39(16), 4797–4807 (2015). https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.03.056 Article MATH Google Scholar
74.C.V. Kumar, S. Muthukumaran, A. Pradeep, S.S. Kumaran, Optimizational study of friction welding of steel tube to aluminum tube plate using an external tool process. Int. J. Mech. Mater. Eng. 6(2), 300–306 (2011)Google Scholar
75.T. Adithiyaa, D. Chandramohan, T. Sathish, Optimal prediction of process parameters by GWO-KNN in stirring-squeeze casting of AA2219 reinforced metal matrix composites. Mater. Today Proc. 150, 1598 (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.051 Article Google Scholar
76.B.P. Pehrson, A.F. Moore (2014). U.S. Patent No. 8708031 (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 2014)
77.Liu, J., & Rynerson, M. L. (2008). U.S. Patent No. 7,461,684. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
78.K. Salonitis, B. Zeng, H.A. Mehrabi, M. Jolly, The challenges for energy efficient casting processes. Procedia CIRP 40, 24–29 (2016). https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.01.043 Article Google Scholar
79.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Effect of solidification environment on microstructure and indentation hardness of Al–Zn–Mg alloy casts developed using electromagnetic heating. Int. J. Metal Cast. 10, 1–13 (2017). https://doi.org/10.1007/s40962-017-0176-1 Article Google Scholar
80.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Effect of susceptor and Mold material on microstructure of in-situ electromagnetic casts of Al–Zn–Mg alloy. Mater. Des. 131, 428–440 (2017). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.06.038 Article Google Scholar
81.S. Kaushal, S. Bohra, D. Gupta, V. Jain, On processing and characterization of Cu–Mo-based castings through electromagnetic heating. Int. J. Metalcast. (2020). https://doi.org/10.1007/s40962-020-00481-8 Article Google Scholar
82.S. Nandwani, S. Vardhan, A.K. Bagha, A literature review on the exposure time of electromagnetic based welding of different materials. Mater. Today Proc. (2019). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.056 Article Google Scholar
83.F.J.B. Brum, S.C. Amico, I. Vedana, J.A. Spim, Electromagnetic dewaxing applied to the investment casting process. J. Mater. Process. Technol. 209(7), 3166–3171 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.07.024 Article Google Scholar
84.M.P. Reddy, R.A. Shakoor, G. Parande, V. Manakari, F. Ubaid, A.M.A. Mohamed, M. Gupta, Enhanced performance of nano-sized SiC reinforced Al metal matrix nanocomposites synthesized through electromagnetic sintering and hot extrusion techniques. Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 27(5), 606–614 (2017). https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2017.08.015 Article Google Scholar
85.V.R. Kalamkar, K. Monkova, (Eds.), Advances in Mechanical Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering. (2021) https://doi.org/10.1007/978-981-15-3639-7
86.V. Bist, A.K. Sharma, P. Kumar, Development and microstructural characterisations of the lead casting using electromagnetic technology. Manager’s J. Mech. Eng. 4(4), 6 (2014). https://doi.org/10.26634/jme.4.4.2840 Article Google Scholar
87.A. Sharma, A. Chouhan, L. Pavithran, U. Chadha, S.K. Selvaraj, Implementation of LSS framework in automotive component manufacturing: a review, current scenario and future directions. Mater Today: Proc. (2021). https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2021.02.374 Article Google Scholar

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Fig. 1. A) Computational domain showing the cylinder, the profiles PF1, PF2 and the mining pit as set-up in the laboratory (B).

Numerical analysis of water flow around a bridge pier in a sand mined channel

모래 채굴 수로에서 교각 주변의 물 흐름에 대한 수치 해석

Oscar HERRERA-GRANADOS^1,, Abhijit LADE^2,, Bimlesh KUMAR₃
¹ Faculty of Civil Engineering, Wroclaw University of Science and Technology, Poland
email: Oscar.Herrera-Granados@pwr.edu.pl
^{2 3}Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology, Guwahati, India
email: lade176104013@iitg.ac.in
email: bimk@iitg.ac.in

ABSTRACT

Extraction of sand from river beds has a variety of effects on the hydraulic and morphological characteristicsof the fluvial systems. Recent studies on mining pit have revealed that downstream reaches of the mining pitare more prone to erosion due to increased bed shear stresses. Bridge piers in the vicinity of such mining pitsare also prone to streambed instabilities due to turbulence alterations as suggested by a few recent studies.Thus, a numerical study was carried out to study the effects of a mining pit on the hydrodynamics around acircular pier. The numerical experiments were conducted with the Computational Fluid Dynamics (CFD) codeFlow-3D, which can run several turbulence model closures. In this contribution, the authors applied theclassical RANS equations with the volume of fluid (VOF) method (Savage and Johnson, 2001).

강바닥에서 모래를 추출하는 것은 하강 시스템의 수력 학적 및 형태 학적 특성에 다양한 영향을 미칩니다. 광산 구덩이에 대한 최근 연구에 따르면 광산 구덩이의 하류 도달은 베드 전단 응력 증가로 인해 침식되기 쉽습니다. 이러한 광산 구덩이 근처의 교각은 최근 몇 가지 연구에서 제안한 바와 같이 난류 변화로 인해 유동 불안정성이 발생하기 쉽습니다. 따라서 원형 부두 주변의 유체 역학에 대한 광산 구덩이의 영향을 연구하기 위해 수치 연구가 수행되었습니다. 수치 실험은 CFD (Computational Fluid Dynamics) 코드 Flow-3D로 수행되었으며, 여러 난류 모델 폐쇄를 실행할 수 있습니다. 이 공헌에서 저자는 VOF (volume of fluid) 방법 (Savage and Johnson, 2001)과 함께 고전적인 RANS 방정식을 적용했습니다.

1. Set-up and boundary conditions

두 번의 수치 실행 결과가 이 기여도에서 비교됩니다. 첫 번째 실험에서 0.044 [m3-s-1]의 정상 유량이 원통 부두가 있는 1.0 [m] 폭의 채널을 따라 흐르는 상류 경계 조건으로 설정되었습니다. 계산 영역은 IIT Guwahati 수력학 실험실 (Lade et al., 2019b)의 틸팅 유체 크기를 기반으로 정의됩니다. 두 번째 실행에서는 동일한 배출물이 실린더의 상류에 있는 준설 사다리꼴 구덩이와 함께 실린더 주위로 통과되었습니다. 구덩이의 깊이는 0.1 [m]이고 수로 전체에 걸쳐 확장되었습니다. 수로의 길이 방향을 따라 피트의 상단 너비는 0.67 [m], 하단 너비는 0.33 [m]였습니다.

이 연구의 주요 초점은 채굴 구덩이 (그림 1의 PF2)가있을 때 구덩이 하류 (그림 1의 PF1)와 실린더 하류의 흐름 특성의 변화를 조사하는 것이 었습니다. 따라서 채널 베드는 고정 베드 모델을 사용하여 시뮬레이션 되었습니다. 두 실험의 수압 조건은 CFD 경계 조건으로 설정된 표 1에 나와 있습니다. 배출구 (하류 경계 조건)는 실험실 기록 중에 측정된 수심을 사용하여 설정되었습니다 (Lade et al., 2019a).

Fig. 2. Output of the CFD model (velocity magnitude) without the sand pit (left side) and with the trapezoidal sand pit (right side).

Fig. 3. Output of the CFD model. Streamwise velocity ux, TKE as well as Lt profiles along the locations PF1 and PF2

References

Herrera-Granados O (2018) Turbulence flow modeling of one-sharp-groyne field. In Free surface flows and transport processes :
36th International School of Hydraulics. Geoplanet: Earth and Planetary Series. Springer IP AG, 207-218.
Lade AD, Deshpande V, Kumar B (2019a) Study of flow turbulence around a circular bridge pier in sand-mined stream channel.
Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Water Management,https://doi.org/10.1680/jwama.19.00041
Lade AD, A, DT, Kumar B (2019b) Randomness in flow turbulence around a bridge pier in a sand
mined channel..Physica A 535 122426
Savage, BM, Johnson, M.C (2001). Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. J. Hydraulic Eng.,
127(8), 640–649.

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3D flow simulation to improve the design and operation of the dam bottom outlets

Arabian Journal of Geosciences volume 14, Article number: 90 (2021) Cite this article

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Abstract

The most widely used method of flushing of reservoirs is to remove the deposited sediment through the bottom outlets. The size and shape of gates affect the outflow volume of water, the volume of removed sediments, and flushing efficiency. The purpose of this study is to investigate the effect of the area, number and shape of the bottom outlet gates on the velocity, concentration, and volume of the removed sediments and the dimensions of the flushing cone. Four different shapes with the same area were used for this purpose. Moreover, to study the effect of area and number of gates on flushing efficiency, circular gates with two different diameters were used. In this research, various pressure flushing modes were simulated using the Flow-3D model. Calibration and evaluation of this model were performed based on experimental findings. Results showed the parameters of the Flow-3D measures such as length, width, maximum depth, and flushing cone size with an average error of 3%, which is in good agreement with experimental results. As the area of the outlet gates increases, flushing is less risky in viewpoints of the operation process. Furthermore, the gate with a horizontal-rectangular section has an optimal shape with the highest flushing efficiency.

저수지를 세척하는 가장 널리 사용되는 방법은 바닥 배출구를 통해 침전된 침전물을 제거하는 것입니다. 게이트의 크기와 모양은 물의 유출량, 제거 된 퇴적물의 양 및 세척 효율에 영향을 미칩니다.

이 연구의 목적은 제거된 퇴적물의 속도, 농도 및 부피와 플러싱 콘의 크기에 대한 바닥 출구 게이트의 면적, 수 및 모양의 영향을 조사하는 것입니다.

이 목적을 위해 동일한 면적을 가진 4 개의 다른 모양이 사용되었습니다. 또한 플러싱 효율에 대한 면적과 게이트 수의 영향을 연구하기 위해 두 가지 직경의 원형 게이트를 사용했습니다. 이 연구에서는 Flow-3D 모델을 사용하여 다양한 압력 플러싱 모드를 시뮬레이션했습니다.

이 모델의 보정 및 평가는 실험 결과를 기반으로 수행되었습니다. 결과는 길이, 너비, 최대 깊이 및 플러싱 콘 크기와 같은 Flow-3D 측정의 매개 변수를 보여 주며 평균 오차는 3 %로 실험 결과와 잘 일치합니다. 출구 게이트의 면적이 증가함에 따라 작동 과정의 관점에서 플러싱이 덜 위험합니다. 또한 수평 직사각형 단면의 게이트는 최고의 세척 효율로 최적의 모양을 갖습니다.

Keywords

Computer model
Scouring
Flushing
Bottom outlet
Flow-3D
Sedimentation

Fig2 3D flow simulation to improve the design and operation of the dam bottom outlets

Fig8 3D flow simulation to improve the design and operation of the dam bottom outlets

Fig10 3D flow simulation to improve the design and operation of the dam bottom outlets

References

Atkinson E (1996) The feasibility of flushing sediment from the reservoir. Report OD 137. Wallingford.
Brandt SA (2000) A review of reservoir desiltation. International Journal of Sediment Research. 15:321–342Google Scholar
Brethour J (2003) Modeling sediment scour. Flow Science Inc. Report FSI-03-TN62
Brethour J, Burnham J (2010) Modeling sediment erosion and deposition with the FLOW-3D sedimentation & scour model. Flow Science Technical Note. FSI-10-TN85, pp: 1-22.
Dawdy DR, Vanoni VA (1986) Modeling alluvial channels. Water Resources Research. Vol. 22(9S):71S–81SGoogle Scholar
Dehghani AA, Mosaedi A, Imamgholizadeh S, Meshkati ME (2010) Experimental investigation of pressure flushing technique in reservoir storages. Application Plans of the Ministry of Energy
Epely-Chauvin G, De Cesare G, Schwindt S (2014) Numerical modelling of plunge pool scour evolution in non-cohesive sediments. Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 8(4):477–487. https://doi.org/10.1080/19942060.2014.11083301 Article Google Scholar
Esmaeili T, Sumi T, Kantoush SA, Kubota Y, Haun S, Rüther N (2017) Three-dimensional numerical study of free-flow sediment flushing to increase the flushing efficiency: a case-study reservoir in Japan. Water. Vol. 9. No. 11, p. 900. https://doi.org/10.3390/w9110900 .
Fang D, Cao S (1996) An experimental study on scour funnel in front of a sediment flushing outlet of a reservoir. Proceedings of the 6th Federal Interagency Sedimentation Conference. Las Vegas. March 10-14, pp: I.78-I.84.
Hemphil RG (1931) Silting and life of southwestern reservoirs. Proceedings of the American Society of Civil Engineers. 56(5):967–980Google Scholar
Holly FM, Cunge JA (1975) Time dependent mass dispersion in natural streams. In: Modelling Techniques. ASCE, San Francisco, pp 1121–1137Google Scholar
Huan CC, Lai JS, Lee FZ, Tan Y C (2018) Physical model-based investigation of reservoir sedimentation processes. Water. Vol. 10, No. 4, p. 352. https://doi.org/10.3390/w10040352.
Khosronejad A, Rennie CD, Neyshabouri AS, Gholami I (2008) Three-dimensional numerical modeling of reservoir sediment release. Journal of Hydraulic Research. 46(2):209–223. https://doi.org/10.1080/00221686.2008.9521856 Article Google Scholar
Lai JS, Shen HW (1996) Flushing sediment through reservoirs. Journal of Hydraulic Research. 34(2):237–255. https://doi.org/10.1080/00221689609498499 Article Google Scholar
Lyn H (1987) Unsteady sediment transport modeling. Journal of Hydraulic Engineering. ASCE 110(4):450–466Google Scholar
Meshkati ME, Dehghani AA, Naser G, Emamgholizadeh S, Mosaedi A (2009) Evolution of developing flushing cone during the pressurized flushing in reservoir storage. World Academy of Science. Engineering and Technology 58:1107–1111Google Scholar
Morris GL (1995) Reservoir sedimentation and sustainable development in India: problem scope and remedial strategies. Sixth International Symposium on River Sedimentation, Management of Sediment: Philosophy, Aims, and Techniques, New Delhi.
Morris GL, Fan J (1998) Reservoir sedimentation handbook: design and management of dams, reservoirs, and watersheds for sustainable use. McGraw Hill, New York. USAGoogle Scholar
Movahedi A, Kavianpour MR, Yamini OA (2018) Evaluation and modeling scouring and sedimentation around downstream of large dams. Environmental Earth Sciences 77:1–17. https://doi.org/10.1007/s12665-018-7487-2 Article Google Scholar
Petkovšek G, Roca M, Kitamura Y (2020) Sediment flushing from reservoirs: a review. Dams and Reservoirs. 30(1):12–21. https://doi.org/10.1680/jdare.20.00005 Article Google Scholar
Sawadogo O, Basson GR, Schneiderbauer S (2019) Physical and coupled fully three-dimensional numerical modeling of pressurized bottom outlet flushing processes in reservoirs. International Journal of Sediment Research. 34:461–474. https://doi.org/10.1016/j.ijsrc.2019.02.001 Article Google Scholar
Scheuerlein H, Tritthart M, Nunez-Gonzalez F (2004) Numerical and physical modeling concerning the removal of sediment deposits from reservoirs. Conference proceeding of Hydraulic of Dams and River Structures, Tehran, Iran, pp 245–254Google Scholar
Török GT, Baranya S, Rüther N (2017) 3D CFD modeling of local scouring, bed armoring and sediment deposition. Water. Vol. 9, No. 1, p. 56, https://doi.org/10.3390/w9010056.
White WR, Bettess R (1984) The feasibility of flushing sediments through reservoirs. challenges in African hydrology and water resources Proceedings of the Harare Symposium, IAHS Publication, No.144, pp. 577-587.
Xie Z (2011) Theoretical and numerical research on sediment transport in pressurized flow conditions. The University of Nebraska-Lincoln.
Yucel O, Graf WH (1973) Bed load deposition and delta formation: a mathematical model. December 1973. Fritz Laboratory Reports. 2062.

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Figure 6. Evolution of melt pool in the overhang region (θ = 45°, P = 100 W, v = 1000 mm/s, the streamlines are shown by arrows).

Experimental and numerical investigation of the origin of surface roughness in laser powder bed fused overhang regions

레이저 파우더 베드 융합 오버행 영역에서 표면 거칠기의 원인에 대한 실험 및 수치 조사

Shaochuan Feng ,Amar M. Kamat ,Soheil Sabooni &Yutao Pei Pages S66-S84 | Received 18 Jan 2021, Accepted 25 Feb 2021, Published online: 10 Mar 2021

ABSTRACT

Surface roughness of laser powder bed fusion (L-PBF) printed overhang regions is a major contributor to deteriorated shape accuracy/surface quality. This study investigates the mechanisms behind the evolution of surface roughness (R_a) in overhang regions. The evolution of surface morphology is the result of a combination of border track contour, powder adhesion, warp deformation, and dross formation, which is strongly related to the overhang angle (θ). When 0° ≤ θ ≤ 15°, the overhang angle does not affect R_a significantly since only a small area of the melt pool boundaries contacts the powder bed resulting in slight powder adhesion. When 15° < θ ≤ 50°, powder adhesion is enhanced by the melt pool sinking and the increased contact area between the melt pool boundary and powder bed. When θ > 50°, large waviness of the overhang contour, adhesion of powder clusters, severe warp deformation and dross formation increase R_a sharply.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF) 프린팅 오버행 영역의 표면 거칠기는 형상 정확도 / 표면 품질 저하의 주요 원인입니다. 이 연구 는 오버행 영역에서 표면 거칠기 (R_a ) 의 진화 뒤에 있는 메커니즘을 조사합니다 . 표면 형태의 진화는 오버행 각도 ( θ ) 와 밀접한 관련이있는 경계 트랙 윤곽, 분말 접착, 뒤틀림 변형 및 드로스 형성의 조합의 결과입니다 . 0° ≤ θ ≤ 15° 인 경우 , 용융풀 경계의 작은 영역 만 분말 베드와 접촉하여 약간의 분말 접착이 발생하기 때문에 오버행 각도가 R _a에 큰 영향을 주지 않습니다 . 15° < θ 일 때 ≤ 50°, 용융 풀 싱킹 및 용융 풀 경계와 분말 베드 사이의 증가된 접촉 면적으로 분말 접착력이 향상됩니다. θ > 50° 일 때 오버행 윤곽의 큰 파형, 분말 클러스터의 접착, 심한 휨 변형 및 드 로스 형성이 R_a 급격히 증가 합니다.

