본 소개 자료는 한국추진공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집 에 게재된 논문 “Flow-3d를 이용한 표면장력 탱크용메시스크린모델링”의 소개 내용입니다.
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation
1. 서론
우주비행체의 미소 중력 환경에서 추진제 관리가 필수적이며, 이를 위해 표면장력 탱크(Surface Tension Tank, STT)가 사용됨.
STT 내 주요 구성 요소인 메시 스크린(Mesh Screen)은 추진제와 가압 기체를 분리하여 액상 추진제의 안정적인 배출을 돕는 핵심 장치임.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 메시 스크린을 모델링하고, 기포점(bubble point) 시뮬레이션을 수행하여 수치 모델의 정확성을 평가하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
거시적 다공성 매체 모델(Macroscopic Porous Media Model)을 적용하여 메시 스크린의 공극률, 모세관압, 항력 계수를 설정.
경계 조건 설정:
유입부: 초기 추진제(NTO) 유입 설정.
유출부: 배출구에서 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
기포점 측정 시뮬레이션
350 × 2600, 400 × 3000, 510 × 3600 DTW 메시 스크린 모델을 사용하여 기포점 측정을 수행.
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 비교 시, 최대 오차율 1.6% 이내로 높은 신뢰도 확인.
스크린 모델의 차압은 초기 270 Pa에서 점진적으로 증가하여 약 630 Pa에 도달 시 배출 중단, 이는 예상된 기포점과 유사.
PMD(Propellant Management Device) 내 추진제 배출 해석
스크린을 포함한 STT 시스템의 추진제 배출 시뮬레이션 수행.
출구 스크린에서 기포점 도달 전까지 추진제 배출이 지속되며, 기포점 도달 후 배출이 중단됨을 확인.
베인(Vane) 구조를 통한 추진제의 균등 분포 확인, 표면장력 효과로 인해 추진제가 특정 경로를 따라 흐름.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 메시 스크린 모델링이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 표면장력 탱크 내 추진제 배출 특성을 효과적으로 분석할 수 있음.
기포점 특성을 정확히 반영하여 추진제 관리 장치(PMD)의 설계 최적화 가능성을 제시.
향후 연구 방향
추진제 종류 및 다양한 미소 중력 조건에서 추가 연구 필요.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 효과 정밀 분석.
현장 데이터를 활용한 추가 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 표면장력 탱크용 메시 스크린의 모델링 및 추진제 배출 해석을 수행하였으며, 향후 우주비행체의 추진제 관리 시스템 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left) and mesh screen model based on macroscopic porous media model in Flow-3d (right)Fig. 4 Fluid behavior in bubble point test simulation
(350 × 2600 DTW mesh screen)
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Modeling Longitudinal and Transverse Velocity Profiles Upstream of an Orifice Using the FLOW-3D Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
서론
연구 배경 및 필요성
이란에서는 물 부족 위기로 인해 수자원 관리가 매우 중요해졌음.
댐 저수지는 가장 중요한 수자원 중 하나임.
하천에 댐을 건설하면 저수지의 유속이 감소하여 퇴적물이 쌓이게 됨.
댐 저수지에 퇴적물이 쌓이면 유효 부피가 줄어들고 저수 기능이 저하됨.
따라서 댐 수명 동안 퇴적물을 관리하고 배출하기 위한 방안이 지속적으로 제시되어 왔으며, 가압 플러싱은 퇴적물을 제거하는 일반적인 해결책임.
이 방법에서는 하부 수문을 개방하여 상류의 수압으로 오리피스를 통해 퇴적물을 배출함.
이동된 퇴적물의 양은 수문 직경, 퇴적물의 종류 및 크기, 수문 상류의 수위, 유출량과 같은 여러 요인의 함수임.
Shahmirzadi et al.(2010)은 하부 방류 장치의 직경이 플러싱 콘의 크기에 미치는 영향을 실험적으로 평가함.
Powell and Khan (2015)은 고정층 및 평형 세굴(이동층) 조건에서 댐 오리피스 상류의 흐름 패턴을 조사하기 위한 테스트를 수행함.
연구 결과, 속도 수평 성분은 고정 및 평형 세굴 조건에서 거의 동일했으며, 속도의 수직 성분도 동일한 조건이었음.
Bryant et al.(2008)은 여러 실험을 수행하고 몇 가지 수치 관계를 제안하여 다양한 크기의 오리피스 상류의 흐름 패턴을 연구함.
그들은 횡방향 및 깊이 속도 프로파일을 평가하기 위해 극좌표계를 사용했으며, 이 방법이 오리피스 근처의 속도 프로파일보다 더 나은 예측을 제공한다는 것을 발견함.
Wei et al.(2014)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 가압 플러싱 콘을 시뮬레이션함.
그들은 세굴 구멍, 하상토 및 부유사 하중을 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델을 개발함.
Dargahi (2010)는 FLOW-3D 모델을 사용하여 하부 유출구의 방전 특성을 시뮬레이션하고 결과를 이집트 아스완 댐의 축소 모델 실험 결과와 비교함.
얻어진 결과는 RNG 난류 모델이 k-ε 난류 모델에 비해 정확도가 더 높다는 것을 보여줌.
Chapokpour et al.(2012)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 와류 흐름 거동을 연구함.
속도 성분을 평가한 결과, 일부 지점에서 여러 시계 방향 및 반시계 방향 와류가 발견됨.
또한, 얻어진 결과를 이전의 결과와 비교한 결과, FLOW-3D 수치 모델이 와류 흐름을 모델링할 수 있음이 나타남.
Chanson et al.(2002)은 수위가 낮아지는 동안 오리피스 상류의 비정상 흐름 거동을 실험적으로 조사함.
Powell and Khan (2012)은 동일한 맥락에서 실험 연구를 수행하여 오리피스로부터의 상대 거리가 증가함에 따라 오리피스 중심을 따라 흐르는 속도가 감소한다는 것을 보여줌.
Shammaa et al.(2009)은 흐름 포텐셜을 사용하여 게이트 및 오리피스 후면의 흐름 패턴을 정의하고 다양한 시나리오에 따라 분석적으로 해결함.
연구 목표
본 연구에서는 플로우-3D 모델을 사용하여 다양한 수심에서 오리피스 상류의 종방향 흐름 속도 프로파일을 예측하는 것을 연구함.
실험 설계는 LES, Laminar 및 k-ε 난류 모델과 함께 모델을 보정하는 데 사용됨.
본 연구에서는 오리피스 상류의 다양한 수심에 대해 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태가 높은 정확도로 지수 함수를 따르는 것으로 나타남.
또한, 오리피스에서 더 먼 상류에서 횡방향 속도 프로파일은 균일해짐.
결국, 오리피스 상류의 수심이 8배 상승하면 하상에 생성되는 전단 응력이 148% 증가하는 것으로 나타남.
연구 방법
수치 모델링
본 연구에서는 유한 체적법을 사용하여 중간 Reynolds 수 범위 내에서 Navier-Stokes 방정식을 푸는 상용 CFD 소프트웨어인 FLOW-3D를 사용함.
이 소프트웨어는 유한 체적 모드에서 흐름장의 2D 및 3D 분석을 모두 허용함.
이 소프트웨어는 직교 3D 요소를 사용함.
다양한 유체에 사용할 수 있다는 점을 고려할 때, FLOW-3D는 특히 유압 분야에서 허용 가능한 결과를 제공함.
사용자 수가 증가하고 최근 디버깅으로 인해 소프트웨어는 현재 다양한 유체 역학 분야, 특히 개방 수로 및 유압 구조물의 수역학 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있음.
실험 모델
본 모델은 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 바탕으로 보정되었음.
본 연구에서 실험한 플룸은 폭 122cm, 높이 91cm, 길이 914cm였음 (그림 1).
본 연구에서는 펌프 속도 변화에 따라 의도된 흐름의 유량이 달라짐.
본 연구에서는 직경(D)이 7.62cm와 15.24cm인 두 개의 오리피스가 사용되었음.
측벽의 영향을 제거하기 위해 전체 오리피스의 중심이 채널 폭의 중앙에 위치하였음.
또한, 오리피스 중심 상류의 수심(H)은 5.92cm로 고정되었음.
흐름 패턴은 ±1%의 정확도를 가진 ADV(Acoustic Doppler Velocity Meter)를 사용하여 측정되었음.
수치 모델의 메시 생성, 경계 조건 및 보정
AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 주어진 치수를 기반으로 플룸 형상을 생성함.
시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 솔루션 메시의 크기는 길이 150cm, 폭 122cm, 높이 60cm로 제한되었음.
시뮬레이션에서 유체는 비압축성으로 간주되었음.
메시는 0.01m의 균일한 크기를 가졌으며, 계산 정확도를 높이기 위해 오리피스에 인접한 곳에 더 미세한 메시가 사용되었음.
30초의 기간이 모델링에 할당되었으며, 이는 수치 모델 결과를 실험 모델 결과와 비교하여 적합한 것으로 판명됨.
수치 모델은 이 기간에 정상 상태가 됨.
그림 (2)는 소프트웨어에 의해 정의된 경계 조건을 보여줌.
플룸 입구의 수심은 40.64cm로 고정되었음.
유출 경계 조건은 오리피스에 대해 정의되었고, 벽과 바닥은 강체 경계(벽)를 가졌으며, 대칭 조건은 상단 경계에 대해 정의되었음.
전단 응력을 결정하기 위해 바닥이 오리피스 아래에 위치한 그림 2와 같이 다른 형상이 플롯되었음.
평균 절대 오차(MAE), 제곱 평균 제곱근 오차(RMSE) 및 결정 계수(R2)의 통계적 매개변수가 정확도를 평가하고 최적의 난류 모델을 선택하는 데 사용됨.
연구 결과
모델 보정
앞서 언급했듯이 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 사용하여 모델을 보정하였음.
본 연구에서 사용된 침수비는 0.77이었음.
그림 (3)은 실험 데이터와 추정된 난류 모델을 사용하여 실행된 모델에서 얻은 결과를 비교한 것임.
또한, 표 (1)은 각 모델의 정확도를 결정하기 위해 통계 분석에서 얻은 결과를 제공함.
이에 따라 모든 난류 모델은 결과를 예측하는 데 합리적인 정확도를 보였으며, LES 난류 모델이 상대적으로 더 높은 정확도를 가졌음.
따라서 다른 시나리오를 실행하는 데 사용되었음.
그림 (3)에 따르면 Powell and Khan (2012)이 이미 보고한 바와 같이 상대 속도는 x/D>2에서 0이 되는 경향이 있었음.
종방향 속도 프로파일 모델링
모델을 보정 한 후 오리피스 상류의 수심이 종방향 속도 프로파일 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해 다른 세 개의 침수비 (H/D = 0.5.2.4)가 모델에 정의됨 (Bryant et al.(2008)에서 사용한 것 외에 (H/D = 0.77)).
그림 (4)는 다양한 침수비에서 종방향 속도 프로파일을 비교한 것임.
횡방향 속도 프로파일 모델링
세 개의 상대 거리(x/D = 1.2.3)에서 의도된 침수비에 대한 횡방향 속도 모델링에서 얻은 결과는 그림 (5)에 나와 있음.
그림은 오리피스에서 더 먼 상류에서 속도 변화가 감소하여 0이 되는 경향을 나타냄.
또한, 각 상대 거리에 대해 최대 속도는 오리피스를 따라 있었고, y-축을 따라 오리피스 중심에서 거리가 멀어짐에 따라 속도가 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 전단 응력 분포
그림 (6)은 의도된 침수비에 대한 오리피스 상류의 전단 응력 분포를 보여줌.
그림에서 볼 수 있듯이, 오리피스에서 유출되는 속도가 증가하여 바닥에서 더 높은 전단 응력이 발생하기 때문에 바닥의 전단 응력은 오리피스 상류의 깊이와 함께 증가함.
결과적으로 침수비가 0.5에서 4로 증가함에 따라 전단 응력은 4.31Pa에서 10.7Pa로 148% 증가함.
또한, 더 높은 침수비에서 오리피스 상류의 더 넓은 영역이 전단 응력의 영향을 받는 것으로 관찰됨.
Powell and Khan (2011)에 따르면 댐 하부 게이트를 열고 가압 플러싱을 시작하면 첫 번째 단계에서 퇴적물의 이동은 하상에 형성된 전단 응력으로 인해 시작됨.
따라서 논의된 내용에 따르면 오리피스 상류의 침수비가 증가하면 더 많은 퇴적물이 전단 응력에 의해 씻겨 내려가 물 흐름에 의해 배출될 것으로 예상됨.
결론
연구의 의의
본 연구에서는 FLOW-3D 모델을 사용하여 오리피스 상류의 흐름 패턴을 예측하는 타당성 조사를 수행함.
이와 관련하여 오리피스 상류의 다양한 수심에 대한 몇 가지 시나리오가 모델에 정의되어 다음과 같은 결과를 얻었음:
FLOW-3D 소프트웨어는 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 충분한 정확도로 모델링했음.
Laminar, k-ε. 및 LES 난류 모델은 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 예측하는 데 높은 정확도를 보였으며 거의 동일한 정확도를 가졌음.
오리피스 상류의 수심이 상승함에 따라 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태는 지수 방정식을 따르며 일정해졌음.
오리피스에서 더 먼 거리에서 속도 변화폭이 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 침수비 증가는 더 높은 전단 응력과 더 넓은 면적의 하상이 전단 응력의 영향을 받음.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Studying the effect of shape changes in plan of labyrinth weir on increasing flow discharge coefficient using Flow-3D numerical model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
서론
연구 배경 및 필요성
위어는 수로 및 하천 폭에 고정되어 수위를 측정, 조절 및 제어하는 데 사용되는 수력 구조물임.
가능한 최대 홍수 사건(PMF)의 규모가 커짐에 따라 방전 용량 증가에 대한 요구가 강조됨.
래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
Tullis et al.(1995)은 래버린스 위어의 용량을 결정하는 효과적인 매개변수를 평가함.
그들은 총 수두, 유효 정점 길이 및 방전 계수를 래버린스 위어의 방전 용량에 영향을 미치는 매개변수로 도입함.
Khode et al.(2011)은 8°에서 30°까지의 다양한 측벽 각도(α)에 대해 흐름-오버 래버린스 위어의 매개변수를 실험적으로 연구함.
그들은 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가한다는 것을 발견함.
Crookston과 Tullis(2012a)는 평면에서 위어의 기하학적 모양을 다르게 하여 다양한 래버린스 위어의 성능을 연구함.
결과에 따르면 아치형 래버린스 위어의 방전 용량이 말굽 래버린스 위어의 방전 용량보다 큼.
Seo et al.(2016)은 위어 모양이 위어 방전에 미치는 영향을 조사함.
래버린스 위어의 방전량은 선형 오지 위어에 비해 약 71% 증가한 것으로 나타남.
연구 목표
본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
연구 방법
연구 설계
다양한 방정식을 사용하여 방전 계수를 평가함.
방정식 (1)은 이 목적을 위해 가장 유효한 방정식 중 하나임.
여기서 Cd(a) = 래버린스 위어의 방전 계수, Q = 위어 방전, Lc = 위어의 총 길이, HT = 총 상류 헤드(비잠수) 및 g는 중력으로 인한 가속도(m2/s)임.
래버린스 위어 조사를 위한 최상의 메시를 선택하기 위해 두 가지 유형의 메시가 사용됨.
564000 및 437000의 메시 수가 최적의 메시 선택을 위해 평가됨.
메시 번호 1에서 셀 크기는 구조 근처의 메시 번호 2의 셀 크기보다 작음.
따라서 메시 1은 모델링 정확도를 높임.
수치 모델링
Crookston과 Tullis(2012b)의 연구에서 실험 Cd(aα) 데이터가 제시됨.
본 논문에서는 3개의 난류 모델(k-ε, RNG k-ε 및 LES 모델)을 사용하여 수치 Cd(a∘)를 수행함.
최대 상관 계수(H T /p 무차원 매개변수의 경우 0.9875)는 RNG k-ε를 사용하여 얻음.
이 지수의 값은 1에 가까우며 모델이 시뮬레이션에 적합함을 보여줌.
이 연구의 이전 결과를 기반으로 RNG 모델을 적합한 모델로 간주하여 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수 변화를 평가함.
연구 결과
결과 분석
결과에 따르면 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가함.
각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 평균 2.28 및 1.24배 큼.
또 다른 주목할 점은 방전 용량이 증가함에 따라 방전 계수가 감소한다는 것임.
방전량이 32.8배 증가하면 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수가 각각 57.2%, 47.4% 및 7.8% 감소함.
다음 단계에서는 선형, 삼각형 및 반원형의 정점 모양을 가진 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
삼각형 및 반원형 정점 모양의 래버린스 위어가 가장 큰 방전 계수 값을 가짐.
삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가한 것으로 나타남.
방정식
본 논문에서는 방정식 (2)에 정의된 대로 다양한 측벽 각도를 가진 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제시함.
이 방정식의 정확도를 결정하기 위한 MAE, RMSE 및 R 2 값은 각각 0.0407, 0.0496 및 0.9122이며, 이는 방전 계수를 결정하는 데 이 방정식의 정확도를 보여줌.
Cd=0.201(e−0.4904(HT/P))(0.00038θ2+2.3735)
결론
연구의 의의
엔지니어들은 홍수 조절 및 운하와 하천의 방전 용량 증가를 위한 솔루션을 찾고 있음.
래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면 각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 큼.
또한 삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가함.
마지막으로 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제안했으며, 이는 허용 가능한 수준의 정확도로 방전 계수를 추정할 수 있음.
Fig.3- Plan of geometric parameters of
congressional overflow
Fig. 4- The boundary conditions of the congressional overflow model
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
References
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본 소개 자료는 Iranian Hydraulic Association Journal of Hydraulics에서 발행한 “Performance Evaluation of Submerged Vanes by Flow-3D Numerical Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
서론
연구 배경 및 필요성
잠수 베인은 접근 흐름에 대해 작은 받음각으로 수로 바닥에 수직으로 장착되는 흐름 패턴 변경 구조물임.
잠수 베인은 베인의 두 측면에 있는 수직 압력 구배로 인해 베인의 상단 높이 아래에서 시작하여 베인의 하류로 확장되는 2차 순환(나선형 흐름)을 생성함.
베인으로 유도된 와류는 채널 단면 내에서 퇴적물을 재분배하고 충적층의 프로파일을 변경함.
