Mary Kathryn Walker Florida Institute of Technology, mwalker2022@my.fit.edu
Robert J. Weaver, Ph.D. Associate Professor Ocean Engineering and Marine Sciences Major Advisor
Chungkuk Jin, Ph.D. Assistant Professor Ocean Engineering and Marine Sciences
Kelli Z. Hunsucker, Ph.D. Assistant Professor Ocean Engineering and Marine Sciences
Richard B. Aronson, Ph.D. Professor and Department Head Ocean Engineering and Marine Sciences
Abstract
모노파일은 해상 풍력 터빈 건설에 사용되며 일반적으로 설계 수명은 25~50년입니다. 모노파일은 수명 주기 동안 부식성 염수 환경에 노출되어 구조물을 빠르게 분해하는 전기화학적 산화 공정을 용이하게 합니다. 이 공정은 모노파일을 보호 장벽으로 코팅하고 음극 보호 기술을 구현하여 완화할 수 있습니다.
역사적으로 모노파일 설계자는 파일 내부가 완전히 밀봉되고 전기화학적 부식 공정이 결국 사용 가능한 모든 산소를 소모하여 반응을 중단시킬 것이라고 가정했습니다. 그러나 도관을 위해 파일 벽에 만든 관통부는 종종 누출되어 신선하고 산소화된 물이 내부 공간으로 유입되었습니다.
표준 부식 방지 기술을 보다 효과적으로 적용할 수 있는 산소화된 환경으로 내부 공간을 재고하는 새로운 모노파일 설계가 연구되고 있습니다. 이러한 새로운 모노파일은 간조대 또는 조간대 수준에서 벽에 천공이 있어 신선하고 산소화된 물이 구조물을 통해 흐를 수 있습니다.
이러한 천공은 또한 구조물의 파도 하중을 줄일 수 있습니다. 유체 역학적 하중 감소의 크기는 천공의 크기와 방향에 따라 달라집니다. 이 연구에서는 천공의 크기에 따른 모노파일의 힘 감소 분석에서 전산 유체 역학(CFD)의 적용 가능성을 연구하고 주어진 파도의 접근 각도 변화의 효과를 분석했습니다.
모노파일의 힘 감소를 결정하기 위해 이론적 3D 모델을 제작하여 FLOW-3D® HYDRO를 사용하여 테스트했으며, 천공되지 않은 모노파일을 제어로 사용했습니다. 이론적 데이터를 수집한 후, 동일한 종류의 천공이 있는 물리적 스케일 모델을 파도 탱크를 사용하여 테스트하여 이론적 모델의 타당성을 확인했습니다.
CFD 시뮬레이션은 물리적 모델의 10% 이내, 이전 연구의 5% 이내에 있는 것으로 나타났습니다. 물리적 모델과 시뮬레이션 모델을 검증한 후, 천공의 크기가 파도 하중 감소에 뚜렷한 영향을 미치고 주어진 파도의 접근 각도에 대한 테스트를 수행할 수 있음을 발견했습니다.
접근 각도의 변화는 모노파일을 15°씩 회전하여 시뮬레이션했습니다. 이 논문에 제시된 데이터는 모노파일의 방향이 통계적으로 유의하지 않으며 천공 모노파일의 설계 고려 사항이 되어서는 안 된다는 것을 시사합니다.
또한 파도 하중 감소와 구조적 안정성 사이의 균형을 찾기 위해 천공의 크기와 모양에 대한 연구를 계속하는 것이 좋습니다.
Monopiles are used in the construction of offshore wind turbines and typically have a design life of 25 to 50 years. Over their lifecycle, monopiles are exposed to a corrosive saltwater environment, facilitating a galvanic oxidation process that quickly degrades the structure. This process can be mitigated by coating the monopile in a protective barrier and implementing cathodic protection techniques. Historically, monopile designers assumed the interior of the pile would be completely sealed and the galvanic corrosion process would eventually consume all the available oxygen, halting the reaction. However, penetrations made in the pile wall for conduit often leaked and allowed fresh, oxygenated water to enter the interior space. New monopile designs are being researched that reconsider the interior space as an oxygenated environment where standard corrosion protection techniques can be more effectively applied. These new monopiles have perforations through the wall at intertidal or subtidal levels to allow fresh, oxygenated water to flow through the structure. These perforations can also reduce wave loads on the structure. The magnitude of the hydrodynamic load reduction depends on the size and orientation of the perforations. This research studied the applicability of computational fluid dynamics (CFD) in analysis of force reduction on monopiles in relation to size of a perforation and to analyze the effect of variation in approach angle of a given wave. To determine the force reduction on the monopile, theoretical 3D models were produced and tested using FLOW-3D® HYDRO with an unperforated monopile used as the control. After the theoretical data was collected, physical scale models with the same variety of perforations were tested using a wave tank to determine the validity of the theoretical models. The CFD simulations were found to be within 10% of the physical models and within 5% of previous research. After the physical and simulated models were validated, it was found that the size of the perforations has a distinct impact on the wave load reduction and testing for differing approach angles of a given wave could be conducted. The variation in approach angle was simulated by rotating the monopile in 15° increments. The data presented in this paper suggests that the orientation of the monopile is not statistically significant and should not be a design consideration for perforated monopiles. It is also suggested to continue the study on the size and shape of the perforations to find the balance between wave load reduction and structural stability.
Figure 1: Overview sketch of typical monopile (MP) foundation and transition piece (TP) design with an internal j-tube (Hilbert et al., 2011)
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The overtopping breach is the most probable reason of embankment dam failures. Hence, the investigation of the mentioned phenomenon is one of the vital hydraulic issues. This research paper tries to utilize three numerical models, i.e., BREACH, HEC-RAS, and FLOW-3D for modeling the hydraulic outcomes of overtopping breach phenomenon. Furthermore, the outputs have been compared with experimental model results given by authors. The BREACH model presents a desired prediction for the peak flow. The HEC-RAS model has a more realistic performance in terms of the peak flow prediction, its occurrence time (5-s difference with observed status), and maximum flow depth. The variations diagram in the reservoir water level during the breach process has a descending trend. Whereas it initially ascended; and then, it experienced a descending trend in the observed status. The FLOW-3D model computes the flow depth, flow velocity, and Froude number due to the physical model breach. Moreover, it revealed a peak flow damping equals to 5% and 5-s difference in the peak flow occurrence time at 4-m distance from the physical model downstream. In addition, the current research work demonstrates the mentioned numerical models and provides a possible comprehensive perspective for a dam breach scope. They also help to achieve the various hydraulic parameters computations. Besides, they may calculate unmeasured parameters using the experimental data.
월류 현상은 제방 댐 실패의 가장 유력한 원인입니다. 따라서 언급된 현상에 대한 조사는 중요한 수리학적 문제 중 하나입니다.
본 연구 논문에서는 월류 침해 현상의 수리적 결과를 모델링하기 위해 BREACH, HEC-RAS 및 FLOW-3D의 세 가지 수치 모델을 활용하려고 합니다. 또한 출력은 저자가 제공한 실험 모델 결과와 비교되었습니다. BREACH 모델은 최대 유량에 대해 원하는 예측을 제시합니다.
HEC-RAS 모델은 최고유량 예측, 발생시간(관찰상태와 5초 차이), 최대유량수심 측면에서 보다 현실적인 성능을 가지고 있습니다. 위반 과정 중 저수지 수위의 변동 다이어그램은 감소하는 추세를 보입니다. 처음에는 상승했지만 그런 다음 관찰된 상태가 감소하는 추세를 경험했습니다.
FLOW-3D 모델은 물리적 모델 위반으로 인한 흐름 깊이, 흐름 속도 및 Froude 수를 계산합니다. 또한, 실제 모델 하류로부터 4m 거리에서 최대유량 발생시간이 5%, 5초 차이에 해당하는 최대유량 감쇠를 나타냈습니다.
또한, 현재 연구 작업은 언급된 수치 모델을 보여주고 댐 침해 범위에 대한 가능한 포괄적인 관점을 제공합니다. 또한 다양한 유압 매개변수 계산을 수행하는 데 도움이 됩니다. 게다가 실험 데이터를 사용하여 측정되지 않은 매개변수를 계산할 수도 있습니다.
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Abstract
해저 퇴적물 흐름은 퇴적물을 심해로 운반하는 주요 수단 중 하나이며, 종종 장거리를 이동하고 수십 또는 수백 킬로미터에 걸쳐 상당한 양의 퇴적물을 운반합니다. 그것의 강력한 파괴력은 종종 이동 과정에서 잠수함 유틸리티에 심각한 손상을 초래합니다.
퇴적물 흐름의 퇴적물 농도는 주변 해수와의 밀도차를 결정하며, 이 밀도 차이는 퇴적물 흐름의 흐름 능력을 결정하여 이송된 퇴적물의 최종 퇴적 위치에 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 다양한 미사 및 점토 중량비(미사/점토 비율이라고 함)를 갖는 다양한 퇴적물 농도의 퇴적물 흐름을 수로 테스트를 통해 연구합니다.
우리의 테스트 결과는 특정 퇴적물 구성에 대해 퇴적물 흐름이 가장 빠르게 이동하는 임계 퇴적물 농도가 있음을 나타냅니다. 4가지 미사/점토 비율 각각에 대한 임계 퇴적물 농도와 이에 상응하는 최대 속도가 구해집니다. 결과는 점토 함량이 임계 퇴적물 농도와 선형적으로 음의 상관 관계가 있음을 나타냅니다.
퇴적물 농도가 증가함에 따라 퇴적물의 흐름 거동은 흐름 상태에서 붕괴된 상태로 변환되고 흐름 거동이 변화하는 두 탁한 현탁액의 유체 특성은 모두 Bingham 유체입니다.
또한 본 논문에서는 퇴적물 흐름 내 입자 배열을 분석하여 위에서 언급한 결과에 대한 미시적 설명도 제공합니다.
Submarine sediment flows is one of the main means for transporting sediment to the deep sea, often traveling long-distance and transporting significant volumes of sediment for tens or even hundreds of kilometers. Its strong destructive force often causes serious damage to submarine utilities on its course of movement. The sediment concentration of the sediment flow determines its density difference with the ambient seawater, and this density difference determines the flow ability of the sediment flow, and thus affects the final deposition locations of the transported sediment. In this paper, sediment flows of different sediment concentration with various silt and clay weight ratios (referred to as silt/clay ratio) are studied using flume tests. Our test results indicate that there is a critical sediment concentration at which sediment flows travel the fastest for a specific sediment composition. The critical sediment concentrations and their corresponding maximum velocities for each of the four silt/clay ratios are obtained. The results further indicate that the clay content is linearly negatively correlated with the critical sediment concentration. As the sediment concentration increases, the flow behaviors of sediment flows transform from the flow state to the collapsed state, and the fluid properties of the two turbid suspensions with changing flow behaviors are both Bingham fluids. Additionally, this paper also provides a microscopic explanation of the above-mentioned results by analyzing the arrangement of particles within the sediment flow.
Introduction
Submarine sediment flows are important carriers for sea floor sediment movement and may carry and transport significant volumes of sediment for tens or even hundreds of kilometers (Prior et al., 1987; Pirmez and Imran, 2003; Zhang et al., 2018). Earthquakes, storms, and floods may all trigger submarine sediment flow events (Hsu et al., 2008; Piper and Normark, 2009; Pope et al., 2017b; Gavey et al., 2017). Sediment flows have strong forces during the movement, which will cause great harm to submarine structures such as cables and pipelines (Pope et al., 2017a). It was first confirmed that the cable breaking event caused by the sediment flow occurred in 1929. The sediment flow triggered by the Grand Banks earthquake damaged 12 cables. According to the time sequence of the cable breaking, the maximum velocity of the sediment flow is as high as 28 m/s (Heezen and Ewing, 1952; Kuenen, 1952; Heezen et al., 1954). Subsequent research shows that the lowest turbidity velocity that can break the cable also needs to reach 19 m/s (Piper et al., 1988). Since then, there have been many damage events of submarine cables and oil and gas pipelines caused by sediment flows in the world (Hsu et al., 2008; Carter et al., 2012; Cattaneo et al., 2012; Carter et al., 2014). During its movement, the sediment flow will gradually deposit a large amount of sediment carried by it along the way, that is, the deposition process of the sediment flow. On the one hand, this process brings a large amount of terrestrial nutrients and other materials to the ocean, while on the other hand, it causes damage and burial to benthic organisms, thus forming the largest sedimentary accumulation on Earth – submarine fans, which are highly likely to become good reservoirs for oil and gas resources (Daly, 1936; Yuan et al., 2010; Wu et al., 2022). The study on sediment flows (such as, the study of flow velocity and the forces acting on seabed structures) can provide important references for the safe design of seabed structures, the protection of submarine ecosystems, and exploration of turbidity sediments related oil and gas deposits. Therefore, it is of great significance to study the movement of sediment flows.
The sediment flow, as a highly sediment-concentrated fluid flowing on the sea floor, has a dense bottom layer and a dilute turbulent cloud. Observations at the Monterey Canyon indicated that the sediment flow can maintain its movement over long distances if its bottom has a relatively high sediment concentration. This dense bottom layer can be very destructive along its movement path to any facilities on the sea floor (Paull et al., 2018; Heerema et al., 2020; Wang et al., 2020). The sediment flow mentioned in this research paper is the general term of sediment density flow.
The sediment flow, which occurs on the seafloor, has the potential to cause erosion along its path. In this process, the suspended sediment is replenished, allowing the sediment flow to maintain its continuous flow capacity (Zhao et al., 2018). The dynamic force of sediment flow movement stem from its own gravity and density difference with surrounding water. In cases that the gravity drive of the slope is absent (on a flat sea floor), the flow velocity and distance of sediment flows are essentially determined by the sediment composition and concentration of the sediment flows as previous studies have demonstrated. Ilstad et al. (2004) conducted underwater flow tests in a sloped tank and employed high speed video camera to perform particle tracking. The results indicated that the premixed sand-rich and clay-rich slurries demonstrated different flow velocity and flow behavior. Using mixed kaolinite(d50 = 6 μm) and silica flour(d50 = 9 μm) in three compositions with total volumetric concentration ranged 22% or 28%, Felix and Peakall (2006) carried out underwater flow tests in a 5° slope Perspex channel and found that the flow ability of sediment flows is different depending on sediment compositions and concentrations. Sumner et al. (2009) used annular flume experiments to investigate the depositional dynamics and deposits of waning sediment-laden flows, finding that decelerating fast flows with fixed sand content and variable mud content resulted in four different deposit types. Chowdhury and Testik (2011) used lock-exchange tank, and experimented the kaolin clay sediment flows in the concentration range of 25–350 g/L, and predicted the fluid mud sediment flows propagation characteristics, but this study focused on giving sediment flows propagate phase transition time parameters, and is limited to clay. Lv et al. (2017) found through experiments that the rheological properties and flow behavior of kaolin clay (d50 = 3.7 μm) sediment flows were correlated to clay concentrations. In the field monitoring conducted by Liu et al. (2023) at the Manila Trench in the South China Sea in 2021, significant differences in the velocity, movement distance, and flow morphology of turbidity currents were observed. These differences may be attributed to variations in the particle composition of the turbidity currents.
On low and gentle slopes, although sediment flow with sand as the main sediment composition moves faster, it is difficult to propagate over long distances because sand has greater settling velocity and subaqueous angle of repose. Whereas the sediment flows with silt and clay as main composition may maintain relatively stable currents. Although its movement speed is slow, it has the ability to propagate over long distances because of the low settling rate of the fine particles (Ilstad et al., 2004; Liu et al., 2023). In a field observation at the Gaoping submarine canyon, the sediments collected from the sediment flows exhibited grain size gradation and the sediment was mostly composed of silt and clay (Liu et al., 2012). At the largest deltas in the world, for instance, the Mississippi River Delta, the sediments are mainly composed of silt and clay, which generally distributed along the coast in a wide range and provided the sediment sources for further distribution. The sediment flows originated and transported sediment from the coast to the deep sea are therefore share the same sediment compositions as delta sediments. To study the sediment flows composed of silt and clay is of great importance.
The sediment concentration of the sediment flows determines the density difference between the sediment flows and the ambient water and plays a key role in its flow ability. For the sediment flow with sediment composed of silt and clay, low sediment concentration means low density and therefore leads to low flow ability; however, although high sediment concentration results in high density, since there is cohesion between fine particles, it changes fluid properties and leads to low flow ability as well. Therefore, there should be a critical sediment concentration with mixed composition of silt and clay, at which the sediment flow maintains its strongest flow capacity and have the highest movement speed. In other words, the two characteristics of particle diameter and concentration of the sediment flow determine its own motion ability, which, if occurs, may become the most destructive force to submarine structures.
The objectives of this work was to study how the sediment composition (measured in relative weight of silt and clay, and referred as silt/clay ratio) and sediment concentration affect flow ability and behavior of the sediment flows, and to quantify the critical sediment concentration at which the sediment flows reached the greatest flow velocity under the experiment setting. We used straight flume without slope and conducted a series of flume tests with varying sediment compositions (silt-rich or clay-rich) and concentrations (96 to 1212 g/L). Each sediment flow sample was tested and analyzed for rheological properties using a rheometer, in order to characterize the relationship between flow behavior and rheological properties. Combined with the particle diameter, density and viscosity characteristics of the sediment flows measured in the experiment, a numerical modeling study is conducted, which are mutually validated with the experimental results.
The sediment concentration determines the arrangements of the sediment particles in the turbid suspension, and the arrangement impacts the fluid properties of the turbid suspension. The microscopic mode of particle arrangement in the turbid suspension can be constructed to further analyze the relationship between the fluid properties of turbid suspension and the flow behaviors of the sediment flow, and then characterize the critical sediment concentration at which the sediment flow runs the fastest. A simplified microscopic model of particle arrangement in turbid suspension was constructed to analyze the microscopic arrangement characteristics of sediment particles in turbid suspension with the fastest velocity.
Section snippets
Equipment and materials
The sediment flows flow experiments were performed in a Perspex channel with smooth transparent walls. The layout and dimensions of the experimental set-up were shown in Fig. 1. The bottom of the channel was flat and straight, and a gate was arranged to separate the two tanks. In order to study the flow capacity of turbidity currents from the perspective of their own composition (particle size distribution and concentration), we used a straight channel instead of an inclined one, to avoid any
Relationship between sediment flow flow velocity and sediment concentration
After the sediment flow is generated, its movement in the first half (50 cm) of the channel is relatively stable, and there is obvious shock diffusion in the second half. The reason is that the excitation wave (similar to the surge) will be formed during the sediment flow movement, and its speed is much faster than the speed of the sediment flow head. When the excitation wave reaches the tail of the channel, it will be reflected, thus affecting the subsequent flow of the sediment flow.
Sediment flows motion simulation based on FLOW-3D
As a relatively mature 3D fluid simulation software, FLOW-3D can accurately predict the free surface flow, and has been used to simulate the movement process of sediment flows for many times (Heimsund, 2007). The model adopted in this paper is RNG turbulence model, which can better deal with the flow with high strain rate and is suitable for the simulation of sediment flows with variable shape during movement. The governing equations of the numerical model involved include continuity equation,
Conclusions
In this study, we conducted a series of sediment flow flume tests with mixed silt and clay sediment samples in four silt/clay ratios on a flat slope. Rheological measurements were carried out on turbid suspension samples and microstructure analysis of the sediment particle arrangements was conducted, we concluded that:
(1)The flow velocity of the sediment flow is controlled by the sediment concentration and its own particle diameter composition, the flow velocity increased with the increase of the
Declaration of Competing Interest
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.
Acknowledgements
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China [Grant no. 42206055]; the National Natural Science Foundation of China [Grant no. 41976049]; and the National Natural Science Foundation of China [Grant no. 42272327].
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Sous la direction de : Marc Jolin, directeur de recherche Benoit Bissonnette, codirecteur de recherche
Modélisation de l’écoulement du béton frais
Abstract
현재의 기후 비상 사태와 기후 변화에 관한 다양한 과학적 보고서를 고려할 때 인간이 만든 오염을 대폭 줄이는 것은 필수적이며 심지어 중요합니다. 최신 IPCC(기후변화에 관한 정부 간 패널) 보고서(2022)는 2030년까지 배출량을 절반으로 줄여야 함을 나타내며, 지구 보존을 위해 즉각적인 조치를 취해야 한다고 강력히 강조합니다.
이러한 의미에서 콘크리트 생산 산업은 전체 인간 이산화탄소 배출량의 4~8%를 담당하고 있으므로 환경에 미치는 영향을 줄이기 위한 진화가 시급히 필요합니다.
본 연구의 주요 목적은 이미 사용 가능한 기술적 품질 관리 도구를 사용하여 생산을 최적화하고 혼합 시간을 단축하며 콘크리트 폐기물을 줄이기 위한 신뢰할 수 있고 활용 가능한 수치 모델을 개발함으로써 이러한 산업 전환에 참여하는 것입니다.
실제로, 혼합 트럭 내부의 신선한 콘크리트의 거동과 흐름 프로파일을 더 잘 이해할 수 있는 수치 시뮬레이션을 개발하면 혼합 시간과 비용을 더욱 최적화할 수 있으므로 매우 유망합니다. 이러한 복잡한 수치 도구를 활용할 수 있으려면 수치 시뮬레이션을 검증, 특성화 및 보정하기 위해 기본 신 콘크리트 흐름 모델의 구현이 필수적입니다.
이 논문에서는 세 가지 단순 유동 모델의 개발이 논의되고 얻은 결과는 신선한 콘크리트 유동의 수치적 거동을 검증하는 데 사용됩니다. 이러한 각 모델은 강점과 약점을 갖고 있으며, 신선한 콘크리트의 유변학과 유동 거동을 훨씬 더 잘 이해할 수 있는 수치 작업 환경을 만드는 데 기여합니다.
따라서 이 연구 프로젝트는 새로운 콘크리트 생산의 완전한 모델링을 위한 진정한 관문입니다.
In view of the current climate emergency and the various scientific reports on climate change, it is essential and even vital to drastically reduce man-made pollution. The latest IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) report (2022) indicates that emissions must be halved by 2030 and strongly emphasizes the need to act immediately to preserve the planet. In this sense, the concrete production industry is responsible for 4-8% of total human carbon dioxide emissions and therefore urgently needs to evolve to reduce its environmental impact. The main objective of this study is to participate in this industrial transition by developing a reliable and exploitable numerical model to optimize the production, reduce mixing time and also reduce concrete waste by using technological quality control tools already available. Indeed, developing a numerical simulation allowing to better understand the behavior and flow profiles of fresh concrete inside a mixing-truck is extremely promising as it allows for further optimization of mixing times and costs. In order to be able to exploit such a complex numerical tool, the implementation of elementary fresh concrete flow models is essential to validate, characterize and calibrate the numerical simulations. In this thesis, the development of three simple flow models is discussed and the results obtained are used to validate the numerical behavior of fresh concrete flow. Each of these models has strengths and weaknesses and contributes to the creation of a numerical working environment that provides a much better understanding of the rheology and flow behavior of fresh concrete. This research project is therefore a real gateway to a full modelling of fresh concrete production.
Figure 2-15: Système expérimental du plan inclinéFigure 2-19: Essai d’affaissement au cône d’Abrams
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Analysis on inundation characteristics by compound external forces in coastal areas
연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석
Taeuk Kanga, Dongkyun Sunb, Sangho Leec* 강 태욱a, 선 동균b, 이 상호c*
aResearch Professor, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, Korea bResearcher, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, Korea cProfessor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea a부경대학교 방재연구소 전임연구교수 b부경대학교 방재연구소 연구원 c부경대학교 공과대학 토목공학과 교수 *Corresponding Author
ABSTRACT
연안 지역은 강우, 조위, 월파 등 여러가지 외력에 의해 침수가 발생될 수 있다. 이에 이 연구에서는 연안 지역에서 발생될 수 있는 단일 및 복합 외력에 의한 지역별 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려한 외력은 강우와 폭풍 해일에 의한 조위 및 월파이고, 분석 대상지역은 남해안 및 서해안의 4개 지역이다. 유역의 강우-유출 및 2차원 지표면 침수 분석에는 XP-SWMM이 사용되었고, 폭풍 해일에 의한 외력인 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 모형과 FLOW-3D 모형이 각각 활용되었다. 단일 외력을 이용한 분석 결과, 대부분의 연안 지역에서는 강우에 의한 침수 영향보다 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 크게 나타났다. 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 지역의 침수 피해 저감을 위해서는 복합 외력을 고려한 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.
키워드
연안 지역
침수 분석
강우
폭풍 해일
복합 외력
The various external forces can cause inundation in coastal areas. This study is to analyze regional characteristics caused by single or compound external forces that can occur in coastal areas. Storm surge (tide level and wave overtopping) and rainfall were considered as the external forces in this study. The inundation analysis were applied to four coastal areas, located on the west and south coast in Republic of Korea. XP-SWMM was used to simulate rainfall-runoff phenomena and 2D ground surface inundation for watershed. A coupled model of ADCIRC and SWAN (ADCSWAN) was used to analyze tide level by storm surge and the FLOW-3D model was used to estimate wave overtopping. As a result of using a single external force, the inundation influence due to storm surge in most of the coastal areas was greater than rainfall. The results of using compound external forces were quite similar to those combined using one external force independently. However, a case of considering compound external forces sometimes created new inundation areas that didn’t appear when considering only a single external force. The analysis considering compound external forces was required to reduce inundation damage in these areas.
우리나라는 반도에 위치하여 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 해양 산업을 중심으로 부산, 인천, 울산 등 대규모의 광역도시가 발달하였을 뿐만 아니라, 창원, 포항, 군산, 목포, 여수 등의 중․소규모 도시들도 발달되어 있다. 또한, 최근에는 연안 지역이 바다를 전망으로 하는 입지 조건을 가지고 있어 개발 선호도가 높고, 이에 따라 부산시 해운대의 마린시티, 엘시티와 같은 주거 및 상업시설의 개발이 지속되고 있다(Kang et al., 2019b).
한편, 최근 기후변화에 따른 지구 온난화 현상으로 평균 해수면이 상승하고, 해수면 온도도 상승하면서 태풍 및 강우의 강도가 커지고 있어 전 세계적으로 자연 재해로 인한 피해가 증가하고 있다(Kim et al., 2016). 실제로 2020년에는 최장기간의 장마가 발생하여 부산, 울산은 물론, 전국에서 50명의 인명 피해와 3,489세대의 이재민이 발생하였다1). 특히, 연안 지역은 강우, 만조 시 해수면 상승, 폭풍 해일(storm surge)에 의한 월파(wave overtopping) 등 복합적인 외력(compound external forces)에 의해 침수될 수 있다(Lee et al., 2020). 일례로, 2016년 태풍 차바 시 부산시 해운대구의 마린시티는 강우와 폭풍 해일에 의한 월파가 발생함에 따라 대규모 침수를 유발하였다(Kang et al., 2019b). 또한, 2020년 7월 23일에 부산에서는 시간당 81.6 mm의 집중호우와 약최고고조위를 상회하는 만조가 동시에 발생하였고, 이로 인해 감조 하천인 동천의 수위가 크게 상승하여 하천이 범람하였다(KSCE, 2021).
연안 지역의 복합 외력을 고려한 침수 분석에 관한 사례로서, 우선 강우와 조위를 고려한 연구 사례는 다음과 같다. Han et al. (2014)은 XP-SWMM을 이용하여 창원시 배수 구역을 대상으로 침수 모의를 수행하였는데, 연안 도시의 침수 모의에는 조위의 영향을 반드시 고려해야 함을 제시하였다. Choi et al. (2018a)은 경남 사천시 선구동 일대에 대하여 초과 강우 및 해수면 상승 시나리오를 조합하여 침수 분석을 수행하였다. Choi et al. (2018b)은 XP-SWMM을 이용하여 여수시 연등천 및 여수시청 지역에 대하여 강우 시나리오와 해수위 상승 시나리오를 고려한 복합 원인에 의한 침수 모의를 수행하여 홍수예경보 기준표를 작성하였다. 한편, 강우, 조위, 월파를 고려한 연구 사례로서, Song et al. (2017)은 부산시 해운대구 수영만 일원에 대하여 XP-SWMM으로 월파량의 적용 유무에 따른 침수 면적을 비교하였다. Suh and Kim (2018)은 부산시 마린시티 지역을 대상으로 태풍 차바 때 EurOtop의 경험식을 ADSWAN에 적용하여 월파량을 반영하였다. Chen et al. (2017)은 TELEMAC-2D 및 SWMM을 기반으로 한 극한 강우, 월파 및 조위를 고려하여 중국 해안 원자력 발전소의 침수를 예측하고 분석하기 위한 결합 모델을 개발한 바 있다. 한편, Lee et al. (2020)은 수리‧수문학 분야와 해양공학 분야에서 사용되는 물리 모형의 기술적 연계를 통해 연안 지역의 침수 모의의 재현성을 높였다.
상기의 연구들은 공통적으로 연안 지역에 대하여 복합 외력을 고려했을 때 발생되는 침수 현상의 재현 또는 예측을 목적으로 수행되었다. 이 연구는 이와 차별하여 복합 외력을 고려하는 경우 나타날 수 있는 연안 지역의 침수 특성 분석을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 단일 외력을 독립적으로 고려했을 때 발생되는 침수 양상과 동시에 고려하는 경우의 침수 현상을 비교, 분석하였다. 복합 외력에 의한 지역적 침수 특성 분석은 우리나라 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역에 대하여 적용되었다.
연안 지역의 침수는 크게 세 가지의 메카니즘으로 발생될 수 있다. 우선, 연안 지역은 바다와 인접하고 있기 때문에 그 영향을 직접적으로 받는다. Kim (2018)에 의하면, 연안 지역의 침수는 폭풍 해일에 의해 상승한 조위와 월파로 인해 발생될 수 있다(Table 1). 특히, 경상남도의 창원과 통영, 인천광역시의 소래포구 어시장 등 남해안 및 서해안 지역의 일부는 백중사리, 슈퍼문(super moon) 등 만조 시 조위의 상승으로 인한 침수가 발생하는 지역이 존재한다(Kang et al., 2019a). 두 번째는 강우에 의한 내수 침수 발생이다. ME (2011)에서는 도시 지역의 우수 관거를 10 ~ 30년 빈도로 계획하도록 지정하고 있고, 펌프 시설은 30 ~ 50년 빈도의 홍수를 배수시킬 수 있도록 정하고 있다. 하지만 최근에는 기후변화의 영향으로 도시 지역 배수시설의 설계 빈도를 초과하는 강우가 빈번하게 나타나고 있다. 실제로 2016년의 태풍 차바 시 울산 기상관측소에 관측된 시간 최대 강우량은 106.0 mm로서, 이는 300년 빈도 이상의 강우량에 해당하였다(Kang et al., 2019a). 따라서 배수시설의 설계 빈도 이상의 강우는 연안 도시 지역의 침수를 유발할 수 있다. 세 번째, 하천이 인접한 연안 도시에서는 하천의 범람으로 인해 침수가 발생할 수 있다. 하천의 경우, 기본계획이 수립되기는 하지만, 설계 빈도를 상회하는 강우의 발생, 제방, 수문 등 홍수 방어시설의 기능 저하, 예산 등의 문제로 하천기본계획 이행의 지연 등에 의해 범람할 가능성이 존재한다.
Table 1.
Type of natural hazard damage in coastal areas (Kim, 2018)
Item
Risk factor
Facilities damage
∙ Breaking of coastal facilities by wave – Breakwater, revetment, lighters wharf etc. ∙ Local scouring at the toe of the structures by wave ∙ Road collapse by wave overtopping
Inundation damage
∙ Inundation damage by wave overtopping ∙ Inundation of coastal lowlands by storm surge
Erosion damage
∙ Backshore erosion due to high swell waves ∙ Shoreline changes caused by construction of coastal erosion control structure ∙ Sediment transport due to the construction of artificial structures
상기의 내용을 종합하면, 연안 지역은 조위 및 월파에 의한 침수, 강우에 의한 내수 침수, 하천 범람에 의한 침수로 구분될 수 있다. 이 연구에서는 폭풍 해일에 의한 조위 상승 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 유발 외력으로 고려하였다. 하천 범람의 경우, 상대적으로 사례가 희소하여 제외하였다.
2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법
이 연구에서는 조위 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 발생에 관한 외력 조건으로 고려하였다. 따라서 해당 외력 조건을 고려하여 침수 분석을 수행할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같이 수리‧수문 및 해양공학 분야에서 사용되는 물리 기반 모형의 연계를 통해 조위, 월파, 강우를 고려한 침수 분석 방법을 제시하였고, 이 연구에서는 해당 방법을 이용하였다.
Fig. 1.
Connection among the models for inundation analysis in coastal areas (Lee et al., 2020)
우선, 태풍에 의해 발생되는 폭풍 해일의 영향을 분석하기 위해서는 태풍에 의해 발생되는 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등을 고려하여 해수면의 변화 양상 및 조석-해일-파랑을 충분히 재현 가능해야 한다. 이 연구에서는 국내․외에서 검증 및 공인된 폭풍 해일 모형인 ADCIRC 모형과 파랑 모형인 UnSWAN이 결합된 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and UnSWAN)을 이용하였다. 정수압 가정의 ADCSWAN은 월파량 산정에 단순 경험식을 적용하는 단점이 있지만 넓은 영역을 모의할 수 있고, FLOW-3D는 해안선의 경계를 고해상도로 재현이 가능하다. 이에 연구에서는 먼 바다 영역에 대해서는 ADCSWAN을 이용하여 분석하였고, 연안 주변의 바다 영역과 월파량 산정에 대해서는 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 한편, 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역에서 발생하는 강우-유출 현상과 우수 관거 등의 배수 체계에 대한 분석이 가능해야 한다. 또한, 배수 체계로부터 범람한 물이 지표면을 따라 흘러가는 현상을 해석할 수 있어야 하고, 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 이러한 현상을 모의할 수 있고, 도시 침수 모의에 활용도가 높은 XP-SWMM을 이용하였다.
2.3 침수 분석 대상지역
연구의 대상지역은 조위 및 월파에 의한 침수와 강우에 의한 내수 침수의 영향이 복합적으로 발생할 수 있는 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역이다. Table 2는 침수 분석 대상지역을 정리하여 나타낸 표이고, Fig. 2는 각 지역의 유역 경계를 나타낸 그림이다.
Table 2.
Target region for inundation analysis
Classification
Administrative district
Target region
Area (km2)
Main cause of inundation
Pump facility
Number of major outfall
The south coast
Haundae-gu, Busan
Marine City area
0.53
Wave overtopping
–
9
Haundae-gu, Busan
Centum City area
4.76
Poor interior drainage at high tide level
1
2
The west coast
Gunsan
Jungang-dong area
0.79
Poor interior drainage at high tide level
2
3
Boryeong
Ocheon Port area
0.41
High tide level
–
5
Fig. 2.
Watershed area
남해안의 분석 대상지역 중 부산시 해운대구의 마린시티는 바다 조망을 중심으로 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 개발지역이다. 마린시티는 2016년 태풍 차바 및 2018년 태풍 콩레이 등 태풍 내습 시 월파에 의한 해수 월류로 인해 도로 및 상가 일부가 침수를 겪은 지역이다. 부산시 해운대구의 센텀시티는 과거 수영만 매립지였던 곳에 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 신도시 지역이다. 센텀시티 유역의 북쪽은 해발고도 El. 634 m의 장산이 위치하는 등 산지 특성도 가지고 있어 상대적으로 유역 면적이 넓고, 배수시설의 규모도 크고 복잡하다. 하지만 수영강 하구의 저지대 지역에 위치함에 따라 강우 시 내수 배제가 불량하고, 특히 만조 시 침수가 잦은 지역이다.
서해안 분석 대상지역 중 전라북도 군산시의 중앙동 일원은 군산시 내항 내측에 조성된 구도시로서, 금강 및 경포천 하구에 위치하는 저지대이다. 이에 따라 군산시 풍수해저감종합계획에서는 해당 지역을 3개의 영역으로 구분하여 내수재해 위험지구(영동지구, 중동지구, 경암지구)로 지정하였고, 이 연구에서는 해당 지역을 모두 고려하였다. 한편, 군산시 중앙동 일원은 특히, 만조 시 내수 배제가 매우 불량하여 2개의 펌프시설이 운영되고 있다. 충청남도 보령시의 오천면에 위치한 오천항은 배후의 산지를 포함한 소규모 유역에 위치한다. 서해안의 특성에 따라 조석 간만의 차가 크고, 특히 태풍 내습 시 폭풍 해일에 의한 침수가 잦은 지역이다. 산지의 강우-유출수는 복개된 2개의 수로를 통해 바다로 배제되고, 상가들이 위치한 연안 주변 지역에는 강우-유출수 배제를 위한 3개의 배수 체계가 구성되어 있다.
