Numerical study of the flow at a vertical pile with net-like scour protection matt Minxi Zhanga,b , Hanyan Zhaoc , Dongliang Zhao d, Shaolin Yuee , Huan Zhoue , Xudong Zhaoa , Carlo Gualtierif , Guoliang Yua,b,∗ a SKLOE, School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China b KLMIES, MOE, School of Naval Architecture, Ocean & Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China c Guangdong Research Institute of Water Resources and Hydropower, Guangzhou 510610, China d CCCC Second Harbor Engineering Co., Ltd., Wuhan 430040, China e CCCC Road & Bridge Special Engineering Co., Ltd, Wuhan 430071, China f Department of Structures for Engineering and Architecture, University of Naples Federico II, Italy
Abstract
현재 또는 파도 환경에서 말뚝 또는 부두의 국부 세굴은 전 세계적으로 상부 구조물의 안전을 위협합니다. 말뚝이나 부두에서 세굴 방지 덮개로 그물 모양의 매트를 적용하는 것이 제안되었습니다. 매트는 국부 세굴 구덩이의 흐름을 약화 및 확산시켜 국부 세굴을 줄이고 퇴적물 퇴적을 강화합니다. 매트로 덮힌 말뚝의 흐름을 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 결과는 매트의 두께 dt(2.6d95 ~ 17.9d95)와 개구부 크기 dn(7.7d95 ~ 28.2d95)을 최적화하는 데 사용되었습니다. 매트가 국부 속도를 상당히 감소시키고 말뚝에서 와류를 소멸시켜 국부 세굴 범위를 실질적으로 감소시키는 것으로 밝혀졌습니다. 매트의 개구부 크기가 작을수록 베드에서의 유동확산이 더 효과적이었으며 말뚝에서 더 작은 베드전단응력이 관찰되었다. 본 연구에서 고려한 유동 조건의 경우 상대 두께 T = 7.7 및 상대 개구 크기 S = 7.7인 매트가 세굴 방지에 효과적일 수 있습니다.
Fig. 26. Distribution of the turbulent kinetic energy on the y-z plane (X = 0.5) for various S
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이 연구에서는 세 가지 다른 말뚝 뚜껑 높이에서 직사각형 말뚝 캡이 있는 복잡한 부두 주변의 지역 세굴 및 관련 흐름 유체 역학을 조사합니다. 말뚝 캡 높이가 초기 모래층에 대해 선택되었으며, 말뚝 캡이 흐름에 노출되지 않고(사례 I), 부분적으로 노출되고(사례 II) 완전히 노출(사례 III)되도록 했습니다. 실험은 맑은 물 세굴 조건 하에서 재순환 수로에서 수행되었으며, 입자 이미지 유속계 (PIV) 기술을 사용하여 다른 수직면에서 순간 유속을 얻었습니다. 부분적으로 노출된 파일 캡 케이스는 최대 수세미 깊이(MSD)를 보여주었습니다. 사례 II에서 MSD가 발생한 이유는 난류 유동장 분석을 통해 밝혀졌는데, 이는 말뚝 캡이 흐름에 노출됨에 따라 더 높은 세굴 깊이를 담당하는 말뚝 가장자리에서 와류 생성에 지배적으로 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 유동장에 대한 파일 캡의 영향은 평균 속도, 소용돌이, 레이놀즈 전단 응력 및 난류 운동 에너지 윤곽을 통해 사례 III에서 두드러지게 나타났지만 파일 캡이 베드에서 떨어져 있었기 때문에 파일 캡 모서리는 수세미에 직접적인 영향을 미치지 않았습니다.
In this study, the local scour and the associated flow hydrodynamics around a complex pier with rectangular pile-cap at three different pile-cap elevations are investigated. The pile-cap elevations were selected with respect to the initial sand bed, such that the pile-cap was unexposed (case I), partially exposed (case II), and fully exposed (case III) to the flow. The experiments were performed in a recirculating flume under clear-water scour conditions, and the instantaneous flow velocity was obtained at different vertical planes using the particle image velocimetry (PIV) technique. The partially exposed pile-cap case showed the maximum obtained scour-depth (MSD). The reason behind the MSD occurrence in case II was enunciated through the analysis of turbulent flow field which showed that as the pile-cap got exposed to the flow, it dominantly affected the generation of vortices from the pile-cap corners responsible for the higher scour depth. The effect of the pile-cap on the flow field was prominently seen in case III through the mean velocities, vorticity, Reynolds shear stresses and turbulent kinetic energy contours, but since the pile-cap was away from the bed, the pile-cap corners did not show any direct effect on the scour.
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인공어초(Artificial Reef, ARs)는 연안 어업 자원을 복원하고 생태 환경을 복원하기 위한 핵심 인공 구조물 중 하나입니다. 그러나 많은 AR이 세굴로 인해 안정성과 기능을 상실한 것으로 밝혀졌다.
AR의 기능적 효과를 보장하기 위해서는 서로 다른 흐름 조건에서 세굴로 인한 매장과 같은 AR의 불안정성을 연구하는 것이 매우 중요합니다.
FLOW-3D에 의해 확립된 3차원 수치 모델은 정상류에서 AR 주변의 국부 세굴 특성을 연구하는 데 사용됩니다. RNG k-ε 난류 모델로 닫힌 RANS 방정식은 하나의 AR 주변의 안정적인 유동장을 시뮬레이션하기 위해 설정됩니다.
시뮬레이션 결과는 이전 실험 결과와 비교되었으며 좋은 일치를 보여줍니다. 그 다음에, 세굴 특성, 평형 세굴 깊이 및 최대 세굴 체적에 대한 AR의 개구수 및 입사각의 영향을 조사하였다. 결과는 개구수가 증가함에 따라 세굴 깊이와 세굴 부피가 감소함을 나타냅니다.
또한 수치적 결과를 바탕으로 AR의 개구수가 평형 세굴깊이와 최대 세굴량에 미치는 영향에 대한 실증식을 제시하였다. 입사각의 변화는 AR의 가장 상류 코너에서 베드 전단 응력의 변화에 영향을 미칠 것입니다. 베드 전단 응력이 클수록 세굴이 더 강해집니다.
본 연구는 증강현실의 최적화된 공학적 설계 및 구축을 위한 이론적 지원과 실질적인 지침을 제공할 것이다. 결과는 개구수가 증가함에 따라 세굴 깊이와 세굴 부피가 감소함을 나타냅니다. 또한 수치적 결과를 바탕으로 AR의 개구수가 평형 세굴깊이와 최대 세굴량에 미치는 영향에 대한 실증식을 제시하였다.
입사각의 변화는 AR의 가장 상류 코너에서 베드 전단 응력의 변화에 영향을 미칠 것입니다. 베드 전단 응력이 클수록 세굴이 더 강해집니다. 본 연구는 증강현실의 최적화된 공학적 설계 및 구축을 위한 이론적 지원과 실질적인 지침을 제공할 것이다.
결과는 개구수가 증가함에 따라 세굴 깊이와 세굴 부피가 감소함을 나타냅니다. 또한 수치적 결과를 바탕으로 AR의 개구수가 평형 세굴깊이와 최대 세굴량에 미치는 영향에 대한 실증식을 제시하였다. 입사각의 변화는 AR의 가장 상류 코너에서 베드 전단 응력의 변화에 영향을 미칠 것입니다.
베드 전단 응력이 클수록 세굴이 더 강해집니다. 본 연구는 증강현실의 최적화된 공학적 설계 및 구축을 위한 이론적 지원과 실질적인 지침을 제공할 것이다. 입사각의 변화는 AR의 가장 상류 코너에서 베드 전단 응력의 변화에 영향을 미칠 것입니다.
베드 전단 응력이 클수록 세굴이 더 강해집니다. 본 연구는 증강현실의 최적화된 공학적 설계 및 구축을 위한 이론적 지원과 실질적인 지침을 제공할 것이다. 입사각의 변화는 AR의 가장 상류 코너에서 베드 전단 응력의 변화에 영향을 미칠 것입니다. 베드 전단 응력이 클수록 세굴이 더 강해집니다.
본 연구는 증강현실의 최적화된 공학적 설계 및 구축을 위한 이론적 지원과 실질적인 지침을 제공할 것이다.
Numerical Simulation of Local Scour Around Square Artificial Reef
Artificial reefs (ARs) are one of the key man-made constructs to restore the offshore fishery resources and recover the ecological environment. However, it is found that many ARs lost their stability and function due to scour. In order to ensure the functional effect of ARs, it is of great significance to study the instability of ARs, like burying caused by scour in different flow conditions. The three-dimensional numerical model established by FLOW-3D is used to study the local scour characteristics around the AR in steady currents. The RANS equations, closed with the RNG k-ε turbulence model, are established for simulating a stable flow field around one AR. The simulation results are compared with previous experimental results and shows good agreement. Then, the effect of the opening number and the incident angles of ARs on the scour characteristics, the equilibrium scour depth and maximum scour volume are investigated. The results indicate that the scour depth and scour volume decrease with the increasing opening number. Moreover, the empirical equations of the effect of the opening number of the AR on the equilibrium scour depth and maximum scour volume are proposed based on the numerical results. The change of the incident angles will affect the change of bed shear stress at the most upstream corner of the AR. The greater bed shear stress results in a more intense scour. This study will provide theoretical support, and practical guidance for the optimized engineering design and construction of ARs.
Beom-Jin Kim 1, Jae-Hong Hwang 2 and Byunghyun Kim 3,* 1 Advanced Structures and Seismic Safety Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute, Daejeon 34057, Korea 2 Korea Water Resources Corporation (K-Water), Daejeon 34350, Korea 3 Department of Civil Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea
Hydraulic structures installed in rivers inevitably create a water level difference between upstream and downstream regions. The potential energy due to this difference in water level is converted into kinetic energy, causing high-velocity flow and hydraulic jumps in the river. As a result, problems such as scouring and sloping downstream may occur around the hydraulic structures. In this study, a FLOW-3D model was constructed to perform a numerical analysis of the ChangnyeongHaman weir in the Republic of Korea. The constructed model was verified based on surface velocity measurements from a field gate operation experiment. In the simulation results, the flow discharge differed from the measured value by 9–15 m3/s, from which the accuracy was evaluated to be 82–87%. The flow velocity was evaluated with an accuracy of 92% from a difference of 0.01 to 0.16 m/s. Following this verification, a flow analysis of the hydraulic structures was performed according to boundary conditions and operation conditions for numerous scenarios. Since 2018, the ChangnyeongHaman weir gate has been fully opened due to the implementation of Korea’s eco-environmental policy; therefore, in this study, the actual gate operation history data prior to 2018 was applied and evaluated. The evaluation conditions were a 50% open gate condition and the flow discharge of two cases with a large difference in water level. As a result of the analysis, the actual operating conditions showed that the velocity and the Froude number were lower than the optimal conditions, confirming that the selected design was appropriate. It was also found that in the bed protection section, the average flow velocity was high when the water level difference was large, whereas the bottom velocity was high when the gate opening was large. Ultimately, through the reviewed status survey data in this study, the downstream flow characteristics of hydraulic structures along with adequacy verification techniques, optimal design techniques such as procedures for design, and important considerations were derived. Based on the current results, the constructed FLOW-3D-based model can be applied to creating or updating flow analysis guidelines for future repair and reinforcement measures as well as hydraulic structure design.
하천에 설치되는 수력구조물은 필연적으로 상류와 하류의 수위차를 발생시킨다. 이러한 수위차로 인한 위치에너지는 운동에너지로 변환되어 하천의 고속유동과 수압점프를 일으킨다. 그 결과 수력구조물 주변에서 하류의 세굴, 경사 등의 문제가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 대한민국 창녕함안보의 수치해석을 위해 FLOW-3D 모델을 구축하였다. 구축된 모델은 현장 게이트 작동 실험에서 표면 속도 측정을 기반으로 검증되었습니다.
시뮬레이션 결과에서 유량은 측정값과 9~15 m3/s 차이가 나고 정확도는 82~87%로 평가되었다. 유속은 0.01~0.16m/s의 차이에서 92%의 정확도로 평가되었습니다.
검증 후 다양한 시나리오에 대한 경계조건 및 운전조건에 따른 수리구조물의 유동해석을 수행하였다. 2018년부터 창녕함안보 문은 한국의 친환경 정책 시행으로 전면 개방되었습니다.
따라서 본 연구에서는 2018년 이전의 실제 게이트 운영 이력 데이터를 적용하여 평가하였다. 평가조건은 50% open gate 조건과 수위차가 큰 2가지 경우의 유수방류로 하였다. 해석 결과 실제 운전조건은 속도와 Froude수가 최적조건보다 낮아 선정된 설계가 적합함을 확인하였다.
또한 베드보호구간에서는 수위차가 크면 평균유속이 높고, 수문개구가 크면 저저유속이 높은 것으로 나타났다. 최종적으로 본 연구에서 검토한 실태조사 자료를 통해 적정성 검증기법과 함께 수력구조물의 하류 유동특성, 설계절차 등 최적 설계기법 및 중요 고려사항을 도출하였다.
현재의 결과를 바탕으로 구축된 FLOW-3D 기반 모델은 수력구조 설계뿐만 아니라 향후 보수 및 보강 조치를 위한 유동해석 가이드라인 생성 또는 업데이트에 적용할 수 있습니다.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.Figure 2. Changnyeong-Haman weir depth survey results (June 2015)Figure 4. Field gate discharge experiment.Figure 16. Analysis results for Case 7 and Case 8
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Graduate Research Assistant, Dept. of Civil Engineering, New Mexico State Univ., P.O. Box 30001, MSC 3CE, Las Cruces, NM 88003-8001 (corresponding author). Email: samanmzf@nmsu.edu
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
피기백 파이프라인은 2개의 파이프로 구성되어 2차 라인이 2개의 파이프 사이의 길이가 고정된 거리로 메인 파이프에 탑승합니다. 새로운 전략은 단일 흐름 라인 대신 연안 지역에서 활용됩니다.
이와 관련하여 정상 전류에서 피기백 파이프라인 아래의 세굴 효과를 조사하는 실험 및 수치 연구는 소수에 불과합니다. 따라서 본 연구에서는 수치모사 및 실험적 실험을 통해 관직경, 관간격 등 정류에 의한 세굴에 영향을 미치는 요인을 살펴보고자 합니다.
