An investigation of the effect of the pulse width and amplitude on sand bed scouring by a vertical submerged pulsed jet

An investigation of the effect of the pulse width and amplitude on sand bed scouring by a vertical submerged pulsed jet

수직 수중 펄스 제트에 의한 모래층 정련에 대한 펄스 폭과 진폭의 영향 조사

Chuan Wang abc, Hao Yu b, Yang Yang b, Zhenjun Gao c, Bin Xi b, Hui Wang b, Yulong Yao b

aInternational Shipping Research Institute, GongQing Institute of Science and Technology, Jiujiang, 332020, ChinabCollege of Hydraulic Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou, 225009, ChinacCollege of Mechanical and Power Engineering, China Three Gorges University, Yichang, 443002, China

https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.117324

Highlights

  • Numerical simulations and experiments were combined to investigate pulsed jet scour.
  • The effect mechanism of pulse amplitude on the variation of scour hole depth was analyzed.
  • Models for the prediction of relative low pulse width with the inlet pulse amplitude have been developed.

Abstract

This paper investigates the effects of the pulse width and amplitude on the scouring of sand beds by vertical submerged pulsed jets using a combination of experimental and numerical calculations. The reliability of the numerical calculations is verified through a comparison between the numerical simulations with the sedimentation scour model and the experimental data at a low pulse width T2 of 0, with the result that the various errors are within 5%. The results show that the scour hole depth |hmin| grows with the relative low pulse width T3 throughout three intervals: a slowly increasing zone I, a rapidly increasing zone II, and a decreasing zone III, producing a unique extreme value of |hmin|. The optimal scouring effect equation was obtained by analytically fitting the relationship curve between the pulse amplitude V and the relatively low pulse width T3. Including the optimal T3 and optimal duty cycle ƞ. The difference in the scour hole depth |hmin| under different pulse amplitudes is reflected in the initial period F of the jet. With an increasing pulse amplitude, |hmin| goes through three intervals: an increasing zone M, decreasing zone N, and rebound zone R. It is found that the scouring effect in the pulse jet is not necessarily always stronger with a larger amplitude. The results of the research in this paper can provide guidance for optimizing low-frequency pulsed jets for related engineering practices, such as dredging and rock-breaking projects.

Introduction

Submerged jet scouring technology is widely used in marine engineering and dredging projects due to its high efficiency and low cost, and a wide range of research exists on the topic (Zhang et al., 2017; Thaha et al., 2018; Lourenço et al., 2020). Numerous scholars studied the scouring caused by different forms of jets, such as propeller jets (Curulli et al., 2023; Wei et al., 2020), plane jets (Sharafati et al., 2020; Mostaani and Azimi, 2022), free-fall jets (Salmasi and Abraham, 2022; Salmasi et al., 2023), and moving jets (Wang et al., 2021). Among them, vertical jets were more popular than inclined jets due to theirs simple equipment and good silt-scouring performance (Chen et al., 2023; Wang et al., 2017). So, a large number of scholars have proposed relevant static and dynamic empirical equations for the scour depth of submerged jets. Among them, Chen et al. (2022) and Mao et al. (2023) investigated the influence of jet diameters, jet angles, exit velocities, and impinging distances on scouring effects. Finally, based on a large amount of experimental data and theoretical analysis, a semi-empirical equation for the dynamic scour depth in equilibrium was established. Amin et al. (2021) developed semi-empirical prediction equations for asymptotic lengths and empirical equations for the temporal development of lengths. Shakya et al. (2021, 2022) found that the ANN model in dimensionless form performs better than the ANN model in dimensioned form and proposed an equation for predicting the depth of static scour under submerged vertical jets using MNLR. Kartal and Emiroglu (2021) proposed an empirical equation for predicting the maximum dynamic scour depth for a submerged vertical jet with a plate at the nozzle. The effect of soil properties on jet scour has also been studied by numerous scholars. Among them, Nguyen et al. (2017) investigated the effects of compaction dry density and water content on the scour volume, critical shear stress, linear scour coefficient, and volumetric scour coefficient using a new jet-scour test device. Dong et al. (2020) investigated the effect of water content on scour hole size through experiments with a vertical submerged jet scouring a cohesive sediment bed. It was found that the depth and width of the scour holes increased with the increasing water content of the cohesive sediments, and equations for the scour depth and width in the initial stage of scouring and the calculation of the scouring rate were proposed. Kartal and Emiroglu (2023) studied the scouring characteristics of different nozzle types produced in non-cohesive sands. The results of the study found that the air entrainment rate of venturi nozzles was 2–6.5 times higher than that of circular nozzles. Cihan et al. (2022) investigated the effect of different proportions of clay and sand on propeller water jet scouring. And finally, he proposed an estimation equation for the maximum depth and length of the scour hole under equilibrium conditions. From the above summary, it is clear that a great deal of research has been carried out on submerged jet scouring under continuous jet flows.

Pulsed jets have advantages such as higher erosion rates and entrainment rates compared to continuous jets and have therefore received more attention in the development of engineering fields such as cleaning and rock breaking (Raj et al., 2019; Zhu et al., 2019; Kang et al., 2022; Y. Zhang et al., 2023). In the study of jet structure, Li et al. (2018, 2019a, 2019b, 2023) investigated the effects of the jet hole diameter, the number of jet holes, the jet distance, and the tank pressure on pulse jet cleaning. It was found that the transient pressure below the injection hole gradually increased along the airflow direction of the injection pipe, and the peak positive pressure at the inner surface of the injection pipe also increased. Liu and Shen (2019) investigated the effect of a new venturi structure on the performance of pulse jet dust removal. It was found that the longer the length of the venturi or the shorter the throat diameter of the venturi, the greater the energy loss. Zhang et al. (2023b) studied jet scouring at different angles based on FLOW-3D. It was found that counter flow scouring is better than down flow scouring. In the study of pulsed structure, Li et al. (2020) investigated the effects of different pulse amplitudes, pulse frequencies, and circumferential pressures on the rock-breaking performance. It was found that the rock-breaking performance of the jet increased with increasing pulse amplitude. However, due to the variation in pulse frequency, the rock-breaking performance does not show a clear pattern. The effect of Reynolds number on pulsating jets impinging on a plane was systematically investigated by H. H Medina et al. (2013) It was found that pulsation leads to a shorter core region of the jet, a faster decrease in the centerline axial velocity component, and a wider axial velocity distribution. Bi and Zhu (2021) investigated the effect of nozzle geometry on jet performance at low Reynolds numbers, while Luo et al. (2020) studied pulse jet propulsion at high Reynolds numbers and finally found that higher Reynolds numbers accelerate the formation of irregular vortices and symmetry-breaking instabilities. Cao et al. (2019) investigated the effect of four different pulse flushing methods on diamond core drilling efficiency. It was found that the use of intermittent rinsing methods not only increases penetration rates but also reduces rinse fluid flow and saves power.

Previous research on vertical submerged jet scouring has primarily focused on the effect of jet structure on scouring under continuous jet conditions. However, there have been fewer studies conducted on scouring under pulsed jet conditions. We found that the pulsed jet has a high erosion rate and entrainment rate, which can significantly enhance the scouring effect of the jet. Therefore, to address the research gap, this paper utilizes a combination of numerical calculations and experiments to investigate the effects of high pulse width, low pulse width, and amplitude on the scouring of vertically submerged jets. The study includes analyzing the structure of the pulsed jet flow field, studying the evolution of the scouring effect over time, and examining the relationship between the optimal pulse width, duty cycle, and amplitude. The study’s conclusions of the study can provide a reference for optimizing the performance of pulse jets in the fields of jet scouring applications, such as dredger dredging and pulse rock breaking, as well as a theoretical basis for the development of submerged pulse jets.