3. 연구 결과
3.1 침수 모의 모형 구축
XP-SWMM을 이용하여 분석 대상지역별 침수 모의 모형을 구축하였다. 적절한 침수 분석 수행을 위해 지역별 수치지형도, 도시 공간 정보 시스템(urban information system, UIS), 하수 관망도 등의 수치 자료와 현장 조사를 통해 유역의 배수 체계를 구성하였다. 그리고 2차원 침수 분석을 위해 무인 드론 및 육상 라이다(LiDAR) 측량을 수행하여 평면해상도가 1 m 이하인 고해상도 수치지형모형(digital terrain model, DTM)을 구성하였고, 침수 모의 격자를 생성하였다.
Fig. 3은 XP-SWMM의 상세 구축 사례로서 부산시 마린시티 배수 유역에 대한 소유역 및 관거 분할 등을 통해 구성한 배수 체계와 고해상도 측량 결과를 이용하여 구성한 수치표면모형(digital surface model, DSM)을 나타낸다. Fig. 4는 각 대상지역에 대해 XP-SWMM을 이용하여 구축한 침수 모의 모형을 나타낸다. 침수 분석을 위해서는 침수 모의 영역에 대한 설정이 필요한데, 다수의 사전 모의를 통해 유역 내에서 침수가 발생되는 지역을 검토하여 결정하였다.
Fig. 3.
Analysis of watershed drainage system and high-resolution survey for Marine City
Fig. 4.
Simulation model for inundation analysis by target region using XP-SWMM
복합 외력에 의한 침수 영향을 검토하기 위해서는 외력 조건에 대한 빈도와 지속기간의 설정이 필요하다. 이 연구에서는 재해 현상이 충분히 나타날 수 있도록 강우와 조위 및 월파의 빈도를 모두 100년으로 설정하였다. 이때, 조위와 월파량의 산정에는 만조(약최고고조위) 시, 100년 빈도에 해당하는 태풍 내습에 따른 폭풍 해일의 발생 조건을 고려하였다.
지역별 강우 발생 특성과 유역 특성을 고려하기 위해 MOIS (2017)의 방재성능목표 기준에 따라 임계 지속기간을 결정하여 대상지역별 강우의 지속기간으로 설정하였다. 이때, 강우의 시간 분포는 MLTM (2011)의 Huff 3분위를 이용하였다. 그리고 조위와 월파의 경우, 일반적인 폭풍 해일의 지속기간을 고려하여 5시간으로 결정하였다. 한편, 침수 모의를 위한 계산 시간 간격, 2차원 모의 격자 등의 입력자료는 분석 대상지역의 유역 규모와 침수 분석 대상 영역을 고려하여 결정하였다. 참고로 침수 분석에 사용된 수치지형모형은 1 m 급의 고해상도로 구성되었지만, 2차원 침수 모의 격자의 크기는 지역별로 3 ~ 4 m이다. 이는 연구에서 사용된 XP-SWMM의 격자 수(100,000개) 제약에 따른 설정이나, Sun (2021)은 민감도 분석을 통해 2차원 침수 분석을 위한 적정 격자 크기를 3 ~ 4.5 m로 제시한 바 있다.
Table 3은 이 연구에서 설정한 침수 모의 조건과 분석 방법을 정리하여 나타낸 표이다.
Table 3.
Simulation condition and method
Classification
Target region
Simulation condition
Simulation method
Rainfall
Storm surge
Simulation time interval
2D grid size
Return period
Duration
Temporal distribution
Return period
Duration
Watershed routing
Channel routing
2D inundation
The south coast
Marine City area
100 yr
1 hr
3rd quartile of Huff’s method
100
5 hr
5 min
10 sec
1 sec
3 m
Centum City area
1 hr
100
5 min
10 sec
1 sec
4 m
The west coast
Jungang-dong area
2 hr
100
5 min
10 sec
1 sec
3.5 m
Ocheon Port area
1 hr
100
1 min
10 sec
1 sec
3 m
3.2.2 복합 재해의 동시 고려
이 연구의 대상지역들은 모두 소규모의 해안가 도시지역이고, 이러한 지역에 대한 강우의 임계지속기간은 1시간 ~ 2시간이나, 이 연구에서 분석한 폭풍 해일의 지속기간은 5시간으로 강우의 지속기간과 폭풍 해일의 지속기간이 상이하다. 이에 이 연구에서는 서로 다른 지속기간을 가진 강우와 폭풍 해일 또는 조위를 고려하기 위해 강우의 중심과 폭풍 해일의 중심이 동일한 시간에 위치하도록 설정하였다(Fig. 5).
XP-SWMM은 폭풍 해일이 지속되는 5시간 전체를 모의하도록 설정하였고, 폭풍 해일이 가장 큰 시점에 강우의 중심이 위치하도록 강우 발생 시기를 결정하였다. 다만, 부산 마린시티의 경우, 폭풍 해일에 의한 피해가 주로 월파에 의해 발생되므로 강우의 중심과 월파의 중심을 일치시켰고(Fig. 5(a)), 상대적으로 조위의 영향이 큰 3개 지역은 강우의 중심과 조위의 중심을 맞추었다. Fig. 5(b)는 군산시 중앙동 지역의 복합 외력에 의한 침수 분석에 사용된 강우와 조위의 조합이다.
한편, 100년 빈도의 확률강우량만을 고려한 침수 분석에서는 유역 유출부의 경계조건으로 우수 관거의 설계 조건을 고려하여 약최고고조위가 일정하게 유지되도록 설정하였다.
Fig. 5.
Consideration of external force conditions with different durations
3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려
XP-SWMM에 ADCSWAN 및 FLOW-3D 모형에 의해 산정된 월파량을 입력하기 위해 해안가 지역에 절점을 생성하여 월파 현상을 구현하였다. XP-SWMM에서 월파량을 입력하기 위한 절점의 위치는 FLOW-3D 모형에서 월파량을 산정한 격자의 중심 위치이다.
Fig. 6(a)는 마린시티 지역에 대한 월파량 입력 지점을 나타낸 것으로서, 유역 경계 주변에 동일 간격으로 원으로 표시한 지점들이 해당된다. Fig. 6(b)는 XP-SWMM에 월파량 입력 지점들을 반영하고, 하나의 절점에 월파량 시계열을 입력한 화면을 나타낸다.
Fig. 6.
Considering wave overtopping on XP-SWMM
3.3 침수 모의 결과
3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과
Fig. 7은 단일 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, Fig. 7의 왼쪽 그림들은 지역별로 100년 빈도 강우에 의한 침수 모의 결과를 나타내고, Fig. 7의 오른쪽 그림들은 만조 시 100년 빈도 폭풍 해일에 의한 침수 모의 결과이다. 대체로 강우에 의한 침수 영역은 유역 중․상류 지역의 유역 전반에 걸쳐 발생하였고, 폭풍 해일에 의한 침수 영역은 해안가 전면부에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 폭풍 해일에 의한 조위 상승과 월파의 영향이 상류로 갈수록 감소하기 때문이다.
한편, 4개 지역 모두에서 공통적으로 강우에 비해 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 상대적으로 크게 분석되었다. 이러한 결과는 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 대비한 침수 피해 저감 노력이 보다 중요함을 의미한다.
Fig. 7.
Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)
3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과
Fig. 8은 복합 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, 강우 및 폭풍 해일을 동시에 고려함에 따라 발생된 침수 영역을 나타낸다. 복합 외력을 고려하는 경우, 단일 외력만을 고려한 분석 결과(Fig. 7)보다 침수 영역은 넓어졌고, 침수심은 깊어졌다.
복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였고, 이는 일반적으로 예상할 수 있는 결과이다. 주목할만한 결과는 군산시 중앙동의 침수 분석에서 나타났다. 즉, 군산시 중앙동의 경우, 단일 외력만을 고려한 침수 모의 결과에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하였다(Fig. 8(c)). 이와 관련된 상세 내용은 3.4절의 고찰에서 기술하였다.
Fig. 8.
Simulation results by compound external forces
3.4 결과 고찰
외력 조건별 침수의 영향을 정량적으로 비교하기 위해 침수 면적을 이용하였다. 이 연구에서는 강우만에 의해 유발된 침수 면적을 기준(기준값: 1)으로 하고, 폭풍 해일(조위+월파량)에 의한 침수 면적과 복합 외력에 의한 침수 면적의 상대적 비율로 분석하였다(Table 4).
Table 4.
Impact evaluation for inundation area by external force
Condition
Marine City, Busan
Centum City, Busan
Jungang-dong area, Gunsan
Ocheon Port area, Boryeong
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Inundation area (km2)
Rate
Single external force
Rainfall (①)
0.0164
1.0
0.0759
1.0
0.0457
1.0
0.0175
1.0
Storm surge (②)
0.0363
2.21
0.0685
0.90
0.1463
3.20
0.0412
2.35
Compound external forces
Combination (①+②)
0.0524
3.19
0.1505
1.98
0.2632
5.76
0.0473
2.70
분석 결과, 부산 센텀시티를 제외한 3개 지역은 모두 폭풍 해일에 의한 침수 면적이 강우에 의한 침수 면적에 비해 2.2 ~ 3.2배 넓은 것으로 분석되었다. 한편, 복합 외력에 의한 침수 면적은 마린시티와 센텀시티의 경우, 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합과 유사하게 나타났다. 이는 각각의 외력에 의한 침수 영역이 상이하여 거의 중복되지 않음을 의미한다. 반면에, 오천항에서는 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합이 복합 외력에 의한 면적보다 크게 나타났다. 이는 오천항의 경우, 유역면적이 작고 배수 체계가 비교적 단순하여 강우와 폭풍 해일에 의한 침수 영역이 중복되기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 7(d)).
군산시 중앙동 일대의 경우, 복합 외력에 의한 침수 면적이 각각의 독립적인 외력 조건에 의한 침수 면적의 합에 비해 37.1% 크게 나타났다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 복합 외력 조건에서만 나타난 우수 관거(Fig. 8(c)의 A 구간)에 대하여 종단을 검토하였다(Fig. 9). Fig. 9(a)는 강우만에 의해 분석된 우수 관거 내 흐름 종단을 나타내고, Fig. 9(b)는 폭풍 해일만에 의한 우수 관거의 종단이다. 그림을 통해 각각의 독립적인 외력 조건 하에서는 해당 구간에서 침수가 발생되지 않은 것을 볼 수 있다. 다만, 강우만을 고려하더라도 우수 관거는 만관이 된 상태를 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 반면에, 만관 상태에서 폭풍 해일이 함께 고려됨에 따라 해수 범람과 조위 상승에 의해 우수 배제가 불량하게 되었고, 이로 인해 침수가 유발된 것으로 분석되었다(Fig. 9(c)). 따라서 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단할 수 있고, 단일 외력의 고려만으로는 침수를 예상하기 어려운 지역임을 알 수 있다.
Fig. 9.
A part of drainage profiles by external force in Jungang-dong area, Gunsan
4. 결 론
이 연구에서는 외력 조건에 따른 연안 지역의 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려된 외력 조건은 두 가지로서 강우와 폭풍 해일(조위와 월파)이다. 분석 대상 연안 지역으로는 남해안에 위치하는 2개 지역(부산시 해운대구의 마린시티와 센텀시티)과 서해안의 2개 지역(군산시 중앙동 일원 및 보령시 오천항)이 선정되었다.
복합 외력을 고려한 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역의 강우-유출 현상과 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있는 침수 모의 모형이 요구되는데, 이 연구에서는 XP-SWMM을 이용하였다. 한편, 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 및 FLOW-3D 모형이 이용되었다.
연안 지역별 침수 모의는 100년 빈도의 강우와 폭풍 해일을 독립적으로 고려한 경우와 복합적으로 고려한 경우를 구분하여 수행되었다. 우선, 외력을 독립적으로 고려한 결과, 대체로 폭풍 해일만 고려한 경우가 강우만 고려한 경우에 비해 침수 영향이 크게 나타났다. 따라서 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 의한 침수 피해 방지 계획이 상대적으로 중요한 것으로 분석되었다. 두 번째, 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수 모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 결과는 독립적인 외력 조건에서는 우수 관거가 만관 또는 그 이하의 상태가 되지만, 두 가지의 외력이 동시에 고려됨에 따라 우수 관거의 통수능 한계를 초과하여 나타났다. 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단되었고, 해당 지역의 적절한 침수 방지 대책 수립을 위해서는 복합적인 외력 조건이 고려되어야 함을 시사하였다.
현행, 자연재해저감종합계획에서는 침수와 관련된 재해 원인 지역을 내수재해, 해안재해, 하천재해 등으로 구분하고 있다. 하지만 이 연구에서 검토된 바와 같이, 연안 지역의 침수 원인은 복합적으로 나타날 뿐만 아니라, 복합 외력을 고려함에 따라 추가적으로 나타날 수 있는 침수 위험 지역도 존재한다. 따라서 기존의 획일적인 재해 원인의 구분보다는 지역의 특성에 맞는 복합적인 재해 원인을 검토할 필요가 있음을 제안한다.
Acknowledgements
본 논문은 행정안전부 극한 재난대응 기반기술 개발사업의 일환인 “해안가 복합재난 위험지역 피해저감 기술개발(연구과제번호: 2018-MOIS31-008)”의 지원으로 수행되었습니다.
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Abstract
This paper presents a short view of the first Archimedean Screw Turbines CFD modelling results, which were carried out within the recent research entitled “Rebirth of Archimedes in Greece: contribution to the study of hydraulic mechanics and hydrodynamic behavior of Archimedean cochlear waterwheels, for recovering the hydraulic potential of Greek natural and technical watercourses”. This CFD analysis, based to the Flow-3D code, concerns typical Tubular Archimedean Screw Turbines (TASTs) and shows some promising performances for such small hydropower systems harnessing the important unexploited hydraulic potential of natural and technical watercourses of Greece, of the order of several TWh / year and of a total installed capacity in the range of thousands MWs.
CFD; Flow-3D; TAST; Small Hydro; Renewable Energy; Greek Watercourses.
Figure 1. Photorealistic view of an inclined axis TAST (photo A. Stergiopoulou).
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이 논문은 비대칭 인보드, 비대칭 아웃보드 및 다양한 스태거/분리 위치에서의 대칭을 포함하는 세 가지 대안적인 측면 선체 형태를 가진 웨이브 피어싱 3동선의 저항 성능에 대한 실험적 조사 결과를 제시했습니다.
모델 테스트는 0.225에서 0.60까지의 Froude 수에서 삼동선 축소 모형을 사용하여 National Iranian Marine Laboratory(NIMALA) 예인 탱크에서 수행되었습니다.
결과는 측면 선체를 주 선체 트랜섬의 앞쪽으로 이동함으로써 삼동선의 총 저항 계수가 감소하는 것으로 나타났습니다.
또한 조사 결과, 측면 선체의 대칭 형태가 3개의 측면 선체 형태 중 전체 저항에 대한 성능이 가장 우수한 것으로 나타났습니다. 본 연구의 결과는 저항 관점에서 측면 선체 구성을 선택하는 데 유용합니다.
Keywords
Resistance performance
Wave-piercing trimaran
Seakeeping characteristics
Side hull symmetry
Model test
Experimental study
Figure 4 Snapshots of the trimaran model during the tests. a Inboard
side hulls in the Tri-1confguration, b Outboard side hulls in the Tri-4
confguration, c Symmetric side hulls in the Tri-4confguration
References
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ESTUDIO MOVIMIENTO DE METAL LIQUIDO A VELOCIDADES MAYORES DE 1 M/S
Author: Primitivo Carranza Torme Supervised by : Dr. Jesus Mª Blanco Ilzarbe Energy Engineering Department Faculty of Engineering – Bilbao, Vizcaya University of Basque Country UPV / EHU
INTRODUCTION
주조 금속 부품은 모든 산업 분야에서 매우 중요합니다. 그러나 이들을 제조함에 있어서 액상재료에서 최종 형태에 이르기까지 용융온도, 합금, 성형, 주입, 응고 등 여러 변수를 동시에 제어해야 한다.
이러한 모든 측면은 올바르게 수행되어야 합니다. 단 하나의 오류로 인해 주조가 고객의 사양을 충족하지 못하기 때문입니다. 금속 주조는 고대(5,000년 이상)에서 현대 엔지니어링 과학으로 발전한 인간 활동으로, 새로운 개념과 솔루션의 지속적인 흐름으로 모든 복잡성을 포괄합니다.
본 논문에서 주조 기술 연구는 금속 특성, 합금 효과, 작업 및 열처리, 유체 흐름 또는 응고에 대한 별도의 연구보다 훨씬 더 광범위한 분석입니다. 주조 공정에서 강력한 재순환 영역은 공기, 가스, 주형 모래 입자 및 주물의 품질에 심각한 영향을 미치는 기타 결함을 가둘 수 있습니다.
특히 이러한 결함이 상당한 경제적 손실을 초래하는 넓은 표면을 채우는 동안. (HURST, 1996) 우리는 주물용 충진 및 공급 시스템 설계의 이론과 실제 지식을 바탕으로 이 연구를 시작했습니다(Sigworth, 2018).
이러한 기술은 문제 해결, 프로세스 개선 및 최적화와 같은 진단 목적과 새로운 기술 개발 모두에 효과적인 것으로 입증되었습니다. 금속 가공의 특정 문제에 대한 이러한 시뮬레이션 기술의 적용은 액체 금속의 속도가 1m/s보다 큰 경우 따라야 할 단계를 명확하게 정의하는 균일한 처리를 사용하지 않습니다.
이것이 우리 연구의 대상이 되는 조각들입니다. 1980년대 이래로 강력한 경쟁 압력(국가 경제 간의 경쟁 및 강철 대 알루미늄 또는 알루미늄 대 플라스틱 또는 복합 재료와 같은 다른 재료 간의 경쟁)으로 인해 금속 및 재료 분야에서 심오한 기술 변화가 있었습니다.
(Steel statistic year book, 2019) 어쨌든 수익성을 보장하기 위해서는 기존 금속 가공 작업을 지속적으로 업그레이드하고 최적화하는 것이 필수적이며, 아마도 가장 중요한 것은 지속적으로 새로운 제품과 프로세스를 개발하는 것입니다.
제조 및 시뮬레이션. 국가 경제의 경우 이는 현재 기술을 사용하여 대부분의 서방 국가에서 새로운 금속 생산 공장을 건설하는 것이 정당화될 수 없으므로 연구 개발 노력이 기존 작업을 개선할 수 있음을 의미합니다.
그리고 가장 중요한 것은 새로운 제품 및 프로세스 개념을 개발하는 것이 이러한 산업과 사회 전체의 지속적인 복지에 매우 중요하다는 것입니다. 높은 비생산율, 자동화 및 로봇화가 그러한 노력의 핵심 요소가 되어야 합니다.
분명히, 이러한 개발의 구현 시간은 상당히 짧아야 하므로 전통적인 기술이 대안적이고 더 빠르고 비용 효율적인 접근 방식에 자리를 내주어야 합니다. 수학적 모델링과 더 큰 범위의 전산 모델링 접근 방식은 절실히 필요한 기술 변화를 실현하는 데 도움이 되는 큰 잠재력을 가지고 있다고 믿어집니다. (European Steel Sector Copetitiveness of the European Steel Sector, 2008)
기술 변화의 필요성에 대한 추진력은 하드웨어뿐만 아니라 다양한 물리적 시뮬레이션 및 소프트웨어 패키지를 포함하는 컴퓨팅 도구의 보다 비용 효율적인 가용성에 대한 강력한 추진력도 필요합니다.
한국농어촌공사는 수리시설안전진단사업을 통하여 노후 및 기능 저하된 농업생산기반시설물에 대하여 정밀안전진단을 실시하여 사전에 재해, 재난을 대비하고 있습니다.
측수로형 여수로는 계획 홍수량이하의 홍수량이 유입시엔 안정적으로 방류가 일어나나 계획 홍수량 이상의 홍수량이 유입되면 물넘이에서 불완전 월류가 발생하며 방류량이 충분하지 않게 됩니다. 측수로형 여수로는 설계당시의 홍수량에 비해 늘어난 현재에 맞게 변경된 홍수량이 유입할 경우 물넘이에서 불완전월류가 발생하는지를 확인하게 됩니다.
현재 농어촌공사와 농어촌연구원, 수자원공사, 학계 등에서는 전 세계에서 오랜 기간 학계의 연구활동을 통한 수많은 논문 검증과 현장 사용을 통해 검증된 FLOW-3D 수치해석 프로그램을 이용하고 있습니다.
특히, 농어촌공사의 정밀안전진단을 실시할 때 설계홍수량의 저수지 유입 시 물넘이에서 불완전월류가 발생하는지를 확인하고, 불완전월류 발생 시 수위 상승 영향을 분석해 안전성 검토 후 문제가 발견되면 보수·보강 방안을 제시할 수 있는 대표적인 3차원 수치해석 프로그램인 FLOW-3D 를 사용하고 있습니다.
2024년 한국농어촌공사 안전진단본부 여수로 불완전월류 정밀안전진단 FLOW-3D 수치 해석교육 장면
농어촌공사 정밀안전진단 업무 수행시 수치해석이 필요하십니까? 수치해석에 대해 궁금하신 사항이나 용역 의뢰가 필요하시면 언제든지 아래 연락처로 연락 주시기 바랍니다.
<담당자 연락처>
전화 : 02-2026-0455
Email : flow3d@stikorea.co.kr
당사에는 20년 이상 수치해석 수처리 분야의 수치해석 연구에 전념하고 있는 전문 연구인력과 다양한 기술적 경험과 전문 수치해석 용역 서비스를 제공하는 숙련된 기술팀이 준비되어 있습니다.
저수지 정밀안전진단 수치해석 과업 예시
과업의 범위
3차원 수치해석을 통한 OO저수지의 측수로부 수면 검토
측수로 불완전 월류 발생 여부 및 제방 여유고 검토
수치해석 과업 세부내용
가능최대홍수량과 200년, 100년 빈도의 홍수량에 대해 각각의 측수로부 3차원 수치해석
경계조건
가. 수위
만수위
홍수위 – 100년 빈도 – 200년 빈도 – 가능최대홍수량(PMF)
나. 홍수량
100년 빈도의 홍수량
200년 빈도의 홍수량
가능최대홍수량(PMF)
저수지 수위별 방류량 검토 및 제방 여유고 검토
경계조건에 대해 측수로부 물넘이 수면 형상 검토
수위별 방류량을 제공된 수리계산값과 수치해석 결과값을 비교하여 방류 능력 검토
수위에 따른 물넘이 수위를 검토하여 제방 여유고 검토
※ 수위별 수리계산값은 발주처에서 제공
성과물
100년빈도, 200년빈도 및 가능최대홍수량(PMF) 유입에 따른 측수로부 불완전 월류 여부로 인한 제방 여유고 안정성 검토
선박의 동력 요구 사항을 설계할 때 고려해야 할 가장 중요한 요소는 선박 저항 또는 선박에 작용하는 항력입니다. 항력을 극복하는 데 필요한 동력이 추진 시스템의 ‘손실’에 기여하기 때문에 추진 시스템을 설계하는 동안 선박 저항을 추정하는 것이 중요합니다. 선박 저항을 계산하는 세 가지 주요 방법이 있습니다:
Holtrop-Mennen(HM) 방법과 같은 통계적 방법, 수치 분석 또는 CFD(전산 유체 역학) 시뮬레이션 및 모델 테스트, 즉 예인 탱크에서 축소된 모델 테스트. 설계 단계 초기에는 기본 선박 매개변수만 사용할 수 있을 때 HM 방법과 같은 통계 모델만 사용할 수 있습니다.
수치 해석/CFD 시뮬레이션 및 모델 테스트는 선박의 완전한 3D 설계가 완료된 경우에만 수행할 수 있습니다. 본 논문은 Flow-3D 소프트웨어 패키지를 사용하여 CFD 시뮬레이션을 사용하여 잔잔한 수상 선박 저항을 예측하는 것을 목표로 합니다.
롤온/롤오프 승객(RoPax) 페리에 대한 사례 연구를 조사했습니다. 선박 저항은 다양한 선박 속도에서 계산되었습니다. 메쉬는 모든 CFD 시뮬레이션의 결과에 영향을 미치기 때문에 메쉬 민감도를 확인하기 위해 여러 개의 메쉬가 사용되었습니다. 시뮬레이션의 결과를 HM 방법의 추정치와 비교했습니다.
시뮬레이션 결과는 낮은 선박 속도에 대한 HM 방법과 잘 일치했습니다. 더 높은 선속을 위한 HM 방법에 비해 결과의 차이가 상당히 컸다. 선박 저항 분석을 수행하는 Flow-3D의 기능이 시연되었습니다.
While designing the power requirements of a ship, the most important factor to be considered is the ship resistance, or the sea drag forces acting on the ship. It is important to have an estimate of the ship resistance while designing the propulsion system since the power required to overcome the sea drag forces contribute to ‘losses’ in the propulsion system. There are three main methods to calculate ship resistance: Statistical methods like the Holtrop-Mennen (HM) method, numerical analysis or CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations, and model testing, i.e. scaled model tests in towing tanks. At the start of the design stage, when only basic ship parameters are available, only statistical models like the HM method can be used. Numerical analysis/ CFD simulations and model tests can be performed only when the complete 3D design of the ship is completed. The present paper aims at predicting the calm water ship resistance using CFD simulations, using the Flow-3D software package. A case study of a roll-on/roll-off passenger (RoPax) ferry was investigated. Ship resistance was calculated at various ship speeds. Since the mesh affects the results in any CFD simulation, multiple meshes were used to check the mesh sensitivity. The results from the simulations were compared with the estimate from the HM method. The results from simulations agreed well with the HM method for low ship speeds. The difference in the results was considerably high compared to the HM method for higher ship speeds. The capability of Flow-3D to perform ship resistance analysis was demonstrated.
Figure 1: Simplified ship geometryFigure 3: Wave pattern at sea surface at 20 knots (10.29 m/s) for mesh 1Figure 4: Ship Resistance (kN) vs Ship Speed (knots)
Publisher
International Society of Multiphysics
Citation
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1 Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktiven Wasserbau, B.O.K.U. University, Muthgasse 18, 1190 Vienna, (actually Senior Process Engineer at the VTU Engineering in Vienna, Zieglergasse 53/1/24, 1070 Vienna, Austria).2 School of Pedagogical and Technological Education, Department of Civil Engineering Educators, ASPETE Campus, Eirini Station, 15122 Amarousio, Athens, Greece.
Abstract
이 논문은 최초의 아르키메데스 나사 터빈 CFD 모델링 결과에 대한 간략한 견해를 제시하며, 이는 “그리스에서 아르키메데스의 부활: 수리 역학 및 아르키메데스 달팽이관 물레방아의 유체역학적 거동 연구에 대한 기여”라는 제목의 최근 연구에서 수행되었습니다. 그리스 자연 및 기술 수로의 수력 잠재력”. Flow-3D 코드를 기반으로 하는 이 CFD 분석은 일반적인 TAST(Tubular Archimedean Screw Turbines)와 관련이 있으며 몇 TWh 정도의 그리스 자연 및 기술 수로의 중요한 미개발 수력 잠재력을 활용하는 연간 및 수천 MW 범위의 총 설치 용량인 소규모 수력 발전 시스템에 대한 몇 가지 유망한 성능을 보여줍니다.
This paper presents a short view of the first Archimedean Screw Turbines CFD modelling results, which were carried out within the recent research entitled “Rebirth of Archimedes in Greece: contribution to the study of hydraulic mechanics and hydrodynamic behavior of Archimedean cochlear waterwheels, for recovering the hydraulic potential of Greek natural and technical watercourses”. This CFD analysis, based to the Flow-3D code, concerns typical Tubular Archimedean Screw Turbines (TASTs) and shows some promising performances for such small hydropower systems harnessing the important unexploited hydraulic potential of natural and technical watercourses of Greece, of the order of several TWh / year and of a total installed capacity in the range of thousands MWs.
Keywords
CFD; Flow-3D; TAST; Small Hydro; Renewable Energy; Greek Watercourses.
Figure 1. Photorealistic view of an inclined axis TAST (photo A. Stergiopoulou).Figure 3. The spectrum of all the screw axis orientation cases.Figure 4. Creation of the 3bladed Archimedean Screw with SolidworksFigure 6. “Meshing & Geometry” tab Operations (Flow 3-D).Figure 7. Comparison of Archimedean screw power performances P(W) for Q = 0.15 m3
/s and 0.30m3
/s
and angles of orientation 22ο & 32ο
.Figure 12. Various performances of the Archimedean Screw (MKE/Mean Kinetic Energy, Torque,
Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation) for flow discharge Q = 0.45 m3
/s and an angle of
orientation θ = 32ο
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최근 이상기후의 영향으로 전 지구적 온난화 및 도시화로 인해 세계적으로 기상이변이 늘어나고 있다. 도시화 및 난개발로 인한 불투수 면적의 증가 같은 문제로 홍수량이 증가함에 따라 홍수피해를 줄이기 위한 다양한 방안이 제시되고 있다. 본 연구에서는 사행하천구간에 설치되는 횡월류 위어 유입각의 변화에 따라 3차원 CFD 모형인 FLOW-3D를 이용하여 흐름 특성과 월류량을 분석하여 횡월류 위어 유입각에 대한 수공구조물의 월류능력 평가 및 유량계수 산정을 위한 기초 연구를 수행하였다. 분석 결과, 횡월류 위어 유입각이 작을수록 횡월류부 통과 후 주수로 흐름의 수위가 감소하고 유속이 증가하였으며, 유입각이 증가할수록 수위가 상승하였고, 유속이 감소하는 경향을 보였다. 또한, 횡월류 위어 유입각이 40° 이상인 경우 직하류 유속이 상류 유속과 비교하여 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
영문초록
Recently, due to global warming and urbanization due to the influence of abnormal weather, weather changes are increasing worldwide. Various measures have been proposed to reduce flood damage as flood volume increases due to problems such as an increase in impermeable area due to urbanization and reckless development. In this study, flow characteristics and overflow volume were analyzed using FLOW-3D, a three-dimensional CFD model, in accordance with changes in the cross-flow weir inlet angle installed in the meandering river section, and a basic study was conducted to evaluate the overflow capacity and calculate the flow coefficient. As a result of the analysis, the smaller the inflow angle of the transverse overflow, the lower the water level and flow rate of the main water flow after passing the transverse overflow, and the higher the inflow angle, the higher the water level and the flow rate. In addition, it was confirmed that the direct downstream flow rate decreased compared to the upstream flow rate when the inflow angle of the transverse overflow was 40° or higher.
Dissertação de Mestrado Ciclo de Estudos Integrados Conducentes ao Grau de Mestre em Engenharia Mecânica Trabalho efectuado sob a orientação do Doutor Hélder de Jesus Fernades Puga Professor Doutor José Joaquim Carneiro Barbosa
ABSTRACT
논문의 일부로 튜터 선택 가능성과 해결해야 할 주제가 설정되는 매개변수를 염두에 두고 개발 주제 ‘Flow- 3D ®에 의한 저압 충전 시스템 최적화’가 선택되었습니다. 이를 위해서는 달성해야 할 목표와 이를 달성하기 위한 방법을 정의하는 것이 필요했습니다.
충전 시스템을 시뮬레이션하고 검증할 수 있는 광범위한 소프트웨어에도 불구하고 Flow-3D®는 시장에서 최고의 도구 중 하나로 표시되어 전체 충전 프로세스 및 행동 표현과 관련하여 탁월한 정확도로 시뮬레이션하는 능력을 입증했습니다.
이를 위해 관련 프로세스를 더 잘 이해하고 충진 시스템 시뮬레이션을 위한 탐색적 기반 역할을 하기 위해 이 도구를 탐색하는 것이 중요합니다. 지연 및 재료 낭비에 반영되는 실제적인 측면에서 충전 장치의 치수를 완벽하게 만드는 비용 및 시간 낭비. 이러한 방식으로 저압 주조 공정에서 충진 시스템을 설계하고 물리적 모델을 탐색하여 특성화하는 방법론을 검증하기 위한 것입니다.
이를 위해 다음 주요 단계를 고려하십시오.
시뮬레이션 소프트웨어 Flow 3D® 탐색; 충전 시스템 모델링; 모델의 매개변수를 탐색하여 모델링된 시스템의 시뮬레이션, 검증 및 최적화.
따라서 연구 중인 압력 곡선과 주조 분석에서 가장 관련성이 높은 정보의 최종 마이닝을 검증하기 위한 것입니다.
사용된 압력 곡선은 수집된 문헌과 이전에 수행된 실제 작업을 통해 얻었습니다. 결과를 통해 3단계 압력 곡선이 층류 충진 체계의 의도된 목적과 관련 속도가 0.5 𝑚/𝑠를 초과하지 않는다는 결론을 내릴 수 있었습니다.
충전 수준이 2인 압력 곡선은 0.5 𝑚/𝑠 이상의 속도로 영역을 채우는 더 난류 시스템을 갖습니다. 열전달 매개변수는 이전에 얻은 값이 주물에 대한 소산 거동을 확증하지 않았기 때문에 연구되었습니다.
이러한 방식으로 주조 공정에 더 부합하는 새로운 가치를 얻었습니다. 달성된 결과는 유사한 것으로 나타난 NovaFlow & Solid®에 의해 생성된 결과와 비교되어 시뮬레이션에서 설정된 매개변수를 검증했습니다. Flow 3D®는 주조 부품 시뮬레이션을 위한 강력한 도구로 입증되었습니다.
As part of the dissertation and bearing in mind the parameters in which the possibility of a choice of tutor and the subject to be addressed is established, the subject for development ’Optimization of filling systems for low pressure by Flow 3D ®’ was chosen. For this it was necessary to define the objectives to achieve and the methods to attain them. Despite the wide range of software able to simulate and validate filling systems, Flow 3D® has been shown as one of the best tools in the market, demonstrating its ability to simulate with distinctive accuracy with respect to the entire process of filling and the behavioral representation of the fluid obtained. To this end, it is important to explore this tool for a better understanding of the processes involved and to serve as an exploratory basis for the simulation of filling systems, simulation being one of the great strengths of the current industry due to the need to reduce costs and time waste, in practical terms, that lead to the perfecting of the dimensioning of filling devices, which are reflected in delays and wasted material. In this way it is intended to validate the methodology to design a filling system in lowpressure casting process, exploring their physical models and thus allowing for its characterization. For this, consider the following main phases: The exploration of the simulation software Flow 3D®; modeling of filling systems; simulation, validation and optimization of systems modeled by exploring the parameters of the models. Therefore, it is intended to validate the pressure curves under study and the eventual mining of the most relevant information in a casting analysis. The pressure curves that were used were obtained through the gathered literature and the practical work previously performed. Through the results it was possible to conclude that the pressure curve with 3 levels meets the intended purpose of a laminar filling regime and associated speeds never exceeding 0.5 𝑚/𝑠. The pressure curve with 2 filling levels has a more turbulent system, having filling areas with velocities above 0.5 𝑚/𝑠. The heat transfer parameter was studied due to the values previously obtained didn’t corroborate the behavior of dissipation regarding to the casting. In this way, new values, more in tune with the casting process, were obtained. The achieved results were compared with those generated by NovaFlow & Solid®, which were shown to be similar, validating the parameters established in the simulations. Flow 3D® was proven a powerful tool for the simulation of casting parts.
Figure 4.24 – Model with virtual valves in the extremities of the geometries to simulate the permeability of the mold promoting a more uniformed fillingFigure 4.39 – Values of temperature contours using full energy heat transfer parameter for simulaFigure 4.40 – Comparison between software simulations (a) Flow 3D® simulation,
(b) NovaFlow & Solid® simulation
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Paula Beceiro (corresponding author) Maria do Céu Almeida Hydraulic and Environment Department (DHA), National Laboratory for Civil Engineering, Avenida do Brasil 101, 1700-066 Lisbon, Portugal E-mail: pbeceiro@lnec.pt Jorge Matos Department of Civil Engineering, Arquitecture and Geosources, Technical University of Lisbon (IST), Avenida Rovisco Pais 1, 1049-001 Lisbon, Portugal
ABSTRACT
물 흐름에 용존 산소(DO)의 존재는 해로운 영향의 발생을 방지하는 데 유익한 것으로 인식되는 호기성 조건을 보장하는 중요한 요소입니다.
