Fig.3. Wave profile for probe distance at 46m

Numerical Modeling for Wave Attenuation by Coastal Vegetation using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 해안 식생의 파랑 감쇠에 대한 수치 모델링

1. 서론

  • 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.

Fig.3. Wave profile for probe distance at 46m

6. 참고 문헌

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Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation

The Numerical Investigation on Vortex Flow Behavior Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 와류 유동 거동에 대한 수치적 연구

1. 서론

  • 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 basin
Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basin
Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation
Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation

6. 참고 문헌

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  11. Isfahani, A.H.G. and J.M. Brethour, 2009. On the Implementation of Two-equation Turbulence Models in FLOW-3D, Flow Science, FSI-09-TN86.
Fig. 8. Three-dimensional modeling of a serrated stepped spillway

Numerical Study of Energy Dissipation in Baffled Stepped Spillway Using Flow-3D

FLOW-3D를 이용한 배플형 계단식 여수로의 에너지 소산에 대한 수치 연구

1. 서론

  • 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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Figure 10. Three-dimensional illustration of Froude number in various tailwaters. (a) 129.10 m, (b) 129.40 m, (c) 129.70 m, (d) 129.99 m, and (e) 130.30 m

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

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

1. 서론

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

2. 연구 방법

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

3. 연구 결과

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

4. 결론

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

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Graphical Abstract

Flow-3D Numerical Modeling of Converged Side Weir

수렴형 측방 위어의 FLOW-3D 수치 모델링

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

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

주요 결과

수렴형 vs. 프리즘형 채널 비교

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

수위 및 유속 분포 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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Figure 5. Boundary conditions of the BRA weir model

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

FLOW-3D를 이용한 광정수로 위어 유동 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

FLOW-3D 시뮬레이션 설정

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

실험 및 검증 방법

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

주요 결과

방출 계수(Cd) 분석

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

에너지 등고선(H1) 및 유속 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

References

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Figure 4 Simulated velocity magnitude

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

FLOW-3D를 이용한 스키점프형 여수로의 실험 및 수치적 연구

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

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

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정

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

주요 결과

유동 및 에너지 소산 특성 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

Three Dimensional Simulation of Flow Field around Series of Spur Dikes

Spur Dikes 주변의 3차원 유동장 시뮬레이션

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

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

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정

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

주요 결과

유동 및 세굴 특성 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

연구 결과

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

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

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

FLOW-3D를 활용한 Kelsey 발전소의 발전기 유입부 유속 모델링

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

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

주요 결과

유동 특성 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

전산유체역학을 활용한 마찰교반용접의 해석적 접근에서 표면추적을 위한 알고리즘 연구

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

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

표면추적 알고리즘 개발

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

FSW 시뮬레이션 모델링

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

주요 결과

마찰열 모델 검증

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

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

References

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

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

레이저 분말층 융합(L-PBF) 공정의 열 및 용융 트랙 시뮬레이션

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

연구 배경 및 목적

문제 정의

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

연구 목적

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

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

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

주요 결과

온도장 및 용융 풀 형상 변화

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

용융 트랙 특성 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

References

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Ninpetch_2019_IOP_Conf._Ser.%3A_Mater._Sci._Eng._526_012030Download
Fig. 17 Molten pool flow pattern in GMAW

Simulations of Weld Pool Dynamics in V-Groove GTA and GMA Welding

V-그루브 GTA 및 GMA 용접의 용융 풀 동역학 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 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
Fig. 14 EMF distributions in GMAW

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

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

FLOW-3D를 활용한 수직 낙차 구조물의 수리학적 거동 수치 해석

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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

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

FLOW-3D를 활용한 선형 하천 저수지의 산사태 파고 선 연구

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

Reference

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

Assessment of Spillway Modeling Using Computational Fluid Dynamics

컴퓨터 유체 역학을 활용한 방수로 모델링 평가

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

Reference

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Fig. 2. Gated rating curve comparison. CFD, computational fluid dynamics. PM, physical model
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high froude number

Using the Calculated Froude Number for Quantifying Flow Conditions in Hydraulic Structures

수력 구조물의 유동 조건 정량화를 위한 계산된 프로우드 수(Froude Number) 활용

연구 목적

  • 본 논문은 프로우드 수(Froude Number, Fr)를 활용하여 수력 구조물 내 유동 조건을 정량적으로 평가하는 방법을 제안함.
  • 기존 실험 및 수치 해석 데이터를 분석하여, Fr이 유량, 수심, 구조물 기하학적 특성과 어떻게 연관되는지 검토함.
  • 다양한 수력 구조물(여수로, 수로, 도수로 등)에 적용할 수 있는 일반화된 Fr 기반 해석 기법을 개발함.
  • 수력 구조물 설계 및 해석에서 Fr을 활용한 예측 정확도를 향상하는 방안을 모색함.

연구 방법

  1. 프로우드 수 이론 및 모델링
    • 프로우드 수는 유동의 관성력과 중력력 간의 비율을 나타내며, 수력학적 흐름 상태(사류, 임계류, 부류)를 평가하는 중요한 매개변수임.
    • Fr 계산을 위해 기본 식을 적용함:
  • V : 유체 속도
  • g : 중력 가속도
  • L : 대표 길이(수심 또는 수력 구조물의 특성 길이)
  1. 수치 해석 및 실험 검증
    • 다양한 수력 구조물에서 유동 해석을 수행하고, Fr 값과 유동 특성 간의 관계를 분석함.
    • CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 통해 여수로 및 개방 수로에서 Fr 변화를 평가함.
    • 기존 문헌의 실험 데이터를 활용하여 시뮬레이션 결과를 검증하고, Fr 기반 예측 모델의 신뢰성을 평가함.
  2. Fr 값에 따른 유동 패턴 분석
    • Fr 값에 따라 흐름이 어떻게 변화하는지 정량적으로 평가함.
    • Fr < 1: 부류(subcritical flow) → 중력파 전파 가능, 유동 안정적.
    • Fr = 1: 임계류(critical flow) → 최소 에너지를 가지며, 설계에서 중요한 기준이 됨.
    • Fr > 1: 사류(supercritical flow) → 난류가 강하며, 에너지 소산이 필요함.
  3. Fr 기반 설계 적용 가능성 평가
    • Fr을 활용한 설계 기준을 도출하여, 수력 구조물 설계 및 유지관리에서 활용 가능성을 검토함.
    • 실무 엔지니어링에서 Fr을 효과적으로 적용할 수 있는 방법을 제안함.

주요 결과

  1. Fr과 유동 특성의 관계
    • Fr 값이 증가할수록 난류 강도가 증가하고, 에너지 소산이 필요함.
    • Fr 값이 1에 가까울수록 유동 안정성이 높아지며, 최적 설계 조건으로 고려 가능함.
    • 여수로와 같은 급경사 흐름에서는 높은 Fr 값이 관찰되었으며, 에너지 소산 구조물 필요성이 확인됨.
  2. CFD 및 실험 검증 결과
    • CFD 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 평균 오차율은 5% 이내로 나타나 신뢰성이 높음.
    • Fr을 기반으로 유량 및 속도를 예측하는 모델이 실험값과 높은 상관성을 보임.
    • 다양한 수력 구조물에서 Fr을 활용한 해석 기법이 적용 가능함을 확인함.
  3. Fr 기반 설계 적용 가능성
    • Fr을 활용하면 구조물의 최적 유동 조건을 도출할 수 있으며, 기존 설계 기준을 보완할 수 있음.
    • 수로 및 여수로 설계에서 Fr을 고려한 흐름 안정화 기법이 필요함.
    • 유지관리 측면에서도 Fr을 활용하면 유동 상태를 빠르게 평가할 수 있음.
  4. 산업적 적용 및 향후 연구 방향
    • Fr을 활용한 설계 최적화는 수력 구조물의 효율성과 안정성을 높이는 데 기여할 수 있음.
    • 향후 연구에서는 다양한 흐름 조건에서 Fr을 적용한 추가 실험 및 해석이 필요함.
    • 실무 적용성을 높이기 위해 Fr 기반 설계 가이드라인을 개발할 필요가 있음.

결론

  • 프로우드 수(Fr)는 수력 구조물의 유동 조건을 정량적으로 평가하는 데 효과적임.
  • Fr 값이 1에 가까울수록 유동 안정성이 높아지며, 설계 기준으로 활용 가능함.
  • CFD 및 실험 데이터 검증 결과, Fr을 이용한 해석 기법이 높은 신뢰성을 보임.
  • 향후 연구에서는 다양한 수력 구조물에서 Fr 기반 설계 최적화 연구가 필요함.