그러나 베인 주변의 국부적인 세굴은 잠수 베인 기술 사용의 문제점 중 하나임.
국부적인 세굴공의 확장은 베인의 모양과 관련이 있음.
연구 목표
본 연구에서는 1차 잠수 베인은 일반적으로 평평한 직사각형 판을 사용함.
본 연구에서는 국부적인 세굴을 줄이기 위한 대책으로 베인의 앞쪽 가장자리 일부를 잘라내는 것을 연구함.
연구 대상 베인은 직사각형 베인(기준선 베인)과 θ=30∘, 45∘, 60∘ 70∘ 및 73.3∘의 테이퍼형 앞쪽 가장자리를 갖는 다른 5개의 수정된 베인을 포함함.
본 연구는 이러한 수정이 앞쪽 가장자리에서의 수직 속도 성분과 베인 하류에서 2차 순환의 강도에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 함.
베인 주변의 흐름장을 연구하기 위해 Flow-3D 수치 모델 버전 10을 사용함.
연구 방법
연구 설계
본 연구에서는 상용 CFD 모델인 Flow-3D를 사용함.
모델 보정을 위해 실험 속도 측정을 사용하였으며, 이를 위해 재순환 수로(길이 7.30m, 폭 0.56m, 깊이 0.6m)를 사용함.
원심 펌프는 플룸 입구의 정수 탱크로 물을 배출함.
균일한 물 유입을 만들기 위해 플룸 입구에서 1m 떨어진 곳에 스크린을 설치함.
테일 게이트를 사용하여 플룸의 물 깊이(do)를 0.25m의 일정한 값으로 조정함.
베인의 치수는 Odgaard (2008)의 설계 기준, 즉 베인 높이 대 물 깊이 비율 Ho/do = 0.3, 길이 L = 3$H_o$를 사용하여 결정함.
평균 흐름 깊이 do = 0.25m는 Ho = 0.075m 및 L = 0.25m를 산출함.
흐름 프루드 수 Fr = 0.16에서 베인 V0 및 V3을 사용하여 속도 측정을 수행함.
각 테스트에서 베인은 흐름에 대해 20°의 각도로 플룸의 중심선에 설치됨.
베인으로 유도된 속도장을 연구하기 위해 플룸 전체에서 4×4 cm² 격자를 베인의 중심에서 채취함.
각 격자점에서 전자기 유속계(EVM)를 사용하여 3차원 속도 벡터(u, v, w)의 성분을 측정함.
플룸의 벽에 매우 가까운 속도는 측정하지 않음.
수치 모델링
베인의 고압 측면에서 수직 속도 성분은 위쪽(양수)이었고 저압 측면에서는 아래쪽(음수)이었음.
따라서 베인 하류에서 시계 방향의 2차 순환이 생성됨.
1차 직사각형 베인(베인 V0)의 앞쪽 가장자리에서 아래쪽 속도 성분이 분명했음.
테이퍼형 베인 V1 및 V2의 경우 베인 V0에서 앞쪽 가장자리 부분을 잘라냄으로써 음의 w-속도 성분의 크기가 각각 40% 및 69% 감소함.
베인 V3, V4 및 V5의 경우 테이퍼 각도를 늘리면 아래쪽 속도 성분이 효과적으로 감소함.
모멘트(MOM) 수량을 사용하여 베인으로 유도된 순환의 강도를 평가함.
베인의 성능을 비교하기 위해 MOM 값을 적용함.
이를 위해 베인 중심에서 하류로 2Ho 및 4Ho 거리, 즉 15cm 및 30cm 떨어진 두 단면에서 속도 데이터를 사용함.
MOM 계산에는 100개의 속도 성분(50개의 v-성분 및 50개의 w-성분)을 사용함.
따라서 이 수량은 잠수 베인의 성능 및 효율성을 평가하는 데 유용한 기준이 됨.
연구 결과
세굴 매개변수
베인의 속도 분포 및 모멘트(MOM)는 테이퍼형 베인의 앞쪽 가장자리에서 침식성 음의 속도 성분의 감소를 나타냄.
MOM 값을 기준으로 베인의 앞쪽 가장자리를 잘라내면 성능이 저하됨.
다시 말해, 이러한 수정은 직사각형 베인(베인 V0)에 비해 테이퍼형 베인의 영향을 받는 필드를 제한함.
결과에 따르면 직사각형 베인에 비해 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소함.
4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
결과 분석
이와는 반대로 테이퍼형 베인의 효율성은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고 4Ho 거리에서는 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 세굴을 줄이는 경우 설계 기준에 따라 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장하지 않음.
결론
연구의 의의
속도 분포 및 베인의 모멘텀 모멘트(MOM) 계산 결과, 베인의 선행 에지에서 절단이 선행 에지에서 음의 속도 성분을 감소시키는 데 효과적인 것으로 나타났음.
모멘텀 모멘트 계산을 기반으로 베인의 선행 에지를 절단하면 베인의 성능이 감소하고, 즉, 사각형 베인(V0)에 비해 베인의 영향을 받는 필드의 길이가 감소함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면, 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 사각형 베인에 비해 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소하고, 4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
이와는 반대로, 테이퍼형 베인의 효율은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고, 4Ho 거리에서 증가량은 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서, 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 스코어를 줄이는 경우, 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장되지 않음.
Fig. 1 Laboratory flume used in present researchFig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
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본 소개 내용은 [DESERT]에서 발행한 [“Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D numerical model”] 의 연구 내용입니다.
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
1. 서론
교각, 위어, 밸브, 소파공(stilling basin) 등의 수리 구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 구조물의 안정성을 위협할 수 있음.
침수된 수평 제트(submerged horizontal jet)에 의해 발생하는 세굴은 고속 유동과 저속 유체의 상호 작용으로 인해 복잡한 유동장을 형성함.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 실험 모델과 수치 모델을 비교하여 수치 모델의 정확성을 평가하고, 제트 형상, 개수로 흐름 조건, 세굴 패턴 등을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 형상을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
세굴 패턴 분석
FLOW-3D 모델과 실험 모델 비교 결과 평균 오차율이 약 11%로 확인됨.
제트 유출 속도가 증가할수록 최대 세굴 깊이가 증가하는 경향을 보임.
세굴 깊이 비교
실험 모델과 비교 시 FLOW-3D의 예측 값이 실험 값과 유사하게 나타남.
유량 1.0 ℓ/s에서 실험값 1.50 cm, 수치해석값 1.70 cm(오차율 11.8%).
유량 4.0 ℓ/s에서 실험값 6.85 cm, 수치해석값 6.10 cm(오차율 12.3%).
세굴장 길이 분석
3mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 13.82%.
1mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 12.58%.
세굴장 후방의 사구(hump) 높이 비교
사구 높이에 대한 평균 오차율이 26.12%로, 다른 변수들보다 상대적으로 오차가 큼.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 침수된 수평 제트로 인한 국부 세굴 패턴을 정량적으로 분석할 수 있음.
세굴 깊이는 비교적 정확하게 예측되었으나, 세굴장 후방의 사구 높이는 다소 과소 예측됨.
입경이 클수록 수치 모델과 실험 모델 간 오차가 감소하는 경향을 보임(3mm 입경에서 보다 정확한 결과 도출됨).
향후 연구 방향
다양한 유입 조건 및 퇴적물 특성에 따른 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침수된 수평 제트로 인해 발생하는 국부 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 시 세굴 방지 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
Fig. 3. A Plan of 2D graphical output of scour simulation results in Flow-3D numerical model
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본 소개 내용은 [Journal of Hydraulic and Water Engineering (JHWE)]에서 발행한 [“Investigating Effect of Changing Vegetation Height with Irregular Layout on Reduction of Waves using Flow-3D Numerical Model”] 의 연구 내용입니다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
1. 서론
해안 식생은 파랑 감쇠 효과를 제공하여 해안 침식을 방지하고 생태계를 보호하는 역할을 함.
식생의 높이, 배치 방식 및 밀도는 파랑 감쇠 효율에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 방안을 도출하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과를 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석
식생의 배치 방식(긴-짧은, 짧은-긴, 지그재그) 및 네 가지 파랑 조건을 고려하여 감쇠율 분석.
긴-짧은(long-to-short) 배치가 가장 효과적인 감쇠 효과를 보이며, 감쇠율(POD)이 최대 36.62%에 도달.
지그재그 배치(zigzag)도 효과적이지만, 짧은-긴(short-to-long) 배치는 상대적으로 낮은 감쇠 효과를 보임.
높이 변화가 큰 배치일수록 유동 저항이 증가하여 감쇠 효과가 증대됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 식생의 기하학적 배치는 파랑 감쇠 성능에 중요한 영향을 미침.
긴-짧은(long-to-short) 패턴이 파랑 감쇠에 가장 효과적이며, 이는 최대 저항을 초기 구간에서 제공하기 때문임.
짧은-긴(short-to-long) 배치는 감쇠 효과가 낮으며, 식생 배치 전략에 있어 신중한 설계가 필요함.
향후 연구 방향
다양한 식생 밀도 및 유속 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 및 최적화 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 식생 배치 방식에 따른 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 전략을 제안하였다. 이를 통해 연안 보호 및 해안 침식 방지에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
6. 참고 문헌
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본 소개 내용은 [Iranian Journal of Irrigation and Water Engineering]에서 발행한 [“Numerical Simulation of the Bed Scouring Downstream Triangular Labyrinth Weirs Using Flow-3D”] 의 연구 내용입니다.
Myer-Peter-Muller Model
서론
연구 배경 및 필요성
선형 위어에 비해 래버린스 위어는 폭 증가를 통해 흐름 용량을 증가시켜 특별한 관심을 받아왔음.
위어 하류의 세굴 및 침식은 구조물 보호를 위해 중요하며, 위어 통과 유량 증가로 인해 하류 세굴량도 증가함.
본 연구는 삼각형 평면을 가진 래버린스 위어의 수치 모델을 연구함.
연구 목표
다양한 요인(댐 본체 높이, 위어 정점 높이, 위어 통과 유량, 위어 정점 각도)이 래버린스 위어 하류의 하상 침식량에 미치는 영향을 연구하기 위해 23개의 모델을 Flow-3D 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션함.
수치 시뮬레이션 결과와 실험 모델 결과의 검증을 통해 수치 시뮬레이션과 실험값 간의 매우 우수한 일치를 확인함.
연구 방법
연구 설계
3가지 정점 각도를 가진 삼각형 래버린스 위어 하류의 하상 세굴을 연구함.
길이 10m, 폭 50cm, 높이 80cm의 인공 소형 수로에서 수치 모델을 수행함.
4가지 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)를 테스트함.
수치 모델링
수로의 물 흐름과 상단의 공기 영역을 포함하는 다상 계산 영역을 다상 흐름 모델로 시뮬레이션함.
계산 영역 준비 시 적절한 메시 생성은 매우 중요하며, 셀 크기가 세굴에 미치는 영향을 조사하기 위해 3가지 다른 셀 수를 적용함.
FLOW-3D는 광범위한 산업 응용 분야 및 물리적 프로세스에서 액체 및 기체의 동적 거동을 연구하는 엔지니어를 위한 완벽하고 다재다능한 CFD 시뮬레이션 플랫폼을 제공함.
연구 결과
세굴 매개변수
다양한 흐름 조건에서 래버린스 위어 하류의 최대 세굴 깊이, 최대 세굴 길이, 최대 퇴적 깊이 및 최대 퇴적 길이를 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행함.
세굴 매개변수를 최소화하는 최적의 정점 각도를 찾기 위해 3가지 다른 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)에 대해 모델을 실행함.
선형 위어 정점에 대한 최대 세굴 매개변수도 측정하여 비교함.
결과 분석
제시된 정점 각도로 삼각형 래버린스 위어를 사용하면 모든 세굴 및 퇴적 현상이 선형 위어에 비해 감소함.
시뮬레이션 결과, 60°의 위어 정점 각도가 모든 세굴 및 퇴적 매개변수에서 더 큰 감소를 나타냄.
선형 위어에 비해 상대 세굴 깊이, 세굴 길이, 퇴적 깊이 및 퇴적 길이에서 각각 약 89%, 77%, 45% 및 49% 감소가 관찰됨.
결론
연구의 의의
시뮬레이션 결과는 세굴 현상을 감소시키는 매우 효율적인 수단으로서 삼각형 래버린스 위어의 신뢰성을 나타냄.
모든 위어 정점 각도에서 다양한 세굴 및 퇴적 매개변수의 감소가 관찰됨.
최적의 위어 설계
선형 위어에 비해 60°의 위어 정점 각도에서 더 낮은 세굴 매개변수가 획득됨.
결론적으로, 최적의 위어 정점 각도인 60°는 선형 위어에 비해 세굴 매개변수를 최소화하고 에너지 소산을 최대화하는 잠재력을 가짐.
세굴 지도는 대칭이며, 최대 세굴은 이동상 하상의 세로 중심선 좌우에서 발생함.
Van Rijn Model
Myer-Peter-Muller Model
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Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
1. 서론
네팔은 농업 현대화를 추진하고 있으며, 이에 따라 효율적인 관개 인프라 구축이 필요함.
Sunkoshi-Marin 유역 전환 프로젝트는 Bagmati 관개 계획을 위한 수자원을 공급하기 위해 설계됨.
헤드워크(headworks)는 하천에서 필요한 수량을 안정적으로 취수하고, 퇴적물 배출 및 홍수 방류를 위한 필수적인 수리 구조물임.
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Sunkoshi-Marin 헤드워크의 수리학적 성능을 평가하고, 구조물의 효율성과 안정성을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유속 및 압력 분석
보(Barrage) 상부 평균 유속: 9 m/s 이상(완전 개방 시).
정지분지(Stilling Basin) 최대 유속: 10 m/s.
종방향 유속 프로파일에서의 최대 유속: 16.90 m/s.
음압(negative pressure) 발생 없음 → 공동(cavitation) 현상 없음.
최소 압력: 101.356 KPa(유입축 하류에서 관측됨).
방류 용량 분석
FSL(Full Supply Level)에서 보와 언더슬루이스(Under-sluice) 동시 운영 시 방류 용량: 10,086 m³/s.
100년 빈도 홍수량(9,241 m³/s) 안전하게 방류 가능.
479.5m 헤드워터 수위에서의 최대 방류 용량: 16,547 m³/s.
10,000년 빈도 홍수를 방류하기 위해 481.00m 데크(deck) 수준이 적절함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 헤드워크의 수리학적 성능을 평가할 수 있음.
음압이 발생하지 않으며 공동현상이 우려되지 않음.
보와 언더슬루이스 구조가 퇴적물 배출 및 홍수 방류에 효과적으로 작용함.
수력 점프(hydraulic jump) 형성이 확인되며, 수위 변화에 따라 위치가 조정됨.
향후 연구 방향
다양한 수위 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
다른 난류 모델(예: LES)과 비교 연구 필요.
현장 데이터와의 비교를 통해 모델 검증 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 헤드워크의 수리적 성능을 정량적으로 분석하고, 홍수 방류 및 취수 구조물 설계 최적화에 기여할 수 있는 정보를 제공함.
Figure 2. Weir axis at head works site
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
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배플 설계 시 높이, 거리 등을 신중히 조절해야 하며, 부적절한 배플 설치는 오히려 효율 저하를 초래할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 형상의 배플을 적용한 추가 실험 수행.
실제 현장 실험을 통한 모델 검증.
다층 침전지 설계를 위한 추가 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침전지의 설계를 최적화할 수 있는 방법을 제시하고, 효율적인 수처리 시스템 구축을 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.
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하지만 마그네슘 다이캐스팅 과정에서는 내부 재활용 재료 비율이 높아(50~80%) 비용과 에너지가 증가함.
핫 러너(hot runner) 기술을 적용하면 용융 상태에서 금속을 유지하며 주입할 수 있어 소재 손실을 줄일 수 있음.
하지만 핫 러너 시스템에는 열 차단(thermal seal) 기술이 필요하며, 기존 냉각 방식(물/오일 기반)으로는 반응성이 높은 마그네슘을 안전하게 냉각하기 어려움.
연구 목적
액체 CO₂ 냉각 시스템을 적용하여 핫 러너 내 마그네슘의 냉각 효율성과 기동성을 평가.
냉각 매개변수와 노즐 지오메트리 변화에 따른 성능 분석.
실험 데이터를 FLOW-3D 기반 열 시뮬레이션과 비교하여 검증.
연구 방법
실험 장치(Test Rig) 구성
중력 기반(gravity-driven) 핫 러너 테스트 리그 제작.
CO₂ 냉각을 위한 캡릴러 튜브 및 확장 보어(expansion bore) 설치.
온도 센서를 통해 냉각 속도 및 온도 분포 측정.
핫 러너 내부 용융 마그네슘 합금(AZ91D, 640℃)을 대상으로 실험 진행.
CO₂ 냉각 시스템 설계
CO₂는 60 bar 압력에서 공급되며, 팽창 시 줄-톰슨(Joule-Thomson) 효과를 이용하여 급속 냉각.
냉각 노즐의 직경(8mm, 12mm, 16mm)에 따른 열 차단 성능 평가.
온도 측정을 위해 NiCr-Ni 열전대 배치.
FLOW-3D 기반 시뮬레이션
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 용융 마그네슘의 거동 분석.
난류 모델(RNG k-ε) 적용하여 열 흐름 시뮬레이션 수행.
냉각 및 가열 프로세스를 개별적으로 모델링하여 계산 효율성 향상.
주요 결과
냉각 성능 평가
16mm 노즐을 사용한 경우 냉각 속도가 최대 4.8℃/s로 가장 높았음.
냉각 시간이 증가할수록 냉각 속도가 비선형적으로 감소(지수 함수 형태).
냉각 후 CO₂ 확산으로 인해 온도가 다시 상승하는 현상이 관찰됨.
노즐 직경별 냉각 효과 비교
8mm 및 12mm 노즐은 냉각 효과가 제한적이며, 산화물 형성으로 인해 흐름 방해 위험이 있음.
16mm 노즐이 가장 효율적이며, 핫 러너 내 부분 응고(partial solidification) 없이 열 차단 가능.
FLOW-3D 시뮬레이션 검증
실험 결과와 시뮬레이션 간 높은 상관성 확인(냉각 속도 및 최저 온도 차이 ±3%).
냉각 시스템의 국부적(local) 영향 확인 → 특정 영역에서 급속 냉각 후 주변부 온도 회복.