KEYWORDS: Laser powder bed fusion (L-PBF), melt pool dynamics, overhang region, shape deviation, surface roughness

1. Introduction

레이저 분말 베드 융합 (L-PBF)은 첨단 적층 제조 (AM) 기술로, 집중된 레이저 빔을 사용하여 금속 분말을 선택적으로 융합하여 슬라이스 된 3D 컴퓨터 지원에 따라 층별로 3 차원 (3D) 금속 부품을 구축합니다. 설계 (CAD) 모델 (Chatham, Long 및 Williams 2019 ; Tan, Zhu 및 Zhou 2020 ). 재료가 인쇄 층 아래에 존재하는지 여부에 따라 인쇄 영역은 각각 솔리드 영역 또는 돌출 영역으로 분류 될 수 있습니다. 따라서 오버행 영역은 고체 기판이 아니라 분말 베드 바로 위에 건설되는 특수 구조입니다 (Patterson, Messimer 및 Farrington 2017). 오버행 영역은지지 구조를 포함하거나 포함하지 않고 구축 할 수 있으며, 지지대가있는 돌출 영역의 L-PBF는 지지체가 더 낮은 밀도로 구축된다는 점을 제외 하고 (Wang and Chou 2018 ) 고체 기판의 공정과 유사합니다 (따라서 기계적 강도가 낮기 때문에 L-PBF 공정 후 기계적으로 쉽게 제거 할 수 있습니다. 따라서지지 구조로 인쇄 된 오버행 영역은 L-PBF 공정 후 지지물 제거, 연삭 및 연마와 같은 추가 후 처리 단계가 필요합니다.

수평 내부 채널의 제작과 같은 일부 특정 경우에는 공정 후 지지대를 제거하기가 어려우므로 채널 상단 절반의 돌출부 영역을 지지대없이 건설해야합니다 (Hopkinson and Dickens 2000 ). 수평 내부 채널에 사용할 수없는지지 구조 외에도 내부 표면, 특히 등각 냉각 채널 (Feng, Kamat 및 Pei 2021 ) 에서 발생하는 복잡한 3D 채널 네트워크의 경우 표면 마감 프로세스를 구현하는 것도 어렵습니다 . 결과적으로 오버행 영역은 (i) 잔류 응력에 의한 변형, (ii) 계단 효과 (Kuo et al. 2020 ; Li et al. 2020 )로 인해 설계된 모양에서 벗어날 수 있습니다 .) 및 (iii) 원하지 않는 분말 소결로 인한 향상된 표면 거칠기; 여기서, 앞의 두 요소는 일반적으로 mm 길이 스케일에서 ‘매크로’편차로 분류되고 후자는 일반적으로 µm 길이 스케일에서 ‘마이크로’편차로 인식됩니다.

열 응력에 의한 변형은 오버행 영역에서 발생하는 중요한 문제입니다 (Patterson, Messimer 및 Farrington 2017 ). 국부적 인 용융 / 냉각은 용융 풀 내부 및 주변에서 큰 온도 구배를 유도하여 응고 된 층에 집중적 인 열 응력을 유발합니다. 열 응력에 의한 뒤틀림은 고체 영역을 현저하게 변형하지 않습니다. 이러한 영역은 아래의 여러 레이어에 의해 제한되기 때문입니다. 반면에 오버행 영역은 구속되지 않고 공정 중 응력 완화로 인해 상당한 변형이 발생합니다 (Kamat 및 Pei 2019 ). 더욱이 용융 깊이는 레이어 두께보다 큽니다 (이전 레이어도 재용 해되어 빌드 된 레이어간에 충분한 결합을 보장하기 때문입니다 [Yadroitsev et al. 2013 ; Kamath et al.2014 ]),응고 된 두께가 설계된 두께보다 크기 때문에형태 편차 (예 : 드 로스 [Charles et al. 2020 ; Feng et al. 2020 ])가 발생합니다. 마이크로 스케일에서 인쇄 된 표면 (R_a 및 S_a ∼ 10 μm)은 기계적으로 가공 된 표면보다 거칠다 (Duval-Chaneac et al. 2018 ; Wen et al. 2018 ). 이 문제는고형화 된 용융 풀의 가장자리에 부착 된 용융되지 않은 분말의 결과로 표면 거칠기 (R_a )가 일반적으로 약 20 μm인 오버행 영역에서 특히 심각합니다 (Mazur et al. 2016 ; Pakkanen et al. 2016 ).

오버행 각도 ( θ , 빌드 방향과 관련하여 측정)는 오버행 영역의 뒤틀림 편향과 표면 거칠기에 영향을 미치는 중요한 매개 변수입니다 (Kamat and Pei 2019 ; Mingear et al. 2019 ). θ ∼ 45 ° 의 오버행 각도 는 일반적으로지지 구조없이 오버행 영역을 인쇄 할 수있는 임계 값으로 합의됩니다 (Pakkanen et al. 2016 ; Kadirgama et al. 2018 ). θ 일 때이 임계 값보다 크면 오버행 영역을 허용 가능한 표면 품질로 인쇄 할 수 없습니다. 오버행 각도 외에도 레이저 매개 변수 (레이저 에너지 밀도와 관련된)는 용융 풀의 모양 / 크기 및 용융 풀 역학에 영향을줌으로써 오버행 영역의 표면 거칠기에 영향을줍니다 (Wang et al. 2013 ; Mingear et al . 2019 ).

용융 풀 역학은 고체 (Shrestha 및 Chou 2018 ) 및 오버행 (Le et al. 2020 ) 영역 모두에서 수행되는 L-PBF 공정을 포함한 레이저 재료 가공의 일반적인 물리적 현상입니다 . 용융 풀 모양, 크기 및 냉각 속도는 잔류 응력으로 인한 변형과 표면 거칠기에 모두 영향을 미치므로 처리 매개 변수와 표면 형태 / 품질 사이의 다리 역할을하며 용융 풀을 이해하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용하여 추가 조사를 수행 할 수 있습니다. 거동과 표면 거칠기에 미치는 영향. 현재까지 고체 영역의 L-PBF 동안 용융 풀 동작을 시뮬레이션하기 위해 여러 연구가 수행되었습니다. 유한 요소 방법 (FEM)과 같은 시뮬레이션 기술 (Roberts et al. 2009 ; Du et al.2019 ), 유한 차분 법 (FDM) (Wu et al. 2018 ), 전산 유체 역학 (CFD) (Lee and Zhang 2016 ), 임의의 Lagrangian-Eulerian 방법 (ALE) (Khairallah and Anderson 2014 )을 사용하여 증발 반동 압력 (Hu et al. 2018 ) 및 Marangoni 대류 (Zhang et al. 2018 ) 현상을포함하는 열 전달 (온도 장) 및 물질 전달 (용융 흐름) 프로세스. 또한 이산 요소법 (DEM)을 사용하여 무작위 분산 분말 베드를 생성했습니다 (Lee and Zhang 2016 ; Wu et al. 2018 ). 이 모델은 분말 규모의 L-PBF 공정을 시뮬레이션했습니다 (Khairallah et al. 2016) 메조 스케일 (Khairallah 및 Anderson 2014 ), 단일 트랙 (Leitz et al. 2017 )에서 다중 트랙 (Foroozmehr et al. 2016 ) 및 다중 레이어 (Huang, Khamesee 및 Toyserkani 2019 )로.

그러나 결과적인 표면 거칠기를 결정하는 오버행 영역의 용융 풀 역학은 문헌에서 거의 관심을받지 못했습니다. 솔리드 영역의 L-PBF에 대한 기존 시뮬레이션 모델이 어느 정도 참조가 될 수 있지만 오버행 영역과 솔리드 영역 간의 용융 풀 역학에는 상당한 차이가 있습니다. 오버행 영역에서 용융 금속은 분말 입자 사이의 틈새로 아래로 흘러 용융 풀이 다공성 분말 베드가 제공하는 약한 지지체 아래로 가라 앉습니다. 이것은 중력과 표면 장력의 영향이 용융 풀의 결과적인 모양 / 크기를 결정하는 데 중요하며, 결과적으로 오버행 영역의 마이크로 스케일 형태의 진화에 중요합니다. 또한 분말 입자 사이의 공극, 열 조건 (예 : 에너지 흡수,2019 ; Karimi et al. 2020 ; 노래와 영 2020 ). 표면 거칠기는 (마이크로) 형상 편차를 증가시킬뿐만 아니라 주기적 하중 동안 미세 균열의 시작 지점 역할을함으로써 기계적 강도를 저하시킵니다 (Günther et al. 2018 ). 오버행 영역의 높은 표면 거칠기는 (마이크로) 정확도 / 품질에 대한 엄격한 요구 사항이있는 부품 제조에서 L-PBF의 적용을 제한합니다.

본 연구는 실험 및 시뮬레이션 연구를 사용하여 오버행 영역 (지지물없이 제작)의 미세 형상 편차 형성 메커니즘과 표면 거칠기의 기원을 체계적이고 포괄적으로 조사합니다. 결합 된 DEM-CFD 시뮬레이션 모델은 경계 트랙 윤곽, 분말 접착 및 뒤틀림 변형의 효과를 고려하여 오버행 영역의 용융 풀 역학과 표면 형태의 형성 메커니즘을 나타 내기 위해 개발되었습니다. 표면 거칠기 R의 시뮬레이션 및 단일 요인 L-PBF 인쇄 실험을 사용하여 오버행 각도의 함수로 연구됩니다. 용융 풀의 침몰과 관련된 오버행 영역에서 분말 접착의 세 가지 메커니즘이 식별되고 자세히 설명됩니다. 마지막으로, 인쇄 된 오버행 영역에서 높은 표면 거칠기 문제를 완화 할 수 있는 잠재적 솔루션에 대해 간략하게 설명합니다.

The shape and size of the L-PBF printed samples are illustrated in Figure 1

Figure 2. Borders in the overhang region depending on the overhang angle θ

Figure 3. (a) Profile of the volumetric heat source, (b) the model geometry of single-track printing on a solid substrate (unit: µm), and (c) the comparison of melt pool dimensions obtained from the experiment (right half) and simulation (left half) for a calibrated optical penetration depth of 110 µm (laser power 200 W and scan speed 800 mm/s, solidified layer thickness 30 µm, powder size 10–45 µm).

Figure 4. The model geometry of an overhang being L-PBF processed: (a) 3D view and (b) right view.

Figure 5. The cross-sectional contour of border tracks in a 45° overhang region.

Figure 7. The overhang contour is contributed by (a) only outer borders when θ ≤ 60° (b) both inner borders and outer borders when θ > 60°.

Figure 8. Schematic of powder adhesion on a 45° overhang region.

Figure 9. The L-PBF printed samples with various overhang angle (a) θ = 0° (cube), (b) θ = 30°, (c) θ = 45°, (d) θ = 55° and (e) θ = 60°.

Figure 10. Two mechanisms of powder adhesion related to the overhang angle: (a) simulation-predicted, θ = 45°; (b) simulation-predicted, θ = 60°; (c, e) optical micrographs, θ = 45°; (d, f) optical micrographs, θ = 60°. (e) and (f) are partial enlargement of (c) and (d), respectively.

Figure 11. Simulation-predicted surface morphology in the overhang region at different overhang angle: (a) θ = 15°, (b) θ = 30°, (c) θ = 45°, (d) θ = 60° and (e) θ = 80° (Blue solid lines: simulation-predicted contour; red dashed lines: the planar profile of designed overhang region specified by the overhang angles).

Figure 12. Effect of overhang angle on surface roughness Ra in overhang regions

Figure 13. Surface morphology of L-PBF printed overhang regions with different overhang angle: (a) θ = 15°, (b) θ = 30°, (c) θ = 45° and (d) θ = 60° (overhang border parameters: P = 100 W, v = 1000 mm/s).

Figure 14. Effect of (a) laser power (scan speed = 1000 mm/s) and (b) scan speed (lase power = 100 W) on surface roughness Ra in overhang regions (θ = 45°, laser power and scan speed referred to overhang border parameters, and the other process parameters are listed in Table 2).