Reference

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Filling Simulation

Numerical Simulation of Metal Flow and Solidification in Multi-Cavity Casting Moulds of Automotive Components

FLOW-3D를 이용한 자동차 부품 다중 캐비티 주조 금형 내 금속 유동 및 응고의 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 자동차 부품 생산에서 다중 캐비티 주조 금형(Multi-Cavity Casting Mould)을 사용하면 생산 효율을 극대화할 수 있다.
    • 자동차용 회색 주철(Grey Iron) 부품인 브레이크 디스크(Brake Disc)와 플라이휠(Flywheel)을 자동 사형 주조(Automatic Sand Casting) 생산 라인을 통해 제작.
    • 주조 공정 중 금속 유동 및 응고 거동을 예측하는 것은 주조 품질 향상 및 결함 최소화에 중요하다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 자동차 부품 주조 공정의 3차원 수치 시뮬레이션을 수행.
    • 다중 캐비티 금형 설계의 적합성 평가 및 주입 시스템(Running System)과 공급 시스템(Feeding System) 최적화.
    • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델의 신뢰성 검증 및 개선 방안 제시.

연구 방법

  1. 금형 및 시뮬레이션 설정
    • 브레이크 디스크(3개 캐비티) 및 플라이휠(4개 캐비티)의 3D 솔리드 모델(STL 파일 형식)을 생성하고 FLOW-3D 소프트웨어에 적용.
    • 모델링 기법:
      • FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 형상에서도 정확한 해석 가능.
      • VOF (Volume-of-Fluid) 방법을 통해 용융 금속의 자유 표면 이동 및 변형을 추적.
    • 열 물성(Thermo-Physical Properties) 설정:
      • 주철, 실리카 몰드, 세라믹 필터의 열전도율, 비열, 밀도, 표면 장력 계수 등을 포함 (예: 주철의 밀도 7100 kg/m³, 용융 온도 1504K).
  2. 난류 및 다공성 매체 모델링
    • k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 유동(Turbulent Flow) 시뮬레이션.
    • 세라믹 필터를 통한 유동 저항 분석을 위해 D’Arcy 모델을 적용:
      • 다공성 매체 내 흐름 저항은 속도에 선형적으로 비례.
      • 필터 제조업체 제공 데이터를 바탕으로 드래그 계수(Drag Coefficient) 설정.
  3. 실험 설정 및 데이터 검증
    • 정밀 타이머를 이용하여 각 부품의 주입 및 응고 시간 측정:
      • 브레이크 디스크: 주입 시간 9.5초, 응고 시간 300초.
      • 플라이휠: 주입 시간 15초, 응고 시간 250초.
    • 적외선 온도계(Pyrometer)를 사용하여 용탕의 주입 전 온도(1703K) 측정.
    • 주조물 절단 및 현미경 분석을 통해 수축 결함(Shrinkage) 위치 확인.

주요 결과

  1. 브레이크 디스크 (Brake Disc) 결과
    • 주입 시뮬레이션 결과:
      • 주철 용탕이 주입구를 통해 1.0초 만에 1차 러너(Primary Runner) 충전, 6.0초 후 중간 캐비티(Middle Cavity)가 먼저 충전.
      • 시뮬레이션 예측 주입 시간 10.08초, 실험 측정 9.5초와 높은 일치도.
    • 응고 시뮬레이션 결과:
      • 80초 후 게이트(Gate) 부분 완전 응고, 166초 후 2차 러너(Secondary Runner) 응고 완료.
      • 285초 시뮬레이션 응고 시간, 실험 측정 300초와 비교 시 오차 5% 이내.
  2. 플라이휠 (Flywheel) 결과
    • 주입 시뮬레이션 결과:
      • 세라믹 필터를 통과한 용탕이 0.47초 만에 1차 러너 충전, 1.14초 후 게이트를 통해 캐비티 충전 시작.
      • 15.5초 만에 충전 완료, 실험 결과(15초)와 높은 일치도.
    • 응고 시뮬레이션 결과:
      • 50초 후 필터 및 게이트 영역 응고 시작, 100초 후 모든 게이트 응고.
      • 220초에 캐비티 응고 완료, 50초 후 주입 시스템도 응고.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 시뮬레이션을 통한 다중 캐비티 주조 공정의 금속 유동 및 응고 거동 분석이 실제 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 4개 캐비티 금형이 3개 캐비티 금형보다 균일한 주조 품질을 제공.
    • 첫 번째 게이트의 단면적을 줄여 기공(Porosity) 발생 가능성을 줄일 수 있음.
    • 모델은 주조 공정 매개변수(예: 용탕 과열 온도, 주입 속도, 금형 표면 거칠기)의 영향을 분석할 수 있음.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 게이팅 시스템 설계의 적합성 평가.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 주조 공정 최적화 시스템 개발.
    • 산업 현장 적용을 위한 대규모 실증 연구 수행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 활용하여 다중 캐비티 주조 금형의 금속 유동 및 응고 거동을 정량적으로 평가하고, 자동차 부품의 생산 효율성과 품질을 극대화할 수 있는 실질적인 설계 기준을 제공하며, 자동차 및 중공업 산업의 비용 절감과 제품 신뢰성 향상에 기여할 수 있다​.

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Numerical_simulation_of_metal_flow_and_sDownload
Casting simulation

Replication Casting and Additive Manufacturing for Fabrication of Cellular Aluminum with Periodic Topology: Optimization by CFD Simulation

주기적 토폴로지를 가진 셀룰러 알루미늄 제작을 위한 복제 주조 및 적층 제조: CFD 시뮬레이션을 통한 최적화

연구 목적

  • 본 연구는 적층 제조(AM) 및 정밀 주조(Investment Casting)를 활용하여 셀룰러 알루미늄을 제작하는 방법을 제시함.
  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 통해 금속 폼(metal foam)의 충진 과정 및 형성 메커니즘을 최적화함.
  • 주기적(open-cell) 구조를 가진 다공성 금속 제작의 적절한 공정 변수를 결정하여 품질을 개선하고자 함.
  • 본 연구에서 개발된 공정이 충격 방지 장치, 진동 감쇠 장치 및 열 전달 향상 장치 등의 다기능 구조물 제작에 적용 가능함을 검증함.

연구 방법

  1. 프리폼(preform) 설계 및 제작
    • ABS 및 왁스를 사용한 3D 프린팅을 활용하여 다공성 구조의 프리폼을 제작함.
    • 정밀 주조 기법을 사용하여 A356 알루미늄 합금으로 프리폼을 금속화(replication casting)하여 최종 구조를 제작함.
    • Rhino 및 FLOW-3D® 소프트웨어를 활용하여 설계 모델을 최적화함.
  2. FLOW-3D® CFD 시뮬레이션 수행
    • 용탕 충진(filling) 및 응고(solidification) 과정에서 온도 및 유동 패턴을 예측함.
    • 충진 과정에서 발생할 수 있는 기공 형성(porosity) 및 미세 구조 불균일성을 평가함.
    • 시뮬레이션 결과를 기반으로 주조 공정 변수(주조 온도, 주형 온도 등)를 조정하여 최적 조건을 도출함.
  3. 실험 검증 및 결과 분석
    • 충진 실험을 통해 시뮬레이션 결과와 실제 주조물의 품질을 비교 분석함.
    • 주조 후 X-ray 및 SEM(주사전자현미경) 분석을 통해 미세 구조 및 결함을 평가함.
    • 최적화된 조건에서 제작된 시편을 기계적 특성 시험(충격 흡수, 강도 평가 등)하여 구조적 성능을 검토함.

주요 결과

  1. 주조 충진 거동 및 품질 평가
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과, 최적 충진 조건에서 금속 폼 구조의 85~100% 충진율을 확보함​.
    • 주조 온도와 주형 온도를 조정할 경우, 공기 갇힘(air entrapment) 및 기공 형성률이 감소함.
    • 온도 분포가 균일할수록 다공성 구조의 기계적 강도가 향상됨.
  2. 다공성 구조 특성 및 기계적 성능 평가
    • 주조된 알루미늄 폼의 미세 구조는 설계된 주기적 셀 구조와 일치함.
    • 720°C의 주조 온도와 500°C의 주형 온도에서 가장 높은 품질을 달성함​.
    • 충격 저항 및 기계적 강도가 높은 특성을 보여, 진동 감쇠 및 충격 방지 소재로 활용 가능함.
  3. 시뮬레이션 및 실험 결과 비교 검증
    • 실제 주조 결과와 CFD 시뮬레이션 예측 간 높은 상관관계 확인.
    • 다공성 구조 제작 시 균일한 충진 및 결함 최소화를 위한 시뮬레이션 기반 설계 최적화가 효과적임.
    • Rhino 및 FLOW-3D®를 결합한 설계-제조 프로세스가 고품질의 금속 폼 제작에 적합함.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 다공성 금속 폼 제작 공정을 최적화할 수 있음을 입증함.
  • 720°C 주조 온도와 500°C 주형 온도에서 가장 높은 품질을 확보할 수 있음.
  • 적층 제조와 정밀 주조를 결합한 공정이 다양한 산업 분야(충격 방지, 열 교환 등)에 활용 가능함을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 재료 및 주조 변수에 따른 기계적 성능 최적화를 추가적으로 검토할 필요가 있음.