냉각 매개변수(펄스 지속시간, 펄스 간격) 최적화를 통해 냉각 시간 단축 가능.
결론 및 향후 연구
결론
액체 CO₂ 냉각 시스템이 핫 러너의 열 차단 및 용융 마그네슘 냉각에 효과적임을 입증.
16mm 노즐이 최적의 냉각 성능을 제공하며, 산업 적용 가능성이 높음.
FLOW-3D 기반 열 시뮬레이션이 실험 결과를 정확히 재현하여 신뢰성 확보.
향후 연구 방향
다양한 냉각 매개변수를 추가 분석하여 최적 냉각 전략 도출.
LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 해석을 통해 냉각 성능 향상.
실제 산업 환경에서의 테스트를 통해 스케일업(scale-up) 가능성 검토.
연구의 의의
이 연구는 액체 CO₂를 이용한 핫 러너 냉각 시스템의 효율성과 기동성을 평가한 연구로, 기존 냉각 기술 대비 높은 열 차단 효과를 제공하며, 다이캐스팅 공정의 품질 및 생산성 향상에 기여할 가능성을 제시하였다.
Fig. 3. CAD representation of the measuring range around the pin tip with color-coded thermocouples for the heating control (orange)
Fig. 8. Interpolation of the temperature curves at measuring points 1, 2 and 3 over time and distance from CO2 cooling
Fig. 12. Sectional view of the nozzle with color scaled temperatures in the melt
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사각형 및 원형 교각 주변 유속은 유사한 분포를 보였으며, 최대 유속은 교각 측면에서 2배 증가.
교각 후면부에서 난류 및 역류(Reverse Flow) 발생.
다중 교각
Tandem 배치:
후방 교각 전면의 유속이 감소 → 전방 교각이 방패 역할 수행.
S/D = 2에서 난류 강도가 가장 크며, S/D ≥ 6에서는 서로 독립적인 흐름 형성.
Side-by-side 배치:
교각 간격이 작을수록(S/D = 2) 두 교각 사이 유속이 증가하여 침식 위험 증가.
S/D ≥ 6에서는 두 교각이 서로 독립적인 영향을 미침.
난류 운동 에너지(Turbulent Kinetic Energy, TKE) 분석
TKE는 교각 후방에서 가장 높은 값을 보이며, 이는 난류 생성과 관련됨.
Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각이 보호 효과를 받으며, S/D = 4에서 TKE가 최대값을 기록 후 S/D = 6에서 감소.
Side-by-side 배치에서는 S/D = 2에서 두 교각 사이 난류가 증가했으며, S/D ≥ 6에서는 TKE가 독립적인 분포를 형성.
전단 응력(Shear Stress) 분석
침식이 시작되기 전 상태에서 하상 전단 응력을 평가.
단일 교각: 최대 전단 응력은 교각 전면 및 측면에서 발생.
다중 교각:
Tandem 배치에서는 S/D = 2에서 후방 교각의 전단 응력이 낮아지고, S/D = 4에서 최대값을 기록.
Side-by-side 배치에서는 S/D = 2~4에서 교각 사이 전단 응력이 가장 높으며, S/D = 6에서는 개별 교각과 유사한 패턴을 보임.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 비침식성 하상 시뮬레이션을 통해 교각 주변 유동 특성을 정량적으로 분석 가능.
단일 교각(사각형, 원형) 주변 유동 특성은 거의 유사하며, 교각 형상이 큰 차이를 만들지는 않음.
다중 교각 배치에서 S/D = 2~4 구간이 가장 불안정하며, S/D ≥ 6에서는 독립적인 유동장 형성.
비침식성 하상 조건에서의 유동 특성 연구를 통해 침식 시작 전에 교각 설계를 최적화할 수 있음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 기반 난류 모델 적용하여 더욱 정밀한 유동 해석 수행.
다양한 하상 조건(침식성 및 비침식성)에 따른 비교 연구 진행.
실제 교량 구조물 적용을 위한 현장 실험 및 검증 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 비침식성 하상에서 단일 및 다중 교각 주변 유동 특성을 분석한 연구로, 교각 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 2 The scenario of simulated experiments in the present study
Fig. 8 TKE values around the group pier in a non-erodible substrate state
Fig. 9 The shear stress near the bed surface around the group pier and single pier in a non-erodible bed
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FLOW-3D를 이용한 수문(Sluice Gate) 하부의 자유 유동 및 Sill의 영향 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
수문(Sluice Gate)은 관개 시스템 및 수로에서 수위 조절과 유량 조절을 위한 중요한 구조물임.
수문 하부에 Sill(문턱 구조물)을 설치하면 수문의 높이를 줄여 건설 비용을 절감할 수 있으며, 동시에 방류 계수(discharge coefficient)에도 영향을 미침.
기존 연구에서는 수문 자체의 유량 계수를 연구했으나, Sill의 형상과 높이가 방류 계수에 미치는 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D 모델을 이용하여 수문 하부에 설치된 Sill의 형상, 높이 및 위치가 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
실험 데이터와 수치 모델을 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
Sill 형상이 사각형(Rectangular)과 반원형(Semicircular)일 때 방류 계수의 변화를 평가.
방류 계수 보정식을 도출하여 설계 최적화를 지원.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
격자(cell) 크기 최적화 분석 후 0.025 배율로 설정.
경계 조건:
유입부: 실험 유량 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
실험 데이터 검증
Alhamid(1998) 및 Akoz et al.(2009)의 실험 데이터를 이용하여 FLOW-3D 결과 검증.
수문 하류 유속 및 압력 분포 비교하여 평균 오차율 3% 이내 확인.
비교 분석 대상
Sill이 없는 수문 (기준 모델)
사각형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
반원형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
주요 결과
Sill의 높이 변화가 방류 계수에 미치는 영향
Sill을 추가하면 방류 계수가 증가하며, 특정 높이에서 최대치 도달 후 감소.
최적의 방류 계수 증가율
사각형 Sill(P/w = 2) → 방류 계수 8.3% 증가
반원형 Sill(P/w = 0.5) → 방류 계수 23% 증가
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 큼.
Sill의 위치가 방류 계수에 미치는 영향
사각형 Sill의 시작점에서 수문까지의 거리(5cm, 10cm, 15cm) 비교.
거리 증가 시 방류 계수 감소 → 즉, Sill이 수문에 가까울수록 효과가 큼.
압력 분포 변화
Sill이 있으면 수문 하부에서 음압(Negative Pressure) 발생 → 방류 계수 증가 유발.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 압력 분포 변화가 크며, 방류 계수 향상 효과가 더 뚜렷함.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 수치 해석 결과, Sill 추가 시 방류 계수가 증가함을 확인.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 크며, 최적의 P/w 비율이 각각 0.5, 2.0으로 도출됨.
Sill의 위치가 방류 계수에 영향을 미치며, 수문에 가까울수록 방류 계수 증가율이 큼.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용한 난류 해석 추가 연구.
다양한 유량 조건 및 실제 현장 실험과 비교 검증 수행.
Sill의 형상 최적화를 위한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 수문 하부의 Sill이 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석한 연구로, 관개 수로 설계 최적화 및 수문 구조 개선에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
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취수 구조물은 홍수 조절, 관개, 전력 생산, 상수 공급 등을 위해 사용되며, 이러한 구조물에서 발생하는 와류(Vortex)는 시스템 효율과 안정성을 저하시킬 수 있음.
와류는 공기 유입, 진동, 캐비테이션(cavitation), 방류량 감소 등 다양한 운영 문제를 유발할 수 있음.
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 3D 수치 모델을 구축하고, 취수 구조물에서 공기 유입형 와류(Air-entraining vortex)의 발생 조건을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 및 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
와류 형성 조건 분석
취수구의 직경, 벽면 간격, 수위(Submergence depth), 유량 등의 변수에 따라 와류 형성 여부가 달라짐.
실험 결과와 비교 시, FLOW-3D는 와류를 효과적으로 예측하지만, 일부 임계 수위(Submergence depth)에서 실험 결과와 차이가 발생함.
벽면 간격(Sidewall clearance)이 작을수록 와류 형성이 더욱 뚜렷하게 나타나며, LES 모델이 laminar 모델보다 더 정확한 결과를 제공함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D는 취수 구조물에서의 와류 형성을 정량적으로 예측하는데 효과적이며, 벽면 간격 및 유량 변화에 따른 흐름 특성을 분석할 수 있음.
LES 모델은 난류 효과를 보다 정밀하게 반영하여 보다 신뢰성 높은 결과를 제공.
반와류 장치(Anti-vortex plate) 사용 시, 와류 형성이 현저히 감소함을 확인.
향후 연구 방향
다양한 취수 구조물 형상 및 유속 조건에서의 추가 연구 필요.
LES 모델과 실험 데이터를 비교하여 모델의 정확도를 더욱 개선.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 취수 구조물에서의 와류 형성 조건을 분석하고, LES 모델을 이용하여 난류 효과를 보다 정밀하게 반영하는 방법을 제시하였다. 향후 취수 구조물 설계 및 운영 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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FLOW-3D 및 HEC-RAS를 이용한 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동의 수치 모델링
1. 서론
수치유체역학(CFD)의 발전으로 다양한 수리 구조물의 성능을 평가하는 연구가 활발하게 이루어짐.
본 연구에서는 FLOW-3D(k-ε 모델)와 HEC-RAS(정상유동 모델)를 사용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 모의함.
실험 데이터를 활용하여 두 모델의 정확도를 비교 분석하며, 특히 정수제 전·후방 및 계단부에서의 유동 특성을 평가함.
2. 연구 방법
모델 설정 및 시뮬레이션 조건
FLOW-3D 모델
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 이용하여 복잡한 구조 형상 반영.
HEC-RAS 모델
Steady-Flow 모듈을 이용하여 정상유동 해석.
수위 프로파일을 에너지 방정식을 이용하여 계산.
수력 점프(hydraulic jump) 및 과도 흐름(supercritical flow) 예측.
경계 조건 설정
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유동 패턴 분석
정수제 상류부:
HEC-RAS와 FLOW-3D 모두 상류부에서의 수위 분포를 정확하게 예측(평균 오차: 0.52%, 0.59%).
정수제 상부 흐름:
HEC-RAS는 점진적인 흐름을 정확히 계산하지 못하고 불연속적인 프로파일을 생성함.
FLOW-3D는 점진적인 흐름 변화를 보다 정확하게 시뮬레이션(평균 오차: 1.57%, HEC-RAS: 2.48%).
낙수(nape flow) 및 수력 점프(hydraulic jump) 형성:
HEC-RAS는 수직면을 지나가는 흐름을 제대로 시뮬레이션하지 못함.
FLOW-3D는 수력 점프 위치를 보다 정확하게 예측.
임계수심(yc) 및 전면수심(yb) 분석
FLOW-3D 예측 값(yc/yb 비율 = 1.5687)이 실험값(1.5)과 가장 유사.
HEC-RAS는 yb를 과대 예측하여 yc/yb 비율이 1.0193으로 나타남.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D는 점진적 흐름, 난류, 수력 점프의 위치 등을 보다 정밀하게 예측하는데 유리함.
HEC-RAS는 장거리 채널에서 정상유동을 빠르게 분석하는 데 효과적이나, 급격한 흐름 변화가 있는 경우 부정확할 수 있음.
낙수 영역에서 HEC-RAS는 곡면 흐름을 제대로 재현하지 못하지만, FLOW-3D는 이를 보다 현실적으로 모의.
향후 연구 방향
다양한 계단 형상 및 유량 조건에서의 추가 연구 필요.
실제 현장 데이터를 이용한 모델 검증 연구 진행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D와 HEC-RAS를 활용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 수치적으로 분석하고, 두 모델의 성능을 비교하였다. FLOW-3D는 난류 흐름과 수력 점프를 보다 정밀하게 예측하는 데 유용하며, HEC-RAS는 정상 유동 조건에서 경제적인 해석이 가능함을 확인하였다.
6. 참고 문헌
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화력발전소의 안정적 운영을 위해 순환수취수펌프장(CWP Chamber)의 설계가 필수적임.
ANSI(1998) 설계기준에 따르면 확산각(Spreading Angle)은 20° 이내여야 하나, 현장 조건상 이를 만족할 수 없는 경우가 존재함.
본 연구는 FLOW-3D를 활용한 3D 수치해석을 수행하여, 안정적인 유동 조건을 확보할 수 있는 최적의 설계를 검토하는 것이 목적임.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 유동 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 구조물 형상을 정확하게 반영.
경계 조건:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
수치 모델 검증
Rodi(1997)의 사각형 구조물 주위 흐름 실험 데이터와 비교하여 모델 검증 수행.
실험과의 비교 결과, 종방향 유속 분포가 잘 일치함을 확인함.
3. 연구 결과
순환수취수펌프장 내 흐름 분석
유입 유속: 1.5 m/s ~ 2.5 m/s 범위에서 변화.
배플(Baffle) 적용 시 유속 저감 및 유동 균등화 효과 확인.
배플에서 발생하는 분리 흐름 각도는 약 15° ~ 20°이며, 이를 고려하여 하류에 배플을 배치함으로써 설계 유속(0.5 m/s 이하)을 만족시킴.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 수치 모델이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 안정적인 유동 조건을 예측하는 데 유용함.
배플을 적용한 설계를 통해 유속을 효과적으로 감소시킬 수 있음.
순환수취수펌프장 설계 시, 배플의 배치와 크기를 고려하는 것이 중요함.
향후 연구 방향
다양한 유량 조건에서 배플 형상 및 배열 최적화 연구.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.
실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 순환수취수펌프장의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 최적의 설계를 도출하여 화력발전소의 안정적 운영을 지원할 수 있는 데이터를 제공한다.
Fig. 2. CWP chamber
Fig. 8. Velocity development around column (unit : m/s)
6. 참고 문헌
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해안 식생(예: 해초)은 파랑 저감, 토양 침식 방지 및 해저 안정화 등 다양한 생태적 기능을 수행함.
본 연구는 침수된 식생이 파랑 감쇠 역할을 수행하는 효율성을 수치적으로 분석함.
FLOW-3D®를 이용하여 파랑-식생 상호작용을 3차원 모델링하고, 기존 실험 데이터(Manca et al., 2012)와 비교하여 검증함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 사용하여 유동 해석 수행.
난류 모델: RNG k-ε 모델 적용.
경계 조건:
유입: 유량 조건(volume flow rate).
유출: 자유 배출(outflow) 조건.
벽면: No-slip 조건 적용.
식생 특성 변수:
해초 초장의 길이(L), 개체 간 간격(SP), 밀도(N), 식물 높이(hs), 식물 두께(t) 반영.
파랑 특성 변수:
파고(H), 수심(h), 주기(T) 적용.
3. 연구 결과
파랑 감쇠 특성 분석
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터(Manca et al., 2012) 비교 시 오차율 10% 이내로 확인됨.
파랑 감쇠율(H/H₀)은 식생 밀도가 높을수록 증가.
서브머전스 비율(submergence ratio, hs/h)이 0.32일 때 식생 밀도(N=180 stems/m², 360 stems/m²) 증가에 따른 감쇠율 차이 2% 내외.
파랑 감쇠는 중간 밀도의 식생에서 가장 효과적이며, 너무 높은 밀도에서는 유체 흐름이 차단되어 감쇠 효과가 감소함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 모델을 활용한 해안 식생의 파랑 감쇠 분석이 높은 신뢰성을 가짐.
파랑 감쇠율은 식생 밀도 및 식생 초장에 영향을 받으며, 적절한 밀도 조절이 중요함.
CFD 기법을 활용한 모델링이 지속 가능한 연안 보호 설계에 유용한 정보를 제공할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 파랑 조건에서 추가적인 실험 및 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 연구.
실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해안 식생의 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 연안 보호 및 지속 가능한 해양 환경 설계에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
6. 참고 문헌
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와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 유동의 와류 현상을 이용하여 침전물을 분리하는 장치로, 기존 침전지보다 비용이 적게 들고 공간 활용도가 높음.
VSB 내의 유동은 강제 와류(Forced Vortex)와 자유 와류(Free Vortex)로 구성되며, 이들의 형성과 거동을 정확히 이해하는 것이 중요함.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 와류 침전지 내부의 3차원 난류 유동을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
실험 및 수치 모델 개요
실험 장치
직경 0.7m, 깊이 1.5m의 원형 와류 침전지 사용.
중앙 배출구(Flush Pipe) 직경: 0.075m.
입구 및 배출구 배치는 Paul et al.(1991)의 설계 권장사항을 따름.
FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
격자(Grid) 설정: 중심부 0.5cm, 벽면 주변 1cm, 나머지 영역 2cm.
경계 조건:
유입: 부피 유량 조건(volume flow rate).
유출: 자유 배출(outflow) 경계 조건.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유동 패턴 및 와류 형성
강제 와류와 자유 와류가 동시에 존재하며, 시간이 지나면서 와류 강도가 변화함.
중앙부에서 강한 와류 코어 형성 후, Overflow Jet에 의해 변형되는 현상 확인.
와류 중심(Core)이 초기에는 유지되다가 시간이 지나면서 점차 소멸되는 현상 관찰.
난류 강도 및 에너지 해석
침전지 중앙부에서 난류 강도가 가장 높고, 벽면에서는 상대적으로 낮음.
시간이 경과할수록 에너지가 감소하며, Overflow Jet이 난류 강도를 증가시키는 역할을 함.
실험 결과와 비교했을 때, 수치 모델이 높은 정확도를 보이며, 최대 5% 이내의 오차율 확인.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하며, 와류 침전지의 유동 거동을 정밀하게 분석할 수 있음.
중앙부에서 형성된 강한 와류가 시간이 지남에 따라 소멸되며, Overflow Jet이 유동 패턴을 크게 변화시킴.
기존 이론 모델(Rankine Combined Vortex)과 비교 시, 실제 유동에서는 난류 효과로 인해 와류 코어가 변형됨.
향후 연구 방향
다양한 입구 및 배출구 배치 조건에서의 추가 실험 및 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구.
실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수처리 시스템 및 하천 공학 분야에서 VSB 설계 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basinFig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation
6. 참고 문헌
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댐 건설은 효율적인 저수지 조성, 저장 및 최적 활용을 목표로 하며, 이에 따라 수리학적 설계가 중요함.