하수도 시스템에서 흐르는 폐수에 DO를 통합하는 것은 공기-액체 경계면 또는 방울이나 접합부와 같은 특이점의 존재로 인해 혼입된 공기를 통한 연속 재방출의 영향을 정량화하기 위해 광범위하게 조사된 프로세스입니다. 공기 혼입 및 후속 환기를 향상시키기 위한 하수구 드롭의 위치는 하수구의 호기성 조건을 촉진하는 효과적인 방법입니다.
본 논문에서는 수직 낙하, 배경 및 계단식 낙하를 CFD(전산유체역학) 코드 FLOW-3D®를 사용하여 모델링하여 이러한 유형의 구조물의 존재로 인해 발생하는 난류로 인한 공기-물 흐름을 평가했습니다. 이용 가능한 실험적 연구에 기초한 수력학적 변수의 평가와 공기 혼입의 분석이 수행되었습니다.
이러한 구조물에 대한 CFD 모델의 결과는 Soares(2003), Afonso(2004) 및 Azevedo(2006)가 개발한 해당 물리적 모델에서 얻은 방류, 압력 헤드 및 수심의 측정을 사용하여 검증되었습니다.
유압 거동에 대해 매우 잘 맞았습니다. 수치 모델을 검증한 후 공기 연행 분석을 수행했습니다.
The presence of dissolved oxygen (DO) in water flows is an important factor to ensure the aerobic conditions recognised as beneficial to prevent the occurrence of detrimental effects. The incorporation of DO in wastewater flowing in sewer systems is a process widely investigated in order to quantify the effect of continuous reaeration through the air-liquid interface or air entrained due the presence of singularities such as drops or junctions. The location of sewer drops to enhance air entrainment and subsequently reaeration is an effective practice to promote aerobic conditions in sewers. In the present paper, vertical drops, backdrops and stepped drop was modelled using the computational fluid dynamics (CFD) code FLOW-3D® to evaluate the air-water flows due to the turbulence induced by the presence of this type of structures. The assessment of the hydraulic variables and an analysis of the air entrainment based in the available experimental studies were carried out. The results of the CFD models for these structures were validated using measurements of discharge, pressure head and water depth obtained in the corresponding physical models developed by Soares (2003), Afonso (2004) and Azevedo (2006). A very good fit was obtained for the hydraulic behaviour. After validation of numerical models, analysis of the air entrainment was carried out.
Key words | air entrainment, computational fluid dynamics (CFD), sewer drops
Figure 1.| Physical models of the vertical drop, backdrop and stepped drop developed in the Technical University of Lisbon.Figure 3. Comparison between the experimental and numerical pressure head along of the invert of the outlet pipe.Figure 4. Average void fraction along the longitudinal axis of the outlet pipe for the lower discharges in the vertical drop and backdrop.
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As a part of design process for hydro-electric generating stations, hydraulic engineers typically conduct some form of model testing. The desired outcome from the testing can vary considerably depending on the specific situation, but often characteristics such as velocity patterns, discharge rating curves, water surface profiles, and pressures at various locations are measured. Due to recent advances in computational power and numerical techniques, it is now also possible to obtain much of this information through numerical modeling. In this paper, hydraulic characteristics of Kavsak Dam and Hydroelectric Power Plant (HEPP), which are under construction and built for producing energy in Turkey, were investigated experimentally by physical model studies. The 1/50-scaled physical model was used in conducting experiments. Flow depth, discharge and pressure data were recorded for different flow conditions. Serious modification was made on the original project with the experimental study. In order to evaluate the capability of the computational fluid dynamics on modeling spillway flow a comparative study was made by using results obtained from physical modeling and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation. A commercially available CFD program, which solves the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations, was used to model the numerical model setup by defining cells where the flow is partially or completely restricted in the computational space. Discharge rating curves, velocity patterns and pressures were used to compare the results of the physical model and the numerical model. It was shown that there is reasonably good agreement between the physical and numerical models in flow characteristics.
수력 발전소 설계 프로세스의 일부로 수력 엔지니어는 일반적으로 어떤 형태의 모델 테스트를 수행합니다. 테스트에서 원하는 결과는 특정 상황에 따라 상당히 다를 수 있지만 속도 패턴, 방전 등급 곡선, 수면 프로파일 및 다양한 위치에서의 압력과 같은 특성이 측정되는 경우가 많습니다. 최근 계산 능력과 수치 기법의 발전으로 인해 이제는 수치 모델링을 통해 이러한 정보의 대부분을 얻을 수도 있습니다.
본 논문에서는 터키에서 에너지 생산을 위해 건설 중인 Kavsak 댐과 수력발전소(HEPP)의 수력학적 특성을 물리적 모델 연구를 통해 실험적으로 조사하였다. 1/50 스케일의 물리적 모델이 실험 수행에 사용되었습니다. 다양한 흐름 조건에 대해 흐름 깊이, 배출 및 압력 데이터가 기록되었습니다. 실험 연구를 통해 원래 프로젝트에 대대적인 수정이 이루어졌습니다.
배수로 흐름 모델링에 대한 전산유체역학의 능력을 평가하기 위해 물리적 모델링과 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션 결과를 이용하여 비교 연구를 수행하였습니다. RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식을 푸는 상업적으로 이용 가능한 CFD 프로그램은 흐름이 계산 공간에서 부분적으로 또는 완전히 제한되는 셀을 정의하여 수치 모델 설정을 모델링하는 데 사용되었습니다.
물리적 모델과 수치 모델의 결과를 비교하기 위해 배출 등급 곡선, 속도 패턴 및 압력을 사용했습니다. 유동 특성에서 물리적 모델과 수치 모델 간에 상당히 좋은 일치가 있는 것으로 나타났습니다.
Serife Yurdagul Kumcu−2−KSCE Journal of Civil Engineeringthe use of CFD for the assessment of a design, as well as screeningand optimizing of hydraulic structures and cofferdam layouts. Theyconclude that CFD has been successful in optimizing the finalconceptual configuration for the hydraulics design of the project,but recommend that physical modeling still be used as a finalconfirmation.This paper provides experimental studies performed on Kav akDam and analyses the stability of spillway design by usingFLOW-3D model. It compares the hydraulic model tests withFLOW-3D simulation results and gives information on howaccurately a commercially available Computational Fluid Dynamic(CFD) model can predict the spillway discharge capacity andpressure distribution along the spillway bottom surface. 2. Physical ModelA 1/50-scaled undistorted physical model of the Kavsak Damspillway and stilling basin was built and tested at the HydraulicModel Laboratory of State Hydraulic Works of Turkey (DSI).The model was constructed of plexiglas and was fabricated toconform to the distinctive shape of an ogee crest. The spillwayhas 45.8 m in width and 57 m long with a bottom slope of 125%.The length of the stilling basin is about 90 m. During model tests,flow velocities were measured with an ultrasonic flow meter.Pressures on the spillway were measured using a piezometerssçTable 1. Upstream and Downstream Operating Conditions of theKavsak DamRun Upstream reservoir elevation (m)Downstream tailwater elevation (m)1 306.55 168.002 311.35 174.503 314.00 178.904 316.50 182.55Fig. 1. (a) Original Project Design and Final Project Design after Experimental Investigations and Flow Measurement Sections at theApproach, (b) Top View Experimentally Modified Approach in the Laboratory, (c) Side View of the Experimentally Modified Approachin the Laboratory
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Analysis of behavior and hydraulic characteristics of flow over the dam spillway is a complicated task that takes lots of money and time in water engineering projects planning. To model those hydraulic characteristics, several methods such as physical and numerical methods can be used. Nowadays, by utilizing new methods in computational fluid dynamics (CFD) and by the development of fast computers, the numerical methods have become accessible for use in the analysis of such sophisticated flows. The CFD softwares have the capability to analyze two- and three-dimensional flow fields. In this paper, the flow pattern at the guide wall of the Kamal-Saleh dam was modeled by Flow 3D. The results show that the current geometry of the left wall causes instability in the flow pattern and making secondary and vortex flow at beginning approach channel. This shape of guide wall reduced the performance of weir to remove the peak flood discharge.
댐 여수로 흐름의 거동 및 수리학적 특성 분석은 물 공학 프로젝트 계획에 많은 비용과 시간이 소요되는 복잡한 작업입니다. 이러한 수력학적 특성을 모델링하기 위해 물리적, 수치적 방법과 같은 여러 가지 방법을 사용할 수 있습니다. 요즘에는 전산유체역학(CFD)의 새로운 방법을 활용하고 빠른 컴퓨터의 개발로 이러한 정교한 흐름의 해석에 수치 방법을 사용할 수 있게 되었습니다. CFD 소프트웨어에는 2차원 및 3차원 유동장을 분석하는 기능이 있습니다. 본 논문에서는 Kamal-Saleh 댐 유도벽의 흐름 패턴을 Flow 3D로 모델링하였다. 결과는 왼쪽 벽의 현재 형상이 흐름 패턴의 불안정성을 유발하고 시작 접근 채널에서 2차 및 와류 흐름을 만드는 것을 보여줍니다. 이러한 형태의 안내벽은 첨두방류량을 제거하기 위해 둑의 성능을 저하시켰다.
Introduction
Spillways are one of the main structures used in the dam projects. Design of the spillway in all types of dams, specifically earthen dams is important because the inability of the spillway to remove probable maximum flood (PMF) discharge may cause overflow of water which ultimately leads to destruction of the dam (Das and Saikia et al. 2009; E 2013 and Novak et al. 2007). So study on the hydraulic characteristics of this structure is important. Hydraulic properties of spillway including flow pattern at the entrance of the guide walls and along the chute. Moreover, estimating the values of velocity and pressure parameters of flow along the chute is very important (Chanson 2004; Chatila and Tabbara 2004). The purpose of the study on the flow pattern is the effect of wall geometry on the creation transverse waves, flow instability, rotating and reciprocating flow through the inlet of spillway and its chute (Parsaie and Haghiabi 2015a, b; Parsaie et al. 2015; Wang and Jiang 2010). The purpose of study on the values of velocity and pressure is to calculate the potential of the structure to occurrence of phenomena such as cavitation (Fattor and Bacchiega 2009; Ma et al. 2010). Sometimes, it can be seen that the spillway design parameters of pressure and velocity are very suitable, but geometry is considered not suitable for conducting walls causing unstable flow pattern over the spillway, rotating flows at the beginning of the spillway and its design reduced the flood discharge capacity (Fattor and Bacchiega 2009). Study on spillway is usually conducted using physical models (Su et al. 2009; Suprapto 2013; Wang and Chen 2009; Wang and Jiang 2010). But recently, with advances in the field of computational fluid dynamics (CFD), study on hydraulic characterist–ics of this structure has been done with these techniques (Chatila and Tabbara 2004; Zhenwei et al. 2012). Using the CFD as a powerful technique for modeling the hydraulic structures can reduce the time and cost of experiments (Tabbara et al. 2005). In CFD field, the Navier–Stokes equation is solved by powerful numerical methods such as finite element method and finite volumes (Kim and Park 2005; Zhenwei et al. 2012). In order to obtain closed-form Navier–Stokes equations turbulence models, such k − ε and Re-Normalisation Group (RNG) models have been presented. To use the technique of computational fluid dynamics, software packages such as Fluent and Flow 3D, etc., are provided. Recently, these two software packages have been widely used in hydraulic engineering because the performance and their accuracy are very suitable (Gessler 2005; Kim 2007; Kim et al. 2012; Milési and Causse 2014; Montagna et al. 2011). In this paper, to assess the flow pattern at Kamal-Saleh guide wall, numerical method has been used. All the stages of numerical modeling were conducted in the Flow 3D software.
Materials and methods
Firstly, a three-dimensional model was constructed according to two-dimensional map that was prepared for designing the spillway. Then a small model was prepared with scale of 1:80 and entered into the Flow 3D software; all stages of the model construction was conducted in AutoCAD 3D. Flow 3D software numerically solved the Navier–Stokes equation by finite volume method. Below is a brief reference on the equations that used in the software. Figure 1 shows the 3D sketch of Kamal-Saleh spillway and Fig. 2 shows the uploading file of the Kamal-Saleh spillway in Flow 3D software.
Fig. 1Fig. 2
Review of the governing equations in software Flow 3D
Continuity equation at three-dimensional Cartesian coordinates is given as Eq (1).
where u, v, z are velocity component in the x, y, z direction; Ax, Ay, Az cross-sectional area of the flow; ρ fluid density; PSOR the source term; vf is the volume fraction of the fluid and three-dimensional momentum equations given in Eq (2).
where P is the fluid pressure; Gx, Gy, Gz the acceleration created by body fluids; fx, fy, fz viscosity acceleration in three dimensions and vf is related to the volume of fluid, defined by Eq. (3). For modeling of free surface profile the VOF technique based on the volume fraction of the computational cells has been used. Since the volume fraction F represents the amount of fluid in each cell, it takes value between 0 and 1.
Flow 3D offers five types of turbulence models: Prantl mixing length, k − ε equation, RNG models, Large eddy simulation model. Turbulence models that have been proposed recently are based on Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. This approach involves statistical methods to extract an averaged equation related to the turbulence quantities.
Steps of solving a problem in Flow 3D software
(1) Preparing the 3D model of spillway by AutoCAD software. (2) Uploading the file of 3D model in Flow 3D software and defining the problem in the software and checking the final mesh. (3) Choosing the basic equations that should be solved. (4) Defining the characteristics of fluid. (5) Defining the boundary conditions; it is notable that this software has a wide range of boundary conditions. (6) Initializing the flow field. (7) Adjusting the output. (8) Adjusting the control parameters, choice of the calculation method and solution formula. (9) Start of calculation. Figure 1 shows the 3D model of the Kamal-Saleh spillway; in this figure, geometry of the left and right guide wall is shown.
Figure 2 shows the uploading of the 3D spillway dam in Flow 3D software. Moreover, in this figure the considered boundary condition in software is shown. At the entrance and end of spillway, the flow rate or fluid elevation and outflow was considered as BC. The bottom of spillway was considered as wall and left and right as symmetry.
Model calibration
Calibration of the Flow 3D for modeling the effect of geometry of guide wall on the flow pattern is included for comparing the results of Flow 3D with measured water surface profile. Calibration the Flow 3D software could be conducted in two ways: first, changing the value of upstream boundary conditions is continued until the results of water surface profile of the Flow 3D along the spillway successfully covered the measurement water surface profile; second is the assessment the mesh sensitivity. Analyzing the size of mesh is a trial-and-error process where the size of mesh is evaluated form the largest to the smallest. With fining the size of mesh the accuracy of model is increased; whereas, the cost of computation is increased. In this research, the value of upstream boundary condition was adjusted with measured data during the experimental studies on the scaled model and the mesh size was equal to 1 × 1 × 1 cm3.
Results and discussion
The behavior of water in spillway is strongly affected by the flow pattern at the entrance of the spillway, the flow pattern formation at the entrance is affected by the guide wall, and choice of an optimized form for the guide wall has a great effect on rising the ability of spillway for easy passing the PMF, so any nonuniformity in flow in the approach channel can cause reduction of spillway capacity, reduction in discharge coefficient of spillway, and even probability of cavitation. Optimizing the flow guiding walls (in terms of length, angle and radius) can cause the loss of turbulence and flow disturbances on spillway. For this purpose, initially geometry proposed for model for the discharge of spillway dam, Kamal-Saleh, 80, 100, and 120 (L/s) were surveyed. These discharges of flow were considered with regard to the flood return period, 5, 100 and 1000 years. Geometric properties of the conducting guidance wall are given in Table 1.Table 1 Characteristics and dimensions of the guidance walls tested
Results of the CFD simulation for passing the flow rate 80 (L/s) are shown in Fig. 3. Figure 3 shows the secondary flow and vortex at the left guide wall.
Fig. 3
For giving more information about flow pattern at the left and right guide wall, Fig. 4 shows the flow pattern at the right side guide wall and Fig. 5 shows the flow pattern at the left side guide wall.
Fig. 4Fig. 5
With regard to Figs. 4 and 5 and observing the streamlines, at discharge equal to 80 (L/s), the right wall has suitable performance but the left wall has no suitable performance and the left wall of the geometric design creates a secondary and circular flow, and vortex motion in the beginning of the entrance of spillway that creates cross waves at the beginning of spillway. By increasing the flow rate (Q = 100 L/s), at the inlet spillway secondary flows and vortex were removed, but the streamline is severely distorted. Results of the guide wall performances at the Q = 100 (L/s) are shown in Fig. 6.
Fig. 6
Also more information about the performance of each guide wall can be derived from Figs. 7 and 8. These figures uphold that the secondary and vortex flows were removed, but the streamlines were fully diverted specifically near the left side guide wall.
Fig. 7Fig. 8
As mentioned in the past, these secondary and vortex flows and diversion in streamline cause nonuniformity and create cross wave through the spillway. Figure 9 shows the cross waves at the crest of the spillway.
Fig. 9
The performance of guide walls at the Q = 120 (L/s) also was assessed. The result of simulation is shown in Fig. 10. Figures 11 and 12 show a more clear view of the streamlines near to right and left side guide wall, respectively. As seen in Fig. 12, the left side wall still causes vortex flow and creation of and diversion in streamline.
Fig. 10Fig. 11Fig. 12
The results of the affected left side guide wall shape on the cross wave creation are shown in Fig. 13. As seen from Fig. 3, the left side guide wall also causes cross wave at the spillway crest.
Fig. 13
As can be seen clearly in Figs. 9 and 13, by moving from the left side to the right side of the spillway, the cross waves and the nonuniformity in flow is removed. By reviewing Figs. 9 and 13, it is found that the right side guide wall removes the cross waves and nonuniformity. With this point as aim, a geometry similar to the right side guide wall was considered instead of the left side guide wall. The result of simulation for Q = 120 (L/s) is shown in Fig. 14. As seen from this figure, the proposed geometry for the left side wall has suitable performance smoothly passing the flow through the approach channel and spillway.
Fig. 14
More information about the proposed shape for the left guide wall is shown in Fig. 15. As seen from this figure, this shape has suitable performance for removing the cross waves and vortex flows.
Fig. 15
Figure 16 shows the cross section of flow at the crest of spillway. As seen in this figure, the proposed shape for the left side guide wall is suitable for removing the cross waves and secondary flows.
Fig. 16
Conclusion
Analysis of behavior and hydraulic properties of flow over the spillway dam is a complicated task which is cost and time intensive. Several techniques suitable to the purposes of study have been undertaken in this research. Physical modeling, usage of expert experience, usage of mathematical models on simulation flow in one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional techniques, are some of the techniques utilized to study this phenomenon. The results of the modeling show that the CFD technique is a suitable tool for simulating the flow pattern in the guide wall. Using this tools helps the designer for developing the optimal shape for hydraulic structure which the flow pattern through them are important.
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Numerical simulation of ship waves in the presence of a uniform current
CongfangAiYuxiangMaLeiSunGuohaiDongState Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China
Highlights
• Ship waves in the presence of a uniform current are studied by a non-hydrostatic model.
• Effects of a following current on characteristic wave parameters are investigated.
• Effects of an opposing current on characteristic wave parameters are investigated.
• The response of the maximum water level elevation to the ship draft is discussed.
Abstract
이 논문은 균일한 해류가 존재할 때 선박파의 생성 및 전파를 시뮬레이션하기 위한 비정역학적 모델을 제시합니다. 선박 선체의 움직임을 표현하기 위해 움직이는 압력장 방법이 모델에 통합되었습니다.
뒤따르거나 반대 방향의 균일한 흐름이 있는 경우의 선박 파도의 수치 결과를 흐름이 없는 선박 파도의 수치 결과와 비교합니다. 추종 또는 반대 균일 전류가 존재할 때 계산된 첨단선 각도는 분석 솔루션과 잘 일치합니다. 추종 균일 전류와 반대 균일 전류가 특성파 매개변수에 미치는 영향을 제시하고 논의합니다.
선박 흘수에 대한 최대 수위 상승의 응답은 추종 또는 반대의 균일한 흐름이 있는 경우에도 표시되며 흐름이 없는 선박 파도의 응답과 비교됩니다. 선박 선체 측면의 최대 수위 상승은 Froude 수 Fr’=Us/gh의 특정 범위에 대해 다음과 같은 균일한 흐름의 존재에 의해 증가될 수 있음이 밝혀졌습니다.
여기서 Us는 선박 속도이고 h는 물입니다. 깊이. 균일한 해류를 무시하면 추종류나 반대류가 존재할 때 선박 흘수에 대한 최대 수위 상승의 응답이 과소평가될 수 있습니다.
본 연구는 선박파의 해석에 있어 균일한 해류의 영향을 고려해야 함을 시사합니다.
This paper presents a non-hydrostatic model to simulate the generation and propagation of ship waves in the presence of a uniform current. A moving pressure field method is incorporated into the model to represent the movement of a ship hull. Numerical results of ship waves in the presence of a following or an opposing uniform current are compared with those of ship waves without current. The calculated cusp-line angles in the presence of a following or opposing uniform current agree well with analytical solutions. The effects of a following uniform current and an opposing uniform current on the characteristic wave parameters are presented and discussed. The response of the maximum water level elevation to the ship draft is also presented in the presence of a following or an opposing uniform current and is compared with that for ship waves without current. It is found that the maximum water level elevation lateral to the ship hull can be increased by the presence of a following uniform current for a certain range of Froude numbers Fr′=Us/gh, where Us is the ship speed and h is the water depth. If the uniform current is neglected, the response of the maximum water level elevation to the ship draft in the presence of a following or an opposing current can be underestimated. The present study indicates that the effect of a uniform current should be considered in the analysis of ship waves.
Ship waves, Non-hydrostatic model, Following current, Opposing current, Wave parameters
1. Introduction
Similar to wind waves, ships sailing across the sea can also create free-surface undulations ranging from ripples to waves of large size (Grue, 2017, 2020). Ship waves can cause sediment suspension and engineering structures damage and even pose a threat to flora and fauna living near the embankments of waterways (Dempwolff et al., 2022). It is quite important to understand ship waves in various environments. The study of ship waves has been conducted over a century. A large amount of research (Almström et al., 2021; Bayraktar and Beji, 2013; David et al., 2017; Ertekin et al., 1986; Gourlay, 2001; Havelock, 1908; Lee and Lee, 2019; Samaras and Karambas, 2021; Shi et al., 2018) focused on the generation and propagation of ship waves without current. When a ship navigates in the sea or in a river where tidal flows or river flows always exist, the effect of currents should be taken into account. However, the effect of currents on the characteristic parameters of ship waves is still unclear, because very few publications have been presented on this topic.
Over the past two decades, many two-dimensional (2D) Boussinesq-type models (Bayraktar and Beji, 2013; Dam et al., 2008; David et al., 2017; Samaras and Karambas, 2021; Shi et al., 2018) were developed to examine ship waves. For example, Bayraktar and Beji (2013) solved Boussinesq equations with improved dispersion characteristics to simulate ship waves due to a moving pressure field. David et al. (2017) employed a Boussinesq-type model to investigate the effects of the pressure field and its propagation speed on characteristic wave parameters. All of these Boussinesq-type models aimed to simulate ship waves without current except for that of Dam et al. (2008), who investigated the effect of currents on the maximum wave height of ship waves in a narrow channel.
In addition to Boussinesq-type models, numerical models based on the Navier-Stokes equations (NSE) or Euler equations are also capable of resolving ship waves. Lee and Lee (2019, 2021) employed the FLOW-3D model to simulate ship waves without current and ship waves in the presence of a uniform current to confirm their equations for ship wave crests. FLOW-3D is a computational fluid dynamics (CFD) software based on the NSE, and the volume of fluid (VOF) method is used to capture the moving free surface. However, VOF-based NSE models are computationally expensive due to the treatment of the free surface. To efficiently track the free surface, non-hydrostatic models employ the so-called free surface equation and can be solved efficiently. One pioneering application for the simulation of ship waves by the non-hydrostatic model was initiated by Ma (2012) and named XBeach. Recently, Almström et al. (2021) validated XBeach with improved dispersive behavior by comparison with field measurements. XBeach employed in Almström et al. (2021) is a 2-layer non-hydrostatic model and is accurate up to Kh=4 for the linear dispersion relation (de Ridder et al., 2020), where K=2π/L is the wavenumber. L is the wavelength, and h is the still water depth. However, no applications of non-hydrostatic models on the simulation of ship waves in the presence of a uniform current have been published. For more advances in the numerical modelling of ship waves, the reader is referred to Dempwolff et al. (2022).
This paper investigates ship waves in the presence of a uniform current by using a non-hydrostatic model (Ai et al., 2019), in which a moving pressure field method is incorporated to represent the movement of a ship hull. The model solves the incompressible Euler equations by using a semi-implicit algorithm and is associated with iterating to solve the Poisson equation. The model with two, three and five layers is accurate up to Kh= 7, 15 and 40, respectively (Ai et al., 2019) in resolving the linear dispersion relation. To the best of our knowledge, ship waves in the presence of currents have been studied theoretically (Benjamin et al., 2017; Ellingsen, 2014; Li and Ellingsen, 2016; Li et al., 2019.) and numerically (Dam et al., 2008; Lee and Lee, 2019, 2021). However, no publications have presented the effects of a uniform current on characteristic wave parameters except for Dam et al. (2008), who investigated only the effect of currents on the maximum wave height in a narrow channel for the narrow relative Froude number Fr=(Us−Uc)/gh ranging from 0.47 to 0.76, where Us is the ship speed and Uc is the current velocity. To reveal the effect of currents on the characteristic parameters of ship waves, the main objectives of this paper are (1) to validate the capability of the proposed model to resolve ship waves in the presence of a uniform current, (2) to investigate the effects of a following or an opposing current on characteristic wave parameters including the maximum water level elevation and the leading wave period in the ship wave train, (3) to show the differences in characteristic wave parameters between ship waves in the presence of a uniform current and those without current when the same relative Froude number Fr is specified, and (4) to examine the response of the maximum water level elevation to the ship draft in the presence of a uniform current.
The remainder of this paper is organized as follows. The non-hydrostatic model for ship waves is described in Section 2. Section 3 presents numerical validations for ship waves. Numerical results and discussions about the effects of a uniform current on characteristic wave parameters are provided in Section 4, and a conclusion is presented in Section 5.
2. Non-hydrostatic model for ship waves
2.1. Governing equations
The 3D incompressible Euler equations are expressed in the following form:(1)∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0(2)∂u∂t+∂u2∂x+∂uv∂y+∂uw∂z=−∂p∂x(3)∂v∂t+∂uv∂x+∂v2∂y+∂vw∂z=−∂p∂y(4)∂w∂t+∂uw∂x+∂vw∂y+∂w2∂z=−∂p∂z−gwhere t is the time; u(x,y,z,t), v(x,y,z,t) and w(x,y,z,t) are the velocity components in the horizontal x, y and vertical z directions, respectively; p(x,y,z,t) is the pressure divided by a constant reference density; and g is the gravitational acceleration.
The pressure p(x,y,z,t) can be expressed as(5)p=ps+g(η−z)+qwhere ps(x,y,t) is the pressure at the free surface, η(x,y,t) is the free surface elevation, and q(x,y,z,t) is the non-hydrostatic pressure.
η(x,y,t) is calculated by the following free-surface equation:(6)∂η∂t+∂∂x∫−hηudz+∂∂y∫−hηvdz=0where z=−h(x,y) is the bottom surface.
For −L/2≤x’≤L/2,−B/2≤y’≤B/2(7)ps(x,y,t)|t=0=pm[1−cL(x′/L)4][1−cB(y′/B)2]exp[−a(y′/B)2]where x′=x−x0 and y′=y−y0. (x0,y0) is the center of the pressure field, pm is the peak pressure defined at (x0,y0), and L and B are the lengthwise and breadthwise parameters, respectively. cL, cB and a are set to 16, 2 and 16, respectively.
2.2. Numerical algorithms
In this study, the generation of ship waves is incorporated into the semi-implicit non-hydrostatic model developed by Ai et al. (2019). The 3D grid system used in the model is built from horizontal rectangular grids by adding horizontal layers. The horizontal layers are distributed uniformly along the water depth, which means the layer thickness is defined by Δz=(η+h)/Nz, where Nz is the number of horizontal layers.
In the solution procedure, the first step is to generate ship waves by implementing Eq. (7) together with the prescribed ship track. In the second step, Eqs. (1), (2), (3), (4) are solved by the pressure correction method, which can be subdivided into three stages. The first stage is to compute intermediate velocities un+1/2, vn+1/2, and wn+1/2 by solving Eqs. (2), (3), (4), which contain the non-hydrostatic pressure at the preceding time level. In the second stage, the Poisson equation for the non-hydrostatic pressure correction term is solved on the graphics processing unit (GPU) in conjunction with the conjugate gradient method. The third stage is to compute the new velocities un+1, vn+1, and wn+1 by correcting the intermediate values after including the non-hydrostatic pressure correction term. In the discretization of Eqs. (2), (3), the gradient terms of the water surface ∂η/∂x and ∂η/∂y are discretized by means of the semi-implicit method (Vitousek and Fringer, 2013), in which the implicitness factor θ=0.5 is used. The model is second-order accurate in time for free-surface flows. More details about the model can be found in Ai et al. (2019).
3. Model validation
In this section, we validate the proposed model in resolving ship waves. The numerical experimental conditions are provided in Table 1 and Table 2. In Table 2, Case A with the current velocity of Uc = 0.0 m/s represents ship waves without current. Both Case B and Case C correspond to the cases in the presence of a following current, while Case D and Case E represent the cases in the presence of an opposing current. The current velocities are chosen based on the observed currents at 40.886° N, 121.812° E, which is in the Liaohe Estuary. The measured data were collected from 14:00 on September 18 (GMT + 08:00) to 19:00 on September 19 in 2021. The maximum flood velocity is 1.457 m/s, and the maximum ebb velocity is −1.478 m/s. The chosen current velocities are between the maximum flood velocity and the maximum ebb velocity.
Table 1. Summary of ship speeds.
Case
Water depth h (m)
Ship speed Us (m/s)
Froude number Fr′=Us/gh
1
6.0
4.57
0.6
2
6.0
5.35
0.7
3
6.0
6.15
0.8
4
6.0
6.90
0.9
5
6.0
7.093
0.925
6
6.0
7.28
0.95
7
6.0
7.476
0.975
8
6.0
7.86
1.025
9
6.0
8.06
1.05
10
6.0
8.243
1.075
11
6.0
8.45
1.1
12
6.0
9.20
1.2
13
6.0
9.97
1.3
14
6.0
10.75
1.4
15
6.0
11.50
1.5
16
6.0
12.30
1.6
17
6.0
13.05
1.7
18
6.0
13.80
1.8
19
6.0
14.60
1.9
20
6.0
15.35
2.0
Table 2. Summary of current velocities.
Case
A
B
C
D
E
Current velocity Uc (m/s)
0.0
0.5
1.0
−0.5
−1.0
Notably, the Froude number Fr′=Us/gh presented in Table 1 is defined by the ship speed Us only and is different from the relative Froude number Fr when a uniform current is presented. According to the theory of Lee and Lee (2021), with the same relative Froude number, the cusp-line angles in the presence of a following or an opposing uniform current are identical to those without current. As a result, for the test cases presented in Table 1, Table 2, all calculated cusp-line angles follow the analytical solution of Havelock (1908), when the relative Froude number Fr is introduced.
As shown in Fig. 1, the dimensions of the computational domain are −420≤x≤420 m and −200≤y≤200 m, which are similar to those of David et al. (2017). The ship track follows the x axis and ranges from −384 m to 384 m. The ship hull is represented by Eq. (7), in which the length L and the beam B are set to 14.0 m and 7.0 m, respectively, and the peak pressure value is pm= 5000 Pa. In the numerical simulations, grid convergence tests reveal that the horizontal grid spacing of Δx=Δy= 1.0 m and two horizontal layers are adequate. The numerical results with different numbers of horizontal layers are shown in the Appendix.
Fig. 2, Fig. 3 compare the calculated cusp-line angles θc with the analytical solutions of Havelock (1908) for ship waves in the presence of a following uniform current and an opposing uniform current, respectively. The calculated cusp-line angles without current are also depicted in Fig. 2, Fig. 3. All calculated cusp-line angles are in good agreement with the analytical solutions, except that the model tends to underpredict the cusp-line angle for 0.9<Fr<1.0. Notably, a similar underprediction of the cusp-line angle can also be found in David et al. (2017).
4. Results and discussions
This section presents the effects of a following current and opposing current on the maximum water level elevation and the leading wave period in the wave train based on the test cases presented in Table 1, Table 2. Moreover, the response of the maximum water level elevation to the ship draft in the presence of a uniform current is examined.
4.1. Effects of a following current on characteristic wave parameters
To present the effect of a following current on the maximum wave height, the variations of the maximum water level elevation ηmax with the Froude number Fr′ at gauge points G1 and G2 are depicted in Fig. 4. The positions of gauge points G1 and G2 are shown in Fig. 1. The maximum water level elevation is an analogue to the maximum wave height and is presented in this study, because maximum wave heights at different positions away from the ship track vary throughout the wave train (David et al., 2017). In general, the variations of ηmax with the Froude number Fr′ in the three cases show a similar behavior, in which with the increase in Fr′, ηmax increases and then decreases. The presence of the following currents decreases ηmax for Fr′≤0.8 and Fr′≥1.2. Specifically, the following currents have a significant effect on ηmax for Fr′≤0.8. Notably, ηmax can be increased by the presence of the following currents for 0.9≤Fr′≤1.1. Compared with Case A, at location G1 ηmax is amplified 1.25 times at Fr′=0.925 in Case B and 1.31 times at Fr′=1.025 in Case C. Similarly, at location G2 ηmax is amplified 1.15 times at Fr′=1.025 in Case B and 1.11 times at Fr′=1.075 in Case C. The fact that ηmax can be increased by the presence of a following current for 0.9≤Fr′≤1.1 implies that if a following uniform current is neglected, then ηmax may be underestimated.
To show the effect of a following current on the wave period, Fig. 5 depicts the variation of the leading wave period Tp in the wave train at gauge point G2 with the Froude number Fr′. Similar to David et al. (2017), Tp is defined by the wave period of the first wave with a leading trough in the wave train. The leading wave periods for Fr′= 0.6 and 0.7 were not given in Case B and Case C, because the leading wave heights for Fr′= 0.6 and 0.7 are too small to discern the leading wave periods. Compared with Case A, the presence of a following current leads to a larger Tp for 0.925≤Fr′≤1.1 and a smaller Tp for Fr′≥1.3. For Fr′= 0.8 and 0.9, Tp in Case B is larger than that in Case A and Tp in Case C is smaller than that in Case A. In all three cases, Tp decreases with increasing Fr′ for Fr′>1.0. However, this decreasing trend becomes very gentle after Fr′≥1.4. Notably, as shown in Fig. 5, Fr′=1.2 tends to be a transition point at which the following currents have a very limited effect on Tp. Moreover, before the transition point, Tp in Case B and Case C are larger than that in Case A (only for 0.925≤Fr′≤1.2), but after the transition point the reverse is true.
As mentioned previously, the cusp-line angles for ship waves in the presence of a following or an opposing current are identical to those for ship waves only with the same relative Froude number Fr. However, with the same Fr, the characteristic parameters of ship waves in the presence of a following or an opposing current are quite different from those of ship waves without current. Fig. 6 shows the variations of the maximum water level elevation ηmax with Fr at gauge points G1 and G2 for ship waves in the presence of a following uniform current. Overall, the relationship curves between ηmax and Fr in Case B and Case C are lower than those in Case A. It is inferred that with the same Fr, ηmax in the presence of a following current is smaller than that without current. Fig. 7 shows the variation of the leading wave period Tp in the wave train at gauge point G2 with Fr for ship waves in the presence of a following uniform current. The overall relationship curves between Tp and Fr in Case B and Case C are also lower than those in Case A for 0.9≤Fr≤2.0. It can be inferred that with the same Fr, Tp in the presence of a following current is smaller than that without current for Fr≥0.9.