따라서 연구의 첫 번째 단계에서 단일 파이프를 설치하고 실험식의 결과와 결과를 비교하기 위해 실험실에서 테스트했습니다. 실험적 검증을 마친 후, 피기백 파이프라인도 조립하여 안정된 전류 조건에서 정련을 연구했습니다. 파이프 사이의 간격을 늘리면 최대 세굴 깊이가 감소한다는 결론이 내려졌습니다.
그러나 작은 파이프의 직경이 증가하면 최대 세굴 깊이가 커집니다. 둘째, 본 연구의 수치적 조사에 적합한 도구인 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 수치해석을 수행하였습니다.
마지막으로, 수치 결과를 해당 실험 데이터와 비교했으며, 이들 사이에 비교적 좋은 일치가 달성되었습니다.
A piggyback pipeline consists of two pipes such that the secondary line rides on the main pipe with a fixed distance between two pipes in length. The novel strategy is utilized in offshore areas instead of a single flow line. In this regard, there are only a handful of experimental and numerical studies investigating the effect of scour below a piggyback pipeline under steady current. Hence, this study focuses on examining the influential factors on scouring due to steady current including the pipe diameter and the gap between pipes through numerical simulations and experimental tests. Accordingly, at the first phase of the research, a single pipe was established and tested in laboratory to compare the results with those of an empirical equation. After finishing experimental verifications, piggyback pipelines were also assembled to study the scouring under steady current conditions. It was concluded that by increasing the gap distance between the pipes, the maximum scour depth decreases; however, an increase in the small pipe’s diameter results in a larger maximum scour depth. Secondly, numerical simulations were carried out using the FLOW-3D software which was found to be a suitable tool for the numerical investigation of this study. Finally, the numerical results have been compared with the corresponding experimental data and a relatively good agreement was achieved between them.
Fig. 1. (a) Arrangement of piggyback pipeline, (b) Plan view of experimental flume.Fig. 3. Initial photos of two mounted piggyback pipelines in experimental setup for d/D=0.25.Fig. 9. Simulated separation regions for surface mounted cylinder
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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.
References
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Korean References Translated from the English
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7 김주성 (2007). 댐 여수로부 수리 및 수치모형실험 비교 고찰. Water for Future. 40(4): 74-81.
해상풍력단지개발에서 단일형 석션버켓 기초의 기울기 제어는 중요한 문제이다. 단일형 석션버켓 기초의 경우에는 내부에 격실을 마련하고 각 격실의 압력을 제어하는 것으로부터 기초의 기울기 제어가 가능하다. 단 각 격실의 압력은 미세하게 제어가 가능하여야 한다. 이에 대한 연구들이 수행되었으나 기울기 제어에 대한 방법론에 대해서는 구체적으로 언급이 되지 않고 있다. 본 연구에서는 3개의 내부격실을 둔 단일형 석션버켓 기초의 기울기 제어에 대한 모형실험을 실시하였다. 모형석션 기초의 기울기 제어를 위해서 격실내부압력을 각기 제어하여 실험을 수행하였다. 모형은 실제크기의 1:100으로 제작하였고 모래지반으로 수행하였다. 각 격실별로 부압 및 정압을 4가지로 조합하여 모형기초의 기울기 제어 실험을 수행하였다. 실험결과 시공 중 및 운용 중에 대해서 5°의 기울기 제어가 가능하였다. 운용중의 경우에는 부압만으로는 모형기초의 기울기 제어가 한계가 있어 정압을 조합하여 5°의 기울기 제어를 실현하였다.
In offshore wind farms, tilting control based on a single-basket suction bucket foundation is a significant problem. In a single-basket suction bucket foundation, the tilting control of the foundation is possible by arranging the cells inside and controlling the pressure of each cell. However, the pressure of each cell must be finely controlled. Studies on this topic have been conducted, but no specific tilting control method has been developed. This paper presents experimental model results for tilting control obtained during the installation of a suction bucket foundation consisting of three internal cells. Tilting control was performed by independently controlling the internal pressure of each cell. A 1:100 scale model was used, and the ground condition was sandy. Four cases of tilting control tests for the model foundation were used with multiple combinations of internal positive, negative, or both pressures of each cell. It was found that the tilting control was within 5° during the installation and operation stages. There was a tilting control limit for operation based on the model with only negative pressure; therefore, 5° tilting control was achieved by combining the positive pressure.
해상풍력발전기가 원활한 발전을 하기 위해서는 일정각도 이내의 기울기가 확보되어야 한다. 석션버켓 기초 형식은 기초하부가 단단한 암반층에 놓이지 않는다. 따라서 석션버켓 기초를 가지는 해상풍력 발전기는 조류력, 풍력, 파력 그리고 세굴 등에 의해 기울어질 수 있다. 우리나라의 경우 유럽과 달리 태풍과 같은 변수도 작용한다. 이를 극복하기 위해서는 설치단계나 운용단계에서 기울기를 보정하는 것이 중요하다. 특히 단일형 석션버켓 기초의 경우 내부에 격실을 두고 격실 내 압력을 제어하여 기울기를 보정하게 된다. 이 경우 각 격실에 부여하는 압력에 따라 기울기 보정이 이루어 질것이나 구체적으로 기울기보정을 위한 압력제어방법에 대해서는 구체적인 언급이 없는 형편이다.
Universal Foundation은 북해 Round 3에 대하여 단일형 석션버켓 기초에 대한 시험시공을 실시하였으며 수직도를 0.1° 미만으로 달성한 바 있다(Universal-foundation, 2014).
중국에서는 해상풍력 발전기용 단일형 석션버켓 기초에 내부격실을 적용하였으며 기초를 prestressed 콘크리트로 만든바 있다(Lian et al., 2011, Lian et al., 2012; Zhang et al., 2015). Zhang et al. (2016)에 따르면, 내부격실은 6각형이 모여있는 벌집형태를 가지며 실험은 Jiangsu성 풍력단지 예정지에서 가져온 실트질 모래로 지반을 조성하였다. 총 7개의 내부격실을 개별적으로 제어하였으나 최종 수직도는 명확하게 기술하지 않았다. 작은 기울기에 대해서는 부압을 통하여 조정하고, 큰 기울기에 대해서는 정압과 부압을 조합하여 제어를 완료하였다. 단일형 석션버켓 기초의 수직도에 대한 연구이나 구체적 절차가 언급되어 있지 않고, 격실별 정압⋅부압의 조합으로 인한 효과 등에 대해서도 자세하게 언급하지 않았다.
국내에서는 Kwag et al. (2012)은 군산항 앞바다에 단일형 석션버켓 기초를 시험 시공하였다. 단일형 석션버켓 기초를 최대 0.5° 이내의 오차로 설치가 완료하였다. 또한, Kim and Bae (2016)는 내부격실을 가지는 단일형 석션버켓 기초에 대한 기울기 보정방법을 제안하였다. 석션버켓 기초의 내부를 동일한 크기로 한가운데를 기준으로 방사형으로 3개 또는 4개의 격실로 나누고, 격실별 석션압을 제어하여 기울기를 제어하는 기술을 제안하였다. Kim et al. (2017)은 3개의 내부격실을 갖는 실내모형실험에서 시공중 1° 이상의 기울기 제어가 가능하였으며, 운용 중에는 0.25°의 기울기 제어가 가능한 것을 확인하였다. 운용단계에서는 정압을 부여하여야 큰 기울기 보정이 가능함을 밝혔다.
Kim et al. (2017)의 연구에서는 펌프구동압 제어문제로 임의 방위각을 가지는 단일형 석션버켓 기초의 실험을 수행하지 못하였고, 일방향 제어에 의한 기울기 제어의 실험이 수행되었다. 실험은 펌프구동압이 제어되지 못하여 보일링이 발생하는 문제가 있었다.
본 연구에서는 Kim et al. (2017)의 기존 연구를 보완하여 3개의 격실을 가지는 단일형 석션버켓 기초모형을 가지고 격실내부 압력을 각기 제어하여 기울기를 보정하는 실험연구를 수행하였다. 4개의 실험들은 초기에 동일한 경사각을 가지도록 하였고 이를 펌프구동에 의해 0.25° 이하가 되도록 하였으며, 기울어진 점이 내부격실위치에 상관없이 임의 방위각을 가지도록 배치하여 개별 격실내부에 부압과 정압을 조합하는 조건에서 해상풍력 발전기 시공단계 중 2가지와 운용 중 2가지에 대해서 기울기 보정실험을 수행하였다. 1개의 해상풍력기초의 경우는 수동에 의한 기울기 보정이 가능하다고 보여 지나, 해상풍력단지는 다수의 기초로 구성되며, 자동화를 위한 알고리즘 개발은 중요한 문제이다. 일련의 실험들은 동일한 방식에 의해 모형기초의 기울기 제어가 되도록 하였다. 동일한 알고리즘이 적용되는 경우에 단일형 석션버켓 기초로 이루어진 해상풍력단지 개발에 적용이 가능할 것으로 사료된다.
2. 실험방법 및 장비
본 연구에서는 Kim and Bae (2016)가 제안한 방법을 실험적으로 구현하였다. 이를 위해 Kim et al. (2017)의 시스템에서 문제가 되었던 펌프의 압력을 제어하기 위해 비례제어밸브를 추가 하였고, 임의 방위각으로 기울어진 모형석션버켓 기초를 기울기 보정하기 위해 총 6개의 펌프를 설치하였다. 펌프에 의한 격실 내 압력제어는 모형기초의 기울기를 미세하게 자세제어하기 위해서 필요하다. Kim et al. (2017)에서 사용한 펌프는 작은 용량이었으나 보일링이 일어나는 문제가 있었다. 따라서 압력을 제어하기 위해서 펌프자체의 속도를 저감하는 방법이 필요하였다. 채택된 펌프용량이 작아서 인버터와 같은 펌프속도에 맞는 속도제어기를 구하지 못하였다. 이에 따라 압력제어를 위하여 격실에 연결되는 호스 중간에 비례제어밸브를 채택하게 되었다. 비례제어밸브는 수백단계의 각도를 미세하게 제어가 가능하며 전압이나 전류 값을 입력하여 밸브의 여닫힘 제어가 가능하다. 본 실험에서 사용된 비례제어밸브는 전압제어 방식으로 0에서 5 V DC전압으로 밸브 폐쇄부터 완전개방까지를 제어할 수 있다. 본 실험에서는 제어기와 비례제어밸브간 거리가 상대적으로 멀지 않았기 때문에 제어가 쉬운 DC전압제어를 사용하였으나, 5 m 이상 거리가 먼 경우에는 전압강하 등에 의한 문제가 없는 전류 값으로도 제어가 가능한 제품을 사용하였다. Kim and Bae (2016)가 제안한 방법의 기본개념은 Fig. 1(a)와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 각 격실의 압력을 제어하여 초기위치 pt4를 기울기원점(기울기 0°) pt0로 보내는 것으로 2번의 경로를 통하여 원점으로 보내게 된다. 여기에는 각 격실의 압력부여에 따라 3가지 방법이 있다. 우선 격실2번에 부압을 주면 pt1으로 보내고 다음 단계로 격실 2번 및 3번에 부압을 주어 pt0로 보내는 방법1, 격실3에 부압을 주어 pt2로 보낸 다음 격실 2에 부압을 주어 pt0로 보내는 방법2, 마지막으로 격실 2 및 3에 부압을 주어 pt3으로 보낸 다음 격실2에 부압을 주어 pt0로 보내는 방법3다. 이 3가지 방법 중에서 중간의 경로점 pt1, pt2, pt3와 최종위치 pt0와의 거리가 가장 짧은 쪽을 선택하는 것이 가장 효율적인 방법이다. 본 연구에서는 pt4(방위각 55°)에서 pt3를 거쳐 pt0로 보내는 방법(case 1)과 pt4의 대각선에 위치한다고 가정한(방위각 235°) pt5에서 pt0로 이동시키는 방법(case 2)에 대해 모형실험을 실시하였다(Fig. 1(b) 참조). 또한 해상풍력발전기가 운영중인 것으로 모사하기 위해 내부격실이 모래지반으로 채워져서 부압만으로는 기울기보정이 안 되는 것으로 가정하여 case 1과 case 2와 동일한 방위각 및 기울기에서 정압도 부여하는 방법(case 3, 4)에 대하여 실험을 실시하였다. Kim et al. (2017)에 의하면 3개의 격실 중 1개의 격실 만에도 내부에 모래지반으로 채워져 물로만 되어 있는 공간이 없는 경우는 더 이상 기울기 제어가 거의 되지 않았음을 확인한 바 있다. 초기 기울기각은 5°로 하였으며 방위각은 Fig. 1(b)에서와 같이 55° 및 235°에 대하여 실시하였다. 방위각 55°의 경우 위에서 언급한 격실 2와 3에 부압을 주는 경우(Fig. 1(c) 참조)가 가장 효율적이며 방위각 235°의 경우는 격실 1에 부압을 주는 방법(Fig. 1(d) 참조)이 가장 효율적이다.
Fig. 1
Basic Concept of Tilting Control Method
이와 같이 동일한 방식으로 자동화를 이루면 단일형 석션버켓 기초로 이루어진 해상풍력단지에서 일정각도 이상 기울어진 경우에 자동적으로 기울기가 보정 가능할 것으로 사료된다.
실험장비는 Fig. 2와 같이 모형토조, 모형기초 내부의 부압 및 정압을 부여하는 펌프, 모형석션버켓 기초, 펌프압을 제어하는 비례제어밸브, 레이저변위용 센서거치대, 데이터 수집장비 및 실시간데이터를 볼 수 있는 PC로 구성된다. 모형토조 제원은 내경 580 mm, 내측 높이 454 mm이며 두께 10 mm의 원형아크릴로 제작되었다. 데이터 수집장비는 레이저변위계 및 압력계를 계측할 수 있는 측정장비를 사용하였고 계측간격은 초당 2회로 하였다.