여수로(spillway)는 댐의 보조 구조물로서 초과 유량을 안전하게 하류로 방출하는 역할을 수행하며, 이 과정에서 잠재적 에너지를 운동 에너지로 변환하여 하류부 침식을 초래할 수 있음.
계단식 여수로(stepped spillway)는 유입 공기를 증가시키고 흐름 속도를 줄여 운동 에너지 소산을 향상시키는 효과가 있음.
본 연구는 FLOW-3D를 이용한 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가하는 것을 목표로 함.
2. 실험 모델
실험 장치 개요:
계단식 여수로 모델과 모래 바닥을 포함한 수조로 구성.
다양한 유량과 경사 조건에서 실험 수행.
배플 블록(Block A~E)은 거친 표면을 가지며, 인접한 블록과 90° 회전된 형태로 배치됨.
기존 연구(Kamyab Moghaddam et al.)에서 사용된 실험 방법론을 적용하여 모델 검증 수행.
3. 수치 모델링
FLOW-3D 모델 설정:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 복잡한 형상을 해석 가능하게 함.
경계 조건 설정:
유입부(X min): 부피 유량 조건(Volume flow rate) 적용.
유출부(X max): 자유 배출(Outflow) 경계 조건 설정.
벽면(Y min, Y max): 대칭 경계 조건(Symmetry) 적용.
상단(Z max) 및 바닥(Z min): 각각 자유 수면 및 고체 경계 설정.
4. 모델링 결과
FLOW-3D 시뮬레이션과 실험 비교 결과:
평균 제곱근 오차(RMSE) = 0.02, 즉 실험 결과와 매우 높은 일치도 확인.
배플 블록이 유동 난류를 증가시켜 전체 에너지의 77%를 소산하는 것으로 나타남.
상대적 에너지 소산율(∆E/E₀) 분석:
유량이 증가할수록 에너지 소산율은 감소하지만, 배플 블록이 없는 경우보다 높은 소산 효과 유지.
실험 및 수치 해석 결과의 에너지 소산율 차이는 최대 2% 이내로 매우 낮음.
5. 결론 및 제안
결론
배플형 계단식 여수로는 기존 계단식 여수로보다 높은 에너지 소산 효과를 가짐.
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 데이터와 높은 신뢰도로 일치하며, 수리학적 거동 분석에 효과적임.
배플 블록의 배열과 형상이 유동 난류 및 에너지 소산에 중요한 영향을 미침.
향후 연구 방향
장기적인 캐비테이션(cavitation) 및 구조적 안전성 분석 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 추가적인 최적 설계 연구 진행.
다양한 배플 블록 형상 및 배치 조건에서의 추가 실험 수행.
6. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 실험적으로 검증하였다. 향후 여수로 설계 최적화 및 홍수 방지 인프라 구축에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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대형 댐의 붕괴는 하류 지역에 심각한 홍수 피해를 초래하며, 인명 및 재산 손실이 발생할 위험이 큼.
기존 댐 붕괴 분석은 주로 1차원 모델을 사용하였으나, 복잡한 수리학적 특성을 반영하기 어려움.
FLOW-3D를 이용한 2차원 및 3차원 수치 모델링을 통해 홍수 흐름을 보다 정확히 예측하는 것이 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 어퍼 고트반드 댐(Upper Gotvand Dam) 붕괴 시 홍수 시뮬레이션 수행.
홍수 진행 속도 및 침수 영향 범위를 분석하여, 인명 피해를 최소화할 수 있는 비상 대응 계획(EAP) 수립.
기존 수리 실험 및 다른 수치 모델과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
대상 댐: 어퍼 고트반드 댐 (Upper Gotvand Dam)
이란 카룬(Karun) 강에 위치한 높이 182m의 대형 암석 및 토석 댐.
총 저수 용량 5.1 billion m³, 평균 연간 유량 13.3 billion m³.
하류 지역에는 고트반드(Gotvand) 및 쇼슈타르(Shushtar) 도시가 위치하여 홍수 위험성이 높음.
FLOW-3D 모델 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
Navier-Stokes 방정식 기반 유동 해석 적용.
격자 크기: 1000m × 159m 도메인에 대해 비균일 격자 적용.
경계 조건:
상류: 초기 저수지 용량(5.1 billion m³) 설정.
하류: 자유 방출 조건 적용 (dry bed).
벽면: No-slip 조건 적용.
시뮬레이션 수행
붕괴 시나리오: 댐이 순간적으로 완전 붕괴하는 조건으로 설정.
타임 스텝: 0.5초 간격으로 22.1초 동안 시뮬레이션 진행.
주요 결과
홍수 전파 속도 분석
붕괴 후 2.2초: 저수지 전면 수축 시작.
붕괴 후 9.5초: 홍수 흐름이 1km 하류까지 도달.
붕괴 후 10분 이내: 쇼슈타르(Shushtar) 도시까지 홍수 도달 예상.
유속 변화 분석
초기 저수지 내 유속: 0.002 ~ 0.361 m/s.
붕괴 후 홍수 흐름 속도 증가: 최대 41.8 m/s.
고트반드(Gotvand) 도시에 6분 이내 홍수가 도달할 것으로 예상됨.
비상 대응 계획(Emergency Action Plan, EAP) 수립
고트반드 및 쇼슈타르 지역에 대한 즉각적인 대피 명령 필요.
홍수 위험 지역 식별 및 대피 경로 설정.
홍수 도달 예상 시간을 고려한 경고 시스템 도입.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 댐 붕괴 시 홍수 확산 및 유속 변화를 정량적으로 분석 가능.
홍수 전파 속도를 기반으로 실질적인 비상 대응 계획(EAP) 수립이 가능함.
하류 지역에 미치는 영향을 고려하여 방재 인프라 구축 필요.
향후 연구 방향
다양한 붕괴 시나리오(부분 붕괴, 점진적 붕괴) 분석.
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 해석 정밀도 향상.
다른 홍수 모델(HEC-RAS, TELEMAC)과의 비교 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 대형 댐 붕괴 시 홍수 흐름을 예측하고, 인명 피해를 최소화하기 위한 비상 대응 계획을 수립한 연구로, 향후 댐 안전 관리 및 홍수 대비 시스템 구축에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
Figure 1. Upper Gotvand Dam
Figure 5. Hydraulic jump during the simulation
Figure 7. The distribution of velocity (m/s)
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FLOW-3D 세굴 모델을 이용한 보(Barrage) 하류 정수지(Stilling Basin)의 성능 평가
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
연구 배경 및 목적
문제 정의
파키스탄 평야 지역의 주요 보(Barrage)들은 50~100년 전에 건설되었으며, 지속적인 침식과 구조적 결함 문제를 겪고 있음.
과거에는 미국 USBR(United States Bureau of Reclamation) Type III 정수지가 사용되었으나, 에너지 소산 효율이 낮아 개량이 필요함.
최근 개량된 USBR Type II 및 쐐기형 바플 블록(Wedge-Shaped Baffle Blocks, WSBB) 설계의 성능을 비교할 필요가 있음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 USBR Type III, Type II, WSBB 정수지 모델을 구축하고 성능을 비교 분석.
유속 분포, 국부적 전단 응력(BSS, Bed Shear Stress), 세굴 깊이 및 세굴 길이 평가.
설계 방류량(28.30 m³/s/m) 및 홍수 방류량(17.5 m³/s/m) 조건에서 성능을 평가하여 최적의 설계를 도출.
연구 방법
수치 모델 설정 (FLOW-3D 적용)
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 모사.
격자(cell) 크기: 비균일(non-uniform) 격자 사용, 3D CAD 모델링 적용.
경계 조건:
유입부: 실험 유량(28.30 m³/s/m 및 17.5 m³/s/m) 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
비교 모델
USBR Type III (기존 설계)
USBR Type II (개량 설계)
WSBB (쐐기형 바플 블록 설계)
주요 결과
유속 분석
설계 방류량(28.30 m³/s/m) 조건에서 USBR Type III 모델은 유속이 가장 높고, WSBB 모델이 가장 낮았음.
WSBB 모델의 경우 바플 블록으로 인해 유속이 효과적으로 감소.
홍수 방류량(17.5 m³/s/m) 조건에서도 WSBB 모델이 가장 낮은 유속을 보이며 안정적 흐름 형성.
전단 응력(BSS) 분석
USBR Type III 및 Type II 모델은 높은 전단 응력을 보여 하류 침식 가능성이 높음.
WSBB 모델에서는 전단 응력이 감소하여 세굴을 효과적으로 줄임.
세굴 분석
USBR Type III 모델에서는 하류 강바닥이 완전히 노출됨(침식 심화).
USBR Type II 모델에서는 침식이 85% 감소하였으나 여전히 문제가 있음.
WSBB 모델에서는 침식이 가장 적었으며, 세굴 깊이가 최소화됨.
결론 및 향후 연구
결론
WSBB 정수지가 USBR Type II 및 Type III 모델보다 더 효과적으로 에너지를 소산하고 하류 침식을 줄임.
USBR Type II 모델은 기존 USBR Type III 모델보다 개선되었으나 여전히 침식 문제가 존재.
FLOW-3D 모델이 정수지 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 활용 가능함.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
실제 현장 실험과의 비교 검증을 통한 모델 정밀도 향상.
다양한 보(Barrage) 및 정수지 형상에 대한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 정수지 설계의 성능을 비교 분석한 연구로, 보 하류 침식 저감을 위한 최적 설계를 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 2. Energy dissipation arrangement, (a) old basin (Type I), (b) remodeled basin (Type II), and (c) WSBB basin (Type III)
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
Figure 15. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 17.5 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
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본 연구는 부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽의 수리학적 특성을 수치적으로 분석하는 것을 목적으로 함.
폭풍 해일 제어 및 연안 홍수 완화에서 방어벽의 효과를 평가하기 위해 수행됨.
FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 방어벽의 유체역학적 거동을 모델링함.
2. 연구 방법
전산유체역학(CFD) 기법을 적용하여 부유 플랩형 방어벽을 모델링함.
수치 모델의 주요 구성 요소:
레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 방정식을 이용한 난류 모델링.
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
실제 조석(tidal) 및 폭풍 해일(storm surge) 조건을 반영한 경계 조건 적용.
기존 실험 데이터를 활용하여 모델 검증 수행.
3. 연구 결과
주요 연구 결과:
방어벽이 수위 감소 및 파랑 에너지 저감에 효과적임을 확인.
방어벽 각도에 따라 와류(vortex) 형성 및 난류 강도가 변화함.
파고, 방어벽 유연성, 유속에 따라 구조적 안정성이 영향을 받음.
실험 데이터와의 비교를 통해 모델의 예측 정확성이 높음을 확인함.
4. 결론
부유 플랩형 폭풍 해일 방어벽은 연안 홍수 완화에 효과적인 대안이 될 수 있음.
CFD 시뮬레이션을 통해 방어벽 설계 최적화에 유용한 정보를 제공할 수 있음.
향후 연구에서는 장기적인 구조적 내구성 및 실제 환경에서의 적용 가능성을 중점적으로 다뤄야 함.
Figure 1. Location of the study area
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프리즘형 채널 대비 수렴형 채널이 동일한 유량에서도 더 높은 위어 크레스트 수위를 형성하여 방류 효율성이 증가.
수위 및 유속 분포 분석
위어 상류 및 중간부에서 수면 경사가 하강하는 경향, 그러나 위어 끝에서는 상승하는 패턴 확인.
최대 유속이 수렴 채널에서 위어 시작점 근처에서 발생, 반면 횡방향 유속은 위어 중앙부에서 최대값 도달.
에너지 손실 분석 결과, 하류 채널 폭 감소(b/B ↓)에 따라 에너지 손실 감소, 이는 유량 분배 효율 증가로 연결됨.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터가 높은 일치도를 보이며(R² = 0.98), 수렴형 측방 위어의 유동 특성을 효과적으로 예측 가능.
수렴형 채널에서 위어의 효율성이 증가하며, 하류 채널 폭이 줄어들수록 위어 상류 수위가 상승하여 방류량이 증가.
b/B 비율이 작을수록(즉, 하류 채널이 좁을수록) 위어의 성능이 개선됨.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 분석 수행.
다양한 채널 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 하천 및 관개 시스템 적용을 위한 최적 설계 모델 연구.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 수렴형 측방 위어의 유동 및 에너지 특성을 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수렴형 채널 설계를 통해 위어 성능을 최적화할 수 있음을 입증하며, 실무 적용 가능성이 높음.
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Figure 7. Fluid interface shape after moving a round droplet against a square obstacle using the standard (left) and the Lagrangian method(right)
연구 배경 및 목적
문제 정의
기존 FLOW-3D의 Volume-of-Fluid(VOF) 기법은 Hirt와 Nichols(1981)에 의해 개발된 donor-acceptor 접근 방식을 기반으로 하며, 다양한 복잡한 유동 환경에서 정확도를 유지하도록 개선되어 왔음.
그러나 기존 방식은 연산 과정에서 좌표 방향에 대한 분할 기법(operator splitting)을 사용하여 유체 표면이 복잡한 기울기를 가질 때 정확도가 저하되는 문제가 있음.
이를 해결하기 위해 3D 인터페이스 재구성을 기반으로 한 새로운 VOF 이류 기법이 FLOW-3D 버전 8.2에 도입됨.
연구 목적
새로운 VOF 이류 기법을 개발하여 기존 방식의 단점을 보완하고, 비직교 유동 환경에서의 정확도를 향상.
기존 방법과 새로운 방법의 성능을 비교하고, 각 방법의 부정확성과 체적 보존 오류를 분석.
라그랑지안 기반 기법을 도입하여 인터페이스 이동을 보다 정밀하게 수행할 수 있도록 개선.
연구 방법
기존 VOF 방식과 새로운 방법 비교
기존 방식(IFVOF=4, 기본 설정)
좌표 방향 분할(operator splitting) 적용.
시간 스텝 크기가 Courant 안정성 조건에 접근하면 과도한 유체 체적 손실 발생 가능.
직교 좌표 정렬 상태에서는 비교적 정확하지만, 비직교 방향의 유동에서는 인터페이스 왜곡 발생.
새로운 라그랑지안 방식(IFVOF=5)
인터페이스를 3D 평면으로 재구성하고 한 번에 이동하여 보다 정확한 인터페이스 추적 가능.
체적 보존 성능이 개선되었으며, 흐름 방향에 따른 체적 손실 감소.
VOF 값이 0과 1 사이의 셀에서 유체 체적을 선형 근사하여 이동.
수치 시뮬레이션 및 검증
원형 액적(round droplet) 이동 테스트
2D 격자에서 유체 덩어리가 이동할 때 기존 방법과 새로운 방법의 차이를 분석.
기존 방법: 45° 방향 이동 시 체적 손실 발생, 인터페이스 왜곡 심함.
새로운 방법: 인터페이스 보존 성능 향상, 체적 손실 미미(0.0002%).
3D 유체 제트(jet) 흐름 시뮬레이션
원형 홀에서 방출된 유체 제트가 흐름을 따라 움직일 때 표면 거동 분석.
기존 방식: 무작위적인 표면 변형 및 작은 위성 액적 형성.
새로운 방법: 규칙적이고 대칭적인 표면 변형 유지.
주요 결과
기존 VOF 방식의 문제점 분석
45° 방향 이동 시 인터페이스 형태가 심하게 왜곡됨.
유체 체적 손실이 발생하며, 표면적이 증가하면서 물리적으로 부정확한 결과가 발생.
유체 이동이 좌표 방향과 정렬되지 않으면 체적 보존 성능이 저하됨.
새로운 방법의 성능 개선
모든 방향에서 체적 보존 성능이 향상되었으며, 3D 유체 흐름에서도 정확도가 증가.
표면 장력 모델과의 결합 시 기존 방법보다 더욱 안정적인 결과 도출.
CPU 연산 시간은 기존 방법 대비 ±3% 차이로, 추가적인 계산 부담 없이 성능 개선 가능.
결론 및 향후 연구
결론
새로운 라그랑지안 VOF 이류 기법(IFVOF=5)은 기존 방식 대비 더 나은 체적 보존 성능을 제공하며, 복잡한 유체 흐름에서도 보다 정확한 인터페이스 추적이 가능함.
좌표 방향 정렬 문제를 해결하여, 유체 인터페이스를 보다 안정적으로 유지 가능.
특히 고난류 환경에서의 유체 이동 예측 정확도가 개선됨.
향후 연구 방향
복잡한 난류 모델(RANS, LES)과의 결합을 통한 추가 검증 수행.
다양한 유체-구조 상호작용(FSI) 문제에 대한 적용 가능성 분석.
3D 격자 해상도 최적화를 통해 추가적인 연산 성능 개선 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D에서 보다 정확한 VOF 기반 유체 이동 모델을 구현하기 위해 라그랑지안 기반의 인터페이스 추적 기법을 도입하고, 기존 방식과의 성능 차이를 체계적으로 분석하였다. 새로운 기법은 보다 나은 체적 보존 성능과 인터페이스 유지 성능을 제공하며, 다양한 유체 흐름 문제에 적용될 수 있다.
Figure 7. Fluid interface shape after moving a round droplet against a square obstacle using the standard (left) and the Lagrangian method(right)
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이를 해결하기 위해 어도(fishway)가 설치되지만, 현재 어도 설계는 어류의 이동 특성과 유동 특성을 충분히 고려하지 못하고 있음.
기존 연구는 주로 수리 실험(laboratory experiment)에 의존했으나, 이는 시간·비용의 제약이 크므로 수치 해석(numerical simulation)을 통한 검토가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도(Baffled Fishway) 내 유동 특성을 수치적으로 해석.
수리 실험 결과와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 평가.
어도 내 유속 분포 및 난류 특성을 분석하여 최적의 설계 방안을 도출.
연구 방법
수리 실험(Laboratory Experiment)
길이 25m × 폭 0.8m × 높이 0.8m의 개수로(rectangular flume)에서 실험 수행.
0.45m × 0.007m × 0.4m 크기의 도류벽(baffles) 5개 배치.
유량 조건: 46 L/s
유속 측정 위치: 도류벽 중앙 및 하류 3개 지점
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 적용.
격자(cell) 크기 0.015m, 비균일(non-uniform) 격자 적용.
경계 조건:
유입부: 실험 유량(46 L/s) 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
주요 결과
유속 분포 분석
수리 실험과 FLOW-3D 결과 비교 시, 최대 오차율 13% 이내로 나타남.