Section snippets

Model and calculation settings

Fig. 1 shows the geometric model of the submerged vertical jet impinging on the sand bed, which was built in Flow-3D on a 1:1 dimensional scale corresponding to the experiment. The jet scour simulation was set up between four baffles, where the top baffle was used to ensure that the jet entered only from the brass tube, and the remaining three tank baffles were used to fix the sediment and water body. The computational domain consisted of only solid and liquid components, with the specific

The effects of the pulse width on submerged jet scouring

The blocking pulsed jet, indicated as A and C in Fig. 8(a)–is discontinuous and divided into a water section and a pulse interval section. The water section in region A is not a regular shape, due to part of the water section near the side wall being affected by the wall friction and the falling speed being lower, but this also shows that the wall plays a certain buffer role. Region B of Fig. 8(a) shows the symmetrical vortex generation that occurs below the nozzle as the water section is

conclusions

In this paper, the effects of the pulse width and pulse amplitude on jet scour under submerged low-frequency pulse conditions are discussed and investigated, and the following conclusions have been reached.

  • (1)The errors of between the Flow-3D simulation and the experimental measurements were within 5%, which proves that the sedimentation scouring model of Flow-3D can reliably perform numerical calculation of the type considered in this paper.
  • (2)The change in the high pulse width T1 in the pulse cycle 

CRediT authorship contribution statement

Chuan Wang: Data curation, Conceptualization. Hao Yu: Writing – original draft. Yang Yang: Writing – review & editing, Supervision. Zhenjun Gao: Supervision, Writing – review & editing. Bin Xi: Resources, Project administration. Hui Wang: Software, Data curation. Yulong Yao: Validation, Software.

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 (44)

Serife Yurdagul Kumcu−2−KSCE Journal of Civil Engineeringthe use of CFD for the assessment of a design, as well as screeningand optimizing of hydraulic structures and cofferdam layouts. Theyconclude that CFD has been successful in optimizing the finalconceptual configuration for the hydraulics design of the project,but recommend that physical modeling still be used as a finalconfirmation.This paper provides experimental studies performed on Kav akDam and analyses the stability of spillway design by usingFLOW-3D model. It compares the hydraulic model tests withFLOW-3D simulation results and gives information on howaccurately a commercially available Computational Fluid Dynamic(CFD) model can predict the spillway discharge capacity andpressure distribution along the spillway bottom surface. 2. Physical ModelA 1/50-scaled undistorted physical model of the Kavsak Damspillway and stilling basin was built and tested at the HydraulicModel Laboratory of State Hydraulic Works of Turkey (DSI).The model was constructed of plexiglas and was fabricated toconform to the distinctive shape of an ogee crest. The spillwayhas 45.8 m in width and 57 m long with a bottom slope of 125%.The length of the stilling basin is about 90 m. During model tests,flow velocities were measured with an ultrasonic flow meter.Pressures on the spillway were measured using a piezometerssçTable 1. Upstream and Downstream Operating Conditions of theKavsak DamRun Upstream reservoir elevation (m)Downstream tailwater elevation (m)1 306.55 168.002 311.35 174.503 314.00 178.904 316.50 182.55Fig. 1. (a) Original Project Design and Final Project Design after Experimental Investigations and Flow Measurement Sections at theApproach, (b) Top View Experimentally Modified Approach in the Laboratory, (c) Side View of the Experimentally Modified Approachin the Laboratory

Investigation of flow over spillway modeling and comparison between experimental data and CFD analysis

여수로 모델링 및 실험 데이터와 CFD 해석의 비교에 대한 조사

DOI:10.1007/s12205-016-1257-z

Authors:

Serife Yurdagul Kumcu at Necmettin Erbakan Üniversitesi

Serife Yurdagul Kumcu

Abstract and Figures

As a part of design process for hydro-electric generating stations, hydraulic engineers typically conduct some form of model testing. The desired outcome from the testing can vary considerably depending on the specific situation, but often characteristics such as velocity patterns, discharge rating curves, water surface profiles, and pressures at various locations are measured. Due to recent advances in computational power and numerical techniques, it is now also possible to obtain much of this information through numerical modeling. In this paper, hydraulic characteristics of Kavsak Dam and Hydroelectric Power Plant (HEPP), which are under construction and built for producing energy in Turkey, were investigated experimentally by physical model studies. The 1/50-scaled physical model was used in conducting experiments. Flow depth, discharge and pressure data were recorded for different flow conditions. Serious modification was made on the original project with the experimental study. In order to evaluate the capability of the computational fluid dynamics on modeling spillway flow a comparative study was made by using results obtained from physical modeling and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. A commercially available CFD program, which solves the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations, was used to model the numerical model setup by defining cells where the flow is partially or completely restricted in the computational space. Discharge rating curves, velocity patterns and pressures were used to compare the results of the physical model and the numerical model. It was shown that there is reasonably good agreement between the physical and numerical models in flow characteristics.

수력 발전소 설계 프로세스의 일부로 수력 엔지니어는 일반적으로 어떤 형태의 모델 테스트를 수행합니다. 테스트에서 원하는 결과는 특정 상황에 따라 상당히 다를 수 있지만 속도 패턴, 방전 등급 곡선, 수면 프로파일 및 다양한 위치에서의 압력과 같은 특성이 측정되는 경우가 많습니다. 최근 계산 능력과 수치 기법의 발전으로 인해 이제는 수치 모델링을 통해 이러한 정보의 대부분을 얻을 수도 있습니다.

본 논문에서는 터키에서 에너지 생산을 위해 건설 중인 Kavsak 댐과 수력발전소(HEPP)의 수력학적 특성을 물리적 모델 연구를 통해 실험적으로 조사하였다. 1/50 스케일의 물리적 모델이 실험 수행에 사용되었습니다. 다양한 흐름 조건에 대해 흐름 깊이, 배출 및 압력 데이터가 기록되었습니다. 실험 연구를 통해 원래 프로젝트에 대대적인 수정이 이루어졌습니다.

배수로 흐름 모델링에 대한 전산유체역학의 능력을 평가하기 위해 물리적 모델링과 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션 결과를 이용하여 비교 연구를 수행하였습니다. RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식을 푸는 상업적으로 이용 가능한 CFD 프로그램은 흐름이 계산 공간에서 부분적으로 또는 완전히 제한되는 셀을 정의하여 수치 모델 설정을 모델링하는 데 사용되었습니다.

물리적 모델과 수치 모델의 결과를 비교하기 위해 배출 등급 곡선, 속도 패턴 및 압력을 사용했습니다. 유동 특성에서 물리적 모델과 수치 모델 간에 상당히 좋은 일치가 있는 것으로 나타났습니다.