References

Cai, Chao, Chrupcala Radoslaw, Jinliang Zhang, Qian Yan, Shifeng Wen, Bo Song, and Yusheng Shi. 2019. “In-Situ Preparation and Formation of TiB/Ti-6Al-4V Nanocomposite via Laser Additive Manufacturing: Microstructure Evolution and Tribological Behavior.” Powder Technology 342: 73–84. doi:10.1016/j.powtec.2018.09.088. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Cai, Chao, Wei Shian Tey, Jiayao Chen, Wei Zhu, Xingjian Liu, Tong Liu, Lihua Zhao, and Kun Zhou. 2021. “Comparative Study on 3D Printing of Polyamide 12 by Selective Laser Sintering and Multi Jet Fusion.” Journal of Materials Processing Technology 288 (August 2020): 116882. doi:10.1016/j.jmatprotec.2020.116882. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Cai, Chao, Xu Wu, Wan Liu, Wei Zhu, Hui Chen, Jasper Dong Qiu Chua, Chen Nan Sun, Jie Liu, Qingsong Wei, and Yusheng Shi. 2020. “Selective Laser Melting of Near-α Titanium Alloy Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V: Parameter Optimization, Heat Treatment and Mechanical Performance.” Journal of Materials Science and Technology 57: 51–64. doi:10.1016/j.jmst.2020.05.004. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Charles, Amal, Ahmed Elkaseer, Lore Thijs, and Steffen G. Scholz. 2020. “Dimensional Errors Due to Overhanging Features in Laser Powder Bed Fusion Parts Made of Ti-6Al-4V.” Applied Sciences 10 (7): 2416. doi:10.3390/app10072416. [Crossref], [Google Scholar]
Chatham, Camden A., Timothy E. Long, and Christopher B. Williams. 2019. “A Review of the Process Physics and Material Screening Methods for Polymer Powder Bed Fusion Additive Manufacturing.” Progress in Polymer Science 93: 68–95. doi:10.1016/j.progpolymsci.2019.03.003. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Du, Yang, Xinyu You, Fengbin Qiao, Lijie Guo, and Zhengwu Liu. 2019. “A Model for Predicting the Temperature Field during Selective Laser Melting.” Results in Physics 12 (November 2018): 52–60. doi:10.1016/j.rinp.2018.11.031. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Duval-Chaneac, M. S., S. Han, C. Claudin, F. Salvatore, J. Bajolet, and J. Rech. 2018. “Experimental Study on Finishing of Internal Laser Melting (SLM) Surface with Abrasive Flow Machining (AFM).” Precision Engineering 54 (July 2017): 1–6. doi:10.1016/j.precisioneng.2018.03.006. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Feng, Shaochuan, Shijie Chen, Amar M. Kamat, Ru Zhang, Mingji Huang, and Liangcai Hu. 2020. “Investigation on Shape Deviation of Horizontal Interior Circular Channels Fabricated by Laser Powder Bed Fusion.” Additive Manufacturing 36 (December): 101585. doi:10.1016/j.addma.2020.101585. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Feng, Shaochuan, Chuanzhen Huang, Jun Wang, Hongtao Zhu, Peng Yao, and Zhanqiang Liu. 2017. “An Analytical Model for the Prediction of Temperature Distribution and Evolution in Hybrid Laser-Waterjet Micro-Machining.” Precision Engineering 47: 33–45. doi:10.1016/j.precisioneng.2016.07.002. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Feng, Shaochuan, Amar M. Kamat, and Yutao Pei. 2021. “Design and Fabrication of Conformal Cooling Channels in Molds: Review and Progress Updates.” International Journal of Heat and Mass Transfer. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2021.121082. [Crossref], [PubMed], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Flow-3D V11.2 Documentation. 2016. Flow Science, Inc. [Crossref], [Google Scholar]
Foroozmehr, Ali, Mohsen Badrossamay, Ehsan Foroozmehr, and Sa’id Golabi. 2016. “Finite Element Simulation of Selective Laser Melting Process Considering Optical Penetration Depth of Laser in Powder Bed.” Materials and Design 89: 255–263. doi:10.1016/j.matdes.2015.10.002. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
“Geometrical Product Specifications (GPS) — Surface Texture: Profile Method — Rules and Procedures for the Assessment of Surface Texture (ISO 4288).” 1996. International Organization for Standardization. https://www.iso.org/standard/2096.html. [Google Scholar]
Günther, Johannes, Stefan Leuders, Peter Koppa, Thomas Tröster, Sebastian Henkel, Horst Biermann, and Thomas Niendorf. 2018. “On the Effect of Internal Channels and Surface Roughness on the High-Cycle Fatigue Performance of Ti-6Al-4V Processed by SLM.” Materials & Design 143: 1–11. doi:10.1016/j.matdes.2018.01.042. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Hopkinson, Neil, and Phill Dickens. 2000. “Conformal Cooling and Heating Channels Using Laser Sintered Tools.” In Solid Freeform Fabrication Conference, 490–497. Texas. doi:10.26153/tsw/3075. [Crossref], [Google Scholar]
Hu, Zhiheng, Haihong Zhu, Changchun Zhang, Hu Zhang, Ting Qi, and Xiaoyan Zeng. 2018. “Contact Angle Evolution during Selective Laser Melting.” Materials and Design 139: 304–313. doi:10.1016/j.matdes.2017.11.002. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Hu, Cheng, Kejia Zhuang, Jian Weng, and Donglin Pu. 2019. “Three-Dimensional Analytical Modeling of Cutting Temperature for Round Insert Considering Semi-Infinite Boundary and Non-Uniform Heat Partition.” International Journal of Mechanical Sciences 155 (October 2018): 536–553. doi:10.1016/j.ijmecsci.2019.03.019. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Huang, Yuze, Mir Behrad Khamesee, and Ehsan Toyserkani. 2019. “A New Physics-Based Model for Laser Directed Energy Deposition (Powder-Fed Additive Manufacturing): From Single-Track to Multi-Track and Multi-Layer.” Optics & Laser Technology 109 (August 2018): 584–599. doi:10.1016/j.optlastec.2018.08.015. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Kadirgama, K., W. S. W. Harun, F. Tarlochan, M. Samykano, D. Ramasamy, Mohd Zaidi Azir, and H. Mehboob. 2018. “Statistical and Optimize of Lattice Structures with Selective Laser Melting (SLM) of Ti6AL4V Material.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 97 (1–4): 495–510. doi:10.1007/s00170-018-1913-1. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Kamat, Amar M, and Yutao Pei. 2019. “An Analytical Method to Predict and Compensate for Residual Stress-Induced Deformation in Overhanging Regions of Internal Channels Fabricated Using Powder Bed Fusion.” Additive Manufacturing 29 (March): 100796. doi:10.1016/j.addma.2019.100796. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Kamath, Chandrika, Bassem El-Dasher, Gilbert F. Gallegos, Wayne E. King, and Aaron Sisto. 2014. “Density of Additively-Manufactured, 316L SS Parts Using Laser Powder-Bed Fusion at Powers up to 400 W.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 74 (1–4): 65–78. doi:10.1007/s00170-014-5954-9. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Karimi, J., C. Suryanarayana, I. Okulov, and K. G. Prashanth. 2020. “Selective Laser Melting of Ti6Al4V: Effect of Laser Re-Melting.” Materials Science and Engineering A (July): 140558. doi:10.1016/j.msea.2020.140558. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Khairallah, Saad A., and Andy Anderson. 2014. “Mesoscopic Simulation Model of Selective Laser Melting of Stainless Steel Powder.” Journal of Materials Processing Technology 214 (11): 2627–2636. doi:10.1016/j.jmatprotec.2014.06.001. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Khairallah, Saad A., Andrew T. Anderson, Alexander Rubenchik, and Wayne E. King. 2016. “Laser Powder-Bed Fusion Additive Manufacturing: Physics of Complex Melt Flow and Formation Mechanisms of Pores, Spatter, and Denudation Zones.” Edited by Adedeji B. Badiru, Vhance V. Valencia, and David Liu. Acta Materialia 108 (April): 36–45. doi:10.1016/j.actamat.2016.02.014. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Kuo, C. N., C. K. Chua, P. C. Peng, Y. W. Chen, S. L. Sing, S. Huang, and Y. L. Su. 2020. “Microstructure Evolution and Mechanical Property Response via 3D Printing Parameter Development of Al–Sc Alloy.” Virtual and Physical Prototyping 15 (1): 120–129. doi:10.1080/17452759.2019.1698967. [Taylor & Francis Online], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Le, K. Q., C. H. Wong, K. H. G. Chua, C. Tang, and H. Du. 2020. “Discontinuity of Overhanging Melt Track in Selective Laser Melting Process.” International Journal of Heat and Mass Transfer 162 (December): 120284. doi:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.120284. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Lee, Y. S., and W. Zhang. 2016. “Modeling of Heat Transfer, Fluid Flow and Solidification Microstructure of Nickel-Base Superalloy Fabricated by Laser Powder Bed Fusion.” Additive Manufacturing 12: 178–188. doi:10.1016/j.addma.2016.05.003. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Leitz, K. H., P. Singer, A. Plankensteiner, B. Tabernig, H. Kestler, and L. S. Sigl. 2017. “Multi-Physical Simulation of Selective Laser Melting.” Metal Powder Report 72 (5): 331–338. doi:10.1016/j.mprp.2016.04.004. [Crossref], [Google Scholar]
Li, Jian, Jing Hu, Yi Zhu, Xiaowen Yu, Mengfei Yu, and Huayong Yang. 2020. “Surface Roughness Control of Root Analogue Dental Implants Fabricated Using Selective Laser Melting.” Additive Manufacturing 34 (September 2019): 101283. doi:10.1016/j.addma.2020.101283. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Li, Yingli, Kun Zhou, Pengfei Tan, Shu Beng Tor, Chee Kai Chua, and Kah Fai Leong. 2018. “Modeling Temperature and Residual Stress Fields in Selective Laser Melting.” International Journal of Mechanical Sciences 136 (February): 24–35. doi:10.1016/j.ijmecsci.2017.12.001. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Mazur, MacIej, Martin Leary, Matthew McMillan, Joe Elambasseril, and Milan Brandt. 2016. “SLM Additive Manufacture of H13 Tool Steel with Conformal Cooling and Structural Lattices.” Rapid Prototyping Journal 22 (3): 504–518. doi:10.1108/RPJ-06-2014-0075. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Mingear, Jacob, Bing Zhang, Darren Hartl, and Alaa Elwany. 2019. “Effect of Process Parameters and Electropolishing on the Surface Roughness of Interior Channels in Additively Manufactured Nickel-Titanium Shape Memory Alloy Actuators.” Additive Manufacturing 27 (October 2018): 565–575. doi:10.1016/j.addma.2019.03.027. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Pakkanen, Jukka, Flaviana Calignano, Francesco Trevisan, Massimo Lorusso, Elisa Paola Ambrosio, Diego Manfredi, and Paolo Fino. 2016. “Study of Internal Channel Surface Roughnesses Manufactured by Selective Laser Melting in Aluminum and Titanium Alloys.” Metallurgical and Materials Transactions A 47 (8): 3837–3844. doi:10.1007/s11661-016-3478-7. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Patterson, Albert E., Sherri L. Messimer, and Phillip A. Farrington. 2017. “Overhanging Features and the SLM/DMLS Residual Stresses Problem: Review and Future Research Need.” Technologies 5 (4): 15. doi:10.3390/technologies5020015. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Roberts, I. A., C. J. Wang, R. Esterlein, M. Stanford, and D. J. Mynors. 2009. “A Three-Dimensional Finite Element Analysis of the Temperature Field during Laser Melting of Metal Powders in Additive Layer Manufacturing.” International Journal of Machine Tools and Manufacture 49 (12–13): 916–923. doi:10.1016/j.ijmachtools.2009.07.004. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Shrestha, Subin, and Kevin Chou. 2018. “Computational Analysis of Thermo-Fluid Dynamics with Metallic Powder in SLM.” In CFD Modeling and Simulation in Materials Processing 2018, edited by Laurentiu Nastac, Koulis Pericleous, Adrian S. Sabau, Lifeng Zhang, and Brian G. Thomas, 85–95. Cham, Switzerland: Springer Nature. doi:10.1007/978-3-319-72059-3_9. [Crossref], [Google Scholar]
Sing, S. L., and W. Y. Yeong. 2020. “Laser Powder Bed Fusion for Metal Additive Manufacturing: Perspectives on Recent Developments.” Virtual and Physical Prototyping 15 (3): 359–370. doi:10.1080/17452759.2020.1779999. [Taylor & Francis Online], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Šmilauer, Václav, Emanuele Catalano, Bruno Chareyre, Sergei Dorofeenko, Jérôme Duriez, Nolan Dyck, Jan Eliáš, et al. 2015. Yade Documentation. 2nd ed. The Yade Project. doi:10.5281/zenodo.34073. [Crossref], [Google Scholar]
Tan, Pengfei, Fei Shen, Biao Li, and Kun Zhou. 2019. “A Thermo-Metallurgical-Mechanical Model for Selective Laser Melting of Ti6Al4V.” Materials & Design 168 (April): 107642. doi:10.1016/j.matdes.2019.107642. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Tan, Lisa Jiaying, Wei Zhu, and Kun Zhou. 2020. “Recent Progress on Polymer Materials for Additive Manufacturing.” Advanced Functional Materials 30 (43): 1–54. doi:10.1002/adfm.202003062. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Wang, Xiaoqing, and Kevin Chou. 2018. “Effect of Support Structures on Ti-6Al-4V Overhang Parts Fabricated by Powder Bed Fusion Electron Beam Additive Manufacturing.” Journal of Materials Processing Technology 257 (February): 65–78. doi:10.1016/j.jmatprotec.2018.02.038. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Wang, Di, Yongqiang Yang, Ziheng Yi, and Xubin Su. 2013. “Research on the Fabricating Quality Optimization of the Overhanging Surface in SLM Process.” International Journal of Advanced Manufacturing Technology 65 (9–12): 1471–1484. doi:10.1007/s00170-012-4271-4. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Wen, Peng, Maximilian Voshage, Lucas Jauer, Yanzhe Chen, Yu Qin, Reinhart Poprawe, and Johannes Henrich Schleifenbaum. 2018. “Laser Additive Manufacturing of Zn Metal Parts for Biodegradable Applications: Processing, Formation Quality and Mechanical Properties.” Materials and Design 155: 36–45. doi:10.1016/j.matdes.2018.05.057. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Wu, Yu-che, Cheng-hung San, Chih-hsiang Chang, Huey-jiuan Lin, Raed Marwan, Shuhei Baba, and Weng-Sing Hwang. 2018. “Numerical Modeling of Melt-Pool Behavior in Selective Laser Melting with Random Powder Distribution and Experimental Validation.” Journal of Materials Processing Technology 254 (November 2017): 72–78. doi:10.1016/j.jmatprotec.2017.11.032. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Yadroitsev, I., P. Krakhmalev, I. Yadroitsava, S. Johansson, and I. Smurov. 2013. “Energy Input Effect on Morphology and Microstructure of Selective Laser Melting Single Track from Metallic Powder.” Journal of Materials Processing Technology 213 (4): 606–613. doi:10.1016/j.jmatprotec.2012.11.014. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Yu, Wenhui, Swee Leong Sing, Chee Kai Chua, and Xuelei Tian. 2019. “Influence of Re-Melting on Surface Roughness and Porosity of AlSi10Mg Parts Fabricated by Selective Laser Melting.” Journal of Alloys and Compounds 792: 574–581. doi:10.1016/j.jallcom.2019.04.017. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]
Zhang, Dongyun, Pudan Zhang, Zhen Liu, Zhe Feng, Chengjie Wang, and Yanwu Guo. 2018. “Thermofluid Field of Molten Pool and Its Effects during Selective Laser Melting (SLM) of Inconel 718 Alloy.” Additive Manufacturing 21 (100): 567–578. doi:10.1016/j.addma.2018.03.031. [Crossref], [Web of Science ®], [Google Scholar]

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다공성 요인 시뮬레이션

Simulating Porosity Factors

https://www.foundrymag.com/issues-and-ideas/article/21926214/simulating-porosity-factors
Pamela Waterman

수치 모델링 도구는 일반적이지만 원인을 파악하기가 너무 어렵 기 때문에 코어 가스 블로우 결함을 거의 이해하지 못합니다. FLOW-3D 소프트웨어는 코어 가스 흐름을 모델링하여 더 나은 품질의 주조로 이어집니다.

파운드리는 첫 번째 시험에서 주조 품질을 달성하기 위해 많은 선행 엔지니어링을 수행해야합니다. 최근 몇 년 동안 금속 흐름, 응고, 미세 구조 진화 및 잔류 응력 모델링을위한 수치 도구가 보편화되었습니다.

그러나 아직 완전히 해결되지 않은 주조 결함 중 하나는 일반적인 코어 가스 블로우 결함입니다. 이 문제의 물리학은 금속, 코어 및 바인더 간의 복잡한 상호 작용을 포함하며 해결되기 전에 많은 주물을 스크랩 할 수 있습니다. 대부분의 경우, 문제는 더 높은 타설 온도를 사용하고 영향을받는 영역에 더 많은 벽 스톡을 추가함으로써 단순히 관리되지만 완전히 해결되지는 않습니다.

그러나 부품 설계가 복잡할수록 제조 문제가 발생할 가능성이 커집니다. 내부 세부 사항이 필요한 주조 조각의 경우 화학적으로 결합 된 모래 코어를 “인쇄”하여 모양을 만들고 금형 내부에 배치해야 합니다. 코어는 부품의 궁극적 인 기능에 중요한 내부 모양을 형성하며 제조 공정의 각 단계는 설계에 제약을 가합니다. 다양한 요구 사항이 코어 송풍 공정, 취급, 조립 및 가스 배출에 적용됩니다. 코어 디자인의 기술은 코어를 가열하는 동안 모양을 유지할 수 있을 만큼 견고하게 만드는 것과 부품이 냉각되었을 때 모래를 제거 할 수 있을 만큼 접착력이 끊어지는 것 사이의 미세한 균형입니다.

최적의 분해 설계

계획된 코어 분해의 메커니즘은 고체에서 가스로의 열 변환이지만 금형 설계는 그 가스가 코어 프린트를 통해 빠져 나갈 수 있도록해야합니다. 그렇지 않으면 금속이 기포를 가두어 모공을 형성 할 수 있습니다. 기껏해야 다공성은 표면 가공으로 밝혀집니다. 최악의 경우 부품이 더 아래쪽에서 실패합니다.

과거에 재료 및 주조 엔지니어가 코어 가스 기포로 인한 다공성 결함 문제를 발견하면 바인더 함량 감소, 코어 환기 증가, 코어 코팅 또는 베이킹과 같은 일련의 표준 문제 해결 작업을 수행했습니다. 미리 코어. 가스가 따라가는 경로를 볼 수 없었기 때문에 하나의 금형을 완료하는 데 종종 몇 주가 걸리는 긴 인출 공정이었습니다. 그리고 다른 부분에 문제가있을 때마다 반복해야했습니다.

이 처리 타임 라인을 압축해야하는 시장 주도적 요구는 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 개발을 촉발했습니다. 설계와 제조 모두에 유용한 컴퓨터 기반 모델링을 통해 엔지니어는 실제 부품 비용이나 낭비없이 다양한 접근 방식을 테스트 할 수 있습니다. 파운드리가 특히 환기 설계에 시뮬레이션을 적용 할 수 있도록 Flow Science 는 최근 FLOW-3D 주조 해석 기능에 코어 가스 모델링을 추가했습니다.

흐름에 따라

FLOW-3D는 유체가 공기, 물, 용융 금속 또는 가스인지 여부에 관계없이 광범위한 일시적인 유체 흐름 프로세스에 대한 통찰력을 제공하는 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어 패키지입니다. 다른 CFD 패키지와 비교할 때 움직이는 유체 표면을 모델링하고 추적하는 방식으로 인해 특히 정확합니다.

코어 가스 흐름에 CFD 방법을 적용하는 것은 어려운 일입니다. 수지 기반 바인더의 화학적 복잡성으로 인해 모래 코어 열 분해 후 가스가 흐르는 위치와 방식을 이해하는 것은 복잡한 과정입니다. 그러나 Flow Science는 여러 그룹과 협력하여 실험 데이터를 얻고 시뮬레이션 된 모델의 결과와 비교했습니다. 이 회사는 General Motors, Graham-White Manufacturing Co. 및 AlchemCast에서 코어 가스 유량 정보를 수집하여 알루미늄, 철 및 강철과 함께 사용되는 모래 수지 코어에 대한 실제 데이터를 얻었습니다.

GM Powertrain의 주조 분석 엔지니어 인 David Goettsch 박사는 15 년 동안 금속 주조의 충진 및 응고 분석에 FLOW-3D를 사용해 왔습니다. 새로운 코어 가스 모델은 설계 단계에서 재킷 코어 벤팅을 최적화하는 데 매우 유용했습니다. 코어 프린트에 대한 다른 모든 요구 사항이있는 기존 코어 박스에 벤트 트랙을 구현하는 것은 매우 어렵습니다. “코어 가스 배출에 대한 사전 분석 작업을 통해 시작하는 동안 높은 불량률을 줄일 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다. “아마도 프로세스 기회가 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 그 지점에 도달하려면 테스트 기간이 오래 걸릴 수 있습니다.”

흐름 매개 변수 정의

도에 따라 금속 헤드 압력이 동일한 값에 도달하기 전에 가스 압력이 최고조에 달하여 가스가 거품을 형성 할 수 있습니다. 게이트 설계의 약간의 변경은 주입 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있으므로 금속 압력이 더 빨리 생성되고 가스를 먼저 밀어 낼 수 있지만 물리적 시행 착오 접근 방식은 시간이 걸립니다. 가상 모델을 사용하여 지오메트리를 변경하는 방법을 식별하는 것은 코어 가스 시뮬레이션 소프트웨어 개발의 주요 목표였습니다.

Flow Science의 개발자는 바인더 분해 가스 공급원, 모래의 섬도, 무게 비율에 따른 바인더의 양, 작동 온도 및 코어의 물리적 투과성과 같은 프로세스 별 매개 변수와 흐름이면의 물리학을 결합했습니다. 이 모든 값은 샌드 쉘 바인더 및 폴리 우레탄 콜드 박스 바인더 (PUCB)의 산업 보정 샘플을 사용하여 검증되었습니다.

FLOW-3D 분석은 일정한 조성의 이상 기체를 가정하고 전체 바인더 분해의 최악의 시나리오를 취합니다. 타설하는 동안 코어 내에서 조건이 변화함에 따라 소프트웨어는 가스 압력의 변화, 가스 유동장의 기하학적 구조, 결합제 열화 영역 발생 및 금속으로의 가스 분사 가능한 표면 위치를 계산합니다. 모든 데이터는 사후 처리에 사용할 수 있습니다. 사용자는 가스 흐름을 쉽게 시각화하고 확대하고 특정 값을 얻기 위해 포인트를 클릭 할 수 있습니다.

이제 FLOW-3D v9.4에서 사용할 수있는 코어 가스 모델을 통해 Goettsch는 다양한 삽입 및 배출 위치를 시도하고 글로벌 진단을받을 수 있습니다. 가스 발생량, 가스 발생 위치, 금속 전면이 잡히기 전에 유출 된 가스량 확인 그것까지. “실제로 문제의 근본 원인을 확인할 수있을 때 매우 좋습니다.”라고 그는 말합니다. “이러한 시각화는 실제 현상이 무엇을하고 있는지에 대한 작은 창을 확보하는 데 유용합니다.”

멀티 코어 문제 Graham-White Manufacturing의 또 다른 숙련 된 파운드리 엔지니어 인 Elizabeth Ryder는 가스 다공성이 항상 조사하기 어려웠다는 의견을 반영합니다. 그녀는“특히 다중 코어의 경우 어떤 코어가 문제의 원인인지 파악하기가 어려웠습니다. 전체 시스템을 다루려고했습니다.”

1,700 개의 부품을 지속적으로 생산하고 있으며 그중 일부는 연간 10,000 개의 부품을 생산하는 Graham-White는 시뮬레이션을 통해 제조 프로세스를 개선하는 데 매우 만족했습니다. 얇은 벽 부품은 코어 대 금속 비율이 높고 가스가 많이 발생하는 특별한 문제입니다.

Graham-White는 레이저 스캐닝으로 생성 된 회색 철 부품 (약 34 인치)의 3D 모델을 사용하여 평가를 위해 현재 벤팅 설계를 제공했습니다. 이 게이팅 디자인은 수평으로 분할 된 몰드에서 패턴 플레이트 당 4 개의 인상으로 구성되었으며 각 인상에는 각 코어에 대한 통풍구가 있습니다. 중앙 스프 루를 통해 2 초 이내에 각 금형을 채울 수 있습니다.

FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 채움 률을 확인했지만 하나의 코어에 환기가 충분하지 않은 것으로 나타났습니다. Graham-White는 코어에 더 깊은 구멍을 뚫어 기존 통풍구를 통해 더 많은 가스를 전달하기 시작했습니다. 새로운 벤팅 설계로 접근 방식을 전환 한 후이 회사는 코어 블로우 스크랩이 약 30 % 감소했습니다.

또한 Flow Science 분석을 기반으로 엔지니어링 그룹은 문제가 있는 코어에 대한 추가 변경 사항을 평가하여 각 부품에 대한 추가 환기를 통해 두 부분으로 나눕니다. Ryder는 FLOW-3D 결과가 설계 초점을 좁히는데 도움이 되었고, 어떤 코어 (멀티 코어 설계)가 범인인지, 심지어 코어의 어느 영역이 문제의 원인인지 즉시 제로화 할 수 있었습니다. “미리 컴퓨터에서 더 많은 일을 할수록 더 좋습니다.”라고 그녀는 말합니다. “모든 것은 시간 절약으로 귀결됩니다.”

Where to go from here

파운드리 스크랩을 줄이고 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 도움으로 자신의 핵심 인쇄 디자인의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. Flow Science의 FLOW-3D CFD 분석 패키지의 새로운 코어 가스 모델은 중요한 다공성 계수를 시뮬레이션하여 설계자가 첫 번째 주조 전에 다양한 벤팅 설계를 평가하는 데 도움이 되기 때문에 중요합니다. 추가 재료 및 충진 방향에 대한 코어 가스 모델을 검증하는 개발이 계속됩니다.

Figure 1. The push barge model in 1:20 geometrical scale during field experiments.