도류벽과 도류벽 사이에서는 유속 변화가 크며, 도류벽 중앙부에서 난류 강도가 증가.
FLOW-3D 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 보이며, 신뢰성이 높음.
최대 유속 발생 지점 비교
최대 유속 발생 위치는 실험과 수치 모델에서 유사하게 나타남(오차율 6%).
도류벽 시작 지점에서 유속이 가장 높았으며, 도류벽 하류에서는 난류로 인해 유속이 감소.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 도류벽식 어도 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 확보 가능.
어도 내 유동 특성을 정확히 예측하여 최적 설계를 위한 기초 자료로 활용 가능.
도류벽 간격 및 형상을 조정하면 어류 이동을 돕는 유속을 형성할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 어도 형상(슬롯형, 계단식)과 비교 연구 수행.
어종별 이동 특성을 반영한 최적 유속 범위 검토.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도의 유동 특성을 분석한 연구로, 향후 어도 설계 및 최적화를 위한 수치 모델 활용 가능성을 제시하였다.
그림 1. 개수로 실험 장치 및 어도 설치 (b) 어도 설치 후
그림 4. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
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Figure 5 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 40s
연구 배경 및 목적
문제 정의
폐광석 저수지(tailings pond)는 광산 채굴 후 배출되는 폐기물을 저장하는 인공 저수지로, 붕괴 시 하류 지역에 심각한 환경적·경제적 피해를 초래할 수 있음.
폐광석 모르타르(tailings mortar)는 중금속(Pb, Cu, Mn 등)을 포함하며, 붕괴 시 고속 동적 에너지 모래 흐름(high-speed dynamic energy sand flow)으로 변환되어 하류 지역에 영향을 미침.
기존 연구는 폐광석 모르타르의 확산 범위 및 중금속 이동 경로 분석에 초점을 맞췄으며, 배출 속도 및 유동 특성에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 유동 특성을 수치적으로 분석.
폐광석 모르타르의 밀도, 점도, 하류 거칠기(roughness height)가 배출 속도 및 이동 거리에 미치는 영향을 연구.
기존 경험식과 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 유체-고체 경계를 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
3D CAD 모델링을 통해 폐광석 저수지 및 하류 1000m × 400m × 30m 영역을 설정.
격자(cell) 수: 48,592개, 격자 크기: 3m.
경계 조건:
유입부: 폐광석 저수지에서 배출되는 유체 설정.
유출부: 하류 개방 경계 조건 적용.
바닥면: 다양한 거칠기(0.25m, 0.5m, 1.0m) 적용.
실험 데이터 및 경험식 비교
기존 Kang(1960), Fu(2007) 등의 경험식을 사용하여 FLOW-3D 결과 검증.
폐광석 모르타르의 밀도(1800, 2500, 3200 kg/m³), 점도(0.5, 5, 15 kg/m/s) 변화에 따른 배출 속도 비교.
주요 결과
배출 속도 변화
FLOW-3D 결과와 기존 경험식 비교 시 최대 오차율 3% 이내로 확인.
폐광석 모르타르의 배출 속도는 초기 급격히 증가한 후 점진적으로 감소하며 안정화됨.
밀도가 높을수록 초기 속도가 빠르지만, 일정 거리 이후 속도 차이 감소.
점도가 클수록 유동 저항 증가 → 유속 감소 및 이동 거리 단축.
거칠기(roughness height)가 클수록 배출 속도 감소 (450m에서 속도 감소율: 19.6~43.7%).
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 폐광석 모르타르 유동 해석이 기존 경험식과 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 검증됨.
밀도 및 점도 변화가 배출 속도에 영향을 미치며, 하류 지역의 거칠기 증가가 유동 속도를 효과적으로 저감할 수 있음.
폐광석 저수지 붕괴 시 피해 최소화를 위해 하류에 식생 및 수리 구조물 설치 필요.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 추가 난류 분석.
하류 지역의 실제 데이터와 비교 검증 수행.
다양한 저수지 형상 및 붕괴 시나리오 적용 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 댐 붕괴 시 폐광석 모르타르의 배출 속도 및 유동 특성을 수치적으로 분석한 연구로, 향후 광산 안전 관리 및 재난 예방 시스템 구축에 기여할 수 있는 데이터를 제공하였다.
Figure 2 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 10s
Figure 3 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 20s
Figure 4 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 30s
Figure 5 Top view of velocity distribution of tailings mortar at 40s
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FLOW-3D 기반 수치 해석을 통해 대체 설계(ALT 1, ALT 2)가 기존 암거 출구 대비 침식 및 세굴 저감 효과가 있음을 확인.
ALT 1 설계가 상대적으로 운동에너지 및 침식 감소 효과가 더 우수함.
FLOW-3D는 암거 출구 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 활용 가능함.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 활용한 추가 분석.
실제 현장 실험과의 비교 검증을 통한 모델 정밀도 향상.
다양한 유량 및 암거 형상에 대한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침식 방지용 소멸형 암거 출구 설계를 수치적으로 분석한 최초 연구 중 하나로, 환경 친화적인 암거 설계 및 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Fig. 1. Plan view of control and alternative dissipating culvert end designs (a) control culvert end plan view (b) alternative dissipating culvert end (ALT 1) plan view and (c) alternative dissipating culvert end (ALT 2) plan view
Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2
Fig. 4. Experimental and simulation results on culvert upstream water depth at different flow rates
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횡월류 위어(Side Weir)는 인공수로나 자연하천에서 홍수 조절, 취수 및 배수 등의 목적으로 사용되며, 유량 조절의 핵심 요소이다.
특히 만곡수로(Meandering Channel)에서는 곡률 반경이 유량계수(Discharge Coefficient, CmC_mCm)에 미치는 영향이 크며, 정확한 유량계수 산정이 필요하다.
기존 연구들은 주로 직선 수로에서 수행되었으며, 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수 연구는 부족한 실정이다.
연구 목적:
FLOW-3D 수치 모델을 이용하여 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수를 분석.
직선 수로와 만곡 수로에서의 유량계수를 비교하여 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 규명.
기존 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
모델링 및 실험 설정
FLOW-3D를 사용하여 만곡수로(180°) 및 직선 수로를 모델링.
유량계수 산정을 위해 곡률 반경(RcR_cRc)과 수로 폭(bbb)의 비율(Rc/bR_c/bRc/b)을 변화시키며 시뮬레이션 수행.
기존 연구(Agaccioglu, 1998)에서 수행된 수리 실험 데이터를 활용하여 모델 검증.
위어 높이(www), 위어 폭(LLL), 유입 유량(QQQ) 등의 변수 변경을 통해 유량계수 변화 분석.
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 모의.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 사용하여 횡월류 위어의 구조적 형상을 정확히 표현.
RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 사용하여 난류 유동 해석 수행.
격자(Grid) 설정 최적화:
기본 격자 크기: 2cm × 2cm × 2cm.
횡월류 위어 주변의 정밀 해석을 위해 0.5cm 크기의 세부 격자 적용.
주요 결과
곡률 반경 변화에 따른 유량계수 분석
Rc/bR_c/bRc/b 비율이 작아질수록(즉, 곡률 반경이 작아질수록) 횡월류 위어의 유량계수 감소.
Rc/bR_c/bRc/b가 1.25 이하가 되면 유량계수가 다시 증가하는 경향을 보임.
최대 유량계수는 Rc/b=0.5R_c/b = 0.5Rc/b=0.5에서 발생.
직선 수로 대비 만곡 수로에서 유량계수가 최대 20% 이상 감소할 수 있음.
유량 변화에 따른 유량계수 변화
유입 유량이 증가할수록 유량계수 또한 증가하는 경향을 보임.
곡률 반경이 작을수록 유량이 증가할 때 유량계수 변화 폭이 커짐.
Rc/b=2.5R_c/b = 2.5Rc/b=2.5일 때, 유량 증가에 따른 유량계수 변화가 가장 적음.
FLOW-3D 모델 검증 및 비교 분석
FLOW-3D 결과와 기존 실험 데이터(Agaccioglu, 1998) 비교 결과 높은 신뢰도(R² > 0.95) 확인.
프루드 수(FrFrFr) 증가에 따른 유량계수 변화 경향이 실험 결과와 유사.
기존 연구와 비교하여 3차원 유체 시뮬레이션이 만곡수로 내 유동 해석에 효과적임을 입증.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D는 횡월류 위어의 유량계수를 산정하는 데 신뢰성 높은 모델임을 입증.
곡률 반경(RcR_cRc)이 작아질수록 유량계수가 감소하지만, 특정 임계값(Rc/b=1.25R_c/b = 1.25Rc/b=1.25 이하) 이후에는 다시 증가.
직선 수로 대비 만곡 수로에서의 유량계수 차이를 보정하는 새로운 유량계수 산정 방법 제안 가능.
향후 연구 방향:
다양한 위어 형상(삼각형, 반원형 등)에 따른 유량계수 변화 연구.
만곡수로에서의 2차 흐름과 와류(Vortex)가 유량계수에 미치는 영향 분석.
실제 하천 및 저류지 적용을 위한 대규모 실험 검증 연구 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 횡월류 위어의 유량계수를 수치적으로 분석하고, 기존 실험 데이터와 비교하여 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 정량적으로 제시하며, 향후 수로 설계 및 홍수 관리 시스템 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
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벽면 경계: 로그 법칙(Logarithmic Law of the Wall) 적용하여 유동 저항 고려.
주요 결과
세굴 깊이 및 유속 분포 분석
FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 실험 데이터와 높은 일치도를 보임.
첫 번째 수제에서 가장 깊은 세굴 발생(E1: 0.123m, E2: 0.1785m).
두 번째, 세 번째 수제로 갈수록 세굴 깊이가 감소하는 경향을 보임.
SSIIM 소프트웨어 대비 FLOW-3D 모델의 예측 정확도가 평균 7~40% 향상됨.
첫 번째 수제 하단에서 7%, 두 번째에서 80%, 세 번째에서 40% 정확도 개선.
유동 패턴 및 난류 분석
수제 후류 영역에서 강한 와류(Vortex) 발생 확인.
첫 번째 수제에서 난류 강도가 가장 크며, 하류로 갈수록 감소.
SSIIM 모델보다 FLOW-3D 모델이 유동 패턴을 더 정밀하게 예측.
수치 모델 검증 및 오차 분석
FLOW-3D와 SSIIM, 실험 결과 비교:
FLOW-3D 모델의 결정 계수(R²): E1 = 0.95, E2 = 0.98 → 높은 정확도 입증.
SSIIM 모델의 결정 계수(R²): E1 = 0.89, E2 = 0.94 → FLOW-3D가 더 우수한 결과 제공.
FLOW-3D는 SSIIM보다 최대 40% 향상된 정확도로 세굴 깊이를 예측 가능.
모델 재보정 필요성:
Froude 수(Fr) 및 U/Ucr 비율이 모델 정확도에 영향을 미침.
유량 변화에 따라 모델 재보정(Calibration) 필요.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D는 다중 수제 그룹의 수리학적 거동을 예측하는 데 신뢰성이 높은 모델임을 입증.
SSIIM보다 높은 정확도를 보이며, 특히 두 번째 및 세 번째 수제 주변에서의 예측 정확도 향상.
유량 변화 시 모델 재보정이 필요하지만, 세굴 깊이 및 유동 패턴 예측에 효과적임.
향후 연구 방향:
다양한 수제 형상 및 배치에 대한 추가적인 시뮬레이션 연구.
다양한 난류 모델(RSM, LES) 적용 및 비교 연구 진행.
AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 세굴 예측 시스템 개발.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 기반의 다중 수제 세굴 수치 시뮬레이션을 통해 수제 구조물 주변의 세굴 및 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 환경적 안정성을 고려한 하천 관리 및 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공한다.
Figure 5 Numerical modeling results of bed deformation in E1 test, Flow direction Right to left
Figure 7 The flow vortices in vicinity of the spur dikes in E1 test
Figure 8 Dimensionless graph of equilibrium time of scouring in (a Left) E1 test and (b Right) E2 test in FLOW-3D
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FLOW-3D를 이용한 강 곡류에서 L자형 Spur Dike 주변 유속 분포에 대한 수리학적 조건 변화의 영향 분석
Figure 7. Distribution of the flow rate around the spur dike with a discharge of 25 liters per second
연구 배경 및 목적
문제 정의
하천에서 침식 및 퇴적 문제는 지속적인 문제로, 강변 보호 및 수로 안정화를 위해 Spur Dike(사석 둑)이 널리 사용됨.
특히, 곡류(river bend)에서는 원심력 및 부차류(secondary flow)로 인해 침식이 심화되므로, 효과적인 구조물 설계가 필수적임.
기존 연구는 주로 직선 수로에서의 Spur Dike 영향을 다루었으며, 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike의 유동 및 침식 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike가 유속 및 침식 패턴에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
Spur Dike의 배치 각도(30°, 45°, 60°, 75°, 90°)와 유량 변화(18, 20, 22, 25 L/s)가 유속 및 난류 강도에 미치는 영향 비교.
최적의 Spur Dike 배치 조건을 도출하여 침식 저감을 위한 설계 지침 제공.
연구 방법
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 특성 모사.
격자(cell) 크기 0.1m, 총 2,061,329개 셀 사용.
경계 조건:
유입부: 실험에서 측정된 유량 조건 적용.
유출부: 하류 수위 적용.
Spur Dike 길이: 15cm, 배치 각도: 30°~90°(15° 간격).
주요 결과
Spur Dike 배치 각도와 유속 분포
Spur Dike의 각도가 작을수록(30°) 유속 및 난류 강도가 높았음.
90° 배치에서는 유속 감소 및 난류 강도 최소화 → 즉, 곡류 후반부의 Spur Dike는 효과가 감소함.
Spur Dike 배치를 30°, 45°, 60°에서 집중하는 것이 효과적이며, 75° 및 90°에서는 추가적인 효과가 미미함.
유량 변화와 침식 영향
유량 증가(18 → 25 L/s) 시, Spur Dike 전면에서 유속 및 난류 강도 증가.
Froude 수 증가 시, Spur Dike 전면 및 하류 침식 심화.
두 개 이상의 Spur Dike가 배치될 경우, 첫 번째 Spur Dike에서 난류 및 침식이 집중됨.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 수치 해석 결과, Spur Dike의 배치 각도에 따라 유속 및 침식 패턴이 크게 달라짐을 확인.
Spur Dike를 30°, 45°, 60°에 배치하는 것이 난류 및 침식을 줄이는 데 효과적.
90°에서 Spur Dike의 영향이 급격히 감소하므로 추가 설치는 비효율적.
유량이 증가할수록 Spur Dike 전면에서 난류가 증가하며, 침식이 심화됨.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
다양한 Spur Dike 형상(T자형, U자형)과 비교 분석.
실제 하천에서의 실험적 검증 수행.
연구의 의의
이 연구는 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike의 유속 및 침식 패턴을 FLOW-3D를 이용해 분석한 연구로, 하천 정비 및 침식 방지를 위한 최적 설계를 위한 기초 데이터를 제공한다.
Figure 7. Distribution of the flow rate around the spur dike with a discharge of 25 liters per second
Figure 8. Flow pattern around the spur dikes in three dimensional form at numerical model
Figure 9. formation of scour and deposition around the spur dike in the original model
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유량 변화에 따른 Froude 수 범위: 1.1≤Fr≤201.1 \leq Fr \leq 201.1≤Fr≤20.
취수구 주변의 유동장 및 와류 발생을 고속 카메라와 유량 측정 센서를 이용하여 분석.
FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션 설정
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면 유동을 모델링.
RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성을 해석.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 취수구 형상을 정밀 모델링.
격자(Grid) 설정 최적화:
외부 영역(Grid size = 0.1m).
내부 영역(Grid size = 0.07m, 취수구 주변 고해상도 적용).
LES(Large Eddy Simulation) 모델 적용 시 해석 정확도가 향상됨을 확인.
주요 결과
임계 침수 깊이(Critical Submergence Depth) 분석
Froude 수, Weber 수, Reynolds 수가 증가할수록 임계 침수 깊이(Sc/Di) 증가.
취수구 직경(Di)가 증가할수록 임계 침수 깊이가 감소하는 경향을 보임.
Sc/Di 값이 실험 결과와 비교했을 때 평균 오차 5~10% 이내로 높은 정확도 확인.
유동 패턴 및 난류 강도 분석
취수구 주변 와류 강도는 Froude 수 증가 시 급격히 증가.
LES 난류 모델 적용 시 난류 해석 정확도가 향상됨을 확인.
SSIIM 모델과 비교한 결과, FLOW-3D가 더 정밀한 유동 분석 결과를 제공.
최적 침수 깊이 산정 식 도출
실험 및 시뮬레이션 데이터를 기반으로 임계 침수 깊이(Sc)를 예측하는 새로운 경험식 도출:
Froude 수(Fr), Reynolds 수(Re), Weber 수(We) 등과 취수구 직경(Di) 간의 관계를 포함하는 포괄적인 모델을 제안.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 시뮬레이션이 수평 취수구에서 와류 형성을 방지하는 임계 침수 깊이 예측에 유용함을 입증.
Froude 수, Weber 수, Reynolds 수와 취수구 직경 간의 정량적 관계를 도출하여 설계 기준을 제공.
LES 난류 모델 적용 시 해석 정확도가 증가하므로, 향후 연구에서는 더욱 정밀한 난류 모델 활용 필요.
향후 연구 방향:
다양한 취수구 형상(수직, 사각형 등)에 따른 침수 깊이 변화 연구.
대형 취수구 및 댐 취수 시스템 적용을 위한 현장 검증 실험 수행.
AI 및 머신러닝 기법을 활용한 실시간 취수구 설계 최적화 연구.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 수평 취수구에서 와류 형성을 방지하기 위한 최적 침수 깊이를 도출하고, 기존 실험 데이터를 기반으로 정량적 관계를 검증하였다. 이를 통해 수력 발전소, 농업용 관개 및 산업용 취수 시스템 설계 시 실질적인 엔지니어링 데이터를 제공할 수 있음을 입증하였다.
Figure 2. Vortex strength scale used by Dargin and Anderson for classification of free surface vortices at intakes
Figure 4. Vortex formation and Critical submergence with coarse mesh
Figure 5b. Vorticity magnitude contours in Critical submergence depth
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광정수로 위어(broad-crested weir)는 수위 조절, 유량 측정 및 에너지 감쇠에 널리 사용되는 수리학적 구조물임.