Serife Yurdagul Kumcu−2−KSCE Journal of Civil Engineeringthe use of CFD for the assessment of a design, as well as screeningand optimizing of hydraulic structures and cofferdam layouts. Theyconclude that CFD has been successful in optimizing the finalconceptual configuration for the hydraulics design of the project,but recommend that physical modeling still be used as a finalconfirmation.This paper provides experimental studies performed on Kav akDam and analyses the stability of spillway design by usingFLOW-3D model. It compares the hydraulic model tests withFLOW-3D simulation results and gives information on howaccurately a commercially available Computational Fluid Dynamic(CFD) model can predict the spillway discharge capacity andpressure distribution along the spillway bottom surface. 2. Physical ModelA 1/50-scaled undistorted physical model of the Kavsak Damspillway and stilling basin was built and tested at the HydraulicModel Laboratory of State Hydraulic Works of Turkey (DSI).The model was constructed of plexiglas and was fabricated toconform to the distinctive shape of an ogee crest. The spillwayhas 45.8 m in width and 57 m long with a bottom slope of 125%.The length of the stilling basin is about 90 m. During model tests,flow velocities were measured with an ultrasonic flow meter.Pressures on the spillway were measured using a piezometerssçTable 1. Upstream and Downstream Operating Conditions of theKavsak DamRun Upstream reservoir elevation (m)Downstream tailwater elevation (m)1 306.55 168.002 311.35 174.503 314.00 178.904 316.50 182.55Fig. 1. (a) Original Project Design and Final Project Design after Experimental Investigations and Flow Measurement Sections at theApproach, (b) Top View Experimentally Modified Approach in the Laboratory, (c) Side View of the Experimentally Modified Approachin the Laboratory
Serife Yurdagul Kumcu−2−KSCE Journal of Civil Engineeringthe use of CFD for the assessment of a design, as well as screeningand optimizing of hydraulic structures and cofferdam layouts. Theyconclude that CFD has been successful in optimizing the finalconceptual configuration for the hydraulics design of the project,but recommend that physical modeling still be used as a finalconfirmation.This paper provides experimental studies performed on Kav akDam and analyses the stability of spillway design by usingFLOW-3D model. It compares the hydraulic model tests withFLOW-3D simulation results and gives information on howaccurately a commercially available Computational Fluid Dynamic(CFD) model can predict the spillway discharge capacity andpressure distribution along the spillway bottom surface. 2. Physical ModelA 1/50-scaled undistorted physical model of the Kavsak Damspillway and stilling basin was built and tested at the HydraulicModel Laboratory of State Hydraulic Works of Turkey (DSI).The model was constructed of plexiglas and was fabricated toconform to the distinctive shape of an ogee crest. The spillwayhas 45.8 m in width and 57 m long with a bottom slope of 125%.The length of the stilling basin is about 90 m. During model tests,flow velocities were measured with an ultrasonic flow meter.Pressures on the spillway were measured using a piezometerssçTable 1. Upstream and Downstream Operating Conditions of theKavsak DamRun Upstream reservoir elevation (m)Downstream tailwater elevation (m)1 306.55 168.002 311.35 174.503 314.00 178.904 316.50 182.55Fig. 1. (a) Original Project Design and Final Project Design after Experimental Investigations and Flow Measurement Sections at theApproach, (b) Top View Experimentally Modified Approach in the Laboratory, (c) Side View of the Experimentally Modified Approachin the Laboratory

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원문 보기
Figure 3. FLOW-3D results for Strathcona Dam spillway with all gates fully open at an elevated reservoir level during passage of a large flood. Note the effects of poor approach conditions and pier overtopping at the leftmost bay.

BC Hydro Assesses Spillway Hydraulics with FLOW-3D

by Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng.
Specialist Engineer in the Hydrotechnical Department at BC Hydro

BC Hydro, a public electric utility in British Columbia, uses FLOW-3D to investigate complex hydraulics issues at several existing dams and to assist in the design and optimization of proposed facilities.

Faizal Yusuf, M.A.Sc., P.Eng., Specialist Engineer in the Hydrotechnical department at BC Hydro, presents three case studies that highlight the application of FLOW-3D to different types of spillways and the importance of reliable prototype or physical hydraulic model data for numerical model calibration.

W.A.C. Bennett Dam
At W.A.C. Bennett Dam, differences in the spillway geometry between the physical hydraulic model from the 1960s and the prototype make it difficult to draw reliable conclusions on shock wave formation and chute capacity from physical model test results. The magnitude of shock waves in the concrete-lined spillway chute are strongly influenced by a 44% reduction in the chute width downstream of the three radial gates at the headworks, as well as the relative openings of the radial gates. The shock waves lead to locally higher water levels that have caused overtopping of the chute walls under certain historical operations.Prototype spill tests for discharges up to 2,865 m3/s were performed in 2012 to provide surveyed water surface profiles along chute walls, 3D laser scans of the water surface in the chute and video of flow patterns for FLOW-3D model calibration. Excellent agreement was obtained between the numerical model and field observations, particularly for the location and height of the first shock wave at the chute walls (Figure 1).

W.A.C에서 Bennett Dam, 1960년대의 물리적 수력학 모델과 프로토타입 사이의 여수로 형상의 차이로 인해 물리적 모델 테스트 결과에서 충격파 형성 및 슈트 용량에 대한 신뢰할 수 있는 결론을 도출하기 어렵습니다. 콘크리트 라이닝 방수로 낙하산의 충격파 크기는 방사형 게이트의 상대적인 개구부뿐만 아니라 헤드워크에 있는 3개의 방사형 게이트 하류의 슈트 폭이 44% 감소함에 따라 크게 영향을 받습니다. 충격파는 특정 역사적 작업에서 슈트 벽의 범람을 야기한 국부적으로 더 높은 수위로 이어집니다. 최대 2,865m3/s의 배출에 대한 프로토타입 유출 테스트가 2012년에 수행되어 슈트 벽을 따라 조사된 수면 프로필, 3D 레이저 스캔을 제공했습니다. FLOW-3D 모델 보정을 위한 슈트의 수면 및 흐름 패턴 비디오. 특히 슈트 벽에서 첫 번째 충격파의 위치와 높이에 대해 수치 모델과 현장 관찰 간에 탁월한 일치가 이루어졌습니다(그림 1).
Figure 1. Comparison between prototype observations and FLOW-3D for a spill discharge of 2,865 m^3/s at Bennett Dam spillway.
Figure 1. Comparison between prototype observations and FLOW-3D for a spill discharge of 2,865 m^3/s at Bennett Dam spillway.

The calibrated FLOW-3D model confirmed that the design flood could be safely passed without overtopping the spillway chute walls as long as all three radial gates are opened as prescribed in existing operating orders with the outer gates open more than the inner gate.

The CFD model also provided insight into the concrete damage in the spillway chute. Cavitation indices computed from FLOW-3D simulation results were compared with empirical data from the USBR and found to be consistent with the historical performance of the spillway. The numerical analysis supported field inspections, which concluded that deterioration of the concrete conditions in the chute is likely not due to cavitation.

Strathcona Dam
FLOW-3D was used to investigate poor approach conditions and uncertainties with the rating curves for Strathcona Dam spillway, which includes three vertical lift gates on the right abutment of the dam. The rating curves for Strathcona spillway were developed from a combination of empirical adjustments and limited physical hydraulic model testing in a flume that did not include geometry of the piers and abutments.

Numerical model testing and calibration was based on comparisons with prototype spill observations from 1982 when all three gates were fully open, resulting in a large depression in the water surface upstream of the leftmost bay (Figure 2). The approach flow to the leftmost bay is distorted by water flowing parallel to the dam axis and plunging over the concrete retaining wall adjacent to the upstream slope of the earthfill dam. The flow enters the other two bays much more smoothly. In addition to very similar flow patterns produced in the numerical model compared to the prototype, simulated water levels at the gate section matched 1982 field measurements to within 0.1 m.

보정된 FLOW-3D 모델은 외부 게이트가 내부 게이트보다 더 많이 열려 있는 기존 운영 명령에 규정된 대로 3개의 방사형 게이트가 모두 열리는 한 여수로 낙하산 벽을 넘지 않고 설계 홍수를 안전하게 통과할 수 있음을 확인했습니다.

CFD 모델은 방수로 낙하산의 콘크리트 손상에 대한 통찰력도 제공했습니다. FLOW-3D 시뮬레이션 결과에서 계산된 캐비테이션 지수는 USBR의 경험적 데이터와 비교되었으며 여수로의 역사적 성능과 일치하는 것으로 나타났습니다. 수치 분석은 현장 검사를 지원했으며, 슈트의 콘크리트 상태 악화는 캐비테이션 때문이 아닐 가능성이 높다고 결론지었습니다.