Experimental Method for the Measurements and Numerical Investigations of Force Generated on the Rotating Cylinder under Water Flow

by Teresa Abramowicz-Gerigk^1,*,Zbigniew Burciu¹,Jacek Jachowski¹,Oskar Kreft²,Dawid Majewski³,Barbara Stachurska³ ,Wojciech Sulisz³ andPiotr Szmytkiewicz³

¹Faculty of Navigation, Gdynia Maritime University, 81-225 Gdynia, Poland
²AREX Ltd., 81-212 Gdynia, Poland
³Institute of Hydro-Engineering of Polish Academy of Sciences, 80-328 Gdansk, Poland
^*Author to whom correspondence should be addressed.
Academic Editor: Remco J. WiegerinkSensors2021, 21(6), 2216; https://doi.org/10.3390/s21062216
Received: 20 January 2021 / Revised: 9 March 2021 / Accepted: 18 March 2021 / Published: 22 March 2021(This article belongs to the Special Issue Sensing in Flow Analysis)

Abstract

본 논문은 자유 표면 효과를 포함한 균일한 흐름 하에서 회전하는 실린더 (로터)에 발생하는 유체 역학적 힘의 실험 테스트 설정 및 측정 방법을 제시합니다. 실험 테스트 설정은 고급 유량 생성 및 측정 시스템을 갖춘 수로 탱크에 설치된 고유 한 구조였습니다.

테스트 설정은 로터 드라이브가 있는 베어링 장착 플랫폼과 유체 역학적 힘을 측정하는 센서로 구성되었습니다. 낮은 길이 대 직경 비율 실린더는 얕은 흘수 강 바지선의 선수 로터 방향타 모델로 선택되었습니다. 로터 역학은 최대 550rpm의 회전 속도와 최대 0.85m / s의 수류 속도에 대해 테스트되었습니다.

실린더의 낮은 종횡비와 자유 표면 효과는 생성 된 유체 역학적 힘에 영향을 미치는 현상에 상당한 영향을 미쳤습니다. 회전자 길이 대 직경 비율, 회전 속도 대 유속 비율 및 양력에 대한 레이놀즈 수의 영향을 분석했습니다. 실험 결과에 대한 계산 모델의 유효성이 표시됩니다. 결과는 시뮬레이션 및 실험에 대한 결과의 유사한 경향을 보여줍니다.

The paper presents the experimental test setup and measurement method of hydrodynamic force generated on the rotating cylinder (rotor) under uniform flow including the free surface effect. The experimental test setup was a unique construction installed in the flume tank equipped with advanced flow generating and measuring systems.

The test setup consisted of a bearing mounted platform with rotor drive and sensors measuring the hydrodynamic force. The low length to diameter ratio cylinders were selected as models of bow rotor rudders of a shallow draft river barge. The rotor dynamics was tested for the rotational speeds up to 550 rpm and water current velocity up to 0.85 m/s. The low aspect ratio of the cylinder and free surface effect had significant impacts on the phenomena influencing the generated hydrodynamic force. The effects of the rotor length to diameter ratio, rotational velocity to flow velocity ratio, and the Reynolds number on the lift force were analyzed. The validation of the computational model against experimental results is presented. The results show a similar trend of results for the simulation and experiment.

Keywords: rotating cylinder; force sensor with built-in amplifier; strain gauge sensor; CFD analysis

Figure 2. Scheme of the measurement area.

Figure 3. The force measuring part of the experimental test setup: (a) side view: 1—bearing-mounted platform, 2—drive system, 3—cylinder, 4—support frame, 5—force sensors, and 6—adjusting screw; (b) top view.

Figure 4. Location of the rotor, rotor drive, and supporting frame in the wave flume.

Figure 5. Lift force obtained from the measurements in the wave flume for different flow velocities and cylinder diameters.

Figure 6. Variation of the lift coefficient with rotation rate for various free stream velocities and various cylinder diameters—experimental results.

Figure 7. Boundary conditions for rotor-generated flow field simulation—computing domain with free surface level.

Figure 8. General view and the close-up of the rotor wall sector applied for the rotor simulation.

Figure 9. Structured mesh used in FLOW-3D and the FAVORTM technique—the original shape of the rotor and the shape of the object after FAVOR discretization technique for 3 mesh densities.

Figure 10. Parameter y+ for the studied turbulence models and meshes.

Figure 11. Results of numerical computations in time for the cylinder with D2 diameter at 500 rpm rotational speed and current speed V = 0.82 m/s using LES model in dependence of mesh density: (a) FX and (b) FY

Figure 12. Results of 3D flow simulation for V = 0.40 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.

Figure 13. Results of 3D flow simulation for V = 0.50 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.

Figure 14. Results of 3D flow simulation for V = 0.82 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.

Figure 15. Flow chart of validation of the computational model against experimental results.

Figure 16. Measured (EXP) and computed (CFD) lift force values.

결론

결론은 다음과 같습니다.
계산 결과가 일반적으로 실험 데이터와 일치하는 경우 계산 결과는 검증 된 것으로 간주되며 추가 예측에 사용할 수 있습니다. 검증 실험을 통해 메쉬 밀도와 난류 모델을 결정할 수있었습니다.
작은 전류 속도 0.4m / s 및 0.5m / s에서 직경 D3의 로터에 대해 계산 된 양력 값은 회전 속도가 200rpm 이상일 때의 실험 값과 달랐습니다. 그 이유는 실험 중에 관찰 된 강한 진동과 수치 시뮬레이션에서 모델링되지 않은 유동 분리 때문이었습니다.
D2 직경을 가진 로터의 경우 작은 rpm에서 양력의 반대 부호가 관찰되었습니다. 이 현상은 시뮬레이션 중에 관찰되지 않았습니다.
제시된 실험 테스트 설정은 드라이브,지지 구조물 및 측정 장치에 손상을 주지 않고 진동을 포함한 모든 현상을 관찰 할 수 있도록 구성되었습니다. Wang et al. [14]는 동일한 α 값에서 실린더 종횡비가 증가함에 따라 와류 유발 진동이 증가하는 것을 관찰했습니다.
실험의 원활한 진행은 장치 손상 가능성과 함께 약 4의 α에 영향을 미쳤습니다. 본 연구에서는 α = 4.8에서 시작하는 가장 큰 직경의 실린더에서 가장 강한 진동이 관찰되었습니다.
제시된 연구는 로터 생성 흐름의 능동적 제어에 대한 추가 연구의 첫 번째 부분으로 유체 역학적 힘의 신뢰할 수 있는 실험적 예측 방법을 설명했습니다 [22]. , 바람, 파도 [23].
논문의 참신함은 저상 실린더에 대해 회 전자에서 생성 된 유체 역학적 힘을 모델링 할 수있는 가능성에 대한 조사입니다.
이 방법의 주요 장점은 자유 표면 효과 및 유동 유도 회 전자 진동과 관련된 현상을 포함하여 회 전자 생성 유동장 및 유체 역학적 힘을 관찰 할 수 있다는 것입니다. 제안 된 테스트 설정 구성은 유체 역학적 힘의 매개 변수 연구, 스케일 효과 조사 및 낮은 전류 속도와 큰 회전 속도에서 큰 불일치가 확인 된 CFD 시뮬레이션 모델의 검증에 사용될 것입니다.

References

Abramowicz-Gerigk, T.; Burciu, Z.; Jachowski, J. An Innovative Steering System for a River Push Barge Operated in Environmentally Sensitive Areas. Pol. Marit. Res. 2017, 24, 27–34. [Google Scholar] [CrossRef]
Abramowicz-Gerigk, T.; Burciu, Z.; Krata, P.; Jachowski, J. Steering system for a waterborne inland unit. Patent 420664, 2017. [Google Scholar]
Abramowicz-Gerigk, T.; Burciu, Z.; Jachowski, J. Parametric study on the flow field generated by river barge bow steering systems. Sci. J. Marit. Univ. Szczec. 2019, 60, 9–17. [Google Scholar]
Gerigk, M.; Wójtowicz, S. An Integrated Model of Motion, Steering, Positioning and Stabilization of an Unmanned Autonomous Maritime Vehicle. TransnavInt. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 2015, 9, 591–596. [Google Scholar] [CrossRef]
Thouault, N.; Breitsamter, C.; Adams, N.A.; Seifert, J.; Badalamenti, C.; Prince, S.A. Numerical Analysis of a Rotating Cylinder with Spanwise Disks. AIAA J. 2012, 50, 271–283. [Google Scholar] [CrossRef]
Badr, H.M.; Coutanceau, M.; Dennis, S.C.R.; Menard, C. Unsteady flow past a rotating circular cylinder at Reynolds numbers 10 3 and 10 4. J. Fluid Mech. 1990, 220, 459. [Google Scholar] [CrossRef]
Karabelas, S.; Koumroglou, B.; Argyropoulos, C.; Markatos, N. High Reynolds number turbulent flow past a rotating cylinder. Appl. Math. Model. 2012, 36, 379–398. [Google Scholar] [CrossRef]
Chen, W.; Rheem, C.-K. Experimental investigation of rotating cylinders in flow. J. Mar. Sci. Technol. 2019, 24, 111–122. [Google Scholar] [CrossRef]
Zhou, B.; Wang, X.; Guo, W.; Gho, W.M.; Tan, S.K. Experimental study on flow past a circular cylinder with rough surface. Ocean Eng. 2015, 109, 7–13. [Google Scholar] [CrossRef]
Tokumaru, P.T.; Dimotakis, P.E. The lift of a cylinder executing rotary motions in a uniform flow. J. Fluid Mech. 1993, 255, 1–10. [Google Scholar] [CrossRef]
Wong, K.W.L.; Zhao, J.; Jacono, D.L.; Thompson, M.C.; Sheridan, J. Experimental investigation of flow-induced vibration of a rotating circular cylinder. J. Fluid Mech. 2017, 829, 486–511. [Google Scholar] [CrossRef]
Bourguet, R.; Jacono, D.L. Flow-induced vibrations of a rotating cylinder. J. Fluid Mech. 2014, 740, 342–380. [Google Scholar] [CrossRef]
Carstensen, S.; Mandviwalla, X.; Vita, L.; Schmidt, P. Lift of a Rotating Circular Cylinder in Unsteady Flows. J. Ocean Wind Energy 2014, 1, 41–49. Available online: http://www.isope.org/publications (accessed on 15 January 2021).
Wang, W.; Wang, Y.; Zhao, D.; Pang, Y.; Guo, C.; Wang, Y. Numerical and Experimental Analysis of the Hydrodynamic Performance of a Three-Dimensional Finite-Length Rotating Cylinder. J. Mar. Sci. Appl. 2020, 19, 388–397. [Google Scholar] [CrossRef]
Mobini, K.; Niazi, M. Simulation of unsteady flow around a rotating circular cylinder at various Reynolds numbers. JMEUT 2017, 46, 249–257. Available online: https://www.researchgate.net/publication/323447030_Simulation_of_Unsteady_Flow_Around_a_Rotating_Circular_Cylinder_at_Various_Reynolds_Numbers (accessed on 15 January 2021).
Babarit, A.; Delvoye, S.; Arnal, V.; Davoust, L.; Wackers, J. Wave and Current Generation in Wave Flumes Using Axial-Flow Pumps. In Proceedings of the 36th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE2017), Trondheim, Norway, 25–30 June 2017; pp. 1–10. [Google Scholar] [CrossRef]
Nortek Manuals. The Comprehensive Manual for Velocimeters. 2018. Available online: https://support.nortekgroup.com/hc/en-us/articles/360029839351-The-Comprehensive-Manual-Velocimeters (accessed on 15 January 2021).
Stachurska, B.; Majewski, D. Propagation of Surface waves under currents—Analysis of measurements in wave flume of IBW PAN. IMiG 2014, 4, 280–290. [Google Scholar]
Lohrmann, A.; Cabrera, R.; Kraus, N. Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV) for laboratory use. In Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measuremensts and Experimentation; Buffalo: New York, NY, USA, 1994. [Google Scholar]
Stachurska, B.; Majewski, D. Experimental Measurements of Current Velocity in Wave Flume of IBW PAN; Internal Report; Institute of Hydro-Engineering of Polish Academy of Sciences: Gdańsk, Poland, 2013. (In Polish) [Google Scholar]
FLOW-3D. Available online: https://www.flow3d.com/ (accessed on 15 January 2021).
He, J.W.; Glowinski, R.; Metcalfe, R.; Nordlander, A.; Periaux, J. Active control and drag optimization for flow past a circular cylinder: Oscillatory cylinder rotation. J. Comput. Phys. 2000, 163, 83–117. [Google Scholar] [CrossRef]
Lebkowski, A. Analysis of the Use of Electric Drive Systems for Crew Transfer Vessels Servicing Offshore Wind Farms. Energies 2020, 13, 1466. [Google Scholar] [CrossRef]

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Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).

Continuous-Flow Separation of Magnetic Particles from Biofluids: How Does the Microdevice Geometry Determine the Separation Performance?

Cristina González Fernández¹, Jenifer Gómez Pastora², Arantza Basauri¹, Marcos Fallanza¹, Eugenio Bringas¹, Jeffrey J. Chalmers² and Inmaculada Ortiz1,*

¹Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ETSIIT, University of Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005 Santander, Spain

²William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, 151 W. Woodruff Ave., Columbus, OH 43210, USA
*Author to whom correspondence should be addressed.

Sensors 2020, 20(11), 3030; https://doi.org/10.3390/s20113030

Received: 16 April 2020 / Revised: 21 May 2020 / Accepted: 25 May 2020 / Published: 27 May 2020

(This article belongs to the Special Issue Lab-on-a-Chip and Microfluidic Sensors)

Abstract

The use of functionalized magnetic particles for the detection or separation of multiple chemicals and biomolecules from biofluids continues to attract significant attention. After their incubation with the targeted substances, the beads can be magnetically recovered to perform analysis or diagnostic tests. Particle recovery with permanent magnets in continuous-flow microdevices has gathered great attention in the last decade due to the multiple advantages of microfluidics. As such, great efforts have been made to determine the magnetic and fluidic conditions for achieving complete particle capture; however, less attention has been paid to the effect of the channel geometry on the system performance, although it is key for designing systems that simultaneously provide high particle recovery and flow rates. Herein, we address the optimization of Y-Y-shaped microchannels, where magnetic beads are separated from blood and collected into a buffer stream by applying an external magnetic field. The influence of several geometrical features (namely cross section shape, thickness, length, and volume) on both bead recovery and system throughput is studied. For that purpose, we employ an experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model that considers the dominant forces acting on the beads during separation. Our results indicate that rectangular, long devices display the best performance as they deliver high particle recovery and high throughput. Thus, this methodology could be applied to the rational design of lab-on-a-chip devices for any magnetically driven purification, enrichment or isolation.

Keywords: particle magnetophoresis; CFD; cross section; chip fabrication

Korea Abstract

생체 유체에서 여러 화학 물질과 생체 분자의 검출 또는 분리를위한 기능화 된 자성 입자의 사용은 계속해서 상당한 관심을 받고 있습니다. 표적 물질과 함께 배양 한 후 비드를 자기 적으로 회수하여 분석 또는 진단 테스트를 수행 할 수 있습니다. 연속 흐름 마이크로 장치에서 영구 자석을 사용한 입자 회수는 마이크로 유체의 여러 장점으로 인해 지난 10 년 동안 큰 관심을 모았습니다.

따라서 완전한 입자 포획을 달성하기 위한 자기 및 유체 조건을 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 그러나 높은 입자 회수율과 유속을 동시에 제공하는 시스템을 설계하는 데있어 핵심이기는 하지만 시스템 성능에 대한 채널 형상의 영향에 대해서는 덜주의를 기울였습니다.

여기에서 우리는 자기 비드가 혈액에서 분리되고 외부 자기장을 적용하여 버퍼 스트림으로 수집되는 YY 모양의 마이크로 채널의 최적화를 다룹니다. 비드 회수 및 시스템 처리량에 대한 여러 기하학적 특징 (즉, 단면 형상, 두께, 길이 및 부피)의 영향을 연구합니다.

이를 위해 분리 중에 비드에 작용하는 지배적인 힘을 고려하는 실험적으로 검증 된 CFD (Computational Fluid Dynamics) 수치 모델을 사용합니다. 우리의 결과는 직사각형의 긴 장치가 높은 입자 회수율과 높은 처리량을 제공하기 때문에 최고의 성능을 보여줍니다.

따라서 이 방법론은 자기 구동 정제, 농축 또는 분리를 위한 랩온어 칩 장치의 합리적인 설계에 적용될 수 있습니다.

Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.

Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and U-shaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.

Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.

Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.

Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.

Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.