To compare the numerical results between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of a following current with the same Fr, Fig. 8 shows the wave patterns for Fr=1.2. To obtain the case of ship waves in the presence of a following current with Fr=1.2, the ship speed Us=9.7 m/s and the current velocity Uc=0.5 m/s are adopted. Fig. 8 indicates that both the calculated cusp-line angles for the case of Us=9.2 m/s and Uc=0.0 m/s and the case of Us=9.7 m/s and Uc=0.5 m/s are equal to 56.5°, which follows the theory of Lee and Lee (2021). Fig. 9 depicts the comparison of the time histories of the free surface elevation at gauge point G2 for Fr=1.2 between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of a following current. The time when the ship wave just arrived at gauge point G2 is defined as t′=0. Both the maximum water level elevation and the leading wave period in the case of Us=9.2 m/s and Uc=0.0 m/s are larger than those in the case of Us=9.7 m/s and Uc=0.5 m/s, which is consistent with the inferences based on Fig. 6, Fig. 7.
Fig. 8. Comparison of the wave pattern for Fr=1.2: (a) Ship wave only; (b) Ship wave in the presence of a following current.Fig. 9. Comparison of the time histories of the free surface elevation at gauge point G2 for between case of ship waves only and case of ship waves in the presence of a following current.
Fig. 10 shows the response of the maximum water level elevation ηmax to the ship draft at gauge point G2 for Fr′= 1.2 in the presence of a following uniform current. pm ranges from 2500 Pa to 40,000 Pa with an interval of Δp= 2500 Pa pm0= 2500 Pa represents a reference case. ηmax0 denotes the maximum water level elevation corresponding to the case of pm0= 2500 Pa. The best-fit linear trend lines obtained by linear regression analysis for the three responses are also depicted in Fig. 10. In general, all responses of ηmax to the ship draft show a linear relationship. The coefficients of determination for the three linear trend lines are R2= 0.9901, 0.9941 and 0.9991 for Case A, Case B and Case C, respectively. R2 is used to measure how close the numerical results are to the linear trend lines. The closer R2 is to 1.0, the more linear the numerical results tend to be. As a result, the relationship curve between ηmax and the ship draft in the presence of a following uniform current tends to be more linear than that without current. Notably, with the increase in pmpm0, ηmax increases faster in Case B and Case C than Case A. This implies that neglecting the following currents can lead to the underestimation of the response of ηmax to the ship draft.
4.2. Effects of an opposing current on characteristic wave parameters
Fig. 11 shows the variations of the maximum water level elevation ηmax with the Froude number Fr′ at gauge points G1 and G2 for ship waves in the presence of an opposing uniform current. The presence of opposing uniform currents leads to a significant reduction in ηmax at the two gauge points for 0.6≤Fr′≤2.0. Especially for Fr′=0.6, the decrease in ηmax is up to 73.8% in Case D and 78.4% in Case E at location G1 and up to 93.8% in Case D and 95.3% in Case E at location G2 when compared with Case A. Fig. 12 shows the variations of the leading wave period Tp at gauge point G2 with the Froude number Fr′ for ship waves in the presence of an opposing uniform current. The leading wave periods for Fr′= 0.6 and 0.7 were also not provided in Case D and Case E due to the small leading wave heights. In general, Tp decreases with increasing Fr′ in Case D and Case E for 0.8≤Fr′≤2.0. Tp in Case D and Case E are larger than that in Case A for Fr′≥1.0.
Fig. 13 depicts the variations of the maximum water level elevation ηmax with the relative Froude number Fr at gauge points G1 and G2 for ship waves in the presence of an opposing uniform current. Similar to Case B and Case C shown in Fig. 6, the overall relationship curves between ηmax and Fr in Case D and Case E are lower than those in Case A. This implies that with the same Fr, ηmax in the presence of an opposing current is also smaller than that without current. Fig. 14 depicts the variations of the leading wave period Tp in the wave train at gauge point G2 with Fr for ship waves in the presence of an opposing uniform current. Similar to Case B and Case C shown in Fig. 7, the overall relationship curves between Tp and Fr in Case D and Case E are lower than those in Case A for 0.9≤Fr≤2.0. This also implies that with the same Fr, Tp in the presence of an opposing current is smaller than that without current.
Fig. 15 shows a comparison of the wave pattern for Fr=1.2 between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of an opposing current. The case of the ship wave in the presence of an opposing current with Fr=1.2 is obtained by setting the ship speed Us=8.7 m/s and the current velocity Uc=−0.5 m/s. As expected (Lee and Lee, 2021), both calculated cusp-line angles are identical. Fig. 16 depicts the comparison of the time histories of the free surface elevation at gauge point G2 for Fr=1.2 between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of an opposing current. The maximum water level elevation in the case of Us=9.2 m/s and Uc=0.0 m/s is larger than that in the case of Us=8.7 m/s and Uc=−0.5 m/s, while the reverse is true for the leading wave period. Fig. 16 is consistent with the inferences based on Fig. 13, Fig. 14.
Fig. 17 depicts the response of the maximum water level elevation ηmax to the ship draft at gauge point G2 for Fr′= 1.2 in the presence of an opposing uniform current. Similarly, the response of ηmax to the ship draft in the presence of an opposing uniform current shows a linear relationship. The coefficients of determination for the three linear trend lines are R2= 0.9901, 0.9955 and 0.9987 for Case A, Case D and Case E, respectively. This indicates that the relationship curve between ηmax and the ship draft in the presence of an opposing uniform current also tends to be more linear than that without current. In addition, ηmax increases faster with increasing pmpm0 in Case D and Case E than Case A, implying that the response of ηmax to the ship draft can also be underestimated by neglecting opposing currents.
5. Conclusions
A non-hydrostatic model incorporating a moving pressure field method was used to investigate characteristic wave parameters for ship waves in the presence of a uniform current. The calculated cusp-line angles for ship waves in the presence of a following or an opposing uniform current were in good agreement with analytical solutions, demonstrating that the proposed model can accurately resolve ship waves in the presence of a uniform current.
The model results showed that the presence of a following current can result in an increase in the maximum water level elevation ηmax for 0.9≤Fr′≤1.1, while the presence of an opposing current leads to a significant reduction in ηmax for 0.6≤Fr′≤2.0. The leading wave period Tp can be increased for 0.925≤Fr′≤1.2 and reduced for Fr′≥1.3 due to the presence of a following current. However, the presence of an opposing current leads to an increase in Tp for Fr′≥1.0.
Although with the same relative Froude number Fr, the cusp-line angles for ship waves in the presence of a following or an opposing current are identical to those for ship waves without current, the maximum water level elevation ηmax and leading wave period Tp in the presence of a following or an opposing current are quite different from those without current. The present model results imply that with the same Fr, ηmax in the presence of a following or an opposing current is smaller than that without current for Fr≥0.6, and Tp in the presence of a following or an opposing current is smaller than that without current for Fr≥0.9.
The response of ηmax to the ship draft in the presence of a following current or an opposing current is similar to that without current and shows a linear relationship. However, the presence of a following or an opposing uniform current results in more linear responses of ηmax to the ship draft. Moreover, more rapid responses of ηmax to the ship draft are obtained when a following current or an opposing current is presented. This implies that the response of ηmax to the ship draft in the presence of a following current or an opposing current can be underestimated if the uniform current is neglected.
The present results have implications for ships sailing across estuarine and coastal environments, where river flows or tidal flows are significant. In these environments, ship waves can be larger than expected and the response of the maximum water level elevation to the ship draft may be more remarkable. The effect of a uniform current should be considered in the analysis of ship waves.
The present study considered only slender-body type ships. For different hull shapes, the effects of a uniform current on characteristic wave parameters need to be further investigated. Moreover, the effects of an oblique uniform current on ship waves need to be examined in future work.
The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.
Acknowledgments
This research is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 52171248, 51720105010, 51979029), LiaoNing Revitalization Talents Program (Grant No. XLYC1807010) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. DUT21LK01).
Appendix. Numerical results with different numbers of horizontal layers
Fig. 18 shows comparisons of the time histories of the free surface elevation at gauge point G1 for Case B and Fr′= 1.2 between the three sets of numerical results with different numbers of horizontal layers. The maximum water level elevations ηmax obtained by Nz= 3 and 4 are 0.24% and 0.35% larger than ηmax with Nz= 2, respectively. Correspondingly, the leading wave periods Tp obtained by Nz= 3 and 4 are 0.45% and 0.55% larger than Tp with Nz= 2, respectively. In general, the three sets of numerical results are very close. To reduce the computational cost, two horizontal layers Nz= 2 were chosen for this study.
aNational Cheng Kung University, Department of Mechanical Engineering, Tainan, Taiwan
bNational Cheng Kung University, Academy of Innovative Semiconductor and Sustainable Manufacturing, Tainan, Taiwan
cJum-bo Co., Ltd, Xinshi District, Tainan, Taiwan
Abstract
워블 전략이 포함된 펄스 레이저 용접(PLW) 방법을 사용하여 알루미늄 및 구리 이종 랩 조인트의 제조를 위한 최적의 가공 매개변수에 대해 실험 및 수치 조사가 수행됩니다. 피크 레이저 출력과 접선 용접 속도의 대표적인 조합 43개를 선택하기 위해 원형 패킹 설계 알고리즘이 먼저 사용됩니다.
선택한 매개변수는 PLW 프로세스의 전산유체역학(CFD) 모델에 제공되어 용융 풀 형상(즉, 인터페이스 폭 및 침투 깊이) 및 구리 농도를 예측합니다. 시뮬레이션 결과는 설계 공간 내에서 PLW 매개변수의 모든 조합에 대한 용융 풀 형상 및 구리 농도를 예측하기 위해 3개의 대리 모델을 교육하는 데 사용됩니다.
마지막으로, 대체 모델을 사용하여 구성된 처리 맵은 용융 영역에 균열이나 기공이 없고 향상된 기계적 및 전기적 특성이 있는 이종 조인트를 생성하는 PLW 매개변수를 결정하기 위해 세 가지 품질 기준에 따라 필터링됩니다.
제안된 최적화 접근법의 타당성은 최적의 용접 매개변수를 사용하여 생성된 실험 샘플의 전단 강도, 금속간 화합물(IMC) 형성 및 전기 접촉 저항을 평가하여 입증됩니다.
결과는 최적의 매개변수가 1209N의 높은 전단 강도와 86µΩ의 낮은 전기 접촉 저항을 생성함을 확인합니다. 또한 용융 영역에는 균열 및 기공과 같은 결함이 없습니다.
An experimental and numerical investigation is performed into the optimal processing parameters for the fabrication of aluminum and copper dissimilar lap joints using a pulsed laser welding (PLW) method with a wobble strategy. A circle packing design algorithm is first employed to select 43 representative combinations of the peak laser power and tangential welding speed. The selected parameters are then supplied to a computational fluidic dynamics (CFD) model of the PLW process to predict the melt pool geometry (i.e., interface width and penetration depth) and copper concentration. The simulation results are used to train three surrogate models to predict the melt pool geometry and copper concentration for any combination of the PLW parameters within the design space. Finally, the processing maps constructed using the surrogate models are filtered in accordance with three quality criteria to determine the PLW parameters that produce dissimilar joints with no cracks or pores in the fusion zone and enhanced mechanical and electrical properties. The validity of the proposed optimization approach is demonstrated by evaluating the shear strength, intermetallic compound (IMC) formation, and electrical contact resistance of experimental samples produced using the optimal welding parameters. The results confirm that the optimal parameters yield a high shear strength of 1209 N and a low electrical contact resistance of 86 µΩ. Moreover, the fusion zone is free of defects, such as cracks and pores.
Fig. 1. Schematic illustration of Al-Cu lap-joint arrangementFig. 2. Machine setup (MFQS-150W_1500WFig. 5. Lap-shear mechanical tests: (a) experimental setup and specimen dimensions, and (b) two different failures of lap-joint welding.
N. Thi Tien et al.Fig. 9. Simulation and experimental results for melt pool profile. (a) Simulation results for melt pool cross-section, and (b) OM image of melt pool cross-section.
(Note that laser processing parameter of 830 W and 565 mm/s is chosen.).
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에피택셜 과 등축 응고 사이의 경쟁은 적층 제조에서 실행되는 레이저 용융 동안 CMSX-4 단결정 초합금에서 조사되었습니다. 단일 트랙 레이저 스캔은 레이저 출력과 스캐닝 속도의 여러 조합으로 방향성 응고된 CMSX-4 합금의 분말 없는 표면에서 수행되었습니다. EBSD(Electron Backscattered Diffraction) 매핑은 새로운 방향의 식별을 용이하게 합니다. 영역 분율 및 공간 분포와 함께 융합 영역 내에서 핵을 형성한 “스트레이 그레인”은 충실도가 높은 전산 유체 역학 시뮬레이션을 사용하여 용융 풀 내의 온도 및 유체 속도 필드를 모두 추정했습니다. 이 정보를 핵 생성 모델과 결합하여 용융 풀에서 핵 생성이 발생할 확률이 가장 높은 위치를 결정했습니다. 금속 적층 가공의 일반적인 경험에 따라 레이저 용융 트랙의 응고된 미세 구조는 에피택셜 입자 성장에 의해 지배됩니다. 더 높은 레이저 스캐닝 속도와 더 낮은 출력이 일반적으로 흩어진 입자 감소에 도움이 되지만,그럼에도 불구하고 길쭉한 용융 풀에서 흩어진 입자가 분명했습니다.
The competition between epitaxial vs. equiaxed solidification has been investigated in CMSX-4 single crystal superalloy during laser melting as practiced in additive manufacturing. Single-track laser scans were performed on a powder-free surface of directionally solidified CMSX-4 alloy with several combinations of laser power and scanning velocity. Electron backscattered diffraction (EBSD) mapping facilitated identification of new orientations, i.e., “stray grains” that nucleated within the fusion zone along with their area fraction and spatial distribution. Using high-fidelity computational fluid dynamics simulations, both the temperature and fluid velocity fields within the melt pool were estimated. This information was combined with a nucleation model to determine locations where nucleation has the highest probability to occur in melt pools. In conformance with general experience in metals additive manufacturing, the as-solidified microstructure of the laser-melted tracks is dominated by epitaxial grain growth; nevertheless, stray grains were evident in elongated melt pools. It was found that, though a higher laser scanning velocity and lower power are generally helpful in the reduction of stray grains, the combination of a stable keyhole and minimal fluid velocity further mitigates stray grains in laser single tracks.
Introduction
니켈 기반 초합금은 고온에서 긴 노출 시간 동안 높은 인장 강도, 낮은 산화 및 우수한 크리프 저항성을 포함하는 우수한 특성의 고유한 조합으로 인해 가스 터빈 엔진 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다. CMSX-4는 특히 장기 크리프 거동과 관련하여 초고강도의 2세대 레늄 함유 니켈 기반 단결정 초합금입니다. [ 1 , 2 ]입계의 존재가 크리프를 가속화한다는 인식은 가스 터빈 엔진의 고온 단계를 위한 단결정 블레이드를 개발하게 하여 작동 온도를 높이고 효율을 높이는 데 기여했습니다. 이러한 구성 요소는 사용 중 마모될 수 있습니다. 즉, 구성 요소의 무결성을 복원하고 단결정 미세 구조를 유지하는 수리 방법을 개발하기 위한 지속적인 작업이 있었습니다. [ 3 , 4 , 5 ]
적층 제조(AM)가 등장하기 전에는 다양한 용접 공정을 통해 단결정 초합금에 대한 수리 시도가 수행되었습니다. 균열 [ 6 , 7 ] 및 흩어진 입자 [ 8 , 9 ] 와 같은 심각한 결함 이 이 수리 중에 자주 발생합니다. 일반적으로 “스트레이 그레인”이라고 하는 응고 중 모재의 방향과 다른 결정학적 방향을 가진 새로운 그레인의 형성은 니켈 기반 단결정 초합금의 수리 중 유해한 영향으로 인해 중요한 관심 대상입니다. [ 3 , 10 ]결과적으로 재료의 단결정 구조가 손실되고 원래 구성 요소에 비해 기계적 특성이 손상됩니다. 이러한 흩어진 입자는 특정 조건에서 에피택셜 성장을 대체하는 등축 응고의 시작에 해당합니다.
떠돌이 결정립 형성을 완화하기 위해 이전 작업은 용융 영역(FZ) 내에서 응고하는 동안 떠돌이 결정립 형성에 영향을 미치는 수지상 응고 거동 및 처리 조건을 이해하는 데 중점을 두었습니다. [ 11 , 12 , 13 , 14 ] 연구원들은 단결정 합금의 용접 중에 표류 결정립 형성에 대한 몇 가지 가능한 메커니즘을 제안했습니다. [ 12 , 13 , 14 , 15 ]응고 전단에 앞서 국부적인 구성 과냉각은 이질적인 핵 생성 및 등축 결정립의 성장을 유발할 수 있습니다. 또한 용융 풀에서 활발한 유체 흐름으로 인해 발생하는 덴드라이트 조각화는 용융 풀 경계 근처에서 새로운 결정립을 형성할 수도 있습니다. 두 메커니즘 모두에서, 표류 결정립 형성은 핵 생성 위치에 의존하며, 차이점은 수상 돌기 조각화는 수상 돌기 조각이 핵 생성 위치로 작용한다는 것을 의미하는 반면 다른 메커니즘은 재료, 예 를 들어 산화물 입자에서 발견되는 다른 유형의 핵 생성 위치를 사용한다는 것을 의미합니다. 잘 알려진 바와 같이, 많은 주물에 대한 반대 접근법은 TiB와 같은 핵제의 도입을 통해 등축 응고를 촉진하는 것입니다.22알루미늄 합금에서.
헌법적 과냉 메커니즘에서 Hunt [ 11 ] 는 정상 상태 조건에서 기둥에서 등축으로의 전이(CET)를 설명하는 모델을 개발했습니다. Gaumann과 Kurz는 Hunt의 모델을 수정하여 단결정이 응고되는 동안 떠돌이 결정립이 핵을 생성하고 성장할 수 있는 정도를 설명했습니다. [ 12 , 14 ] 이후 연구에서 Vitek은 Gaumann의 모델을 개선하고 출력 및 스캐닝 속도와 같은 용접 조건의 영향에 대한 보다 자세한 분석을 포함했습니다. Vitek은 또한 실험 및 모델링 기술을 통해 표류 입자 형성에 대한 기판 방향의 영향을 포함했습니다. [ 3 , 10 ]일반적으로 높은 용접 속도와 낮은 출력은 표류 입자의 양을 최소화하고 레이저 용접 공정 중 에피택셜 단결정 성장을 최대화하는 것으로 나타났습니다. [ 3,10 ] 그러나 Vitek은 덴드라이트 조각화를 고려하지 않았으며 그의 연구는 불균질 핵형성이 레이저 용접된 CMSX -4 단결정 합금에서 표류 결정립 형성을 이끄는 주요 메커니즘임을 나타냅니다. 현재 작업에서 Vitek의 수치적 방법이 채택되고 금속 AM의 급속한 특성의 더 높은 속도와 더 낮은 전력 특성으로 확장됩니다.
AM을 통한 금속 부품 제조 는 지난 10년 동안 급격한 인기 증가를 목격했습니다. [ 16 ] EBM(Electron Beam Melting)에 의한 CMSX-4의 제작 가능성은 자주 조사되었으나 [ 17 , 18 , 19 , 20 , 21 ] CMSX의 제조 및 수리에 대한 조사는 매우 제한적이었다. – 4개의 단결정 구성요소는 레이저 분말 베드 융합(LPBF)을 사용하며, AM의 인기 있는 하위 집합으로, 특히 표류 입자 형성을 완화하는 메커니즘과 관련이 있습니다. [ 22 ]이러한 조사 부족은 주로 이러한 합금 시스템과 관련된 처리 문제로 인해 발생합니다. [ 2 , 19 , 22 , 23 , 24 ] 공정 매개변수( 예: 열원 전력, 스캐닝 속도, 스폿 크기, 예열 온도 및 스캔 전략)의 엄격한 제어는 완전히 조밀한 부품을 만들고 유지 관리할 수 있도록 하는 데 필수적입니다. 단결정 미세구조. [ 25 ] EBM을 사용하여 단결정 합금의 균열 없는 수리가 현재 가능하지만 [ 19 , 24 ] 표류 입자를 생성하지 않는 수리는 쉽게 달성할 수 없습니다.[ 23 , 26 ]
이 작업에서 LPBF를 대표하는 조건으로 레이저 용융을 사용하여 단결정 CMSX-4에서 표류 입자 완화를 조사했습니다. LPBF는 스캐닝 레이저 빔을 사용하여 금속 분말의 얇은 층을 기판에 녹이고 융합합니다. 층별 증착에서 레이저 빔의 사용은 급격한 온도 구배, 빠른 가열/냉각 주기 및 격렬한 유체 흐름을 경험하는 용융 풀을 생성 합니다 . 이것은 일반적으로 부품에 결함을 일으킬 수 있는 매우 동적인 물리적 현상으로 이어집니다. [ 28 , 29 , 30 ] 레이저 유도 키홀의 동역학( 예:, 기화 유발 반동 압력으로 인한 위상 함몰) 및 열유체 흐름은 AM 공정에서 응고 결함과 강하게 결합되고 관련됩니다. [ 31 , 32 , 33 , 34 ] 기하 구조의 급격한 변화가 발생하기 쉬운 불안정한 키홀은 다공성, 볼링, 스패터 형성 및 흔하지 않은 미세 구조 상을 포함하는 유해한 물리적 결함을 유발할 수 있습니다. 그러나 키홀 진화와 유체 흐름은 자연적으로 다음을 통해 포착 하기 어렵 습니다 .전통적인 사후 특성화 기술. 고충실도 수치 모델링을 활용하기 위해 이 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 적용하여 표면 아래의 레이저-물질 상호 작용을 명확히 했습니다. [ 36 ] 이것은 응고된 용융물 풀의 단면에 대한 오랫동안 확립된 사후 특성화와 비교하여 키홀 및 용융물 풀 유체 흐름 정량화를 실행합니다.
CMSX-4 구성 요소의 레이저 기반 AM 수리 및 제조를 위한 적절한 절차를 개발하기 위해 적절한 공정 창을 설정하고 응고 중 표류 입자 형성 경향에 대한 예측 기능을 개발하는 것부터 시작합니다. 다중 합금에 대한 단일 트랙 증착은 분말 층이 있거나 없는 AM 공정에서 용융 풀 형상 및 미세 구조의 정확한 분석을 제공하는 것으로 나타났습니다. [ 37 , 38 , 39 ]따라서 본 연구에서는 CMSX-4의 응고 거동을 알아보기 위해 분말을 사용하지 않는 단일 트랙 레이저 스캔 실험을 사용하였다. 이는 CMSX-4 단결정의 LPBF 제조를 위한 예비 실험 지침을 제공합니다. 또한 응고 모델링은 기존 용접에서 LPBF와 관련된 급속 용접으로 확장되어 표류 입자 감소를 위한 최적의 레이저 용융 조건을 식별했습니다. 가공 매개변수 최적화를 위한 추가 지침을 제공하기 위해 용융물 풀의 매우 동적인 유체 흐름을 모델링했습니다.
재료 및 방법
단일 트랙 실험
방전 가공(EDM)을 사용하여 CMSX-4 방향성 응고 단결정 잉곳으로부터 샘플을 제작했습니다. 샘플의 최종 기하학은 치수 20의 직육면체 형태였습니다.××20××6mm. 6개 중 하나⟨ 001 ⟩⟨001⟩잉곳의 결정학적 방향은 레이저 트랙이 이 바람직한 성장 방향을 따라 스캔되도록 절단 표면에 수직으로 위치했습니다. 단일 레이저 용융 트랙은 EOS M290 기계를 사용하여 분말이 없는 샘플 표면에 만들어졌습니다. 이 기계는 최대 출력 400W, 가우시안 빔 직경 100의 이터븀 파이버 레이저가 장착된 LPBF 시스템입니다. μμ초점에서 m. 실험 중에 직사각형 샘플을 LPBF 기계용 맞춤형 샘플 홀더의 포켓에 끼워 표면을 동일한 높이로 유지했습니다. 이 맞춤형 샘플 홀더에 대한 자세한 내용은 다른 곳에서 설명합니다. 실험 은 아르곤 퍼지 분위기에서 수행되었으며 예열은 적용되지 않았습니다 . 단일 트랙 레이저 용융 실험은 다양한 레이저 출력(200~370W)과 스캔 속도(0.4~1.4m/s)에서 수행되었습니다.
성격 묘사
레이저 스캐닝 후, 레이저 빔 스캐닝 방향에 수직인 평면에서 FZ를 통해 다이아몬드 톱을 사용하여 샘플을 절단했습니다. 그 후, 샘플을 장착하고 220 그릿 SiC 페이퍼로 시작하여 콜로이드 실리카 현탁액 광택제로 마무리하여 자동 연마했습니다. 결정학적 특성화는 20kV의 가속 전압에서 TESCAN MIRA 3XMH 전계 방출 주사 전자 현미경(SEM)에서 수행되었습니다. EBSD 지도는0.4μm _0.4μ미디엄단계 크기. Bruker 시스템을 사용하여 EBSD 데이터를 정리하고 분석했습니다. EBSD 클린업은 그레인을 접촉시키기 위한 그레인 확장 루틴으로 시작한 다음 인덱스되지 않은 회절 패턴과 관련된 검은색 픽셀을 해결하기 위해 이웃 방향 클린업 루틴으로 이어졌습니다. 용융 풀 형태를 분석하기 위해 단면을 광학 현미경으로 분석했습니다. 광학 특성화의 대비를 향상시키기 위해 10g CuSO로 구성된 Marbles 시약의 변형으로 샘플을 에칭했습니다.44, 50mL HCl 및 70mL H22영형.
응고 모델링
구조적 과냉 기준에 기반한 응고 모델링을 수행하여 표유 입자의 성향 및 분포에 대한 가공 매개변수의 영향을 평가했습니다. 이 분석 모델링 접근 방식에 대한 자세한 내용은 이전 작업에서 제공됩니다. [ 3 , 10 ] 참고문헌 3 에 기술된 바와 같이 , 기본 재료의 결정학적 배향을 가진 용융 풀에서 총 표유 입자 면적 분율의 변화는 최소이므로 기본 재료 배향의 영향은 이 작업에서 고려되지 않았습니다. 우리의 LPBF 결과를 이전 작업과 비교하기 위해 Vitek의 작업에서 사용된 수학적으로 간단한 Rosenthal 방정식 [ 3 ]또한 레이저 매개변수의 함수로 용융 풀의 모양과 FZ의 열 조건을 계산하기 위한 기준으로 여기에서 채택되었습니다. Rosenthal 솔루션은 열이 일정한 재료 특성을 가진 반무한 판의 정상 상태 점원을 통해서만 전도를 통해 전달된다고 가정하며 일반적으로 다음과 같이 표현 됩니다 [ 40 , 41 ] .
티=티0+η피2 파이케이엑스2+와이2+지2———-√경험치[- 브이(엑스2+와이2+지2———-√− 엑스 )2α _] ,티=티0+η피2파이케이엑스2+와이2+지2경험치[-V(엑스2+와이2+지2-엑스)2α],(1)
여기서 T 는 온도,티0티0본 연구에서 313K( 즉 , EOS 기계 챔버 온도)로 설정된 주변 온도, P 는 레이저 빔 파워, V 는 레이저 빔 스캐닝 속도,ηη는 레이저 흡수율, k 는 열전도율,αα베이스 합금의 열확산율입니다. x , y , z 는 각각 레이저 스캐닝 방향, 가로 방향 및 세로 방향의 반대 방향과 정렬된 방향입니다 . 이 직교 좌표는 참조 3 의 그림 1에 있는 시스템을 따랐습니다 . CMSX-4에 대한 고상선 온도(1603K)와 액상선 온도(1669K)의 등온선 평균으로 응고 프런트( 즉 , 고체-액체 계면)를 정의했습니다. [ 42 , 43 , 44 ] 시뮬레이션에 사용된 열물리적 특성은 표 I 에 나열되어 있습니다.표 I CMSX-4의 응고 모델링에 사용된 열물리적 특성
어디θθ는 스캔 방향과 응고 전면의 법선 방향( 즉 , 최대 열 흐름 방향) 사이의 각도입니다. 이 연구의 용접 조건과 같은 제한된 성장에서 수지상 응고 전면은 고체-액체 등온선의 속도로 성장하도록 강제됩니다.V티V티. [ 46 ]
응고 전선이 진행되기 전에 새로 핵 생성된 입자의 국지적 비율ΦΦ, 액체 온도 구배 G 에 의해 결정 , 응고 선단 속도V티V티및 핵 밀도N0N0. 고정된 임계 과냉각에서 모든 입자가 핵형성된다고 가정함으로써△티N△티N, 등축 결정립의 반경은 결정립이 핵 생성을 시작하는 시점부터 주상 전선이 결정립에 도달하는 시간까지의 성장 속도를 통합하여 얻습니다. 과냉각으로 대체 시간d (ΔT_) / dt = – _V티G디(△티)/디티=-V티G, 열 구배 G 사이의 다음 관계 , 등축 입자의 국부적 부피 분율ΦΦ, 수상 돌기 팁 과냉각ΔT _△티, 핵 밀도N0N0, 재료 매개변수 n 및 핵생성 과냉각△티N△티N, Gäumann 외 여러분 에 의해 파생되었습니다 . [ 12 , 14 ] Hunt의 모델 [ 11 ] 의 수정에 기반함 :
계산을 단순화하기 위해 덴드라이트 팁 과냉각을 전적으로 구성 과냉각의 것으로 추정합니다.△티씨△티씨, 멱법칙 형식으로 근사화할 수 있습니다.△티씨= ( _V티)1 / 엔△티씨=(ㅏV티)1/N, 여기서 a 와 n 은 재료 종속 상수입니다. CMSX-4의 경우 이 값은a = 1.25 ×106ㅏ=1.25×106 s K 3.4m− 1-1,엔 = 3.4N=3.4, 그리고N0= 2 ×1015N0=2×1015미디엄− 3,-삼,참고문헌 3 에 의해 보고된 바와 같이 .△티N△티N2.5K이며 보다 큰 냉각 속도에서 응고에 대해 무시할 수 있습니다.106106 K/s. 에 대한 표현ΦΦ위의 방정식을 재배열하여 해결됩니다.
As proposed by Hunt,[11] a value of Φ≤0.66Φ≤0.66 pct represents fully columnar epitaxial growth condition, and, conversely, a value of Φ≥49Φ≥49 pct indicates that the initial single crystal microstructure is fully replaced by an equiaxed microstructure. To calculate the overall stray grain area fraction, we followed Vitek’s method by dividing the FZ into roughly 19 to 28 discrete parts (depending on the length of the melt pool) of equal length from the point of maximum width to the end of melt pool along the x direction. The values of G and vTvT were determined at the center on the melt pool boundary of each section and these values were used to represent the entire section. The area-weighted average of ΦΦ over these discrete sections along the length of melt pool is designated as Φ¯¯¯¯Φ¯, and is given by:
Φ¯¯¯¯=∑kAkΦk∑kAk,Φ¯=∑kAkΦk∑kAk,
(6)
where k is the index for each subsection, and AkAk and ΦkΦk are the areas and ΦΦ values for each subsection. The summation is taken over all the sections along the melt pool. Vitek’s improved model allows the calculation of stray grain area fraction by considering the melt pool geometry and variations of G and vTvT around the tail end of the pool.
수년에 걸쳐 용융 풀 현상 모델링의 정확도를 개선하기 위해 많은 고급 수치 방법이 개발되었습니다. 우리는 FLOW-3D와 함께 고충실도 CFD를 사용했습니다. FLOW-3D는 여러 물리 모델을 통합하는 상용 FVM(Finite Volume Method)입니다. [ 47 , 48 ] CFD는 유체 운동과 열 전달을 수치적으로 시뮬레이션하며 여기서 사용된 기본 물리 모델은 레이저 및 표면력 모델이었습니다. 레이저 모델에서는 레이 트레이싱 기법을 통해 다중 반사와 프레넬 흡수를 구현합니다. [ 36 ]먼저, 레이저 빔은 레이저 빔에 의해 조명되는 각 그리드 셀을 기준으로 여러 개의 광선으로 이산화됩니다. 그런 다음 각 입사 광선에 대해 입사 벡터가 입사 위치에서 금속 표면의 법선 벡터와 정렬될 때 에너지의 일부가 금속에 의해 흡수됩니다. 흡수율은 Fresnel 방정식을 사용하여 추정됩니다. 나머지 에너지는 반사광선 에 의해 유지되며 , 반사광선은 재료 표면에 부딪히면 새로운 입사광선으로 처리됩니다. 두 가지 주요 힘이 액체 금속 표면에 작용하여 자유 표면을 변형시킵니다. 금속의 증발에 의해 생성된 반동 압력은 증기 억제를 일으키는 주요 힘입니다. 본 연구에서 사용된 반동 압력 모델은피아르 자형= 특급 _{ B ( 1- _티V/ 티) }피아르 자형=ㅏ경험치{비(1-티V/티)}, 어디피아르 자형피아르 자형는 반동압력, A 와 B 는 재료의 물성에 관련된 계수로 각각 75와 15이다.티V티V는 포화 온도이고 T 는 키홀 벽의 온도입니다. 표면 흐름 및 키홀 형성의 다른 원동력은 표면 장력입니다. 표면 장력 계수는 Marangoni 흐름을 포함하기 위해 온도의 선형 함수로 추정되며,σ =1.79-9.90⋅10− 4( 티− 1654케이 )σ=1.79-9.90⋅10-4(티-1654년케이)엔엠− 1-1. [ 49 ] 계산 영역은 베어 플레이트의 절반입니다(2300 μμ미디엄××250 μμ미디엄××500 μμm) xz 평면 에 적용된 대칭 경계 조건 . 메쉬 크기는 8입니다. μμm이고 시간 단계는 0.15입니다. μμs는 계산 효율성과 정확성 간의 균형을 제공합니다.
결과 및 논의
용융 풀 형태
이 작업에 사용된 5개의 레이저 파워( P )와 6개의 스캐닝 속도( V )는 서로 다른 29개의 용융 풀을 생성했습니다.피- 브이피-V조합. P 와 V 값이 가장 높은 것은 그림 1 을 기준으로 과도한 볼링과 관련이 있기 때문에 본 연구에서는 분석하지 않았다 .
단일 트랙 용융 풀은 그림 1 과 같이 형상에 따라 네 가지 유형으로 분류할 수 있습니다 [ 39 ] : (1) 전도 모드(파란색 상자), (2) 키홀 모드(빨간색), (3) 전환 모드(마젠타), (4) 볼링 모드(녹색). 높은 레이저 출력과 낮은 스캐닝 속도의 일반적인 조합인 키홀 모드에서 용융물 풀은 일반적으로 너비/깊이( W / D ) 비율이 0.5보다 훨씬 큰 깊고 가느다란 모양을 나타냅니다 . 스캐닝 속도가 증가함에 따라 용융 풀이 얕아져 W / D 가 약 0.5인 반원형 전도 모드 용융 풀을 나타냅니다. W / D _전환 모드 용융 풀의 경우 1에서 0.5 사이입니다. 스캐닝 속도를 1200 및 1400mm/s로 더 높이면 충분히 큰 캡 높이와 볼링 모드 용융 풀의 특징인 과도한 언더컷이 발생할 수 있습니다.
