Figure 3 Definition of physical geometry and flow parameters, FLOW-3D

FLOW-3D 및 HEC-RAS를 이용한 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동의 수치 모델링

1. 서론

  • 수치유체역학(CFD)의 발전으로 다양한 수리 구조물의 성능을 평가하는 연구가 활발하게 이루어짐.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D(k-ε 모델)와 HEC-RAS(정상유동 모델)를 사용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 모의함.
  • 실험 데이터를 활용하여 두 모델의 정확도를 비교 분석하며, 특히 정수제 전·후방 및 계단부에서의 유동 특성을 평가함.

2. 연구 방법

모델 설정 및 시뮬레이션 조건

  • FLOW-3D 모델
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
    • FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 이용하여 복잡한 구조 형상 반영.
  • HEC-RAS 모델
    • Steady-Flow 모듈을 이용하여 정상유동 해석.
    • 수위 프로파일을 에너지 방정식을 이용하여 계산.
    • 수력 점프(hydraulic jump) 및 과도 흐름(supercritical flow) 예측.
  • 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

유동 패턴 분석

  • 정수제 상류부:
    • HEC-RAS와 FLOW-3D 모두 상류부에서의 수위 분포를 정확하게 예측(평균 오차: 0.52%, 0.59%).
  • 정수제 상부 흐름:
    • HEC-RAS는 점진적인 흐름을 정확히 계산하지 못하고 불연속적인 프로파일을 생성함.
    • FLOW-3D는 점진적인 흐름 변화를 보다 정확하게 시뮬레이션(평균 오차: 1.57%, HEC-RAS: 2.48%).
  • 낙수(nape flow) 및 수력 점프(hydraulic jump) 형성:
    • HEC-RAS는 수직면을 지나가는 흐름을 제대로 시뮬레이션하지 못함.
    • FLOW-3D는 수력 점프 위치를 보다 정확하게 예측.
  • 임계수심(yc) 및 전면수심(yb) 분석
    • FLOW-3D 예측 값(yc/yb 비율 = 1.5687)이 실험값(1.5)과 가장 유사.
    • HEC-RAS는 yb를 과대 예측하여 yc/yb 비율이 1.0193으로 나타남.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D는 점진적 흐름, 난류, 수력 점프의 위치 등을 보다 정밀하게 예측하는데 유리함.
  • HEC-RAS는 장거리 채널에서 정상유동을 빠르게 분석하는 데 효과적이나, 급격한 흐름 변화가 있는 경우 부정확할 수 있음.
  • 낙수 영역에서 HEC-RAS는 곡면 흐름을 제대로 재현하지 못하지만, FLOW-3D는 이를 보다 현실적으로 모의.

향후 연구 방향

  • 다양한 계단 형상 및 유량 조건에서의 추가 연구 필요.
  • 실제 현장 데이터를 이용한 모델 검증 연구 진행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구 수행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D와 HEC-RAS를 활용하여 단일 계단형 광정수제 위를 흐르는 유동을 수치적으로 분석하고, 두 모델의 성능을 비교하였다. FLOW-3D는 난류 흐름과 수력 점프를 보다 정밀하게 예측하는 데 유용하며, HEC-RAS는 정상 유동 조건에서 경제적인 해석이 가능함을 확인하였다.

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