Fig. 2 Model Test System
Model Test System
모형석션버켓 기초는 두께 3 mm의 아크릴로 제작되었으며, 이의 제원은 Fig. 3(a)와 같이 지름 170 mm, 높이 130 mm이다. 내부격실은 두께 3 mm, 격실높이 78 mm로 모형석션버켓 벽체높이의 60%로 설치하였다. 모형석션버켓 기초는 원형(prototype) 구조물의 1:100의 크기로 제작되었다. 모형석션버켓 기초 내부에 격실 내부의 압력을 측정하는 압력계를 부착하였다(Figs. 3(b) and 3(e) 참조). 격실내부의 압력계는 간극수압의 측정을 위하여 격실내부에 있는 모래지반이 부압에 의하여 융기하여 격실내부천장에 있는 압력센서에 닿지 않도록 빈 공간을 두었으며 물만 유입이 되도록 가는 철망을 씌웠다. 사용된 압력계는 50 kPa의 압력까지를 측정할 수 있는 것으로 2 m 깊이의 수조에 물을 넣고 수위를 조절하여 실험에 사용된 모든 센서를 검정하여 사용하였다. 실험 중 변위는 연직변위 측정을 위하여 레이저변위계로 측정되었으며, 총 1개가 사용되었다. 모형기초의 중앙상부에 반사판을 설치하였고, 센서거치대에는 막대를 설치하고 막대 끝에 레이저변위계를 수직 Z축 방향으로 부착하였다(Figs. 3(a) and 3(c) 참조). 레이저변위계에는 변위값이 표시되며 운용중 단계인 실험 Case 3 및 Case 4에서 부압에 의해 연직변위가 더 이상 발생하지 않는 것을 확인하는 용도로 설치하였다(Fig. 3(d) 참조). 모형석션버켓 기초의 기울기 측정을 위해 경사계를 모형상부에 설치하였다. 경사계는 X, Y 2개축의 기울기를 각각 -40°~40°까지 측정가능하며, DC 전압으로 출력된다. 이를 Data logger에서 계측하고 다시 방위각 및 경사각을 계산하여 PC상에서 실시간으로 보여줄 수 있도록 하였다.
펌프는 일 방향으로만 구동되는 로터리식 펌프로 물이 한 방향으로만 들어가고 반대방향으로 물이 나오는 구조의 펌프이다. 펌프는 220 V AC로 구동되며 용량은 80 W이다. 사용된 펌프는 총 6개로 모든 격실에 각각 2개씩 연결되어, 격실별 제어를 하였다. 실험 case별로 각 격실별 압력이 부압인지 정압인지에 따라서, 사용되는 펌프가 다르게 하여 실험을 수행하였다.
모형석션버켓 기초는 30 mm까지는 수동으로 관입시켰으며, 이후 모형석션버켓의 매입깊이가 20 mm가 남겨질 때까지 각 격실에 부압을 작용시키면서 관입시켰다. 35 mm가 남겨진 이후에는 초기기울기를 부여하기 위해 각 격실별로 부압을 달리하였다. 마지막단계에서는 초기기울기를 모든 실험에서 동일하게 설정하기 위해 3개의 격실에 각기 다른 부압을 작동시키면서 X축으로부터 방위각 55°(또는 235°) 및 기울기가 5°가 되도록 기초상부를 강제변위를 부여하여 위치시켰다. 방위각 및 기울기는 컴퓨터화면에서 실시간으로 볼 수 있도록 하였다. Kim et al. (2017)에서는 펌프압의 크기를 제어하지 못하여 실재적인 기울기 모사가 어려워서 한쪽방향으로만 움직이게 하는 기울기 제어 실험을 실시한바 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하고자 펌프를 3개 추가하여 총 6개를 설치하였으며, 모든 펌프에는 비례제어밸브를 설치하여 컴퓨터프로그램으로 비례제어밸브의 여닫는 각도를 제어할 수 있도록 하여 임의 방위각을 가진 기울어진 모형석션버켓 기초의 수직도제어가 가능하도록 시스템을 개선하였다. 사용된 비례제어밸브는 600단계의 여닫힘 각도제어가 가능하다. 각 격실별로 부압펌프 1개 및 정압펌프 1개를 설치하였다. 실험조건은 설치단계에 대한 모사로서 모형석션버켓의 설치모사단계로 X축을 기준으로 55° 또는 235°의 방위각에 기울기 5°를 기준으로 하여 동일한 기초배치시 격실의 부압 및 정압제어를 실시하는 2가지 조건으로 하였다(case 1, 2). 또한 운전 중인 상태를 고려하되 앞의 조건과 동일한 방위각 55° 및 235°에 대한 2가지 실험을 실시하였다. 기초 설치시의 조건인 경우에는 격실내부에 물만 있는 공간이 있는 경우이고, 운전 중인 조건은 격실내부에 부압을 작용시켜도 모형석션버켓 기초가 움직이지 않는 경우로 가정하였다(case 3, 4). 이를 위해 3개의 격실중 적어도 하나의 격실에 모래지반으로 채워져서 부압을 가하여도 모형석션버켓이 움직이지 않아 기울기 제어가 안 되는 조건을 인위적으로 조성하였다. 따라서 운전 중인 경우에는 내부에 모래가 차있는 격실에 정압을 부여하여 인위적으로 내부공간을 만들면서 기울기를 제어하도록 하였다. 기울기 제어 실험케이스는 Table 1과 같다.
격실의 압력은 실험 시작 전 초기에 설정한 비례제어밸브의 열림정도를 결정하고 수행하였으며, 격실압력이 이웃격실로 전이되거나 보일링이 발생되는 경우에는 실험을 중단하였고, 비례제어밸브값을 수정하여 초기 압력을 다시 설정하였다. 또한 실험중간에 비례제어밸브를 미세하게 제어할 수 있도록 프로그램화 하였으며 PC에서 실시간으로 제어하여 기울기의 변화를 살펴가면서 기울기가 0.25 이하가 나올 때까지 제어하였다. 계측은 격실 내 압력 및 모형석션버켓의 최상단에 변위계를 설치하여 변위를 측정하였다. 사용된 지반은 모래이고 Kim et al. (2017)에서 수행한 실험과 동일한 모래를 사용하였으며 내부마찰각은 39.1°이었으며 상대밀도는 59%이었다. 모래지반조성은 강사기를 사용하였으며, 토조 하부에 관을 매설하여 물을 주입할 수 있도록 하였으며 지반조성 후 포화 시 지반의 교란이 최소가 되도록 하였다. 본 연구에서는 연구목적이 Kim et al. (2017)이 수행한 실험과의 연계 및 내부격실을 이용하여 기울기 제어 가능성을 판단하기 위한 것이기 때문에, 모래지반만을 대상으로 연구를 수행하였다. 각 격실 상부에는 부압용라인과 정압용라인, 초기 압입 시 발생되는 내압을 제거하기 위한 밸브가 같이 부착되어 있다. Kim et al. (2017)에서는 모형석션버켓 기초의 평형을 맞춘 상태로 기울기 제어 실험을 실시하였으나, 본 연구에서는 초기에 정해진 방위각 및 기울기를 확보하고자, 각 격실에 압력을 제어하면서 최종적으로는 수동으로 방위각 및 기울기를 조정하였다. 격실 내 모래가 다 차있는 공용 중 기울기 모사실험을 모사하기 위해서는 하나 또는 두 개의 격실에 다른 격실보다 큰 부압을 부여하여 보일링이 발생토록 유도하였다. 부압발생에 따른 추가적인 변위발생이 없는지를 상부에 설치된 레이저변위계의 수치를 보면서 초기 모형석션버켓 기초설치를 완료 하였다.
3. 실험결과 및 토의
실험결과를 제시한 그래프에서 측정된 격실내부 수압은 초기값을 0으로 설정하고 압력이 부여된 상태에 대한 상대 압력을 도시하였다. 경사계는 토조를 상부에서 바라볼 때 오른쪽이 X축으로 앞쪽을 Y축으로 정하였으며 방위각은 X축을 기준으로 반시계방향으로 정하였다. 경사계로 얻은 경사각은 실험 전 기초를 5°(±0.1° 이내)가 되도록 기울여 설정하였으며, 격실1에 설치된 상대압력 값은 P1으로 나머지 격실 2와 3의 상대압력은 P2와 P3으로 각각 표시하였다. 각 격실은 X축을 방위각 0°로 하여 방위각 120°까지가 격실 1, 그 다음 240°까지가 격실 2, 나머지 360°까지를 격실 3으로 하였다. 실험결과 그래프에 격실별 위치를 나타내는 모형석션버켓 기초의 평면도를 삽입하였다. 평면도에서 작은 점은 실험을 시작하기 전의 모형석션기초의 기울어진 위치이다. 둥근 원은 모형석션기초의 기울어진 경사각 5°를 뜻한다.
3.1 시공단계 기울기 제어 모사실험
3.1.1 2격실에 부압 적용한 기울기 제어 : Case 1
Case 1 실험은 Fig. 1(c)에서와 같이 3개의 격실 중 격실 2 및 3의 2개 격실에 부압을 작용시켜 모형 기초의 기울기를 보정하는 1단계 및 현 기울기 위치가 X축을 기준으로 방위각 0°에 이르면 2번 격실에 부압을 작용시켜 기울기가 0.25° 이하가 되도록 하는 2단계 실험이다. 격실내부의 수압변화와 모형석션버켓 기초의 경사각변화는 Fig. 4와 같다. Fig. 4에서 보는 바와 같이, 부압을 가한 격실에서 측정된 압력 P2 및 P3이 낮아졌으며, 아무런 압력을 가하지 않은 격실 1에서 측정된 압력 P1도 따라서 낮아 졌으나 그 값은 작았으며 보일링도 발생하지 않았다. 방위각이 0°에 가까워지면 비례제어밸브 열림 정도를 작게 하면서 격실 3 펌프를 정지시켰다. 그리고 격실 2에 연결된 펌프의 압력을 낮추기 위해 연결된 비례제어밸브의 열림 정도를 작게 조종하였으며 최종적으로 경사각은 0.25° 이하가 유지되어 기울기가 조정됨을 확인 하였다.
Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle for Case 1
3.1.2 1격실에 부압 적용한 기울기 제어 : Case 2
Fig. 5는 실험결과 Case 2의 격실 내 압력변화와 경사각을 같이 도시한 그림이다. 2격실 부압 적용 조건인 Case 1과 마찬가지로 부압에 의해 경사각 변화가 발생하는 것을 확인하였으며 2개 격실에 부압이 적용된 Case 1보다 기울기보정시간이 길었다. Case 1과 마찬가지로 나머지 격실에 부압이 발생하였으나 값은 크지 않았다. Case 1과 마찬가지로 경로마다 비례제어밸브도 제어하였으며 최종적으로는 펌프를 정지시켰다. Case 2에서도 경사각 0.25° 이하로 제어가 가능함을 확인하였다.
Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle for Case 2
3.2 시공완료 후 해상풍력 발전기 운용단계 모사실험
3.2.1 부압2격실 및 정압1격실에 적용한 기울기 제어 : Case 3
Case 3의 실험결과는 Fig. 6과 같다. Case 3에서는 격실 1이 모래로 차있기 때문에 격실내 부압 제어만으로는 기울기 제어각도가 제한된다. Kim et al. (2017)에 의하면 부압에 의해서는 0.25°의 기울기 보정이 가능하였다. 따라서 격실 안에 모래로 차있는 격실에 정압을 부여하여 격실 내 상부판과 모래지반상부와의 공간을 확보하면서 기울기를 제어하였다. 또한 반대편에 부압을 작용시켜 기울기가 빠르게 보정되도록 하였다. Case 3의 경우도 경사각 5°에 대한 기울기 제어가 가능함을 확인하였다.
Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle of Case 3
3.2.2 부압1격실 및 정압2격실에 적용한 기울기 제어 : Case 4
시공완료 후 조건에 따라 사전에 격실 2 및 격실 3에 모래가 차도록 부압을 발생시켜둔 상태로 부압만으로는 기울기 제어가 안되기 때문에 격실 2 및 격실 3에 정압을 발생시키고 반대편 격실 1에는 부압을 부여하였다. Fig. 7 결과에 의하면 Case 3보다는 Case 4에서 기울기 보정시간이 단축되었는데, Case 3에서는 정압부여 격실이 1개 인데 비하여 Case 4에서는 정압부여 격실이 2개이기 때문으로 사료된다. Case 4에서도 기울기 0.25°로 달성 가능함을 확인하였다.
Variations in Pressures of Internal Cells and Inclined Angle for Case 4
3.3 실험케이스별 모형석션버켓 기초의 최종 경사각과 도달시간
Table 2는 실험 중 경사각을 정리하였다. 시공 중 및 운용 중에 대한 4개의 실험들에서 설정된 초기 기울기가 5° 인 경우에 최종기울기가 0.25° 이하로의 기울기 보정이 가능함을 확인하였다. 또한, 방위각과 격실배치에 상관없이 임의각도로 기울어져도 격실에 부압과 정압을 부여하면 기울기 제어가 가능함을 확인 하였다. 운용중인 경우는 부압만으로 기울기 제어가 곤란함을 이전 실험연구에서 확인하였는바 이번 연구에서는 격실에 정압을 부여함으로서 기울기 제어가 가능함을 확인하였다.
단일형 석션버켓 기초를 사용하는 해상풍력 발전기의 하부기초에 대하여 3개의 내부격실을 적용한 형식으로 임의 방향의 기울기 제어가 가능함을 확인하는 모형실험을 수행하였다. 각 격실에는 부압용 및 정압용 펌프를 각기 연결하였다. 또한 각 펌프에 비례제어밸브를 추가하여 압력을 제어하였다. 모래지반에서 원형(prototype) 구조물의 1:100 크기로 된 모형석션버켓을 이용한 4개의 실험결과로 부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 내부격실 내 여유 공간이 있는 시공단계 중을 모사한 단일형 석션버켓 모형실험에서 초기 설정한 5°의 기울기 제어가 가능하였다. 단일형 석션버켓 기초에 3개의 내부격실을 둠으로서 격실내부압력변화로 부터 기울기 제어가 가능한 것을 확인하였다.
2. 격실 내 상판이 지표면에 맞닿은 조건이 되는 경우로 가정한 운용단계실험에서 정압을 부여하여 내부에 공간을 확보하면서 이웃격실에 부압을 부여하면 기 설정된 5°의 기울기 제어가 가능함을 확인하였다. 3개 격실 모두에 여유 공간이 없는 경우도 기울기 제어가 가능할 것으로 사료되나 내부격실 모두에 정압을 부여하면 풍력발전기전체가 상승하게 되어 이에 대해서는 세심한 기울기 제어가 필요할 것으로 사료된다.
3. 이전 연구에서 펌프압력을 제어하기 어려웠던 것에 비하여 본 연구에서는 비례제어밸브를 사용하여 압력을 기존실험에서보다 낮게 제어하여 격실내부의 압력이 이웃격실로 새어나가는 것을 방지 할 수 있었으며 이를 통하여 2단계 경로제어가 가능하였다. 다만, 동일한 압력제어가 매 실험마다 구현되지 않는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위해서는 모형축척을 보다 크게 할 필요가 있다고 사료된다.
