Spur Dike 주변 유동 및 국부 세굴의 3차원 수치 시뮬레이션
연구 배경 및 목적
문제 정의: Spur Dike(수로 둑)는 강변 보호 및 수로 흐름 조절을 위해 사용되며, 구조물 주변의 복잡한 난류 및 세굴 현상이 발생한다. 이는 구조물의 안정성과 유지보수에 큰 영향을 미친다.
연구 목적:
- FLOW-3D를 이용하여 Spur Dike 주변 유동장 및 세굴 과정을 수치적으로 분석.
- 난류 모델(RNG k-ε)과 세굴 모델(Shields number 기반) 적용하여 세굴 깊이 및 흐름 변화 예측.
- 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확도를 검증하고, 세굴 메커니즘을 이해.
연구 방법
Spur Dike 및 유동 모델링
- Spur Dike는 비침수(non-submerged) 조건으로 설정.
- 연속 방정식 및 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 유동 해석 수행.
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
- 세굴 모델: Shields number를 적용한 이동 가능 하상 모델.
- 난류 모델: RNG k-ε 모델 사용.
경계 조건 및 격자 설정
- 유입: 0.29m/s 속도의 입구 유동 경계 조건 적용.
- 유출: 자유 유출(outflow) 경계 설정.
- 하천 바닥: 이동 가능한 침전층으로 설정(평균 입자 크기 0.145cm, 비중 1.9g/cm³).
- 격자 수: 약 600,000개 비균일(non-uniform) 격자 사용.
주요 결과
유동장 및 난류 특성 분석
- Spur Dike 후류(wake zone)에서 시계방향 와류(clockwise vortex) 발생, 이는 불규칙한 타원형 형태를 보임.
- 유속 분포 분석 결과:
- Spur Dike 전면에서 최대 유속 0.56m/s까지 증가 후 급감.
- Dike 후방에서 속도 회복 및 역류(backflow) 형성.
- Horseshoe Vortex(말굽 와류)가 세굴 형성의 주요 원인.
세굴 과정 및 형상 변화
- 세굴 과정은 초기 단계 → 주요 세굴 단계 → 균형 단계의 3단계로 구분.
- 주요 세굴 단계에서 침수 유동과 말굽 와류가 강하게 형성, 세굴 깊이 급격히 증가.
- 균형 단계에서는 유속이 감소하며 세굴 진행이 멈춤.
- 실험과 비교 시 최대 세굴 깊이 7.8cm, 경사 35°로 유사한 결과 도출.
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D 기반 세굴 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
- Spur Dike 주변 침수 유동과 말굽 와류가 주요 세굴 요인임을 입증.
- 세굴 깊이는 초기 및 주요 세굴 단계에서 대부분 결정되며, 이후 큰 변화 없음.
- 난류 및 퇴적물 이동의 복잡성으로 인해 실험값과의 완벽한 일치는 어렵지만, 전반적으로 유사한 패턴을 보임.
향후 연구 방향
- 다양한 Spur Dike 형상 및 배치에 따른 유동 변화 분석.
- LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 검토.
- 세굴 예측 모델 개선을 위한 추가적인 실험 검증 수행.
연구의 의의
이 연구는 Spur Dike 주변 세굴의 수치적 분석을 수행하여, 유동 및 세굴 형상의 변화 원인을 규명하였다. 하천 구조물의 안정성 평가 및 설계 최적화에 기여할 수 있는 실용적 모델을 제시하였다.
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