기존 실험 연구는 비용이 높고 시간이 소요되므로 FLOW-3D를 이용한 CFD(전산유체역학) 기반 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 사용하여 다양한 상·하류 경사 조건에서 광정수로 위어의 유동 특성을 수치적으로 분석.
방출 계수(discharge coefficient, Cd), 에너지 등고선(energy grade line, H1) 및 평균 유속을 계산하여 위어 형상의 영향을 평가.
실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D의 예측 정확도를 검증.
연구 방법
FLOW-3D 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
Navier-Stokes 방정식 기반의 유체 거동 해석 수행.
난류 모델: k-ε 모델 적용.
경계 조건:
유입: 부피 유량 조건(volumetric flow rate).
유출: 지정 압력 조건(specified pressure).
벽면: No-slip 조건 적용.
메쉬 크기: FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 적절한 격자 크기 선정.
실험 및 검증 방법
실험 모델: 수평 유량 수조(flume) 내 다양한 위어 형상 실험.
위어 유형: 네 가지 형상(ARB, BRA, VRB, BRV) 비교 분석.
유량(Q): 0.004~0.018 m³/s 범위에서 분석 수행.
주요 결과
방출 계수(Cd) 분석
유입면의 경사가 증가할수록 방출 계수 Cd가 감소.
Cd 값의 변동 범위: Hager 공식 적용 시 높은 Cd 값, Bazin 공식 적용 시 Cd 값이 선형적으로 증가하는 경향 확인.
유량 증가 시 Cd 값도 점진적으로 증가, 그러나 하류 경사는 Cd에 미미한 영향을 미침.
에너지 등고선(H1) 및 유속 분석
유입 경사가 증가할수록 에너지 등고선(H1) 값이 증가하여 흐름 저항 증가.
하류 경사는 H1 값에 거의 영향을 주지 않음.
유속 분석 결과, 같은 유량에서 유입 경사가 작을수록 흐름 속도가 감소.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D는 광정수로 위어의 유동 특성을 정확하게 예측할 수 있음.
유입 경사가 증가할수록 방출 계수 감소 및 유속 증가, 반면 하류 경사는 유동 특성에 거의 영향을 미치지 않음.
Cd 값은 Bazin 공식이 Hager 공식보다 실험값과 더 높은 일치도를 보임.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과 비교 연구.
다양한 위어 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 하천 환경에서의 적용 가능성 연구.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 광정수로 위어의 유동 및 방출 계수를 정량적으로 분석하고, CFD 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수리학적 설계 최적화를 위한 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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스키점프형 여수로는 유속이 20m/s를 초과할 때 사용되는 중요한 구조물이며, 에너지 소산을 위한 핵심 설계 요소임.
기존의 물리 실험은 비용이 높고 시간이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 통한 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 스키점프형 여수로의 유동 특성을 수치적으로 분석.
실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
여수로의 제트 궤적(jet trajectory), 압력 분포 및 에너지 소산 특성 분석.
연구 방법
실험 및 수치 모델 개요
연구 대상: IS 7365 (2010) 표준을 따른 전통적인 스키점프형 여수로.
실험 조건:
수로 크기: 폭 0.30m, 깊이 0.30m, 길이 6m의 유리제 수리 실험 수로.
연속된 곡면 립(lip) 각도 35°, 반경 0.0915m.
유량(Q): 0.00431 ~ 0.00962 m³/s 범위.
FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 장애물 영역 설정.
경계 조건:
유입: 지정 속도 조건.
유출: 지정 압력 조건.
벽면: No-slip 조건 적용.
주요 결과
유동 및 에너지 소산 특성 분석
스키점프형 여수로에서 유동이 곡면을 따라 흐르면서 에너지가 점진적으로 소산됨.
FLOW-3D 결과와 실험 데이터의 에너지 소산율 비교
최대 오차율 15.69%로 나타났으며, 실험과 높은 일치도를 보임.
유량이 증가할수록 에너지 소산율이 감소하는 경향 확인.
제트 궤적 및 압력 분포 분석
시뮬레이션 결과와 실험값이 3D 유동장 및 압력 분포에서 일치함을 확인.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 스키점프형 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 효과적으로 예측 가능.
유량 변화에 따른 에너지 소산율 감소 경향을 확인하였으며, 추가적인 최적화 연구 필요.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 분석 수행.
다양한 여수로 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 댐 적용 사례와 비교 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 스키점프형 여수로의 유동 및 에너지 소산 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 댐 설계 및 홍수 방지 인프라 구축에 중요한 데이터와 분석 방법을 제공한다.
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FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 다양한 모양의 교각 주변의 국부적인 세굴에 대한 수치적 연구
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry
연구 배경 및 목적
문제 정의
세굴은 흐르는 물의 침식 작용으로 인해 하천의 바닥과 제방에서 발생하는 자연적인 현상이다.
본 연구에서는 FLOW-3D를 사용하여 교각 주변의 세굴 지형, 깊이 및 퇴적을 정확하게 예측할 수 있는지 조사하고자 한다.
비점착성 하상 퇴적물의 세굴을 시뮬레이션하고 정성적 및 정량적 분석을 제시한다.
RANS(Reynolds Average Navier Stokes) 방정식과 k-ε 모델 및 2차 정확도의 난류 방법을 사용한다.
연구 목적
다양한 모양(원형, 사각형, 다이아몬드형, 육각형, 에어포일형)의 교각에 대한 세굴 깊이를 비교 분석한다.
시간 변화에 따른 세굴 깊이의 변화를 검증한다.
교각 주변의 속도 분포를 분석한다.
세굴 깊이를 줄이기 위한 대책(collar 설치)의 효과를 평가한다.
연구 방법
수치 모델(FLOW-3D) 설정
RANS(Reynolds Average Navier Stokes) 방정식과 k-ε 모델을 사용하여 난류를 모델링한다.
VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유 표면 흐름을 추적한다.
비점착성 모래의 세굴을 시뮬레이션하기 위해 적절한 경계 조건과 물리적 모델을 설정한다.
다양한 모양의 교각(원형, 사각형, 다이아몬드형, 육각형, 에어포일형)에 대한 3D 모델을 생성한다.
격자 독립성 테스트를 수행하여 적절한 격자 크기를 결정한다.
주요 결과
원형 교각의 경우 다른 모양에 비해 세굴 깊이가 만족스러운 결과를 보였다.
에어포일 모양의 경우 예상보다 세굴이 훨씬 크게 발생했다.
교각의 업스트림에서 다운스트림보다 세굴이 더 크게 발생했다.
FLOW-3D 소프트웨어는 세굴 깊이를 예측하는 데 몇 가지 제한사항이 있는 것으로 나타났다.
collar를 설치하면 세굴 깊이가 감소하는 것을 확인했다.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D는 교각 주변의 세굴 현상을 시뮬레이션하는 데 유용한 도구임을 확인했다.
교각 모양은 세굴 깊이에 큰 영향을 미치며, 원형 교각이 가장 안정적인 것으로 나타났다.
collar 설치는 세굴 깊이를 줄이는 효과적인 방법이다.
향후 연구 방향
다양한 흐름 조건과 토사 조건에 대한 추가 연구가 필요하다.
FLOW-3D의 세굴 예측 정확도를 향상시키기 위한 모델 개선이 필요하다.
실제 교량에 대한 적용 가능성을 평가하기 위한 현장 연구가 필요하다.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 교각 주변의 세굴 현상을 분석하고, 다양한 교각 모양과 collar 설치 효과를 비교 평가했다.
연구 결과는 교량 설계 및 유지 관리에 유용한 정보를 제공하며, 향후 교량 안전성 향상에 기여할 수 있다.
Figure 5~6 Horse shoe and wake vortex around a cylinderical element
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry (a) circular pier (b) square pier and (c) diamond pier
Figure 23 scouring depth at equilibrium condition in 3D geometry (d) hexagonal pier and (e) airfoil pier
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이론적 공식, 실험 및 3D 수치 모델링을 통한 여수로 유량 곡선 연구 – 인도네시아 리암 키와 댐 사례 연구
Figure 7. Scenario 2 View of flow over the spillway crest experiment (upper) and FLOW-3D (lower)
연구 배경 및 목적
문제 정의
리암 키와 댐(Riam Kiwa Dam)은 홍수 조절 및 농업·음용수를 공급하기 위해 인도네시아에 건설될 예정임.
댐의 여수로(spillway)는 2개의 비가동(uncontrolled) 및 5개의 가동(gated) 여수로로 구성되며, 총 길이는 77.5m.
기존 설계는 경험적·이론적 공식을 사용하여 수행되었으며, 이러한 공식은 1D 흐름을 가정하여 실제 복잡한 유동 특성을 완전히 반영하지 못하는 한계가 있음.
물리적 모델 실험 및 3D 수치 모델링(FLOW-3D)을 통해 기존 공식의 한계를 보완하고, 보다 정확한 유량 곡선을 도출하는 것이 필요.
연구 목적
이론적 공식, 실험, 3D 수치 모델링(FLOW-3D)을 이용하여 여수로 유량 곡선을 비교·분석.
실제 실험과 수치 해석을 결합하여 모델의 신뢰성을 평가하고, 댐 설계 최적화를 위한 방향성을 제시.
여수로 개폐 조건(Scenario 1: 폐쇄, Scenario 2: 개방)에 따른 유량 곡선 변화를 검토.
연구 방법
실험 모델
실험실에서 1:50 축척의 물리적 모델 구축.
프루드 유사성(Froude similarity) 적용하여 축척 모델과 실제 구조물의 동역학적 유사성을 확보.
실험 데이터: 수위(water depth) 및 유속(velocity) 측정.
수치 모델(FLOW-3D) 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법 적용하여 자유 표면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 특성 모사.
격자(cell) 크기 0.1m, 총 2,061,329개 셀 사용.
경계 조건:
유입부: 실험에서 측정된 유량 조건 적용.
유출부: 하류 수위 적용.
이론적 공식 적용
경험적 방정식:
Q = 유량(m³/s)
C = 방류 계수(2.1)
B = 여수로 길이(m)
H = 총 에너지 수두(m)
주요 결과
Scenario 1 (모든 가동 여수로 폐쇄 시)
실험, 이론적 공식, FLOW-3D 비교 결과:
낮은 유량(수위 150.5m 이하)에서는 이론적 공식 및 FLOW-3D 모두 오차율 10% 이상 발생.
높은 유량(수위 152m 이상)에서는 이론적 공식과 FLOW-3D의 정확도가 향상(오차율 <10%).
FLOW-3D가 실험 결과와 더 유사한 경향을 보임.
Scenario 2 (모든 가동 여수로 개방 시)
실험, 이론적 공식, FLOW-3D 비교 결과:
낮은 유량(수위 146m 이하)에서는 오차율 10% 이상.
수위 147.5m부터 FLOW-3D가 이론적 공식보다 더 높은 정확도를 보임.
고유량(수위 154m 이상)에서는 두 모델 모두 정확도가 향상(오차율 <10%).
결론 및 향후 연구
결론
낮은 유량에서는 이론적 공식과 FLOW-3D 모두 정확도가 낮았으나, 높은 유량에서는 정확도가 개선됨.
FLOW-3D는 이론적 공식보다 실험과 더 유사한 결과를 도출하여 보다 정밀한 해석이 가능함을 확인.
수치 모델링을 활용하면 실험 비용을 절감할 수 있으며, 실제 설계 최적화에 기여할 수 있음.
향후 연구 방향
스케일 효과(Scale Effect) 분석을 통한 실험·수치 모델링 정밀도 향상.
LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
비가동 및 가동 여수로의 유량 최적화를 위한 추가 연구 수행.
연구의 의의
이 연구는 이론적 공식, 실험, 수치 모델링을 결합하여 여수로 유량 곡선을 분석한 연구로서, 향후 댐 설계 및 홍수 조절 시스템 최적화에 실질적으로 기여할 수 있는 데이터를 제공한다.
Figure 5. Discharge rating curve for Scenario 1 and Scenario 2
Figure 6. Scenario 1 View of flow over the spillway crest experiment (upper) and FLOW-3D (lower)
Figure 7. Scenario 2 View of flow over the spillway crest experiment (upper) and FLOW-3D (lower)
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Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
연구 배경 및 목적
문제 정의
댐 구조물의 필수적인 요소 중 하나인 여수로(spillway)는 홍수 방류 시 댐을 보호하는 중요한 역할을 수행함.
기존의 오지(ogee)형 여수로와 달리, 계단형 여수로(stepped spillway)는 유체의 에너지 소산을 증가시켜 캐비테이션(cavitation) 위험을 감소시키는 장점이 있음.
계단형 여수로에서 유동 형태(nappe flow, transition flow, skimming flow)가 다르게 나타나며, 유속, 압력, 공기 유입 등의 변화가 발생함.
연구 목적
Flow-3D를 활용하여 계단형 여수로에서의 난류 유동을 수치적으로 해석하고 실험 결과와 비교.
여수로 경사의 변화가 공기 유입(air entrainment), 유속 분포(velocity distribution), 동압(dynamic pressure)에 미치는 영향을 분석.
다양한 유량 조건에서 수치 해석 결과와 기존 실험 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
수치 해석 설정
CFD(전산유체역학) 모델: Flow-3D 사용
난류 모델: RNG k-ε 모델 적용
자유 수면 추적: VOF(Volume of Fluid) 기법 활용
격자 설정: 직교 격자(orthogonal mesh) 사용, 셀 크기 0.015m
모델 실험 조건:
경사 변화: 50° → 30° 및 50° → 18.6°
단수(step height): 0.06m
유량 조건: 0.1 m³/s 및 0.235 m³/s
주요 결과
공기 유입(air entrainment) 및 유속 분포 분석
경사 변화 후 공기 유입 증가 → 동일 유량에서 계단 경사가 낮을수록 공기 함유량 상승.
실험 결과와 비교 시 모델의 공기 유입 예측이 높은 신뢰도를 가짐.
유속 분포 분석 결과, 계단 경사 감소 시 유속이 더 균일하게 분포하며 난류 발생이 감소.
동압(dynamic pressure) 분석
실험 데이터와 비교 시 경사 변화 전후 압력 분포가 유사한 경향을 보임.
경사 변화 후, 계단면의 압력 변동이 증가하나, 전체적인 패턴은 실험 결과와 잘 일치.
실험 데이터 대비 압력 차이는 10% 이내로 나타남.
결론 및 향후 연구
결론
Flow-3D를 활용한 계단형 여수로의 수치 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성이 검증됨.
경사 변화가 공기 유입과 유속 분포에 큰 영향을 미치며, 유량 조건에 따라 최적 설계가 필요.
계단형 여수로 설계 시, 경사와 유량 조건을 고려하여 최적의 유동 상태를 확보하는 것이 중요함.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델 적용을 통한 세밀한 유동 해석.
다양한 계단 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 댐 및 홍수 방류 시스템 적용을 위한 현장 실험 데이터와 비교 연구.
연구의 의의
이 연구는 Flow-3D를 활용하여 계단형 여수로의 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 여수로 설계 최적화 및 댐 안전성 향상을 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 1 Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016)
Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
Figure 5 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number
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FLOW-3D 수치 모델의 검증: 소형 수력 발전소(SHPP) 터빈 취수구 구조의 물리적 유압 모델과의 비교 및 실용적 활용
Fig. 8. Proposed form of the intake bottom
연구 배경 및 목적
문제 정의:
드라바 강(Drava River) 유역의 Zlatoličje 수력 발전소(HPP)에서 Melje 소형 수력 발전소(SHPP)의 터빈 취수구 구조물을 건설할 계획이 진행됨.
소형 수력 발전소는 생태 유량(Biological Minimum Discharge)을 활용하여 전력을 생산하므로 효율적인 취수구 설계가 필수적.
물리적 유압 모델은 비용이 높아 대신 FLOW-3D 기반의 3D 수치 모델을 활용하여 취수구 구조 검증 수행.
물리적 모델과 수치 모델을 병행 검증하여 최적 설계 도출.
연구 방법
물리적 유압 모델 구축
모형 제작:
Zlatoličje HPP의 도수로(Headrace Channel) 및 SHPP Melje의 취수구 구조를 1:20 축척으로 제작.
도수로 구간(길이 120m) 중 상류 39m, 하류 54m 포함하여 취수구와 자유 표면 흐름에서 압력 흐름으로 전환되는 구간까지 재현.
경계 조건 설정:
Zlatoličje HPP 총 유량(QZLAT) = 530 m³/s.
SHPP Melje 최소 유량(QSHPP) = 20 m³/s (해수면 기준 고도 252.90m).
SHPP Melje 최대 유량(QSHPP) = 20 m³/s (고도 253.30m).
실험은 2003년 현장 유량 측정 데이터 및 2D 수치 모델(SMS-RMA2) 결과를 반영하여 수행.
연구 목표:
취수구 설계 형태의 유압 효율성 검증 및 최적화 수행.
취수구 각 요소(상류 모서리, 하류 모서리, 피어 배치, 취수구 하부 형상)의 수리적 성능 분석.
유량 측정, 속도 측정, 수두 분포 측정을 통한 최적 설계 도출.
FLOW-3D 기반 수치 모델 구축
3D 지오메트리 생성:
ACAD에서 모델링 후 STL 파일로 변환, FLOW-3D 내 유한체적 격자(Finite Volume Mesh) 생성.
모델 영역을 3개 블록으로 구분하여 격자 최적화:
블록 1: 15,000개 셀 (Δx = 1m, Δy = 1m, Δz = 0.2m).
블록 2: 480,000개 셀 (Δx = 0.5m, Δy = 0.5m, Δz = 0.2m).
블록 3: 719,200개 셀 (Δx = 0.25m, Δy = 0.25m, Δz = 0.1m).
경계 조건 설정:
블록 1: 유량 조건 (Vz 유량).
블록 2: 실험 모델의 수위 측정값 반영.
블록 3: 유량 조건 적용하여 최종 배출 경계 설정.
수치 해석 방법:
RANS (Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 적용.
FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 이용하여 취수구 형상 정밀 재현.
VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 활용하여 자유 표면 흐름 해석.
주요 결과
물리적 모델 분석 결과
상류 모서리(Upstream Corner)
초기 설계에서는 소규모 역류(Return Flow) 발생 확인됨.
모서리를 둥글게 수정(Rounding-Off)하면 역류가 감소하고 흐름이 원활해짐.