4. 해상풍력 발전기 기초에 단일형 석션버켓 기초가 적용되는 경우 시공단계에서 펌프속도를 제어하는 장치가 각 펌프별로 필요할 것으로 판단된다. 또한 발생된 압력을 알기 위해서는 설치단계별 격실 내 압력을 측정하는 것도 중요하다. 운용 시에는 일정깊이에서 유사한 압력만 제어하면 가능하기 때문에 상대적으로 간단한 제어방식을 사용하는 것도 가능할 것으로 사료된다. 다만, 실험결과와 같이 기울기 보정각이 큰 경우에는 격실 내 정압력도 부여해야 하는 문제가 있기 때문에 격실 내 공간확보를 위한 부양높이를 기울기 제어가 가능한 범위내로 제한할 필요가 있다.
5. 단일형 석션버켓기초는 해상풍력단지 건설시 및 운용시 수직도의 유지가 중요하며, 이 경우 동일한 알고리즘을 가지는 수직도제어방법의 개발이 필요하다고 사료된다. 따라서 이를 자동화하기 위한 알고리즘의 개발이 선행되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 기 개발된 알고리즘이 구현되는지를 실험적으로 규명하였다. 본 연구에서는 2단계 경로를 가지는 방법을 제안하였으나 정밀한 기울기 제어가 가능한 경우에 단일경로로 제어하는 방법도 가능할 것으로 사료된다.
6. 본 연구에서는 격실매입깊이에 따른 상한 및 하한 압력을 결정하고 이에 맞는 압력을 부여하는 실험까지는 수행하지 못하였으며 향 후 보다 정밀한 자세제어기법 개발을 위해서는 상하한 압력도표를 적용한 알고리즘의 개발이 필요하다고 사료된다.
Chendi Zhang1 , Yuncheng Xu1,2, Marwan A Hassan3 , Mengzhen Xu1 , Pukang He1 1State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing, 100084, China. 2 College of Water Resources and Civil Engineering, China Agricultural University, Beijing, 100081, China. 5 3Department of Geography, University of British Columbia, 1984 West Mall, Vancouver BC, V6T1Z2, Canada. Correspondence to: Chendi Zhang (chendinorthwest@163.com) and Mengzhen Xu (mzxu@mail.tsinghua.edu.cn)
Abstract
스텝 풀 시스템은 계류의 일반적인 기반이며 전 세계의 하천 복원 프로젝트에 활용되었습니다. 스텝 풀 장치는 스텝 풀 기능의 형태학적 진화 및 안정성과 밀접하게 상호 작용하는 것으로 보고된 매우 균일하지 않은 수력 특성을 나타냅니다.
그러나 스텝 풀 형태에 대한 3차원 수리학의 자세한 정보는 측정의 어려움으로 인해 부족했습니다. 이러한 지식 격차를 메우기 위해 SfM(Structure from Motion) 및 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기술을 기반으로 하이브리드 모델을 구축했습니다. 이 모델은 CFD 시뮬레이션을 위한 입력으로 6가지 유속의 자연석으로 만든 인공 스텝 풀 장치가 있는 침대 표면의 3D 재구성을 사용했습니다.
하이브리드 모델은 스텝 풀 장치에 대한 3D 흐름 구조의 고해상도 시각화를 제공하는 데 성공했습니다. 결과는 계단 아래의 흐름 영역의 분할, 즉 수면에서의 통합 점프, 침대 근처의 줄무늬 후류 및 그 사이의 고속 제트를 보여줍니다.
수영장에서 난류 에너지의 매우 불균일한 분포가 밝혀졌으며 비슷한 용량을 가진 두 개의 에너지 소산기가 수영장에 공존하는 것으로 나타났습니다. 흐름 증가에 따른 풀 세굴 개발은 점프 및 후류 와류의 확장으로 이어지지만 이러한 증가는 스텝 풀 실패에 대한 임계 조건에 가까운 높은 흐름에서 점프에 대해 멈춥니다.
음의 경사면에서 발달된 곡물 20 클러스터와 같은 미세 지반은 국부 수력학에 상당한 영향을 주지만 이러한 영향은 수영장 바닥에서 억제됩니다. 스텝 스톤의 항력은 가장 높은 흐름이 사용되기 전에 배출과 함께 증가하는 반면 양력은 더 큰 크기와 더 넓은 범위를 갖습니다. 우리의 결과는 계단 풀 형태의 복잡한 흐름 특성을 조사할 때 물리적 및 수치적 모델링을 결합한 하이브리드 모델 접근 방식의 가능성과 큰 잠재력을 강조합니다.
Step-pool systems are common bedforms in mountain streams and have been utilized in river restoration projects around the world. Step-pool units exhibit highly non-uniform hydraulic characteristics which have been reported to closely 10 interact with the morphological evolution and stability of step-pool features. However, detailed information of the threedimensional hydraulics for step-pool morphology has been scarce due to the difficulty of measurement. To fill in this knowledge gap, we established a hybrid model based on the technologies of Structure from Motion (SfM) and computational fluid dynamics (CFD). The model used 3D reconstructions of bed surfaces with an artificial step-pool unit built by natural stones at six flow rates as inputs for CFD simulations. The hybrid model succeeded in providing high-resolution visualization 15 of 3D flow structures for the step-pool unit. The results illustrate the segmentation of flow regimes below the step, i.e., the integral jump at the water surface, streaky wake vortexes near the bed, and high-speed jets in between. The highly non-uniform distribution of turbulence energy in the pool has been revealed and two energy dissipaters with comparable capacity are found to co-exist in the pool. Pool scour development under flow increase leads to the expansion of the jump and wake vortexes but this increase stops for the jump at high flows close to the critical condition for step-pool failure. The micro-bedforms as grain 20 clusters developed on the negative slope affect the local hydraulics significantly but this influence is suppressed at pool bottom. The drag forces on the step stones increase with discharge before the highest flow is used while the lift force has a larger magnitude and wider varying range. Our results highlight the feasibility and great potential of the hybrid model approach combining physical and numerical modeling in investigating the complex flow characteristics of step-pool morphology.
Figure 1: Workflow of the hybrid modeling. SfM-MVS refers to the technology of Structure from Motion with Multi View Stereo.
DSM is short for digital surface model. RNG-VOF is short for Renormalized Group (RNG) k-ε turbulence model coupled with
Volume of Fluid method.Figure 2: Flume experiment settings in Zhang et al., (2020): (a) the artificially built-up step-pool model using natural stones, with
stone number labelled; (b) the unsteady hydrograph of the run of CIFR (continually-increasing-flow-rate) T2 used in this study.Figure 3: Setup of the CFD model: (a) three-dimensional digital surface model (DSM) of the step-pool unit by structure from motion
with multi view stereo (SfM-MVS) method as the input to the 3D computational fluid dynamics (CFD) modeling; (b) extruded bed
160 surface model connected to the extra downstream component (in purple blue) and rectangular columns to fill leaks (in green), with
the boundary conditions shown on mesh planes; (c) recognized geometry with mesh grids of two mesh blocks shown where MS is
short for mesh size; (d) sampling volumes to capture the flow forces acting on each step stone at X, Y, and Z directions; and (e) an
example for the simulated 3D flow over the step-pool unit colored by velocity magnitude at the discharge of 49.9 L/s. The
abbreviations for boundary conditions in (b) are: V for specified velocity; C for continuative; P for specific pressure; and W for wall
165 condition. The contraction section in Figure (e) refers to the edge between the jet and jump at water surface.Figure 4: Distribution of time-averaged velocity magnitude (VM_mean) and vectors in three longitudinal sections. The section at Y = 0 cm goes across the keystone while the other two (Y = -18 and 13.5 cm) are located at the step stones beside the keystone with lower top elevations. Q refers to the discharge at the inlet of the computational domain. The spacing for X, Y, and Z axes are all 10 cm in the plots.Figure 5: Distribution of time-averaged flow velocity at five cross sections which are set according to the reference section (x0). The
reference cross section x0 is located at the downstream end of the keystone (KS). The five sections are located at 18 cm and 6 cm
upstream of the reference section (x0-18 and x0-6), and 2 cm, 15 cm and 40 cm downstream of the reference section (x0+2, x0+15,
x0+40). The spacing for X, Y, and Z axes are all 10 cm in the plots.Figure 6: Distribution of the time-averaged turbulence kinetic energy (TKE) at the five cross sections same with Figure 3.Figure 7: Boxplots for the distributions of the mass-averaged flow kinetic energy (KE, panels a-f), turbulence kinetic energy (TKE,
panels g-l), and turbulent dissipation (εT, panels m-r) in the pool for all the six tested discharges (the plots at the same discharge are
in the same row). The mass-averaged values were calculated every 2 cm in the streamwise direction. The flow direction is from left
to right in all the plots. The general locations of the contraction section for all the flow rates are marked by the dashed lines, except
for Q = 5 L/s when the jump is located too close to the step. The longitudinal distance taken up by negative slope in the pool for the
inspected range is shown by shaded area in each plot.Figure 8: Instantaneous flow structures extracted using the Q-criterion (Qcriterion=1200) and colored by the magnitude of flow velocity.Figure 9: Time-averaged dynamic pressure (DP_mean) on the bed surface in the step-pool model under the two highest discharges,
with the step numbers marked. The negative values in the plots result from the setting of standard atmospheric pressure = 0 Pa,
whose absolute value is 1.013×105 Pa.Figure 10: Time-averaged shear stress (SS_mean) on bed surface in the step-pool model, with the step numbers marked. The
standard atmospheric pressure is set as 0 Pa.Figure 11: Variation of fluid force components and magnitude of resultant flow force acting on step stones with flow rate. The stone
4 is the keystone. Stone numbers are consistent with those in Fig. 9-10. The upper limit of the sampling volumes for flow force
calculation is higher than water surface while the lower limit is set at 3 cm lower than the keystone crest.Figure 12: Variation of drag (CD) and lift (CL) coefficient of the step stones along with flow rate. Stone numbers are consistent with
those in Fig. 8-9. KS is short for keystone. The negative values of CD correspond to the drag forces towards the upstream while the
negative values of CL correspond to lift forces pointing downwards.Figure 13: Longitudinal distributions of section-averaged and -integral turbulent kinetic energy (TKE) for the jump and wake
vortexes at the largest three discharges. The flow direction is from left to right in all the plots. The general locations of the contraction
sections under the three flow rates are marked by dashed lines in figures (d) to (f).Figure A1: Water surface profiles of the simulations with different mesh sizes at the discharge of 43.6 L/s at the longitudinal sections
at: (a) Y = 24.5 cm (left boundary); (b) Y = 0.3 cm (middle section); (c) Y = -24.5 cm (right boundary). MS is short for mesh size.
The flow direction is from left to right in each plot.Figure A2: Contours of velocity magnitude in the longitudinal section at Y = 0 cm at different mesh sizes (MSs) under the flow
condition with the discharge of 43.6 L/s: (a) 0.50 cm; (b) 0.375 cm; (c) 0.30 cm; (d) 0.27 cm; (e) 0.25 cm; (f) 0.24 cm. The flow direction
is from left to right.Figure A3: Measurements of water surfaces (orange lines) used in model verification: (a) water surface profiles from both sides of
the flume; (b) upstream edge of the jump regime from top view. KS refers to keystone in figure (b).Figure A15. Figure (a) shows the locations of the cross sections and target coarse grains at Q = 49.9 L/s. Figures (b) to (e) show the
distribution of velocity magnitude (VM_mean) in the four chosen cross sections: (a) x0+8.0; (b) x0+14.0; (c) x0+21.5; (d) x0+42.5.
G1 to G6 refer to 6 protruding grains in the micro-bedforms in the pool.Figure A16. The distribution of turbulent kinetic energy (TKE) in the same cross sections as in figure S15: (a) x0+8.0; (b) x0+14.0;
(c) x0+21.5; (d) x0+42.5.
References
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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.
Prediction of local scour depth of sea-crossing bridges based on the energy balance theory
Jian Guo,Jiyi Wu &Tao WangReceived 22 Jul 2021, Accepted 08 Nov 2021, Published online: 04 Dec 2021
ABSTRACT
교각의 국지적인 세굴은 횡단 교량의 운영 안전을 위협하는 잠재적인 위험입니다. 교각의 신뢰할 수 있는 세굴 깊이 예측은 횡단 교량의 경제적 유지를 가능하게 합니다.
항저우만 해상교량을 연구 프로토타입으로 간주하여 측정 데이터와 수치 시뮬레이션을 기반으로 교각 전면의 유동장 구조와 교각 주변의 세굴 구멍의 형상을 단순화하고 예측 방정식 국부세굴의 최대 깊이는 에너지 균형 이론을 기반으로 파생됩니다.
측정된 데이터를 기반으로 방정식을 검증하고 설계 코드의 국부세굴 계산식과 비교하고 방정식의 매개변수 민감도를 분석합니다.
Local scour of piers is a potential danger threatening the operational safety of the sea-crossing bridge. Reliable scour depth prediction of piers can make the economic maintenance of the sea-crossing bridge. Considering the Hangzhou Bay Sea-crossing Bridge as the research prototype, based on the measured data and numerical simulation, the flow-field structure in front of the pier and the shape of the scour hole around the pier are simplified, and the prediction equation of the maximum depth of local scour is derived based on the energy balance theory. Based on the measured data, the equation is verified and compared with the local scour calculation equation in the design code, and the sensitivity of the parameters in the equation is analyzed. The results reveal that the equation is feasible and accurate and can provide guidelines for future decision-making regarding the early warning and maintenance of local scour of sea-crossing bridges.
NesreenTahabMaged M.El-FekyaAtef A.El-SaiadaIsmailFathya aDepartment of Water and Water Structures Engineering, Faculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt bLab Manager, Faculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt
Abstract
횡단 구조물을 통한 막힘은 안정성을 위협하는 위험한 문제 중 하나입니다. 암거의 막힘 형상 및 하류 세굴 특성에 미치는 영향에 관한 연구는 거의 없습니다.
이 연구의 목적은 수면과 세굴 모두에서 상자 암거를 통한 막힘의 작용을 수치적으로 논의하는 것입니다. 이를 위해 FLOW 3D v11.1.0을 사용하여 퇴적물 수송 모델을 조사했습니다.