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Filling simulation

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

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금의 Thixoforging 공정 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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Result

Process Simulation and Development for Laser Beam Welding with Rotating Bifocal Optics

회전 이중초점 광학(Rotating Bifocal Optics)을 이용한 레이저 빔 용접(Laser Beam Welding) 공정 시뮬레이션 및 개발

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 레이저 빔 용접(LBW, Laser Beam Welding)은 고속 용접, 작은 열영향부(HAZ, Heat-Affected Zone), 변형 최소화 등의 장점으로 산업 생산에서 널리 사용된다.
    • 그러나 스테인리스강(Stainless Steel)과 같은 특정 재료의 용접 시 균열(Cracks) 및 기공(Pores) 발생 문제가 남아있다.
    • 회전 이중초점 광학(Bifocal Optics with Rotating Technique)은 용접 중 온도 제어를 개선하고, 용융 풀(Molten Pool) 내 균일한 온도 분포를 통해 용접 품질을 향상시킬 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 활용하여 이중초점 광학을 사용한 회전 레이저 빔 용접 공정 시뮬레이션을 수행.
    • 레이저 출력(Laser Power, LP), 회전 속도(Rotational Speed, RS), 용접 속도(Welding Speed, WS) 등의 공정 매개변수를 최적화하여 스테인리스강의 용접 품질을 평가.
    • 실험 및 시뮬레이션 결과 비교를 통해 모델의 신뢰성 검증 및 비용과 시간을 절감할 수 있는 최적화 방안 제시.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 시뮬레이션 환경
    • Ruhr University Bochum 실험실에서 LMB 회사와 협력하여 스테인리스강 AISI 304를 대상으로 실험 수행.
    • TruDisk 4001D 디스크 레이저 시스템 사용:
      • 이중초점 거리(Bifocal Distance): 0.8 mm.
      • 섬유 직경(Fiber Diameter) 및 점 크기(Dot Size): 0.1 mm.
      • 시편 크기: 50 mm × 50 mm × 15 mm.
    • 공정 변수:
      • 용접 속도(WS): 2000 mm/min.
      • 레이저 출력(LP): 2 kW 및 4 kW.
      • 회전 속도(RS): 2500 ~ 5000 rev/min.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D WELD 모듈을 사용하여 레이저 키홀(Keyhole) 형성 및 용융 풀의 형상 변화 시뮬레이션.
    • 레이저 경로의 x 및 y 좌표 모델링:
      • 원형 진동(Circular Oscillation) 방식을 통해 정확한 빔 이동 경로 계산.
      • 이중초점 광학 시스템에서는 0.8 mm 간격으로 두 개의 동일한 경로 생성.
    • 모든 실험 조건을 동일하게 입력하여 수치 모델의 정확도를 높임.

주요 결과

  1. 용접 형상(Geometry) 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션과 실험 결과 비교에서 높은 일치도 확인.
    • 레이저 출력 및 회전 속도 변화에 따른 용접 깊이(Weld Depth, WD) 및 용접 폭(Weld Width, WW) 분석:
      • 2 kW 출력 그룹(Group 1):
        • 최대 용접 폭: 2392.05 µm, 최대 깊이: 2294.77 µm (RS: 2500 rev/min).
      • 4 kW 출력 그룹(Group 2):
        • 최대 용접 폭: 3422.97 µm, 최대 깊이: 3382.70 µm (RS: 2500 rev/min).
  2. 공정 매개변수 최적화
    • 회전 속도 4000 rev/min, 레이저 출력 2 kW에서 기공 및 균열 최소화.
    • 회전 속도 증가 시 용접 깊이 증가하지만, 5000 rev/min 이상에서는 기공 증가.
    • C7 시편(4 kW, 4000 rev/min)이 가장 적은 기공을 보임.
  3. 시뮬레이션과 실험 결과 비교
    • 시뮬레이션 결과: 폭 2300 µm, 깊이 a 2120 µm, 깊이 b 1900 µm.
    • 실험 결과: 폭 2367.89 µm, 깊이 a 2161.91 µm, 깊이 b 1924.39 µm.
    • 10% 이내의 오차율을 보여, 시뮬레이션이 실제 용접 공정 예측에 유용.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 회전 이중초점 광학을 활용한 레이저 빔 용접 공정 시뮬레이션이 높은 정확도와 효율성을 입증.
    • FLOW-3D 소프트웨어를 통해 용접 풀 형상 및 온도 분포를 예측할 수 있으며, 공정 매개변수 최적화 가능.
    • 회전 속도 4000 rev/min 및 레이저 출력 2 kW가 스테인리스강의 최적 용접 품질 제공.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 재료 및 용접 조건에 대한 시뮬레이션 확장.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 용접 품질 예측 시스템 개발.
    • 산업 현장 적용을 위한 대규모 실증 연구 수행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 회전 이중초점 광학 시스템을 적용한 레이저 빔 용접 공정의 최적화 가능성을 입증하고, 기공 및 균열을 최소화하여 용접 품질을 향상시킬 수 있는 실질적인 데이터를 제공하며, 산업용 스테인리스강 용접 공정의 효율성을 높이는 데 기여할 수 있다​.

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LFP

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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DED model

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

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

연구 배경 및 목적

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

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

연구 방법

DED 공정 개요

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

FLOW-3D 기반 수치 모델링

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

주요 결과

분말 속도가 증착 형상 및 용융 풀 거동에 미치는 영향

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

유체 흐름 및 온도 분포 분석

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

결론 및 향후 연구

결론

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

향후 연구 방향

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

연구의 의의

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

Welding part

Numerical Study of Laser Welding of 270 µm Thick Silicon–Steel Sheets for Electrical Motors

전기 모터용 270µm 두께의 실리콘-강판 레이저 용접에 대한 수치 연구

연구 배경 및 목적

문제 정의: 전기차(EV) 및 수소 연료전지 자동차(HFCV)의 확산으로 인해 트랙션 모터(traction motor)의 생산성이 중요해지고 있으며, 이에 따라 전기 강판(electrical steel sheet)의 자동 용접 시스템 개발이 필요하다.
연구 목적:

  • FLOW-3D 기반 레이저 용접 시뮬레이션을 활용하여 실리콘-강판의 비드 형상 분석.
  • 용접 공정 중 발생하는 용접 결함(undercut, void, spatter 등)의 원인 규명.
  • 레이저 출력과 주사 속도(scan speed)에 따른 비드 높이 비교를 통해 용접 품질 최적화 방법을 제시.

연구 방법

레이저 용접 공정 개요

  • 사용된 레이저: 섬유(Fiber) 레이저.
  • 레이저 용접 모드: 전도(conduction) 모드.
  • 레이저 출력: 700W, 800W.
  • 주사 속도: 0.10 ~ 0.15 m/s (0.01 m/s 간격으로 총 12개 케이스 분석).

FLOW-3D 기반 수치 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • Navier-Stokes 방정식 및 열전달 방정식을 활용하여 용융 풀(melt pool) 해석.
  • Marangoni 효과 및 반동압력(recoil pressure) 고려.
  • 메쉬 설정: 총 2,340,438개 격자 사용하여 정밀 해석 수행.
  • 레이저 흡수율 측정: UV-VIS-NIR 분광계를 이용하여 700~1100nm 파장 범위의 반사율을 측정하고, 이를 통해 흡수율 도출.

평가 지표

  • 비드 형상 및 높이(Weld Bead Geometry & Height): 용접부의 높이 및 모양 분석.
  • 열전달 및 용융 풀 거동(Heat Transfer & Melt Pool Behavior): 용접부의 온도 분포 및 냉각 속도 분석.
  • 용접 결함 분석(Welding Defects Analysis): 언더컷(undercut), 용융 풀 변형(melt drop) 등 발생 여부 확인.

주요 결과

비드 형상 및 높이 분석

  • 주사 속도가 증가할수록 비드 높이 감소.
  • 800W, 0.10m/s 조건에서 최대 비드 높이(93µm) 관찰, 반면 700W, 0.15m/s에서는 최소 비드 높이(56µm) 기록.
  • 0.13m/s ~ 0.14m/s 구간에서는 비드 높이 변화가 적었음, 하지만 0.10m/s와 0.15m/s에서는 큰 차이 발생.
  • 최적 조건: 800W, 0.11m/s 및 700W, 0.11m/s에서 가장 낮은 비드 형성, 이는 높은 용접 품질을 의미.