힘과 속도의 함수로서의 용융 풀 깊이와 너비는 각각 그림 2 (a)와 (b)에 표시되어 있습니다. 용융 풀 폭은 기판 표면에서 측정되었습니다. 그림 2 (a)는 깊이가 레이저 출력과 매우 선형적인 관계를 따른다는 것을 보여줍니다. 속도가 증가함에 따라 깊이 대 파워 곡선의 기울기는 꾸준히 감소하지만 더 높은 속도 곡선에는 약간의 겹침이 있습니다. 이러한 예상치 못한 중첩은 종종 용융 풀 형태의 동적 변화를 유발하는 유체 흐름의 영향과 레이저 스캔당 하나의 이미지만 추출되었다는 사실 때문일 수 있습니다. 이러한 선형 동작은 그림 2 (b) 의 너비에 대해 명확하지 않습니다 . 그림 2(c)는 선형 에너지 밀도 P / V 의 함수로서 용융 깊이와 폭을 보여줍니다 . 선형 에너지 밀도는 퇴적물의 단위 길이당 에너지 투입량을 측정한 것입니다. [ 50 ] 용융 풀 깊이는 에너지 밀도에 따라 달라지며 너비는 더 많은 분산을 나타냅니다. 동일한 에너지 밀도가 준공 부품의 용융 풀, 미세 구조 또는 속성에서 반드시 동일한 유체 역학을 초래하지는 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. [ 50 ]
그림 1그림 2
레이저 흡수율 평가
레이저 흡수율은 LPBF 조건에서 재료 및 가공 매개변수에 따라 크게 달라진다는 것은 잘 알려져 있습니다. [ 31 , 51 , 52 ] 적분구를 이용한 전통적인 흡수율의 직접 측정은 일반적으로 높은 비용과 구현의 어려움으로 인해 쉽게 접근할 수 없습니다. [ 51 ] 그 외 . [ 39 ] 전도 모드 용융 풀에 대한 Rosenthal 방정식을 기반으로 경험적 레이저 흡수율 모델을 개발했지만 기본 가정으로 인해 키홀 용융 풀에 대한 정확한 예측을 제공하지 못했습니다. [ 40 ] 최근 간외 . [ 53 ] Ti–6Al–4V에 대한 30개의 고충실도 다중 물리 시뮬레이션 사례를 사용하여 레이저 흡수에 대한 스케일링 법칙을 확인했습니다. 그러나 연구 중인 특정 재료에 대한 최소 흡수(평평한 용융 표면의 흡수율)에 대한 지식이 필요하며 이는 CMSX-4에 대해 알려지지 않았습니다. 다양한 키홀 모양의 용융 풀에 대한 레이저 흡수의 정확한 추정치를 얻기가 어렵기 때문에 상한 및 하한 흡수율로 분석 시뮬레이션을 실행하기로 결정했습니다. 깊은 키홀 모양의 용융 풀의 경우 대부분의 빛을 가두는 키홀 내 다중 반사로 인해 레이저 흡수율이 0.8만큼 높을 수 있습니다. 이것은 기하학적 현상이며 기본 재료에 민감하지 않습니다. [ 51, 52 , 54 ] 따라서 본 연구에서는 흡수율의 상한을 0.8로 설정하였다. 참고 문헌 51 에 나타낸 바와 같이 , 전도 용융 풀에 해당하는 최저 흡수율은 약 0.3이었으며, 이는 이 연구에서 합리적인 하한 값입니다. 따라서 레이저 흡수율이 스트레이 그레인 형성에 미치는 영향을 보여주기 위해 흡수율 값을 0.55 ± 0.25로 설정했습니다. Vitek의 작업에서는 1.0의 고정 흡수율 값이 사용되었습니다. [ 3 ]
퓨전 존 미세구조
그림 3 은 200~300W 및 600~300W 및 600~300W 범위의 레이저 출력 및 속도로 9가지 다른 처리 매개변수에 의해 생성된 CMSX-4 레이저 트랙의 yz 단면 에서 취한 EBSD 역극점도와 해당 역극점도를 보여 줍니다. 각각 1400mm/s. EBSD 맵에서 여러 기능을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 스트레이 그레인은 EBSD 맵에서 그 방향에 해당하는 다른 RGB 색상으로 나타나고 그레인 경계를 묘사하기 위해 5도의 잘못된 방향이 사용되었습니다. 여기, 그림 3 에서 스트레이 그레인은 대부분 용융 풀의 상단 중심선에 집중되어 있으며, 이는 용접된 단결정 CMSX-4의 이전 보고서와 일치합니다. [ 10 ]역 극점도에서, 점 근처에 집중된 클러스터⟨ 001 ⟩⟨001⟩융합 경계에서 유사한 방향을 유지하는 단결정 기반 및 에피택셜로 응고된 덴드라이트를 나타냅니다. 그러나 흩어진 곡물은 식별할 수 있는 질감이 없는 흩어져 있는 점으로 나타납니다. 단결정 기본 재료의 결정학적 방향은 주로⟨ 001 ⟩⟨001⟩비록 샘플을 절단하는 동안 식별할 수 없는 기울기 각도로 인해 또는 단결정 성장 과정에서 약간의 잘못된 방향이 있었기 때문에 약간의 편차가 있지만. 용융 풀 내부의 응고된 수상 돌기의 기본 방향은 다시 한 번⟨ 001 ⟩⟨001⟩주상 결정립 구조와 유사한 에피택셜 성장의 결과. 그림 3 과 같이 용융 풀에서 수상돌기의 성장 방향은 하단의 수직 방향에서 상단의 수평 방향으로 변경되었습니다 . 이 전이는 주로 온도 구배 방향의 변화로 인한 것입니다. 두 번째 전환은 CET입니다. FZ의 상단 중심선 주변에서 다양한 방향의 흩어진 입자가 관찰되며, 여기서 안쪽으로 성장하는 수상돌기가 서로 충돌하여 용융 풀에서 응고되는 마지막 위치가 됩니다.
더 깊은 키홀 모양을 특징으로 하는 샘플에서 용융 풀의 경계 근처에 침전된 흩어진 입자가 분명합니다. 이러한 새로운 입자는 나중에 모델링 섹션에서 논의되는 수상돌기 조각화 메커니즘에 의해 잠재적으로 발생합니다. 결정립이 강한 열 구배에서 핵을 생성하고 성장한 결과, 대부분의 흩어진 결정립은 모든 방향에서 동일한 크기를 갖기보다는 장축이 열 구배 방향과 정렬된 길쭉한 모양을 갖습니다. 그림 3 의 전도 모드 용융 풀 흩어진 입자가 없는 것으로 입증되는 더 나은 단결정 품질을 나타냅니다. 상대적으로 낮은 출력과 높은 속도의 스캐닝 레이저에 의해 생성된 이러한 더 얕은 용융 풀에서 최소한의 결정립 핵형성이 발생한다는 것은 명백합니다. 더 큰 면적 분율을 가진 스트레이 그레인은 고출력 및 저속으로 생성된 깊은 용융 풀에서 더 자주 관찰됩니다. 국부 응고 조건에 대한 동력 및 속도의 영향은 후속 모델링 섹션에서 조사할 것입니다.
그림 3
응고 모델링
서론에서 언급한 바와 같이 연구자들은 단결정 용접 중에 표류 결정립 형성의 가능한 메커니즘을 평가했습니다. [ 12 , 13 , 14 , 15 , 55 ]논의된 가장 인기 있는 두 가지 메커니즘은 (1) 응고 전단에 앞서 구성적 과냉각에 의해 도움을 받는 이종 핵형성 및 (2) 용융물 풀의 유체 흐름으로 인한 덴드라이트 조각화입니다. 첫 번째 메커니즘은 광범위하게 연구되었습니다. 이원 합금을 예로 들면, 고체는 액체만큼 많은 용질을 수용할 수 없으므로 응고 중에 용질을 액체로 거부합니다. 결과적으로, 성장하는 수상돌기 앞에서 용질 분할은 실제 온도가 국부 평형 액상선보다 낮은 과냉각 액체를 생성합니다. 충분히 광범위한 체질적으로 과냉각된 구역의 존재는 새로운 결정립의 핵형성 및 성장을 촉진합니다. [ 56 ]전체 과냉각은 응고 전면에서의 구성, 동역학 및 곡률 과냉각을 포함한 여러 기여의 합입니다. 일반적인 가정은 동역학 및 곡률 과냉각이 합금에 대한 용질 과냉각의 더 큰 기여와 관련하여 무시될 수 있다는 것입니다. [ 57 ]
서로 다른 기본 메커니즘을 더 잘 이해하려면피- 브이피-V조건에서 응고 모델링이 수행됩니다. 첫 번째 목적은 스트레이 그레인의 전체 범위를 평가하는 것입니다(Φ¯¯¯¯Φ¯) 처리 매개 변수의 함수로 국부적 표류 입자 비율의 변화를 조사하기 위해 (ΦΦ) 용융 풀의 위치 함수로. 두 번째 목적은 금속 AM의 빠른 응고 동안 응고 미세 구조와 표류 입자 형성 메커니즘 사이의 관계를 이해하는 것입니다.
그림 4
그림 4 는 해석적으로 시뮬레이션된 표류 입자 비율을 보여줍니다.Φ¯¯¯¯Φ¯세 가지 레이저 흡수율 값에서 다양한 레이저 스캐닝 속도 및 레이저 출력에 대해. 결과는 스트레이 그레인 면적 비율이 흡수된 에너지에 민감하다는 것을 보여줍니다. 흡수율을 0.30에서 0.80으로 증가시키면Φ¯¯¯¯Φ¯약 3배이며, 이 효과는 저속 및 고출력 영역에서 더욱 두드러집니다. 다른 모든 조건이 같다면, 흡수된 전력의 큰 영향은 평균 열 구배 크기의 일반적인 감소와 용융 풀 내 평균 응고율의 증가에 기인합니다. 스캐닝 속도가 증가하고 전력이 감소함에 따라 평균 스트레이 그레인 비율이 감소합니다. 이러한 일반적인 경향은 Vitek의 작업에서 채택된 그림 5 의 파란색 영역에서 시뮬레이션된 용접 결과와 일치합니다 . [ 3 ] 더 큰 과냉각 구역( 즉, 지 /V티G/V티영역)은 용접 풀의 표유 입자의 면적 비율이 분홍색 영역에 해당하는 LPBF 조건의 면적 비율보다 훨씬 더 크다는 것을 의미합니다. 그럼에도 불구하고 두 데이터 세트의 일반적인 경향은 유사합니다. 즉 , 레이저 출력이 감소하고 레이저 속도가 증가함에 따라 표류 입자의 비율이 감소합니다. 또한 그림 5 에서 스캐닝 속도가 LPBF 영역으로 증가함에 따라 표유 입자 면적 분율에 대한 레이저 매개변수의 변화 효과가 감소한다는 것을 추론할 수 있습니다. 그림 6 (a)는 그림 3 의 EBSD 분석에서 나온 실험적 표류 결정립 면적 분율 과 그림 4 의 해석 시뮬레이션 결과를 비교합니다.. 열쇠 구멍 모양의 FZ에서 정확한 값이 다르지만 추세는 시뮬레이션과 실험 데이터 모두에서 일관되었습니다. 키홀 모양의 용융 풀, 특히 전력이 300W인 2개는 분석 시뮬레이션 예측보다 훨씬 더 많은 양의 흩어진 입자를 가지고 있습니다. Rosenthal 방정식은 일반적으로 열 전달이 순전히 전도에 의해 좌우된다는 가정으로 인해 열쇠 구멍 체제의 열 흐름을 적절하게 반영하지 못하기 때문에 이러한 불일치가 실제로 예상됩니다. [ 39 , 40 ] 그것은 또한 그림 4 의 발견 , 즉 키홀 모드 동안 흡수된 전력의 증가가 표류 입자 형성에 더 이상적인 조건을 초래한다는 것을 검증합니다. 그림 6 (b)는 실험을 비교Φ¯¯¯¯Φ¯수치 CFD 시뮬레이션Φ¯¯¯¯Φ¯. CFD 모델이 약간 초과 예측하지만Φ¯¯¯¯Φ¯전체적으로피- 브이피-V조건에서 열쇠 구멍 조건에서의 예측은 분석 모델보다 정확합니다. 전도 모드 용융 풀의 경우 실험 값이 분석 시뮬레이션 값과 더 가깝게 정렬됩니다.
그림 5
모의 온도 구배 G 분포 및 응고율 검사V티V티분석 모델링의 쌍은 그림 7 (a)의 CMSX-4 미세 구조 선택 맵에 표시됩니다. 제공지 /V티G/V티( 즉 , 형태 인자)는 형태를 제어하고지 ×V티G×V티( 즉 , 냉각 속도)는 응고된 미세 구조의 규모를 제어하고 , [ 58 , 59 ]지 -V티G-V티플롯은 전통적인 제조 공정과 AM 공정 모두에서 미세 구조 제어를 지원합니다. 이 플롯의 몇 가지 분명한 특징은 등축, 주상, 평면 전면 및 이러한 경계 근처의 전이 영역을 구분하는 경계입니다. 그림 7 (a)는 몇 가지 선택된 분석 열 시뮬레이션에 대한 미세 구조 선택 맵을 나타내는 반면 그림 7 (b)는 수치 열 모델의 결과와 동일한 맵을 보여줍니다. 등축 미세구조의 형성은 낮은 G 이상 에서 명확하게 선호됩니다.V티V티정황. 이 플롯에서 각 곡선의 평면 전면에 가장 가까운 지점은 용융 풀의 최대 너비 위치에 해당하는 반면 등축 영역에 가까운 지점의 끝은 용융 풀의 후면 꼬리에 해당합니다. 그림 7 (a)에서 대부분의지 -V티G-V티응고 전면의 쌍은 원주형 영역에 속하고 점차 CET 영역으로 위쪽으로 이동하지만 용융 풀의 꼬리는 다음에 따라 완전히 등축 영역에 도달하거나 도달하지 않을 수 있습니다.피- 브이피-V조합. 그림 7 (a) 의 곡선 중 어느 것도 평면 전면 영역을 통과하지 않지만 더 높은 전력의 경우에 가까워집니다. 저속 레이저 용융 공정을 사용하는 이전 작업에서는 곡선이 평면 영역을 통과할 수 있습니다. 레이저 속도가 증가함에 따라 용융 풀 꼬리는 여전히 CET 영역에 있지만 완전히 등축 영역에서 멀어집니다. CET 영역으로 떨어지는 섹션의 수도 감소합니다.Φ¯¯¯¯Φ¯응고된 물질에서.
그림 6
그만큼지 -V티G-V티CFD 모델을 사용하여 시뮬레이션된 응고 전면의 쌍이 그림 7 (b)에 나와 있습니다. 세 방향 모두에서 각 점 사이의 일정한 간격으로 미리 정의된 좌표에서 수행된 해석 시뮬레이션과 달리, 고충실도 CFD 모델의 출력은 불규칙한 사면체 좌표계에 있었고 G 를 추출하기 전에 일반 3D 그리드에 선형 보간되었습니다. 그리고V티V티그런 다음 미세 구조 선택 맵에 플롯됩니다. 일반적인 경향은 그림 7 (a)의 것과 일치하지만 이 방법으로 모델링된 매우 동적인 유체 흐름으로 인해 결과에 더 많은 분산이 있었습니다. 그만큼지 -V티G-V티분석 열 모델의 쌍 경로는 더 연속적인 반면 수치 시뮬레이션의 경로는 용융 풀 꼬리 모양의 차이를 나타내는 날카로운 굴곡이 있습니다(이는 G 및V티V티) 두 모델에 의해 시뮬레이션됩니다.
그림 7그림 8
유체 흐름을 통합한 응고 모델링
수치 CFD 모델을 사용하여 유동 입자 형성 정도에 대한 유체 흐름의 영향을 이해하고 시뮬레이션 결과를 분석 Rosenthal 솔루션과 비교했습니다. 그림 8 은 응고 매개변수 G 의 분포를 보여줍니다.V티V티,지 /V티G/V티, 그리고지 ×V티G×V티yz 단면에서 x 는 FLOW-3D에서 (a1–d1) 분석 열 모델링 및 (a2–d2) FVM 방법을 사용하여 시뮬레이션된 용융 풀의 최대 폭입니다. 그림 8 의 값은 응고 전선이 특정 위치에 도달할 때 정확한 값일 수도 있고 아닐 수도 있지만 일반적인 추세를 반영한다는 의미의 임시 가상 값입니다. 이 프로파일은 출력 300W 및 속도 400mm/s의 레이저 빔에서 시뮬레이션됩니다. 용융 풀 경계는 흰색 곡선으로 표시됩니다. (a2–d2)의 CFD 시뮬레이션 용융 풀 깊이는 342입니다. μμm, 측정 깊이 352와 잘 일치 μμ일치하는 길쭉한 열쇠 구멍 모양과 함께 그림 1 에 표시된 실험 FZ의 m . 그러나 분석 모델은 반원 모양의 용융 풀을 출력하고 용융 풀 깊이는 264에 불과합니다. μμ열쇠 구멍의 경우 현실과는 거리가 멀다. CFD 시뮬레이션 결과에서 열 구배는 레이저 반사 증가와 불안정한 액체-증기 상호 작용이 발생하는 증기 함몰의 동적 부분 근처에 있기 때문에 FZ 하단에서 더 높습니다. 대조적으로 해석 결과의 열 구배 크기는 경계를 따라 균일합니다. 두 시뮬레이션 결과 모두 그림 8 (a1) 및 (a2) 에서 응고가 용융 풀의 상단 중심선을 향해 진행됨에 따라 열 구배가 점차 감소합니다 . 응고율은 그림 8 과 같이 경계 근처에서 거의 0입니다. (b1) 및 (b2). 이는 경계 영역이 응고되기 시작할 때 국부 응고 전면의 법선 방향이 레이저 스캐닝 방향에 수직이기 때문입니다. 이것은 드라이브θ → π/ 2θ→파이/2그리고V티→ 0V티→0식에서 [ 3 ]. 대조적으로 용융 풀의 상단 중심선 근처 영역에서 응고 전면의 법선 방향은 레이저 스캐닝 방향과 잘 정렬되어 있습니다.θ → 0θ→0그리고V티→ 브이V티→V, 빔 스캐닝 속도. G 와 _V티V티값이 얻어지면 냉각 속도지 ×V티G×V티및 형태 인자지 /V티G/V티계산할 수 있습니다. 그림 8 (c2)는 용융 풀 바닥 근처의 온도 구배가 매우 높고 상단에서 더 빠른 성장 속도로 인해 냉각 속도가 용융 풀의 바닥 및 상단 중심선 근처에서 더 높다는 것을 보여줍니다. 지역. 그러나 이러한 추세는 그림 8 (c1)에 캡처되지 않았습니다. 그림 8 의 형태 요인 (d1) 및 (d2)는 중심선에 접근함에 따라 눈에 띄게 감소합니다. 경계에서 큰 값은 열 구배를 거의 0인 성장 속도로 나누기 때문에 발생합니다. 이 높은 형태 인자는 주상 미세구조 형성 가능성이 높음을 시사하는 반면, 중앙 영역의 값이 낮을수록 등축 미세구조의 가능성이 더 크다는 것을 나타냅니다. Tanet al. 또한 키홀 모양의 용접 풀 [ 59 ] 에서 이러한 응고 매개변수의 분포 를 비슷한 일반적인 경향으로 보여주었습니다. 그림 3 에서 볼 수 있듯이 용융 풀의 상단 중심선에 있는 흩어진 입자는 낮은 특징을 나타내는 영역과 일치합니다.지 /V티G/V티그림 8 (d1) 및 (d2)의 값. 시뮬레이션과 실험 간의 이러한 일치는 용융 풀의 상단 중심선에 축적된 흩어진 입자의 핵 생성 및 성장이 등온선 속도의 증가와 온도 구배의 감소에 의해 촉진됨을 보여줍니다.
그림 9
그림 9 는 유체 속도 및 국부적 핵형성 성향을 보여줍니다.ΦΦ300W의 일정한 레이저 출력과 400, 800 및 1200mm/s의 세 가지 다른 레이저 속도에 의해 생성된 3D 용융 풀 전체에 걸쳐. 그림 9 (d)~(f)는 로컬ΦΦ해당 3D 보기에서 밝은 회색 평면으로 표시된 특정 yz 단면의 분포. 이 yz 섹션은 가장 높기 때문에 선택되었습니다.Φ¯¯¯¯Φ¯용융 풀 내의 값은 각각 23.40, 11.85 및 2.45pct입니다. 이들은 그림 3 의 실험 데이터와 비교하기에 적절하지 않을 수 있는 액체 용융 풀의 과도 값이며Φ¯¯¯¯Φ¯그림 6 의 값은 이 값이 고체-액체 계면에 가깝지 않고 용융 풀의 중간에서 취해졌기 때문입니다. 온도가 훨씬 낮아서 핵이 생존하고 성장할 수 있기 때문에 핵 형성은 용융 풀의 중간이 아닌 고체-액체 계면에 더 가깝게 발생할 가능성이 있습니다.
그림 3 (a), (d), (g), (h)에서 위쪽 중심선에서 멀리 떨어져 있는 흩어진 결정립이 있었습니다. 그들은 훨씬 더 높은 열 구배와 더 낮은 응고 속도 필드에 위치하기 때문에 과냉각 이론은 이러한 영역에서 표류 입자의 형성에 대한 만족스러운 설명이 아닙니다. 이것은 떠돌이 결정립의 형성을 야기할 수 있는 두 번째 메커니즘, 즉 수상돌기의 팁을 가로지르는 유체 흐름에 의해 유발되는 수상돌기 조각화를 고려하도록 동기를 부여합니다. 유체 흐름이 열 구배를 따라 속도 성분을 갖고 고체-액체 계면 속도보다 클 때, 주상 수상돌기의 국지적 재용융은 용질이 풍부한 액체가 흐물흐물한 구역의 깊은 곳에서 액상선 등온선까지 이동함으로써 발생할 수 있습니다. . [ 55] 분리된 수상돌기는 대류에 의해 열린 액체로 운반될 수 있습니다. 풀이 과냉각 상태이기 때문에 이러한 파편은 고온 조건에서 충분히 오래 생존하여 길 잃은 입자의 핵 생성 사이트로 작용할 수 있습니다. 결과적으로 수상 돌기 조각화 과정은 활성 핵의 수를 효과적으로 증가시킬 수 있습니다.N0N0) 용융 풀 [ 15 , 60 , 61 ] 에서 생성된 미세 구조에서 표류 입자의 면적을 증가시킵니다.
그림 9 (a) 및 (b)에서 반동 압력은 용융 유체를 아래쪽으로 흐르게 하여 결과 흐름을 지배합니다. 유체 속도의 역방향 요소는 V = 400 및 800mm/s에 대해 각각 최대값 1.0 및 1.6m/s로 더 느려집니다 . 그림 9 (c)에서 레이저 속도가 더 증가함에 따라 증기 침하가 더 얕고 넓어지고 반동 압력이 더 고르게 분포되어 증기 침강에서 주변 영역으로 유체를 밀어냅니다. 역류는 최대값 3.5m/s로 더 빨라집니다. 용융 풀의 최대 너비에서 yz 단면 의 키홀 아래 평균 유체 속도는 그림에 표시된 경우에 대해 0.46, 0.45 및 1.44m/s입니다.9 (a), (b) 및 (c). 키홀 깊이의 변동은 각 경우의 최대 깊이와 최소 깊이의 차이로 정의되는 크기로 정량화됩니다. 240 범위의 강한 증기 내림 변동 μμm은 그림 9 (a)의 V = 400mm/s 경우에서 발견 되지만 이 변동은 그림 9 (c)에서 16의 범위로 크게 감소합니다.μμ미디엄. V = 400mm/s인 경우 의 유체장과 높은 변동 범위는 이전 키홀 동역학 시뮬레이션과 일치합니다. [ 34 ]
따라서 V = 400mm/s 키홀 케이스의 무질서한 변동 흐름이 용융 풀 경계를 따라 응고된 주상 수상돌기에서 분리된 조각을 구동할 가능성이 있습니다. V = 1200mm/s의 경우 강한 역류 는 그림 3 에서 관찰되지 않았지만 동일한 효과를 가질 수 있습니다. . 덴드라이트 조각화에 대한 유체 유동장의 영향에 대한 이 경험적 설명은 용융 풀 경계 근처에 떠돌이 입자의 존재에 대한 그럴듯한 설명을 제공합니다. 분명히 하기 위해, 우리는 이 가설을 검증하기 위해 이 현상에 대한 직접적인 실험적 관찰을 하지 않았습니다. 이 작업에서 표유 입자 면적 분율을 계산할 때 단순화를 위해 핵 생성 모델링에 일정한 핵 생성 수 밀도가 적용되었습니다. 이는 그림 9 의 표류 입자 영역 비율 이 수지상정 조각화가 발생하는 경우 이러한 높은 유체 흐름 용융 풀에서 발생할 수 있는 것, 즉 강화된 핵 생성 밀도를 반영하지 않는다는 것을 의미합니다.
위의 이유로 핵 형성에 대한 수상 돌기 조각화의 영향을 아직 배제할 수 없습니다. 그러나 단편화 이론은 용접 문헌 [ 62 ] 에서 검증될 만큼 충분히 개발되지 않았 으므로 부차적인 중요성만 고려된다는 점에 유의해야 합니다. 1200mm/s를 초과하는 레이저 스캐닝 속도는 최소한의 표류 결정립 면적 분율을 가지고 있음에도 불구하고 분명한 볼링을 나타내기 때문에 단결정 수리 및 AM 처리에 적합하지 않습니다. 따라서 낮은 P 및 높은 V 에 의해 생성된 응고 전면 근처에서 키홀 변동이 최소화되고 유체 속도가 완만해진 용융 풀이 생성된다는 결론을 내릴 수 있습니다., 처리 창의 극한은 아니지만 흩어진 입자를 나타낼 가능성이 가장 적습니다.
마지막으로 단일 레이저 트랙의 응고 거동을 조사하면 에피택셜 성장 동안 표류 입자 형성을 더 잘 이해할 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요합니다. 우리의 현재 결과는 최적의 레이저 매개변수에 대한 일반적인 지침을 제공하여 최소 스트레이 그레인을 달성하고 단결정 구조를 유지합니다. 이 가이드라인은 250W 정도의 전력과 600~800mm/s의 스캔 속도로 최소 흩어진 입자에 적합한 공정 창을 제공합니다. 각 처리 매개변수를 신중하게 선택하면 과거에 스테인리스강에 대한 거의 단결정 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했으며 이는 CMSX-4 AM 빌드에 대한 가능성을 보여줍니다. [ 63 ]신뢰성을 보장하기 위해 AM 수리 프로세스를 시작하기 전에 보다 엄격한 실험 테스트 및 시뮬레이션이 여전히 필요합니다. 둘 이상의 레이저 트랙 사이의 상호 작용도 고려해야 합니다. 또한 레이저, CMSX-4 분말 및 벌크 재료 간의 상호 작용이 중요하며, 수리 중에 여러 층의 CMSX-4 재료를 축적해야 하는 경우 다른 스캔 전략의 효과도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 분말이 포함된 경우 Lopez-Galilea 등 의 연구에서 제안한 바와 같이 분말이 주로 완전히 녹지 않았을 때 추가 핵 생성 사이트를 도입하기 때문에 단순히 레이저 분말과 속도를 조작하여 흩어진 입자 형성을 완화하기 어려울 수 있습니다 . [ 22 ]결과적으로 CMSX-4 단결정을 수리하기 위한 레이저 AM의 가능성을 다루기 위해서는 기판 재료, 레이저 출력, 속도, 해치 간격 및 층 두께의 조합을 모두 고려해야 하며 향후 연구에서 다루어야 합니다. CFD 모델링은 2개 이상의 레이저 트랙 사이의 상호작용과 열장에 미치는 영향을 통합할 수 있으며, 이는 AM 빌드 시나리오 동안 핵 생성 조건으로 단일 비드 연구의 지식 격차를 해소할 것입니다.
결론
LPBF 제조의 특징적인 조건 하에서 CMSX-4 단결정 의 에피택셜(기둥형) 대 등축 응고 사이의 경쟁을 실험적 및 이론적으로 모두 조사했습니다. 이 연구는 고전적인 응고 개념을 도입하여 빠른 레이저 용융의 미세 구조 특징을 설명하고 응고 조건과 표유 결정 성향을 예측하기 위해 해석적 및 수치적 고충실도 CFD 열 모델 간의 비교를 설명했습니다. 본 연구로부터 다음과 같은 주요 결론을 도출할 수 있다.
단일 레이저 트랙의 레이저 가공 조건은 용융 풀 형상, 레이저 흡수율, 유체 흐름 및 키홀 요동, 입자 구조 및 표류 입자 형성 민감성에 강한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다.
레이저 용접을 위해 개발된 이론적인 표유 결정립 핵형성 분석이 레이저 용융 AM 조건으로 확장되었습니다. 분석 모델링 결과와 단일 레이저 트랙의 미세구조 특성화를 비교하면 예측이 전도 및 볼링 조건에서 실험적 관찰과 잘 일치하는 반면 키홀 조건에서는 예측이 약간 과소하다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 불일치는 레이저 트랙의 대표성이 없는 섹션이나 유체 속도 필드의 변화로 인해 발생할 수 있습니다. CFD 모델에서 추출한 열장에 동일한 표유 입자 계산 파이프라인을 적용하면 연구된 모든 사례에서 과대평가가 발생하지만 분석 모델보다 연장된 용융 풀의 실험 데이터와 더 정확하게 일치합니다.
이 연구에서 두 가지 표류 결정립 형성 메커니즘인 불균일 핵형성 및 수상돌기 조각화가 평가되었습니다. 우리의 결과는 불균일 핵형성이 용융 풀의 상단 중심선에서 새로운 결정립의 형성으로 이어지는 주요 메커니즘임을 시사합니다.지 /V티G/V티정권.
용융 풀 경계 근처의 흩어진 입자는 깊은 키홀 모양의 용융 풀에서 독점적으로 관찰되며, 이는 강한 유체 흐름으로 인한 수상 돌기 조각화의 영향이 이러한 유형의 용융 풀에서 고려하기에 충분히 강력할 수 있음을 시사합니다.
일반적으로 더 높은 레이저 스캐닝 속도와 더 낮은 전력 외에도 안정적인 키홀과 최소 유체 속도는 또한 흩어진 입자 형성을 완화하고 레이저 단일 트랙에서 에피택셜 성장을 보존합니다.
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리켄 RI 빔 팩토리(RIBF)는 지속적으로 우라늄 빔의 대강도화에 임하고 있으며, 지난 10년간 200배 이상의 강도 증강에 성공하고 있다. He 가스를 이용한 하전 스트리퍼 (He 가스 스트리퍼)의 실현은 그 고강도화의 큰 터닝 포인트였다. 또한, 하전 변환 효율을 비약적으로 올리기 위해 현재 제안하고 있는 하전 변환 링(CSR)은 더욱 큰 강도화가 큰 열쇠가 되는 장치이다. He 스트리퍼와 CSR 계획에 관한 관련 물리 화제와 문제를 섞어 소개한다.
소개
리켄 RI 빔 팩토리 (RIBF [1])와 같이 여러 가속기를 사용하여 중이온의 다단계 가속에서 가속가수의 선택성은 특징적인 자유도 중 하나이다. 가속기의 시작점이되는 이온 소스로부터 생성 된 이온의 원자가의 선택과 가속 도중의 원자가는 “하전 스트리퍼”라고 불리는 장치에 의해 제어 선택된다.
가능한 한 다가가 가속기에서의 가속이나 편향은 효율적이지만, 이온원으로 다가 이온을 대강도로 얻는 것은 일반적으로 어렵고, 스트리퍼로 다가로 하기 위해서는 충분히 가속되어 있어야 한다 있다. 가수를 어느 단계에서 어디까지 올리는지, 그 가속 전략의 최적화는 중이온 가속기 설계의 간이다.
특히 스트리퍼의 성능(얻어지는 가수·변환 효율·내구성·균일성 등)은 가속기 전체의 성능(가속 가능 빔 강도·가속 효율·안정성 등)을 결정하는 가장 중요한 인자라고 할 수 있다. 스트리퍼에는 다양한 기술적인 어려움이 있지만, 이온 원자 충돌의 물리 그 자체를 구현한 장치이며, 축축, 중이온 가속기의 성능은 원자 충돌 과정에 지배되고 있다고 해도 과언이 아니다 .
본 논문에서는 제가 중심으로 개발을 하고 있는 리켄 RIBF 에 있어서의 He 가스 스트리퍼[2–4]와 장래 계획의 하나 하전 변환 링(CSR[5–7])에 대해서, 관련하는 물리의 화제 와 문제를 섞어 소개한다. 모두 가장 가속하기 어려운 우라늄 빔에의 적용을 주안으로 한 것으로, 우선 RIBF에서의 우라늄 빔 가속에 대해 개관한다.
리켄 RIBF 조감도. 3 개의 입사 (RILAC, RILAC2, AVF), 4 개의 링 사이클로트론 (RRC, fRC, IRC, SRC), RI 빔 분리 장치 BigRIPS 및 다양한 실험 장치로 구성그림 7 : He 가스 스트리퍼의 단면도와 실제 사진 (왼쪽 아래) 및 빔 통과시의 발광 모습 (오른쪽 아래).
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Professor, Dept. of Civil Engineering, New Mexico State Univ., P.O. Box 30001, MSC 3CE, Las Cruces, NM 88003-8001. Email: zsamani@nmsu.edu
Abstract
추상적인 암거 끝에서 나오는 고속 흐름으로 인한 하류 침식 및 세굴은 수력 엔지니어가 직면한 주요 문제 중 하나입니다. 본 논문의 주요 목적은 일반적인 암거 단부에서 나오는 고속 흐름으로 인한 하류 침식 및 세굴의 위험을 줄일 수 있는 분산 암거 단부 설계를 개발하는 것이었습니다. 이를 위해 전산 유체 역학(CFD) 플랫폼 FLOW-3D 버전 11.1.0 코드를 실험 실행[결정 계수 R2>0.90 및 평균 제곱근 오차(RMSE)<1.9 cm]을 기반으로 보정 및 검증했습니다. 그런 다음 코드를 사용하여 두 가지 대안적인 소멸 암거 끝 설계(ALT 1 및 ALT 2)를 개발하고 하류 침식 및 세굴 완화 가능성을 분석했습니다. 각각의 출수유속과 운동에너지를 측정하여 전형적인 암거단부(대조)유량과 비교하였다. 결과에 따르면 제어 흐름에서의 질량 평균 유체 평균 운동 에너지는 1.37 j/kg2로 기록되었으며, ALT 1 및 ALT 2 흐름에서 각각 0.83 및 0.73 j/kg2로 측정되었습니다. 따라서 제어 흐름 하에서 하류 샌드박스 매스의 제거는 ALT 1 및 ALT 2 흐름에 비해 각각 약 11.1% 및 4.2% 더 높았습니다. FLOW-3D 코드는 암거 끝 흐름과 하류 침식을 예측하고 하류 침식을 줄일 수 있는 잠재적 소산 암거 끝을 설계하는 데 사용할 수 있습니다.
Downstream erosion and scouring caused by high-velocity flow issuing from culvert ends are one of the main problems faced by hydraulic engineers. The main objective of this paper was to develop a dissipating culvert end design that can reduce the risk of downstream erosion and scour caused by high-velocity flow issuing from typical culvert ends. For this purpose, the computational fluid dynamics (CFD) platform FLOW-3D version 11.1.0 code was calibrated and validated based on the experimental runs [coefficient of determination R2>0.90R2>0.90 and root mean square error (RMSE)<1.9 cm(RMSE)<1.9 cm]. Two alternative dissipating culvert end designs (ALT 1 and ALT 2) were then developed using the code, and their potential in mitigation of downstream erosion and scouring was analyzed. The issuing flow velocity and kinetic energy for each were measured and compared with typical culvert end (control) flow. According to the results, mass averaged fluid mean kinetic energy in the control flow was recorded at 1.37 j/kg21.37 j/kg2 and was measured at 0.83 and 0.73 j/kg20.73 j/kg2 in ALT 1 and ALT 2 flows, respectively. Accordingly, the removal of downstream sandbox mass under control flow was approximately 11.1% and 4.2% higher compared with ALT 1 and ALT 2 flows, respectively. FLOW-3D code can be used to predict culvert end flow and downstream erosion and to design potential dissipating culvert ends that can reduce downstream erosion.
Dissipating Culvert End Design for Erosion Control Using CFD Platform FLOW-3D Numerical Simulation Modeling
The tidal bore overflow and scour behind the spur dike are investigated. The overflow water depth under tidal bore is affected by dike height and Froude number after bore. The scour depth behind the spur dike is mainly influenced by the flow intensity, dike height and water depth before bore. An empirical equation predicting scour depth behind the spur dike is established.
Abstract
In estuaries with strong tidal bore, the scour behind the spur dike induced by tidal bore overflow has significant influence on the dike safety. In this study, an experiment study of the local scour induced by tidal bore overflow behind the spur dike was carried out in a physical flume. In addition, the process of the tidal bore overflow on the dike was numerically simulated with the boundary generation method. The stable overflow water depth on the spur dike (hts), unit overflow discharge (qts) and the scour hole characteristics were analyzed based on the experimental and numerical results. It is found that the relative stable overflow water depth (hts/h1) increases with the increase of the Froude number after bore (Fr1) and decreases with the increase of relative dike height (hd/h1). While the relative stable unit overflow discharge (qts/q1) is mainly affected by the relative dike height. Additionally, the results of scour pit behind the spur dike show that the scour depth (s/h1) is directly proportional to the relative current intensity (u1/uc) and the dike height (hd/h1), but inversely proportional to the water depth before bore (h0/h1). An empirical equation for predicting relative maximum scour depth is obtained by fitting the experimental results and the field measured data, and the prediction accuracy is within 30%. The conclusions of this paper can provide technical support for the engineering design and operation evaluation of spur dikes in estuaries with the strong tidal bore.