피어 배치(Orientation of Piers)
초기 설계에서는 중앙 및 하류 피어의 방향이 불규칙하여 난류(Turbulence Zone) 발생.
피어 방향을 조정하면 유동 저항 감소 및 수두 손실 최소화 가능.
하류 모서리(Downstream Corner)
기존 설계에서는 흐름이 분기되면서 정체 영역(Dead Zone) 형성.
하류 벽 기하 구조를 조정하여 유동 저항을 줄이고 정체 영역 제거 가능.
취수구 하부(Intake Bottom)
기존 설계에서는 트래시 랙(Trashrack) 이후 수평 소용돌이(Vortex) 발생.
하부를 완만한 기울기로 변경하면 흐름이 원활해지고 압력 손실 감소.
FLOW-3D 수치 모델 분석 결과
수치 모델 결과가 물리적 모델과 유사한 패턴을 보이며 신뢰성 검증됨.
취수구 하부 유동을 비교한 결과:
기존 설계에서는 트래시 랙 이후 역류 발생.
최적화 설계에서는 유선(Streamline)이 원활하게 진행되며 역류 제거됨.
속도 분포 비교:
3D ADV(Acoustic Doppler Velocimeter) 측정 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과 비교 시 평균 오차 5% 이내.
특정 지점에서는 수치 모델이 실측 데이터보다 속도를 과소평가하는 경향 확인됨.
결론 및 향후 연구
결론:
FLOW-3D 수치 모델이 취수구 설계 최적화에 유용하게 활용 가능함을 입증.
피어 방향 최적화, 하류 벽 기하 수정, 취수구 하부 형상 변경을 통해 수두 손실 최소화 가능.
물리적 모델을 병행 활용하면 정밀한 취수구 설계 검증이 가능.
FLOW-3D는 최적화 도구로 유용하지만, 정밀한 조정에는 물리적 모델 병행 필요.
향후 연구 방향:
곡선 좌표 시스템 적용이 가능한 CFD 모델 개발 필요.
더 정밀한 유량 조건 설정을 위한 추가 데이터 확보 필요.
실제 발전소 운영 데이터와의 비교 연구 수행 필요.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 기반 수치 모델을 활용하여 소형 수력 발전소의 취수구 설계를 최적화할 수 있음을 입증하였으며, 물리적 모델과의 비교를 통해 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이는 수력 발전소 설계 최적화 및 효율 향상을 위한 실질적인 데이터와 설계 기준을 제공할 수 있다.
Fig. 3. Proposed intake form
Fig. 5. Proposed form of the intake bottom
Fig. 8. Proposed form of the intake bottom
Reference
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ADCSWAN 및 FLOW-3D 모델을 이용한 태풍 차바 내습 시 부산 마린시티의 침수 재현
Fig. 9. Comparison of inundation results due to Typhoon Chaba [a)Archived inundation map on Marine City area, b) Simulation results obtained from wave overtopping)
연구 배경 및 목적
문제 정의
연안 도시는 폭풍해일과 고파랑에 의한 월파로 인해 심각한 침수 피해를 입을 수 있음.
2016년 태풍 차바(Chaba)는 부산 마린시티에서 대규모 침수 피해를 초래하였으며, 기존 연구는 이러한 복합적 재난을 정확히 재현하기 어려웠음.
연구 목적
ADCSWAN(ADCIRC+SWAN) 및 FLOW-3D 모델을 활용하여 태풍 차바 내습 시 부산 마린시티의 침수를 재현.
경험식과 수치 모델을 비교하여 월파량을 평가하고, 모델의 유효성을 검토.
실제 침수 흔적 지도와 비교하여 시뮬레이션 결과를 검증.
연구 방법
모델링 개요
ADCSWAN 모델: 태풍의 폭풍해일 및 파랑을 모의하기 위해 사용.
FLOW-3D 모델: 3D 전산유체역학(CFD) 모델을 사용하여 부산 마린시티의 침수 과정을 상세히 재현.
모델 결합: ADCSWAN 결과를 FLOW-3D의 입력 경계 조건으로 활용하여 연계 분석 수행.
경계 조건 설정
태풍 경로: KMA(기상청) 데이터 기반 태풍 차바 경로 적용.
해수면 상승 및 파랑: ADCSWAN 모델을 통해 계산된 데이터를 FLOW-3D에 적용.
FLOW-3D 도메인: 부산 마린시티 4.8 km × 4.0 km 영역을 1 m 격자로 설정.
주요 결과
월파량 분석
경험식(EurOtop, 2016)과 FLOW-3D 비교
경험식 계산 월파량: 2.237 m³/m/s
FLOW-3D 모델 계산 월파량: 6.438 m³/m/s (약 2.8배 높음)
이는 경험식이 실제 고파랑 및 복잡한 지형 영향을 충분히 반영하지 못하기 때문.
침수 재현 결과
최대 침수 깊이 4m 이상, 해수는 도로를 따라 북쪽으로 확산.
침수 흔적 지도와 비교 결과, 모델의 침수 재현 패턴이 실제 관측된 침수 영역과 유사함.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 침수 시뮬레이션이 기존 경험식보다 더욱 정밀한 월파량 예측이 가능함을 확인.
태풍 차바 사례 연구를 통해 ADCSWAN과 FLOW-3D 모델의 결합이 침수 재현에 효과적임을 입증.
해안 도시의 침수 예측 및 방재 계획 수립에 활용 가능.
향후 연구 방향
다양한 태풍 사례 분석 및 모델 정밀도 향상.
실제 현장 데이터와 추가적인 비교 검증 수행.
AI 기반 침수 예측 시스템 개발 가능성 탐색.
연구의 의의
이 연구는 ADCSWAN과 FLOW-3D를 결합하여 연안 도시의 태풍 피해를 정량적으로 재현한 최초의 연구 중 하나이며, 실제 침수 피해 예방 및 대응 전략 수립에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
Fig. 5. Simulation boundary of FLOW3D Model [a) Input boundary of wave and storm surge, b) output boundary of wave overtopping rate]
Fig. 6. Verification of tidal level and storm surge during Typhoon Chaba(1618)
Fig. 9. Comparison of inundation results due to Typhoon Chaba [a)Archived inundation map on Marine City area, b) Simulation results obtained from wave overtopping)
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Flow-3D를 이용한 다양한 중간 사이클을 갖는 사다리꼴 아치형 미로 위어의 방류 계수 수치 해석
Fig. 8 Pattern of flow running over the trapezoidal labyrinth weir
연구 배경 및 목적
문제 정의
기존의 선형 위어(linear weir)는 폭이 제한적이기 때문에 방류 용량이 낮은 단점이 있음.
미로 위어(labyrinth weir)는 동일한 수두(hydraulic head) 조건에서 보다 긴 크레스트 길이를 제공하여 방류 용량을 증가시키는 효과적인 방법임.
특히 사다리꼴 아치형 미로 위어(trapezoidal arced labyrinth weir)는 공간 제약이 있는 댐 구조물에서 높은 효율을 보이는 설계 방식임.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 다양한 아크 반경(R/w1)을 가진 사다리꼴 아치형 미로 위어의 방류 계수(discharge coefficient)를 수치적으로 분석.
실험실 실험 결과와 비교하여 수치 모델의 신뢰성을 검증.
위어 설계 변수(아크 반경, 사이클 수 등)가 방류 계수에 미치는 영향을 규명.
연구 방법
실험 모델 및 수치 시뮬레이션 설정
실험은 길이 12m, 폭 0.6m, 높이 0.6m의 개수로(rectangular flume)에서 수행됨.
FLOW-3D를 활용하여 3차원 유체 해석 수행.
난류 모델: k-ω 모델 사용.
자유 수면 추적: VOF(Volume of Fluid) 기법 적용.
실험 조건: 아크 반경 비(R/w1) = 5, 10, 15에 대해 분석 수행.
주요 결과
수치 해석과 실험 결과 비교
전반적으로 수치 해석 결과가 실험 데이터와 유사한 경향을 보였음.
수치 해석 결과의 방류 계수 값이 실험보다 다소 낮게 나타남.
아크 반경이 증가할수록 수치 해석 결과와 실험값 간의 차이가 커짐(R/w1=5에서는 1.2% 차이, R/w1=15에서는 18.9% 차이 발생).
방류 계수 변화 분석
수두가 증가할수록 방류 계수 감소 → 이는 공기 유입 및 난류 효과 때문임.
아크 반경 증가 시 방류 계수 상승 → 수리학적 효율성이 높아짐.
최적 설계를 위해서는 적절한 아크 반경과 사이클 수 조합이 필요.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션이 미로 위어의 방류 계수를 예측하는 데 효과적임을 확인.
수치 모델과 실험 모델 간의 차이는 아크 반경 증가 시 더욱 두드러짐, 이는 난류 모델의 한계 때문일 가능성이 큼.
사다리꼴 아치형 미로 위어는 기존 위어 대비 높은 방류 성능을 제공하며, 제한된 공간에서의 수리학적 설계에 유리함.
향후 연구 방향
다양한 난류 모델(RNG k-ε, LES)과 비교 분석 수행.
위어 형상 및 경계 조건을 추가적으로 최적화하여 방류 성능 향상.
실제 댐 및 수로 구조물에 적용하여 현장 데이터와 비교 검증.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 사다리꼴 아치형 미로 위어의 방류 성능을 정량적으로 평가하고, 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 향후 위어 설계 최적화 및 실용적 적용 가능성을 높이는 기초 데이터로 활용될 수 있음.
Fig. 1 The trapezoidal arced labyrinth weir with different middle cycles and its parameters (present study)
Fig. 3 A view of the trapezoidal arced labyrinth weirs
Fig. 8 Pattern of flow running over the trapezoidal labyrinth weir
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Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s
연구 배경 및 목적
문제 정의
Spur Dikes는 하천 제방 보호 및 유로 조절을 위해 사용되며, 국부적인 세굴(scour)과 유동장 변화가 발생함.
기존의 물리 실험은 시간과 비용이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 활용한 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 Spur Dikes 주변 유동 특성을 3차원적으로 분석.
실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
다양한 난류 모델(RNG k-ε, LES 등)의 성능을 비교하여 최적의 난류 모델 선정.
연구 방법
실험 및 수치 모델 개요
연구 대상: 연속된 세 개의 Spur Dikes가 있는 수로.
실험 조건:
수로 길이 12.2m, 폭 0.6m, 깊이 1.2m.
Sontek ADV를 이용하여 유속 측정.
실험 후 세굴 형상 측정 및 모델 검증 수행.
FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε, LES 및 표준 k-ε 난류 모델 비교.
격자(Grid) 민감도 분석을 통해 최적의 격자 크기 결정(3mm).
경계 조건:
유입: 평균 속도 0.29m/s 적용.
유출: 자유 배출(outflow) 경계 설정.
바닥: No-slip 조건 적용, 이동 가능한 퇴적층 설정.
주요 결과
유동 및 세굴 특성 분석
Spur Dikes 전면에서 강한 와류(vortex) 발생 → 세굴 형성의 주요 원인.
RNG k-ε 모델이 실험 데이터와 가장 높은 정확도를 보임.
LES 모델은 고난류 영역에서 비교적 정확하지만 계산 비용이 높음.
표준 k-ε 모델은 난류 에너지를 과대평가(50% 이상의 오차).
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, Spur Dikes 주변의 유동 및 세굴 현상을 효과적으로 예측 가능.
RNG k-ε 모델이 가장 적합한 난류 모델로 평가됨.
세굴 깊이는 초기 및 주요 세굴 단계에서 대부분 결정되며, 이후 큰 변화 없음.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 적용 범위 확대 및 정확도 비교.
실제 하천 환경과의 비교 연구 수행.
세굴 예측 모델 개선을 위한 추가적인 실험 검증 수행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Spur Dikes 주변의 유동 및 세굴 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 하천 관리 및 구조물 설계의 최적화에 기여할 수 있는 데이터와 분석 방법을 제공한다.
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소수력 발전소는 발전량을 최대화하기 위해 규모를 크게 하는 것이 바람직하지만, 방류수로의 기능을 저해하지 않는 범위 내에서 결정해야 함
따라서 적정 규모를 결정하기 위해서는 수리학적 고려가 필요
본 연구에서는 현재 방류수로의 흐름 특성 자료를 이용하여 3차원 흐름 모형인 FLOW-3D 모형을 구축하고, 구축된 모형을 이용하여 소수력 발전소의 규모에 따른 방류수로 상류 지점의 수위 증가 양상을 예측하고, 발전소 건설에 따른 흐름 변화 양상을 분석하는 것을 목적으로 함
연구 방법
삼천포 소수력발전 실용화 기술사업의 일환으로 관측된 방류수로 및 방류해역의 흐름자료 및 선정된 대안에 대하여 댐의 규모(높이, 가동보 설치 규모)에 따른 방류수로의 수위변화를 예측하기 위하여 FLOW-3D 흐름 모형을 구축
구축된 모형을 이용하여 다양한 설계조건(주로, 발전시설 우안에 설치되는 냉각수 방류량 월류를 위한 가동보의 높이 변화)에 대한 방류수로의 수위 및 유속변화 양상을 예측·분석했으며, 최적의 소수력 발전소 규모 결정에 필요한 검토자료로 이용
FLOW-3D 모형은 댐 여수로의 흐름 해석을 포함하여 다양한 수리 구조물에서의 흐름 해석에 널리 활용되고 있는 모형으로, 적절한 모형의 보정 및 검증만 수행된다면 매우 정확하게 흐름장을 재현할 수 있기 때문에 수리 실험 대체 수단으로의 가능성이 검토되고 있음
연구 결과
삼천포 소수력발전소 건설은 상류의 수위 증가를 유발하며, 설계 유량 156톤/초, 발전소 가동보 높이 3.8m 기준에 대한 방류수로 Weir 상류지점의 수위는 4.97m로 현 상태 4.32m보다 65cm 정도 증가하는 것으로 파악됨
Reference
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Manitoba Hydro는 기존 발전소의 효율성을 개선하는 Supply Efficiency Improvement Program을 진행 중임.
Kelsey 발전소(224MW)는 Upper Nelson River에 위치하며, 7개의 발전 유닛을 보유.
발전소 입구 채널에는 암반 장애물(rock knob)이 존재하여 비균일한 유동을 발생시키며, 특히 유닛 6, 7의 효율에 영향을 미침.
터빈 재설치(re-runnering) 후 유량이 1700m³/s에서 2200m³/s로 증가할 것으로 예상되므로, 최적의 유입 유동 조건 평가가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 Kelsey 발전소의 기존 및 개선된 유입 유동을 시뮬레이션.
발전소 입구에서 발생하는 유속 분포를 분석하여 터빈 제조업체에 제공.
암반 장애물의 영향을 평가하고, 재설치 후 유량 증가에 따른 유동 변화를 분석.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
FLOW-3D를 사용하여 3차원 수치 모델을 구축.
발전소 설계도면을 기반으로 주요 입구 구성 요소를 모델링, 단 작은 구조물(트래시 랙, 게이트 가이드 등)은 제외.
세 가지 운영 시나리오(Case 1~3) 설정:
Case 1: 유닛 1~7 전부 재설치 후 완전 개방(Full Gate, FG)
Case 2: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 상태 유지(FG)
Case 3: 유닛 1-5만 재설치, 유닛 67 기존 최적 게이트(Best Gate, BG)
경계 조건:
상류: 일정 수위 조건 적용
하류: 질량 소모(mass sink) 방식 사용하여 발전기 유량 반영
격자 설정:
입구 채널은 상대적으로 큰 격자 사용, 발전소 입구는 세밀한 격자로 설정하여 정확도 향상.
주요 결과
유동 특성 분석
Case 1(전 유닛 재설치)에서 유속 분포가 가장 균일하게 나타남.
Case 2, 3에서는 암반 장애물로 인해 유닛 6, 7에서 강한 와류(vortex) 형성, 이는 효율 저하 가능성이 있음.
실제 1990년 현장 실험과 비교 시, 모델링 결과가 높은 정확도로 일치.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 모델이 Kelsey 발전소 유입부 유속 분포를 정확히 재현 가능함을 확인.
암반 장애물이 유닛 6, 7의 유동을 왜곡하며, 터빈 효율을 저하시킬 가능성이 있음.
터빈 제조업체가 최적 설계를 수행할 수 있도록 유속 데이터를 제공.
향후 연구 방향
터빈 재설치 후 실측 데이터와 모델 비교 검증.
암반 장애물 제거 또는 유동 개선 방안 연구.
다른 발전소 적용을 위한 추가적인 CFD 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 발전소 유입부 유동을 분석하고, 터빈 재설치 후 유동 변화를 예측하는 기법을 제시하였다. 이를 통해 발전소 운영 효율을 극대화하고, 최적 설계를 지원할 수 있는 유용한 데이터를 제공하였다.
References
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A Study on an Interface Tracking Algorithm in Friction Stir Welding Based on Computational Fluid Dynamics Analysis
Fig. 3 Frictional heat generation rate
연구 배경 및 목적
문제 정의
마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 고상 용접 기술로, 기존 용접 방법보다 결함이 적고 알루미늄과 같은 난용접 소재에도 적용 가능함.
기존 CFD 해석에서는 툴과 모재 간의 마찰에 의한 열원을 정확히 모델링하지 못하고 소성변형에 의한 열원만 고려하는 경우가 많았음.
연구 목적
FLOW-3D를 활용하여 FSW 공정에서 툴과 모재 간의 마찰열원을 정밀하게 모델링할 수 있는 표면추적 알고리즘 개발.
새로운 알고리즘을 통해 툴의 회전과 이동을 동시에 고려한 마찰열원 계산을 수행하고, 해석 결과를 이론적 계산값과 비교하여 검증.
연구 방법
표면추적 알고리즘 개발
툴의 형상(숄더, 핀 측면, 핀 밑면) 및 이동 궤적을 반영한 인터페이스 추적 기법 적용.
툴의 중심 좌표와 셀 중심 간의 거리를 계산하여 툴 표면 셀을 추적.
표면적 평균값을 활용하여 마찰열원의 크기를 계산하는 방식 도입.
FSW 시뮬레이션 모델링
유체역학 모델: 점성 유동(visco-plastic flow) 고려.
열 전달 모델: 마찰열과 소성변형열을 포함한 3D 열원 모델 구축.
경계 조건: 모재 하부의 받침판(backing plate)과의 열전달을 대류 경계조건으로 가정.