Strathcona 댐
FLOW-3D는 Strathcona Dam 여수로에 대한 등급 곡선을 사용하여 열악한 접근 조건과 불확실성을 조사하는 데 사용되었습니다. 여기에는 댐의 오른쪽 접합부에 3개의 수직 리프트 게이트가 포함되어 있습니다. Strathcona 여수로에 대한 등급 곡선은 경험적 조정과 교각 및 교대의 형상을 포함하지 않는 수로에서 제한된 물리적 수리 모델 테스트의 조합으로 개발되었습니다.

수치 모델 테스트 및 보정은 세 개의 수문이 모두 완전히 개방된 1982년의 프로토타입 유출 관측과의 비교를 기반으로 했으며, 그 결과 가장 왼쪽 만의 상류 수면에 큰 함몰이 발생했습니다(그림 2). 최좌단 만으로의 접근 흐름은 댐 축과 평행하게 흐르는 물과 흙채움댐의 상류 경사면에 인접한 콘크리트 옹벽 위로 떨어지는 물에 의해 왜곡됩니다. 흐름은 훨씬 더 원활하게 다른 두 베이로 들어갑니다. 프로토타입과 비교하여 수치 모델에서 생성된 매우 유사한 흐름 패턴 외에도 게이트 섹션에서 시뮬레이션된 수위는 1982년 현장 측정과 0.1m 이내로 일치했습니다.

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

The calibrated CFD model produces discharges within 5% of the spillway rating curve for the reservoir’s normal operating range with all gates fully open. However, at higher reservoir levels, which may occur during passage of large floods (as shown in Figure 3), the difference between simulated discharges and the rating curves are greater than 10% as the physical model testing with simplified geometry and empirical corrections did not adequately represent the complex approach flow patterns. The FLOW-3D model provided further insight into the accuracy of rating curves for individual bays, gated conditions and the transition between orifice and free surface flow.

보정된 CFD 모델은 모든 게이트가 완전히 열린 상태에서 저수지의 정상 작동 범위에 대한 여수로 등급 곡선의 5% 이내에서 배출을 생성합니다. 그러나 대규모 홍수가 통과하는 동안 발생할 수 있는 더 높은 저수지 수위에서는(그림 3 참조) 단순화된 기하학과 경험적 수정을 사용한 물리적 모델 테스트가 그렇지 않았기 때문에 모의 배출과 등급 곡선 간의 차이는 10% 이상입니다. 복잡한 접근 흐름 패턴을 적절하게 표현합니다. FLOW-3D 모델은 개별 베이, 게이트 조건 및 오리피스와 자유 표면 흐름 사이의 전환에 대한 등급 곡선의 정확도에 대한 추가 통찰력을 제공했습니다.

Figure 3. FLOW-3D results for Strathcona Dam spillway with all gates fully open at an elevated reservoir level during passage of a large flood. Note the effects of poor approach conditions and pier overtopping at the leftmost bay.
Figure 3. FLOW-3D results for Strathcona Dam spillway with all gates fully open at an elevated reservoir level during passage of a large flood. Note the effects of poor approach conditions and pier overtopping at the leftmost bay.

John Hart Dam
The John Hart concrete dam will be modified to include a new free crest spillway to be situated between an existing gated spillway and a low level outlet structure that is currently under construction. Significant improvements in the design of the proposed spillway were made through a systematic optimization process using FLOW-3D.

The preliminary design of the free crest spillway was based on engineering hydraulic design guides. Concrete apron blocks are intended to protect the rock at the toe of the dam. A new right training wall will guide the flow from the new spillway towards the tailrace pool and protect the low level outlet structure from spillway discharges.

FLOW-3D model results for the initial and optimized design of the new spillway are shown in Figure 4. CFD analysis led to a 10% increase in discharge capacity, significant decrease in roadway impingement above the spillway crest and improved flow patterns including up to a 5 m reduction in water levels along the proposed right wall. Physical hydraulic model testing will be used to confirm the proposed design.

존 하트 댐
John Hart 콘크리트 댐은 현재 건설 중인 기존 배수로와 저층 배수로 사이에 위치할 새로운 자유 마루 배수로를 포함하도록 수정될 것입니다. FLOW-3D를 사용한 체계적인 최적화 프로세스를 통해 제안된 여수로 설계의 상당한 개선이 이루어졌습니다.

자유 마루 여수로의 예비 설계는 엔지니어링 수력학 설계 가이드를 기반으로 했습니다. 콘크리트 앞치마 블록은 댐 선단부의 암석을 보호하기 위한 것입니다. 새로운 오른쪽 훈련 벽은 새 여수로에서 테일레이스 풀로 흐름을 안내하고 여수로 배출로부터 낮은 수준의 배출구 구조를 보호합니다.

새 여수로의 초기 및 최적화된 설계에 대한 FLOW-3D 모델 결과는 그림 4에 나와 있습니다. CFD 분석을 통해 방류 용량이 10% 증가하고 여수로 마루 위의 도로 충돌이 크게 감소했으며 최대 제안된 오른쪽 벽을 따라 수위가 5m 감소합니다. 제안된 설계를 확인하기 위해 물리적 수압 모델 테스트가 사용됩니다.

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

Conclusion

BC Hydro has been using FLOW-3D to investigate a wide range of challenging hydraulics problems for different types of spillways and water conveyance structures leading to a greatly improved understanding of flow patterns and performance. Prototype data and reliable physical hydraulic model testing are used whenever possible to improve confidence in the numerical model results.

다양한 유형의 여수로 및 물 수송 구조로 인해 흐름 패턴 및 성능에 대한 이해가 크게 향상되었습니다. 프로토타입 데이터와 신뢰할 수 있는 물리적 유압 모델 테스트는 수치 모델 결과의 신뢰도를 향상시키기 위해 가능할 때마다 사용됩니다.

About Flow Science, Inc.
Based in Santa Fe, New Mexico USA, Flow Science was founded in 1980 by Dr. C. W. (Tony) Hirt, who was one of the principals in pioneering the “Volume-of-Fluid” or VOF method while working at the Los Alamos National Lab. FLOW-3D is a direct descendant of this work, and in the subsequent years, we have increased its sophistication with TruVOF, boasting pioneering improvements in the speed and accuracy of tracking distinct liquid/gas interfaces. Today, Flow Science products offer complete multiphysics simulation with diverse modeling capabilities including fluid-structure interaction, 6-DoF moving objects, and multiphase flows. From inception, our vision has been to provide our customers with excellence in flow modeling software and services.

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Result of simulation by changing surface tension

잉크젯 프린팅에서 해상력에 관한 컴퓨터 시뮬레이션 연구

A Study on the Simulation of the Resolution for Ink-Jet Printing

  • Lee, Ji-Eun (Dept. of Graphic Arts Engineering, Graduate School, Pukyong National University) ;
  • Youn, Jong-Tae (Dept. of Graphic Arts Information, College of Engineering, Pukyong National University) ;
  • Koo, Chul-Whoi (Dept. of Graphic Arts Information, College of Engineering, Pukyong National University)
  • 이지은 (부경대학교 대학원 인쇄공학과) ;
  • 윤종태 (부경대학교 공과대학 인쇄정보공학과) ;
  • 구철회 (부경대학교 공과대학 인쇄정보공학과)

초록

Ink-jet is part of the non impact printing that shooting the ink drop from the nozzle to paper. It is very silence and express good color. There are two types of printing that continuous and drop on demand. But drop on demand process is becoming the mainstream. these days, LCD, PDP is passed more than semiconductor industry. And we expect organic EL, FED as a next display. But product equipment, main component and technology have a gap between an advanced country and us nevertheless physical development. Expecially, previous process part is depended on imports. Ink-jet printing technology that there isn’t complicated photo lithography process is attracted, so ink-jet printing resolution is more embossed. But there were not many of ink-jet resolution thesis but ink-jet head or nozzle. Because, to out of the ink from the nozzle is unseeable and hard to experiment. Therefore this thesis was experimented and simulated how can ink-jet printer improved resolution by flow-3d simulation package program.