온도 분포 및 열전달 분석

  • 최대 온도 2393K 도달 후 냉각 진행, 0.8ms 이내에 급격한 온도 상승 확인.
  • 주사 속도가 빠를수록 냉각 속도가 증가, 이는 비드 형상에 영향을 미침.

용접 결함 분석

  • 언더컷(undercut) 발생: 주사 속도가 0.12m/s 이상일 때 일부 발생.
  • 완전 용입(complete penetration) 실패: 모든 실험 조건에서 관찰되지 않음.
  • 냉각 속도가 빠른 경우 표면 변형이 줄어듦, 이는 적절한 주사 속도 설정이 중요함을 시사.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 활용한 수치 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • 레이저 출력 및 주사 속도에 따른 비드 형상 변화를 정량적으로 분석.
  • 최적의 용접 조건(800W, 0.11m/s & 700W, 0.11m/s)을 도출, 이는 산업적 응용에 활용 가능.
  • 냉각 속도가 비드 형상과 용접 품질에 중요한 영향을 미침을 확인.

향후 연구 방향

  • 다양한 재료(Al, Ti 합금)와 용접 공정 비교 연구.
  • 실제 실험을 통한 추가 검증 및 데이터 보완.
  • AI 기반 머신러닝 기법을 활용하여 최적 용접 조건 자동 도출 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 전기 강판의 레이저 용접 공정을 정량적으로 분석하고, 최적의 용접 조건을 도출하는 방법론을 제시하였다. EV 및 산업용 전기 모터 제조에 적용 가능하며, 자동화 용접 시스템 개발에 기여할 수 있음을 시사한다​.

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Molten Pool

Numerical Analysis of Variable Polarity Arc Weld Pool

가변 극성 아크 용접 풀의 수치 해석

연구 배경 및 목적

문제 정의: 알루미늄 합금은 높은 열전도율, 열팽창 계수, 기공 감수성 등의 특성으로 인해 용접성이 낮은 소재이며, 산화막이 존재하여 용접 품질에 영향을 미친다.
연구 목적:

  • 가변 극성 아크 용접(Variable Polarity GTAW, VP-GTAW) 시뮬레이션 모델 개발.
  • FLOW-3D를 활용하여 용융 풀의 열전달, 유동 특성 및 자유 표면 거동을 분석.
  • 직류 전극 양극(DCEP)과 음극(DCEN) 극성의 열입력 효율 차이를 규명하여, VP-GTAW 용접의 최적화 방법을 제안.

연구 방법

가변 극성 아크 용접 개요

  • VP-GTAW는 교류(A/C) 방식으로, DCEP-DCEN이 주기적으로 전환되는 용접 방법.
  • 기존 연구에서는 DCEN이 DCEP보다 높은 열입력 효율을 갖는다고 알려져 있었으나, 최근 실험에서는 DCEP가 더 높은 열입력 효율을 보임.
  • 본 연구에서는 실험과 수치 해석을 비교하여 DCEP의 열입력 효율을 정량적으로 분석.

FLOW-3D 기반 수치 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
  • Navier-Stokes 방정식을 활용하여 용융 풀 내 유동 해석.
  • 열전달 방정식을 적용하여 온도 분포 및 응고 해석.
  • 전자기력(Lorentz Force)과 Marangoni 효과를 포함하여 용접 풀 내 유체 흐름 모델링.
  • 경계 조건:
    • 상부: 아크 열입력(Heat Input), 복사 및 대류 열손실 고려.
    • 하부 및 측면: 고정 벽 경계 조건 적용.

시뮬레이션 변수 및 분석

  • 전류 150A, 전압 16V, 주파수 100Hz로 설정.
  • DCEP 비율(15%, 30%, 45%) 변화에 따른 용접 풀 형상 및 열입력 분석.
  • 열입력 효율(η_EN, η_EP, η_rel)을 변수로 하여 용융 풀 형상 비교.

주요 결과

열입력 효율 및 용융 풀 형상 비교

  • DCEP 비율이 증가할수록 용융 풀(FZ) 면적이 증가.
  • DCEP 비율 45%일 때 가장 넓은 용융 풀 형성, 이는 높은 열입력으로 인해 깊이와 폭이 증가하기 때문.
  • Marangoni 효과에 의해 표면 장력 변화가 용융 풀의 흐름을 유도.

DCEP 및 DCEN 비교

  • DCEP의 열입력 효율이 DCEN보다 상대적으로 높음(η_rel 증가).
  • 실험 결과와 비교했을 때, 시뮬레이션 결과가 유사한 패턴을 보이며, DCEP가 DCEN보다 더 깊고 넓은 용융 풀을 형성함.
  • DCEP 비율과 용융 풀 면적 간의 상관관계를 이용하여 열입력 효율을 역으로 추정 가능.

결론 및 향후 연구

결론

  • Flow-3D를 활용한 VP-GTAW 시뮬레이션이 실험과 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • DCEP의 열입력 효율이 기존 DCEN보다 높음을 입증, 이는 기존 아크 이론과 반대되는 결과이지만 실험적으로 검증됨.
  • DCEP 비율이 증가할수록 용융 풀 형상이 커지며, Marangoni 효과가 유동을 주도함.
  • 수치 해석을 통해 DCEP 열입력 효율을 실험 없이 간접적으로 추정할 수 있는 방법론을 제안.

향후 연구 방향

  • 다양한 용접 조건(전류, 전압, 극성 비율)에 따른 추가 연구.
  • 실험 데이터와 더욱 정밀한 비교를 통한 시뮬레이션 개선.
  • 레이저 용접, 하이브리드 용접과 같은 고출력 용접 공정으로 확장 적용 가능성 탐색.

연구의 의의

이 연구는 Flow-3D를 활용하여 가변 극성 아크 용접의 열입력 효율을 정량적으로 분석하는 방법을 제시하며, 실험 없이 수치 해석만으로 최적의 용접 조건을 도출할 수 있는 가능성을 확인하였다.

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spure

Novel Sprue Designs in Metal Casting via 3D Sand-Printing

3D 샌드 프린팅을 이용한 금속 주조용 신규 스프루 설계

연구 목적

  • 본 연구는 **3D 샌드 프린팅(3DSP)**을 활용하여 주조 스프루(sprue) 설계를 최적화하고, 금속 용탕 흐름을 개선하는 방법을 분석함.
  • 전통적 주조 유체역학 원리를 기반으로 컴퓨터 유체 역학(CFD) 모델을 개발하여, 스프루 설계에 따른 용탕 흐름 특성과 주조 결함 감소 효과를 평가함.
  • 세 가지 스프루 설계(직선 스프루, 포물선 스프루, 원뿔형 나선 스프루)를 비교 분석하여 최적 형상을 도출함.
  • 실험 및 FLOW-3D® 시뮬레이션을 통해 스프루 최적화가 기계적·야금학적 성능 향상에 미치는 영향을 검증함.

연구 방법

  1. 스프루 설계 및 최적화
    • 직선 스프루(Straight Sprue Casting, SSC), 포물선 스프루(Parabolic Sprue Casting, PSC), 원뿔형 나선 스프루(Conical-Helix Sprue Casting, CHSC) 세 가지 설계를 비교함.
    • 최적화 알고리즘을 적용하여 유체 흐름 및 산화물 형성 최소화 조건을 도출함.
    • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 각 설계의 유동 속도, 난류 강도 및 충진 특성을 평가함.
  2. 실험 및 시뮬레이션 검증
    • CT(Computed Tomography) 스캔 및 SEM(주사전자현미경) 분석을 수행하여 주조 결함 및 산화물 포획 정도를 평가함.
    • ASTM E290 기준 3점 굽힘(flexural strength) 시험을 수행하여 기계적 강도를 비교함.
    • 스프루 설계 변경이 주조 결함(기포, 산화물 포함물) 및 최종 기계적 특성에 미치는 영향을 분석함.