수치해석 도구: Flow-3D 유저 서브루틴(user subroutine) 활용하여 해석 수행.
주요 결과
마찰열 모델 검증
새로운 표면추적 알고리즘을 적용한 해석 결과, 이론적으로 계산한 마찰열원 값과 최대 3% 이내의 오차율을 보이며 높은 정확도 확인.
해석 결과에서 숄더 > 핀 측면 > 핀 밑면 순으로 열 발생량이 많음, 이는 접촉면적과 속도의 영향 때문임.
기존 연구들과 비교 시, 툴 이동과 회전을 동시에 고려하면서도 보다 정확한 마찰열원을 부여할 수 있음을 입증.
결론 및 향후 연구
결론
제안된 표면추적 알고리즘이 FSW 공정에서 마찰열원을 정확히 반영할 수 있음을 확인.
툴의 이동 및 회전을 동시에 고려하면서 마찰열원을 부여할 수 있는 새로운 접근법을 제시.
기존 방법 대비 이론값과의 오차율이 3% 이내로 줄어들어, 해석 신뢰도가 향상됨.
향후 연구 방향
다양한 툴 형상 및 재료에 대한 적용 연구.
다층 용접 및 비대칭 툴 형상에서의 추가 검증.
실제 실험 데이터를 활용한 모델의 보정 및 개선.
연구의 의의
본 연구는 전산유체역학(CFD)을 활용한 FSW 해석에서 마찰열원의 정밀한 모델링을 가능하게 하는 표면추적 알고리즘을 제안하였다. 이 접근법은 기존의 한계를 극복하며, FSW 공정 최적화 및 용접 품질 향상에 기여할 것으로 기대된다.
References
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Figure 2 The temperature field and melt pools shape during L-PBF process
연구 배경 및 목적
문제 정의
L-PBF 공정은 금속 분말층을 레이저로 용융 및 고화하여 적층 제조하는 기술로, 최종 제품의 밀도, 치수 정확도, 기계적 특성 등에 영향을 미침.
용융 풀의 형상과 온도 분포는 공정 변수(레이저 출력, 주사 속도 등)에 의해 결정되며, 이를 최적화하는 것이 중요함.
연구 목적
Flow-3D(Flow-weld) 기반 CFD 시뮬레이션을 사용하여 공정 변수(레이저 출력, 주사 속도)가 온도장 및 용융 풀 형상에 미치는 영향을 분석.
단일 용융 트랙(single melting track)의 특성을 평가하여 L-PBF 공정의 품질 개선을 위한 기초 데이터 제공.
연구 방법
수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
열 전달 모델: 전도, 대류, 복사를 포함한 열 전달 해석 수행.
유체 역학 모델: VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 용융 풀의 형상 변화 추적.
공정 변수 설정:
레이저 출력: 120W, 140W
주사 속도: 0.4m/s, 0.6m/s, 0.8m/s
레이저 빔 직경: 80µm
적층 두께: 50µm
재료: AISI 420 마르텐사이트계 스테인리스강 분말(평균 입자 크기 20µm) 사용.
주요 결과
온도장 및 용융 풀 형상 변화
낮은 주사 속도에서는 넓은 열 분포 영역이 형성되며, 높은 주사 속도에서는 좁고 깊은 용융 풀이 형성됨.
주사 속도가 증가함에 따라 타원형(Ellipse) 용융 풀이 눈물방울(Tear-drop) 형태로 변화.
용융 트랙 특성 분석
레이저 출력 증가 및 주사 속도 감소 시 용융 풀의 폭과 깊이가 증가.
주사 속도가 0.4m/s에서 0.6m/s로 증가하면 용융 트랙 하부에 기공(void) 발생 가능성 증가.
시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 높은 일치도를 보이며, 경미한 차이만 존재.
결론 및 향후 연구
결론
Flow-3D 기반 시뮬레이션을 통해 L-PBF 공정의 용융 풀 형상 및 온도 분포를 효과적으로 예측 가능.
낮은 주사 속도에서 넓은 열 분포 및 깊은 용융 풀이 형성되며, 높은 주사 속도에서는 용융 풀이 좁아짐.
공정 변수 최적화를 통해 미세 기공 및 불완전 용융 문제를 방지할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 재료 및 공정 변수에 대한 추가 연구 진행.
다층 적층 공정에서의 열 누적 및 변형 분석.
실제 제조 환경에서의 실험적 검증 강화.
연구의 의의
이 연구는 L-PBF 공정에서 용융 풀 형상을 제어하기 위한 핵심 공정 변수를 도출하고, Flow-3D 기반 CFD 시뮬레이션의 유효성을 입증하였다. 향후 금속 적층 제조의 품질 개선 및 최적 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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V-그루브 용접에서는 용접 아크의 열 유속, 아크 압력 및 전자기력(EMF)을 해석하는 것이 중요함.
기존의 축대칭 모델은 V-그루브 용접에서 발생하는 타원형 대칭 아크를 정확히 반영하지 못함.
연구 목적
타원형 대칭 아크 모델을 사용하여 용융 풀 거동을 CFD(전산유체역학) 기반으로 시뮬레이션.
전자기력 분포를 새로운 방식으로 계산하여 보다 정확한 용접 해석 제공.
GTAW(가스 텅스텐 아크 용접) 및 GMAW(가스 금속 아크 용접)에서의 차이를 비교 분석.
연구 방법
수치 모델링 및 경계 조건
Navier-Stokes 방정식 및 VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 용융 풀의 유동 해석 수행.
아크 열 유속(QA), 대류 및 복사 열 손실(Qconv, Qrad), 증발 열 손실(Qevap) 고려.
타원형 대칭 아크 모델을 도입하여 기존 축대칭 모델 대비 개선된 열분포 및 전자기력 예측 수행.
전자기력(EMF) 모델 개발
좌표 변환을 활용하여 전자기력 모델을 타원형 대칭 형상에 맞게 조정.
GTAW와 GMAW의 용융 풀 형상 차이에 따라 EMF 적용 방법 차별화.
좌표 매핑을 이용한 새로운 V-그루브 전자기력 모델을 개발하여 기존 모델의 한계를 극복.
주요 결과
GTAW와 GMAW에서의 용융 풀 거동 차이
GTAW에서는 EMF 좌표 매핑이 필요, GMAW에서는 필요 없음.
GTAW에서는 용융 풀 표면이 기울어져 있지만, GMAW에서는 평평하게 형성됨.
좌표 매핑 후 용융 풀 흐름 방향이 보다 현실적으로 재현됨.
시뮬레이션 및 실험 비교
GTAW 및 GMAW 실험 결과와 시뮬레이션 비교 시 높은 일치도 확인.
좌표 매핑을 적용한 모델이 기존 모델 대비 더 정확한 용접 비드 형상 예측 가능.
전자기력 모델을 수정한 후 용접 비드의 폭과 침투 깊이가 실험값과 더욱 유사해짐.
결론 및 향후 연구
결론
타원형 대칭 아크 모델과 새로운 전자기력 모델을 적용하여 용접 시뮬레이션의 정확도를 향상.
GTAW에서는 좌표 매핑을 적용한 EMF 모델이 필수적임.
GMAW에서는 좌표 매핑 없이도 타원형 대칭 EMF 모델을 직접 사용할 수 있음.
향후 연구 방향
더 다양한 용접 공정 조건(전류, 전압 변화)에 따른 모델 개선 연구.
실제 산업 환경에서의 적용 가능성 평가 및 추가 검증.
다층 용접에서의 용융 풀 거동 예측 및 최적화 연구.
연구의 의의
이 연구는 V-그루브 용접에서 기존의 축대칭 모델이 아닌 타원형 대칭 모델을 적용하여 용융 풀 거동을 보다 정확히 예측할 수 있음을 입증하였다. 이를 통해 용접 품질 개선 및 최적화 설계가 가능하며, 향후 다양한 용접 공정에 응용될 수 있다.
Fig. 14 EMF distributions in GMAW
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Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
FLOW-3D를 이용한 피아노 키 위어(PKW)의 기초 코(Nose) 형상이 유동 수력학에 미치는 영향에 대한 실험적 및 수치적 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의:
위어(Weir)는 댐에서 과도한 수량을 조절하고 배수 네트워크에서 유량을 조절하는 필수적인 구조물이다.
특히 피아노 키 위어(Piano Key Weir, PKW)는 기존 위어보다 효율적인 방류 성능을 제공하는 구조적 개선이 이루어진 형태이다.
PKW의 방류 효율을 결정하는 주요 요소 중 하나는 기초 코(Base Nose)의 형상이다.
기초 코의 형태 변화가 유동 패턴, 유량, 방류 계수(Cd) 등에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 수치적으로 시뮬레이션할 필요가 있다.
연구 목적:
FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 PKW의 다양한 기초 코 형상(평평, 삼각형, 반원형, 방추형)이 수리학적 특성에 미치는 영향 분석.
실험 데이터와 수치 모델의 비교 검증을 통해 FLOW-3D의 신뢰성 평가.
PKW의 방류 효율을 극대화할 수 있는 최적의 기초 코 형상 제시.
연구 방법
실험 설정 및 물리 모델 구축
실험실 환경: Bou Ali Sina University의 유체 실험실에서 실험 수행.
PKW 모델 제작: 0.6cm 두께의 아크릴판을 레이저 절단 후 접착하여 제작.
유량 측정: 디지털 초음파 유량계를 이용하여 측정 및 검증.
유입-유출 키 폭 비(Wi/Wo) 변화 실험: 0.71, 0.83, 1.0, 1.2, 1.4의 5가지 비율 적용.
기초 코 형상: 평평(Flat), 삼각형(Triangular), 반원형(Semi-Cylindrical), 방추형(Spindle) 총 4가지 모델 비교.
수치 시뮬레이션 설정
FLOW-3D를 사용하여 PKW 모델링 및 유동 시뮬레이션 수행.
메싱(Grid) 최적화: 약 250만 개의 셀로 모델링하여 정확도 향상.
RNG k-ε 난류 모델 적용하여 난류 흐름을 해석.
수치 모델과 실험 데이터를 비교하여 오차 분석 수행.
주요 결과
기초 코 형상에 따른 방류 효율 비교
PKW1.2S(방추형 기초 코) 모델이 가장 높은 방류 계수(Cd) 기록.
PKW1.2TR(삼각형 코) 모델이 두 번째로 높은 방류 효율을 보이며, 반원형과 평평한 코 모델보다 우수한 성능.
PKW1.2 및 PKW1.2CL(반원형) 모델은 흐름의 급격한 변형과 와류 증가로 인해 방류 효율이 감소.
PKW1.2S와 PKW1.2TR 모델은 PKW1.2(평평한 코) 대비 Cd가 각각 27%, 20% 증가.
유동 패턴 및 난류 분석
기초 코 형상이 방류 패턴에 영향을 미쳐 흐름의 방향과 세기가 달라짐.
PKW1.2(평평한 코)는 유출 키와 충돌하는 순간 흐름이 급격히 방해받아 유속과 방류 효율 감소.
PKW1.2S(방추형 코) 모델에서는 유속 변화가 완만하며 흐름이 원활히 배출됨.
난류 강도가 감소하고 흐름의 에너지 손실이 최소화됨으로써 최적의 방류 성능 확보.
수치 시뮬레이션 검증 및 오차 분석
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 비교 결과 높은 일치도 확인.
방류 계수(Cd), 수두(H), 방류량(Q)의 오차 분석 결과 평균 RMSE < 0.005, MAE < 0.002로 매우 낮은 값 기록.
모델의 결정 계수(R²) 값이 0.98 이상으로, 실험 데이터와의 높은 상관관계 입증.
결론 및 향후 연구
결론:
기초 코 형상 변화가 PKW의 방류 성능에 중요한 영향을 미침.
방추형(Spindle) 기초 코를 적용한 PKW1.2S 모델이 가장 높은 방류 효율을 보이며, 기존 평평한 코보다 27% 향상.
삼각형 기초 코(PKW1.2TR)도 방류 효율을 20% 증가시키며 우수한 대안으로 제시 가능.
FLOW-3D 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하여 위어 설계 최적화 도구로 활용 가능.
향후 연구 방향:
다양한 유입-유출 키 폭 비(Wi/Wo)에 대한 추가 연구 수행.
다양한 유량 조건에서 방류 효율 최적화 연구 진행.
실제 댐 및 하천에서 적용할 수 있는 대형 PKW 모델에 대한 수치적 연구 확장.
연구의 의의
본 연구는 PKW의 기초 코 형상이 방류 성능에 미치는 영향을 실험적 및 수치적으로 분석하여 최적 설계를 제안하였으며, FLOW-3D를 활용한 수치 해석 기법이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보임을 입증하였다. 이는 댐 및 수리 구조물 설계 시 방류 효율 향상을 위한 설계 지침을 제공할 수 있다.
Figure (4) Schematic Representation of PKW with base noses shape, Showcasing Variations in Nose Designs
Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
Figure (18) Cross-Sectional View of Stream Lines and Contours Representing Average Flow Velocity in Models with Various Nose shapes, Focused at the Center of the Nose
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Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations
Groynes 주변의 지형 및 수리학적 수치 시뮬레이션
연구 배경 및 목적
문제 정의
하천 및 하구에서 발생하는 침식 문제를 해결하기 위해 Groynes(제방 구조물)이 널리 사용됨.
Groynes 주변의 흐름과 침식 현상을 정확히 이해하는 것은 수로 보호 및 유지관리에 필수적임.
실험적 연구는 시간과 비용이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 활용하여 수리학적 특성을 분석하는 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 Groynes 주변의 유동 및 세굴(scour) 현상을 수치적으로 분석.
실험 결과와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
SSIIM 2.0 소프트웨어와의 비교 분석을 통해 다양한 모델의 예측 정확도 평가.
연구 방법
FLOW-3D 모델링 및 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름을 해석.
지형 모델링: Soulsby-Whitehouse 방정식을 이용하여 세굴 예측.
경계 조건:
유입: Froude 수 기반의 흐름 조건 적용.
유출: 자연 배출 경계 조건 설정.
바닥: 이동 가능한 퇴적층으로 설정.
주요 결과
유동 및 세굴 특성 분석
Groynes 주변에서 강한 와류(vortex) 발생 → 세굴 형성에 주요 원인.
Froude 수가 낮을수록 모델 예측 정확도 향상.
SSIIM 2.0 대비 FLOW-3D가 보다 정확한 흐름 및 세굴 패턴 예측.
실험 결과와 비교 시 최대 세굴 깊이 차이가 10% 이내로 나타남.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 활용한 수치 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, Groynes 주변의 유동 및 세굴 현상을 효과적으로 예측 가능.
Froude 수와 유속 비(Uavg/Ucr)에 따라 모델 정확도가 달라지며, 추가적인 실험 검증이 필요.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation)와 같은 고급 난류 모델 적용을 통한 예측 정확도 향상.
다양한 하천 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
실제 하천 데이터와의 비교를 통한 모델 보정.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Groynes 주변의 유동 및 세굴 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 하천 관리 및 구조물 설계의 최적화에 기여할 수 있는 데이터와 분석 방법을 제공한다.
Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations
Figure 6. Morphology bed changes in S1 (a) laboratory experiments and (b) FLOW-3D simulation
Figure 7. Morphology bed changes in S2 (a) laboratory experiments and (b) FLOW-3D simulation
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폭풍해일(storm surge)은 연안 지역에 큰 피해를 주며, 이를 방지하기 위해 다양한 유형의 고조방파제(storm surge barrier)가 개발되고 있음.
기존 고정식 방파제와 달리, 부유 플랩형 고조방파제는 평상시 해저에 가라앉아 있다가, 폭풍해일이 발생하면 공기압을 이용해 상승하여 방어 기능을 수행함.
연구 목적
FLOW-3D를 이용하여 부유 플랩형 고조방파제의 거동 특성을 수치적으로 분석.
고조방파제가 다양한 해양 환경(파고, 조위 차, 유속 등)에서 효과적으로 작동하는지 평가.
마산만(Masan Bay) 적용 가능성 검토 및 최적 설계 조건 도출.
연구 방법
해석 모델 및 경계 조건
대상 지역: 마산만
사용 모델: FLOW-3D 기반 3차원 CFD(전산유체역학) 모델
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적
GMO(General Moving Object) 모듈을 적용하여 플랩형 구조물의 운동 해석 수행
고조 조건 4가지(Case 1~4) 설정, 각 조건에서 방파제의 회전 각도 및 내측 수위 변화 분석
주요 결과
수치해석 결과
Case 1 (고조차 0m, 파랑 없음): 방파제는 부력에 의해 평균 회전각 57.18°로 부상
Case 2 (고조차 2m, 파랑 없음): 정수압 차이로 인해 평균 회전각이 42.05°로 감소
Case 3 (고조차 2m, 파랑 3m, 주기 15s): 파랑 영향을 받을 경우, 회전각이 37.63°로 추가 감소하였으나 방어 기능 유지
Case 4 (파랑 주기 변화, 8~20s): 입사파 주기와 방파제 회전 응답 주기가 유사하게 나타남 → 동적 안정성 확인
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 부유 플랩형 고조방파제가 실질적으로 작동 가능함을 확인
고조방파제는 최대 3m 파고, 2m 조위 차 조건에서도 안정적으로 방어 기능 수행
입사파 주기 변화에 따라 방파제의 회전각이 유사한 응답을 보이며, 동적 안정성이 검증됨
향후 연구 방향
고조방파제의 월파 가능성 및 구조적 안전성 추가 분석
실제 현장 데이터와 비교 검증
고조방파제 설치 최적 위치 및 운영 방안 연구
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 부유 플랩형 고조방파제의 수리학적 성능을 분석하고, 폭풍해일 대응 효과를 검증하였다. 향후 실험 및 실증 연구를 통해 최적 설계 및 적용 방안을 도출할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 3. Location of Masan bay and tide level
Fig. 9. Velocity magnitude and vectors around storm surge barrier(Case 2)
Fig. 13. 3D view of storm surge barrier(Case 3)
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![Fig. 5. Simulation boundary of FLOW3D Model [a) Input boundary of wave and storm surge, b) output boundary of wave overtopping rate]](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/Fig.-5.-Simulation-boundary-of-FLOW3D-Model-a-Input-boundary-of-wave-and-storm-surge-b-output-boundary-of-wave-overtopping-rate-png.webp)