상자 암거를 통한 다양한 차단 비율이 연구되었습니다. FLOW 3D 모델은 실험 데이터로 보정되었습니다. 결과는 FLOW 3D 프로그램이 세굴 다운스트림 상자 암거를 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 나타냅니다.
막힌 경우에 대한 속도 분포, 최대 세굴 깊이 및 수심을 플롯하고 비차단된 사례(기본 사례)와 비교했습니다.
그 결과 암거 높이의 70% 차단율은 상류의 수심을 암거 높이의 2.3배 증가시키고 평균 유속은 기본 경우보다 3배 더 증가시키는 것으로 입증되었다. 막힘 비율의 함수로 상대 최대 세굴 깊이를 추정하는 방정식이 만들어졌습니다.
Blockage through crossing structures is one of the dangerous problems that threaten its stability. There are few researches concerned with blockage shape in culverts and its effect on characteristics of scour downstream it.
The study’s purpose is to discuss the action of blockage through box culvert on both water surface and scour numerically. A sediment transport model has been investigated for this purpose using FLOW 3D v11.1.0. Different ratios of blockage through box culvert have been studied. The FLOW 3D model was calibrated with experimental data.
The results present that the FLOW 3D program was capable to simulate accurately the scour downstream box culvert. The velocity distribution, maximum scour depth and water depths for blocked cases have been plotted and compared with the non-blocked case (base case).
The results proved that the blockage ratio 70% of culvert height makes the water depth upstream increases by 2.3 times of culvert height and mean velocity increases by 3 times more than in the base case. An equation has been created to estimate the relative maximum scour depth as a function of blockage ratio.
1. Introduction
Local scour is the removal of granular bed material by the action of hydrodynamic forces. As the depth of scour hole increases, the stability of the foundation of the structure may be endangered, with a consequent risk of damage and failure [1]. So the prediction and control of scour is considered to be very important for protecting the water structures from failure. Most previous studies were designed to study the different factors that impact on scour and their relationship with scour hole dimensions like fluid characteristics, flow conditions, bed properties, and culvert geometry. Many previous researches studied the effect of flow rate on scour hole by information Froude number or modified Froude number [2], [3], [4], [5], [6]. Cesar Mendoza [6] found a good correlation between the scour depth and the discharge Intensity (Qg−.5D−2.5). Breusers and Raudkiv [7] used shear velocity in the outlet-scour prediction procedure. Ali and Lim [8] used the densimetric Froude number in estimation of the scour depth [1], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]. “The densimetric Froude number presents the ratio of the tractive force on sediment particle to the submerged specific weight of the sediment” [15](1)Fd=uρsρ-1gD50
Ali and Lim [8] pointed to the consequence of tailwater depth on scour behavior [1], [2], [8], [13]. Abida and Townsend [2] indicated that the maximum depth of local scour downstream culvert was varying with the tailwater depth in three ways: first, for very shallow tailwater depths, local scouring decreases with a decrease in tailwater depth; second, when the ratio of tailwater depth to culvert height ranged between 0.2 and 0.7, the scour depth increases with decreasing tailwater depth; and third for a submerged outlet condition. The tailwater depth has only a marginal effect on the maximum depth of scour [2]. Ruff et al. [16] observed that for materials having similar mean grain sizes (d50) but different standard deviations (σ). As (σ) increased, the maximum scour hole depth decreased. Abt et al. [4] mentioned to role of soil type of maximum scour depth. It was noticed that local scour was more dangerous for uniform sands than for well-graded mixtures [1], [2], [4], [9], [17], [18]. Abt et al [3], [19] studied the culvert shape effect on scour hole. The results evidenced that the culvert shape has a limited effect on outlet scour. Under equivalent discharge conditions, it was noted that a square culvert with height equal to the diameter of a circular culvert would reduce scour [16], [20]. The scour hole dimension was also effected by the culvert slope. Abt et al. [3], [21] showed that the culvert slope is a key element in estimating the culvert flow velocity, the discharge capacity, and sediment transport capability. Abt et al. [21], [22] tested experimentally culvert drop height effect on maximum scour depth. It was observed that as the drop height was increasing, the depth of scour was also increasing. From the previous studies, it could have noticed that the most scour prediction formula downstream unblocked culvert was the function of densimetric Froude number, soil properties (d50, σ), tailwater depth and culvert opening size. Blockage is the phenomenon of plugging water structures due to the movement of water flow loaded with sediment and debris. Water structures blockage has a bad effect on water flow where it causes increasing of upstream water level that may cause flooding around the structure and increase of scour rate downstream structures [23], [24]. The blockage phenomenon through was studied experimentally and numerical [15], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33]. Jaeger and Lucke [33] studied the debris transport behavior in a natural channel in Australia. Froude number scale model of an existing culvert was used. It was noticed that through rainfall event, the mobility of debris was impressed by stream shape (depth and width). The condition of the vegetation (size and quantities) through the catchment area was the main factor in debris transport. Rigby et al. [26] reported that steep slope was increasing the ability to mobilize debris that form field data of blocked culverts and bridges during a storm in Wollongong city.
Streftaris et al. [32] studied the probability of screen blockage by debris at trash screens through a numerical model to relate between the blockage probability and nature of the area around. Recently, many commercial computational fluid programs (CFD) such as SSIIM, Fluent, and FLOW 3D are used in the analysis of the scour process. Scour and sediment transport numerical model need to validate by using experimental data or field data [34], [35], [36], [37], [38]. Epely-Chauvin et al. [36] investigated numerically the effect of a series of parallel spur diked. The experimental data were compared by SSIIM and FLOW 3D program. It was found that the accuracy of calibrated FLOW 3D model was better than SSIIM model. Nielsen et al. [35] used the physical model and FLOW 3D model to analyze the scour process around the pile. The soil around the pile was uniform coarse stones in the physical models that were simulated by regular spheres, porous media, and a mixture of them. The calibrated porous media model can be used to determine the bed shear stress. In partially blocked culverts, there aren’t many studies that explain the blockage impact on scour dimensions. Sorourian et al. [14], [15] studied the effect of inlet partial blockage on scour characteristics downstream box culvert. It resulted that the partial blockage at the culvert inlet could be the main factor in estimating the depth of scour. So, this study is aiming to investigate the effects of blockage through a box culvert on flow and scour characteristics by different blockage ratios and compares the results with a non-blocked case. Create a dimensionless equation relates the blockage ratio of the culvert with scour characteristics downstream culvert.
2. Experimental data
The experimental work of the study was conducted in the Hydraulics and Water Engineering Laboratory, Faculty of Engineering, Zagazig University, Egypt. The flume had a rectangular cross-section of 66 cm width, 65.5 cm depth, and 16.2 m long. A rectangular culvert was built with 0.2 m width, 0.2 m height and 3.00 m long with θ = 25° gradually outlet and 0.8 m fixed apron. The model was located on the mid-point of the channel. The sediment part was extended for a distance 2.20 m with 0.66 m width and 0.20 m depth of coarse sand with specific weight 1.60 kg/cm3, d50 = 2.75 mm and σ (d90/d50) = 1.50. The particle size distribution was as shown in Fig. 1. The experimental model was tested for different inlet flow (Q) of 25, 30, 34, 40 l/s for different submerged ratio (S) of 1.25, 1.50, 1.75.
3. Dimensional analysis
A dimensional analysis has been used to reduce the number of variables which affecting on the scour pattern downstream partial blocked culvert. The main factors affecting the maximum scour depth are:(2)ds=f(b.h.L.hb.lb.Q.ud.hu.hd.D50.ρ.ρs.g.ls.dd.ld)
Fig. 2 shows a definition sketch of the experimental model. The maximum scour depth can be written in a dimensionless form as:(3)dsh=f(B.Fd.S)where the ds/h is the relative maximum scour depth.
4. Numerical work
The FLOW 3D is (CFD) program used by many researchers and appeared high accuracy in solving hydrodynamic and sediment transport models in the three dimensions. Numerical simulation with FLOW 3D was performed to study the impacts of blockage ratio through box culvert on shear stress, velocity distribution and the sediment transport in terms of the hydrodynamic features (water surface, velocity and shear stress) and morphological parameters (scour depth and sizes) conditions in accurately and efficiently. The renormalization group (RNG) turbulence model was selected due to its high ability to predict the velocity profiles and turbulent kinetic energy for the flow through culvert [39]. The one-fluid incompressible mode was used to simulate the water surface. Volume of fluid (VOF) method was employed in FLOW 3D to tracks a liquid interface through arbitrary deformations and apply the correct boundary conditions at the interface [40].1.
Governing equations
Three-dimensional Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) equation was applied for incompressible viscous fluid motion. The continuity equation is as following:(4)VF∂ρ∂t+∂∂xρuAx+∂∂yρvAy+∂∂zρwAz=RDIF(5)∂u∂t+1VFuAx∂u∂x+vAy∂u∂y+ωAz∂u∂z=-1ρ∂P∂x+Gx+fx(6)∂v∂t+1VFuAx∂v∂x+vAy∂v∂y+ωAz∂v∂z=-1ρ∂P∂y+Gy+fy(7)∂ω∂t+1VFuAx∂ω∂x+vAy∂ω∂y+ωAz∂ω∂z=-1ρ∂P∂z+Gz+fz
ρ is the fluid density,
VF is the volume fraction,
(x,y,z) is the Cartesian coordinates,
(u,v,w) are the velocity components,
(Ax,Ay,Az) are the area fractions and
RDIF is the turbulent diffusion.
P is the average hydrodynamic pressure,
(Gx, Gy, Gz) are the body accelerations and
(fx, fy, fz) are the viscous accelerations.
The motion of sediment transport (suspended, settling, entrainment, bed load) is estimated by predicting the erosion, advection and deposition process as presented in [41].
The critical shields parameter is (θcr) is defined as the critical shear stress τcr at which sediments begin to move on a flat and horizontal bed [41]:(8)θcr=τcrgd50(ρs-ρ)
The Soulsby–Whitehouse [42] is used to predict the critical shields parameter as:(9)θcr=0.31+1.2d∗+0.0551-e(-0.02d∗)(10)d∗=d50g(Gs-1ν3where:
d* is the dimensionless grain size
Gs is specific weight (Gs = ρs/ρ)
The entrainment coefficient (0.005) was used to scale the scour rates and fit the experimental data. The settling velocity controls the Soulsby deposition equation. The volumetric sediment transport rate per width of the bed is calculated using Van Rijn [43].2.
Meshing and geometry of model
After many trials, it was found that the uniform cell size with 0.03 m cell size is the closest to the experimental results and takes less time. As shown in Fig. 3. In x-direction, the total model length in this direction is 700 cm with mesh planes at −100, 0, 300, 380 and 600 cm respectively from the origin point, in y-direction, the total model length in this direction is 66 cm at distances 0, 23, 43 and 66 cm respectively from the origin point. In z-direction, the total model length in this direction is 120 cm. with mesh planes at −20, 0, 20 and 100 cm respectively.3.
Boundary condition
As shown in Fig. 4, the boundary conditions of the model have been defined to simulate the experimental flow conditions accurately. The upstream boundary was defined as the volume flow rate with a different flow rate. The downstream boundary was defined as specific pressure with different fluid elevation. Both of the right side, the left side, and the bottom boundary were defined as a wall. The top boundary defined as specified pressure with pressure value equals zero.
5. Validation of experimental results and numerical results
The experimental results investigated the flow and scour characteristics downstream culvert due to different flow conditions. The measured value of maximum scour depth is compared with the simulated depth from FLOW 3D model as shown in Fig. 5. The scour results show that the simulated results from the numerical model is quite close to the experimental results with an average error of 3.6%. The water depths in numerical model results is so close to the experimental results as shown in Fig. 6 where the experiment and numerical results are compared at different submerged ratios and flow rates. The results appear maximum error percentage in water depths upstream and downstream the culvert is about 2.37%. This indicated that the FLOW 3D is efficient for the prediction of maximum scour depth and the flow depths downstream box culvert.
6. Computation time
The run time was chosen according to reaching to the stability limit. Hydraulic stability was achieved after 50 s, where the scour development may still go on. For run 1, the numerical simulation was run for 1000 s as shown in Fig. 7 where it mostly reached to scour stability at 800 s. The simulation time was taken 500 s at about 95% of scour stability.
7. Analysis and discussions
Fig. 8 shows the study sections where sec 1 represents to upstream section, sec2 represents to inside section and sec3 represents to downstream stream section. Table 1 indicates the scour hole dimensions at different blockage case. The symbol (B) represents to blockage and the number points to blockage ratio. B0 case signifies to the non-blocked case, B30 is that blockage height is 30% to the culvert height and so on.
Table 1. The scour results of different blockage ratio.
Case
hb cm
B = hb/h
Q lit/s
S
Fd
d50 mm
ds/h measured
ls/h
dd/h
ld/h
ds/h estimated
B0
0
0
35
1.26
1.69
2.5
0.58
1.50
0.27
5.00
0.46
B30
6
0.30
35
1.26
1.68
2.5
0.48
1.25
0.27
4.25
0.40
B50
10
0.50
35
1.22
1.74
2.5
0.45
1.10
0.24
4.00
0.37
B70
14
0.70
35
1.23
1.73
2.5
0.43
1.50
0.16
5.50
0.33
7.1. Scour hole geometry
The scour hole geometry mainly depends on the properties of soil of the bed downstream the fixed apron. From Table 1, the results show that the maximum scour depth in B0 case is about 0.58 of culvert height while the maximum deposition in B0 is 0.27 culvert height. There is a symmetric scour hole as shown in Fig. 9 in B0 case. An asymmetric scour hole is created in B50 and B70 due to turbulences that causes the deviation of the jet direction from the center of the flume where appear in Fig. 11 and Fig. 19.
7.2. Flow water surface
Fig. 10 presents the relative free surface water (hw/h) along the x-direction at center of the box culvert. From the mention Figure, it is easy to release the effect of different blockage ratios. The upstream water level rises by increasing the blockage ratio. Increasing upstream water level may cause flooding over the banks of the waterway. In the 70% blockage case, the upstream water level rises to 2.3 times of culvert height more than the non-blocked case at the same discharge and submerged ratio. The water surface profile shows an increase in water level upstream the culvert due to a decrease in transverse velocity. Because of decreasing velocity downstream culvert, there is an increase in water level before it reaches its uniform depth.