주요 결과

  1. 유동 속도 및 충진 거동 분석
    • CHSC 및 PSC 설계가 SSC 대비 주형 충진 속도를 감소시켜 용탕 난류를 줄이는 효과가 있음.
    • CHSC 설계에서는 유동 속도가 0.5 m/s 이하로 감소하며, 이는 산화물 형성을 최소화하는 임계 속도 조건을 충족함.
    • CFD 시뮬레이션 결과, CHSC 스프루는 균일한 유동 분포를 형성하여 주조 품질을 향상시킴.
  2. 주조 결함 감소 효과
    • CT 스캔 결과, CHSC 적용 시 전체 주조 결함이 99.5% 감소, PSC 적용 시 56% 감소함.
    • SSC에서는 기포 및 산화물 포함물이 집중적으로 발생하였으나, CHSC 및 PSC에서는 이러한 결함이 현저히 감소함.
    • SEM 분석 결과, SSC 대비 PSC 및 CHSC의 산화물 포함물 영역이 각각 21%, 35% 감소함.
  3. 기계적 강도 향상
    • 3점 굽힘 시험 결과, CHSC는 SSC 대비 평균 굽힘 강도가 8.4% 증가, PSC는 4.1% 증가함.
    • CHSC 주조품에서 더 균일한 미세조직 및 결함 감소 효과가 확인됨.
    • ANOVA 통계 분석 결과, SSC와 CHSC 간 기계적 강도 차이가 통계적으로 유의미함(p = 0.045).

결론

  • 3D 샌드 프린팅을 활용한 신규 스프루 설계가 주조 품질을 향상시키는 데 효과적임.
  • 원뿔형 나선 스프루(CHSC) 설계는 용탕 난류 감소 및 산화물 포함물 저감에 가장 효과적이며, 기계적 강도를 8.4% 향상시킴.
  • CFD 시뮬레이션과 실험 데이터를 비교한 결과, 최적화된 스프루 설계가 실제 주조 성능 개선에 기여함을 확인함.
  • 향후 연구에서는 다양한 합금 및 주조 공정에 대한 적용성을 추가적으로 검토해야 함.

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Air Entrainment

Investigating Surface Entertainment Events Using CFD

전산유체역학을 이용한 표면 혼입 현상 연구

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Coupling

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Experimental_and_numerical_analysis_of_fDownload
simulation_experimental

Molten Pool Behavior in the Tandem Submerged Arc Welding Process

이중 서브머지드 아크 용접 공정에서의 용융지 거동 분석

연구 목적

  • 본 연구는 이중 서브머지드 아크 용접(Tandem SAW, SAW-T) 공정에서의 용융지(molten pool) 거동을 분석하기 위해 FLOW-3D® 기반의 CFD 시뮬레이션을 수행함.
  • 전류 조건 및 전극 간 간격이 용접 비드 형상 및 용융 흐름에 미치는 영향을 정량적으로 평가함.
  • 실험 데이터를 CFD 시뮬레이션 결과와 비교하여 모델의 신뢰성 및 정확성을 검증함.
  • 최적의 용접 공정 매개변수를 도출하여 용접 효율을 개선하고 결함을 최소화하는 전략을 제안함.

연구 방법

  1. 용융지 수치 모델링 및 설정
    • FLOW-3D®의 유한체적법(Finite Volume Method, FVM)을 적용하여 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 해석함.
    • 자유 표면 추적을 위해 VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용함.
    • 아크 상호작용(arc interaction), 전극 간 전압 차이, 용적력(arc pressure) 등을 반영하여 실험과 유사한 모델을 구축함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • 전극 배치 및 전류 조건을 변경하며 용융지 거동을 분석함.
    • 선도 전극(leading electrode)과 후속 전극(trailing electrode)의 전류 조합에 따라 용접 비드 형상이 어떻게 변하는지 평가함.
    • 난류 모델 적용: k-ε 및 LES(Large Eddy Simulation) 모델을 비교 분석하여 용융지 내 난류 흐름을 해석함.
  3. 실험 데이터와 비교 검증
    • 실험에서 얻은 온도 분포 및 용융지 형상 데이터를 시뮬레이션과 비교함.
    • 고속 CCD 카메라 및 열화상 카메라를 이용하여 용융지 거동을 기록하고, 시뮬레이션과의 차이를 분석함.
    • CFD 결과와 실제 실험 결과 간의 오차율을 측정하여 모델의 정확성을 검토함.

주요 결과

  1. 전류 조건이 용접 비드 형상에 미치는 영향
    • 선도 전극 전류가 높은 경우, 용접 비드의 침투 깊이(penetration depth)가 증가하였으며, 후속 전극 전류가 낮은 경우 용융지 크기가 상대적으로 작아짐.
    • 동일한 총 열 입력(total heat input) 조건에서도 전류 조합에 따라 용접 비드 형상이 다르게 형성됨.
    • 용융지가 형성되는 과정에서 선도 전극에 의해 형성된 용융지가 후속 전극에 의해 확장됨.
  2. 용융 흐름 및 아크 상호작용 분석
    • 선도 전극의 높은 전류가 강한 아크 압력(arc pressure)을 유발하여 용융지를 깊게 형성함.
    • 반면, 후속 전극이 용융지를 확장시키는 역할을 하며, 비드 폭(bead width)이 증가함.
    • 후속 전극의 전압이 높을수록 용융지가 넓게 퍼지며, 전체 용접 품질이 향상됨.
  3. 시뮬레이션과 실험 비교 검증
    • FLOW-3D® 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 유사도가 높음.
    • 특히, 온도 분포 및 용융지 형상이 실험과 거의 일치하였으며, 용융 흐름의 주요 특성을 재현할 수 있었음.
    • 그러나, 일부 실험에서는 예상보다 낮은 침투 깊이가 관찰됨 → 이는 모델에서 고려되지 않은 금속 증발 및 표면 장력 변화 때문으로 분석됨.
  4. 최적 용접 조건 도출
    • 전극 간 최적 간격 및 전류 조합을 설정하면 용접 품질을 향상시킬 수 있음.
    • 선도 전극의 전류가 후속 전극보다 높을 때, 깊은 침투와 균일한 용접 비드 형성을 유도할 수 있음.
    • 후속 전극의 전압을 높여 용융지 확산을 최적화하면 용접 비드 균일성이 증가함.

결론

  • FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 이중 SAW-T 공정에서의 용융지 거동을 성공적으로 해석함.
  • 전극 간 전류 조합이 용접 비드 형상에 결정적인 영향을 미치며, 최적의 조합을 찾는 것이 중요함.
  • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과의 높은 일치도를 확인하였으며, 일부 미세한 차이는 추가적인 모델 보정이 필요함.
  • 향후 연구에서는 금속 증발, 표면 장력 변화 등의 추가 물리 모델을 고려하여 더욱 정밀한 해석을 수행해야 함.

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Water-Rock interaction

Using Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation with FLOW-3D to Reveal the Origin of the Mushroom Stone in the Xiqiao Mountain of Guangdong, China

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션을 통한 광둥성 시차오산 버섯 돌 형성 원인 분석

연구 목적

  • 본 연구는 FLOW-3D® CFD 시뮬레이션을 활용하여 Xiqiao Mountain(시차오산)의 버섯 돌(Mushroom Stone) 형성 과정을 규명함.
  • 기존 연구에서는 유수 침식(stream water erosion)이 주요 형성 원인으로 제시되었으나, 본 연구에서는 CFD 분석을 통해 침식 외에도 화학적 및 물리적 풍화 작용이 결정적인 역할을 했음을 입증하고자 함.
  • 광물 분석 및 현장 조사와 함께 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 물리적, 화학적 풍화 작용과 유동 역학 간의 관계를 평가함.

연구 방법

  1. 현장 조사 및 샘플링
    • 드론(DJI Phantom 4 RTK)을 활용하여 버섯 돌의 3D 지형 데이터를 정밀 측정.
    • 암석 시료 7개를 서로 다른 위치에서 채취하여 **광물 분석(mineralogical analysis)**을 수행함.
    • 지질 나침반을 사용하여 버섯 돌 곡면의 방향 및 침식 패턴을 기록함.
  2. FLOW-3D® 기반 CFD 시뮬레이션
    • 자유 표면 유동(Free Surface Flow)을 모델링하여 홍수 시 버섯 돌 주변의 유속 및 압력 분포를 분석.
    • 난류 모델 적용: RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하여 난류 효과를 고려함.
    • 모의 홍수 실험을 진행하여 홍수 시기 물의 흐름이 버섯 돌에 미치는 영향을 평가함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 광물 분석 데이터 및 현장 조사 결과를 CFD 시뮬레이션과 비교하여 풍화 및 침식 기작을 검증.
    • 침식 패턴, 유속, 압력 분포 등을 종합 분석하여 버섯 돌 형성의 주요 기작을 도출함.