References

Gómez-Pastora, J.; Xue, X.; Karampelas, I.H.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Analysis of separators for magnetic beads recovery: From large systems to multifunctional microdevices. Sep. Purif. Technol. 2017, 172, 16–31. [Google Scholar] [CrossRef]
Wise, N.; Grob, T.; Morten, K.; Thompson, I.; Sheard, S. Magnetophoretic velocities of superparamagnetic particles, agglomerates and complexes. J. Magn. Magn. Mater. 2015, 384, 328–334. [Google Scholar] [CrossRef]
Khashan, S.A.; Elnajjar, E.; Haik, Y. CFD simulation of the magnetophoretic separation in a microchannel. J. Magn. Magn. Mater. 2011, 323, 2960–2967. [Google Scholar] [CrossRef]
Khashan, S.A.; Furlani, E.P. Scalability analysis of magnetic bead separation in a microchannel with an array of soft magnetic elements in a uniform magnetic field. Sep. Purif. Technol. 2014, 125, 311–318. [Google Scholar] [CrossRef]
Furlani, E.P. Magnetic biotransport: Analysis and applications. Materials 2010, 3, 2412–2446. [Google Scholar] [CrossRef]
Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Ortiz, I. Design of novel adsorption processes for the removal of arsenic from polluted groundwater employing functionalized magnetic nanoparticles. Chem. Eng. Trans. 2016, 47, 241–246. [Google Scholar]
Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Lázaro-Díez, M.; Ramos-Vivas, J.; Ortiz, I. The reverse of controlled release: Controlled sequestration of species and biotoxins into nanoparticles (NPs). In Drug Delivery Systems; Stroeve, P., Mahmoudi, M., Eds.; World Scientific: Hackensack, NJ, USA, 2017; pp. 207–244. ISBN 9789813201057. [Google Scholar]
Ruffert, C. Magnetic bead-magic bullet. Micromachines 2016, 7, 21. [Google Scholar] [CrossRef]
Yáñez-Sedeño, P.; Campuzano, S.; Pingarrón, J.M. Magnetic particles coupled to disposable screen printed transducers for electrochemical biosensing. Sensors 2016, 16, 1585. [Google Scholar] [CrossRef]
Schrittwieser, S.; Pelaz, B.; Parak, W.J.; Lentijo-Mozo, S.; Soulantica, K.; Dieckhoff, J.; Ludwig, F.; Guenther, A.; Tschöpe, A.; Schotter, J. Homogeneous biosensing based on magnetic particle labels. Sensors 2016, 16, 828. [Google Scholar] [CrossRef]
He, J.; Huang, M.; Wang, D.; Zhang, Z.; Li, G. Magnetic separation techniques in sample preparation for biological analysis: A review. J. Pharm. Biomed. Anal. 2014, 101, 84–101. [Google Scholar] [CrossRef]
Ha, Y.; Ko, S.; Kim, I.; Huang, Y.; Mohanty, K.; Huh, C.; Maynard, J.A. Recent advances incorporating superparamagnetic nanoparticles into immunoassays. ACS Appl. Nano Mater. 2018, 1, 512–521. [Google Scholar] [CrossRef]
Gómez-Pastora, J.; González-Fernández, C.; Fallanza, M.; Bringas, E.; Ortiz, I. Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies. Chem. Eng. J. 2018, 344, 487–497. [Google Scholar] [CrossRef]
Gale, B.K.; Jafek, A.R.; Lambert, C.J.; Goenner, B.L.; Moghimifam, H.; Nze, U.C.; Kamarapu, S.K. A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects. Inventions 2018, 3, 60. [Google Scholar] [CrossRef]
Nanobiotechnology; Concepts, Applications and Perspectives; Niemeyer, C.M.; Mirkin, C.A. (Eds.) Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2004; ISBN 3527305068. [Google Scholar]
Khashan, S.A.; Dagher, S.; Alazzam, A.; Mathew, B.; Hilal-Alnaqbi, A. Microdevice for continuous flow magnetic separation for bioengineering applications. J. Micromech. Microeng. 2017, 27, 055016. [Google Scholar] [CrossRef]
Basauri, A.; Gomez-Pastora, J.; Fallanza, M.; Bringas, E.; Ortiz, I. Predictive model for the design of reactive micro-separations. Sep. Purif. Technol. 2019, 209, 900–907. [Google Scholar] [CrossRef]
Abdollahi, P.; Karimi-Sabet, J.; Moosavian, M.A.; Amini, Y. Microfluidic solvent extraction of calcium: Modeling and optimization of the process variables. Sep. Purif. Technol. 2020, 231, 115875. [Google Scholar] [CrossRef]
Khashan, S.A.; Alazzam, A.; Furlani, E. A novel design for a microfluidic magnetophoresis system: Computational study. In Proceedings of the 12th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization (FLUCOME2013), Nara, Japan, 18–23 November 2013. [Google Scholar]
Pamme, N. Magnetism and microfluidics. Lab Chip 2006, 6, 24–38. [Google Scholar] [CrossRef]
Gómez-Pastora, J.; Amiri Roodan, V.; Karampelas, I.H.; Alorabi, A.Q.; Tarn, M.D.; Iles, A.; Bringas, E.; Paunov, V.N.; Pamme, N.; Furlani, E.P.; et al. Two-step numerical approach to predict ferrofluid droplet generation and manipulation inside multilaminar flow chambers. J. Phys. Chem. C 2019, 123, 10065–10080. [Google Scholar] [CrossRef]
Gómez-Pastora, J.; Karampelas, I.H.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Numerical analysis of bead magnetophoresis from flowing blood in a continuous-flow microchannel: Implications to the bead-fluid interactions. Sci. Rep. 2019, 9, 7265. [Google Scholar] [CrossRef]
Tarn, M.D.; Pamme, N. On-Chip Magnetic Particle-Based Immunoassays Using Multilaminar Flow for Clinical Diagnostics. In Microchip Diagnostics Methods and Protocols; Taly, V., Viovy, J.L., Descroix, S., Eds.; Humana Press: New York, NY, USA, 2017; pp. 69–83. [Google Scholar]
Phurimsak, C.; Tarn, M.D.; Peyman, S.A.; Greenman, J.; Pamme, N. On-chip determination of c-reactive protein using magnetic particles in continuous flow. Anal. Chem. 2014, 86, 10552–10559. [Google Scholar] [CrossRef]
Wu, X.; Wu, H.; Hu, Y. Enhancement of separation efficiency on continuous magnetophoresis by utilizing L/T-shaped microchannels. Microfluid. Nanofluid. 2011, 11, 11–24. [Google Scholar] [CrossRef]
Vojtíšek, M.; Tarn, M.D.; Hirota, N.; Pamme, N. Microfluidic devices in superconducting magnets: On-chip free-flow diamagnetophoresis of polymer particles and bubbles. Microfluid. Nanofluid. 2012, 13, 625–635. [Google Scholar] [CrossRef]
Gómez-Pastora, J.; González-Fernández, C.; Real, E.; Iles, A.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Computational modeling and fluorescence microscopy characterization of a two-phase magnetophoretic microsystem for continuous-flow blood detoxification. Lab Chip 2018, 18, 1593–1606. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Forbes, T.P.; Forry, S.P. Microfluidic magnetophoretic separations of immunomagnetically labeled rare mammalian cells. Lab Chip 2012, 12, 1471–1479. [Google Scholar] [CrossRef]
Nandy, K.; Chaudhuri, S.; Ganguly, R.; Puri, I.K. Analytical model for the magnetophoretic capture of magnetic microspheres in microfluidic devices. J. Magn. Magn. Mater. 2008, 320, 1398–1405. [Google Scholar] [CrossRef]
Plouffe, B.D.; Lewis, L.H.; Murthy, S.K. Computational design optimization for microfluidic magnetophoresis. Biomicrofluidics 2011, 5, 013413. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Hale, C.; Darabi, J. Magnetophoretic-based microfluidic device for DNA isolation. Biomicrofluidics 2014, 8, 044118. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Becker, H.; Gärtner, C. Polymer microfabrication methods for microfluidic analytical applications. Electrophoresis 2000, 21, 12–26. [Google Scholar] [CrossRef]
Pekas, N.; Zhang, Q.; Nannini, M.; Juncker, D. Wet-etching of structures with straight facets and adjustable taper into glass substrates. Lab Chip 2010, 10, 494–498. [Google Scholar] [CrossRef]
Wang, T.; Chen, J.; Zhou, T.; Song, L. Fabricating microstructures on glass for microfluidic chips by glass molding process. Micromachines 2018, 9, 269. [Google Scholar] [CrossRef]
Castaño-Álvarez, M.; Pozo Ayuso, D.F.; García Granda, M.; Fernández-Abedul, M.T.; Rodríguez García, J.; Costa-García, A. Critical points in the fabrication of microfluidic devices on glass substrates. Sens. Actuators B Chem. 2008, 130, 436–448. [Google Scholar] [CrossRef]
Prakash, S.; Kumar, S. Fabrication of microchannels: A review. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 2015, 229, 1273–1288. [Google Scholar] [CrossRef]
Leester-Schädel, M.; Lorenz, T.; Jürgens, F.; Ritcher, C. Fabrication of Microfluidic Devices. In Microsystems for Pharmatechnology: Manipulation of Fluids, Particles, Droplets, and Cells; Dietzel, A., Ed.; Springer: Basel, Switzerland, 2016; pp. 23–57. ISBN 9783319269207. [Google Scholar]
Bartlett, N.W.; Wood, R.J. Comparative analysis of fabrication methods for achieving rounded microchannels in PDMS. J. Micromech. Microeng. 2016, 26, 115013. [Google Scholar] [CrossRef]
Ng, P.F.; Lee, K.I.; Yang, M.; Fei, B. Fabrication of 3D PDMS microchannels of adjustable cross-sections via versatile gel templates. Polymers 2019, 11, 64. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Furlani, E.P.; Sahoo, Y.; Ng, K.C.; Wortman, J.C.; Monk, T.E. A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator. Biomed. Microdevices 2007, 9, 451–463. [Google Scholar] [CrossRef]
Tarn, M.D.; Peyman, S.A.; Robert, D.; Iles, A.; Wilhelm, C.; Pamme, N. The importance of particle type selection and temperature control for on-chip free-flow magnetophoresis. J. Magn. Magn. Mater. 2009, 321, 4115–4122. [Google Scholar] [CrossRef]
Furlani, E.P. Permanent Magnet and Electromechanical Devices; Materials, Analysis and Applications; Academic Press: Waltham, MA, USA, 2001. [Google Scholar]
White, F.M. Viscous Fluid Flow; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1974. [Google Scholar]
Mathew, B.; Alazzam, A.; El-Khasawneh, B.; Maalouf, M.; Destgeer, G.; Sung, H.J. Model for tracing the path of microparticles in continuous flow microfluidic devices for 2D focusing via standing acoustic waves. Sep. Purif. Technol. 2015, 153, 99–107. [Google Scholar] [CrossRef]
Furlani, E.J.; Furlani, E.P. A model for predicting magnetic targeting of multifunctional particles in the microvasculature. J. Magn. Magn. Mater. 2007, 312, 187–193. [Google Scholar] [CrossRef]
Furlani, E.P.; Ng, K.C. Analytical model of magnetic nanoparticle transport and capture in the microvasculature. Phys. Rev. E 2006, 73, 061919. [Google Scholar] [CrossRef]
Eibl, R.; Eibl, D.; Pörtner, R.; Catapano, G.; Czermak, P. Cell and Tissue Reaction Engineering; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009. [Google Scholar]
Pamme, N.; Eijkel, J.C.T.; Manz, A. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. J. Magn. Magn. Mater. 2006, 307, 237–244. [Google Scholar] [CrossRef]
Alorabi, A.Q.; Tarn, M.D.; Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Ortiz, I.; Paunov, V.N.; Pamme, N. On-chip polyelectrolyte coating onto magnetic droplets-Towards continuous flow assembly of drug delivery capsules. Lab Chip 2017, 17, 3785–3795. [Google Scholar] [CrossRef]
Zhang, H.; Guo, H.; Chen, Z.; Zhang, G.; Li, Z. Application of PECVD SiC in glass micromachining. J. Micromech. Microeng. 2007, 17, 775–780. [Google Scholar] [CrossRef]
Mourzina, Y.; Steffen, A.; Offenhäusser, A. The evaporated metal masks for chemical glass etching for BioMEMS. Microsyst. Technol. 2005, 11, 135–140. [Google Scholar] [CrossRef]
Mata, A.; Fleischman, A.J.; Roy, S. Fabrication of multi-layer SU-8 microstructures. J. Micromech. Microeng. 2006, 16, 276–284. [Google Scholar] [CrossRef]
Su, N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2002–2025; MicroChem Corporation: Newton, MA, USA, 2002. [Google Scholar]
Su, N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2035–2100; MicroChem Corporation: Newton, MA, USA, 2002. [Google Scholar]
Fu, C.; Hung, C.; Huang, H. A novel and simple fabrication method of embedded SU-8 micro channels by direct UV lithography. J. Phys. Conf. Ser. 2006, 34, 330–335. [Google Scholar] [CrossRef]
Kazoe, Y.; Yamashiro, I.; Mawatari, K.; Kitamori, T. High-pressure acceleration of nanoliter droplets in the gas phase in a microchannel. Micromachines 2016, 7, 142. [Google Scholar] [CrossRef]
Sharp, K.V.; Adrian, R.J.; Santiago, J.G.; Molho, J.I. Liquid flows in microchannels. In MEMS: Introduction and Fundamentals; Gad-el-Hak, M., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2006; pp. 10-1–10-46. ISBN 9781420036572. [Google Scholar]
Oh, K.W.; Lee, K.; Ahn, B.; Furlani, E.P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab Chip 2012, 12, 515–545. [Google Scholar] [CrossRef]
Bruus, H. Theoretical Microfluidics; Oxford University Press: New York, NY, USA, 2008; ISBN 9788578110796. [Google Scholar]
Beebe, D.J.; Mensing, G.A.; Walker, G.M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annu. Rev. Biomed. Eng. 2002, 4, 261–286. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Yalikun, Y.; Tanaka, Y. Large-scale integration of all-glass valves on a microfluidic device. Micromachines 2016, 7, 83. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Van Heeren, H.; Verhoeven, D.; Atkins, T.; Tzannis, A.; Becker, H.; Beusink, W.; Chen, P. Design Guideline for Microfluidic Device and Component Interfaces (Part 2), Version 3; Available online: http://www.makefluidics.com/en/design-guideline?id=7 (accessed on 9 March 2020).
Scheuble, N.; Iles, A.; Wootton, R.C.R.; Windhab, E.J.; Fischer, P.; Elvira, K.S. Microfluidic technique for the simultaneous quantification of emulsion instabilities and lipid digestion kinetics. Anal. Chem. 2017, 89, 9116–9123. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Lynch, E.C. Red blood cell damage by shear stress. Biophys. J. 1972, 12, 257–273. [Google Scholar]
Paul, R.; Apel, J.; Klaus, S.; Schügner, F.; Schwindke, P.; Reul, H. Shear stress related blood damage in laminar Couette flow. Artif. Organs 2003, 27, 517–529. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Gómez-Pastora, J.; Karampelas, I.H.; Xue, X.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Magnetic bead separation from flowing blood in a two-phase continuous-flow magnetophoretic microdevice: Theoretical analysis through computational fluid dynamics simulation. J. Phys. Chem. C 2017, 121, 7466–7477. [Google Scholar] [CrossRef]
Lim, J.; Yeap, S.P.; Leow, C.H.; Toh, P.Y.; Low, S.C. Magnetophoresis of iron oxide nanoparticles at low field gradient: The role of shape anisotropy. J. Colloid Interface Sci. 2014, 421, 170–177. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Culbertson, C.T.; Sibbitts, J.; Sellens, K.; Jia, S. Fabrication of Glass Microfluidic Devices. In Microfluidic Electrophoresis: Methods and Protocols; Dutta, D., Ed.; Humana Press: New York, NY, USA, 2019; pp. 1–12. ISBN 978-1-4939-8963-8. [Google Scholar]

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Fig. 12. Comparison of simulation results with experimental data for a flow rate of water = Ql=15 ml/hr and a flow rate of air = Qg =3 ml/hr.

Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method

A. Chandorkar
Published 2009

Abstract

This paper demonstrates that the Volume of Fluid (TruVOF) method in FLOW-3D (a general purpose CFD software) is an effective tool for studying droplet dynamics and mixing in microfluidic devices. The first example studied is a T-junction where flow patterns for both droplet generation and passive mixing are analyzed. The second example studied is a co-flowing device where the formation and breakup of bubbles is simulated. The effect of viscosity on bubble formation is also analyzed. For a T-junction the bubble size is corroborated with experimental data. Both the bubble size and frequency are studied and corroborated with experimental data for a co-flowing device. The third example studied is the electrowetting phenomenon observed in a small water droplet resting on a dielectric material. The steady-state contact angle is plotted against the voltage applied. The results are compared with both the Young-Lippmann curve and experimental results.

이 논문은 FLOW-3D (범용 CFD 소프트웨어)의 유체 부피 (TruVOF) 방법이 미세 유체 장치에서 액적 역학 및 혼합을 연구하는데 효과적인 도구임을 보여줍니다.

연구된 첫 번째 예는 액적 생성 및 수동 혼합에 대한 흐름 패턴이 분석되는 T- 접합입니다. 연구된 두 번째 예는 기포의 형성 및 분해가 시뮬레이션 되는 동시 유동 장치입니다.

기포 형성에 대한 점도의 영향도 분석됩니다. T 접합의 경우 기포 크기는 실험 데이터로 확증됩니다. 기포 크기와 빈도 모두 공동 유동 장치에 대한 실험 데이터로 연구되고 확증됩니다.

연구된 세 번째 예는 유전 물질 위에 놓인 작은 물방울에서 관찰 된 전기 습윤 현상입니다. 정상 상태 접촉각은 적용된 전압에 대해 플롯됩니다. 결과는 Young-Lippmann 곡선 및 실험 결과와 비교됩니다.

Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 1

Simulation of Droplet Dynamics and Mixing in Microfluidic Devices using a VOF-Based Method Fig 2

References

Formation of bubbles in a simple co-flowing micro-channel

R. Xiong, M. Bai, Jacob N. Chung, Materials Science, 2007, 68, Highly Influential
View 9 excerpts, references results, background and methods

SaveAlertResearch FeedFormation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up.

P. Garstecki, Michael J. Fuerstman, H. Stone, G. Whitesides, Chemistry, Medicine, Lab on a chip, 2006, 1,623, PDF

SaveAlertResearch FeedCreating, transporting, cutting, and merging liquid droplets by electrowetting-based actuation for digital microfluidic circuits,

S. K. Cho, H. Moon, C. Kim, Materials Science, 2003,1,292, PDF

SaveAlertResearch FeedFLOW DEVELOPMENT OF CO-FLOWING STREAMS IN RECTANGULAR MICRO-CHANNELS

J. Oak, D. Pence, J. Liburdy, Physics, 2004, 11
View 1 excerpt, references background

SaveAlertResearch FeedA microfluidic system for controlling reaction networks in time.

Helen Song, J. Tice, R. Ismagilov, Chemistry, Medicine, Angewandte Chemie, 2003, 902, PDF

SaveAlertResearch FeedElectrowetting: from basics to applications

F. Mugele, J. Baret, Materials Science, 2005, 1,590, PDF
View 2 excerpts, references background

SaveAlertResearch FeedVolume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries

C. W. Hirt, B. Nichols, Physics, 1981,10,633,PDF,View 1 excerpt, references methods
SaveAlertResearch Feed

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Figure 1. Cross-sectional dimensions of a V-groove channel

Modeling Open Surface Microfluidics

개방형 표면 미세 유체 모델링

Open surface microfluidic systems are becoming increasingly popular in the fields of biology, biotechnology, medicine, point-of-care (POC) and home care systems. The design of such systems usually involves fluid being transported by capillary forces. Capillarity can enhance fluid transport for small volumes of fluid and can provide a reliable alternative to micro-scale pumping mechanisms. Advantages of capillary systems include:

Low cost due to easy and fast fabrication
User friendliness due to the simplicity of their design
Increased portability ensured by the capillary actuation of fluids
Enhanced accessibility caused by the open-surface nature of their design
Complete elimination of air bubbles guaranteed by the uniformly moving fluid front

For these reasons, open capillary systems are the preferred design option for various POC systems.

개방형 표면 미세 유체 시스템은 생물학, 생명 공학, 의학, POC (Point-of-Care) 및 홈 케어 시스템 분야에서 점점 인기를 얻고 있습니다. 이러한 시스템의 설계에는 일반적으로 모세관 힘에 의해 유체가 운반됩니다. 모세관은 소량의 유체에 대한 유체 수송을 향상시킬 수 있으며 마이크로 규모 펌핑 메커니즘에 대한 신뢰할 수있는 대안을 제공 할 수 있습니다. 모세관 시스템의 장점은 다음과 같습니다.

쉽고 빠른 제작으로 인한 저렴한 비용
디자인의 단순성으로 인한 사용자 편의성
유체의 모세관 작동으로 인한 휴대 성 향상
디자인의 개방형 특성으로 인한 접근성 향상
균일하게 움직이는 유체 전면으로 보장되는 기포의 완전한 제거

이러한 이유로 개방형 모세관 시스템은 다양한 POC 시스템에서 선호되는 설계 옵션입니다.

모세관 흐름의 시작 조건

V 홈 치수 — 그림 1. V 홈 채널의 단면 치수 : W = 150 μm, h1 = 300 μm, h2 = 1200 μm, α = 14.5ο.

University at Buffalo와 University of Grenoble의 연구원들의 최근 논문에서 마이크로 그루브가 잠재적으로 모세관 효과를 향상시킬 수있는 방법을 보여주었습니다 [1]. 이 논문의 결과를 바탕으로, FLOW-3D를 사용하여 평행 한 플레이트로 대체 된 좁은 V- 홈 마이크로 채널 내부 유체의 자발적 모세관 흐름 (SCF)에 대한 사례 연구를 논의 할 것 입니다. 모세관 흐름의 시작에 대한 특정 조건이 충족되면 혈류를 모니터링하기위한 POC 시스템의 설계를 위해 전혈과 같은 점성 유체를 사용해도 큰 유체 속도를 얻을 수 있습니다.