7.3. Velocity vectors
Scour downstream hydraulic structures mainly affects by velocities distribution and bed shear stress. Fig. 11 shows the velocity vectors and their magnitude in xz plane at the same flow conditions. The difference in the upstream water level due to the different blockage ratios is so clear. The maximum water level is in B70 and the minimum level is in B0. The inlet mean velocity value is about 0.88 m/s in B0 increases to 2.86 m/s in B70. As the blockage ratio increases, the inlet velocity increases. The outlet velocity in B0 case makes downward jet causes scour hole just after the fixed apron in the middle of the bed while the blockage causes upward water flow that appears clearly in B70. The upward jet decreases the scour depth to 0.13 culvert height less than B0 case. After the scour hole, the velocity decreases and the flow becomes uniform.
7.4. Velocity distribution
Fig. 12 represents flow velocity (Vx) distribution along the vertical depth (z/hu) upstream the inlet for the different blockage ratios at the same flow conditions. From the Figure, the maximum velocity creates closed to bed in B0 while in blocked case, the maximum horizontal velocity creates at 0.30 of relative vertical depth (z/hu). Fig. 13 shows the (Vz) distribution along the vertical depth (z/hu) upstream culvert at sec 1. From the mentioned Figure, it is easy to note that the maximum vertical is in B70 which appears that as the blockage ratio increases the vertical ratio also increases. In the non-blocked case. The vertical velocity (Vz) is maximum at (z/hu) equals 0.64. At the end of the fixed apron (sec 3), the horizontal velocity (Vx) is slowly increasing to reach the maximum value closed to bed in B0 and B30 while the maximum horizontal velocity occurs near to the top surface in B50 and B70 as shown in Fig. 14. The vertical velocity component along the vertical depth (z/hd) is presented in Fig. 15. The vertical velocity (Vz) is maximum in B0 at vertical depth (z/hd) 0.3 with value 0.45 m/s downward. Figs. 16 and 17 observe velocity components (Vx, Vz) along the vertical depth just after the end of blockage length at the centerline of the culvert barrel. It could be noticed the uniform velocity distribution in B0 case with horizontal velocity (Vx) closed to 1.0 m/s and vertical velocity closed to zero. In the blocked case, the maximum horizontal velocity occurs in depth more than the blockage height.
7.5. Bed velocity distribution
Fig. 18 presents the x-velocity vectors at 1.5 cm above the bed for different blockage ratios from the velocity vectors distribution and magnitude, it is easy to realize the position of the scour hole and deposition region. In B0 and B30, the flow is symmetric so that the scour hole is created around the centerline of flow while in B50 and B70 cases, the flow is asymmetric and the scour hole creates in the right of flow direction in B50. The maximum scour depth is found in the left of flow direction in B70 case where the high velocity region is found.
8. Maximum scour depth prediction
Regression analysis is used to estimate maximum scour depth downstream box culvert for different ratios of blockage by correlating the maximum relative scour by other variables that affect on it in one formula. An equation is developed to predict maximum scour depth for blocked and non-blocked. As shown in the equation below, the relative maximum scour depth(ds/hd) is a function of densimetric Froude number (Fd), blockage ratio (B) and submerged ratio (S)(11)dsh=0.56Fd-0.20B+0.45S-1.05
In this equation the coefficient of correlation (R2) is 0.82 with standard error equals 0·08. The developed equation is valid for Fd = [0.9 to 2.10] and submerged ratio (S) ≥ 1.00. Fig. 19 shows the comparison between relative maximum scour depths (ds/h) measured and estimated for different blockage ratios. Fig. 20 clears the comparison between residuals and ds/h estimated for the present study. From these figures, it could be noticed that there is a good agreement between the measured and estimated relative scour depth.
9. Comparison with previous scour equations
Many previous scour formulae have been produced for calculation the maximum scour depth downstream non-blockage culvert. These equations have been included the effect of flow regime, culvert shape, soil properties and the flow rate on maximum scour depth. Two of previous experimental studies data have been chosen to be compared with the present study results in non-blocked study data. Table 2 shows comparison of culvert shape, densmetric Froude number, median particle size and scour equations for these previous studies. By applying the present study data in these studies scour formula as shown in Fig. 21, it could be noticed that there are a good agreement between present formula results and others empirical equations results. Where that Lim [44] and Abt [4] are so closed to the present study data.
Table 2. Comparison of some previous scour formula.
The present study has shown that the FLOW 3D model can accurately simulate water surface and the scour hole characteristics downstream the box culvert with error percentage in water depths does not exceed 2.37%. Velocities distribution through and outlets culvert barrel helped on understanding the scour hole shape.
The blockage through culvert had caused of increasing of water surface upstream structure where the upstream water level in B70 was 2.3 of culvert height more than non-blocked case at the same discharge that could be dangerous on the stability of roads above. The depth averaged velocity through culvert barrel increased by 3 times its value in non-blocked case.
On the other hand, blockage through culvert had a limited effect on the maximum scour depth. The little effect of blockage on maximum scour depth could be noticed in Fig. 11. From this Figure, it could be noted that the residual part of culvert barrel after the blockage part had made turbulences. These turbulences caused the deviation of the flow resulting in the formation of asymmetric scour hole on the side of channel. This not only but in B70 the blockage height caused upward jet which made a wide far scour hole as cleared from the results in Table 1.
An empirical equation was developed from the results to estimate the maximum scour depth relative to culvert height function of blockage ratio (B), submerged ratio (S), and densimetric Froude number (Fd). The equation results was compared with some scour formulas at the same densimetric Froude number rang where the present study results was in between the other equations results as shown in Fig. 21.
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.
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Peer review under responsibility of Faculty of Engineering, Alexandria University.
1 Civil Engineering,Enginnering Faculty,,Univeristy of Qom.Qom.Iran 2 Civil Engineering Department,Engineering Faculty,Islamic Azad University of Lahijan,Iran
교각이 물의 흐름 앞에 위치하면 소용돌이가 형성되고 그 활동으로 교각 주변의 하상 재료가 침식되고 세굴 구멍이 생성됩니다. 기초 깊이와 교각 말뚝이 충분하지 않으면 교량은 실패합니다.
말뚝 캡의 다른 레벨링에서 유동층의 총 전단 응력 연구는 말뚝 캡 위치가 동일할 때 가장 높은 전단 응력이 생성됨을 보여줍니다. 강바닥과 같은 수준; 강바닥보다 낮은 위치에 파일 캡을 설치하여 최대 전단 응력을 감소시킵니다.
이 경우에 해당하기 때문일 수 있습니다. 교각 그룹 사이의 거리가 증가하고 두 번째 교각의 존재는 교각 그룹의 유량을 감소시키고 한 교각 그룹의 다른 교각은 흐름 패턴 형성에서 두 개의 독립적인 교각으로 작용합니다.
파일 캡의 다른 레벨링에서 세굴의 최종 길이 방향 단면을 비교함으로써 세굴 깊이의 가장 큰 감소는 에어로포일 모양의 파일 캡에서 발생하며 더 날카로운 노즈와 더 나은 공기 역학적 모양을 가진 파일 캡이 제어하기에 좋은 옵션이라는 결론을 내렸습니다. 말굽 와류를 제거하고 경사 교각 그룹 주변의 세굴 깊이를 줄입니다.
When the bridge piers are located in front of the water flow, vortices are formed against it and due to their activity, the materials of the river bed are eroded around the bridge piers and the scouring hole is created. If the foundation depth and bridge pier piles are insufficient, the bridge will fail.The study of total shear stress in the flow bed at different leveling of the pile caps shows that the highest shear stress is created when the pile cap position is at the same level as the river bed; by installing the pile cap at a lower level than the river bed, the maximum shear stress decreases. This may be due to the fact that in this case, the distance between the pier group increases and the presence of the second pier decreases the flow rate in the pier group and different pier in the one pier group acts as the two independent piers in the formation of the flow pattern. By comparing the final longitudinal sections of the scouring at different leveling of the pile cap, it is concluded that the largest reduction in scouring depth occurs in aerofoil-shaped pile caps and pile caps with the sharper nose and better aerodynamic shapes are good options to control the horseshoe vortices and will reduce the scouring depth around the inclined pier group.
Ruigeng Hu 1 , Hongjun Liu 2 , Hao Leng 1 , Peng Yu 3 and Xiuhai Wang 1,2,*
1 College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266000, China; huruigeng@stu.ouc.edu.cn (R.H.); lh4517@stu.ouc.edu.cn (H.L.) 2 Key Lab of Marine Environment and Ecology (Ocean University of China), Ministry of Education, Qingdao 266000, China; hongjun@ouc.edu.cn 3 Qingdao Geo-Engineering Survering Institute, Qingdao 266100, China; yp6650@stu.ouc.edu.cn
Abstract
무작위 파동 하에서 우산 흡입 앵커 기초(USAF) 주변의 국부 세굴을 연구하기 위해 일련의 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다. 본 연구에서는 먼저 본 모델의 정확성을 검증하기 위해 검증을 수행하였다.
또한, 세굴 진화와 세굴 메커니즘을 각각 분석하였다. 또한 USAF 주변의 평형 세굴 깊이 Seq를 예측하기 위해 두 가지 수정된 모델이 제안되었습니다. 마지막으로 Seq에 대한 Froude 수 Fr과 Euler 수 Eu의 영향을 연구하기 위해 매개변수 연구가 수행되었습니다.
결과는 현재 수치 모델이 무작위 파동에서 세굴 형태를 묘사하는 데 정확하고 합리적임을 나타냅니다.
수정된 Raaijmaker의 모델은 KCs,p < 8일 때 본 연구의 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 수정된 확률적 모델의 예측 결과는 KCrms,a < 4일 때 n = 10일 때 가장 유리합니다. Fr과 Eu가 높을수록 둘 다 더 집중적 인 말굽 소용돌이와 더 큰 결과를 초래합니다.
Figure 1. The close-up of umbrella suction anchor foundation (USAF).Figure 2. (a) The sketch of seabed-USAF-wave three-dimensional model; (b) boundary condation:Wvwave boundary, S-symmetric boundary, O-outflow boundary; (c) USAF model.Figure 5. Comparison of time evolution of scour between the present study and Khosronejad et al. [52],
Petersen et al. [17].Figure 9. Scour morphology under different times for case 7.
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WU Jingxia1 , ZHANG Chunjin2,3 (1. Xi’an Water Conservancy Survey Design Institute, Xi’an 710054, Shaanxi, China; 2. Key Laboratory of Yellow River Sediment Research, M. W. R. , Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 450003, Henan, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, Jiangsu, China)
수치 시뮬레이션을 통해 오지 여수로 터널의 수리적 특성 연구의 타당성을 탐색하기 위해 황하 Xiaolangdi 수질 관리 프로젝트의 2번 오지 여수로 터널을 연구 대상으로 취한 다음 오지의 수리 특성 설계 및 점검 홍수 수준 조건에서 여수로 터널은 RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 배출 용량, 터널 크라운 잔류 공간, 단면 유속, 압전 수두, 유동 캐비테이션 수, 제트 흐름 범위 및 1 ∶ 40의 일반 수리 모델과 결합된 세굴 구덩이 깊이, 시뮬레이션 값과 실험 값 모두 비교됩니다.
연구결과 모의실험값이 실험값과 일치하여 오지 여수로터널의 수리적 특성을 수치모사를 통해 탐색할 수 있음을 확인하였다. 여수로터널 내부의 흐름은 안정적이고 터널 크라운 잔류 공간은 개방 흐름과 완전 흐름의 교대 흐름 패턴이 없는 25% 이상입니다.
체크 홍수 수위에서 시뮬레이션 값과 유량 계수의 실험 값은 모두 설계에서보다 높으므로 배출 용량은 홍수 제어 관련 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 오지 단면과 플립 단면의 유동 캐비테이션 수는 캐비테이션 손상이 발생할 가능성이 작기 때문에 캐비테이션 침식을 줄이기 위한 적절한 적절한 조치가 채택될 필요가 있습니다.
유압 모델의 고르지 않은 표면에 부압이 발생하면 표면 구조에 관련주의를 기울일 필요가 있습니다. 연구 결과는 여수로 터널의 설계 및 건설에 대한 관련 참고 및 이론적 근거를 제공할 수 있습니다.
Keywords
Xiaolangdi Water Control Project; ogee spillway tunnel; simulative calculation; hydraulic characteristics; turbulent model
Fig. 1 Layout of spillway tunnelFig. 4 Hydraulic modelingFig. 6 Sectional surface profile distributionsFig. 7 Comparison between simulated results and experimental
results for flow velocity of section-cross
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Hyung Ju Yoo1 Sung Sik Joo2 Beom Jae Kwon3 Seung Oh Lee4* 유 형주1 주 성식2 권 범재3 이 승오4* 1Ph.D Student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University2Director, Water Resources & Environment Department, HECOREA3Director, Water Resources Department, ISAN4Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University 1홍익대학교 건설환경공학과 박사과정 2㈜헥코리아 수자원환경사업부 이사 3㈜이산 수자원부 이사 4홍익대학교 건설환경공학과 교수*Corresponding Author
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
Recently, as the occurrence frequency of sudden floods due to climate change increased and the aging of the existing spillway, it is necessary to establish a plan to utilize an auxiliary spillway to minimize the flood damage of downstream rivers. Most studies have been conducted on the review of flow characteristics according to the operation of auxiliary spillway through the hydraulic experiments and numerical modeling. However, the studies on examination of flood damage in the downstream rivers and the stability of the revetment according to the operation of the auxiliary spillway were relatively insufficient in the literature. In this study, the stability of the revetment on the downstream river according to the outflow conditions of the existing and auxiliary spillway was examined by using 3D numerical model, FLOW-3D. The velocity, water surface elevation and shear stress results of FLOW-3D were compared with the permissible velocity and shear stress of design criteria. It was assumed the sluice gate was fully opened. As a result of numerical simulations of various auxiliary spillway operations during flood season, the single operation of the auxiliary spillway showed the reduction effect of maximum velocity and the water surface elevation compared with the single operation of the existing spillway. The stability of the revetment on downstream was satisfied under the condition of outflow less than 45% of the design flood discharge. However, the potential overtopping damage was confirmed in the case of exceeding the 45% of the design flood discharge. Therefore, the simultaneous operation with the existing spillway was important to ensure the stability on design flood discharge condition. As a result of examining the allocation ratio and the total allowable outflow, the reduction effect of maximum velocity was confirmed on the condition, where the amount of outflow on auxiliary spillway was more than that on existing spillway. It is because the flow of downstream rivers was concentrated in the center due to the outflow of existing spillway. The permissible velocity and shear stress were satisfied under the condition of less than 77% of the design flood discharge with simultaneous operation. It was found that the flood damage of downstream rivers can be minimized by setting the amount allocated to the auxiliary spillway to be larger than the amount allocated to the existing spillway for the total outflow with simultaneous operation condition. However, this study only reviewed the flow characteristics around the revetment according to the outflow of spillway under the full opening of the sluice gate condition. Therefore, the various sluice opening conditions and outflow scenarios will be asked to derive more efficient utilization of the auxiliary spillway in th future.KeywordsAuxiliary spillway FLOW-3D Numerical simulation Revetment stability Shear stress
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.