주요 결과

  1. 홍수 시 버섯 돌 주변 유동 특성
    • 시뮬레이션 결과, 최고 유속은 버섯 돌의 측면에서 발생하며, 전·후면에서는 상대적으로 낮은 유속을 보임.
    • 버섯 돌의 전면(상류 방향)에서는 고압력이 발생하여 아래쪽으로 흐름이 집중됨, 이는 하부 침식을 유도함.
    • 그러나 시뮬레이션 결과, 버섯 돌의 좁은 하부 구조는 단순한 유수 침식만으로 형성될 수 없음을 보여줌.
  2. 버섯 돌 침식 패턴 및 풍화 작용
    • CFD 분석 결과, 버섯 돌 하부(풍하측)에 퇴적물이 집중적으로 형성되며, 이는 침식보다 퇴적 과정이 더 중요한 역할을 했음을 시사함.
    • 실험 데이터와 비교 시, 유수 침식만으로는 현장에서 관찰된 곡면 구조를 재현할 수 없음.
    • 대신, 장기간 퇴적물이 축적되면서 화학적 및 물리적 풍화 작용이 진행되었을 가능성이 높음.
  3. 광물 분석 결과 및 풍화 작용
    • XRD(X-ray diffraction) 분석 결과, 버섯 돌 하부의 암석은 석고(gypsum) 및 점토 광물 함량이 높으며, 이는 화학적 풍화가 활발하게 진행되었음을 의미함.
    • 석고 크리스탈이 성장하면서 암석 내부 균열을 유발하는 할로클래스티(haloclasty) 현상이 관찰됨.
    • 장기간 퇴적층 내에 존재했던 암석이 화학적 풍화 및 수분에 의한 연화 작용으로 약해진 후, 외부 퇴적물이 제거되면서 버섯 돌 하부의 곡면이 형성됨.
  4. 버섯 돌 형성 과정 및 주요 기작 정리
    • 1단계: 버섯 돌이 퇴적물 속에 매립됨 → 장기간 퇴적물 내에서 화학적 풍화가 진행됨.
    • 2단계: 퇴적물 제거 후, 풍화된 암석이 노출되면서 내부 곡면이 형성됨.
    • 3단계: 추가적인 기계적 풍화 및 석고 결정 성장이 내부 균열을 유발하며 현재의 버섯 돌 형태가 완성됨.

결론

  • 유수 침식만으로 버섯 돌이 형성되었다는 기존 가설은 CFD 시뮬레이션 결과와 일치하지 않음.
  • 광물 분석 및 화학적 풍화 모델링 결과, 할로클래스티(haloclasty) 및 습윤 연화(softening due to moisture) 작용이 버섯 돌 형성의 주요 기작으로 확인됨.
  • CFD 시뮬레이션을 통한 수력학적 해석과 광물 분석을 결합하여 자연 암석 형성 기작을 정량적으로 분석하는 새로운 접근법을 제시함.
  • 향후 연구에서는 장기적인 풍화 속도 및 추가적인 유체-암석 상호작용 모델링을 수행해야 함.

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Way

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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Velocity Magnitude

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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

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

FLOW-3D를 이용한 댐 붕괴 과정의 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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ATDE-36-ATDE230245Download
Casting

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Melt Pool

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Cladding

Influence of Fluid Convection on Weld Pool Formation in Laser Cladding

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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2.WeldingJournal-InfluenceofFluidConvectiononWeldPoolFormationinLaserCladdingDownload
mornig glory test

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

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Validation of the CFD Code Flow-3D for the Free Surface Flow Around Ship Hulls

선체 주위 자유 표면 유동을 위한 CFD 코드 Flow-3D 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D®를 사용하여 선체 주변의 자유 표면 유동을 수치적으로 분석하고 실험 데이터를 기반으로 검증함.
  • DTNSRDC 5415 전투함 모델을 사용하여 난류 모델 및 수치 해석 기법을 검토함.
  • 총 저항 예측, 파형 분석 및 난류 해석을 수행하여 모델의 신뢰성을 평가함.
  • CFD 시뮬레이션의 한계를 확인하고 메쉬 민감도 및 수치 기법 최적화 방향을 제시함.

연구 방법

  1. 실험 데이터 및 모델 선정
    • 미국 해군이 개발한 DTNSRDC 5415 전투함 모델을 사용하여 수치 해석을 수행함.
    • 프루드 수(Froude Number) 범위: 0.17 ~ 0.4로 설정하여 자유 표면 유동을 시뮬레이션함.
    • 실험 데이터와 비교하여 시뮬레이션 결과의 정확성을 평가함.
  2. FLOW-3D® 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유 표면 추적을 수행함.
    • 난류 모델로 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 및 다양한 이류(advection) 기법을 비교 분석함.
    • 메쉬 독립성 연구를 통해 최적의 격자 해상도를 결정함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터와 비교하여 총 저항(Total Resistance) 예측 정확도를 평가함.
    • 파형 분포 및 자유 표면 형상이 실험과 얼마나 일치하는지 분석함.
    • 프루드 수(Froude Number)에 따른 저항 변화 및 난류 모델의 영향을 검토함.

주요 결과

  1. 총 저항 예측 및 비교 분석
    • 1차 이류 기법(1st order upwind advection scheme) 사용 시, 실험 대비 총 저항이 약 3배 과대 예측됨.
    • ITTC-57 방법을 적용하여 마찰 저항을 보정하면, 실험과의 오차가 절반 수준으로 감소함.
    • 2차 이류 기법(2nd order scheme)을 적용하면 총 저항 예측이 개선되었으나 여전히 약 2배 과대 평가됨.
  2. 파형 및 자유 표면 분석
    • 시뮬레이션에서 자유 표면 형상 및 파형 패턴은 실험과 유사하게 나타남.
    • 파랑 저항(Wave Resistance)은 메쉬 해상도가 높아질수록 실험값과 더 가까워짐.
    • 그러나 경계층 해석이 부족하여 마찰 저항(Frictional Resistance) 예측이 부정확함.
  3. 메쉬 민감도 연구 결과
    • 메쉬 독립성을 완전히 확보하지 못한 상태에서 총 저항이 65%까지 과대 평가됨.
    • 메쉬 해상도를 증가시킬수록 저항값이 감소하지만, 연산 비용이 크게 증가함.
    • 추가적인 연구를 통해 완전한 메쉬 독립성 확보 필요.
  4. 난류 모델 및 수치 기법 평가
    • 2차 이류 기법 + 단조 유지(Monotonicity Preserving) 조합이 가장 적절한 결과를 제공함.
    • 다중 블록 격자(Multi-Block Gridding)와 추가적인 난류 모델 적용이 필요함.
    • 향후 연구에서는 경계층 및 마찰 저항 개선을 위한 고급 난류 모델 적용이 필수적임.

결론

  • FLOW-3D®는 선체 주변 자유 표면 유동의 질적(qualitative) 분석에 적합함.
  • 총 저항 예측은 과대 평가되며, 마찰 저항 해석 능력이 제한적임.
  • 2차 이류 기법 + 단조 유지 기법 적용 시, 실험과의 상관성이 가장 높음.
  • 메쉬 독립성 확보 및 난류 모델 최적화가 추가 연구의 핵심 과제임.

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AbstractCFD06_OceanicDownload
Wave

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

FLOW-3D를 이용한 파랑 생성의 CFD 재료 접근법

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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

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

코발트 보형물 정밀 주조에서 사용되는 최신 소재 및 방법의 발전

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

Reference

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X-Z Plane

Computer Simulation of Low Pressure Casting Process Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 저압 주조(LPC, Low Pressure Casting) 공정 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 저압 주조(LPC) 공정은 박벽(Thin-Walled) 및 중공(Hollow) 부품 제조에서 우수한 품질과 미적 요소를 충족할 수 있는 주조 기술로 인정받고 있다.
    • 그러나 LPC 공정의 복잡한 처리 매개변수(예: 용탕 온도, 금형 온도, 압력 및 지속 시간)로 인해 최적화가 어렵다.
    • 수치 시뮬레이션을 통해 이러한 매개변수를 효과적으로 제어할 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 LPC 공정 중 몰드 충진 및 응고 과정을 시뮬레이션.
    • 금형 충진 시 발생 가능한 결함(예: 가스 포집, 수축 다공성)을 분석.
    • 최적의 압력 시퀀스를 도출하고, 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어의 유한 차분법(FDM, Finite Difference Method)을 사용.
    • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 통해 금형 형상 모델링.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 표면 추적(Free Surface Tracking) 수행.
    • 열전달(Heat Transfer) 및 상변화(Phase Change)를 포함한 에너지 방정식을 사용하여 응고 과정 시뮬레이션.
  2. LPC 공정 설정 및 초기 조건
    • 금형 설계 및 재료:
      • LM6 알루미늄 합금을 사용하여 H13 강철 금형에 주조.
      • 금형 초기 온도: 350°C, 용탕 온도: 760°C 설정.
    • 압력 시퀀스:
      • 초기 대기압(Atmospheric Pressure)을 적용하고, 작은 벤트(Small Vent) 입구를 통해 점진적 압력 증가.
      • 압력 램프(Pressure Ramp) 기법을 통해 몰드 충진 중 난류(Turbulence) 최소화.
    • 격자 설정:
      • 1.6백만 개의 보셀(Voxel)을 사용한 3.5 mm 메쉬 크기.
      • 최적 메쉬 크기를 사용하여 모델 정확도 향상.

