FLOW-3D를 이용한 강 곡류에서 L자형 Spur Dike 주변 유속 분포에 대한 수리학적 조건 변화의 영향 분석
연구 배경 및 목적
문제 정의
- 하천에서 침식 및 퇴적 문제는 지속적인 문제로, 강변 보호 및 수로 안정화를 위해 Spur Dike(사석 둑)이 널리 사용됨.
- 특히, 곡류(river bend)에서는 원심력 및 부차류(secondary flow)로 인해 침식이 심화되므로, 효과적인 구조물 설계가 필수적임.
- 기존 연구는 주로 직선 수로에서의 Spur Dike 영향을 다루었으며, 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike의 유동 및 침식 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
- FLOW-3D를 활용하여 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike가 유속 및 침식 패턴에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
- Spur Dike의 배치 각도(30°, 45°, 60°, 75°, 90°)와 유량 변화(18, 20, 22, 25 L/s)가 유속 및 난류 강도에 미치는 영향 비교.
- 최적의 Spur Dike 배치 조건을 도출하여 침식 저감을 위한 설계 지침 제공.
연구 방법
수치 모델(FLOW-3D) 설정
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 추적.
- RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 특성 모사.
- 격자(cell) 크기 0.1m, 총 2,061,329개 셀 사용.
- 경계 조건:
- 유입부: 실험에서 측정된 유량 조건 적용.
- 유출부: 하류 수위 적용.
- Spur Dike 길이: 15cm, 배치 각도: 30°~90°(15° 간격).
주요 결과
Spur Dike 배치 각도와 유속 분포
- Spur Dike의 각도가 작을수록(30°) 유속 및 난류 강도가 높았음.
- 90° 배치에서는 유속 감소 및 난류 강도 최소화 → 즉, 곡류 후반부의 Spur Dike는 효과가 감소함.
- Spur Dike 배치를 30°, 45°, 60°에서 집중하는 것이 효과적이며, 75° 및 90°에서는 추가적인 효과가 미미함.
유량 변화와 침식 영향
- 유량 증가(18 → 25 L/s) 시, Spur Dike 전면에서 유속 및 난류 강도 증가.
- Froude 수 증가 시, Spur Dike 전면 및 하류 침식 심화.
- 두 개 이상의 Spur Dike가 배치될 경우, 첫 번째 Spur Dike에서 난류 및 침식이 집중됨.
결론 및 향후 연구
결론
- FLOW-3D를 활용한 수치 해석 결과, Spur Dike의 배치 각도에 따라 유속 및 침식 패턴이 크게 달라짐을 확인.
- Spur Dike를 30°, 45°, 60°에 배치하는 것이 난류 및 침식을 줄이는 데 효과적.
- 90°에서 Spur Dike의 영향이 급격히 감소하므로 추가 설치는 비효율적.
- 유량이 증가할수록 Spur Dike 전면에서 난류가 증가하며, 침식이 심화됨.
향후 연구 방향
- LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
- 다양한 Spur Dike 형상(T자형, U자형)과 비교 분석.
- 실제 하천에서의 실험적 검증 수행.
연구의 의의
이 연구는 180도 곡류에서 L자형 Spur Dike의 유속 및 침식 패턴을 FLOW-3D를 이용해 분석한 연구로, 하천 정비 및 침식 방지를 위한 최적 설계를 위한 기초 데이터를 제공한다.
References
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