Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.

본 소개 자료는 International Symposium on Hydraulic Structures에서 발행한 “Performance Assessment of FLOW-3D and XFlow in the Numerical Modelling of Fish-bone Type Fishway Hydraulics” 논문을 기반으로 합니다.

Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 어도(Fishway)는 물고기의 이동을 돕기 위해 설계된 수리 구조물이며, 수력학적 특성이 어류 이동에 미치는 영향을 평가하는 것이 중요함.
  • 기존 수리 모델링 방법은 주로 실험적 접근법을 사용하였으며, 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석이 널리 적용되고 있음.
  • 기존의 **격자 기반(mesh-based) CFD 방법(FLOW-3D)**과 비격자(meshless) CFD 방법(XFlow) 간의 성능 차이를 평가하는 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D(FVM 기반)와 XFlow(Lattice Boltzmann Method 기반)의 수리학적 모델링 성능을 비교 분석.
  • 어류 이동과 관련된 유동 구조(유속, 난류 특성, 흐름 깊이)를 평가하고 두 모델의 정확성을 비교.
  • 실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 두 모델의 신뢰성을 검증.

연구 방법

어도(Fishway) 모델 설정

  • 실험 환경: 길이 10m, 너비 1m의 실험 수로(flume) 내 fish-bone 형태 어도 모델 구축.
  • FLOW-3D 모델 설정:
    • 격자 기반(FVM) 방식 적용
    • VOF(Volume of Fluid) 기법 활용
    • 난류 모델: LES(Large Eddy Simulation) 사용
  • XFlow 모델 설정:
    • 입자 기반 Lattice Boltzmann Method(LBM) 사용
    • 난류 모델: Wall-Adapting Local Eddy(WALE) 적용
  • 경계 조건:
    • 유입 유량: 0.016 m³/s 및 0.075 m³/s
    • 유출 경계: 압력 고정 조건 적용

주요 결과

유동 구조 분석

  • 유속 및 흐름 깊이
    • FLOW-3D는 유동 패턴을 실험값과 99% 이상 일치하게 예측, XFlow는 89%의 정확도를 보임.
    • 높은 유량(0.075 m³/s)에서는 두 모델 모두 유사한 유속 분포를 보였으나, 낮은 유량(0.016 m³/s)에서는 XFlow의 정확도가 낮음.
  • 난류 특성 분석
    • FLOW-3D가 블록 후류 영역에서의 와류(Swirling Flow)를 보다 정밀하게 포착.
    • XFlow는 격자 해상도를 높이지 않으면 난류 구조를 정확히 표현하지 못함.

계산 비용 및 효율 비교

  • FLOW-3D는 시뮬레이션 정확도가 더 높지만, 계산 시간이 평균 9시간 소요.
  • XFlow는 7시간 내에 시뮬레이션을 완료하지만 정확도가 다소 낮음.
  • XFlow는 해상도를 증가시키면 정확도가 향상되지만 계산 시간이 4일로 증가.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D는 유동 구조 및 난류 특성을 보다 정밀하게 예측하며, 실험 결과와의 일치도가 높음.
  • XFlow는 상대적으로 빠른 계산 속도를 제공하지만 정확도가 다소 떨어짐.
  • FLOW-3D는 고해상도 격자 설정이 가능하여 복잡한 흐름을 모델링하는 데 더 적합함.

향후 연구 방향

  • 다양한 어도 설계(블록 배열, 경사 변화)에 대한 추가 연구 수행.
  • 고해상도 XFlow 모델링을 통한 정확도 개선 연구.
  • 실제 어류 이동 데이터를 활용한 모델 보정 및 최적화 연구 진행.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D와 XFlow의 수리학적 성능을 비교하고, 어도(Fishway) 모델링에서의 적용 가능성을 평가하였다. 결과적으로 FLOW-3D가 보다 높은 정확성을 보이며, 수리 구조물 설계 최적화에 중요한 도구가 될 수 있음을 확인하였다.

Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
Figure 3. Stream traces for (a) FLOW-3D and (b) XFlow at 0.075 m3 /s.
Figure 3. Stream traces for (a) FLOW-3D and (b) XFlow at 0.075 m3 /s.

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