Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model

계단형 여수로에서의 유동 특성에 대한 수치적 연구

Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 댐 구조물의 필수적인 요소 중 하나인 여수로(spillway)는 홍수 방류 시 댐을 보호하는 중요한 역할을 수행함.
  • 기존의 오지(ogee)형 여수로와 달리, 계단형 여수로(stepped spillway)는 유체의 에너지 소산을 증가시켜 캐비테이션(cavitation) 위험을 감소시키는 장점이 있음.
  • 계단형 여수로에서 유동 형태(nappe flow, transition flow, skimming flow)가 다르게 나타나며, 유속, 압력, 공기 유입 등의 변화가 발생함.

연구 목적

  • Flow-3D를 활용하여 계단형 여수로에서의 난류 유동을 수치적으로 해석하고 실험 결과와 비교.
  • 여수로 경사의 변화가 공기 유입(air entrainment), 유속 분포(velocity distribution), 동압(dynamic pressure)에 미치는 영향을 분석.
  • 다양한 유량 조건에서 수치 해석 결과와 기존 실험 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.

연구 방법

수치 해석 설정

  • CFD(전산유체역학) 모델: Flow-3D 사용
  • 난류 모델: RNG k-ε 모델 적용
  • 자유 수면 추적: VOF(Volume of Fluid) 기법 활용
  • 격자 설정: 직교 격자(orthogonal mesh) 사용, 셀 크기 0.015m
  • 모델 실험 조건:
    • 경사 변화: 50° → 30° 및 50° → 18.6°
    • 단수(step height): 0.06m
    • 유량 조건: 0.1 m³/s 및 0.235 m³/s

주요 결과

공기 유입(air entrainment) 및 유속 분포 분석

  • 경사 변화 후 공기 유입 증가 → 동일 유량에서 계단 경사가 낮을수록 공기 함유량 상승.
  • 실험 결과와 비교 시 모델의 공기 유입 예측이 높은 신뢰도를 가짐.
  • 유속 분포 분석 결과, 계단 경사 감소 시 유속이 더 균일하게 분포하며 난류 발생이 감소.

동압(dynamic pressure) 분석

  • 실험 데이터와 비교 시 경사 변화 전후 압력 분포가 유사한 경향을 보임.
  • 경사 변화 후, 계단면의 압력 변동이 증가하나, 전체적인 패턴은 실험 결과와 잘 일치.
  • 실험 데이터 대비 압력 차이는 10% 이내로 나타남.

결론 및 향후 연구

결론

  • Flow-3D를 활용한 계단형 여수로의 수치 해석이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, 신뢰성이 검증됨.
  • 경사 변화가 공기 유입과 유속 분포에 큰 영향을 미치며, 유량 조건에 따라 최적 설계가 필요.
  • 계단형 여수로 설계 시, 경사와 유량 조건을 고려하여 최적의 유동 상태를 확보하는 것이 중요함.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델 적용을 통한 세밀한 유동 해석.
  • 다양한 계단 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
  • 실제 댐 및 홍수 방류 시스템 적용을 위한 현장 실험 데이터와 비교 연구.

연구의 의의

이 연구는 Flow-3D를 활용하여 계단형 여수로의 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 검증하였다. 여수로 설계 최적화 및 댐 안전성 향상을 위한 기초 데이터를 제공하였다.

Figure 1 Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016)
Figure 1 Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016)
Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
Figure 3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model
Figure 5 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number
Figure 5 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number

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