FLOW-3D를 이용한 다양한 곡률을 갖는 횡월류 위어의 유량계수 산정
연구 배경 및 목적
- 문제 정의:
- 횡월류 위어(Side Weir)는 인공수로나 자연하천에서 홍수 조절, 취수 및 배수 등의 목적으로 사용되며, 유량 조절의 핵심 요소이다.
- 특히 만곡수로(Meandering Channel)에서는 곡률 반경이 유량계수(Discharge Coefficient, CmC_mCm)에 미치는 영향이 크며, 정확한 유량계수 산정이 필요하다.
- 기존 연구들은 주로 직선 수로에서 수행되었으며, 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수 연구는 부족한 실정이다.
- 연구 목적:
- FLOW-3D 수치 모델을 이용하여 곡률 반경 변화에 따른 횡월류 위어의 유량계수를 분석.
- 직선 수로와 만곡 수로에서의 유량계수를 비교하여 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 규명.
- 기존 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
- 모델링 및 실험 설정
- FLOW-3D를 사용하여 만곡수로(180°) 및 직선 수로를 모델링.
- 유량계수 산정을 위해 곡률 반경(RcR_cRc)과 수로 폭(bbb)의 비율(Rc/bR_c/bRc/b)을 변화시키며 시뮬레이션 수행.
- 기존 연구(Agaccioglu, 1998)에서 수행된 수리 실험 데이터를 활용하여 모델 검증.
- 위어 높이(www), 위어 폭(LLL), 유입 유량(QQQ) 등의 변수 변경을 통해 유량계수 변화 분석.
- FLOW-3D 시뮬레이션 설정
- VOF (Volume-of-Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 모의.
- FAVOR (Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 방법을 사용하여 횡월류 위어의 구조적 형상을 정확히 표현.
- RNG k−εk-\varepsilonk−ε 난류 모델을 사용하여 난류 유동 해석 수행.
- 격자(Grid) 설정 최적화:
- 기본 격자 크기: 2cm × 2cm × 2cm.
- 횡월류 위어 주변의 정밀 해석을 위해 0.5cm 크기의 세부 격자 적용.
주요 결과
- 곡률 반경 변화에 따른 유량계수 분석
- Rc/bR_c/bRc/b 비율이 작아질수록(즉, 곡률 반경이 작아질수록) 횡월류 위어의 유량계수 감소.
- Rc/bR_c/bRc/b가 1.25 이하가 되면 유량계수가 다시 증가하는 경향을 보임.
- 최대 유량계수는 Rc/b=0.5R_c/b = 0.5Rc/b=0.5에서 발생.
- 직선 수로 대비 만곡 수로에서 유량계수가 최대 20% 이상 감소할 수 있음.
- 유량 변화에 따른 유량계수 변화
- 유입 유량이 증가할수록 유량계수 또한 증가하는 경향을 보임.
- 곡률 반경이 작을수록 유량이 증가할 때 유량계수 변화 폭이 커짐.
- Rc/b=2.5R_c/b = 2.5Rc/b=2.5일 때, 유량 증가에 따른 유량계수 변화가 가장 적음.
- FLOW-3D 모델 검증 및 비교 분석
- FLOW-3D 결과와 기존 실험 데이터(Agaccioglu, 1998) 비교 결과 높은 신뢰도(R² > 0.95) 확인.
- 프루드 수(FrFrFr) 증가에 따른 유량계수 변화 경향이 실험 결과와 유사.
- 기존 연구와 비교하여 3차원 유체 시뮬레이션이 만곡수로 내 유동 해석에 효과적임을 입증.
결론 및 향후 연구
- 결론:
- FLOW-3D는 횡월류 위어의 유량계수를 산정하는 데 신뢰성 높은 모델임을 입증.
- 곡률 반경(RcR_cRc)이 작아질수록 유량계수가 감소하지만, 특정 임계값(Rc/b=1.25R_c/b = 1.25Rc/b=1.25 이하) 이후에는 다시 증가.
- 직선 수로 대비 만곡 수로에서의 유량계수 차이를 보정하는 새로운 유량계수 산정 방법 제안 가능.
- 향후 연구 방향:
- 다양한 위어 형상(삼각형, 반원형 등)에 따른 유량계수 변화 연구.
- 만곡수로에서의 2차 흐름과 와류(Vortex)가 유량계수에 미치는 영향 분석.
- 실제 하천 및 저류지 적용을 위한 대규모 실험 검증 연구 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 횡월류 위어의 유량계수를 수치적으로 분석하고, 기존 실험 데이터와 비교하여 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 곡률 반경이 유량계수에 미치는 영향을 정량적으로 제시하며, 향후 수로 설계 및 홍수 관리 시스템 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.
Reference
- 서일원, 성기훈, 백경오, 정성진 (2004). 사행수로에서 흐름특성에 관한 실험적 연구. 한국수자원학회논문집, 37(7), 527-540.
- 이두한, 이찬주, 김명환 (2005). 복단면 사행 하도의 흐름 특성에 대한 실험 연구. 대한토목학회 논문집, 25(3B), 197-206.
- 이종태, 윤세의 (1991). 만곡부 곡률의 연속적 변화와 흐름특성. 대한토목학회 학술발표회 개요집, 394-397.
- 윤세의, 이종태 (1990). 만곡수로에서의 곡률반경 변화에 따른 흐름특성. 한국수문학회지, 23(4), 435-444.
- Agaccioglu, H., Yalcin, Y. (1998). Side-Weir Flow in Curved Channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 124(3), 163-175.
- Agaccioglu, H., Ali, C. (2004). Discharge Coefficient of a Triangular Side-Weir Located on a Curved Channels. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 130(5), 410-423.
- Cheong, H. F. (1991). Discharge coefficient of lateral diversion from trapezoidal channel. Journal of Irrigation and Drainage Engineering, 117(4), 461-475.
- Uyumaz, A. (1997). Side Weir in U-Shaped Channels. Journal of Hydraulics Engineering, 123(7), 639-646.