잉크젯은 노즐에서 종이로 잉크 방울을 분사하는 비 충격 인쇄의 일부입니다. 매우 조용하고 좋은 색상을 표현합니다. 연속 및 요청시 드롭되는 두 가지 유형의 인쇄가 있습니다. 그러나 주문형 드롭 프로세스가 주류가되고 있습니다. 요즘 LCD, PDP는 반도체 산업을 넘어서고 있습니다. 그리고 우리는 유기 EL, FED를 다음 디스플레이로 기대합니다. 그러나 제품 장비, 주요 부품 및 기술은 선진국과 우리의 물리적 발달 사이에 격차가 있습니다. 특히 이전 공정 부분은 수입품에 의존합니다. 복잡한 포토 리소그래피 공정이없는 잉크젯 프린팅 기술이 매료되어 잉크젯 프린팅 해상도가 더욱 강조됩니다. 하지만 잉크젯 해상도 논문은 많지 않고 잉크젯 헤드 나 노즐이 많았습니다. 왜냐하면 노즐에서 잉크가 빠져 나가는 것은 보이지 않고 실험하기 어렵 기 때문입니다. 따라서이 논문은 flow-3d 시뮬레이션 패키지 프로그램을 통해 잉크젯 프린터가 해상도를 향상시킬 수있는 방법을 실험하고 시뮬레이션했습니다.

국내 및 해외에 다양한 인쇄 기술이 보급되어 있는 상황에서 잉크젯 기술은 1990년대 후반부터 궤도에 올랐다. 잉크젯은 비접촉성 인쇄 기술의 하나로 인쇄 표면에 잉크 방울 들을 투사해 전자적으로 조정하기 때문에 여러 가지 장점들이 있다. 원하는 양을 원하는 때 제작 가능하고 2,400dpi이상의 높은 해상도를 가지며 잉크 방울의 크기를 조절하여 보다 정확한 이미지인 그레이 스케일 이미지를 얻을 수 있다. 따라서 사진과 같은 이미 지를 만들 수 있다. 또한 기존의 붓을 이용한 디자인에 비해 높은 해상도의 이미지를 손 쉽게 만들 수 있으므로 그래픽 디자인에 대한 적용 범위를 확장할 수 있다. 그리고 카트 리지에 저장되어 있는 잉크를 이미지에 필요한 양만큼 소비하기 때문에 생산비 절감에 유리하다. 이는 코팅 기술이 가지고 있는 원료의 소모를 획기적으로 개선할 수 있다.또 한 코팅 방법과는 달리 기판에 영향을 주지 않는다. 거칠거나 민감한 모든 종류의 표면 위에 인쇄가 가능하며, 1분당 100,000라인의 인쇄 속도로 고속 처리에 적합하다. 현재 잉 크젯 프린터의 성능을 평가하는 방법 중에 가장 기본적인 것은 해상도이다. 그렇기 때문 에 인쇄물의 해상도에서는 dpi가 무척 중요하다. dpi는 dot per inch의 약자로 1인치당 찍은 점의 수이다. dpi는 인쇄물의 해상력을 결정하는 단위이다. 예를 들어 300dpi는 1인 치에 300개의 점을 찍는 밀도로 잉크 점을 찍어 인쇄를 한다는 뜻이다. 당연히 dpi는 숫 자가 클수록 인쇄물이 더 정교해진다. 그러나 제조업체에 따라 출력 dpi 수가 다르며 요 구되는 최적의 해상도도 프린터 엔진의 특성에 따라 다르다. 일반적인 인쇄물은 200dpi 면 좋은 품질이며, 300dpi를 넘으면 매우 우수한 품질이 된다. 우리가 일상생활에서 보 는 대부분의 인쇄물은 100~300dpi 정도롤 사용한다. 잉크젯 프린터에 1,440dpi라고 쓰여 있는 것은 dot의 실질적인 것을 말하는 것이 아니라, 이상적인 종이에 잉크 방울을 려 구현할 수 있는 이론상의 수치이다. 종이에 작은 잉크 입자돌을 뿌려 번지게 하는 방법 으로 인해, 표시된 해상력만큼 재현하지 못하는 경우가 많다. 따라서 실제로는 600dpi 잉크젯 프린터라고 해도 인쇄소에서 300dpi로 출력한 것보다 품질이 떨어지기도 한다. 그러므로 좋은 품질을 얻기 위해서는 목표로 한 해상력 보다 높게 인쇄해야 하는데 그 러기 위해서는 잉크젯의 해상력에 관한 연구가 필수적이다. 잉크에서는 주로 헤드와 노즐에 관한 연구들이 많이 있지만,~9 본 논문에서는 잉크젯의 해상력에 관한 연구를 하고자 한다. 본 연구의 목적은 FLOW-3D 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 액적의 비산 모양을 시뮬레이션 함으로서 해상력에 대한 예측을 하기 위한 것이다. 잉크 방울의 크기가 해상 력에 미친다는 것을 알고, 잉크의 물성을 변화시켜가며 액적을 줄이기 위한 시뮬레이션 을 하였다.

Simulation of the bubble jet printing by FLOW-3D
ZSimulation of the bubble jet printing by FLOW-3D
Result of simulation by changing surface tension
Result of simulation by changing surface tension
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Plate 1.1: Overall view of infiltration rig with permeable pavement

Modular Permeable Pavements | 모듈식 투과성 포장

이 기사는 Mohd Aminur Rashid ( UNITEN ), Prof Ismail Abustan (USM) 및 Prof Meor Othman Hamzah ( USM ) 가 기고했습니다.

모듈 식 투과성 포장은 전통적인 불 침투성 아스팔트 및 콘크리트 포장의 대안입니다. 물이 표면을 통해 빠르게 침투 할 수있는 능력 때문에 모듈 식 투과성 포장은 유출량과 최고 유출률을 줄일 수 있습니다. 모듈 식 투과성 포장 도로는 우수 제어를 돕는 효과적인 도구로 간주됩니다. 이 연구는  실험실 및 현장 실험 결과를 검증하기 위해 FLOW-3D 를 사용하여 투과성 포장의 변화를 모델링하고 시각화하는 데 중점을 둡니다  .

실험 설정

Plate 1.1: Overall view of infiltration rig with permeable pavement
Plate 1.1: Overall view of infiltration rig with permeable pavement
Plate 1.2: Physical model of the permeable pavement in laboratory
Plate 1.2: Physical model of the permeable pavement in laboratory

투과성 포장의 물리적 모델은 폭 525mm, 길이 565mm 인 모델의 전면보기를 위해 3면 20mm 두께의 PVC와 20mm 두께의 Perspex로 만들어진 Plate 1.2와 같이 수직 직사각형 수로에 배치되었습니다. 이 투과성 포장 도로에는 그림 1.1과 같이 표층 두께 110mm, 자갈 바닥 두께 300mm, 부기 층 두께 200mm의 세 가지 레이어가 있습니다. 서브베이스 레이어는 200mm 깊이까지 두 ​​개의 HMPS 레이어를 리그에 추가하여 구성되었습니다. 부기 층이 완성 된 후, 침투 리그에 15mm에서 20mm 크기의 세척 된 깨끗한 입방체 골재를 첨가하여 자갈 기저층을 시공 하였다. HMPS의 표면층은 5mm 깨끗한 입방체 골재가있는 PVC의 육각 기둥으로 구성됩니다.