주요 결과

  1. 몰드 충진 시퀀스 분석
    • 몰드 충진 시간: 약 6.5초 소요.
    • 충진 시 층류 흐름(Laminar Flow)을 유지하여 가스 포집(Gas Entrapment)과 같은 결함 발생 억제.
    • 금형 내 온도 분포:
      • 용탕이 몰드에 진입 시 687°C의 온도를 유지.
      • 냉각 패턴이 일관되게 나타나며, 응고 결함 최소화.
  2. 응고 과정 및 온도 분포
    • 응고 완료 시간: 약 103.5초.
    • 액상에서 고상으로의 변화가 선형적으로 진행.
    • 고상 분율(Solid Fraction)이 0에서 1로 변환되는 동안 열전달이 균일하게 이루어짐.
    • 실험적으로 얻은 주조물(Fig. 4)과 비교 시 완전 충진 및 결함 없는 주조물을 확인.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 간 높은 일치도 확인.
    • 적용된 압력-시간 프로파일이 람inar 충진 시퀀스를 제공하여 충진 결함 최소화.
    • 온도 분포가 합금의 고상온도(Solidus Temperature) 이상을 유지하여 주조물의 완벽한 충진 가능.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어가 LPC 공정 시 주조물의 몰드 충진 및 응고 과정을 정확하게 예측할 수 있음.
    • 적절한 압력 시퀀스 설정을 통해 람inar 흐름을 유지하고 가스 포집 및 응고 결함을 억제할 수 있음.
    • 온도 분포와 금형 온도 설정이 적절하여 완벽히 충진된 주조물 제조 가능.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 합금 재료 및 금형 재질을 대상으로 모델 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 LPC 공정 최적화 시스템 개발.
    • 산업 응용을 위한 최적 LPC 공정 설계 및 실증 실험 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 저압 주조 공정의 몰드 충진 및 응고 과정을 정량적으로 평가하고, 주조물의 품질을 향상시킬 수 있는 최적의 공정 매개변수를 제시하며, 자동차 및 항공우주 산업의 생산성 증대와 비용 절감에 기여할 수 있다​.

Reference

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Result of Temperature

Comparative Analysis of HPDC Process of an Auto Part with ProCAST and FLOW-3D

ProCAST 및 FLOW-3D를 이용한 자동차 부품 고압 다이캐스팅(HPDC) 공정 비교 분석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 고압 다이캐스팅(HPDC, High Pressure Die Casting)은 자동차, 항공우주, 건축 재료 등 다양한 산업에서 ADC12 알루미늄 합금을 사용하여 복잡한 형상의 부품을 대량 생산하는 데 활용된다.
    • HPDC 공정에서는 버블 모델(Bubble Models), 유동 마크(Flow Marks), 콜드 셧(Cold Shuts)과 같은 주조 결함이 자주 발생한다.
    • 이러한 결함은 시제품 제작 비용 증가, 생산 주기 지연, 제품 신뢰성 저하를 초래한다.
  • 연구 목적:
    • ProCAST 및 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 ADC12 알루미늄 합금 자동차 부품의 HPDC 공정을 시뮬레이션하고, 두 소프트웨어의 충진(Filling) 및 응고(Solidification) 과정 비교.
    • 주조 결함(기포 모델, 수축 캐비티 및 수축 다공성 결함)을 분석하고, 실제 생산과의 정확도 비교를 통해 최적의 시뮬레이션 방법 제시.

연구 방법

  1. 자동차 부품 모델링 및 HPDC 공정 설정
    • ADC12 알루미늄 합금을 사용한 회전체(Rotary Part) 구조의 복잡한 형상 부품을 대상으로 연구.
    • 부품의 순중량 0.45 kg, 최대 직경 68 mm, 평균 벽 두께 3.2 mm.
    • 게이팅 시스템(Gating System) 및 오버플로우 시스템(Overflow System)을 설계하여 CAD 모델 생성(Fig.1, Fig.2).
    • 주조 조건:
      • 주입 온도: 680℃
      • 금형 초기 온도: 200℃
      • 사출 속도: 2.4 m/s
      • 인게이트 속도(Ingate Velocity): 40 m/s
      • 냉각 조건: 공기 냉각
  2. ProCAST 시뮬레이션
    • 유한 요소법(FEM, Finite Element Method)을 사용.
    • 188,107개의 노드, 1,010,920개의 사면체 요소(Tetrahedron Elements)로 메쉬 생성(Fig.3).
    • 온도장(Temperature Field) 변화 분석:
      • 충진 시간 0.052 s 동안 액체 금속이 금형을 완전히 충전.
      • 버블 모델 및 수축 캐비티, 수축 다공성 결함이 A 및 B 영역에서 발생(Fig.4, Fig.5).
  3. FLOW-3D 시뮬레이션
    • 유한 차분법(FDM, Finite Difference Method)을 사용하여 고급 액면 추적 기능 제공.
    • STL 형식의 3D 모델을 사용하여 2개의 그리드 블록으로 분할(Fig.6).
    • 충진 과정 동안 튀김(Splash) 현상 발생(Fig.7):
      • A 영역에서는 고속 및 고압으로 공기를 쉽게 배출하여 기포 결함 발생 억제.
      • B 영역에서는 부드럽게 충진되어 기포 모델 결함 발생하지 않음.
    • 표면 결함 추적 결과(Fig.8):
      • 명확한 표면 결함 없음, 총 충진 시간 0.0455 s로 ProCAST보다 빠른 충진 속도.

주요 결과

  1. ProCAST vs. FLOW-3D 비교
    • ProCAST 시뮬레이션:
      • A 및 B 영역에서 기포 모델 결함 발생, 실제 주조물에서도 동일한 결함이 예상됨.
      • 수축 캐비티 및 다공성 결함의 총 부피 약 0.253 cm³.
    • FLOW-3D 시뮬레이션:
      • 오버플로우 성능이 우수하여 공기 배출 경로를 변경, 기포 모델 결함 발생을 억제.
      • A 및 B 영역에서 결함이 거의 발생하지 않음, 실제 주조물과 높은 일치도(Fig.9).
  2. 정확도 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 실제 생산과 더 높은 일치도를 보임.
    • ProCAST는 버블 모델 및 수축 결함을 과대 예측하였으나, FLOW-3D는 결함을 최소화.
    • FLOW-3D의 충진 속도가 더 빠르고 정확하게 금형을 충전할 수 있음을 확인.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어가 ProCAST보다 ADC12 알루미늄 합금 자동차 부품의 HPDC 공정에서 더 높은 정확도를 제공.
    • FLOW-3D는 액체 금속의 충진 과정과 표면 결함을 정밀하게 예측할 수 있으며, 실제 생산 품질을 보장할 수 있음.
    • ProCAST와 FLOW-3D의 알고리즘 차이로 인해 시뮬레이션 결과가 일치하지 않을 수 있음:
      • ProCAST: FEM 기반으로 세부 결함 분석에 유리.
      • FLOW-3D: FDM 기반으로 액체 유동 및 표면 결함 추적에 강점.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 주조 재료 및 공정 변수에 대한 추가 비교 연구.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 주조 결함 예측 모델 개발.
    • 산업 현장 적용을 위한 최적 HPDC 공정 설계 및 실증 실험 수행.

연구의 의의

이 연구는 ProCAST 및 FLOW-3D 시뮬레이션을 통한 HPDC 공정의 비교 분석을 통해 최적의 소프트웨어 선택 가이드라인을 제공하며, 자동차 및 항공우주 산업의 주조 품질 향상 및 생산성 증대에 기여할 수 있다​.

Reference

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  7. Information on http://www.flow3d.com.
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Welding

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

Reference

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FLOW Vector

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

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

연구 배경 및 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론 및 향후 연구

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

연구의 의의

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

Reference

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Scouring

FLOW-3D Modelling of the Debris Effect on Maximum Scour Hole Depth at Bridge Piers

교각 주변 최대 세굴 깊이에 대한 부유물(Debris)의 영향 분석: FLOW-3D 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥의 침식을 유발하여 교량의 구조적 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
    • 홍수 시에는 유량 증가와 부유물 증가로 인해 세굴 현상이 더욱 심화된다.
    • 부유물은 교각 주변에 쌓여 흐름을 방해하고, 난류(Turbulence) 증가 및 전단응력(Shear Stress) 증대로 이어져 세굴을 악화시킨다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D CFD 모델을 사용하여 부유물 형태 및 위치가 원형 교각 주변의 최대 세굴 깊이에 미치는 영향을 평가.
    • 삼각형 및 직사각형 부유물을 수면에 떠있는 경우(floating)와 하상(sand bed)에 놓인 경우로 구분하여 비교.
    • 실험 결과와의 비교 검증을 통해 모델의 신뢰성을 평가.