갯벌이 강한 하구에서는 갯벌 범람에 의해 유발되는 둑 뒤 세굴이 둑 안전에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 물리수로에서 박차둑 뒤의 조수간만의 범람에 의해 유발되는 국지세굴에 대한 실험연구를 수행하였다. 또한 경계 생성법을 이용하여 제방 위의 조수간만의 범람 과정을 수치적으로 모사하였다. 실험적 및 수치적 결과를 바탕으로 평제방의 안정적인 범람 수심(hts), 단위 범람 방류량(qts) 및 세굴공 특성을 분석하였다. 상대적으로 안정적인 범람 수심(hts/h1)은 굴착 후 Froude 수(Fr1)가 증가함에 따라 증가하고 상대 제방 높이(hd/h1)가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났습니다. 상대적으로 안정적인 단위 오버플로 방전(qts/q1)은 주로 상대적 제방 높이의 영향을 받습니다. 또한, 스퍼 둑 뒤의 세굴 구덩이 결과는 세굴 깊이(s/h1)가 상대 전류 강도(u1/uc) 및 둑 높이(hd/h1)에 정비례하고 물에 반비례함을 보여줍니다. 보어 전 깊이(h0/h1). 실험결과와 현장 실측자료를 피팅하여 상대 최대 세굴깊이를 예측하는 실증식을 구하였으며, 예측정확도는 30% 이내이다. 본 논문의 결론은 갯벌이 강한 하구에서 Spur dike의 공학적 설계 및 운영 평가에 대한 기술적 지원을 제공할 수 있다.
Hydrodynamics of tidal bore overflow on the spur dike and its influence on the local scour
Keywords
Spur dike, Tidal bore overflow, Overflow water depth, Unit overflow discharge, Maximum scour depth
린 첸 가오 양 미시 옹 장 춘밍 왕 Lin Chen , Gaoyang Mi , Xiong Zhang , Chunming Wang * 중국 우한시 화중과학기술대학 재료공학부, 430074
Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding
Abstract
A numerical model of 1.5 mm 6061/5182 aluminum alloys thin sheets lap joints under laser sinusoidal oscillation (sine) welding and laser welding (SLW) weld was developed to simulate temperature distribution and melt flow. Unlike the common energy distribution of SLW, the sinusoidal oscillation of laser beam greatly homogenized the energy distribution and reduced the energy peak. The energy peaks were located at both sides of the sine weld, resulting in the tooth-shaped sectional formation. This paper illustrated the effect of the temperature gradient (G) and solidification rate (R) on the solidification microstructure by simulation. Results indicated that the center of the sine weld had a wider area with low G/R, promoting the formation of a wider equiaxed grain zone, and the columnar grains were slenderer because of greater GR. The porosity-free and non-penetration welds were obtained by the laser sinusoidal oscillation. The reasons were that the molten pool volume was enlarged, the volume proportion of keyhole was reduced and the turbulence in the molten pool was gentled, which was observed by the high-speed imaging and simulation results of melt flow. The tensile test of both welds showed a tensile fracture form along the fusion line, and the tensile strength of sine weld was significantly better than that of the SLW weld. This was because that the wider equiaxed grain area reduced the tendency of cracks and the finer grain size close to the fracture location. Defect-free and excellent welds are of great significance to the new energy vehicles industry.
온도 분포 및 용융 흐름을 시뮬레이션하기 위해 레이저 사인파 진동 (사인) 용접 및 레이저 용접 (SLW) 용접에서 1.5mm 6061/5182 알루미늄 합금 박판 랩 조인트 의 수치 모델이 개발되었습니다. SLW의 일반적인 에너지 분포와 달리 레이저 빔의 사인파 진동은 에너지 분포를 크게 균질화하고 에너지 피크를 줄였습니다. 에너지 피크는 사인 용접의 양쪽에 위치하여 톱니 모양의 단면이 형성되었습니다. 이 논문은 온도 구배(G)와 응고 속도 의 영향을 설명했습니다.(R) 시뮬레이션에 의한 응고 미세 구조. 결과는 사인 용접의 중심이 낮은 G/R로 더 넓은 영역을 가짐으로써 더 넓은 등축 결정립 영역의 형성을 촉진하고 더 큰 GR로 인해 주상 결정립 이 더 가늘다는 것을 나타냅니다. 다공성 및 비관통 용접은 레이저 사인파 진동에 의해 얻어졌습니다. 그 이유는 용융 풀의 부피가 확대되고 열쇠 구멍의 부피 비율이 감소하며 용융 풀의 난류가 완만해졌기 때문이며, 이는 용융 흐름의 고속 이미징 및 시뮬레이션 결과에서 관찰되었습니다. 두 용접부 의 인장시험 은 융착선을 따라 인장파괴형태를인장강도사인 용접의 경우 SLW 용접보다 훨씬 우수했습니다. 이는 등축 결정립 영역이 넓을수록 균열 경향이 감소하고 파단 위치에 근접한 입자 크기가 미세 하기 때문입니다. 결함이 없고 우수한 용접은 신에너지 자동차 산업에 매우 중요합니다.
Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.Fig. 2. Finite element mesh.Fig. 3. Weld morphologies of cross-section and upper surface for the two welds: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld.Fig. 4. Calculation of laser energy distribution: (a)-(c) sine pattern weld; (d)-(f) SLW weld.Fig. 5. The partially melted region of zone A.Fig. 6. The simulated profiles of melted region for the two welds: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.Fig. 7. The temperature field simulation results of cross section for sine pattern weld.Fig. 8. Dynamic behavior of the molten pool at the same time interval of 0.004 s within one oscillating period: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.Fig. 9. The temperature field and flow field of the molten pool for the SLW weld: (a)~(f) t = 80 ms~100 ms.Fig. 10. The temperature field and flow field of the molten pool for the sine pattern weld: (a)~(f) t = 151 ms~171 ms.Fig. 11. The evolution of the molten pool volume and keyhole depth within one period.Fig. 12. The X-ray inspection results for the two welds: (a) SLW weld, (b) sine pattern weld.Fig. 13. Comparison of the solidification parameters for sine and SLW patterns: (a) the temperature field simulated results of the molten pool upper surfaces; (b)
temperature gradient G and solidification rate R along the molten pool boundary isotherm from weld centerline to the fusion boundary; (c) G/R; (d) GR.Fig. 14. The EBSD results of equiaxed grain zone in the weld center of: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld; (c) grain size.Fig. 15. (a) EBSD results of horizontal sections of SLW weld and sine pattern weld; (b) The columnar crystal widths of SLW weld and sine pattern weld.Fig. 16. (a) The tensile test results of the two welds; (b) Fracture location of SLW weld; (b) Fracture location of sine pattern weld.
Keywords
Laser welding, Sinusoidal oscillating, Energy distribution, Numerical simulation, Molten pool flow, Grain structure
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NadhiraKarimaaIkhaMagdalenaabIndrianaMarcelaaMohammadFaridbaFaculty of Mathematics and Natural Sciences, Bandung Institute of Technology, 40132, IndonesiabCenter for Coastal and Marine Development, Bandung Institute of Technology, Indonesia
Highlights
•A new three-layer model for n-block submerged porous breakwaters is developed.
•New analytical approach in finding the wave transmission coefficient is presented.
•A finite volume method successfully simulates the wave attenuation process.
•Porous media blocks characteristics and configuration can optimize wave reduction.
Abstract
높은 파도 진폭은 해안선에 위험한 영향을 미치고 해안 복원력을 약화시킬 수 있습니다. 그러나 다중 다공성 매체는 해양 생태계의 환경 친화적인 해안 보호 역할을 할 수 있습니다.
이 논문에서 우리는 n개의 잠긴 다공성 미디어 블록이 있는 영역에서 파동 진폭 감소를 계산하기 위해 3층 깊이 통합 방정식을 사용합니다. 수학적 모델은 파동 전달 계수를 얻기 위해 여러 행렬 방정식을 포함하는 변수 분리 방법을 사용하여 해석적으로 해결됩니다.
이 계수는 진폭 감소의 크기에 대한 정보를 제공합니다. 또한 모델을 수치적으로 풀기 위해 지그재그 유한 체적 방법이 적용됩니다.
수치 시뮬레이션을 통해 다공성 매질 블록의 구성과 특성이 투과파 진폭을 줄이는 데 중요하다는 결론을 내렸습니다.
High wave amplitudes may cause dangerous effects on the shoreline and weaken coastal resilience. However, multiple porous media can act as environmental friendly coastal protectors of the marine ecosystem. In this paper, we use three-layer depth-integrated equations to calculate wave amplitude reduction in a domain with n submerged porous media blocks. The mathematical model is solved analytically using the separation of variables method involving several matrix equations to obtain the wave transmission coefficient. This coefficient provides information about the magnitude of amplitude reduction. Additionally, a staggered finite volume method is applied to solve the model numerically. By conducting numerical simulations, we conclude that porous media blocks’ configuration and characteristics are crucial in reducing transmitted wave amplitude.
Fig. 1. Sketch of the problem configuration.Fig. 6. Experiment of waves passing through a single block of porous medium.
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Finite element simulation on the convective double diffusive water-based copper oxide nanofluid flow in a square cavity having vertical wavy surfaces in presence of hydro-magnetic field
Shen Zhen-dong*1, 2, Zhang Yang1, 2 1Zhejiang Guangchuan Engineering Consultation Co., Ltd., Hangzhou, 310020, Zhejiang, China 2Zhejiang Institute of Hydraulics &Estuary, Hangzhou 310020, Zhejiang, China E-mail: zdshen1991@126.com
Abstract
최근 몇 년 동안 생태학적 수자원 보존 공학의 발전으로 많은 새로운 댐 디자인이 등장했습니다. 본 논문에서는 체계적인 소면보 연구와 조사를 바탕으로 새로운 종류의 입상 혼합물 위어를 제시하였습니다.
입상보의 수치해석은 Flow-3D를 이용하여 수행하였으며, 그 결과를 물리적 모델 실험결과와 비교하였습니다. 유속, 유속 분포 및 둑의 파손에 대한 수치 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 잘 일치하며, 이는 3차원 수학적 모델이 물리적 모델 실험과 결합되어 모든 입상 혼합물 둑을 시뮬레이션할 수 있음을 나타냅니다.
이 방법을 이용하여 특성 및 수리학적 매개변수를 분석하면 생태보의 후속 연구를 위한 기술적 지원을 제공할 수 있습니다.
In recent years, with the development of ecological water conservancy engineering, many new weir designs have also emerged. This paper has put forward a new kind of granular mixtures weir based on the systematic carding weir researches, combined with investigation. The numerical simulation of granular weir is carried out by using Flow-3D,and the results are compared with the physical model experiment results. The numerical simulation results of the flow velocity, flow distribution and the failure of the weir are in good agreement with the experimental results, which indicates that the 3-D mathematical model can be combined with physical model experiments to simulate the granular mixtures weir in all directions. Using this method to analysis the characteristics and hydraulic parameters can provide technical support for the follow-up research of ecological weir.
Figure 1 Mitochondrial Weir DamTable 1 Numerical simulation programme tableFigure 4 Final Damage of Weir in Different Projects
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본 논문은 경사가 완만한 수로에서 손상되거나 손상되지 않은 교각 주변의 유동 패턴을 분석했습니다. 실험은 길이가 12m이고 기울기가 0.008인 직선 수로에서 수행되었습니다. Acoustic Doppler Velocimeter(ADV)를 이용하여 3차원 유속 데이터를 수집하였고, 그 결과를 PIV(Particle Image Velocimetry) 데이터와 분석하여 비교하였습니다.
다중 블록 옵션이 있는 취수구의 퇴적물 시뮬레이션(SSIIM)은 이 연구에서 흐름의 수치 시뮬레이션을 위해 통합되었습니다. 일반적으로 비교에서 얻은 결과는 수치 데이터와 실험 데이터 간의 적절한 일치를 나타냅니다. 결과는 모든 경우에 수로 입구에서 2m 거리에서 기복적 수압 점프가 발생했음을 보여주었습니다.
경사진 수로의 최대 베드 전단응력은 2개의 손상 및 손상되지 않은 교각을 설치하기 위한 수평 수로의 12배였습니다. 이와 같은 경사수로 교각의 위치에 따라 상류측 수위는 수평수로의 유사한 조건에 비해 72.5% 감소한 반면, 이 감소량은 경사면에서 다른 경우에 비해 8.3% 감소하였다. 채널 또한 두 교각이 있는 경우 최대 Froude 수는 수평 수로의 5.7배였습니다.
This paper analyzed the flow pattern around damaged and undamaged bridge piers in a channel with a mild slope. The experiments were carried out on a straight channel with a length of 12 meters and a slope of 0.008. Acoustic Doppler velocimeter (ADV) was employed to collect three-dimensional flow velocity data, and the results were analyzed and compared with particle image velocimetry (PIV) data. Sediment Simulation in Intakes with Multiblock option (SSIIM) was incorporated for the numerical simulation of the flow in this study. Generally, the results obtained from the comparisons referred to the appropriate agreement between the numerical and the experimental data. The results showed that an undular hydraulic jump occurred at a distance of two meters from the channel entrance in every case; the maximum bed shear stress in the sloped channel was 12 times that in a horizontal channel for installing two damaged and undamaged piers. With this position of the piers in the sloped channel, the upstream water level underwent a 72.5% reduction compared to similar conditions in a horizontal channel, while the amount of this water level decrease was equal to 8.3% compared to the other cases in a sloped channel. In addition, with the presence of both piers, the maximum Froude number was 5.7 times that in a horizontal channel.
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1Ph.D Student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University 2Director, Water Resources & Environment Department, HECOREA 3Director, Water Resources Department, ISAN 4Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University
1홍익대학교 건설환경공학과 박사과정 2㈜헥코리아 수자원환경사업부 이사 3㈜이산 수자원부 이사 4홍익대학교 건설환경공학과 교수
ABSTRACT
최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다. 수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다.
키워드 : 보조 여수로, FLOW-3D, 수치모의, 호안 안정성, 소류력
1. 서 론
최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로 유입되는 홍수량이 설계 홍수량보다 증가하여 댐 안정성 확보가 필요한 실정이다(Office for Government Policy Coordination, 2003). MOLIT & K-water(2004)에서는 기존댐의 수문학적 안정성 검토를 수행하였으며 이상홍수 발생 시 24개 댐에서 월류 등으로 인한 붕괴위험으로 댐 하류지역의 극심한 피해를 예상하여 보조여수로 신설 및 기존여수로 확장 등 치수능력 증대 기본계획을 수립하였고 이를 통하여 극한홍수 발생 시 홍수량 배제능력을 증대하여 기존댐의 안전성 확보 및 하류지역의 피해를 방지하고자 하였다. 여기서 보조 여수로는 기존 여수로와 동시 또는 별도 운영하는 여수로로써 비상상황 시 방류 기능을 포함하고 있고(K-water, 2021), 최근에는 기존 여수로의 노후화에 따라 보조여수로의 활용방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 기존 및 보조 여수로의 방류량 조합에 따른 하류 영향을 분석하고 하류 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오를 검토하고자 한다.
기존의 댐 여수로 검토에 관한 연구는 주로 수리실험을 통하여 방류조건 별 흐름특성을 검토하였으나 최근에는 수치모형 실험결과가 수리모형실험과 비교하여 근사한 것을 확인하는 등 점차 수치모형실험을 수리모형실험의 대안으로 활용하고 있다(Jeon et al., 2006; Kim, 2007; Kim et al., 2008). 국내의 경우, Jeon et al.(2006)은 수리모형 실험과 수치모의를 이용하여 임하댐 바상여수로의 기본설계안을 도출하였고, Kim et al.(2008)은 가능최대홍수량 유입 시 비상여수로 방류에 따른 수리학적 안정성과 기능성을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하여 검토하였다. 또한 Kim and Kim(2013)은 충주댐의 홍수조절 효과 검토 및 방류량 변화에 따른 상·하류의 수위 변화를 수치모형을 통하여 검토하였다. 국외의 경우 Zeng et al.(2017)은 3차원 수치모형인 Fluent를 활용한 여수로 방류에 따른 흐름특성 결과와 측정결과를 비교하여 수치모형 결과의 신뢰성을 검토하였다. Li et al.(2011)은 가능 최대 홍수량(Probable Maximum Flood, PMF)조건에서 기존 여수로와 신규 보조 여수로 유입부 주변의 흐름특성에 대하여 3차원 수치모형 Fluent를 활용하여 검토하였고, Lee et al.(2019)는 서로 근접해있는 기존 여수로와 보조여수로 동시 운영 시 방류능 검토를 수리모형 실험 및 수치모형 실험(FLOW-3D)을 통하여 수행하였으며 기존 여수로와 보조 여수로를 동시운영하게 되면 배수로 간섭으로 인하여 총 방류량이 7.6%까지 감소되어 댐의 방류능력이 감소하였음을 확인하였다.
그러나 대부분의 여수로 검토에 대한 연구는 여수로 내에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였고. 이에 기존 여수로와 보조 여수로 방류운영에 따른 하류하천의 흐름특성 변화 및 호안 안정성 평가에 관한 추가적인 검토가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안 안정성분석을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 이용하여 검토하였다. 또한 다양한 방류 배분 비율 및 허용 방류량 조건 변화에 따른 하류하천의 흐름특성 및 소류력 분석결과를 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 기준과 비교하여 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 최적의 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.
2. 본 론
2.1 이론적 배경
2.1.1 3차원 수치모형의 기본이론
FLOW-3D는 미국 Flow Science, Inc에서 개발한 범용 유체역학 프로그램(CFD, Computational Fluid Dynamics)으로 자유 수면을 갖는 흐름모의에 사용되는 3차원 수치해석 모형이다. 난류모형을 통해 난류 해석이 가능하고, 댐 방류에 따른 하류 하천의 흐름 해석에도 많이 사용되어 왔다(Flow Science, 2011). 본 연구에서는 FLOW-3D(version 12.0)을 이용하여 홍수 시 기존 여수로의 노후화에 대비하여 보조 여수로의 활용방안에 대한 검토를 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다.
2.1.2 유동해석의 지배방정식
1) 연속 방정식(Continuity Equation)
FLOW-3D는 비압축성 유체에 대하여 연속방정식을 사용하며, 밀도는 상수항으로 적용된다. 연속 방정식은 Eqs. (1), (2)와 같다.
(1)
∇·v=0
(2)
∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ
여기서, ρ는 유체 밀도(kg/m3), u, v, w는 x, y, z방향의 유속(m/s), Ax, Ay, Az는 각 방향의 요소면적(m2), RSOR는 질량 생성/소멸(mass source/sink)항을 의미한다.
2) 운동량 방정식(Momentum Equation)
각 방향 속도성분 u, v, w에 대한 운동방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 다음 Eqs. (3), (4), (5)와 같다.
여기서, Gx, Gy, Gz는 체적력에 의한 가속항, fx, fy, fz는 점성에 의한 가속항, bx, by, bz는 다공성 매체에서의 흐름손실을 의미한다.
2.1.3 소류력 산정
호안설계 시 제방사면 호안의 안정성 확보를 위해서는 하천의 흐름에 의하여 호안에 작용하는 소류력에 저항할 수 있는 재료 및 공법 선택이 필요하다. 국내의 경우 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서 계획홍수량 유하 시 소류력 산정 방법을 제시하고 있다. 소류력은 하천의 평균유속을 이용하여 산정할 수 있으며, 소류력 산정식은 Eqs. (6), (7)과 같다.
여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), I는 에너지경사, C는 Chezy 유속계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.
2) Manning 조도계수를 고려한 공식
Chezy 유속계수를 대신하여 Manning의 조도계수를 고려하여 소류력을 산정할 수 있다.
(7)
τ=γn2V2R1/3
여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), n은 Manning의 조도계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.
FLOW-3D 수치모의 수행을 통하여 하천의 바닥 유속을 도출할 수 있으며, 본 연구에서는 Maning 조도계수롤 고려하여 소류력을 산정하고자 한다. 소류력을 산정하기 위해서 여수로 방류에 따른 대안부의 바닥유속 변화를 검토하여 최대 유속 값을 이용하였다. 최종적으로 산정한 소류력과 호안의 재료 및 공법에 따른 허용 소류력과 비교하여 제방사면 호안의 안정성 검토를 수행하게 된다.
2.2 하천호안 설계기준
하천 호안은 계획홍수위 이하의 유수작용에 대하여 안정성이 확보되도록 계획하여야 하며, 호안의 설계 시에는 사용재료의 확보용이성, 시공상의 용이성, 세굴에 대한 굴요성(flexibility) 등을 고려하여 호안의 형태, 시공방법 등을 결정한다(MOLIT, 2019). 국내의 경우, 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서는 다양한 호안공법에 대하여 비탈경사에 따라 설계 유속을 비교하거나, 허용 소류력을 비교함으로써 호안의 안정성을 평가한다. 호안에 대한 국외의 설계기준으로 미국의 경우, ASTM(미국재료시험학회)에서 호안블록 및 식생매트 시험방법을 제시하였고 제품별로 ASTM 시험에 의한 허용유속 및 허용 소류력을 제시하였다. 일본의 경우, 호안 블록에 대한 축소실험을 통하여 항력을 측정하고 이를 통해서 호안 블록에 대한 항력계수를 제시하고 있다. 설계 시에는 항력계수에 의한 블록의 안정성을 평가하고 있으나, 최근에는 세굴의 영향을 고려할 수 있는 호안 안정성 평가의 필요성을 제기하고 있다(MOLIT, 2019). 관련된 국내·외의 하천호안 설계기준은 Table 1에 정리하여 제시하였고, 본 연구에서 하천 호안 안정성 평가 시 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)과 ASTM 시험에서 제시한 허용소류력 및 허용유속 기준을 비교하여 각각 0.28 kN/m2, 5.0 m/s 미만일 경우 호안 안정성을 확보하였다고 판단하였다.
Table 1.
Standard of Permissible Velocity and Shear on Revetment
Country (Reference)
Material
Permissible velocity (Vp, m/s)
Permissible Shear (τp, kN/m2)
Korea
River Construction Design Practice Guidelines (MOLIT, 2016)
Vegetated
5.0
0.50
Stone
5.0
0.80
USA
ASTM D’6460
Vegetated
6.1
0.81
Unvegetated
5.0
0.28
JAPAN
Dynamic Design Method of Revetment
–
5.0
–
2.3. 보조여수로 운영에 따른 하류하천 영향 분석
2.3.1 모형의 구축 및 경계조건
본 연구에서는 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 보조여수로의 활용방안에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안안정성 평가를 수행하기 위해 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 기존 여수로 및 보조 여수로는 치수능력 증대사업(MOLIT & K-water, 2004)을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하여 구축하였다. ○○댐은 설계빈도(100년) 및 200년빈도 까지는 계획홍수위 이내로 기존 여수로를 통하여 운영이 가능하나 그 이상 홍수조절은 보조여수로를 통하여 조절해야 하며, 또한 2011년 기존 여수로 정밀안전진단 결과 사면의 표층 유실 및 옹벽 밀림현상 등이 확인되어 노후화에 따른 보수·보강이 필요한 상태이다. 이에 보조여수로의 활용방안 검토가 필요한 것으로 판단하여 본 연구의 대상댐으로 선정하였다. 하류 하천의 흐름특성을 예측하기 위하여 격자간격을 0.99 ~ 8.16 m의 크기로 하여 총 격자수는 49,102,500개로 구성하였으며, 여수로 방류에 따른 하류하천의 흐름해석을 위한 경계조건으로 상류는 유입유량(inflow), 바닥은 벽면(wall), 하류는 수위(water surface elevation)조건으로 적용하도록 하였다(Table 2, Fig. 1 참조). FLOW-3D 난류모형에는 혼합길이 모형, 난류에너지 모형, k-ϵ모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ϵ모형, LES 모형 등이 있으며, 본 연구에서는 여수로 방류에 따른 복잡한 난류 흐름 및 높은 전단흐름을 정확하게 모의(Flow Science, 2011)할 수 있는 RNG k-ϵ모형을 사용하였고, 하류하천 호안의 안정성 측면에서 보조여수로의 활용방안을 검토하기 위하여 방류시나리오는 Table 3에 제시된 것 같이 설정하였다. Case 1 및 Case 2를 통하여 계획홍수량에 대하여 기존 여수로와 보조 여수로의 단독 운영이 하류하천에 미치는 영향을 확인하였고 보조 여수로의 방류량 조절을 통하여 호안 안정성 측면에서 보조 여수로 방류능 검토를 수행하였다(Case 3 ~ Case 6). 또한 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천의 영향 검토(Case 7 ~ Case 10) 및 방류 배분에 따른 허용 방류량을 호안 안정성 측면에서 검토를 수행하였다(Case 11 ~ Case 14).
수문은 완전개도 조건으로 가정하였으며 하류하천의 계획홍수량에 대한 기존 여수로와 보조여수로의 배분량을 조절하여 모의를 수행하였다. 여수로는 콘크리트의 조도계수 값(Chow, 1959)을 채택하였고, 댐 하류하천의 조도계수는 하천기본계획(Busan Construction and Management Administration, 2009) 제시된 조도계수 값을 채택하였으며 FLOW-3D의 적용을 위하여 Manning-Strickler 공식(Vanoni, 2006)을 이용하여 조도계수를 조고값으로 변환하여 사용하였다. Manning-Strickler 공식은 Eq. (8)과 같으며, FLOW-3D에 적용한 조도계수 및 조고는 Table 4와 같다.
(8)
n=ks1/68.1g1/2
여기서, kS는 조고 (m), n은 Manning의 조도계수, g는 중력가속도(m/s2)를 의미한다.
시간에 따라 동일한 유량이 일정하게 유입되도록 모의를 수행하였으며, 시간간격(Time Step)은 0.0001초로 설정(CFL number < 1.0) 하였다. 또한 여수로 수문을 통한 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우는 연속방정식을 만족하고 있다고 가정하였다. 이는, 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우 유속의 변동 값 역시 1.0%이내이며, 수치모의 결과 1.0%의 유속변동은 호안의 유속설계기준에 크게 영향을 미치지 않는다고 판단하였다. 그 결과 모든 수치모의 Case에서 2400초 이내에 결과 값이 수렴하는 것을 확인하였다.
Table 2.
Mesh sizes and numerical conditions
Mesh
Numbers
49,102,500 EA
Increment (m)
Direction
Existing Spillway
Auxiliary Spillway
∆X
0.99 ~ 4.30
1.00 ~ 4.30
∆Y
0.99 ~ 8.16
1.00 ~ 5.90
∆Z
0.50 ~ 1.22
0.50 ~ 2.00
Boundary Conditions
Xmin / Ymax
Inflow / Water Surface Elevation
Xmax, Ymin, Zmin / Zmax
Wall / Symmetry
Turbulence Model
RNG model
Table 3.
Case of numerical simulation (Qp : Design flood discharge)
Case
Existing Spillway (Qe, m3/s)
Auxiliary Spillway (Qa, m3/s)
Remarks
1
Qp
0
Reference case
2
0
Qp
3
0
0.58Qp
Review of discharge capacity on auxiliary spillway
4
0
0.48Qp
5
0
0.45Qp
6
0
0.32Qp
7
0.50Qp
0.50Qp
Determination of optimal division ratio on Spillways
8
0.61Qp
0.39Qp
9
0.39Qp
0.61Qp
10
0.42Qp
0.58Qp
11
0.32Qp
0.45Qp
Determination of permissible division on Spillways
12
0.35Qp
0.48Qp
13
0.38Qp
0.53Qp
14
0.41Qp
0.56Qp
Table 4.
Roughness coefficient and roughness height
Criteria
Roughness coefficient (n)
Roughness height (ks, m)
Structure (Concrete)
0.014
0.00061
River
0.033
0.10496
Fig. 1
Layout of spillway and river in this study
2.3.2 보조 여수로의 방류능 검토
본 연구에서는 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천 대안부의 유속분포 및 수위분포를 검토하기 위해 수치모의 Case 별 다음과 같이 관심구역을 설정하였다(Fig. 2 참조). 관심구역(대안부)의 길이(L)는 총 1.3 km로 10 m 등 간격으로 나누어 검토하였으며, Section 1(0 < X/L < 0.27)은 기존 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간, Section 2(0.27 < X/L < 1.00)는 보조 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간으로 각 구간에서의 수위, 유속, 수심결과를 확인하였다. 기존 여수로의 노후화에 따른 보조 여수로의 방류능 검토를 위하여 Case 1 – Case 6까지의 결과를 비교하였다.
보조 여수로의 단독 운영 시 기존 여수로 운영 시 보다 하류하천의 대안부의 최대 유속(Vmax)은 약 3% 감소하였으며, 이는 보조 여수로의 하천 유입각이 기존 여수로 보다 7°작으며 유입하천의 폭이 증가하여 유속이 감소한 것으로 판단된다. 대안부의 최대 유속 발생위치는 하류 쪽으로 이동하였으며 교량으로 인한 단면의 축소로 최대유속이 발생하는 것으로 판단된다. 또한 보조 여수로의 배분량(Qa)이 증가함에 따라 하류하천 대안부의 최대 유속이 증가하였다. 하천호안 설계기준에서 제시하고 있는 허용유속(Vp)과 비교한 결과, 계획홍수량(Qp)의 45% 이하(Case 5 & 6)를 보조 여수로에서 방류하게 되면 허용 유속(5.0 m/s)조건을 만족하여 호안안정성을 확보하였다(Fig. 3 참조). 허용유속 외에도 대안부에서의 소류력을 산정하여 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 소류력(τp)과 비교한 결과, 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 계획홍수량의 45% 이하일 경우 허용소류력(0.28 kN/m2) 조건을 만족하였다(Fig. 4 참조). 각 Case 별 호안설계조건과 비교한 결과는 Table 5에 제시하였다.
하류하천의 수위도 기존 여수로 운영 시 보다 보조 여수로 단독 운영 시 최대 수위(ηmax)가 약 2% 감소하는 효과를 보였으며 최대 수위 발생위치는 수충부로 여수로 방류시 처오름에 의한 수위 상승으로 판단된다. 기존 여수로의 단독운영(Case 1)의 수위(ηref)를 기준으로 보조 여수로의 방류량이 증가함에 따라 수위는 증가하였으나 계획홍수량의 58%까지 방류할 경우 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보되었다(Fig. 5 참조). 그러나 계획홍수량 조건에서는 월류에 대한 위험성이 존재하기 때문에 기존여수로와 보조여수로의 적절한 방류량 배분 조합을 도출하는 것이 중요하다고 판단되어 진다.
Fig. 2
Region of interest in this study
Fig. 3
Maximum velocity and location of Vmax according to Qa
Fig. 4
Maximum shear according to Qa
Fig. 5
Maximum water surface elevation and location of ηmax according to Qa
Table 5.
Numerical results for each cases (Case 1 ~ Case 6)
Case
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
1 (Qa = 0)
9.15
0.54
No Good
No Good
2 (Qa = Qp)
8.87
0.56
No Good
No Good
3 (Qa = 0.58Qp)
6.53
0.40
No Good
No Good
4 (Qa = 0.48Qp)
6.22
0.36
No Good
No Good
5 (Qa = 0.45Qp)
4.22
0.12
Accpet
Accpet
6 (Qa = 0.32Qp)
4.04
0.14
Accpet
Accpet
2.3.3 기존 여수로와 보조 여수로 방류량 배분 검토
기존 여수로 및 보조 여수로 단독운영에 따른 하류하천 및 호안의 안정성 평가를 수행한 결과 계획홍수량 방류 시 하류하천 대안부에서 호안 설계 조건(허용유속 및 허용 소류력)을 초과하였으며, 처오름에 의한 수위 상승으로 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 계획 홍수량 조건에서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분을 통하여 호안 안정성을 확보하고 하류하천에 방류로 인한 피해를 최소화할 수 있는 배분조합(Case 7 ~ Case 10)을 검토하였다. Case 7은 기존 여수로와 보조여수로의 배분 비율을 균등하게 적용한 경우이고, Case 8은 기존 여수로의 배분량이 보조 여수로에 비하여 많은 경우, Case 9는 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로에 비하여 많은 경우를 의미한다. 최대유속을 비교한 결과 보조 여수로의 배분 비율이 큰 경우 기존 여수로의 배분량에 의하여 흐름이 하천 중심에 집중되어 대안부의 유속을 저감하는 효과를 확인하였다. 보조여수로의 방류량 배분 비율이 증가할수록 기존 여수로 대안부 측(0.00<X/L<0.27, Section 1) 유속 분포는 감소하였으나, 신규여수로 대안부 측(0.27<X/L<1.00, Section 2) 유속은 증가하는 것을 확인하였다(Fig. 6 참조). 그러나 유속 저감 효과에도 대안부 전구간에서 설계 허용유속 조건을 초과하여 제방의 안정성을 확보하지는 못하였다. 소류력 산정 결과 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량 보다 크면 감소하는 것을 확인하였고 일부 구간에서는 허용 소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 7 참조).
따라서 유속 저감효과가 있는 배분 비율 조건(Qa>Qe)에서 Section 2에 유속 저감에 영향을 미치는 기존 여수로 방류량 배분 비율을 증가시켜 추가 검토(Case 10)를 수행하였다. 단독운영과 비교 시 하류하천에 유입되는 유량은 증가하였음에도 불구하고 기존 여수로 방류량에 의해 흐름이 하천 중심으로 집중되는 현상에 따라 대안부의 유속은 단독 운영에 비하여 감소하는 것을 확인하였고(Fig. 8 참조), 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 조건을 만족하는 구간이 발생하여 호안 안정성도 확보한 것으로 판단되었다. 최종적으로 각 Case 별 수위 결과의 경우 여수로 동시 운영을 수행하게 되면 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 9 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 6에 제시하였다.
Fig. 6
Maximum velocity on section 1 & 2 according to Qa
Fig. 7
Maximum shear on section 1 & 2 according to Qa
Fig. 8
Velocity results of FLOW-3D (a: auxiliary spillway operation only , b : simultaneous operation of spillways)
Fig. 9
Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to Qa
Table 6.
Numerical results for each cases (Case 7 ~ Case 10)
Case (Qe & Qa)
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
7 Qe : 0.50QpQa : 0.50Qp
8.10
6.23
0.64
0.30
No Good
No Good
No Good
No Good
8 Qe : 0.61QpQa : 0.39Qp
8.88
6.41
0.61
0.34
No Good
No Good
No Good
No Good
9 Qe : 0.39QpQa : 0.61Qp
6.22
7.33
0.24
0.35
No Good
No Good
Accept
No Good
10 Qe : 0.42QpQa : 0.58Qp
6.39
4.79
0.30
0.19
No Good
Accept
No Good
Accept
2.3.4 방류량 배분 비율의 허용 방류량 검토
계획 홍수량 방류 시 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 검토 결과 Case 10(Qe = 0.42Qp, Qa = 0.58Qp)에서 방류에 따른 하류 하천의 피해를 최소화시킬 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 대안부 전 구간에 대하여 호안 설계조건을 만족하지 못하였다. 따라서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류 배분 비율을 고정시킨 후 총 방류량을 조절하여 허용 방류량을 검토하였다(Case 11 ~ Case 14).
호안 안정성 측면에서 검토한 결과 계획홍수량 대비 총 방류량이 감소하면 최대 유속 및 최대 소류력이 감소하고 최종적으로 계획 홍수량의 77%를 방류할 경우 하류하천의 대안부에서 호안 설계조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 10, Fig. 11 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 7에 제시하였다. 또한 Case 별 수위 검토 결과 처오름으로 인한 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 12 참조).
Table 7.
Numerical results for each cases (Case 11 ~ Case 14)
Case (Qe & Qa)
Maximum Velocity (Vmax, m/s)
Maximum Shear (τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of Vp
Evaluation in terms of τp
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
Section 1
Section 2
11 Qe : 0.32QpQa : 0.45Qp
3.63
4.53
0.09
0.26
Accept
Accept
Accept
Accept
12 Qe : 0.35QpQa : 0.48Qp
5.74
5.18
0.23
0.22
No Good
No Good
Accept
Accept
13 Qe : 0.38QpQa : 0.53Qp
6.70
4.21
0.28
0.11
No Good
Accept
Accept
Accept
14 Qe : 0.41QpQa : 0.56Qp
6.54
5.24
0.28
0.24
No Good
No Good
Accept
Accept
Fig. 10
Maximum velocity on section 1 & 2 according to total outflow
Fig. 11
Maximum shear on section 1 & 2 according to total outflow
Fig. 12
Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to total outflow
3. 결 론
본 연구에서는 홍수 시 기존 여수로의 노후화로 인한 보조 여수로의 활용방안에 대하여 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다. 여수로 방류로 인한 하류하천의 흐름특성을 검토하기 위하여 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하였고, 여수로 지형은 치수능력 증대사업을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하였다. 하류하천 조도 계수 및 여수로 방류량은 하천기본계획을 참고하여 적용하였다. 최종적으로 여수로 방류로 인한 하류하천의 피해를 최소화 시킬 수 있는 적절한 보조 여수로의 활용방안을 도출하기 위하여 보조 여수로 단독 운영과 기존 여수로와의 동시 운영에 따른 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다.