그림 1.1 : 경계 조건 구성
Figure 1.1: Configuration of boundary conditions
Figure 1.1: Configuration of boundary conditions

모델 검증

모델은 20L / m, 15L / m, 10L / m, 5L / m의 유속에 대한 시뮬레이션 데이터와 실험실 데이터를 비교하여 검증되었습니다. 데이터는 시간 함수로서 포장 층 하단의 유체 축적 높이로 구성됩니다. 이러한 데이터는 FLOW-3D 의 짧은 런타임 때문에 선택되었습니다  . 그림 1.2는 20L / m 실험에서 관찰 된 결과와 계산 된 결과를 비교 한 것입니다. 관찰 시간과 계산 시간의 차이는 약 5 초로 매우 작습니다. 이것은 육각형 모듈 포장 시스템의 계산 모델, HMPS 및이 FLOW-3D 를 실행하는 데 사용 된 모든 데이터를 확인했습니다.  시뮬레이션은 실험실 조건과 일치했습니다. 15L / m에 대해 관찰 된 데이터와 계산 된 데이터 간의 비교가 그림 1.3에 나와 있습니다. 그래프는 동일한 추세선과 약 5 초의 차이도 보여줍니다. 그림 1.4는 10L / m에 대해 계산 된 데이터와 관찰 된 데이터 간의 비교 그래프를 보여줍니다. 이 사례는 시뮬레이션 된 데이터와 관찰 된 데이터에 대해 약 5 초 더 많은 것을 제외하고는 완전히 일치 함을 보여줍니다. 시뮬레이션 및 관찰 된 데이터는 차이가 5 초 미만인 5L / m 케이스에 대해 그림 1.5에 플롯되었습니다.

Comparison between observed and computed data
Figure 1.2: Comparison between observed and computed data on 20L/m
Figure 1.3: Comparison between observed and computed data on 15L/m
Figure 1.4: Comparison between observed and computed data on 10L/m
Figure 1.5: Comparison between observed and computed data on 5L/m

층 두께의 영향

시뮬레이션된 각 사례의 경우 속도 필드는 비슷하지만 FORD™ 방법이 형상을 해석하는 방식으로 차이를 관찰할 수 있습니다. 그물이 너무 거칠어서 PVC 육각형 기둥의 벽을 해결할 수 없을 경우 벽 내부와 외부 사이에 액체가 누출될 수 있습니다. 결과는 그림 1.9의 압력이 가장 거친 메시의 솔루션과 다른 두 메시의 메시 독립적 솔루션 사이에 뚜렷한 차이와 함께 서로 상당히 잘 일치한다는 것을 보여줍니다. 특히, 수면과 침대의 차이는 기하와 수면의 위치를 근사한 그물에 의해 발생하며, 이는 흐름장 내 세포의 0이 아닌 속도와 Fi와 같이 장애물 내 또는 수면 위 인접 세포의 0 속도 사이의 보간 차이를 초래합니다.1.10, 1.11 및 1.12입니다. 더 미세한 메시를 사용하여 불일치를 최소화해야 합니다.

Figure 1.6: Surface pavements of HMPS in FLOW-3D simulation
Figure 1.7: Effect of thickness of surface pavement on fraction of fluid
Figure 1.8: Effect of thickness of surface pavement on volume of fluid

시뮬레이션 된 각 경우에 대해 속도 필드는 비슷하지만 FAVOR ™ 방법이 형상을 해석하는 방식에서 차이가 관찰 될 수 있습니다. 메쉬가 너무 거칠어 서 PVC 육각 기둥의 벽을 해결할 수없는 경우 벽 내부와 외부 사이에 유체 누출이있을 수 있습니다. 결과는 그림 1.9의 압력이 가장 거친 메쉬의 솔루션과 다른 두 메쉬의 메쉬 독립 솔루션 사이에 현저한 차이가 있음을 알 수 있습니다. 특히 수면과 수면의 차이는 기하학과 수면의 위치를 ​​근사하는 메쉬에 의해 발생합니다. 이는 그림 1.10, 1.11 및 1.12에서와 같이 유동장에서 세포의 0이 아닌 속도와 장애물 내부 또는 수면 위의 인접한 세포의 속도가 0이 아닌 사이의 보간 차이를 초래합니다. 더 미세한 메시를 사용하여 불일치를 최소화해야합니다.

2D different thickness of surface pavement
Figure 1.9: Pressure fields for the 2D different thickness of surface pavement
Figure 1.10: Velocity fields for the 2D different thickness of surface pavement
Figure 1.11: Pressure fields for the 2D different thickness of surface pavement
Figure 1.12: Velocity fields in the z-direction for the 2D different thickness of surface pavement

결론

수행 된 테스트의 범위에서 FLOW-3D는 모듈식 포장 도로, HMPS의 흐름을 적절하게 모델링 한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 결과는 또한 복잡한 2D 흐름이 항상 적절하게 모델링 되었음을 나타냅니다. 특히 물 표면 프로필을 물리적 모델의 프로필과 비교할 때 더욱 그렇습니다. 이는 동일한 운영 상황에서 실험 결과와 모델 결과를 비교하기 위한 이 연구의 세 번째 목표에 부합합니다. 또한 시뮬레이션은 대체 다공성 매체 모델 또는 축척 또는 프로토타입 치수로 실행할 수 있습니다. 이 연구는  FLOW-3D가 포장 구조를 통과하는 흐름의 일반적인 특성을 모델링 할 수 있을 만큼 충분히 발전되었습니다. 더 자세한 연구를 위해서는 더 강력한 컴퓨터가 필요합니다. 이러한 결과는 이 특정 경우에 유효하며 다른 디자인을 연구 할 때 지침으로 사용해야 합니다.

마지막으로 이 연구를 통해 포장 구조가 통합 유압 시스템으로 작동함을 알 수 있습니다. 이 시스템의 성능은 시스템 내의 모든 구성 요소와 관련이 있습니다. 본 연구의 다음 단계는 본 연구에서 제시 한 분석 방법을 기반으로 단순화된 모델을 개발하는 것입니다. 전산 유체 역학 모델에 사용 된 재료 특성의 추정을 개선하려면 토양 물 특성 곡선에 대해 더 많은 실험실 테스트를 수행해야 합니다.

Spraying

Spraying

Dispensing Liquids with Swirl Spray Nozzles

소용돌이-스프레이(Swirl-spray) 노즐은 화학 청소기, 의약품 및 연료에 액체를 분사하는 일반적인 방법입니다. 액체의 성공적인 분무화를 위해서는 노즐에 침투하는 공기 코어(air core)를 형성해야 합니다. CFD는 최적의 스프레이 콘을 위한 기하학, 스월 속도(swirl velocity) 및 유체 특성의 영향을 탐구하는 효과적인 방법입니다.

FLOW-3D simulation of a swirl spray nozzle

이 예에서는 2차원 축 대칭 스월 흐름(axisymmetric swirl flow)이 시뮬레이션되었습니다. 대칭 축을 따른 공기 코어가 노즐 전체 길이까지 거의 침투했습니다. 왼쪽 그림은 벡터가 평면에서 속도 분포를 나타내는 압력 분포입니다. 오른쪽 그림은 속도의 스월 성분에 의해 색상이 지정되고 빨간색은 더 높은 값을 나타냅니다.

스프레이 콘과 방울 크기의 눈금이 너무 넓기 때문에 스프레이의 전체 분자를 직접 계산할 수 없습니다. 또한, 원자화는 외부 동요, 노즐의 미세한 결함 및 기타 영향과 밀접하게 연관된 혼란스러운 과정입니다. 그러나 스프레이 콘이 노즐을 빠져나갈 때(즉, 벽 두께, 원뿔 각도, 축 속도 및 방위각 속도) 스프레이 콘의 특성을 예측할 수 있다는 것은 이러한 유형의 흐름 장치를 최적화하는 데 큰 도움이 됩니다.

