Flow-3D를 이용한 다목적 수로 터널의 마찰 손실 산정
연구 배경 및 목적
문제 정의:
- 최근 기후변화로 인해 극한 홍수 발생 빈도가 증가하고 있으며, 도시 유역의 배수시설 용량 부족으로 도시 홍수가 빈번하게 발생함.
- 홍수를 방지하기 위해 수로 터널을 개발하여 범람 지역의 홍수량을 우회 또는 저류하는 방식이 필요함.
- 기존의 수로 터널과 다르게 도로 기능과 배수 기능을 동시에 수행하는 **다목적 수로 터널(multi-purpose stormwater tunnel)**이 제안됨.
연구 목적:
- Flow-3D를 활용하여 다기능 수로 터널의 마찰 손실(friction loss)을 수치적으로 분석.
- 실험 및 이론식과 비교하여 마찰 손실 예측 정확도를 평가.
- 터널 형상이 마찰 손실에 미치는 영향을 분석하여 설계 시 고려해야 할 사항을 도출.
연구 방법
수치 모델링 및 실험 개요
- SMART 터널(말레이시아) Mode I을 참고하여 수로 터널 설계 적용.
- FLOW-3D를 이용한 3D 수치 시뮬레이션 수행:
- VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 흐름을 모델링.
- RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
- Darcy-Weisbach 공식을 적용하여 마찰 손실 계산.
경계 조건 및 격자 설정
- 입출구 경계 조건:
- 유입: 유량 경계 조건 (Discharge = 56.57 ~ 150.0 m³/s).
- 유출: 자유 유출 경계 조건 적용.
- 격자 수: 3,963,280개의 격자를 사용하여 비원형 단면의 영향을 정밀 분석.
마찰 손실 계산 방법
- 마찰 손실계수 산정:
- 실험 데이터(Kim et al., 2016)와 비교하여 수치 모델 검증.
- 이론적 원형 관 마찰 손실 값과 비교하여 터널 형상의 영향을 분석.
- 베르누이 방정식과 Darcy-Weisbach 공식을 활용하여 마찰 손실 계수 도출.
주요 결과
마찰 손실 분석
- 비원형 단면 터널에서는 원형 관보다 더 높은 마찰 손실 발생.
- 층류(Laminar flow) 영역에서 마찰 손실 증가 폭이 더 큼 (최대 1.5배).
- 난류(Turbulent flow) 영역에서는 원형 관과의 차이가 줄어듦.
수치 시뮬레이션 vs 실험 vs 이론 비교
- 실험 결과와 FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 높은 일치도를 보임.
- 이론적 원형 관 마찰 손실 값은 모든 경우에서 가장 낮게 나타남, 이는 비원형 단면에서 발생하는 추가적인 유동 저항 때문으로 분석됨.
유량 증가에 따른 마찰 손실 변화
- 유량이 증가할수록 터널 내 유동 저항이 증가하며, 상부 내벽이 하부보다 더 높은 압력을 받음.
- Reynolds 수가 커질수록 난류 효과로 인해 마찰 손실 차이가 감소하는 경향을 보임.
결론 및 향후 연구
결론
- Flow-3D 기반 시뮬레이션이 수리 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
- 비원형 단면에서 추가적인 마찰 손실이 발생하며, 기존 원형 관 마찰 손실 계수를 적용할 경우 설계 유량 산정에 오류가 발생할 수 있음.
- 터널의 설계 시 단면 형상의 영향을 고려한 맞춤형 마찰 손실 계수 적용 필요.
향후 연구 방향
- 다양한 터널 형상(비대칭, 다각형 단면)에 대한 추가 연구.
- 다층 구조(복층 터널)에서 마찰 손실 영향 분석.
- 실제 도로 터널 부대시설(배기구, 통풍구 등)이 마찰 손실에 미치는 영향 평가.
연구의 의의
이 연구는 도심지 홍수 방지를 위한 다기능 수로 터널의 수리적 성능을 수치적으로 분석하고, 기존 원형 관과의 차이를 정량적으로 평가함으로써 실무 설계에 적용 가능한 데이터를 제공하였다.
References
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