모세관 흐름의 조건은 Gibbs 자유 에너지의 최소화를 기반으로 한 정적 접근 방식을 사용하여 이론적으로 설정할 수 있습니다. 보다 구체적으로, 입구 압력이 0 일 때 모세관 흐름이 시작되는 조건은 다음과 같습니다.

(수식 1) pF/pW < cos⁡ θ

여기서 θ 는 영 접촉각이고 p _F 및 p _W 는 각각 유동의 임의 단면에서 자유 및 습식 둘레입니다. 그림 1에 표시된 것과 같은 반각 α 를 갖는 V- 홈 마이크로 채널의 경우 몇 가지 수학적 조작 후 eq. 1은 다음과 같이 다시 작성할 수 있습니다.

(수식 2) sin α = cos⁡ θ

우리의 경우 α ≈ 14.5 ^ο 가 있으므로 모세관 흐름의 조건은 θ <75.5 ^o 입니다.

FLOW-3D 에서 시뮬레이션

정적 접근 방식이 SCF의 시작에 관한 중요한 정보를 제공하지만 수치 접근 방식은 현장 진료 장치에서 유동 역학을 연구하는 데 더 적합합니다. 접촉각이 37 ^° 이고 전혈의 유체 특성 을 갖는 V- 홈 마이크로 채널에 대해 CFD 분석을 수행했습니다 . 혈액의 점도는 거의 일정하기 때문에 흐름 체제는 뉴턴으로 간주됩니다 [1]. 유체 운동이 모세관 효과에 의해서만 발생하도록 모든 경계와 계산 영역 전체에 균일 한 주변 압력이 적용되었습니다. 시뮬레이션은 처음 4mm의 유체 이동을 포함하는 초기 시뮬레이션과 4mm에서 8mm의 유체 이동을 예측하는 재시작 시뮬레이션의 두 부분으로 나뉩니다.

결과 및 검증

처음 8mm 이동에 대한 유동 역학은 그림 2에 나와 있습니다.이 그림은 세 가지 다른 시간에 슬롯에서 전진 인터페이스의 모양을 보여줍니다. 필라멘트 (Concus-Finn 필라멘트)의 점진적인 확장은 주 흐름보다 앞서 볼 수 있습니다.

모세관 흐름 시뮬레이션 — 그림 2. 세 가지 다른 시간에서 FLOW-3D를 사용하여 진행하는 모세관 흐름의 동적 계산 : (a) 0.04, (b) 0.07 및 (c) 0.11 초와 삽입물 (i1), (i2) 및 (i3) Concus-Finn 필라멘트의 진화 [1].

분석, 수치 및 실험 결과 간의 비교는 그림 3에 나와 있습니다. 수치 예측과 실험 간에는 탁월한 일치가 있습니다. 분석 솔루션도 플롯되었지만 채널 하단에있는 Concus – Finn 필라멘트의 효과가 고려되지 않았기 때문에 수치 및 실험 결과에 대한 유효한 비교를 나타내지 않을 수 있습니다.

모세관 흐름 검증 — 그림 3. (A) 시간의 함수로서 채널의 속도. 빨간색 점 : FLOW-3D 시뮬레이션 (중간 높이에서); 녹색 점 : 실험 관찰 (채널 중앙 높이); 파선 녹색 선 : 하단 V 홈의 효과를 무시한 분석 속도. (B) 시간의 함수로서 액체 전면의 원점으로부터의 거리. 빨간색 점 : FLOW-3D 시뮬레이션 (중간 높이에서); 녹색 점 : 실험 관찰 (채널 중앙 높이); 파선 녹색 선 : 하단 V 홈의 효과를 무시한 분석 속도 [1].

전혈 이외에도 식용 색소로 착색 한 물과 점성이 높은 알기 네이트 용액을 포함하여 장치가 고점도 유체를 이동시킬 수있는 가능성을 테스트하는 등 다양한 유체를 연구했습니다. 혈액과 같은 고점도 액체는 1 초 이내에 이동할 수 있습니다 (아래 애니메이션 참조).https://www.youtube.com/embed/v4OYoHStJ1w?controls=1&rel=0&playsinline=0&modestbranding=0&autoplay=0&enablejsapi=1&origin=https%3A%2F%2Fwww.flow3d.com&widgetid=1

사례 연구는 상대적으로 큰 점도 (물의 4 배)를 갖는 전혈의 경우 최대 7.5cm / s의 속도를 달성했음을 보여줍니다. 실험 결과 및 FLOW-3D 예측에 따라 전체 채널은 0.2 초 이내에 혈액으로 채워졌습니다. FLOW-3D 시뮬레이션 결과는 실험 관찰 결과와 매우 일치하며, V-groove 내부의 거리에 따라 속도가 감소하지만 장치의 전체 길이에 걸쳐 중요 함을 나타냅니다.

참고 문헌

Berthier, J., K. Brakke, E. P. Furlani, I. H. Karampelas, and G. Delapierre. “Open-surface microfluidics.” In Proceedings of the Nanotech International Conference, pp. 15-19. 2014.
Hirt, Cyril W., and Billy D. Nichols. “Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries.” Journal of computational physics 39, no. 1 (1981): 201-225.
Rajaratnam, N., and M. R. Chamani. “Energy loss at drops.” Journal of Hydraulic Research 33, no. 3 (1995): 373-384.

원문 보기

Fig. 1. Schematic description of the laser welding process considered in this study.

Analysis of molten pool dynamics in laser welding with beam oscillation and filler wire feeding

Won-Ik Cho, Peer Woizeschke
Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH, Klagenfurter Straße 5, Bremen 28359, Germany

Received 30 July 2020, Revised 3 October 2020, Accepted 18 October 2020, Available online 1 November 2020.

Abstract

Molten pool flow and heat transfer in a laser welding process using beam oscillation and filler wire feeding were calculated using computational fluid dynamics (CFD). There are various indirect methods used to analyze the molten pool dynamics in fusion welding. In this work, based on the simulation results, the surface fluctuation was directly measured to enable a more intuitive analysis, and then the signal was analyzed using the Fourier transform and wavelet transform in terms of the beam oscillation frequency and buttonhole formation. The 1^st frequency (2 x beam oscillation frequency, the so-called chopping frequency), 2^nd frequency (4 x beam oscillation frequency), and beam oscillation frequency components were the main components found. The 1^st and 2^nd frequency components were caused by the effect of the chopping process and lumped line energy. The beam oscillation frequency component was related to rapid, unstable molten pool behavior. The wavelet transform effectively analyzed the rapid behaviors based on the change of the frequency components over time.

Korea Abstract

빔 진동 및 필러 와이어 공급을 사용하는 레이저 용접 공정에서 용융 풀 흐름 및 열 전달은 CFD (전산 유체 역학)를 사용하여 계산되었습니다. 용융 용접에서 용융 풀 역학을 분석하는 데 사용되는 다양한 간접 방법이 있습니다.

본 연구에서는 시뮬레이션 결과를 바탕으로 보다 직관적 인 분석이 가능하도록 표면 변동을 직접 측정 한 후 빔 발진 주파수 및 버튼 홀 형성 측면에서 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환을 사용하여 신호를 분석했습니다.

1 차 주파수 (2 x 빔 발진 주파수, 이른바 초핑 주파수), 2 차 주파수 (4 x 빔 발진 주파수) 및 빔 발진 주파수 성분이 발견 된 주요 구성 요소였습니다. 1 차 및 2 차 주파수 성분은 쵸핑 공정과 집중 라인 에너지의 영향으로 인해 발생했습니다.

빔 진동 주파수 성분은 빠르고 불안정한 용융 풀 동작과 관련이 있습니다. 웨이블릿 변환은 시간 경과에 따른 주파수 구성 요소의 변화를 기반으로 빠른 동작을 효과적으로 분석했습니다.

1 . 소개

융합 용접에서 용융 풀 역학은 용접 결함과 시각적 이음새 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 이러한 역학을 연구하기 위해 고속 카메라를 사용하는 직접 방법과 광학 또는 음향 신호를 사용하는 간접 방법과 같은 다양한 측정 방법을 사용하여 여러 실험 방법을 고려했습니다. 시간 도메인의 원래 신호는 특별히 주파수 도메인에서 변환 된 신호로 변환되어 용융 풀 동작에 영향을 미치는 주파수 성분을 분석합니다. Kotecki et al. (1972)는 고속 카메라를 사용하여 가스 텅스텐 아크 용접에서 용융 풀을 관찰했습니다. [1]. 그들은 120Hz 리플 DC 출력을 가진 용접 전원을 사용할 때 용융 풀 진동 주파수가 120Hz임을 보여주었습니다. 전원을 끈 후 진동 주파수는 용융 풀의 고유 주파수를 나타내는 용융 풀 크기와 관련이 있습니다. 진동은 응고 중에 용접 표면 스케일링을 생성했습니다. Zacksenhouse and Hardt (1983)는 레이저 섀도 잉 동작 측정 기술을 사용하여 가스 텅스텐 아크 용접에서 완전히 관통 된 용융 풀의 동작을 측정했습니다 [2] . 그들은 2.5mm 두께의 강판에서 6mm 풀 반경 (고정 용접)에 대해 용융 풀의 고유 주파수가 18.9Hz라는 것을 발견했습니다. Semak et al. (1995) 고속 카메라를 사용하여 레이저 스폿 용접에서 용융 풀 및 키홀 역학 조사 [3]. 그들은 깊이가 약 3mm이고 반경이 약 3mm 인 용융 풀에서 200Hz의 낮은 체적 진동 주파수를 관찰했습니다. 0.45mm Aendenroomer와 den Ouden (1998)은 강철의 펄스 가스 텅스텐 아크 용접에서 용융 풀 진동을보고했습니다 [4] . 그들은 침투 깊이에 따라 진동 모드 변화를 보였고 주파수는 50Hz에서 150Hz 사이에서 변화했습니다. 주파수는 완전히 침투 된 용융 풀에서 더 낮았습니다. Hermans와 den Ouden (1999)은 단락 가스 금속 아크 용접에서 용융 풀 진동을 분석했습니다. [5]. 그들은 용융 풀의 단락 주파수와 고유 주파수가 같을 때 부분적으로 침투 된 용융 풀의 경우 공정 안정성이 향상되었음을 보여주었습니다. Yudodibroto et al. (2004)는 가스 텅스텐 아크 용접에서 용융 풀 진동에 대한 필러 와이어의 영향을 조사했습니다 [6] . 그들은 금속 전달이 특히 부분적으로 침투 된 용융 풀에서 진동 거동을 방해한다는 것을 보여주었습니다. Geiger et al. (2009) 레이저 키홀 용접에서 발광 분석 [7]. 신호의 주파수 분석을 사용하여 용융 풀 (1.5kHz 미만)과 키홀 (약 3kHz)에 해당하는 진동 주파수 범위를 찾았습니다. Kägeler와 Schmidt (2010)는 레이저 용접에서 용융 풀 크기의 변화를 관찰하기 위해 고속 카메라를 사용했습니다 [8] . 그들은 용융 풀에서 지배적 인 저주파 진동 성분 (100Hz 미만)을 발견했습니다. Shi et al. (2015) 고속 카메라를 사용하여 펄스 가스 텅스텐 아크 용접에서 용융 풀 진동 주파수 분석 [9]. 그들은 용접 침투 깊이가 작을수록 용융 풀의 진동 빈도가 더 높다는 것을 보여주었습니다. 추출 된 진동 주파수는 완전 용입 용접의 경우 85Hz 미만 이었지만 부분 용입 용접의 경우 110Hz에서 125Hz 사이였습니다. Volpp와 Vollertsen (2016)은 레이저 키홀 역학을 분석하기 위해 광학 신호를 사용했습니다 [10] . 그들은 공간 레이저 강도 분포로 인해 0.8에서 154 kHz 사이의 고주파 범위에서 피크를 발견했습니다. 위에서 언급 한 실험적 접근법은 공정 조건, 측정 방법 및 측정 된 위치에 따라 수십 Hz에서 수십 kHz까지 광범위한 용융 풀 역학에 대한 결과를 보여 주었다는 점에 유의해야합니다.

융합 용접에서 용융 풀 역학을 연구하기 위해 분석 접근 방식도 사용되었습니다. Zacksenhouse와 Hardt (1983)는 2.5mm 두께의 강판에서 대칭형 완전 관통 용융 풀의 고유 진동수를 계산했습니다 [2] . 매스 스프링 해석 모델을 사용하여 용융 풀 반경 6mm (고정 용접)에 대해 20.4Hz (실험에서 18.9Hz)의 고유 진동수와 3mm 풀 반경 (연속 용접)에 대해 40Hz의 고유 진동수를 예측했습니다. ). Postacioglu et al. (1989)는 원통형 용융 풀과 키홀을 가정하여 레이저 용접의 용융 풀에서 키홀 진동의 고유 진동수를 계산했습니다 .. 특정 열쇠 구멍 모양의 경우 약 900Hz의 기본 주파수가 계산되었습니다. Postacioglu et al. (1991)은 또한 레이저 용접에서 용접 속도를 고려하기 위해 타원형 용융 풀의 고유 진동수를 계산했습니다 [12] . 그들은 타원형 용융 풀의 모양이 고유 진동수에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 고유 진동수는 축의 길이 비율이 낮았으며, 즉 타원의 반장 축과 반 단축의 비율이 낮았습니다. Kroos et al. (1993)은 축 대칭 용융 풀과 키홀을 가정하여 레이저 키홀 용접의 동적 거동에 대한 이론적 모델을 개발했습니다 .. 키홀 폐쇄 시간은 0.1ms였으며 안정성 분석은 약 500Hz의 주파수에서 공진과 같은 진동을 예측했습니다. Maruo와 Hirata (1993)는 완전 관통 아크 용접에서 용융 풀을 모델링했습니다 [14] . 그들은 녹은 웅덩이가 정적 타원 모양을 가지고 있다고 가정했습니다. 그들은 고유 진동수와 진동 모드 사이의 관계를 조사하고 용융 풀 크기가 감소함에 따라 고유 진동수가 증가한다는 것을 보여주었습니다. Klein et al. (1994)는 원통형 키홀 모양을 사용하여 완전 침투 레이저 용접에서 키홀 진동을 연구했습니다 [15] . 그들은 점성 감쇠로 인해 키홀 진동이 낮은 kHz 범위로 제한된다는 것을 보여주었습니다. Klein et al. (1996)은 또한 레이저 출력의 작은 변동이 강한 키홀 진동으로 이어질 수 있음을 보여주었습니다[16] . 그들은 키홀 진동의 주요 공진 주파수 범위가 500 ~ 3500Hz라는 것을 발견했습니다. Andersen et al. (1997)은 고정 가스 텅스텐 아크 용접 [17] 에서 고정 된 원통형 모양을 가정하여 용융 풀의 고유 진동수를 예측 했으며 완전 용입 용접에서 용융 풀 폭이 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 3.175mm 두께의 강판의 경우 주파수는 20Hz ~ 100Hz 범위였습니다. 위에 표시된 분석 방법은 일반적으로 단순한 용융 풀 모양을 가정하고 고유 진동수를 계산했습니다. 이것은 단순한 용융 풀 모양으로 고정 용접 공정을 분석하는 데 충분하지만 대부분의 용접 사례를 설명하는 과도 용접 공정에서 용융 풀 역학 분석에는 적합하지 않습니다.

반면에 수치 접근 방식은 고온 및 강한 빛과 같은 실험적 제한없이 자세한 정보를 제공하기 때문에 용융 풀 역학을 분석하는 이점이 있습니다. 전산 유체 역학 (CFD)의 수치 시뮬레이션 기술이 발전함에 따라 용융 풀 역학 분석에 대한 많은 연구가 수행되었습니다. 실제 용융 표면 변화는 VOF (체적 부피) 방법을 사용하여 계산할 수 있습니다. Cho et al. (2010) CO ₂ 레이저-아크 하이브리드 용접 공정을 위한 수학적 모델 개발 [18], 구형 방울이 생성 된 금속 와이어의 용융 과정이 와이어 공급 속도와 일치한다고 가정합니다. 그들은 필러 와이어가 희석되는 용융 풀 동작을 보여주었습니다. Cho et al. (2012)는 높은 빔 품질과 높은 금속 흡수율로 인해 업계에서 널리 사용되는 디스크 레이저 키홀 용접으로 수학적 모델을 확장했습니다 [19] . 그들은 열쇠 구멍에서 레이저 광선 번들의 다중 반사를 고려하고 용융 풀에서 keyholing과 같은 빠른 표면 변화를 자세히보고했습니다. 최근 CFD 시뮬레이션은 험핑 (Otto et al., 2016 [20] ) 및 기공 (Lin et al., 2017 [21] )과 같은보다 구체적인 현상을 분석하는데도 사용되었습니다 .) 레이저 용접에서. 그러나 용융 풀 역학과 관련된 연구는 거의 수행되지 않았습니다. Ko et al. (2000)은 수치 시뮬레이션을 사용하여 가스 텅스텐 아크 용접 풀의 동적 거동을 조사했습니다 [22] . 그들은 완전히 침투 된 용융 풀이 부분적으로 침투 된 풀보다 낮은 주파수에서 진동한다는 것을 보여주었습니다. 진동은 수십 분의 1 초 내에 무시할 수있는 크기로 감쇠되었습니다. Geiger et al. (2009)는 또한 수치 시뮬레이션을 사용하여 레이저 용접에서 용융 풀 거동을 보여주었습니다 [7]. 그들은 계산 된 증발 속도를 주파수 분석에 사용하여 공정에서 나오는 빛의 실험 결과와 비교했습니다. 판금 레이저 용접에서 중요한 공간 빔 진동 및 추가 필러 재료가있는 공정에 대한 용융 풀 역학에 대한 연구도 불충분합니다. Hu et al. (2018)은 금속 전달 메커니즘을 밝히기 위해 전자빔 3D 프린팅에서 와이어 공급 모델링을 수행했습니다. 그들은 주로 열 입력에 의해 결정되는 액체 브리지 전이, 액적 전이 및 중간 전이의 세 가지 유형의 금속 전달 모드를 보여주었습니다 .. Meng et al. (2020)은 레이저 빔 용접에서 용융 풀에 필러 와이어에 의해 추가 된 추가 요소의 전자기 교반 효과를 모델링했습니다. 용가재의 연속적인 액체 브릿지 이동이 가정되었고, 그 결과 전자기 교반의 영향이 키홀 깊이에 미미한 반면 필러 와이어 혼합을 향상 시켰습니다 [24] . Cho et al. (2017) 용접 방향에 수직 인 1 차원 빔 진동과 용접 라인을 따라 공급되는 필러 와이어를 사용하여 레이저 용접을위한 시뮬레이션 모델 개발 [25]. 그들은 시뮬레이션을 사용하여 특정 용접 현상, 즉 용융 풀의 단추 구멍 형성을 보여주었습니다. Cho et al. (2018)은 다중 반사 수와 전력 흡수량의 푸리에 변환을 사용하여 주파수 영역에서 소위 쵸핑 주파수 (2 x 빔 발진 주파수) 성분을 발견했습니다 [26] . 그러나 그들은 용융 풀 역학을 분석하기 위해 간접 신호를 사용했습니다. 따라서보다 직관적 인 분석을 위해서는 표면의 변동을 직접 측정해야합니다.