Capillary Flows/Capillary Filling/Thermocapillary Switch/Capillary Absorption/Marangoni flow

Capillary Flows

모세관 흐름은 일반적으로 미세 유체 장치에서 발생합니다. 예를 들어, 바이오 칩 설계에서는 한 곳에서 다른 곳으로 액체 용액을 전달하기 위해 긴 마이크로 채널이 자주 사용됩니다. 입구 채널은 액체 저장소에 연결되고 표면 장력은 액체를 마이크로 채널로 끌어 당깁니다 (액체가 칩 표면에 “젖은”경우). 이 페이지에서는 충진, 흡수 및 전환과 같은 모세관 흐름 분석에서 FLOW-3D의 특정 응용 분야를 다룹니다.

Marangoni flow in a dish of water that is heated at its center.

Marangoni flow는 중앙에서 데워진 물이 담긴 접시에 흐릅니다. 불균일한 표면 장력에 의해 생성 된 흐름은 20ºC의 초기 온도에서 0.75cm 깊이의 얕은 8.0cm 직경의 물 접시에 의해 입증됩니다. 원형 접시의 중앙에는 직경 0.5cm의 원통형 막대가 있습니다. 80 Cº의 온도로 가열하고 0.05 cm 깊이까지 수면에 담근다. 핫로드 근처의 물이 가열됨에 따라 표면 장력이 0.1678 dyne / cm / ºC만큼 감소하여 표면이 접시의 바깥 쪽 테두리쪽으로 후퇴합니다. Retraction는 처음에 표면에 뿌려진 질량없는 마커 입자로 표시됩니다.

Capillary Absorption

고체 물질의 기공에 모세관 흡수 때문에 액체와 고체 사이의 접착 발생합니다. 이 같은 흡수의 간단하면서도 유용한 시험은 핀란드 ABO Akademi 대학의 마르티 Toivakka에 의해 제안되었습니다. 테스트 기공은 ± 1.0 μm의 측면 벽 1.0 μm의 반경 원호입니다. 팽창 목에 연결된 넓은 2차원 채널로 구성되어 있습니다. 체적력의 부재 하에서, 표면장력 과 wall adhesion pull liquid 는 액체와 고체 사이의 static contact angle에 의해 결정됩니다. 첨부된 그림은 FLOW-3D가 올바르게 특정 접촉 각도 (유체는 적색표현) 충전 레벨을 계산하는 것을 나타냅니다.

Thermocapillary Switch

액체의 작은 덩어리나 가벼운 빔의 경로에서 움직이는 굴절, 혹은 반사로 다른 길로 리디렉션 할 수 있습니다. 이 개념은 특히나 한번 빔 내부 반사로 인해 갇혀 있는 섬유에 들어가 광학 섬유로 연결에서 매력적입니다. 어떠한 복잡성의 광 회로를 만들려면, 하나의 광섬유에서 다른 가벼운 방향을 바꿀 수 있는“스위치”를 둘 필요가 있습니다.

The animation above shows a FLOW-3D simulation of a drop of water in a 14mm-wide channel that is being heated at the bottom.

Capillary Filling

모세관 충전 과정을 이해하는 것은 칩 설계에 중요합니다.. 액체 흐름 통로의 다른 형상 포획 기포의 가능성 등의 충전 공정의 기술은, 같은 챔버와 칩의 내부 구조를 배치 기둥 분할하고, 밸브 결합에 설계자 안내 등 다양한 모세관 충전 동작이 발생할 수 있습니다.

시뮬레이션은 아래의 모세관 작용의 분석 예측의 유효성을 검사합니다. 모세관 채우기는 정확하게 표면 장력과 중력에 의해 균형을 잡습니다.이것은 FLOW-3D에 의해서 정확하게 예측되는 기본적인 과정입니다.

Modeling Local Bridge Scour

Modeling Local Bridge Scour

 

This article was contributed by Ying-Chieh Lin, Hervé Capart, and Der-Liang Young of Department of Civil Engineering and Hydrotech Research Institute/National Taiwan University in Taipei, Taiwan, the winner of the 2nd Flow Science 30th Anniversary Simulation Contest.

 

대만의 태풍 Sinlaku(2008년 9월)와 Morakot(2009년 8월)은 대만 강을 가로지르는 많은 교량의 심각한 취약성을 드러냈습니다. 여러 현장에서 교량 세굴 실패를 관찰한 결과 대만의 설계조건에 대해 특별한 특징이 많으며, 연구조사가 아닌 전형적인 조건의 범위를 벗어났음을 알 수 있었습니다. 대만 특유의 조건으로는 강수량 및 토사량의 급격한 변화, 빠른 침식률, 공동 암반 및 충적 조절, 하천 및 교량과 같은 하천을 따라 지어진 다양한 유형의 구조물 간의 간섭 등이 있습니다.

 

The Houfeng Bridge Failure in Taiwan

2008년 9월의 Houfeng다리의 붕괴는 대만의 몇 가지 특정한 우려 사안을 설명하는 데 사용될 수 있습니다. 강의 침전물의 엄청난 변화로 수면의 급수공급 파이프 라인에 접근합니다. 대만 수도공사는 송유관을 보호하기 위해 콘크리트 구조물을 건설했는데, 이로 인해 수면이 갑자기 떨어졌습니다. 구체적인 과정을 이해하기 위해, 3D 해석 시뮬레이션과 실험데이터를 결합하여 결과를 찾았습니다. 국지적인 입자들과 지역 흐름 패턴의 3차원 모델링은 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다. 현실적인 시나리오를 정의하고 모델링 결과를 확인하기 위해 수치 모델링의 데이터를 소규모 실험의 데이터와 비교합니다. (척도 계수 1:200).

Figure 1. Collapse of Houfeng Bridge in September 2008, due to general scour of the Tachia river reach

Figure 2a. Local scour due to the exposure of a sill immediately upstream of the bridge. Photo courtesy of Zoe Lin, TBS.

Figure 2b. Local sill (water supply pipeline) exposed by river degradation, which caused a sudden drop in water surface and enhanced scour immediately downstream of the sill, where the failed bridge piles were located.

 

Three Dimensional Local Flow Modeling

3차원 전산유체역학 모델은 FLOW-3D로 시뮬레이션이 됩니다. 급수 관로 끝에 존재하는 강력한 수직 속도 성분 때문에 3차원 시뮬레이션이 필요합니다. 큰 수직 속도변화로 인해 흐름 패턴이 복잡해지고 교량 교각 앞에서 절삭이 강화됩니다. 이 연구의 주요 목표 중 하나는 현지의 Sill의 영향력을 보여 주는 것 입니다. 이를 위해 상수도관 및 교각 주변에 미세한 mesh(0.25cm3)를 설정합니다. 또한 이 모델에 사용된 총 그리드 수는 약 70만개입니다.

Pure water시뮬레이션에서 FLOW-3D결과는 소규모 실험 데이터와 양호한 일치성을 보여줍니다. 그림 3과 같이 첫 번째 교각 전면에 있는 수위표면은 높이변화를 보여줍니다. 예측된 데이터는 측정된 데이터와 유사하며, 우리는 세가지 실험이 동일한 구성을 가지고 있더라도 수면 높이에 변화가 있음을 관찰할 수 있습니다. The non-bedrock시뮬레이션은 유입 및 유출 경계 조건을 검증하고 시뮬레이션을 위한 적절한 그리드 해상도를 선택하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 문제는 간단하고 쉽기 때문입니다. 이러한 결과로부터 모델은 현재의 퇴적물 정련 모델이 실험 결과와 유사 함을 보여 주며 강바닥 높이의 급격한 변화로 인한 침전물 침식에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

Figure 3. The pure water simulation results (left). The water height evolution in front of the first pier to compare with measured data (right).

