Figure 4 Simulated velocity magnitude

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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