Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3 /s in the area of the broad-crested weir.

본 소개 논문은 Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics에서 발행한 논문 “Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested Weir”의 연구 내용입니다.

Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3 /s in the area of the broad-crested weir.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.

1. 서론

  • 넓은 마루 위어(Broad-Crested Weir, BCW)는 수리학적 구조물로서 홍수 조절, 유량 측정 및 관개 시스템에서 활용됨.
  • BCW의 형상, 특히 사다리꼴 형태는 유량 및 에너지 손실에 영향을 미칠 수 있으며, 기존 실험적 연구와 함께 수치 모델링이 중요함.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D 및 SSIIM 2 소프트웨어를 사용하여 사다리꼴 BCW의 유동 특성을 분석하고, 수치 결과를 물리 실험 결과와 비교하여 모델링 정확도를 평가함.

2. 연구 방법

FLOW-3D 및 SSIIM 2 기반 CFD 모델링

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
  • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
  • SSIIM 2는 적응형(adaptive) 격자를 사용하며, Marker-and-Cell(MAC) 접근법을 적용하여 자유 수면을 계산.
  • 경계 조건 설정:
    • 유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
    • 유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
    • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

FLOW-3D와 SSIIM 2 결과 비교

  • 두 모델 모두 물리 실험 결과와 유사한 자유 수면 프로파일을 예측하였으며, 계산된 유량 계수(Discharge Coefficient, Cd)는 실험 값과 ±3% 이내의 차이를 보임.
  • FLOW-3D는 격자가 고정되어 있으며, 평균 435~550초의 계산 시간이 소요됨.
  • SSIIM 2는 적응형 격자를 사용하여 격자 수가 변하며, 계산 시간이 12,500~15,500초로 상대적으로 길었음.
  • 유량 변화(Q = 0.0181 ~ 0.0055 m³/s)에 따른 자유 수면 프로파일 분석 결과, 두 모델 간 수위 차이는 1~1.5% 범위 내에 존재.

압력 및 유속 분포 분석

  • FLOW-3D의 결과에서는 위어 전면부에서 압력이 최대치를 기록하며, 후면부에서는 압력이 급격히 감소.
  • SSIIM 2에서도 유사한 압력 분포가 확인되었으나, 자유 수면 프로파일 계산에서 다소 차이가 발생.
  • 속도 벡터 분석 결과, 위어 전면부에서 흐름이 가속되고 후면부에서 난류 강도가 증가하는 패턴이 관측됨.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 및 SSIIM 2를 활용한 시뮬레이션은 사다리꼴 BCW 유동 해석에서 높은 신뢰도를 보였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 타당성이 검증됨.
  • FLOW-3D는 고정 격자와 높은 계산 효율성을 제공하며, SSIIM 2는 적응형 격자를 활용하여 자유 수면의 변화를 보다 세밀하게 반영.
  • 전체적인 Cd 값은 실험 데이터와 잘 일치하며, 실험과의 평균 오차율이 3% 이내임.

향후 연구 방향

  • 3D 모델링을 활용하여 더욱 정밀한 유동 분석 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과의 비교 연구 필요.
  • 자연 하천 환경에서의 적용 가능성을 평가하기 위한 추가 연구 필요.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 및 SSIIM 2를 이용하여 사다리꼴 BCW에서의 유동 특성을 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 및 유량 측정 기술 향상에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.
Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3 /s in the area of the broad-crested weir.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.

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