scouring

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 원형 교각 주변 국부 세굴의 3차원 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥의 침식으로 인해 구조물의 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
  • 연구 목적: FLOW-3D를 활용하여 교각 주변의 국부 세굴 형상을 3D 시뮬레이션하고, 실험 데이터를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하는 것이다.
  • 핵심 기여:
    • FLOW-3D를 활용한 CFD 모델 개발: 유체 흐름과 퇴적물 이동을 고려한 세굴 시뮬레이션.
    • 실험 결과와 비교 검증: Melville 실험 데이터를 바탕으로 모델 검증 및 정확도 평가.
    • 세굴 깊이 예측 및 설계 최적화: 교각 설계 및 유지관리 전략에 적용 가능.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 난류 모델 적용
    • Navier-Stokes 방정식 기반 CFD 해석 수행.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 교각 주변 난류 구조를 해석.
  2. 세굴 모델링
    • Meyer-Peter & Müller 공식을 사용하여 침식 및 퇴적 거동 해석.
    • Shields Parameter를 적용하여 세굴 발생 임계값 예측.
    • Melville 실험 모델과 동일한 유속(0.25 m/s) 및 입자 크기(0.385 mm) 설정.
  3. 메쉬 설정 및 경계 조건
    • 격자 독립성 검토: 1~30 mm의 다양한 격자 크기를 적용하여 최적의 메쉬 크기(5 mm) 선정.
    • 경계 조건:
      • 입구: 일정한 유속(0.25 m/s) 설정.
      • 출구: 자유 유출 조건 적용.
      • 하천 바닥: 이동 가능 침전층(Sediment Bed)으로 설정.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 비교
    • 실험 값: 4.00 cm
    • Flow-3D 예측값: 3.6 cm (실험 대비 오차 10%)
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 상관관계 확인.
  2. 유동장 및 세굴 형상 분석
    • 세굴 패턴: 교각 전면부에서 강한 와류(Horseshoe Vortex) 발생 → 침식 심화.
    • 교각 후류(Downstream) 영역: 유속이 급격히 감소하며 침전 형성.
    • RNG k-ε 모델 적용 효과: 세굴 깊이 및 와류 구조를 효과적으로 예측.
  3. 메쉬 크기의 영향
    • 5mm 이하의 세밀한 격자에서 최적의 결과 도출.
    • 30mm 이상의 거친 격자에서는 세굴 깊이가 과소 예측됨.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D 기반 세굴 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • RNG k-ε 난류 모델이 교각 주변의 난류 구조 및 세굴 깊이 예측에 적합함을 입증.
  • 향후 연구에서는 LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교, 다양한 교각 형상 및 유량 조건에서 추가 검증이 필요.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 교각 주변 국부 세굴을 정량적으로 분석하는 방법론을 제시하며, 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 활용될 수 있는 중요한 기초 데이터를 제공한다​.

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