Design of a Sewer Transition

Design of a Sewer Transition

This article was contributed by Daniel Valero, Rafael García-Bartual, Ignacio Andrés and Francisco Valles of the Polytechnic University of Valencia.

2010년 12월 새로운 고속 열차 MADRID-VALENCIA가 개통 되었습니다. 공사 전에 극복해야 할 많은 기술적인 문제들 중 하나는 도심에서의 철도 진입이었습니다. 터널로 구성되어 있었기 때문에 발렌시아에서 주요 하수도를 벗어나게 되었습니다. 교차의 길이는 143m이며, 아래에 자세히 설명된 복잡한 유압 설계를 포함하여 기존의 경사면과 단면에 대한 중요한 변경사항이 적용됩니다. 그것의 유압 성능은 FLOW-3D로 수치 시뮬레이션과 발렌시아 공과대학의 유압실험실에서 물리적 모델을 모두를 사용하여 검증하였습니다. 최대 용량이 100 m3/s 인 경우 테스트가 수행되었습니다.

The Sewer                          

그림 1은 배수관의 기하학적 설계에 대한 주요 특징을 보여 줍니다. 여기에는 철도터널을 통과한 직후 표준 WES 프로파일이 포함됩니다. 이 weir는 높은 유속으로 초 임계 흐름을 가합니다. 하류에 바람직하지 않은 유량조건의 형성을 방지하기 위해, 습지 바로 아래에 계단식 유역을 설계했습니다. 이러한 장치는 연결된 하류 하수도에서 높은 에너지 손실과 임계 유동조건을 수반하는 유압을 가합니다. 다양한 방출 조건에서 흐름의 거동을 유지하기 위해, 채널 내 삼각형 블록의 두 개 세로 행에 포함되었고, 유압 점프를 유지하기 위해 에너지 소산기로 작동했습니다. 그 계단의 길이에서 수압 점프. 새로운 변형 채널과 기존 도달 지점(upstream and downstream)사이는 기하학적 요소로 부드럽게 연결합니다.(그림 2).

Figure 1. Geometry of the sewer

Figure 2. Reach 2 of the sewer

FLOW-3D Simulations

문제의 정확한 해결을 위해 계산 리소스를 최적화하며, 하수구를 여러 범위로 나누어 유압 솔루션의 연속성을 높였습니다. 또한 각 범위에서 미세한 격자를 형성하였습니다. 정수지에서 가장 복잡한 흐름이 발생하기 때문에 이러한 영역은 윤곽선과 하단 블록에서 중앙 흐름 영역에 이르기까지 셀 크기가 점차적으로 변하면서 최고 해상도 (6.000.000격자)로 해결합니다 hydraulic jump에 대한 해석 영상은 이 기사의 끝에서 확인할 수 있습니다.

Figure 3. Velocity magnitude distribution

Figure 4. Turbulent kinetic energy distribution.

Figure 5. Air entrained prediction with turbulent air entrainment model

k-e RNG난류모델이 선택되었으며, explicit 2차 보존방법을 적용하였습니다. Split Lagrangian방법은 자유 표면의 구현을 위해 사용되었습니다. steady state, Transient state의 흐름은 Coarser메쉬로 시뮬레이션 하였습니다. 그림 3과 4는 수치 시뮬레이션의 관련 결과를 보여 줍니다. 또한 유압 점프의 수치 시뮬레이션을 보여주는 동영상은 이 기술노트에 첨부합니다.

유압 점프에서 발생하는 air-entrainment현상, 특히 난류와 자유 표면 사이의 상호 작용을 설명하기 위해 추가 시뮬레이션이 수행되었습니다. 그림 5는 밀도 옵션을 선택한 상태에서 FLOW-3D의 air entrainment model을 사용한 결과와 Cair = 0.5의 기본 계수를 사용한 결과를 보여 줍니다.

Comparison with the Physical Model

발렌시아 Polytechnic University의 수압 실험실에 실물 모형을 구축하였습니다. 모형에 사용된 척도는 1/20이었습니다. 그림 6은 weir 상단 바로 위에 있는 임계 단면의 프로파일을 보여 줍니다. 발견된 평균 깊이의 오차는 1.3% 였습니다. 유동의 다른 구조적 특성은 FLOW-3D에 의해 적절하게 재현되었다. 예를 들어, 예를 들어, 하수도가 만곡된 범위에 따른 자유 표면의 형상과 Weir의 상류로의 흐르는 자유 표면의 현상입니다.

Figure 6. Relative error at the critical section. Comparison between FLOW-3D, physical model, and HEC-RAS (US Army Corps of Engineers).

Conclusions

실험실 결과와 FLOW-3D시뮬레이션 간의 약간의 차이가 확인되지만 연구 결과는 매우 만족스럽습니다. 아래 동영상을 통해 실험 및 수치해석 결과를 비교해 보시길 바랍니다.
FLOW-3D는 가능한 많은 형상 또는 유압 설계를 테스트할 때 실험실의 실험 횟수를 줄일 수 있습니다. 또한 FLOW-3D의 파일이 속도, 와도, 난류 등과 같은 관련 분야의 상세한 시공간 분포를 제공하므로 최종 설계와 관련하여 실험실에서 수행 된 결과와 측정을 확장하는 데 도움이 될 수 있습니다. 결합된 기술은 연구에서 언급한 것과 같은 유압 기반시설의 설계, 검증 및 최적화를 위한 강력한 도구입니다.