그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교

FLOW-3D를 이용한 도류벽식 어도내의 흐름해석

그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 하천 횡단 구조물(보, 낙차공 등)의 설치로 인해 어류의 이동이 제한되는 문제가 발생함.
  • 이를 해결하기 위해 어도(fishway)가 설치되지만, 현재 어도 설계는 어류의 이동 특성과 유동 특성을 충분히 고려하지 못하고 있음.
  • 기존 연구는 주로 수리 실험(laboratory experiment)에 의존했으나, 이는 시간·비용의 제약이 크므로 수치 해석(numerical simulation)을 통한 검토가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도(Baffled Fishway) 내 유동 특성을 수치적으로 해석.
  • 수리 실험 결과와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 평가.
  • 어도 내 유속 분포 및 난류 특성을 분석하여 최적의 설계 방안을 도출.

연구 방법

수리 실험(Laboratory Experiment)

  • 길이 25m × 폭 0.8m × 높이 0.8m의 개수로(rectangular flume)에서 실험 수행.
  • 0.45m × 0.007m × 0.4m 크기의 도류벽(baffles) 5개 배치.
  • 유량 조건: 46 L/s
  • 유속 측정 위치: 도류벽 중앙 및 하류 3개 지점

수치 모델(FLOW-3D) 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델 적용.
  • 격자(cell) 크기 0.015m, 비균일(non-uniform) 격자 적용.
  • 경계 조건:
    • 유입부: 실험 유량(46 L/s) 적용.
    • 유출부: 자유 방출 조건 적용.
    • 바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.

주요 결과

유속 분포 분석

  • 수리 실험과 FLOW-3D 결과 비교 시, 최대 오차율 13% 이내로 나타남.
  • 도류벽과 도류벽 사이에서는 유속 변화가 크며, 도류벽 중앙부에서 난류 강도가 증가.
  • FLOW-3D 결과가 실험 결과와 유사한 경향을 보이며, 신뢰성이 높음.

최대 유속 발생 지점 비교

  • 최대 유속 발생 위치는 실험과 수치 모델에서 유사하게 나타남(오차율 6%).
  • 도류벽 시작 지점에서 유속이 가장 높았으며, 도류벽 하류에서는 난류로 인해 유속이 감소.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 이용한 도류벽식 어도 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성 확보 가능.
  • 어도 내 유동 특성을 정확히 예측하여 최적 설계를 위한 기초 자료로 활용 가능.
  • 도류벽 간격 및 형상을 조정하면 어류 이동을 돕는 유속을 형성할 수 있음.

향후 연구 방향

  • 다양한 어도 형상(슬롯형, 계단식)과 비교 연구 수행.
  • 어종별 이동 특성을 반영한 최적 유속 범위 검토.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 도류벽식 어도의 유동 특성을 분석한 연구로, 향후 어도 설계 및 최적화를 위한 수치 모델 활용 가능성을 제시하였다.

그림 1. 개수로 실험 장치 및 어도 설치 (b) 어도 설치 후
그림 1. 개수로 실험 장치 및 어도 설치 (b) 어도 설치 후
그림 4. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 4. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교
그림 5. 수리실험과 수치모의 유속 분포 비교

References

  1. 백경오, 안성식. (2008). “효율적인 어도설치를 위한 흐름해석 – 왕숙천을 대상으로.” 한국수자원학회 학술발표대회 논문집, pp. 2100-2104.
  2. 한국수자원학회. (2005). “하천설계기준.”
  3. L. Cea, L. Pena, J. Puertas, M.E. Vazquez-Cendon, E. Pens. (2007). “Application of Several Depth-Averaged Turbulence Models to Simulate Flow in Vertical Slot Fishways.” J. of Hydraulic, ASCE, pp.160-172.
  4. Minnan Liu, Nallamuthu Rajaratnam, David Z. Zhu. (2006). “Mean Flow and Turbulence Structure in Vertical Slot Fishways.” J. of Hydraulic, ASCE, pp.765-777.
  5. S. Wu, N. Rajaratnam, C. Katopodis. (1999). “Structure of Flow in Vertical Slot Fishway.” J. of Hydraulic, ASCE, pp.351-360.
Flow Analysis in the Baffled Fishway using FLOW-3DDownload