References
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Korean References Translated from the English
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Analysis of Scour Phenomenon around Offshore Wind Foundation using Flow-3D Mode
Abstract
국내․외에서 다양한 형태의 석유 대체에너지는 온실효과 가스를 배출하지 않는 청정에너지로 개발되고 있으며, 특히 해상풍력은 풍력 자원이 풍부하고 육상보다 풍력 감소가 상대적으로 작아 다양하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 해상 풍력기초의 세굴현상을 분석하기 위해서 Flow-3D 모형을 이용하여 모노 파일과 삼각대 파일 기초에 대하여 수치모의를 수행 하였다. 직경이 다른(D=5.0 m, d=1.69 m) 모노 파일 형식과 직경이 동일한(D=5.0 m) 모노파일에 대하여 세굴현상을 평가하 였다. 수치해석 결과, 동일한 직경을 가진 모노파일에서 하강류가 증가되었으며, 최대세굴심은 약 1.7배 이상 발생하였다. 삼각대 파일에 대하여 관측유속과 극치파랑 조건을 상류경계조건으로 각각 적용한 후 세굴현상을 평가하였다. 극치파랑조건 을 적용한 경우 최대 세굴심은 약 1.3배 정도 깊게 발생하였다. LES 모형을 적용하였을 경우 세굴심은 평형상태에 도달한 반면, RNG 모형은 해석영역 내 전반적으로 세굴현상이 발생하였으며, 세굴심은 평형상태에 도달하지 않았다. 해상풍 력기초에 대하여 세굴현상을 평가하기 위해서 수치모형 적용시 파랑조건 및 LES 난류모형을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
Various types of alternative energy sources to petroleum are being developed both domestically and internationally as clean energy that does not emit greenhouse gases. In particular, offshore wind power has been studied because the wind resources are relatively limitless and the wind power is relatively smaller than onshore. In this study, to analyze the scour phenomenon around offshore wind foundations, mono pile and tripod pile foundations were simulated using a FLOW-3D model. The scour phenomenon was evaluated for mono piles: one is a pile with a 5 m diameter and d=1.69 m and the other is a pile with a 5 m diameter. Numerical analysis showed that in the latter, the falling-flow increased and the maximum scour depth occurred more than 1.7 times. For a tripod pile foundation, the measured velocity and the maximum wave condition were applied to the upstream boundary condition, respectively, and the scour phenomenon was evaluated. When the maximum wave condition was applied, the maximum scour depth occurred more than about 1.3 times. When the LES model was applied, the scour depth reached equilibrium, whereas the numerical results of the RNG model show that the scour phenomenon occurred in the entire boundary area and the scour depth did not reach equilibrium. To evaluate the scour phenomenon around offshore wind foundations, it is reasonable to apply the wave condition and the LES turbulence model to numerical model applications.
지구환경문제에 대한 관심이 증가되고 있는 현실에 서, 풍력발전은 석유 대체에너지로서 뿐만 아니라, 이산 화탄소 등 온실효과 가스를 배출하지 않는 청청에너지의 발전방식으로 국내․외에서 개발이 증가되고 있다. 특 히, 해상풍력은 풍력 자원이 풍부하고, 육상보다 풍력 감 소가 상대적으로 작아 전기 출력량이 크기 때문에 신재 생에너지원 확보 차원에서 국내․외 해상풍력단지 사업 계획이 수립되어 추진되고 있는 실정이다. Fig. 1은 세계 최대 네델란드 해상풍력단지인 Nysted Offshore Wind Farm의 사진이다.
Fig. 1. Nysted Offshore Wind Farm
하천 내 교각 주변에서 세굴 현상은 발생하며 교각의 안정성 측면에서 세굴보호공을 설치한다. 해양에서 해상 풍력발전 기초를 설치할 경우 구조물로 인해 교란된 흐 름은 세굴을 유발시킨다. 따라서 해상풍력기초를 계획할 경우 안정성 측면에서 세굴현상을 검토할 필요가 있다. 특히 하천의 경우 교각 세굴보호공에 대하여 다양한 공 법들이 설계에 반영되고 있으나, 해양구조물 기초에 대 한 연구는 미흡한 상태이다.
이에 본 연구에서는 수치모 형을 이용하여 해상풍력기초에 대한 세굴현상을 분석하 였다. 수치모형을 이용하여 세굴현상을 예측함에 있어서 본 연구와 연관된 연구동향으로는 양원준과 최성욱(2002) 은 FLOW-3D 모형을 이용하여 세굴영향 평가를 함에 있어서 난류모형을 비교․분석 하였다. 전반적으로 수리 모형실험 자료와 좀 더 잘 일치하는 난류모형은 LES 모 형으로 분석되었다[1]. 여창건 등(2010)은 세굴영향 평 가를 위해 FLOW-3D 모형을 이용할 경우 세굴에 미치 는 중요한 인자에 대하여 매개변수 민감도분석을 수행하 였다.
검토결과, 세굴에 민감한 변수는 유사의 입경, 세 굴조절계수, 안식각 등의 순서로 민감한 것으로 검토되 었다[2]. 오명학 등(2012)은 해상풍력발전기초 시설 주 변에서 FLOW-3D 모형을 이용하여 세굴영향 검토를 수 행하였다. 오명학 등이 검토한 지역은 본 연구 지역과 동 일한 지역이나 경계조건 및 세굴평가에서 가장 중요한 평균입경이 다르다. 세굴검토를 위해 수치모형에 입력한 경계조건은 대조기 창조 최강유속 1.0 m/s을 상류경계조 건으로, 평균입경은 0.0353 mm를 적용하였다. 이와 같은 조건에서 모노파일에서 발생하는 최대세굴심은 약 5.24 m로 분석되었다[3].
Stahlmann과 Schlurmann(2010)은 본 과업에서 적용할 해상풍력기초와 유사한 기초를 가진 구조물에 대하여 수리모형실험을 수행하였다. 연구대상 지역은 독일 해안가에 의한 해상풍력단지에 대하여 삼각 대 형식의 해상풍력기초에 대하여 1/40과 1/12 축척으로 각각 수리모형실험을 수행하였다. 1/40과 1/12 축척에 따라서 세굴분포양상 및 최대세굴심의 위치가 다르게 관 측되었다[4].
본 연구에서는 3차원 수치모형인 Flow-3D를 이용하 여 세굴현상을 평가함에 있어서, 파일 형상 변화, 경계조 건이 다른 경우 및 서로 다른 난류모형을 적용하였을 경 우에 대하여 수치해석이 국부세굴 현상에 미치는 영향을 검토하였다. 이와 같은 연구는 향후 수치모형을 이용하 여 해상풍력발전 기초에 대하여 세굴현상을 평가함에 있 어서 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Fig. 2. Shape of PileFig. 3. Boundary Area and Grid of Flow-3DFig. 4. Scour around MonopileFig. 5. Velocity Development around MonopileFig. 6. Flow Phenomenon and Scour around Tripod Pile FoundationFig. 7. Scour according to Turbulence Models(RNG k-e & LES Model)
결론
본 연구에서는 해상풍력기초 형식이 모노파일과 삼각 대 파일일 경우 세굴현상을 평가하기 위해서 3차원 수치 모형인 Flow-3D를 이용하였다. 직경이 서로 다른(D=5.0 m, d=1.69 m) 모노파일과 직경이 동일한(D=5.0 m) 모노파일에 대하여 LES 모형 을 적용하여 세굴현상을 평가하였다. 서로 다른 직경을 가진 모노파일 주변에서 최대 세굴심은 4.13 m, 동일한 직경을 가진 모노파일 주변에서는 7.13 m의 최대 세굴 심이 발생하였다. 또한 동일한 직경을 가진 파일에서 하 강류가 증가되어 최대세굴심이 증가된 것으로 분석되었 다. 수치해석 결과, 세굴에 대한 기초의 안정성 측면에서 서로 다른 직경을 가진 기초 형식이 유리한 것으로 분석 되었다. 수치모형을 이용하여 세굴현상을 평가함에 있어서 경 계조건 및 난류모형의 선정은 중요하다. 본 연구에서는 서로 다른 직경을 가진 삼각대 형식의 해상풍력기초에 대하여 상류경계조건으로 관측유속과 극치파랑조건을 각각 적용하였을 경우 세굴현상을 평가하였다. 극치파랑 조건을 적용하였을 경우가 최대세굴심이 약 1.3배 정도 깊게 발생하였다. 또한 극치파랑조건에서 RNG 과 LES 모형을 적용하여 세굴현상을 평가하였다. LES 모 형을 적용하였을 경우 파일 주변에서 세굴현상이 발생하 였으며, 세굴심은 일정시간이 경과된 후에는 증가되지 않는 평형상태에 도달하였다. 그러나 RNG 모형을 적용한 경우는 평형상태에 도달하지 않고 계속해서 세굴 이 진행되어 세굴심을 평가할 수 없었다. 현재 해양구조 물 기초에 대한 세굴현상 연구는 미흡한 상태로 하천에 서 교각 세굴현상을 검토하기 위해서 적용되는 경계조건 을 적용하기보다는 해상 조건인 파랑조건을 적용하여 검 토하는 것이 기초의 안정성 측면에서 유리할 것으로 판 단된다. 또한 정확한 세굴현상을 예측하기 위해서는 RNG 모형보다는 LES 모형을 적용하는 것이 타당 할 것으로 판단된다. 향후 해상풍력기초에 대한 세굴관측을 수행하여 수치 모의 결과와 비교․분석이 필요하며, 또한 다양한 파랑 조건에서 난류모형에 대한 비교․분석이 필요할 것으로 생각된다.
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*(주)해풍기술**원광대학교 토목환경공학과***목포해양대학교 해양·플랜트건설공학과
Abstract
해상풍력 기기, 해상 플랫폼과 같은 구조물이 해상에서 빈번하게 설치되면서 세굴에 관한 영향도 중요시되고 있다. 이러한 세굴 영향을 검토하기 위해 세굴 수치모의 실험을 수행한다. 일반적으로 수치모의 조건은 일방향 흐름에 대해서만 검토가 이뤄지고 있으며 서해안과 같은 왕복성 조류 흐름에 대해서는 검토되지 않는다. 본 연구에서는 서해안에 설치된 HeMOSU-1호 해상 자켓구조물 주변에서 발생하는 세굴 현상을 FLOW-3D를 이용하여 수치모의하였다. 해석 조건으로는 일방향 흐름과 조석현상을 고려한 왕복성 흐름을 고려하였으며, 이를 현장 관측값과 비교하였다. 10,000초 동안의 수치모의 결과, 일방향의 흐름 조건에서는 1.32 m의 최대 세굴심이 발생하였으며, 양방향 흐름 조건에서는 1.44 m의 최대 세굴심이 발생하였다. 한편, 현장 관측값의 경우 약 1.5~2.0 m의 세굴심이 발생하여 양방향의 흐름에 대한 해석 결과와 근사한 값을 보였다.
As offshore structures such as offshore wind and offshore platforms have been installed frequently in ocean, scour effects are considered important. To test the scour effect, numerical simulation of scour has been carried out. However, the test was usually conducted under the uni-directional flow without bi-directional current flow in western sea of Korea. Thus, in this paper, numerical simulations of scour around offshore jacket substructure of HeMOSU-1 installed in western sea of Korea are conducted using FLOW-3D. The conditions are uni-directional and bi-directional flow considering tidal current. And these results are compared to measured data. The analysis results for 10,000 sec show that under uni-directional conditions, maximum scour depth was about 1.32 m and under bi-directional conditions, about 1.44 m maximum scour depth occurred around the structure. Meanwhile, about 1.5~2.0 m scour depths occurred in field observation and the result of field test is similar to result under bi-directional conditions.