이 연구는 이전 연구에서 개발 된 레이저 용접 모델을 사용하여 3 차원 과도 CFD 시뮬레이션을 수행하여 빔 진동 및 필러 와이어 공급을 포함한 레이저 용접 공정에서 용융 풀 역학을 조사합니다. 용융 된 풀 표면의 시간적 변화는 시뮬레이션 결과에서 추출되었습니다. 추출 된 데이터는 주파수 영역뿐만 아니라 시간-주파수 영역에서도 분석되었습니다. 신호 처리를 통해 도출 된 결과는 특징적인 용융 풀 역학을 나타내며 빔 진동 주파수 및 단추 구멍 형성 측면에서 레이저 용접의 역학을 줄일 수있는 잠재력을 제공합니다.

2 . 방법론

그림 1도 1은 용접 방향에 수직 인 1 차원 빔 진동과 용접 라인을 따라 공급되는 필러 와이어를 사용하는 레이저 용접 프로세스의 개략적 설명을 보여줍니다. 1mm 두께의 알루미늄 합금 (AlSi1MgMn) 시트는 시트 표면에 초점을 맞춘 멀티 kW 파이버 레이저 (YLR-8000S, IPG Photonics, USA)를 사용하여 용접되었습니다. 시트는 에어 갭이있는 맞대기 이음으로 정렬되었습니다. 1 차원 스캐너 (ILV DC-Scanner, Ingenieurbüro für Lasertechnik + Verschleiss-Schutz (ILV), 독일)를 사용하여 레이저 빔의 1 차원 정현파 진동을 실현했습니다. 이 스캔 시스템에서 최대 진동 폭은 250Hz의 진동 주파수에서 1.4mm입니다. 오정렬에 대한 공차를 개선하기 위해 동일한 최대 너비 값이 사용되었습니다. 와이어 공급 시스템은 1을 공급했습니다. 2mm 직경의 알루미늄 합금 (AlSi5) 필러 와이어를 일정한 공급 속도로 에어 갭을 채 웁니다. 1mm 에어 갭의 경우 와이어 이송 속도는 용접 속도의 1.5 배 값으로 설정되었으며 참조 실험 조건은 문헌에서 얻었습니다 (Schultz, 2015 참조).[27] ).

CFD 시뮬레이션은 레이저 용접에서 열 전달 및 용융 풀 동작을 계산하기 위해 수행되었습니다. 그림 2 는 CFD 시뮬레이션을위한 계산 영역을 보여줍니다. 실온에서 1.2mm 직경의 필러 와이어가 공급되고 레이저 빔이 진동했습니다. 1mm 두께의 공작물이 용접 속도로 왼쪽에서 오른쪽으로 이동했습니다. 0.1mm의 최소 메쉬 크기가 도메인에서 생성되었습니다. 침투 깊이가 더 깊은 이전 연구의 메쉬 테스트 결과는 0.2mm 이하의 메쉬 크기로 시뮬레이션 정확도가 확보 된 것으로 나타 났으므로 [28] 본 연구에서 사용 된 메쉬 크기가 적절할 수 있습니다. 도메인을 구성하는 세포의 수는 약 120 만 개였습니다. 1 번 테이블사용 된 레이저 용접 매개 변수를 보여줍니다. 용융 풀 역학 측면에서 다양한 진동 주파수와 에어 갭 크기가 고려되었으며 12 개의 용접 사례가 표 2 에 나와 있습니다. 표 3 은 시뮬레이션에 사용 된 알루미늄 합금과 순수 알루미늄 (Cho et al., 2018 [26] )의 표면 장력 계수를 제외하고 온도와 무관 한 열-물리적 재료 특성을 보여줍니다 . 여기서 표면 장력 계수는 액체 온도에서 온도와 표면 장력 계수 사이의 선형 관계를 가진 유일한 온도 의존적 특성이었습니다.

표 1 . . 레이저 용접 매개 변수.

레이저 용접 매개 변수	값
레이저 빔 파워	3.0kW
빔 허리 반경	50µm *
용접 속도	6.0m / 분
와이어 공급 속도	9.0m / 분
빔 진동 폭	1.4mm
빔 진동 주파수	100Hz, 150Hz, 200Hz, 250Hz
에어 갭 크기	0.8mm, 0.9mm, 1.0mm, 1.1mm

⁎

반경은 1.07μm의 파장, 4.2mm • mrad의 빔 품질, 시준 초점 거리 및 초점 렌즈 200mm, 광섬유 직경 100μm의 원형 빔을 가정하여 계산되었습니다.

표 2 . 이 연구에서 고려한 용접 사례.

에어 갭 크기 [mm]	진동 주파수 [Hz]
	100	150	200	250
0.9	사례 1	엑스	엑스	엑스
1.0	사례 2	사례 4	사례 7	사례 10
1.1	사례 3	사례 5	사례 8	사례 11
1.2	엑스	사례 6	사례 9	12면

표 3 . 시뮬레이션에 사용 된 열 물리적 재료 특성 (Cho et al., 2018 [26] ).

특성	상징	값
밀도	ρ	2700kg / m3
열 전도성	케이	1.7×102Wm K
점도	ν	1.15×10−삼kg / ms
표면 장력 계수 티엘*	γ엘	0.871 J / m2
표면 장력 온도 구배 *	ㅏ	−1.55×10−4J / m ² K
표면 장력 계수	γ	γ엘−ㅏ(티−티엘)
비열	씨	8.5×102J / kg K
융합 잠열	h에스엘	3.36×105J / kg
기화 잠열 *	hV	1.05×107J / kg
Solidus 온도	티에스	847K
Liquidus 온도	티엘	905K
끓는점 *	티비	2743K

⁎

순수한 알루미늄.

시뮬레이션을 위해 단상 뉴턴 유체와 비압축성 층류가 가정되었습니다. 질량, 운동량 및 에너지 보존의 지배 방정식을 해결하여 계산 영역에서 속도, 압력 및 온도 분포를 얻었습니다. VOF 방법은 자유 표면 경계를 찾는 데 사용되었습니다. 스칼라 보존 방정식을 추가로 도입하여 용융 풀에서 충전재의 부피 분율을 계산했습니다. 시뮬레이션에 사용 된 레이저 용접의 수학적 모델은 다음과 같습니다. 레이저 빔은 가우스와 같은 전력 밀도 분포를 기반으로 697 개의 광선 에너지 번들로 나뉩니다. 광선 추적 방법을 사용하여 다중 반사를 고려했습니다. 재료에 대한 레이저 빔의 반사 (또는 흡수) 에너지는 프레 넬 반사 모델을 사용하여 계산되었습니다. 온도에 따른 흡수율의 변화를 고려 하였다. 혼합물의 흡수율은베이스 및 충전제 물질 분획의 가중 평균을 사용하여 계산되었습니다. 반동 압력과 부력도 고려되었습니다. 경계 조건으로 에너지와 압력의 균형은 VOF 방법으로 계산 된 자유 표면에서 고려되었습니다. 레이저 용접 모델과 지배 방정식은 FLOW-3D v.11.2 (2017), Flow Science, Inc.에서 유한 차분 방법과 유한 체적 방법을 사용하여 이산화되고 해결되었습니다. 경계 조건으로 에너지와 압력의 균형은 VOF 방법으로 계산 된 자유 표면에서 고려되었습니다. 레이저 용접 모델과 지배 방정식은 FLOW-3D v.11.2 (2017), Flow Science, Inc.에서 유한 차분 방법과 유한 체적 방법을 사용하여 이산화되고 해결되었습니다. 경계 조건으로 에너지와 압력의 균형은 VOF 방법으로 계산 된 자유 표면에서 고려되었습니다. 레이저 용접 모델과 지배 방정식은 FLOW-3D v.11.2 (2017), Flow Science, Inc.에서 유한 차분 방법과 유한 체적 방법을 사용하여 이산화되고 해결되었습니다.[29] . 계산에는 48GB RAM이 장착 된 Intel® Xeon® 프로세서 E5649로 구성된 워크 스테이션이 사용되었습니다. 계산 시스템을 사용하여 0.2 초 레이저 용접을 시뮬레이션하는 데 약 18 시간이 걸렸습니다. 지배 방정식 (Cho and Woizeschke, 2020 [30] ) 및 레이저 용접 모델 (Cho et al., 2018 [26] )에 대한 자세한 설명은 부록 A 에서 확인할 수 있습니다 .

그림 3 은 용융 풀 변동의 직접 측정에 대한 개략적 설명을 보여줍니다. 용융 풀의 역학을 분석하기 위해 시뮬레이션 중에 용융 풀 표면의 시간적 변동 운동을 측정했습니다. 상단 및 하단 표면 모두에서 10kHz의 샘플링 주파수로 변동을 측정 한 반면, 측정 위치는 X 축의 레이저 빔 위치에서 2mm 떨어진 용접 중심선에있었습니다. 그림 4시간 신호를 분석하는 데 사용되는 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환의 개략적 설명을 보여줍니다. 측정 된 시간 신호는 고속 푸리에 변환 (FFT) 방법을 사용하여 주파수 영역으로 변환되었습니다. 결과는 측정 기간 동안 평균화 된 주파수 성분의 크기를 보여줍니다. 웨이블릿 변환 방법은 시간-주파수 영역에서 국부적 인 특성을 찾는 데 사용되었습니다. 결과는 주파수 구성 요소의 크기뿐만 아니라 시간 변화도 보여줍니다.

3 . 결과

이 연구 에서는 표 2에 표시된 12 가지 용접 사례 를 시뮬레이션했습니다. 그림 5 는 3 차원 시뮬레이션 결과를 평면도 와 바닥면으로 보여줍니다. 결과는 용융 된 풀의 거동에 따라 분류 할 수 있습니다 : 단추 구멍 형성 없음 (녹색), 안정 또는 불안정 단추 구멍 있음 (파란색), 불안정한 단추 구멍으로 인한 구멍 결함 (빨간색). 일반적인 열쇠 구멍보다 훨씬 큰 직경을 가진 단추 구멍은 레이저 용접의 특정 진동 조건에서 나타날 수 있습니다 (Vollertsen, 2016 [31]). 진동 주파수가 증가함에 따라 용접 이음 부 코스 및 스케일링 측면에서 시각적 이음새 품질이 향상되었습니다. 고주파에서 스케일링은 무시할 수있을 정도 였고 코스는 균질했습니다. 언더컷 결함의 발생도 감소했습니다. 그러나 관통 결함 부족 (case 7, case 10)이 나타났다. 에어 갭은 단추 구멍 형성에 중요했습니다. 에어 갭 크기가 증가함에 따라 단추 구멍이 더 쉽게 형성되었지만 구멍 결함으로 더 쉽게 남아 있습니다. 안정적인 단추 구멍 형성은 고려 된 공극 조건의 좁은 영역에서만 나타납니다.

그림 6 은 시뮬레이션과 실험에서 융합 영역의 모양을 보여줍니다. 버튼 홀이없는 경우 1, 불안정한 버튼 홀 형성이있는 경우 8, 안정적인 버튼 홀 형성이있는 경우 11의 3 가지 경우에 대해 시뮬레이션 결과와 실험 결과를 비교하여 유사성을 나타냈다. 본 연구에서 고려한 용접 조건의 경우 표면 품질 결과는 Fig. 5 와 같이 큰 차이를 보였으 나 단면 융착 영역 [26] 과 형상은 큰 차이를 보이지 않았다.

무화과. 7 과 8 은 각각 100Hz와 250Hz의 진동 주파수에서 시뮬레이션 결과를 기반으로 분석 된 용융 풀 역학과 시뮬레이션 및 실험 결과를 보여줍니다. 이전 연구에서 볼 수 있듯이 레이저 빔의 진동 주파수는 단추 구멍 형성과 밀접한 관련이 있습니다 (Cho et al., 2018 [26] 참조 ). 그림 7 (a) 및 (b)는 각각 시뮬레이션 및 실험을 기반으로 한 진동 주파수 100Hz에서 대표적인 용융 풀 동작을 보여줍니다. 완전히 관통 된 키홀 및 버튼 홀 형성은 관찰되지 않았으며 응고 후 거친 비드 표면이 남았습니다. 그림 7(c)와 (d)는 각각 윗면과 바닥면의 표면 변동에 대한 시뮬레이션 결과를 기반으로 한 용융 풀 역학 분석을 보여줍니다. 샘플링 데이터는 상단 표면이 공작물의 상단 표면 위치에서 평균적으로 변동하는 반면 하단 표면은 공작물의 하단 표면 위치에서 평균적으로 변동하는 것으로 나타났습니다. 표면 변동의 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환 결과는 명확한 1 ^차 주파수 (2 x 빔 발진 주파수, 이른바 초핑 주파수, Cho et al., 2018 [26] 참조 ) 및 2 ^차 주파수 (4 x 빔 발진)를 보여줍니다. 주파수) 두 표면의 구성 요소, 그러나 바닥 표면과 ^{첫 번째에} 대한 결과주파수 성분이 더 강합니다. 반면 그림 8 (a)와 (b)에서 보는 바와 같이 250Hz의 진동 주파수에서 시뮬레이션과 실험 결과는 안정된 버튼 홀 형성과 응고 후 매끄러운 비드 표면을 나타냈다. 그림 8 의 샘플링 신호의 진폭은 그림 7 의 진폭 보다 작으며 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환의 결과에서 중요한 주파수 성분이 발견되지 않았습니다.

Fig. 9 는 진동 주파수 200Hz에서 시뮬레이션 결과를 바탕으로 분석 된 용융 풀 역학과 시뮬레이션 및 실험 결과를 보여준다. 이 주파수에서 Fig. 9 (a)와 (b) 에서 보는 바와 같이 , 시뮬레이션과 실험 모두에서 불안정한 buttonhole 거동이 관찰되었다. 바닥면에서 샘플링 데이터의 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환의 결과 빔 발진 주파수 성분이 발견되었습니다.

4 . 토론

시뮬레이션 및 실험 결과는 비드 표면 품질이 향상되고 빔 진동 주파수가 증가함에 따라 버튼 홀이 형성되는 것으로 나타났습니다. 표면의 변동 데이터에 대한 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환의 결과에 따라 다음과 같은 주요 주파수 구성 요소가 발견되었습니다. 1 ^차 및 2 ^차버튼 홀 형성이없는 주파수, 불안정한 용융 풀 거동이있는 빔 진동 주파수, 안정적인 버튼 홀 형성이있는 중요한 주파수 성분이 없습니다. 이들 중 불안정한 용융 풀 동작과 관련된 빔 진동 주파수 성분은 완전히 관통 된 키홀과 반복적으로 생성 및 붕괴되는 불안정한 버튼 홀의 특성으로 인해 웨이블릿 변환 결과에서 명확한 실선 형태로 나타나지 않았습니다. 분석 결과는 윗면보다 바닥면에서 더 분명했습니다. 이는 필러 와이어 공급 및 키홀 링 공정에서 강한 하향 흐름으로 인해 용융 풀 역학이 바닥 표면 영역에서 더 강했기 때문입니다. 진동 주파수가 증가함에 따라 용융 풀 역학과 상단 표면과 하단 표면 간의 차이가 감소했습니다.

첫 ^번째 주파수 (2 x 빔 진동 주파수)는이 연구에서 관찰 된 가장 분명한 구성 요소였습니다. Schultz et al. (2018)은 또한 실험을 통해 동일한 성분을 발견했습니다 [32] , 용융 풀 표면 운동에 대한 푸리에 분석을 수행했습니다. 첫 ^번째 주파수 성분은 빔 발진주기 당 두 개의 주요 이벤트가 있음을 의미합니다. 이것은 레이저 빔이 빔 진동주기 당 두 번 와이어를 절단하거나 절단하는 프로세스와 일치합니다. 용융 된 와이어 팁은 낮은 진동 주파수에서 고르지 않고 날카로운 모서리를 갖는 것으로 나타났습니다 (Cho et al., 2018 [26] ). 이것은 ^{첫 번째} 원인이 될 수 있습니다.용융 된 풀에서 지배적이되는 주파수 성분. 진동 주파수가 증가하면 용융 된 와이어 팁이 더 균일 해 지므로 효과가 감소합니다. 용접 방향으로의 정현파 횡 방향 빔 진동을 통한 에너지 집중도 빔 진동주기 당 두 번 발생합니다. 그림 10 은 발진 주파수에 따른 레이저 빔의 라인 에너지 (단위 길이 당 에너지)의 변화를 보여줍니다. 그림 10 b) 의 라인 에너지 는 레이저 출력을 공정 속도로 나누어 계산했습니다. 여기서 처리 속도는(w이자형엘디나는엔지에스피이자형이자형디)2+(디(에스나는엔유에스영형나는디ㅏ엘wㅏV이자형나는엔에프나는지.10ㅏ))디티)2. 낮은 발진 주파수에서 라인 에너지는 발진 폭의 양쪽 끝에 과도하게 집중됩니다. 이러한 집중된 에너지는 과도한 키홀 링 프로세스를 초래하므로 언더컷 결함이 나타날 수있는 높은 흐름 역학이 발생합니다. 진동 주파수가 증가함에 따라 집중 에너지는 더 작은 조각으로 나뉩니다. 따라서 높은 진동 주파수에서 과도한 키홀 링 및 수반되는 언더컷 결함의 발생이 감소되었습니다. 위에서 언급 한 두 가지 현상 (불균일 한 와이어 팁과 집중된 라인 에너지)은 빔 발진주기 당 두 번 발생하며 발진 주파수가 증가하면 그 효과가 감소합니다. 따라서 저주파 에서 2 ^차 주파수 성분 (4 x 빔 발진 주파수)이 나타나는 것은이 두 현상의 동시 작용입니다.

두 가지 현상 중 ^{첫 번째} 주파수 에 대한 주된 효과 는 집중된 라인 에너지입니다. Cho et al. (2018)은 전력 흡수 데이터를 푸리에 변환을 사용하여 분석했을 때 1 ^차 주파수 성분이 더 우세 해졌고, 2 ^차 주파수 성분은 발진 주파수가 증가함에 따라 상대적으로 약화 되었음을 보여주었습니다 [26] . 용융 된 와이어 팁은 또한 빈도가 증가함에 따라 더욱 균일 해졌습니다. 결과는 진동 주파수의 증가가 용융 풀에 대한 와이어의 영향을 제거하는 것으로 나타났습니다. 따라서 발진 주파수가 증가함에 따라 라인 에너지 집중의 영향 만 남을 수 있습니다. 그림 10 과 같이, 집중 선 에너지가 작은 조각으로 분할되기 때문에 효과도 감소하지만 최대 값이 변경되지 않았기 때문에 여전히 효과적입니다.