 

Testing Numerical Modeling Approaches

 

다음 단계는 수치 모델링 접근법을 시험하는 것이었고, 소규모 모델을 사용한 실험이 수행될 것입니다. 우리는 지역 교량 세굴 구성의 실험적 분석을 설정하고 광학 및 음향 영상 기법을 사용하여 측정하여 실험값을 얻을 계획입니다. 예를 들어 Houfeng Bridge붕괴를 시뮬레이션하기 위해 설계된 예비 실험 및 FLOW-3D모델링의 결과를 아래에 제시합니다. (그림 4참조). 그림 5는 기반암의 분포를 보여 주며 색상 등고선은 침전물 높이 평균변화율을 나타냅니다. 이러한 결과로부터 모델은 현재의 퇴적물 모델이 실험결과와 유사함을 보여주며 강바닥 높이의 급격한 변화로 인한 침전물 침식에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.

 

FLOW-3D Simulation Results                             

Figure 4. Views of a preliminary small-scale experiment and FLOW-3D modeling performed to simulate the conditions of the Houfeng Bridge collapse. (a)T=10 sec.; (b)T=20 sec.; (c)T=40 sec.; (d)T=80 sec.

 

시뮬레이션 결과는 현지 구조물(상수도 파이프 라인)이 물의 흐름과 기반암의 침식에 어떻게 영향을 미치는지를 분명히 보여 줍니다. 또한, 수치 모델은 유동장 속도, 수면 높이 및 변화의 침전물 높이를 예측했습니다. 모델은 alluvial river 지역 구조물의 다른 형태와 크기를 시뮬레이션하는데 사용될 수도 있습니다. 이 정보는 지역별 강의 변화가 교량 교각, 웨어 하우스 및 하천 코스에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.

(a)    (b)

(c)  (d)

Figure 5. The packed sediment surface and the color contours present the packed sediment height average rate of change. (a)T=10 sec.; (b)T=20 sec.; (c)T=40 sec.; (d)T=80 sec.

No Loss with FAVOR™

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No Loss with FAVOR™

Mampaey and Xu1 showed how Cartesian grid representations of curved flow channels, using a zigzag approximation for the walls, can result in substantial numerical flow losses. There are two sources for these losses. The first source arises from changes in flow direction at a zigzag in the grid boundary. Each abrupt direction change is accompanied by a small loss in kinetic energy. The second source of flow loss may arise from poor approximations of fluid momentum advection near a zigzag boundary. If the finite-difference algorithm uses velocity data located in solid regions outside the channel, these values generally contribute to a slowing down of the flow, i.e., result in a loss of energy.

FAVOR TM를 사용한 손실 제로

Mampaey 와 Xu (아래 자료 참조)는 벽에 대해 지그재그 근사를 사용하여 곡선 유로를 직교 격자로 나타낸 결과 상당한 수치적 유동 손실이 발생할 수 있음을 보여줍니다.  이 손실에는 두 가지 원인이 있습니다.  첫 번째 원인은 격자 경계의 지그재그 부분에서 흐름의 방향이 변화하는 것입니다.  방향이 급변 할 때마다 운동 에너지는 조금씩 감소합니다.  유동 손실의 두 번째 원인으로 생각되는 것은 지그재그 경계 부근의 유체 운동량 이류(advection)의 근사치가 불충분 한 것입니다.  유로의 외부 고체 영역의 속도 데이터를 유한 차분 알고리즘에서 사용하는 경우 이 값이 유속 저하되는 것은 일반적이며, 그 결과 에너지 손실이 발생합니다.

No loss with FAVOR

Flow Loss Reduction

Since FLOW-3D uses a Cartesian grid, it is reasonable to ask if it too suffers from numerical flow losses. The answer is no, it does not. The Fractional Area-Volume Obstacle Representation, FAVOR™, method used exclusively in FLOW-3D eliminates zigzag direction changes by smoothly blocking out fractional portions of grid cell faces and volumes. FAVOR™ also has a collection of special algorithms for computing interfacial areas, evaluating wall stresses, enhancing numerical stability, and for computing advection along solid boundaries.

유동 손실의 감소

FLOW-3D는 직교 격자를 사용하고 있기 때문에 수치적 유동 손실의 영향에 대한 의문이 나오는 것은 당연합니다.  대답은 ‘노’입니다.  영향은 없습니다.  FLOW-3D에서 독점적으로 사용되는 FAVOR TM (Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 법에서는 격자 셀면이나 체적의 세세한 부분을 매끄럽게 블록 분류하여 지그재그 방향 변화를 제거합니다 .  FAVOR TM는 계면 면적 계산, 벽 응력의 평가, 수치 안정성 강화, 고체 경계에 따른 이류의 계산 등을 목적으로 한 일련의 특수한 알고리즘도 포함되어 있습니다.

Energy Conservation Example

A simple demonstration of energy conservation in FLOW-3D is provided by a variation of the Mampaey and Xu experiment. In the figure, we show the lower half of a circular channel with fluid located in the left half. The fluid is initially at rest, but gravity is directed downwards causing the fluid to flow to the right side of the channel. In the absence of flow losses, the fluid should reach the same height on the right side as it started from on the left side.

에너지 보존의 예

FLOW-3D의 에너지 절약에 대한 부분을 Mampaey 와 Xu 의 실험을 응용하여 쉽게 보여줍니다.  그림은 원형 수로의 하단에서 왼쪽에 유체가 배치되어있는 모습을 보여줍니다.  이 유체는 처음에는 정지하고 있습니다 만, 아래로 중력이 걸려 있기 때문에 유체는 수로의 오른쪽으로 흐릅니다.  유동 손실이 없는 경우 이 유체는 오른쪽으로 흐를 때 왼쪽에서 첫 번째 상태와 같은 높이에 도달해야합니다.

FLOW-3D simulations of this problem show a realistic sloshing distortion of the free surface (figure above) and the center of mass of the fluid rises to nearly its initial height on the right side of the channel indicating little flow loss. This result is all the more remarkable considering the coarse gridding.

이 문제를 FLOW-3D로 시뮬레이션하면 자유 표면의 리얼한 슬로싱 왜곡은 있지만 (위 그림 참조) 유체의 질량 중심은 수로의 오른쪽에서 처음과 거의 같은 높이까지 상승하고 유동 손실이 거의없는 것을 보여줍니다.  격자가 거친 것을 고려하면이 결과는 더욱 주목할만 합니다.

Reference

Mampaey, F. and Xu, Zhi-An, Simulation and Experimental Validation of Mould Filling, Proc. Modeling of Casting, Welding and Advanced Solidification Processes VII, London, September 10-12, p.3 (1995).

Water Rivers Bridge Piers

Bridge Piers

FLOW-3D의 Sediment Scour Model 은 강이나 하천에서 수리학적으로 복잡한 교각과 지형에 따라 여러가지 퇴적물들의 높이 변화를 해석할 수 있습니다. 세굴 모델은 FLOW-3D 난류 모델들로 적분하여 3차원 분석이 가능합니다. FLOW-3D의 Shallow Water Model로 더 넓은 범위의 세굴 분석이 가능합니다.

Bridge piers scour simulation using FLOW-3D

교각 주위의 세굴 해석

세굴 모델은 deposition, packing, entrainment and drift-flux 메커니즘으로 되어있습니다. FLOW-3D v11 에서는 퇴적층의 형상을 FAVOR 하여 좀 더 정확하게 bed net 높이 변화를 시각화 할 수 있습니다. 시공간적으로 침전물의 변화뿐 아니라 유체의 부유물들, 바닥/유체 계면에서의 전단응력들을 분석할 수 있습니다.

Modeling Hydraulic Control Structures

In addition to the flow rates and detail of hydraulic behaviors associated with the control gate structures and powerhouse operation, FLOW-3D‘s sediment and scour model allows users to identify regions of high scour both near the control structure and further downstream in the vicinity of the bridge piers.

Bridge Pier Simulations

The first video shows a FLOW-3D simulation of the erosion that occurs around a group of three 2.4 m diameter piers as river water flows past at 1.5 m/s. The river depth is 15.8 m and the mean sediment size was presumed to be 0.35 mm.