수문은 완전 개도 상태에서 방류한다는 가정으로 계획 홍수량 조건에서 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천 대안부의 유속 및 수위를 검토한 결과 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대 유속 및 최대 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천으로 유입각도가 작아지고, 유입되는 하천의 폭이 증가되기 때문이다. 그러나 계획 홍수량 조건에서 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 유속(5.0 m/s)과 허용 소류력(0.28 kN/m2)과 비교하였을 때 호안 안정성을 확보하지 못하였으며, 계획홍수량의 45% 이하 방류 시에 대안부의 호안 안정성을 확보하였다. 수위의 경우 여수로 방류에 따른 대안부에서 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성을 확인하였고 이를 통하여 기존 여수로와의 동시 운영 방안을 도출하는 것이 중요하다고 판단된다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 측면에서 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 및 총 방류량을 변화시켜가며 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다. 배분 비율의 경우 기존 여수로와 보조 여수로의 균등 배분(Case 7) 및 편중 배분(Case 8 & Case 9)을 검토하여 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 중심부로 집중되어 대안부의 최대유속, 최대소류력 및 최대수위가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 근거로 기존 여수로의 방류 비율을 증가(Qe=0.42Qp, Qa=0.58Qp)시켜 검토한 결과 대안부 일부 구간에서 허용 유속 및 허용소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 기존 여수로와 보조 여수로의 동시 운영을 통하여 적절한 방류량 배분 비율을 도출하는 것이 방류로 인한 하류하천의 피해를 저감하는데 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 설계홍수량 방류 시 전 구간에서 허용 유속 및 소류력 조건을 만족하지 못하였다. 최종적으로 전체 방류량에서 기존 여수로의 방류 비율을 42%, 보조 여수로의 방류 비율을 58%로 설정하여 허용방류량을 검토한 결과, 계획홍수량의 77%이하로 방류 시 대안부의 최대유속은 기존여수로 방류의 지배영향구간(section 1)에서 3.63 m/s, 기존 여수로와 보조 여수로 방류의 영향구간(section 2)에서 4.53 m/s로 허용유속 조건을 만족하였고, 산정한 소류력도 각각 0.09 kN/m2 및 0.26 kN/m2로 허용 소류력 조건을 만족하여 대안부 호안의 안정성을 확보하였다고 판단된다.
본 연구 결과는 기후변화 및 기존여수로의 노후화로 인하여 홍수 시 기존여수로의 단독운영으로 하류하천의 피해가 발생할 수 있는 현시점에서 치수증대 사업으로 완공된 보조 여수로의 활용방안에 대한 기초자료로 활용될 수 있고, 향후 계획 홍수량 유입 시 최적의 배분 비율 및 허용 방류량 도출에 이용할 수 있다. 다만 본 연구는 여수로 방류에 따른 제방에 작용하는 수충력은 검토하지 못하고, 허용 유속 및 허용소류력은 제방과 유수의 방향이 일정한 구간에 대하여 검토하였다. 또한 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토하여 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.
Acknowledgements
본 결과물은 K-water에서 수행한 기존 및 신규 여수로 효율적 연계운영 방안 마련(2021-WR-GP-76-149)의 지원을 받아 연구되었습니다.
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NUMERICAL SIMULATION OF FLOW PATTERN IN SERIES OF IMPERMEABLE GROYNES IN FIXED BED
Kafle, Mukesh Raj1 1Asst. Professor, Department of Civil Engineering, Institute of Engineering, Pulchowk Campus, Nepal Email: mkafle@pcampus.edu.np
Abstract
This paper presents a numerical simulation of recirculating flow patterns in groyne fields. Moreover, it entails the concept determination of proper spacing of vertical unsubmerged and impermeable groynesin seriesto control the bank erosion. Flow pattern between the groynes varies along their space. The flow in groyne field may significantly affect the flow change, bed change, bank erosion and condition of habitat. In this regard, an assessment of flow along the space of groynes will yield important data needed to diversify the object of groyne installation. So, knowledge about determination of the proper spacing of groynes in groyne field is important. Space of vertical groynes was set from 1.5 to 10 times the length of groynes. The velocity field between groynes was simulated by using Computational Fluid Dynamics (CFD) model Nays 2D. Simulated velocity field was compared with existing experimentaldata for the same parameter, which agreed satisfactorily. Based on simulated results,the optimal spacing of vertical groynes to control the bank erosion was recommended.
이 논문은 groyne 필드에서 재순환 흐름 패턴의 수치 시뮬레이션을 제공합니다. 더욱이, 그것은 제방 침식을 제어하기 위해 수직 비침수 및 불침투성 그로이네신 시리즈의 적절한 간격의 개념 결정을 수반합니다. groynes 사이의 흐름 패턴은 공간에 따라 다릅니다. groyne field의 흐름은 흐름 변화, 하상 변화, 제방 침식 및 서식지 상태에 중대한 영향을 미칠 수 있습니다. 이와 관련하여, groyne 공간을 따른 흐름의 평가는 groyne 설치 대상을 다양화하는 데 필요한 중요한 데이터를 산출할 것입니다. 따라서, groyne field에서 groyne의 적절한 간격 결정에 대한 지식이 중요합니다. 수직 여백의 간격은 여아 길이의 1.5배에서 10배 사이로 설정하였다. groyne 사이의 속도장은 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델 Nays 2D를 사용하여 시뮬레이션되었습니다. 시뮬레이션된 속도장은 동일한 매개변수에 대해 기존 실험 데이터와 비교되었으며 만족스럽게 일치했습니다. 모의 결과를 바탕으로 제방 침식을 억제하기 위한 최적의 수직 제방 간격을 제안하였다.
Introduction Spur dikes or groynes are used to protect river banks from erosion and also keep the channel navigable.Depending upon the flow characteristics, spur-dikes may be classified as submerged and unsubmerged. Also, based on the permeability, spur dikes are further classified as permeable and impermeable. Herein, un-submerged !impermeable spur dikes are dealt. These structures are built from the river bank into the stream flow and usually built in group. Construction of groyne against the flow causes significant changes in flow pattern in channel. Those changes may result in scour phenomenon around groynes which may lead structure instability and changes in river morphology. Moreover, in series of groynes, spacing of groynes leads different types of recirculating flow patterns.Therefore, investigating the characteristics of flow pattern around groynes have been a great interest in river engineering. Numerous researchers like Sukhodolov et al. (2002), Hao Zhang et al.(2009), Beheshti (2010), Duan (2009), Naji(2010), Karami(2011) made a variety of experiments in order to determine the flow pattern around groynes. Most of these researchers studied effect of single groyne, while using series of groynes is more effective in protection of rivers. Besides experimental studies, variety of CFD models have been developed for computing flow pattern around hydraulic structures; like Fluent, Flow 3D, Nays 2D, Nays CUBE and SSIIM. In this study, Nays 2D numerical modelling has been used to investigate flow and recirculating pattern around a series of groynes and streamlines including components of velocities.
Flow pattern in groyne fields Under conditions where the groynes are not submerged, the groyne fields are not really part of the wetted cross section of a river. Because of that, the flow pattern in the groyne-field is not directly the result of the discharge in the main channel. Reducing the main stream velocity has no effect on the flow pattern itself, whereas lowering the water level does (Uijttewaal et al.2001). Moreover, the flow pattern inside a groyne field may change with the change of its geometry, location along the river (inner curve, outer curve, or straight part), and/ or the groynes orientation( Przedwojski et al.1995). However, there is an indirect effect of the discharge on the flow pattern in the groyne field. Because of the flow that is diverted from the main channel into the groyne fields, water flows into the groyne field with low velocity through the downstream half of the interfacial section between the groyne field and the main channel. This water flows back to the main channel through a small width of, just downstream the upstream groyne of the groyne field ( Termes et al.1991). Flow separates on a groyne head and forms a secondary flow represented by a large scale vortex with a vertical axis of rotation called primary gyre. Deflection of the flow inside the groyne field by banks and upstream groynes leads to the development of a secondary gyre with an opposite direction of rotation to the primary gyre. Location, mutual interactions, and energy exchange between gyres are the factors that create a specific recirculation pattern, and, consequently assuming correspondence with sedimentation processes, they define deposition patterns.
Model Formulation The CFD model selected for this study is the publically available software NAYS 2D (iRIC 2.0), which is an analytical solver for calculation of unsteady two-dimensional plane flow and riverbed deformation using boundary-fitted coordinates within general curvilinear coordinates. A numerical channel of length 8.0m and width 0.9m was created with grid size of 0.01m im stream wise and 0.03m in cross stream directions. Groynes or spur dikes of length 0.15 and width 0.01m were chosen in series. Groyne field with various aspect ratio (b/x) 0.7, 0.25, 0.17, 0.125 and 0.10, where b=length of spur dike, x=spacing of two dikes. Discharge of 0.0175 m3 /s was applied. For boundary conditions, water surface at downstream and velocity at upstream were considered as uniform flow. Relaxation coefficient for water surface calculation was considered as 0.8. For the finite-difference method, the CIP method was applied to the advection terms in equations of motion. For the turbulent field calculation, Constant eddy viscosity, Zero-equation model and k-G models were applied and compared. The model!s accuracy in predicting the velocity magnitudes is evaluated using statistical parameters- mean absolute error (MAE), mean square error(MSE), and root mean square error (RMSE). The comparison of results shows the importance of selecting an appropriate turbulence model in simulating flow field around a spur dike. From the comparison, k-I model is found superior over zero energy model and eddy viscosity model. So, k-I model is chosen as appropriate turbulence closure model.
Model!s Validation The capability of CFD model Nays 2D to simulate the velocity field and recirculation pattern in groyne field was compared with experimental data of laboratory experiments by Sukhodolov et al. (2002). The numerical simulation was validated for aspect ratio (R=b/x=0.7) and R=0.25. For aspect ratio R=0.7, one gyre system occupies the whole area of the groyne field. The areas with lower-than-average velocity values are clearly seen in the central part of the gyre and near its corners. Velocities increase towards the margins of the gyre. For aspect ratio R=0.25, two gyre velocity fields were observed in the groyne field. In the downstream part of the groyne field a large gyre, covering two-thirds of the area is clearly visible. The left part(upstream) contains second gyre rotating much more slowly and in the direction opposed to the primary gyre. The simulated and observed velocity field pattern and gyre found satisfactorily agreed. Now, after validation, the model was used for further analysis of velocity field for various aspect ratios.
Fig 2(b) Observed velocity field for aspect ratio 0.25(Sukhodolov 2002)
Results and Discussions The calibrated model was applied to five different cases of un-submerged and impermeable groyne fields with aspect ratios R=0.70,0.25,0.17,0.125 & 0.10 and flow pattern was numerically simulated. For aspect ratio R=0.7 i.e x/b=1.5, Fig 1(a) only one lateral primary gyre was formed inside the groyne field. The circulation pattern in this case is distinguished by the main flow that is deflected outside the groyne field. The developed primary gyre prevents the main flow from penetrating the groyne field. Therefore, this pattern is desirable for navigation purposes as a continuous deep channel is maintained along the face of the groyne field. Simulated velocity pattern satisfactorily agrees with the observed velocity field Fig 1(b) for the same aspect ratio by Sukhodolov (2002). The spacing of the groyne was further increased maintaining aspect ratio R= 0.25 i. e x/b=4 Fig 2(a) and flow pattern inside the groyne field was simulated. In this case, in the downstream part of the groyne field, a primary gyre occupying almost two-third area was formed. In addition, deflection of the flow inside the groyne field by banks and upstream groynes leads to the development of a secondary gyre with an opposite direction of rotation to the primary gyre covering almost one-third part of the groyne field. Likewise in the first case, the main current is maintained deflected outside the groyne field. Simulated velocity pattern satisfactorily agrees with the observed velocity field Fig 2(b) for the same aspect ratio by Sukhodolov (2002). The spacing of the groyne was further increased maintaining aspect ratio R=0.17 i.e x/b=6. In this case the flow pattern was similar to the aspect ratio R=0.25. The spacing of the groynes was further increased maintaining aspect ratio R=0.125 i. e x/b=8. In this case, similar to the previous scenarios two longitudinal gyres but with different positions are formed. The main current is directed in to the groyne field (Fig 3) creating a much more stronger eddy near the upstream groyne and greater turbulence along the upstream face and at the groyne lower head. As the spacing between groynes increased maintaining aspect ratio R=0.10 i. e x/b=10 (Fig 4), still primary and secondary gyres are generated. The formed gyres deflect the main flow thus preventing to enter in to the groyne field in upstream part. However, in the downstream of the primary gyre and just upstream of the second groyne, the flow attacks the bank directly. The resultant velocity profiles at the deflected region y/b=3 were plotted and how the spacing of second groyne affect the result was analyzed. Spacing of groynes makes little change in upstream resultant velocity. However, in the deflected region, its effect is significant. Higher value of spacing of groyne leads higher average deviation in resultant velocity. For aspect ratio R=0.7, the average deviation estimated as 0.02%. In the case of aspect ratio R=0.25, this value was reached to 1.57%. Further increment of spacing i. e decreasing the aspect ratio R=0.17, average deviation was found 3.82%. For the aspect ratio R=0.125, that value was estimated as 4.16%.
Conclusions Geometry of the groyne fields; width and length of the groyne field mainly cause the specific flow patterns including number and shape of eddies or gyres. Eddies developed inside the groyne field deflects the main flow preventing it entering into the dead zone. An aspect ratio close to unity gives rise to a single eddy. A smaller aspect ratio (higher spacing between groynes) gives room to two stationary eddies, a large one called primary eddy, in the downstream part of the groyne field, and a smaller secondary eddy emerges near the upstream groyne. The extreme long groyne field -case of length to width ratio of larger thaneight shows penetration of main flow into the groyne field. The two eddies remain in a relatively stable position, while the main flow zone starts to penetrate into groyne field further downstream. In all cases, there is an eddy detaches from the upstream groyne tip that travels along the main channel groyne field interface and eventually merges with the primary eddy. The simulated results indicate that the spacing of groynes or spur dikes from the controlling of bank erosion point of view should be limited within six times the length of groyne.
Fig 3 Computed velocity field for aspect ratio 0.125Fig 4 Computed velocity field for aspect ratio 0.10Fig 5 Resultant velocity profiles at y/b=3Fig 5 Resultant velocity profiles at y/b=3
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Simulation of Dam-Break Flood Wave and Inundation Mapping: A Case study of Attabad Lake
Wasim Karam1, Fayaz A. Khan2, Muhammad Alam3, Sajjad Ali4 1Lab. Engineer, Department of Civil Engineering, University of Engineering and Technology Mardan, Pakistan, wasim10karam@gmail.com 2Assistant Professor, National Institute of Urban Infrastructure Planning, University of Engineering and Technology Peshawar, Pakistan, fayazuet@yahoo.com 3,4Assistant Professor, Department of Civil Engineering, University of Engineering and Technology Mardan, Pakistan, emalam82@gmail.com, sajjadali@uetmardan.edu.pk
ABSTRACT
산사태 또는 제방 댐의 파손 연구는 구성이 불확실하고 자연적이며 재해에 대해 적절하게 설계되지 않았기 때문에 다른 자연적 사건에 대한 대응 지식이 부족하기 때문에 더 중요합니다. 이 논문은 댐 파괴의 수력학적 모델링의 다양한 방법을 개선하는 것을 목표로 합니다.
현재 이 연구에서 Attabad 호수의 댐 붕괴는 전산 유체 역학 기술을 사용하여 시뮬레이션됩니다. 수치 모델(FLOW-3D)은 Reynolds 평균 Navier-Stoke 방정식을 완전히 3D로 풀어서 다양한 단면에서의 피크 유량 깊이, 피크 속도, 피크 방전, 피크 깊이까지의 시간 및 피크 방전까지의 시간을 예측하기 위해 개발되었습니다.
표준 RNG 난류 모델을 사용하여 난류를 시뮬레이션한 다음 마을의 흐름에 대한 홍수 범람 지도와 속도 벡터를 그립니다. 결과는 Hunza 강의 수로를 통해 모델링된 홍수파의 대부분이 Hunza 강의 범람원에 포함되지만 Hunza 강의 범람원 내부에 위치한 Miaun 및 chalat와 같은 일부 마을의 경우 더 높은 위험에 있음을 보여줍니다.
그러나 이들 마을의 예상 홍수 도달 시간은 각각 31분과 44분으로 인구를 안전한 지역으로 대피시키기에 충분한 시간인 반면, 알리 아바드에 인접한 하산 아바드와 같은 일부 마을의 경우 침수 위험이 더 높은 반면 마을의 예상 홍수 도착 시간은 12분으로 인구 대피에 충분하지 않으므로 홍수 억제를 위한 추가 홍수 보호 구조가 필요합니다.
최고속도의 추정치는 하천평야의 더 높은 전단응력, 심한 침식의 위험, 농경지 피해, 주거지 및 형태학적 변화가 예상됨을 의미한다. 댐 파손 분석(예: 최고 깊이, 최고 속도, 홍수 도달 시간 및 홍수 범람 지도)은 향후 위험 분석 및 홍수 관리의 지침으로만 사용해야 합니다.
Figure 2: Case Study Location on Map of PakistanFigure 3: Lake Condition 3 months after LandslideFigure 5: 3D Model from the Merged DEMFigure 7: Free Surface Elevation relative to local originFigure 8: Model of lake referenced over Google Earth ImageFigure 9: Meshing in the 3D Terrain ModelFigure 10: Flow Depth Hydrographs of the downstream villages
(A) Karim Abad (B) Ghulmet (C) Thol (D) Chalat (E) NomalFigure 11: Flow Hydrograph at Karim Abad and Nomal BridgeFigure 12: Flood Inundation Map of Karim AbadFigure 13: Flood Inundation Map of GhulmetFigure 14: Flood Inundation Map of ChalatFigure 15: Velocity Vectors of flow at Karim AbadFigure 16: Velocity Vectors of Flow at GhulmetFigure 17: Velocity Vectors of Flow at Chalat
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Dac DungTruongabBeom-SeonJangaCarl-ErikJansoncJonas W.RingsbergcYasuhiraYamadadKotaTakamotofYasumiKawamuraeHan-BaekJua aResearch Institute of Marine Systems Engineering, Department of Naval Architecture and Ocean Engineering, Seoul National University, Seoul, South Korea bDepartment of Engineering Mechanics, Nha Trang University, Nha Trang, Viet Nam cDivision of Marine Technology, Department of Mechanics and Maritime Sciences, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden dNational Maritime Research Institute, National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology, Tokyo, Japan eDepartment of Systems Design for Ocean-Space, Yokohama National University, Kanagawa, Japan fDepartment of Mechanical Systems Engineering, Tokyo University of Agriculture and Technology, Tokyo, Japan
ABSTRACT
이 논문은 해양구조물의 평보강판의 슬래밍 반응에 대한 벤치마크 연구를 제시합니다. 목표는 유체-구조 상호작용(FSI) 시뮬레이션 방법론, 모델링 기술 및 슬래밍 압력 예측에 대한 기존 연구원의 경험을 비교하는 것이었습니다.
수치 FSI 시뮬레이션을 위해 가장 일반적인 상용 소프트웨어 패키지를 사용하는 3개의 연구 그룹(예: LS-Dyna ALE, LS-Dyna ICFD, ANSYS CFX 및 Star-CCM+/ABAQUS)이 이 연구에 참여했습니다.
공개 문헌에서 입수할 수 있는 경량 선박과 같은 바닥 구조의 평평한 강화 알루미늄 판에 대한 습식 낙하 시험 데이터는 FSI 모델링의 검증에 활용되었습니다. 형상 모델 및 재료 속성을 포함한 실험 조건의 요약은 시뮬레이션 전에 참가자에게 배포되었습니다.
충돌 속도와 강판의 강성이 슬래밍 응답에 미치는 영향을 조사하기 위해 해양 설비에 사용되는 실제 치수를 갖는 평판 보강 강판에 대한 매개변수 연구를 수행했습니다. 보강판에 작용하는 전체 수직력에 대한 FE 시뮬레이션 결과와 이러한 힘에 대한 구조적 반응을 참가자로부터 획득하여 분석 및 비교하였다.
앞서 언급한 상용 FSI 소프트웨어 패키지를 사용하여 슬래밍 부하에 대한 신뢰할 수 있고 정확한 예측을 평가했습니다. 또한 FSI 시뮬레이션에서 관찰된 동일한 영구 처짐을 초래하는 등가 정적 슬래밍 압력을 보고하고 분류 표준 DNV에서 제안한 해석 모델 및 슬래밍 압력 계산을 위한 기존 실험 데이터와 비교했습니다.
연구 결과는 등가 하중 모델이 물 충돌 속도와 플레이트 강성에 의존한다는 것을 보여주었습니다. 즉, 등가정압계수는 충돌속도가 증가함에 따라 감소하고 충돌구조가 더 단단해지면 증가한다.
This paper presents a benchmark study on the slamming responses of offshore structures’ flat-stiffened plates. The objective was to compare the fluid-structure interaction (FSI) simulation methodologies, modeling techniques, and established researchers’ experiences in predicting slamming pressure. Three research groups employing the most common commercial software packages for numerical FSI simulations (i.e. LS-Dyna ALE, LS-Dyna ICFD, ANSYS CFX, and Star-CCM+/ABAQUS) participated in this study. Wet drop test data on flat-stiffened aluminum plates of light-ship-like bottom structures available in the open literature was utilized for validation of the FSI modeling. A summary of the experimental conditions including the geometry model and material properties, was distributed to the participants prior to their simulations. A parametric study on flat-stiffened steel plates having actual scantlings used in marine installations was performed to investigate the effect of impact velocity and plate rigidity on slamming response. The FE simulation results for the total vertical forces acting on the stiffened plates and their structural responses to those forces, as obtained from the participants, were analyzed and compared. The reliable and accurate predictions of slamming loads using the aforementioned commercial FSI software packages were evaluated. Additionally, equivalent static slamming pressures resulting in the same permanent deflections, as observed from the FSI simulations, were reported and compared with analytical models proposed by the Classification Standards DNV and existing experimental data for calculation of the slamming pressure. The study results showed that the equivalent load model depends on the water impact velocity and plate rigidity; that is, the equivalent static pressure coefficient decreases with an increase in impact velocity, and increases when impacting structures become stiffer.
Fig. 4. Meshed quarter aluminum model with HAZ regions and support steel plates.Fig. 6. (a) Boundary conditions of water hitting case and (b) water jets at end of the simulation.Fig. 7. Comparison of prediction and test results for deflection time history of (a) D1 and (b) D2 for Vi = 2.3 m/s.Fig. 8. Comparison of prediction and test results for maximum deflection with different impact velocities.Fig. 16. Boundary conditions applied to present FSI simulations (Sym. denotes symmetric, and Cons. denotes constrained)Fig. 24. Distribution of deflections at moment of maximum deflection in: (a) LS-Dyna ALE, (b) Star-CCM+/ABAQUS, (c) ANSYS CFD, and (d) LSDyna ICFD (unit: m).
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졸업 논문의 목표는 보스코비체 댐의 계획된 방수로의 흐름을 수치적으로 모델링하는 것입니다. 이 졸업 논문은 유형과 프로필에 따라 기본 여수로를 설명하고 나눕니다. 비상용 배수로도 언급되어 있습니다. 그런 다음 논문에서는 범람량 계산에 대한 설명, 수학적 모델링 및 사용된 난류 모델에 대한 설명을 소개합니다. 다음 부분은 Boskovice 댐의 기술적 설명, AutoCAD 2020 소프트웨어에서 방수로 및 방수로 슈트의 가상 3D 모델 생성 및 Blender 소프트웨어에서 모델의 제어 및 수정과 관련되어 있습니다. 논문 말미에는 Flow-3D 소프트웨어를 통해 얻은 유동의 수치적 모델링 결과와 BUT 토목공학부 수구조연구소에서 시행한 수리학적 모델 연구와 비교한 결과를 언급하였다.
The goal of the diploma thesis is the numerical modelling of flow in planned spillway of the Boskovice dam. In the introduction of this diploma thesis are described and divided basic spillways according to their types and profiles. There are also mentioned emergency spillways. Then the thesis introduces the description of calculation of overflow quantity, the description of mathematic modelling and used turbulent models. The next part is concerned with the technical description of the Boskovice dam, the creation of virtual 3D model of spillway and spillway chute in the AutoCAD 2020 software and concerned with the control and revision of model in the Blender software. In the end of the thesis are mentioned results of numeric modelling of flow gained from the Flow-3D software and the comparison of results with the research of hydraulic model implemented at Water structures institute of Faculty of Civil Engineering of BUT.
Author
Svoboda, Jiří
Title
Numerické modelování proudění v bezpečnostním přelivu: Numerical modeling of flow in spilway
The goal of the diploma thesis is the numerical modelling of flow in planned spillway of the Boskovice dam. In the introduction of this diploma thesis are described and divided basic spillways according to their types and profiles. There are also mentioned emergency spillways. Then the thesis introduces the description of calculation of overflow quantity, the description of mathematic modelling and used turbulent models. The next part is concerned with the technical description of the Boskovice dam, the creation of virtual 3D model of spillway and spillway chute in the AutoCAD 2020 software and concerned with the control and revision of model in the Blender software. In the end of the thesis are mentioned results of numeric modelling of flow gained from the Flow-3D software and the comparison of results with the research of hydraulic model implemented at Water structures institute of Faculty of Civil Engineering of BUT.
Subjects/Keywords
Bezpečnostní přeliv; numerický model; 3D model; FLOW-3D; VD Boskovice; sypaná kamenitá hráz.; Spillway; numerical model; 3D model; FLOW-3D; Boskovice dam; rockfill dam.
Contributors
Jandora, Jan (advisor); Holomek, Petr (referee)
Language
cs
Rights
Standardní licenční smlouva – přístup k plnému textu bez omezení
OFigure 18: Fountain front safety spillway [24]Figure 20: Slip and divergent broth of the security building VD Boskovice [24]Obrázek 22: Půdorys bezpečnostního přelivu a části skluzu VD Boskovice [12]Figure 23: Longitudinal section BP and drop in the plane of symmetry [12]Figure 44: Color resolution of jets according to speedFigure 45: Flow profile in Flow-3D without 3D model displayedFigure 47: Level course on the physical model [22]
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M. Bayat* , V. K. Nadimpalli, J. H. Hattel 1Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark (DTU), Produktionstorvet 425, Kgs. 2800, Lyngby, Denmark
ABSTRACT
L-PBF(Laser Powder Bed Fusion)는 다양한 산업 분야에서 많은 관심을 받았으며, 주로 기존 제조 기술을 사용하여 만들 수 없었던 복잡한 토폴로지 최적화 구성 요소를 구현하는 잘 알려진 능력 덕분입니다. . 펄스 L-PBF(PL-PBF)에서 레이저의 시간적 프로파일은 주기 지속 시간과 듀티 주기 중 하나 또는 둘 다를 수정하여 변조할 수 있습니다. 따라서 레이저의 시간적 프로파일은 향후 적용을 위해 이 프로세스를 더 잘 제어할 수 있는 길을 열어주는 새로운 프로세스 매개변수로 간주될 수 있습니다. 따라서 이 작업에서 우리는 레이저의 시간적 프로파일을 변경하는 것이 PL-PBF 공정에서 용융 풀 조건과 트랙의 최종 모양 및 형상에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 조사하는 것을 목표로 합니다. 이와 관련하여 본 논문에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어 패키지인 Flow-3D를 기반으로 하는 316-L 스테인리스강 PL-PBF 공정의 다중물리 수치 모델을 개발하고 이 모델을 사용하여 열과 유체를 시뮬레이션합니다. 다양한 펄스 모드에서 공정 과정 중 용융 풀 내부에서 발생하는 유동 조건. 따라서 고정된 레이저 듀티 사이클(50%)이 있는 레이저 주기 지속 시간이 용융 풀의 모양과 크기 및 최종 트랙 형태에 미치는 영향을 연구하기 위해 매개변수 연구가 수행됩니다. 더 긴 주기 기간에서 더 많은 재료가 더 큰 용융 풀 내에서 변위됨에 따라 용융 풀의 후류에 더 눈에 띄는 혹이 형성되며, 동시에 더 심각한 반동 압력을 받습니다. 또한 시뮬레이션에서 50% 듀티 사이클에서 1000μs에서 형성된 보다 대칭적인 용융 풀과 비교하여 400μs 사이클 주기에서 더 긴 용융 풀이 형성된다는 것이 관찰되었습니다. 풀 볼륨은 1000μs의 경우 더 큽니다. 매개변수 연구는 연속 트랙과 파손된 트랙 PL-PBF 사이의 경계를 설명하며, 여기서 연속 트랙은 항상 소량의 용융 재료를 유지함으로써 유지됩니다.
English Abstract
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) has attracted a lot of attention from various industrial sectors and mainly thanks to its well-proven well-known capacity of realizing complex topology-optimized components that have so far been impossible to make using conventional manufacturing techniques. In Pulsed L-PBF (PL-PBF), the laser’s temporal profile can be modulated via modifying either or both the cycle duration and the duty cycle. Thus, the laser’s temporal profile could be considered as a new process parameter that paves the way for a better control of this process for future applications. Therefore, in this work we aim to investigate how changing the laser’s temporal profile can affect the melt pool conditions and the final shape and geometry of a track in the PL-PBF process. In this respect, in this paper a multiphysics numerical model of the PL-PBF process of 316-L stainless steel is developed based on the computational fluid dynamics (CFD) software package Flow-3D and the model is used to simulate the heat and fluid flow conditions occurring inside the melt pool during the course of the process at different pulsing modes. Thus, a parametric study is carried out to study the influence of the laser’s cycle duration with a fixed laser duty cycle (50 %) on the shape and size of the melt pool and the final track morphology. It is noticed that at longer cycle periods, more noticeable humps form at the wake of the melt pool as more material is displaced within bigger melt pools, which are at the same time subjected to more significant recoil pressures. It is also observed in the simulations that at 50 % duty cycle, longer melt pools form at 400 μs cycle period compared to the more symmetrical melt pools formed at 1000 μs, primarily because of shorter laser off-times in the former, even though melt pool volume is bigger for the 1000 μs case. The parameteric study illustrates the boundary between a continuous track and a broken track PL-PBF wherein the continuous track is retained by always maintaining a small volume of molten material.
Figure 1: Front and side views of the computational domain. Note that the region along z and from -100 μm to +50 μm is void.Figure 2: Temperature contours and melt pool border lines at different times for the 50 % duty cycle case: (a) – (c) Δtcycle =
400 μs, (d) – (f) Δtcycle = 1000 μs and (g) – (i) Δtcycle = 3000 μs.Figure 3: Plot of melt pool volume versus time for four cases including continuous wave laser as well as 50 % duty cycle at
400 μs, 1000 μs and 3000 μs.
CONCLUSIONS
In this work a CFD model of the modulated PL-PBF process of stainless steel 316-L is developed in the commercial software package Flow-3D. The model involves physics such as solidification, melting, evaporation, convection, laser-material interaction, capillarity, Marangoni effect and the recoil pressure effect. In the current study, a parametric study is carried out to understand how the change in the cycle period duration affects the melt pool’s thermo-fluid conditions during the modulated PL-PBF process. It is observed that at the pulse mode with 50 % duty cycle and 400 μs cycle period, an overlapped chain of humps form at the wake of the melt pool and at a spatial frequency of occurrence of about 78 μm. Furthermore and as expected, it is noted that the melt pool volume, the size of the hump as well as the crater size at the end of the track, increase with increase in the cycle period duration, as more material is re-deposited at the back of the melt pool and that itself is caused by more pronounced recoil pressures. Moreover, it is noticed that due to the short off-time period of the laser in the 400 μs cycle period case, there is always an amount of liquid metal left from the previous cycle, at the time the new cycle starts. This is found to be the main reason why longer and elongated melt pools form at 400 μs cycle period, compared to the bigger, shorter and more symmetrical-like melt pools forming at the 1000 μs case. In this study PL-PBF single tracks including the broken track and the continuous track examples were studied to illustrate the boundary of this transition at a given laser scan parameter setting. At higher scan speeds, it is expected that the Plateau–Rayleigh instability will compete with the pulsing behavior to change the transition boundary between a broken and continuous track, which is suggested as future work from this study.
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하천횡단구조물이 하천설계기준(2009)대로 설계되었음에도 불구하고, 하류부에서 물받이공 및 바닥보호공의 피해가 발생하여, 구조물 본체에 대한 안전성이 현저하 게 낮아지고 있는 실정이다. 하천설계기준이 상류부의 수리특성을 반영하였다고 하나 하류부의 수리특성인 유속의 변동 성분 또는 압력의 변동성분까지 고려하고 있지는 않다. 현재 많은 선행연구에서 이러한 난류적 특성이 구조물에 미치는 영 향에 대해 제시하고 있는 실정이며, 국내 하천에서의 피해 또한 이와 관련이 있다 고 판단된다. 이에 본 연구에서는 난류성분 특히 압력의 변동성분이 물받이공과 바닥보호공에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 하천 횡단구조물의 치수 안전 성 증대에 기여하고자 한다. 물받이공과 바닥보호공에 미치는 압력의 변동성분 (pressure fluctuation) 영향을 분석하기 위해 크게 3가지로 연구내용을 분류하였 다. 첫 번째는 압력의 변동으로 순간적인 음압구배(adversed pressure gradient) 가 발생할 경우 바닥보호공의 사석 및 블록이 이탈하는 것이다. 이를 확인하기 위 해 정밀한 압력 측정장치를 통해 압력변이를 측정하여, 사석의 이탈 가능성을 검 토할 것이며, 최종적으로 이탈에 대한 한계조건을 도출할 것이다. 두 번째는 압력 의 변동이 물받이공의 진동을 유발시켜 이를 지지하고 있는 지반에 다짐효과를 가 져와 물받이공과 지반사이에 공극이 발생하는 경우이다. 이러한 공극으로 물받이 공은 자중 및 물의 압력을 받게 되어, 결국 휨에 의한 파괴가 발생할 가능성이 있 게 된다. 본 연구에서는 실험을 통하여 압력의 변동과 물받이공의 진동을 동시에 측정하여, 진동이 발생하지 않을 최소 두께를 제시할 것이다. 세 번째는 압력변이 로 인한 물받이공의 진동이 피로파괴로 연결되는 경우이다. 이 현상 또한 수리실 험을 통해 압력변이-피로파괴의 관계를 정량적으로 분석하여, 한계 조건을 제시할 것이다. 본 연구는 국내 보 및 낙차공에서 발생하는 다양한 Jet의 특성을 수리실 험으로 재현해야 하며, 이를 위해 평면 Jet 분사기(plane Jet injector)를 고안/ 제작하여, 효율적인 수리실험을 수행할 것이다. 또한 3차원 수치해석을 통해 실제 스케일에 적용함으로써 연구결과의 활용도 및 적용성을 높이고자 한다.
Keywords
압력변이, 물받이공, 바닥보호공, 난류, 진동
그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴그림 2. 시간에 따른 압력의 변동 양상 및 정의 그림 3. 하천횡단구조물 하류부 도수현상시 발생하는 압력변이 분포도, Fr=8.0
상태이며, 바닥(slab)에 양압과 음압이 지속적으로 작용한다. (Fiorotto &
Rinaldo, 2010) 그림 4. 파괴 개념그림 6. PIV 측정 원리(www.photonics.com)그림 7. LED회로판 및 BIV기법 기본개념그림 8. BIV측정기법을 적용한 순간이미지 (Lin et al., 2012)그림 9. 감세공의 분류그림 17 수리실헐 수로시설: (a) 전체수로전경, (b) Weir 보를 포함한 측면도, (c) 도수조건
실험전경그림 18 수리실험 개요도그림 127 난류모형별 압력 Data (측정위치는 그림 125 참조)그림 128 RNG 모형을 이용한 수치모의 결과그림 129 LES 모형을 이용한 수치모의 결과그림 130 압력 Data의 필터링그림 134 Case 1의 흐름특성 분포도 및 그래프
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Discharge Coefficient of Side Weir for Various Curvatures Simulated by FLOW-3D
Chang Sam Jeong* 접수일자: 2015년 5월 15일/심사완료일: 2015년 6월 9일/게재일자: 2015년 6월 30일
ABSTRACT
본 연구는 수치모형을 이용하여 만곡수로 외측에 설치된 횡월류 위어의 곡률반경에 대한 횡월류 유량계수를 분석한 연구이다.