빔 진동 주파수 성분은 불안정한 단추 구멍 및 열쇠 구멍 붕괴를 수반하는 불안정한 용융 풀 동작과 관련이 있습니다. 언더컷 결함이있는 케이스 8 (발진 주파수 200Hz)에서 발진 주파수 성분이 관찰되었습니다. 이것은 특히 완전히 관통 된 열쇠 구멍과 불안정한 단추 구멍에서 불안정한 용융 풀 동작을 보여주었습니다. 경우 10 (진동 주파수 250Hz)의 경우 상대적으로 건강한 비드가 형성 되었으나, 도 11 (a) 와 같이 웨이블릿 변환 결과에서 t1의 시간 간격으로 진동 주파수 성분이 관찰되었다 . 이 시간 간격 t1의 용융 풀 거동은 그림 11에 나와 있습니다.(비). 완전히 관통 된 열쇠 구멍이 즉시 무너지는 것이 분명하게 관찰되었습니다. 이것은 진동 주파수 성분이 불안정한 용융 풀 거동과 밀접한 관련이 있음을 보여줍니다. 발견 된 주파수 성분으로부터 완전히 관통 된 열쇠 구멍과 같은 불안정한 용융 풀 거동을 예측할 수 있습니다. 완전히 관통 된 키홀이 반복적으로 붕괴되기 때문에 빔 진동 주파수 성분은 그림 9 (d) 와 같이 웨이블릿 변환 결과에서 명확한 실선 형태로 보이지 않습니다 .

Cho and Woizeschke (2020)에 따르면 단추 구멍 형성은 자체 지속 가능한 카테 노이드처럼 작용하기 때문에 용융 풀 역학을 감소시킬 수 있습니다 [30] . 그림 12 는 버튼 홀 형성 측면에서 t2의 시간 간격에서 용융 풀 거동의 변화를 보여줍니다. 단추 구멍은 t2의 간헐적 인 부분에만 형성되었습니다. ^1st 이후이 시간 동안 웨이블릿 변환의 결과로 주파수 성분이 사라졌고, 버튼 홀 형성은 용융 풀 역학을 줄이는 데 효과적이었습니다. 따라서, 웨이블릿 변환의 결과로 주파수 성분이 지워지는 것을 관찰함으로써 버튼 홀 형성을 예측할 수있다. 이와 관련하여 웨이블릿 변환 기술은 시간에 따른 용융 풀 변화를 나타낼 수 있습니다. 이 기술은 향후 용융 풀 동작을 모니터링하는 데 사용될 수 있습니다.

5 . 결론

CFD 시뮬레이션 결과를 사용하여 빔 진동 및 필러 와이어 공급을 통한 레이저 용접에서 용융 풀 역학을 분석 할 수있었습니다. 용융 풀 표면의 변동 데이터의 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환은 여기서 용융 풀 역학을 분석하는 데 사용되었습니다. 결과는 다음과 같은 결론으로 이어집니다.1.

1 ^차 주파수 (2 x 빔 발진 주파수, 이른바 초핑 주파수), 2 ^차 주파수 (4 x 빔 발진 주파수) 및 빔 발진 주파수 성분은 푸리에 변환 및 웨이블릿 변환 분석에서 발견 된 주요 성분이었습니다.2.

1 ^차 주파수와 2 ^차 주파수 성분 의 출현은 두 가지 사건, 즉 레이저 빔에 의한 필러 와이어의 절단 공정과 집중된 레이저 라인 에너지의 효과의 결과였습니다. 이는 빔 진동주기 당 두 번 발생했습니다. 따라서 두 ^번째 주파수 성분은 동시 작용으로 인해 발생했습니다. 빔 진동 주파수 성분은 불안정한 용융 풀 동작과 관련이 있습니다. 구성 요소는 열쇠 구멍과 단추 구멍의 붕괴와 함께 나타났습니다.삼.

낮은 발진 주파수에서는 1 ^차 주파수와 2 ^차 주파수 성분이 함께 나타 났지만 발진 주파수가 증가함에 따라 그 크기가 함께 감소했습니다. 집중 선 에너지는 주파수가 증가함에 따라 최대 값이 변하지 않는 반면, 잘게 잘린 선단이 평평 해져 그 효과가 사라졌기 때문에 쵸핑 프로세스보다 더 큰 영향을 미쳤습니다.4.

용융 풀 거동의 빠른 시간적 변화는 웨이블릿 변환 방법을 사용하여 분석되었습니다. 따라서이 방법은 열쇠 구멍 및 단추 구멍의 형성 및 붕괴와 같은 일시적인 용융 풀 변화를 해석하는 데 사용할 수 있습니다.

CRediT 저자 기여 성명

조원익 : 개념화, 방법론, 소프트웨어, 검증, 형식 분석, 조사, 데이터 큐 레이션, 글쓰기-원고, 글쓰기-검토 및 편집. Peer Woizeschke : 감독, 프로젝트 관리, 작문-검토 및 편집.

경쟁 관심의 선언

저자는이 논문에보고 된 작업에 영향을 미칠 수있는 경쟁적인 재정적 이해 관계 나 개인적 관계가 없다고 선언합니다.

감사의 말

이 작업은 알루미늄 합금 용접 역량 센터 (Centr-Al)에서 수행되었습니다. Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, 프로젝트 번호 290705638 , “용접 풀 캐비티를 생성하여 레이저 깊은 용입 용접에서 매끄러운 이음매 표면”) 의 자금은 감사하게도 인정됩니다.

부록 A . 사용 된 지배 방정식 및 레이저 용접 모델

1 . 지배 방정식 (Cho 및 Woizeschke [ 30 ])

-대량 보존 방정식,(A1)∇·V→=미디엄˙에스ρ어디, V→속도 벡터입니다. ρ밀도이고 미디엄˙에스필러 와이어를 공급하여 질량 소스의 비율입니다. 단위미디엄에스단위 부피당 질량입니다. WFS (와이어 공급 속도) 및 필러 와이어의 직경과 같은 매스 소스 및 필러 와이어 조건,디w계산 영역에서 다음과 같은 관계가 있습니다.(A2)미디엄=∫미디엄에스디V=미디엄0+씨×ρ×W에프에스×π디w24×티어디, 미디엄총 질량, 미디엄0초기 총 질량, V볼륨입니다.씨단위 변환 계수입니다. 티시간입니다.

-운동량 보존 방정식,(A3)∂V→∂티+V→·∇V→=−1ρ∇피+ν∇2V→−케이V→+미디엄˙에스ρ(V에스→−V→)+지어디, 피압력입니다. ν동적 점도입니다. 케이뭉툭한 영역의 다공성 매체 모델에 대한 항력 계수, V에스→질량 소스에 대한 속도 벡터입니다. 지신체 힘으로 인한 신체 가속도입니다.

-에너지 절약 방정식,(A4)∂h∂티+V→·∇h=1ρ∇·(케이∇티)+h˙에스어디, h특정 엔탈피입니다. 케이열전도율, 티온도이고 h˙에스특정 엔탈피 소스로, Eq 의 질량 소스와 연관됩니다 . (A1) . 계산 영역의 총 에너지,이자형다음과 같이 계산됩니다.(A5)이자형=∫미디엄에스h에스디V=∫미디엄에스씨Vw티w디V어디, 씨Vw질량 원의 비열, 티w질량 소스의 온도입니다.

또한, 엔탈피 기반 연속체 모델을 사용하여 고체-액체 상 전이를 고려했습니다.

-VOF 방정식,(A6)∂에프∂티+∇·(V→에프)=에프˙에스어디, 에프유체가 차지하는 부피 분율이며 0과 1 사이의 값을 가지며 에프˙에스질량의 소스와 연결된 유체의 체적 분율의 비율 식. (A1) . 질량 공급원에 해당하는 부피 분율은 다음에 할당됩니다.에프에스.

-스칼라 보존 방정식,(A7)∂Φ∂티+∇·(V→Φ)=Φ˙에스어디, Φ필러 와이어의 스칼라 값입니다. 셀의 유체가 전적으로 필러 와이어로 구성된 경우Φ1이고 유체에 대한 필러 와이어의 부피 분율에 따라 0과 1 사이에서 변경됩니다. Φ˙에스Eq 에서 질량 소스에 연결된 스칼라 소스의 비율입니다 . (A1) . 스칼라 소스는 전적으로 필러 와이어이기 때문에 1에 할당됩니다. 확산 효과는 고려되지 않았습니다.

2 . 레이저 용접 모델 (Cho et al. [26] )

흡수율을 계산하기 위해 프레 넬 반사 모델을 사용했습니다. ㅏ=1−ρ씨재료의 표면 상에 도시 된 바와 같이 수학 식. (A8) 원 편광 빔의 경우.(A8)ㅏ=1−ρ씨=1−12(ρ에스+ρ피)어디,ρ에스=(엔1씨영형에스θ−피)2+큐2(엔1씨영형에스θ+피)2+큐2,ρ에스=(피−엔1에스나는엔θ티ㅏ엔θ)2+큐2(피+엔1에스나는엔θ티ㅏ엔θ)2+큐2,피2=12{[엔22−케이22−(엔1에스나는엔θ)2]2+2엔22케이22+[엔22−케이22−(엔1에스나는엔θ)2]},큐2=12{[엔22−케이22−(엔1에스나는엔θ)2]2+2엔22케이22−[엔22−케이22−(엔1에스나는엔θ)2]}.어디, 복잡한 인덱스 엔1과 케이1반사 지수와 공기의 흡수 지수이며 엔2과 케이2공작물을위한 것입니다. θ입사각입니다. 도시 된 바와 같이 수학 식. (A9)에서 , 혼합물의 흡수율은 식에서 얻은 모재 및 필러 와이어 분획의 가중 평균이됩니다 . (A7) .(A9)ㅏ미디엄나는엑스티유아르 자형이자형=Φㅏw나는아르 자형이자형+(1−Φ)ㅏ비ㅏ에스이자형어디, ㅏ비ㅏ에스이자형과 ㅏw나는아르 자형이자형각각 비금속과 필러 와이어의 흡수율입니다.

자유 표면 경계에서의 반동 압력 에이 싱은 Eq. (A10) .(A10)피아르 자형(티)≅0.54피에스ㅏ티(티)=0.54피0이자형엑스피(엘V티−티비아르 자형¯티티비)어디, 피에스ㅏ티포화 압력, 피0대기압입니다. 엘V기화의 잠열, 티비끓는 온도이고 아르 자형¯보편적 인 기체 상수입니다.

참고 문헌

D.J. Kotecki, D.L. Cheever, D.G. Howden
Mechanism of ripple formation during weld solidification
Weld. J., 51 (8) (1972), pp. 386s-391s
Google Scholar
[2]
M. Zacksenhouse, D.E. Hardt
Weld pool impedance identification for size measurement and control
J. Dyn. Syst. Meas. Control, 105 (3) (1983), pp. 179-184
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[3]
V.V. Semak, J.A. Hopkins, M.H. McCay, T.D. McCay
Melt pool dynamics during laser welding
J. Phys. D, 28 (1995), pp. 2443-2450
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[4]
A.J.R. Aendenroomer, G. den Ouden
Weld pool oscillation as a tool for penetration sensing during pulsed GTA welding
Weld. J., 77 (5) (1998), pp. 181s-187s
Google Scholar
[5]
M.J.M. Hermans, G. den Ouden
Process behavior and stability in short circuit gas metal arc welding
Weld. J., 78 (4) (1999), pp. 137-141
View Record in ScopusGoogle Scholar
[6]
B.Y.B. Yudodibroto, M.J.M. Hermans, Y. Hirata, G. den Ouden
Influence of filler wire addition on weld pool oscillation during gas tungsten arc welding
Sci. Technol. Weld. Join., 9 (2) (2004), pp. 163-168
View Record in ScopusGoogle Scholar
[7]
M. Geiger, K.-H. Leitz, H. Koch, A. Otto
A 3D transient model of keyhole and melt pool dynamics in laser beam welding applied to the joining of zinc coated sheets
Prod. Eng. Res. Dev., 3 (2009), pp. 127-136
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[8]
C. Kägeler, M. Schmidt
Frequency-based analysis of weld pool dynamics and keyhole oscillations at laser beam welding of galvanized steel sheets
Phys. Procedia, 5 (2010), pp. 447-453
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[9]
Y. Shi, G. Zhang, X.J. Ma, Y.F. Gu, J.K. Huang, D. Fan
Laser-vision-based measurement and analysis of weld pool oscillation frequency in GTAW-P
Weld. J., 94 (2015), pp. 176s-187s
Google Scholar
[10]
J. Volpp, F. Vollertsen
Keyhole stability during laser welding—part I: modelling and evaluation
Prod. Eng.-Res. Dev., 10 (2016), pp. 443-457
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[11]
N. Postacioglu, P. Kapadia, J. Dowden
Capillary waves on the weld pool in penetration welding with a laser
J. Phys. D, 22 (1989), pp. 1050-1061
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[12]
N. Postacioglu, P. Kapadia, J. Dowden
Theory of the oscillations of an ellipsoidal weld pool in laser welding
J. Phys. D, 24 (1991), pp. 1288-1292
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[13]
J. Kroos, U. Gratzke, M. Vicanek, G. Simon
Dynamic behaviour of the keyhole in laser welding
J. Phys. D, 26 (1993), pp. 481-486
View Record in ScopusGoogle Scholar
[14]
H. Maruo, Y. Hirata
Natural frequency and oscillation modes of weld pools. 1st Report: weld pool oscillation in full penetration welding of thin plate
Weld. Int., 7 (8) (1993), pp. 614-619
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[15]
T. Klein, M. Vicanek, J. Kroos, I. Decker, G. Simon
Oscillations of the keyhole in penetration laser beam welding
J. Phys. D, 27 (1994), pp. 2023-2030
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[16]
T. Klein, M. Vicanek, G. Simon
Forced oscillations of the keyhole in penetration laser beam welding
J. Phys. D, 29 (1996), pp. 322-332
View Record in ScopusGoogle Scholar
[17]
K. Andersen, G.E. Cook, R.J. Barnett, A.M. Strauss
Synchronous weld pool oscillation for monitoring and control
IEEE Trans. Ind. Appl., 33 (2) (1997), pp. 464-471
View Record in ScopusGoogle Scholar
[18]
W.-I. Cho, S.-J. Na, M.-H. Cho, J.-S. Lee
Numerical study of alloying element distribution in CO2 laser-GMA hybrid welding
Comput. Mater. Sci., 49 (2010), pp. 792-800
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[19]
W.-I. Cho, S.-J. Na, C. Thomy, F. Vollertsen
Numerical simulation of molten pool dynamics in high power disk laser welding
J. Mater. Process. Technol., 212 (2012), pp. 262-275
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[20]
A. Otto, A. Patschger, M. Seiler
Numerical and experimental investigations of humping phenomena in laser micro welding
Phys. Procedia, 83 (2016), pp. 1415-1423
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[21]
R. Lin, H.-P. Wang, F. Lu, J. Solomon, B.E. Carlson
Numerical study of keyhole dynamics and keyhole-induced porosity formation in remote laser welding of Al alloys
Int. J. Heat Mass Trans., 108 (2017), pp. 244-256
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[22]
S.H. Ko, C.D. Yoo, D.F. Farson, S.K. Choi
Mathematical modeling of the dynamic behavior of gas tungsten arc weld pools
Metall. Mater. Trans. B., 31B (2000), pp. 1465-1473
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[23]
R. Hu, X. Chen, G. Yang, S. Gong, S. Pang
Metal transfer in wire feeding-based electron beam 3D printing: modes, dynamics, and transition criterion
Int. J. Heat Mass Transf., 126 (2018), pp. 877-887
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[24]
X. Meng, A. Artinov, M. Bachmann, M. Rethmeier
Theoretical study of influence of electromagnetic stirring on transport phenomena in wire feed laser beam welding
J. Laser Appl., 32 (2020), Article 022026
CrossRefGoogle Scholar
[25]
W.-I. Cho, V. Schultz, F. Vollertsen
Simulation of the buttonhole formation during laser welding with wire feeding and beam oscillation
L. Overmeyer, U. Reisgen, A. Ostendorf, M. Schmidt (Eds.), Proceedings of the Lasers in Manufacturing, German Scientific Laser Society, Munich, Germany (2017)
Google Scholar
[26]
W.-I. Cho, V. Schultz, P. Woizeschke
Numerical study of the effect of the oscillation frequency in buttonhole welding
J. Mater. Process. Technol., 261 (2018), pp. 202-212
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[27]
V. Schultz, T. Seefeld, F. Vollertsen
Bridging Large Air Gaps by Laser Welding with Beam Oscillation
International Conference on Application of Lasers in Manufacturing, New Delhi, India (2015), pp. 31-32
CrossRefGoogle Scholar
[28]
W.-I. Cho, S.-J. Na
Impact of wavelengths of CO2, disk, and green lasers on fusion zone shape in laser welding of steel
J. Weld. Join., 38 (3) (2020), pp. 235-240
CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar
[29]
FLOW-3D User Manual. 2017. Version 11.2.1.06, Flow Science Inc.
Google Scholar
[30]
W.-I. Cho, P. Woizeschke
Analysis of molten pool behavior with buttonhole formation in laser keyhole welding of sheet metal
Int. J. Heat Mass Transf., 152 (2020), Article 119528
ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar
[31]
F. Vollertsen
Loopless production: definition and examples from joining
69th IIW Annual Assembly and International Conference, Melbourne, Australia (2016)
Google Scholar
[32]
V. Schultz, W.-I. Cho, A. Merkel, P. Woizeschke
Deep penetration laser welding with high seam surface quality due to buttonhole welding
Proc. of the IIW Annual Assembly, Com. IV, Bali, Indonesia (2018)
IIW-Doc. IV-1390-18

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Tag: CFD

He Gas Stripper and Rotating Disk Stripper at the RIKEN RIBF

理研 RI ビームファクトリーにおける He ガスと回転ディスクストリッパー

서론

References

The effect of triangular prismatic elements on the hydraulic performance of stepped spillways in the skimming flow regime: an experimental study and numerical modeling

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조도 계수 및 역 고도 변화가 향상된 90도 측면 회전에서 유동의 실험 및 수치 연구

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About this chapter

Optimization of Solar CCHP Systems with Collector Enhanced by Porous Media and Nanofluid

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1. Introduction

2. Cycle Description

2.1. System Analysis Equations

3. Porous Media

3.1. Nano Fluid

4. Results and Discussion

5. Conclusion and Future Directions

Nomenclature

Greek symbols

Abbreviations

Data Availability

Conflicts of Interest

Acknowledgments

References

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Details

A Computer Model to Assess Fire Hazards in Tunnels (FASlT)

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Introduction

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키워드

1 . 소개

2 . 모델 공식화

2.1 . 개요

2.2 . CFD 코드

2.2.1 . 석탄 연소

2.2.2 . 복사와 대류

2.2.3 . 그리드

2.2.4 . 경계 조건

2.3 . 가마 온도

2.4 . 수갑

2.5 . 최종 커플링

2.6 . 가마 조건

3 . 결과 및 토론

3.1 . 화염 구조

3.2 . 가마 온도 분포

3.3 . 클링커 온도 및 조성

3.4 . 글로벌 에너지 균형

3.5 . 논의

4 . 결론

감사의 말

The energy dissipation of Stepped Spillways experimentally and numerically

KEYWORDS

REFERENCE

East main works

The challenge/ hydraulic modelling

전산 유체 역학 모델링

물리적 스케일 유압 모델링

Conclusions

Timescale

첨부 파일

CFD Simulations of Conical Central Baffle Flumes

Abstract