연구 방법

수치 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • FLOW-3D 소프트웨어를 활용한 3차원 CFD 해석 수행.
  • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 흐름을 모델링.
  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 통해 자유 수면(free surface)을 추적.
  • 모델 검증:
    • Robalo (2014)의 실험 데이터를 사용하여 평균 속도 및 세굴 깊이 비교.
    • 실험 채널은 길이 12.0m, 폭 0.83m, 높이 1.0m의 직사각형 콘크리트 플룸(fluvial hydraulic channel) 사용.
  1. 부유물(Debris) 유형 및 조건
    • 부유물 형태: 삼각형(Triangular) 및 직사각형(Rectangular).
    • 부유물 위치:
      • 수면(floating debris): 부유물이 흐름을 막아 세굴을 증대시킴.
      • 하상(sand bed debris): 세굴 억제(countermeasure) 역할을 하여 세굴 깊이를 줄이는 효과.
    • 하상 재료:
      • 천연 석영 모래(Quartz Sand) 사용, D50 = 0.86 mm, 밀도 2666 kg/m³.
      • 평균 접근 유속(U) = 0.317 m/s, 수심 0.15 m 설정.
  2. 모델 검증 및 비교 분석
    • FLOW-3D 결과와 실험 결과 비교:
      • 평균 속도 프로파일 비교 시, 실험과 유사한 흐름 발달을 보여 모델의 신뢰성 확보.
      • 그러나 이동 가능한 하상(movable bed)을 적용했을 때, 평균 30%의 편차가 발생.
    • Shields (1936) 기준과의 비교:
      • 실험에서는 Neil (1967) 및 Garde (1970) 공식을 사용하여 한계 유속(Uc) 0.314 m/s를 평가.
      • FLOW-3D에서는 Shields 기준(Uc 0.403 m/s)을 사용하여 20% 높은 값을 적용.
      • 이는 세굴 깊이 과소 예측의 주요 원인으로 분석.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 및 부유물 영향 비교
    • 부유물 없는 경우:
      • 세굴 깊이 0.06 m.
    • 부유물 유형에 따른 세굴 깊이:
      • 직사각형 부유물(수면): 세굴 깊이 0.07 m (가장 큰 세굴).
      • 삼각형 부유물(수면): 세굴 깊이 0.05 m.
      • 삼각형 부유물(하상): 세굴 깊이 0.04 m, 세굴 감소 효과 ≈ 40%.
  2. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • 고정된 하상(fixed bed) 시뮬레이션에서는 실험과 높은 일치도를 보임.
    • 그러나 이동 가능한 하상(movable bed) 적용 시, 실험 결과와 평균 30% 편차 발생.
    • Shields 기준의 한계:
      • Uc 평가 방법의 차이가 주요 원인으로 분석.
      • Shields 기준은 한계 전단응력(Threshold Shear Stress)을 과대 평가하여 세굴 깊이를 과소 예측.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 모델은 부유물 유형 및 위치에 따른 세굴 깊이 변화를 예측할 수 있음.
    • 수면에 떠 있는 직사각형 부유물이 세굴을 가장 크게 증가시키며, 삼각형 부유물(하상)은 세굴을 줄이는 효과가 있음.
    • Shields 기준의 적용이 세굴 깊이 과소 예측의 원인으로, 국내 하천 조건에 맞는 보정 필요.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 난류 모델(예: LES, k-ω 모델) 적용 및 비교.
    • 다양한 하상 조건 및 교각 형상에 대해 추가 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 세굴 예측 모델 개발.
    • 부유물의 재질, 크기 및 배열에 따른 세굴 영향 연구.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용한 교각 주변 부유물의 세굴 영향 분석을 통해 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 데이터를 제공하며, 홍수 시 구조물 안전성을 높이는 데 기여할 수 있다​.

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FLOW-3D MESH

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

고압 다이캐스팅에서 공기 배출구 및 이젝터 핀에서 발생하는 유동 손실 특성화

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

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Welding

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

FLOW-3D를 이용한 알루미늄 합금 레이저 용접의 CFD 시뮬레이션

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

Reference

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Numerical-modelling

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

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

연구 목적

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

연구 방법

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

주요 결과

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

결론

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

Reference

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Filling

Assessment of Casting Filling and Solidification by Numerical Simulations and Experimental Validation

주조 충진 및 응고 과정의 수치 시뮬레이션과 실험적 검증

연구 목적

  • 본 논문은 FLOW-3D를 활용하여 주조 과정에서의 충진(filling) 및 응고(solidification) 현상을 수치적으로 분석함.
  • 실험 데이터를 바탕으로 시뮬레이션 결과를 검증하고, 주조 결함(defects) 발생 메커니즘을 연구함.
  • 유동 거동 및 응고 과정이 주조물의 품질에 미치는 영향을 평가함.
  • 주조 공정 최적화를 위한 수치 해석 기법의 적용 가능성을 검토함.

연구 방법

  1. 주조 공정 모델링
    • 실험적으로 알루미늄 합금(A356) 주조를 수행하고, 충진 및 응고 과정을 분석함.
    • 주조물 형상, 주입 온도, 유량 조건 등을 고려하여 3D 모델을 생성함.
    • 실험 데이터를 통해 응고 과정에서의 열전달 및 수축 결함을 측정함.
  2. FLOW-3D 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 적용하여 충진 과정을 모델링함.
    • 응고 모델을 사용하여 열전달 및 상변화(phase change) 과정을 해석함.
    • 난류 모델로 k−εk-\varepsilonk−ε 방정식을 채택하여 충진 시 유동 특성을 평가함.
  3. 결과 비교 및 검증
    • 실험 데이터를 바탕으로 충진 패턴 및 기공 형성을 시뮬레이션 결과와 비교함.
    • 주조물 내부의 온도 분포 및 응고 속도를 검토하여 모델 신뢰성을 평가함.
    • 실험적으로 관찰된 수축 기공(shrinkage porosity)과 시뮬레이션 예측 결과를 비교함.
  4. 추가 분석
    • 충진 속도, 금형 온도, 냉각 속도 등 다양한 공정 조건 변화가 주조 품질에 미치는 영향을 분석함.
    • 주조물의 내부 결함을 최소화하기 위한 설계 변경 가능성을 평가함.
    • 향후 연구 방향으로 다중 재료 주조 및 복합 냉각 시스템을 고려함.

주요 결과

  1. 충진 패턴 및 유동 거동
    • 충진 과정에서 난류 유동이 발생하며, 금형 형상에 따라 국부적 와류(vortex)가 형성됨.
    • 충진 속도가 과도하게 높을 경우 기공이 증가하며, 용탕 내 공기 혼입이 심화됨.
    • 적절한 게이트 및 러너 설계를 통해 균일한 충진 패턴을 확보할 수 있음.
  2. 응고 거동 및 수축 기공 형성
    • 냉각 속도가 빠를수록 미세한 결정립 구조가 형성되며, 수축 기공이 감소하는 경향을 보임.
    • 주조물의 중심부에서 응고 지연이 발생하며, 이로 인해 수축 기공이 집중됨.
    • 냉각 채널을 최적화함으로써 내부 결함을 줄일 수 있음.
  3. 시뮬레이션과 실험 비교
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과는 실험 데이터와 90% 이상의 상관성을 보이며, 높은 신뢰성을 나타냄.
    • 응고 과정에서의 미세한 열전달 차이로 인해 일부 국부적 오차(약 3~5%)가 발생함.
    • 모델 개선을 위해 고급 열전달 모델 및 미세구조 형성 모델을 추가적으로 고려해야 함.
  4. 주조 공정 최적화 방안
    • 충진 속도 조절 및 냉각 경로 최적화를 통해 내부 결함을 최소화할 수 있음.
    • 냉각 속도 조절을 통해 미세조직을 균일화하고, 주조물의 기계적 특성을 향상시킬 수 있음.
    • 향후 연구에서는 다중 재료 및 복합 냉각 시스템을 적용한 추가적인 시뮬레이션이 필요함.

결론

  • FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션은 주조 충진 및 응고 과정의 분석에 효과적임.
  • 실험 데이터를 기반으로 모델을 검증한 결과, 높은 정확성을 보임.
  • 냉각 속도 및 충진 조건이 주조 결함 발생에 중요한 영향을 미침.
  • 향후 연구에서는 다중 재료 주조 및 복합 냉각 시스템 적용이 필요함.

Reference

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