곡률반경의 변화에 따른 만곡부의 중심각이 180°인 수로모형을 설계하였으며, FLOW-3D모형에 적용하여 유량계 수를 산정하고 직선 수로와 비교하는 방법으로 유량계수의 특성을 분석하였다. 모형의 적용성 검증을 위해 기존에 연구되었던 수리실험과 동일한 조건의 수치모의를 수행하였다.
하폭(b)을 고정시키고 곡률반경(Rc)을 변화시킴으로써 Rc/b의 변화에 따른 유량계수(CM)의 변화를 분석하고, 만곡수로의 월류량(Qwc)에 대한 직선수로의 월류량(Qwc)의 비를 분석하였다.
분석결과 유량 계수는 상류수심, 만곡수로의 곡률반경의 변화에 따라 유량계수는 변화하였으며, 직선과 만곡수로에 대해 분석을 수행하였기 때문에 직선수로의 영향인자를 이용하여 만곡수로에 설치된 횡월류 위어의 월류량과 유량계수를 추정 가능 할 것이라 판단된다.
최근의 기상변화에 의한 이상홍수와 유역의 도시화로 인한 불투수면적의 증가는 홍수시 유출량을 증가시켜 기 존의 하도의 적정 소통량을 초과하는 홍수를 발생시키고 있다. 토지의 고도 이용으로 하도의 확폭이 제한된 도시유 역에서 초과 홍수에 대비할 수 있는 구조적 홍수관리 방안 은 제방 증고, 저류지 설치, 방수로 설치 등이 대표적이다. 저류지는 하천에 유입되는 홍수를 일시 조절하여 하도의 적정한 홍수 소통능력을 초과하는 유출을 억제하는 구조 물로 국내외에서 널리 이용되는 구조적 홍수대책의 하나 이다. 그러나 이러한 활용도에 비해서 예연위어, 광정위어,암거 등의 수리구조물에 비교할 때 횡월류 위어에 대한 연 구는 미진한 것이 현실이다. 횡월류 위어(side weir 또는 lateral weir)는 인공수로 또는 자연하천에서 흐름방향에 평행하게 수로측면에 설치된 수 공구조물이다.
이는 본류의 수심이 횡월류 위어 월류부의 높이보다 높을 경우 위어를 통하여 물을 월류시켜 에너지 소산, 수위조절, 일정 유량의 취수 및 분배, 초과 홍수량 전 환 등의 목적으로 이용된다. 이러한 횡월류 유량의 취수 및 분배, 초과 홍수량 전환 등의 목적으로 이용된다. 이러한 횡월류 위어는 off-line저류지, 관계수로, 하수도 설비, 댐의 여수로 등에서 폭넓게 사용되고 있다.
국내의 경우 개발에 따른 횡월류 위어 구조물의 사용이 증가하는 추세이나, 유입유량 결정이나 적용되는 유량계 수에 대한 신뢰할만한 평가가 이루어지지 않아서 설계에 어려움을 겪고 있다. 또한 지금까지 연구된 횡월류 위어는 직선수로에 국한되어있으며, 실험을 통해서 제안된 유량 계수식들은 제안자에 따라 편차가 커서 실무적으로 이용 되기에는 많은 한계를 가지고 있다. Cheong(1991)은 횡월류 위어의 단면을 사다리꼴로하여 상류 프루드수와 유량계수와의 관계를 정립하였다.
Uyumaz (1997)는 U-모양 단면의 주수로의 횡월류 위어에서 사류와 상류시의 유량계수의 변화를 파악하였으며, Agaccioglu (1998)는 만곡수로의 사각형 단면에서 중심각에 따른 유량 계수와 무차원변수와의 관계를 정립하고, 퇴적이 발생하 는 지역의 크기는 상류 프루드수에 영향을 받는 다는 것을 확인 하였으며, Agaccioglu(2004)는 만곡수로에서 횡월류 위어의 단면을 삼각형으로 하여 중심각에 따른 유량계수 와 무차원 변수와의 관계를 정립하였다. 국내에서 윤세의 (1990)는 곡률반경에 대한 하폭의 비(Rc/b)의 변화에 따른 만곡수로에서의 흐름특성을 분석하였고, 이종태(1991)는 곡률반경의 증가, 감소는 만곡부 흐름특성인자에 많은 영 향을 끼치는 것을 확인 하였다.
서일원 등(2004)이 실내 실 험을 수행하여 다중 만곡수로에서 이차류의 변화양상을 관찰하였고, 이두한 등(2005)은 복단면을 갖는 사행수로에 서 만곡부의 저수로와 홍수터에서 회전류가 발생함을 관 측하였으며, 홍수심이 증가 할수록 저수로와 고수로간의 유속 차이보다 사행의 영향이 지배적임을 분석하였다.
본 연구에서는 기존에 연구된 만곡수로에 설치된 횡월류 위어를 상용 3차원 CFD모형인 FLOW-3D를 이용하여 횡 월류 위어의 흐름을 모의하여 그 적용성을 검증하고, 곡률 변화에 따른 만곡부 횡월류 위어에서의 유량계수와 여러 변수들과의 관계를 정립하고 특성을 분석하는데 목적이 있다.
또한 만곡수로에 횡월류 위어를 설치하였을 때, 그 흐름 특성의 변화를 분석하여, 횡월류 위어 주변의 수심 및 유속변화, 월류량에 영향을 미치는 인자들을 관찰하고, 월 류량에 가장 직접적인 영향을 미치는 인자인 유량계수를 산정하여 영향인자들과의 관계를 무차원하여 분석하여 만 곡부에 설치된 횡월류 위어의 실용적인 기준으로 활용할 수 있는 자료를 제시하고자 한다.
그림 1. 실험수로 평면도(Agaccioglu, 1998)그림 2. Fr1에 따른 유량계수(Agaccioglu, 1998)그림 3. Fr1에 따른 유량계수(3D 수치모의)그림 4. 직선수로의 지오메트리와 mesh block그림 5. 만곡 수로(Rc = 2.5 m)의 지오메트리와 mesh block표 2. Case별 설계 수로의 제원그림 6. 횡월류 위어에서의 수면형(0.04 m3
/sec)그림 7. 횡월류 위어에서의 수면형(0.06 m3
/sec)그림 8. 횡월류 위어에서의 수면형(0.1 m3
/sec)그림 9. Rc/b에 따른 CMC/CMS의 변화그림 10. 유량에 대한 CMC/CMS의 변화
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해저 지반에 설치되는 인공어초는 유속 및 수심이 동일한 경우라도 지반 조건에 따라 세굴 패턴이 크게 차이나는 경우가 있다. 따라서 본 연구에서는 모래, 실트 및 점토 등과 같이 다양한 해저 지반에 설치하는 인공어초의 지반공학적 안정성을 평가하고자 Flow-3D를 이용하여 세굴 해석을 수행하였다. 수치해석 결과 지반 입경이 작을수록 인공어초 주변에서 발생하는 세굴량이 커지며, 평형상태에 도달하는 시간이 더 오래 걸리는 결과를 보였다. 반면 입경이 커질수록 세굴량이 작아지며, 세굴된 지반 입자가 인공어초 후면부에 퇴적되는 결과를 보였다. 또한 최대 세굴심도와 입경은 비선형적인 관계를 나타내었다. 특히 세립토에서 최대 세굴심도가 크게 증가하였다.
Artificial reef-installed seabeds may have significantly different scouring patterns depending on the ground conditions, such as the soil particle size, even though the flow velocity and water depth are similar. In this study, the scour characteristics of the ground were determined using Flow-3D to evaluate the geotechnical stability of artificial reefs installed on various seabeds, such as sand, silt, and clay. The analysis results indicated that the smaller the particle size of the soil, the larger the amount of scour that occurs around the artificial reef and the longer it takes to reach an equilibrium state. However, eroded soil particles were deposited on the rear part of the artificial reef as the soil particle size increased. The maximum scour depth and average particle size showed a non-linear relationship. In particular, the maximum scour depth increased significantly in fine-grained soils.
He Gas Stripper and Rotating Disk Stripper at the RIKEN RIBF
理研 RI ビームファクトリーにおける He ガスと回転ディスクストリッパー
今尾 浩士 *・長谷部 裕雄 *
서론
우라늄 빔 등 중원소 빔의 대강도화는 다양한 단수명 원자핵을 생성·이용하고 우주에서의 원소 합성을 이해하기 위한 필수 과제이다. 중이온의 가속에 있어서는, 복수의 가속기를 이용하여, 고에너지까지 캐스케이드상으로 가속해 가지만, 효율적인 가속을 위해 도중의 하전 변환 과정은 필수 과정이라고 할 수 있다.
리켄 RI 빔팩토리(RIBF) 1)에서는 가장 무거운 우라늄 등의 가속에 있어서, 2회의 하전 변환을 실시하고 있다.
그러나 기존에 사용해 온 고정형 탄소막 스트리퍼 2)의 내구성은 대강화의 원리적 병목이며, 미국 FRIB 계획 3) 등을 포함한 차세대 RI 생성 시설의 공통 문제에서도 있었다. RIBF는 가스 4-7)과 회전형 디스크 8, 9)를 사용하여 고강도 우라늄을 견딜 수있는 스트리퍼를 개발했다.
RIBF에서 238U 빔의 가속도를 그림 1에 나타내었다. 28 GHz의 초전도 ECR 이온 소스 (10, 11)로 생성 및 선별 된 238U35 +는 입사기 RILAC2와 4 개의 링 사이클로트론 (RRC, fRC, IRC, SRC)을 사용하여 345 MeV / u까지 가속된다.
스트리퍼는 RRC 가속 후 11 MeV / u와 fRC 가속 후 51 MeV / u에서 두 번 사용된다. 첫 번째 단계는 He 가스 스트리퍼를 사용하며 U35 +에서 U64 +로 변환한다. 두 번째 단계는 회전 흑연 시트 디스크 스트리퍼이며 U64 +에서 U86 +로 변환한다.
중이온 스트리퍼는 총 열 부하, 파워 손실이라는 의미에서는 전혀 작지만, 특히 큰 것은 단위 길이 에너지 손실 dE/dx이며, 이에 특유의 어려움이 있다. 우라늄의 dE / dx는 특히 크고, 수 MeV / u-50 MeV / u 정도까지의 스트리퍼는 dE / dx가 크고 두께가 고체로서는 얇아지기 때문에 어렵다.
우리의 11 MeV / u에서의 목표 강도 10 pA는 dE / dx로 정규화 된 경우, 예를 들어 400 MeV의 양성자 빔이라면 500 mA라고 불리우는 강도에 해당한다. 또한 우라늄의 국부적 인 에너지 손실로 인한 비선형 피해도보고되었으며 상황은 더욱 심각하다.
예를 들어 제1 스트리퍼로 탄소막을 사용했을 경우, 1 µm 정도 이하의 박막을 사용하지 않을 수 없고, 취약성, 불균일성과의 싸움으로, 열 제거도 어렵다. 실제로 RIBF 초기에 사용 된 고정형 탄소막 2)에서는 우라늄 빔 20pnA 정도의 조사 강도에서도 사용 가능 시간은 반일 정도였다. 그런 다음 두 번째 스트리퍼에서도 비슷한 상황이 발생했다.
현재 사용하고 있는 He 가스 스트리퍼와 회전형 그라파이트 디스크 스트리퍼는 당시의 약 100배의 강도라도 사용 시간을 거의 신경쓸 필요가 없을 정도의 내구성을 가지고 있다.
본 논문에서는 He 가스 스트리퍼와 회전형 스트리퍼에 대해 개요와 고출력 표적으로서의 측면을 중심으로 설명한다.
図1 He ガスと回転ディスクストリッパーを用いた現在の
RIBF ウラン加速スキーム．図2 様々な厚さの He ガスによる11 MeV/u 238U の荷電分布．図3 He ガスストリッパー装置の図と全景．図4 かく乱板の写真（上）と位置依存性（下）.図5 オリフィスから噴出する He のマッハ数の CFD 計算
（Solidworks flow simulation）.図6 238U ビームによる He ガス温度上昇の実験値と計算値
の比較．実験値は輸送条件の異なる幾つかの RUN の
データをプロットしている．図7 マクロパルスの長さと周期を変えた時のΔt の変化
（上）とマクロパルスの構造（下）．図8 ガスジェットカーテン法コンセプト.図9 シール効果とガス置換効果（上）とオリフィスの大口径 化（下）.図10 2 次元ラバール式ノズルによるガスジェットカーテ
ンの計算例（Solidworks flow simulation）．図はマッハ
数のプロットである．図11 4 枚目の Be ディスク．左使用前，右使用後．図12 40 mg/cm2 グラッシーカーボンディスク図13 GS ディスク．左使用前，右使用後．図14 GTF ディスク．左使用前，右使用後．図15 U ビーム照射中の GTF ディスク図16 アクセスドア用ガラス．
左変色したガラス，右新品のガラス
References
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Optimization of Solar CCHP Systems with Collector Enhanced by Porous Media and Nanofluid
Navid Tonekaboni,1Mahdi Feizbahr,2 Nima Tonekaboni,1Guang-Jun Jiang,3,4 and Hong-Xia Chen3,4
Abstract
태양열 집열기의 낮은 효율은 CCHP(Solar Combined Cooling, Heating, and Power) 사이클의 문제점 중 하나로 언급될 수 있습니다. 태양계를 개선하기 위해 나노유체와 다공성 매체가 태양열 집열기에 사용됩니다.
다공성 매질과 나노입자를 사용하는 장점 중 하나는 동일한 조건에서 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다는 것입니다. 이 연구에서는 평균 일사량이 1b인 따뜻하고 건조한 지역의 600 m2 건물의 전기, 냉방 및 난방을 생성하기 위해 다공성 매질과 나노유체를 사용하여 태양열 냉난방 복합 발전(SCCHP) 시스템을 최적화했습니다.
본 논문에서는 침전물이 형성되지 않는 lb = 820 w/m2(이란) 정도까지 다공성 물질에서 나노유체의 최적량을 계산하였다. 이 연구에서 태양열 집열기는 구리 다공성 매체(95% 다공성)와 CuO 및 Al2O3 나노 유체로 향상되었습니다.
나노유체의 0.1%-0.6%가 작동 유체로 물에 추가되었습니다. 나노유체의 0.5%가 태양열 집열기 및 SCCHP 시스템에서 가장 높은 에너지 및 엑서지 효율 향상으로 이어지는 것으로 밝혀졌습니다.
본 연구에서 포물선형 집열기(PTC)의 최대 에너지 및 엑서지 효율은 각각 74.19% 및 32.6%입니다. 그림 1은 태양 CCHP의 주기를 정확하게 설명하기 위한 그래픽 초록으로 언급될 수 있습니다.
The low efficiency of solar collectors can be mentioned as one of the problems in solar combined cooling, heating, and power (CCHP) cycles. For improving solar systems, nanofluid and porous media are used in solar collectors. One of the advantages of using porous media and nanoparticles is to absorb more energy under the same conditions. In this research, a solar combined cooling, heating, and power (SCCHP) system has been optimized by porous media and nanofluid for generating electricity, cooling, and heating of a 600 m2 building in a warm and dry region with average solar radiation of Ib = 820 w/m2 in Iran. In this paper, the optimal amount of nanofluid in porous materials has been calculated to the extent that no sediment is formed. In this study, solar collectors were enhanced with copper porous media (95% porosity) and CuO and Al2O3 nanofluids. 0.1%–0.6% of the nanofluids were added to water as working fluids; it is found that 0.5% of the nanofluids lead to the highest energy and exergy efficiency enhancement in solar collectors and SCCHP systems. Maximum energy and exergy efficiency of parabolic thermal collector (PTC) riches in this study are 74.19% and 32.6%, respectively. Figure 1 can be mentioned as a graphical abstract for accurately describing the cycle of solar CCHP.
1. Introduction
Due to the increase in energy consumption, the use of clean energy is one of the important goals of human societies. In the last four decades, the use of cogeneration cycles has increased significantly due to high efficiency. Among clean energy, the use of solar energy has become more popular due to its greater availability [1]. Low efficiency of energy production, transmission, and distribution system makes a new system to generate simultaneously electricity, heating, and cooling as an essential solution to be widely used. The low efficiency of the electricity generation, transmission, and distribution system makes the CCHP system a basic solution to eliminate waste of energy. CCHP system consists of a prime mover (PM), a power generator, a heat recovery system (produce extra heating/cooling/power), and thermal energy storage (TES) [2]. Solar combined cooling, heating, and power (SCCHP) has been started three decades ago. SCCHP is a system that receives its propulsive force from solar energy; in this cycle, solar collectors play the role of propulsive for generating power in this system [3].
Increasing the rate of energy consumption in the whole world because of the low efficiency of energy production, transmission, and distribution system causes a new cogeneration system to generate electricity, heating, and cooling energy as an essential solution to be widely used. Building energy utilization fundamentally includes power required for lighting, home electrical appliances, warming and cooling of building inside, and boiling water. Domestic usage contributes to an average of 35% of the world’s total energy consumption [4].
Due to the availability of solar energy in all areas, solar collectors can be used to obtain the propulsive power required for the CCHP cycle. Solar energy is the main source of energy in renewable applications. For selecting a suitable area to use solar collectors, annual sunshine hours, the number of sunny days, minus temperature and frosty days, and the windy status of the region are essentially considered [5]. Iran, with an average of more than 300 sunny days, is one of the suitable countries to use solar energy. Due to the fact that most of the solar radiation is in the southern regions of Iran, also the concentration of cities is low in these areas, and transmission lines are far apart, one of the best options is to use CCHP cycles based on solar collectors [6]. One of the major problems of solar collectors is their low efficiency [7]. Low efficiency increases the area of collectors, which increases the initial cost of solar systems and of course increases the initial payback period. To increase the efficiency of solar collectors and improve their performance, porous materials and nanofluids are used to increase their workability.
There are two ways to increase the efficiency of solar collectors and mechanical and fluid improvement. In the first method, using porous materials or helical filaments inside the collector pipes causes turbulence of the flow and increases heat transfer. In the second method, using nanofluids or salt and other materials increases the heat transfer of water. The use of porous materials has grown up immensely over the past twenty years. Porous materials, especially copper porous foam, are widely used in solar collectors. Due to the high contact surface area, porous media are appropriate candidates for solar collectors [8]. A number of researchers investigated Solar System performance in accordance with energy and exergy analyses. Zhai et al. [9] reviewed the performance of a small solar-powered system in which the energy efficiency was 44.7% and the electrical efficiency was 16.9%.
Abbasi et al. [10] proposed an innovative multiobjective optimization to optimize the design of a cogeneration system. Results showed the CCHP system based on an internal diesel combustion engine was the applicable alternative at all regions with different climates. The diesel engine can supply the electrical requirement of 31.0% and heating demand of 3.8% for building.
Jiang et al. [11] combined the experiment and simulation together to analyze the performance of a cogeneration system. Moreover, some research focused on CCHP systems using solar energy. It integrated sustainable and renewable technologies in the CCHP, like PV, Stirling engine, and parabolic trough collector (PTC) [2, 12–15].
Wang et al. [16] optimized a cogeneration solar cooling system with a Rankine cycle and ejector to reach the maximum total system efficiency of 55.9%. Jing et al. analyzed a big-scale building with the SCCHP system and auxiliary heaters to produced electrical, cooling, and heating power. The maximum energy efficiency reported in their work is 46.6% [17]. Various optimization methods have been used to improve the cogeneration system, minimum system size, and performance, such as genetic algorithm [18, 19].
Hirasawa et al. [20] investigated the effect of using porous media to reduce thermal waste in solar systems. They used the high-porosity metal foam on top of the flat plate solar collector and observed that thermal waste decreased by 7% due to natural heat transfer. Many researchers study the efficiency improvement of the solar collector by changing the collector’s shapes or working fluids. However, the most effective method is the use of nanofluids in the solar collector as working fluid [21]. In the experimental study done by Jouybari et al. [22], the efficiency enhancement up to 8.1% was achieved by adding nanofluid in a flat plate collector. In this research, by adding porous materials to the solar collector, collector efficiency increased up to 92% in a low flow regime. Subramani et al. [23] analyzed the thermal performance of the parabolic solar collector with Al2O3 nanofluid. They conducted their experiments with Reynolds number range 2401 to 7202 and mass flow rate 0.0083 to 0.05 kg/s. The maximum efficiency improvement in this experiment was 56% at 0.05 kg/s mass flow rate.
Shojaeizadeh et al. [24] investigated the analysis of the second law of thermodynamic on the flat plate solar collector using Al2O3/water nanofluid. Their research showed that energy efficiency rose up to 1.9% and the exergy efficiency increased by a maximum of 0.72% compared to pure water. Tiwari et al. [25] researched on the thermal performance of solar flat plate collectors for working fluid water with different nanofluids. The result showed that using 1.5% (optimum) particle volume fraction of Al2O3 nanofluid as an absorbing medium causes the thermal efficiency to enhance up to 31.64%.
The effect of porous media and nanofluids on solar collectors has already been investigated in the literature but the SCCHP system with a collector embedded by both porous media and nanofluid for enhancing the ratio of nanoparticle in nanofluid for preventing sedimentation was not discussed. In this research, the amount of energy and exergy of the solar CCHP cycles with parabolic solar collectors in both base and improved modes with a porous material (copper foam with 95% porosity) and nanofluid with different ratios of nanoparticles was calculated. In the first step, it is planned to design a CCHP system based on the required load, and, in the next step, it will analyze the energy and exergy of the system in a basic and optimize mode. In the optimize mode, enhanced solar collectors with porous material and nanofluid in different ratios (0.1%–0.7%) were used to optimize the ratio of nanofluids to prevent sedimentation.
2. Cycle Description
CCHP is one of the methods to enhance energy efficiency and reduce energy loss and costs. The SCCHP system used a solar collector as a prime mover of the cogeneration system and assisted the boiler to generate vapor for the turbine. Hot water flows from the expander to the absorption chiller in summer or to the radiator or fan coil in winter. Finally, before the hot water wants to flow back to the storage tank, it flows inside a heat exchanger for generating domestic hot water [26].
For designing of solar cogeneration system and its analysis, it is necessary to calculate the electrical, heating (heating load is the load required for the production of warm water and space heating), and cooling load required for the case study considered in a residential building with an area of 600 m2 in the warm region of Iran (Zahedan). In Table 1, the average of the required loads is shown for the different months of a year (average of electrical, heating, and cooling load calculated with CARRIER software).Table 1The average amount of electric charges, heating load, and cooling load used in the different months of the year in the city of Zahedan for a residential building with 600 m2.
According to Table 1, the maximum magnitude of heating, cooling, and electrical loads is used to calculate the cogeneration system. The maximum electric load is 96 kW, the maximum amount of heating load is 62 kW, and the maximum cooling load is 118 kW. Since the calculated loads are average, all loads increased up to 10% for the confidence coefficient. With the obtained values, the solar collector area and other cogeneration system components are calculated. The cogeneration cycle is capable of producing 105 kW electric power, 140 kW cooling capacity, and 100 kW heating power.
2.1. System Analysis Equations
An analysis is done by considering the following assumptions:(1)The system operates under steady-state conditions(2)The system is designed for the warm region of Iran (Zahedan) with average solar radiation Ib = 820 w/m2(3)The pressure drops in heat exchangers, separators, storage tanks, and pipes are ignored(4)The pressure drop is negligible in all processes and no expectable chemical reactions occurred in the processes(5)Potential, kinetic, and chemical exergy are not considered due to their insignificance(6)Pumps have been discontinued due to insignificance throughout the process(7)All components are assumed adiabatic
Schematic shape of the cogeneration cycle is shown in Figure 1 and all data are given in Table 2.
Figure 1Schematic shape of the cogeneration cycle.Table 2Temperature and humidity of different points of system.
Based on the first law of thermodynamic, energy analysis is based on the following steps.
First of all, the estimated solar radiation energy on collector has been calculated:where α is the heat transfer enhancement coefficient based on porous materials added to the collector’s pipes. The coefficient α is increased by the porosity percentage, the type of porous material (in this case, copper with a porosity percentage of 95), and the flow of fluid to the collector equation.
Collector efficiency is going to be calculated by the following equation [9]:
Total energy received by the collector is given by [9]
In the last step based on thermodynamic second law, exergy efficiency has been calculated from the following equation and the above-mentioned calculated loads [9]:
3. Porous Media
The porous medium that filled the test section is copper foam with a porosity of 95%. The foams are determined in Figure 2 and also detailed thermophysical parameters and dimensions are shown in Table 3.
Figure 2Copper foam with a porosity of 95%.Table 3Thermophysical parameters and dimensions of copper foam.
In solar collectors, copper porous materials are suitable for use at low temperatures and have an easier and faster manufacturing process than ceramic porous materials. Due to the high coefficient conductivity of copper, the use of copper metallic foam to increase heat transfer is certainly more efficient in solar collectors.
Porous media and nanofluid in solar collector’s pipes were simulated in FLOW-3D software using the finite-difference method [27]. Nanoparticles Al2O3 and CUO are mostly used in solar collector enhancement. In this research, different concentrations of nanofluid are added to the parabolic solar collectors with porous materials (copper foam with porosity of 95%) to achieve maximum heat transfer in the porous materials before sedimentation. After analyzing PTC pipes with the nanofluid flow in FLOW-3D software, for energy and exergy efficiency analysis, Carrier software results were used as EES software input. Simulation PTC with porous media inside collector pipe and nanofluids sedimentation is shown in Figure 3.
Figure 3Simulation PTC pipes enhanced with copper foam and nanoparticles in FLOW-3D software.
3.1. Nano Fluid
In this research, copper and silver nanofluids (Al2O3, CuO) have been added with percentages of 0.1%–0.7% as the working fluids. The nanoparticle properties are given in Table 4. Also, system constant parameters are presented in Table 4, which are available as default input in the EES software.Table 4Properties of the nanoparticles [9].
System constant parameters for input in the software are shown in Table 5.Table 5System constant parameters.
The thermal properties of the nanofluid can be obtained from equations (18)–(21). The basic fluid properties are indicated by the index (bf) and the properties of the nanoparticle silver with the index (np).
The density of the mixture is shown in the following equation [28]:where ρ is density and ϕ is the nanoparticles volume fraction.
The specific heat capacity is calculated from the following equation [29]:
The thermal conductivity of the nanofluid is calculated from the following equation [29]:
The parameter β is the ratio of the nanolayer thickness to the original particle radius and, usually, this parameter is taken equal to 0.1 for the calculated thermal conductivity of the nanofluids.
The mixture viscosity is calculated as follows [30]:
In all equations, instead of water properties, working fluids with nanofluid are used. All of the above equations and parameters are entered in the EES software for calculating the energy and exergy of solar collectors and the SCCHP cycle. All calculation repeats for both nanofluids with different concentrations of nanofluid in the solar collector’s pipe.
4. Results and Discussion
In the present study, relations were written according to Wang et al. [16] and the system analysis was performed to ensure the correctness of the code. The energy and exergy charts are plotted based on the main values of the paper and are shown in Figures 4 and 5. The error rate in this simulation is 1.07%.
Figure 4Verification charts of energy analysis results.
Figure 5Verification charts of exergy analysis results.
We may also investigate the application of machine learning paradigms [31–41] and various hybrid, advanced optimization approaches that are enhanced in terms of exploration and intensification [42–55], and intelligent model studies [56–61] as well, for example, methods such as particle swarm optimizer (PSO) [60, 62], differential search (DS) [63], ant colony optimizer (ACO) [61, 64, 65], Harris hawks optimizer (HHO) [66], grey wolf optimizer (GWO) [53, 67], differential evolution (DE) [68, 69], and other fusion and boosted systems [41, 46, 48, 50, 54, 55, 70, 71].
At the first step, the collector is modified with porous copper foam material. 14 cases have been considered for the analysis of the SCCHP system (Table 6). It should be noted that the adding of porous media causes an additional pressure drop inside the collector [9, 22–26, 30, 72]. All fourteen cases use copper foam with a porosity of 95 percent. To simulate the effect of porous materials and nanofluids, the first solar PTC pipes have been simulated in the FLOW-3D software and then porous media (copper foam with porosity of 95%) and fluid flow with nanoparticles (AL2O3 and CUO) are generated in the software. After analyzing PTC pipes in FLOW-3D software, for analyzing energy and exergy efficiency, software outputs were used as EES software input for optimization ratio of sedimentation and calculating energy and exergy analyses.Table 6Collectors with different percentages of nanofluids and porous media.
In this research, an enhanced solar collector with both porous media and Nanofluid is investigated. In the present study, 0.1–0.5% CuO and Al2O3 concentration were added to the collector fully filled by porous media to achieve maximum energy and exergy efficiencies of solar CCHP systems. All steps of the investigation are shown in Table 6.
Energy and exergy analyses of parabolic solar collectors and SCCHP systems are shown in Figures 6 and 7.
Figure 6Energy and exergy efficiencies of the PTC with porous media and nanofluid.
Figure 7Energy and exergy efficiency of the SCCHP.
Results show that the highest energy and exergy efficiencies are 74.19% and 32.6%, respectively, that is achieved in Step 12 (parabolic collectors with filled porous media and 0.5% Al2O3). In the second step, the maximum energy efficiency of SCCHP systems with fourteen steps of simulation are shown in Figure 7.
In the second step, where 0.1, −0.6% of the nanofluids were added, it is found that 0.5% leads to the highest energy and exergy efficiency enhancement in solar collectors and SCCHP systems. Using concentrations more than 0.5% leads to sediment in the solar collector’s pipe and a decrease of porosity in the pipe [73]. According to Figure 7, maximum energy and exergy efficiencies of SCCHP are achieved in Step 12. In this step energy efficiency is 54.49% and exergy efficiency is 18.29%. In steps 13 and 14, with increasing concentration of CUO and Al2O3 nanofluid solution in porous materials, decreasing of energy and exergy efficiency of PTC and SCCHP system at the same time happened. This decrease in efficiency is due to the formation of sediment in the porous material. Calculations and simulations have shown that porous materials more than 0.5% nanofluids inside the collector pipe cause sediment and disturb the porosity of porous materials and pressure drop and reduce the coefficient of performance of the cogeneration system. Most experience showed that CUO and AL2O3 nanofluids with less than 0.6% percent solution are used in the investigation on the solar collectors at low temperatures and discharges [74]. One of the important points of this research is that the best ratio of nanofluids in the solar collector with a low temperature is 0.5% (AL2O3 and CUO); with this replacement, the cost of solar collectors and SCCHP cycle is reduced.
5. Conclusion and Future Directions
In the present study, ways for increasing the efficiency of solar collectors in order to enhance the efficiency of the SCCHP cycle are examined. The research is aimed at adding both porous materials and nanofluids for estimating the best ratio of nanofluid for enhanced solar collector and protecting sedimentation in porous media. By adding porous materials (copper foam with porosity of 95%) and 0.5% nanofluids together, high efficiency in solar parabolic collectors can be achieved. The novelty in this research is the addition of both nanofluids and porous materials and calculating the best ratio for preventing sedimentation and pressure drop in solar collector’s pipe. In this study, it was observed that, by adding 0.5% of AL2O3 nanofluid in working fluids, the energy efficiency of PTC rises to 74.19% and exergy efficiency is grown up to 32.6%. In SCCHP cycle, energy efficiency is 54.49% and exergy efficiency is 18.29%.
In this research, parabolic solar collectors fully filled by porous media (copper foam with a porosity of 95) are investigated. In the next step, parabolic solar collectors in the SCCHP cycle were simultaneously filled by porous media and different percentages of Al2O3 and CuO nanofluid. At this step, values of 0.1% to 0.6% of each nanofluid were added to the working fluid, and the efficiency of the energy and exergy of the collectors and the SCCHP cycle were determined. In this case, nanofluid and the porous media were used together in the solar collector and maximum efficiency achieved. 0.5% of both nanofluids were used to achieve the biggest efficiency enhancement.
In the present study, as expected, the highest efficiency is for the parabolic solar collector fully filled by porous material (copper foam with a porosity of 95%) and 0.5% Al2O3. Results of the present study are as follows:(1)The average enhancement of collectors’ efficiency using porous media and nanofluids is 28%.(2)Solutions with 0.1 to 0.5% of nanofluids (CuO and Al2O3) are used to prevent collectors from sediment occurrence in porous media.(3)Collector of solar cogeneration cycles that is enhanced by both porous media and nanofluid has higher efficiency, and the stability of output temperature is more as well.(4)By using 0.6% of the nanofluids in the enhanced parabolic solar collectors with copper porous materials, sedimentation occurs and makes a high-pressure drop in the solar collector’s pipe which causes decrease in energy efficiency.(5)Average enhancement of SCCHP cycle efficiency is enhanced by both porous media and nanofluid 13%.
Nomenclature
:
Solar radiation
a:
Heat transfer augmentation coefficient
A:
Solar collector area
Bf:
Basic fluid
:
Specific heat capacity of the nanofluid
F:
Constant of air dilution
:
Thermal conductivity of the nanofluid
:
Thermal conductivity of the basic fluid
:
Viscosity of the nanofluid
:
Viscosity of the basic fluid
:
Collector efficiency
:
Collector energy receives
:
Auxiliary boiler heat
:
Expander energy
:
Gas energy
:
Screw expander work
:
Cooling load, in kilowatts
:
Heating load, in kilowatts
:
Solar radiation energy on collector, in Joule
:
Sanitary hot water load
Np:
Nanoparticle
:
Energy efficiency
:
Heat exchanger efficiency
:
Sun exergy
:
Collector exergy
:
Natural gas exergy
:
Expander exergy
:
Cooling exergy
:
Heating exergy
:
Exergy efficiency
:
Steam mass flow rate
:
Hot water mass flow rate
:
Specific heat capacity of water
:
Power output form by the screw expander
Tam:
Average ambient temperature
:
Density of the mixture.
Greek symbols
ρ:
Density
ϕ:
Nanoparticles volume fraction
β:
Ratio of the nanolayer thickness.
Abbreviations
CCHP:
Combined cooling, heating, and power
EES:
Engineering equation solver.
Data Availability
For this study, data were generated by CARRIER software for the average electrical, heating, and cooling load of a residential building with 600 m2 in the city of Zahedan, Iran.
Conflicts of Interest
The authors declare that they have no conflicts of interest.
Acknowledgments
This work was partially supported by the National Natural Science Foundation of China under Contract no. 71761030 and Natural Science Foundation of Inner Mongolia under Contract no. 2019LH07003.
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이 논문에서는 Rijke 튜브 내부의 시간 종속 유동장의 실험 연구 및 계산 시뮬레이션에서 진행한 결과를 제시하고 해석합니다. 기존의 추측과 스케일링 분석을 기반으로 한 이론적 논의가 진행됩니다. 주요 결과에는 열 구동 진동에서 중요한 역할을 하는 것으로 보이는 유사성 매개변수가 포함됩니다. 이 매개변수는 열 섭동을 속도, 압력 및 특성 길이의 제곱과 관련시킵니다. 열 진동을 압력 및 속도 진동의 결합된 효과에 기인하는 간단한 이론은 계산, 실험 및 스케일링 고려 사항을 통해 논의됩니다. 이전의 분석 이론은 열 진동을 속도 또는 압력 진동에 연결했기 때문에 현재 분석 모델은 기존 추측에 동의하고 조정합니다. Rayleigh 기준에 따라 열원은 Rijke-tube 하단에서 1/4의 임계 거리에 위치해야 공명이 발생합니다. 이 관찰은 결합이 최대화되는 임계점이 음향 속도와 압력의 곱인 음향 강도가 가장 큰 공간 위치에 해당하기 때문에 제안된 해석을 확인합니다. 수치 시뮬레이션은 Rijke 튜브 내부의 압력 진동이 열 입력이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다는 것을 보여줍니다. 충분히 작은 열 입력으로 음향 싱크가 소스를 초과하고 음향 감쇠가 발생합니다. 열 입력
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