1. 서 론
최근 해상풍력기기, 해상플랫폼과 같은 해상구조물 설치가 빈번해지면서 해상구조물의 안정성을 저하시키는 요인에 대한 대응 연구가 필요하다. 특히 해상에서의 구조물 설치는 육상과 달리 수력학적 하중이 작용하게 되기 때문에 파랑에 의한 구조물과의 진동, 세굴 현상에 대하여 철저한 사전 검토가 요구된다. 특히, 해상 기초에서 발생하는 세굴은 조류 및 파랑 등 유체 흐름과 구조물 사이의 상호작용으로 인해 해저 입자가 유실되는 현상으로 정의할 수 있으며 해상 외력 조건에 포함되어 설계시 고려하도록 제안하고 있다(IEC, 2009).구조물을 해상에 설치하게 되면 구조물이 흐름을 방해하는 장애요인으로 작용하여 구조물 주위에 부분적으로 더 빠른 유속이 발생하게 된다. 이러한 유속 변화는 압력 분포 변화에 기인하게 되어 해양구조물 주위에 아래로 흐르는 유속(downflow), 말굽형 와류(horseshoe vortex) 그리고 후류 와류(wake vortex)가 나타난다. 결국, 유속과 흐름의 변화를 야기하고 하상전단응력과 유사이동 능력을 증가시켜 해저 입자를 유실시키며 구조물의 안정성을 위협하는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 세굴 현상이 계속 진행되면 해상풍력 지지구조물 기초의 지지력이 감소하게 될 뿐만 아니라 지지면의 유실로 상부반력 작용에 편심을 유발하여 기초의 전도를 초래한다. 또한 세굴에 의한 기초의 부등 침하가 크게 발생하면 상부 해상풍력 지지구조물에 보다 큰 단면력이 작용하므로 세굴에 의한 붕괴가 발생할 수 있다. 이처럼 세굴은 기초지지구조물을 붕괴하고, 침하와 얕은 기초의 변형을 초래하며, 구조물의 동적 성능을 변화시키기 때문에 설계 및 시공 유지관리시 사전에 세굴심도 산정, 세굴 완화 대책 등을 고려하여야 한다.또한 각종 설계 기준서에서는 세굴에 대해 다양하게 제시하고 있다. IEC(2009), ABS(2013), BSH(2007), MMAF(2005)에서는 세굴에 대한 영향을 검토할 것을 주문하지만 심도 산정 등 세굴에 대한 구체적인 내용은 언급하지 않고 전반적인 내용만 수록하고 있다. 그러나 DNV(2010), CEM(2006)에서는 경험 공식을 이용한 세굴 심도 산정 등 구체적인 내용을 광범위하게 수록하고 있어 세굴에 대한 영향 검토시 활용가능하다. 그 외의 기준서에서는 수치 모델 등을 통한 세굴 검토를 주문하고 있어 사용자들이 직접 판단하도록 제안하고 있다.그러나 세굴은 유속, 수심, 구조물 폭, 형상, 해저입자 등에 의해 결정되기 때문에 세굴의 영향 정도를 정확하게 예측하기란 쉽지 않지만 수리 모형 실험 또는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석을 통해 지반 침식 및 퇴적으로 인한 지형변화를 예측할 수 있다. 한편, 침식과 퇴적 등 구조물 설치로 인한 해저 지형 변화를 예측하는 모델은 다양하지만, 본 연구에서는 Flowscience의 3차원 유동해석모델인 Flow-3D 모델을 사용하였다.해상 구조물은 목적에 따라 비교적 수심이 낮은 지역에 설치가 용이하다. 국내의 경우, 서남해안과 같이 비교적 연안역이 넓고 수심이 낮은 지역에 구조물을 설치하는 것이 비용 및 유지관리 측면에서 유리할 수 있다. 그러나 국내 서남해안 지역은 왕복성 흐름, 즉 조류가 발생하는 지역으로 흐름의 방향이 시간에 따라 변화하게 된다. 따라서, 세굴 수치 모의시 이러한 왕복성 흐름을 고려해야한다. 그러나 대부분의 수치 모델 적용시 조류가 우세한 지역에서도 일방향의 흐름에 대해서만 검토하며 왕복성 흐름에 의한 지층의 침식과 퇴적작용으로 인해 발생하는 해저 입자의 상호 보충 효과는 배제되게 된다. 또한 이로 인해 수치모델 결과에 많은 의구심이 발생하게 되며 현실성이 결여된 해석으로 보여질 수 있다. 이러한 왕복흐름의 영향을 검토하기 위해 Kim and Gang(2011)은 조류의 왕복류 흐름을 고려하여 지반의 수리 저항 성능 실험을 수행하였으며, 양방향이 일방향 흐름보다 세굴이 크게 발생하는 것을 발표하였다. 또한 Kim et al.(2012)은 흐름의 입사각에 따른 수리저항 실험을 수행하였으며 입사각이 커짐에 따라 세굴률이 증가하는 것으로 나타났다.본 연구에서는 단일방향 고정유속 그리고 양방향 변동유속조건에서 발생하는 지형 변화와 세굴 현상을 수치 모의하였으며, 이러한 비선형성 흐름변화에 따른 세굴 영향 정도를 검토하였다. 더불어 현장 관측 자료와의 비교를 통해 서남해안과 같은 왕복성 흐름이 발생하는 지역에서의 세굴 예측시 적절한 모델 수립 방안을 제안하고자 한다.
2. 수치해석 모형
본 연구에서는 Autodesk의 3D max 프로그램을 이용하여 지지구조물 형상을 제작하였으며, 수치해석은 미국 Flowscience가 개발한 범용 유동해석 프로그램인 FLOW-3D(Ver. 11.0.4.5)를 사용하였다. 좌표계는 직교 좌표계를 사용하였으며 복잡한 3차원 형상의 표현을 위하여 FAVOR 기법(Fractional Area/Volume Obstacle Representation Method)을 사용하였다. 또한 유한차분법에 FAVOR 기법을 도입한 유한체적법의 접근법을 사용하였으며 직교좌표계 에서 비압축성 유체의 3차원 흐름을 해석하기 위한 지배방정식으로는 연속방정식과 운동방정식이 사용되었다. 난류모형으로는 RNG(renormalized group)모델을 사용하였다.
2.1 FLOW-3D의 지배방정식
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2.1.1 연속방정식
직교좌표계 (x,y,z)에서 비압축성 유체는 압축성 유체의 연속방정식에서 유도될 수 있으며 다음 식 (1)과 같다.
(1)
∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ 여기서, u, v, w는 (x,y,z) 방향별 유체속도, Ax, Ay, Az는 각 방향별 유체 흐름을 위해 확보된 면적비 (Area fraction), ρ는 유체 밀도, RSOR은 질량생성/소멸(Mass source/sink)항이다.
2.1.2 운동방정식
본 모형은 3차원 난류모형이므로 각각의 방향에 따른 운동량 방정식은 다음 식(2)~(4)와 같다.
ρVffz=wsz−{∂∂x(Axτxz)+R∂∂y(Ayτyz)+∂∂z(Azτzz)+ζx(Axτzz)}ρVffz=wsz−{∂∂x(Axτxz)+R∂∂y(Ayτyz)+∂∂z(Azτzz)+ζx(Axτzz)}여기서, wsx, wsy, wsz는 벽전단응력이며, 벽전단응력은 벽 근처에서 벽 법칙 (law of the wall)을 따르며, 식 (8)~(13)에 의해 표현되어진다.
Flow-3D 모델에서 사용하는 sediment scour model은 해저입자의 특성에 따라 해저 입자의 침식, 이송, 전단과 흐름 변화로 인한 퇴적물의 교란 그리고 하상 이동을 계산한다.
2.1.3.1 The critical Shields parameter
무차원 한계소류력(the dimensionless critical Shields parameter)은 Soulsby-Whitehouse 식에 의해 다음 식 (14)와 같이 나타낼 수 있다(Soulsby, 1997).
(14)
θcr,i=0.31+1.2R∗i+0.055[1−exp(−0.02R∗i)]θcr,i=0.31+1.2Ri*+0.055[1−exp(−0.02Ri*)]여기서 무차원 상수, R∗iRi*는 다음 식 (15)와 같다.
(15)
R∗i=ds,i0.1(ρs,i−ρf)ρf∥g∥ds,i−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√μfRi*=ds,i0.1(ρs,i−ρf)ρf‖g‖ds,iμf여기서 ρs, i는 해저 입자의 밀도, ρf는 유체 밀도, ds, i는 해저입자 직경, g는 중력가속도이다.한편, 안식각에 따라 한계소류력은 다음 식 (16)과 같이 표현될 수 있다.
(16)
θ′cr,i=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2ψi−sin2ψsin2β−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√tanψiθcr,i′=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2ψi−sin2ψsin2βtanψi여기서, β는 하상 경사각, ψi는 해저입자의 안식각, ψ는 유체와 해저경사의 사잇각이다.또한 local Shields number는 국부 전단응력, τ에 기초하여 다음 식 (17)과 같이 계산할 수 있다.
(17)
θi=τ∥g∥ds,i(ρs,i−ρf)θi=τ‖g‖ds,i(ρs,i−ρf)여기서, ||g||g 는 중력 벡터의 크기이며, τ는 식 (8)~(13)의 벽 법칙을 이용하여 계산할 수 있다.
2.1.3.2 동반이행(Entrainment)과 퇴적
다음 식은 해저 지반과 부유사 사이의 교란을 나타내는 동반이행과 퇴적 현상을 계산한다. 해저입자의 동반이행 속도의 계산식은 다음 식 (18)과 같으며 부유사로 전환되는 해저의 양을 계산한다.
(18)
ulift,i=αinsd0.3∗(θi−θ′cr,i)1.5∥g∥ds,i(ρs,i−ρf)ρf−−−−−−−−−−−−−−√ulift,i=αinsd*0.3(θi−θcr,i′)1.5‖g‖ds,i(ρs,i−ρf)ρf여기서, αi는 동반이행 매개변수이며, ns는 the packed bed interface에서의 법선벡터, µ는 유체의 동점성계수 그리고 d*은 무차원 입자 직경으로 다음 식 (19)와 같다.
(19)
d∗=ds,i[ρf(ρs,i−ρf)∥g∥μ2]1/3d*=ds,i[ρf(ρs,i−ρf)‖g‖μ2]1/3또한 퇴적 모델에서 사용하는 침강 속도 식은 다음 식 (20)같이 나타낼 수 있다.
하상이동 모델은 해저면에 대한 단위 폭당 침전물의 체적흐름을 예측하는데 사용되며 다음 식 (21)과 같이 표현되어진다.
(21)
Φi=βi(θi−θ′cr,i)1.5Φi=βi(θi−θcr,i′)1.5여기서 Φi는 무차원 하상이동률이며 βi는 일반적으로 8.0의 값을 사용한다(van Rijn, 1984).단위 폭당 체적 하상이동률, qi는 다음 식 (22)와 같이 나타낼 수 있다.
(22)
qb,i=fb,i Φi[∥g∥(ρs,i−ρfρf)d3s,i]1/2qb,i=fb,i Φi[‖g‖(ρs,i−ρfρf)ds,i3]1/2여기서, fb, i는 해저층의 입자별 체적률이다.또한 하상이동 속도를 계산하기 위해 다음 식 (23)에 의해 해저면층 두께를 계산할 수 있다.
(23)
δi=0.3ds,id0.7∗(θiθ′cr,i−1)0.5δi=0.3ds,id*0.7(θiθcr,i′−1)0.5그리고 하상이동 속도 식은 다음 식 (24)와 같이 계산되어진다.
Fig. 1.Iso-water depth contour map in western sea of Korea.
본 해석 대상 해역은 서해안의 조석 현상이 뚜렷한 지역으로 조류 흐름이 지배적이며 위도의 조화분석의 결과를 보면 조석형태수가 0.21로서 반일주조 형태를 취한다. 또한 북동류의 창조류와 남서류의 낙조류의 특성을 보이며 조류의 크기는 대상 영역에서 0.7~1 m/s의 최강유속 분포를 보이는 것으로 발표된 바 있다. 또한 대상 해역의 시추조사 결과를 바탕으로 해저조건은 0.0353 mm 로 설정하였고(KORDI, 2011), 수위는 등수심도를 바탕으로 15 m로 하였다.한편, 풍황자원 분석을 통한 단지 세부설계 기초자료 제공, 유속, 조류 등 해양 환경변화 계측을 통한 환경영향평가 기초자료 제공을 목적으로 Fig. 2와 같이 해상기상탑(HeMOSU-1호)을 설치하여 운영하고 있다. HeMOSU-1호는 평균해수면 기준 100 m 높이이며, 중량은 100 톤의 자켓구조물로 2010년 설치되었다. 본 연구에서는 HeMOSU-1호의 제원을 활용하여 수치 모의하였으며, 2013년 7월(설치 후 약 3년 경과) 현장 관측을 수행하였다.
Fig. 2.A photo of HeMOSU-1.
2.2.2 모델 구성
본 연구에서는 왕복성 조류의 영향을 살펴보기 위해 2 case에 대하여 해석하였다. 먼저, Case 1은 1 m/s의 고정 유속을 가진 일방향 흐름에 대한 해석이며, Case 2는 -1~1 m/s의 유속분포를 가진 양방향 흐름에 대한 해석이다. 여기서 (-)부호는 방향을 의미한다. Fig. 3은 시간대별 유속 분포를 나타낸 것이다.
Fig. 3.Comparison of current speed conditions.
2.2.3 구조물 형상 및 격자
HeMOSU-1호 기상 타워 자켓 구조물 형상은 Fig. 4, 격자 정보는 Table 1과 같으며, 본 연구에서는 총 2,883,000 개의 직교 가변 격자체계를 구성하였다.
계산영역의 경계 조건으로, Case 1의 경우, 유입부는 유속 조건을 주었으며 유출부는 outflow 조건을 적용하였다. 그리고 Case 2의 경우, 왕복성 흐름을 표현하기 위해 유입부와 유출부 조건을 유속 조건으로 설정하였다. 또한 2가지 경우 모두 상부는 자유수면을 표현하기 위해 pressure로 하였으며 하부는 지반 조건의 특성을 가진 wall 조건을 적용하였다. 양측면은 Symmetry 조건으로 대칭면으로 정의하여 대칭면에 수직한 방향의 에너지와 질량의 유출입이 없고 대칭면에 평행한 방향의 유동저항이 없는 경우로 조건을 설정하였다. 본 연구에서 케이스별 입력 조건을 다음 Table 2에 정리하였다.
Table 2.
Basic information of two scour simulation tests
Case
Structure type
Velocity
Direction
Analysis time
Case 1
Jacket
1 m/s
Unidirectional
10,000 sec
Case 2
−1~1 m/s
Bidirectional
FLOW-3D는 자유표면을 가진 유동장의 계산에서 정상상태 해석이 불가능하므로 비정상유동 난류해석을 수행하게 되는데 정지 상태의 조건은 조위를 설정하였다. 또한 유속의 초기 흐름은 난류상태의 비정상흐름이 되므로 본 해석에서는 정상상태의 해석 수행을 위해 1,000초의 유동 해석을 수행하였으며 그 후에 10,000초의 sediment scour 모델을 수행하였다. 해수의 밀도는 1,025 kg/m3의 점성유체로 설정하였으며 RNG(renormalized group) 난류 모델을 적용하였다.Go to :
3. 수치모형 실험 결과
3.1 Case 1
본 케이스에서는 1 m/s의 유속을 가진 흐름이 구조물 주변을 흐를 때, 발생하는 세굴에 대해서 수치 모의하였다. Fig. 6은 X-Z 평면의 유속 분포도이고 Fig. 7은 X-Y 평면의 유속 분포이다. 구조물 주변에서 약간의 유속 변화가 발생했지만 전체적으로 1 m/s의 정상 유동 상태를 띄고 있다.
Fig. 6.Current speed distribution in computational domain of case 1 at t = 10,000 sec (X–Z plane).
Fig. 7.Current speed distribution in computational domain of case 1 at t = 10,000 sec (X–Y plane).
이러한 흐름과 구조물과의 상호 작용에 의한 세굴 현상이 발생되며 Fig. 8에 구조물 주변 지형 변화를 나타내었다. 유속이 발생하는 구조물의 전면부는 대체로 침식이 일어나 해저지반이 초기 상태보다 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 또한 전면부의 지반이 유실되어 구조물 후면부에 최대 0.13 m까지 퇴적된 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8.Sea-bed elevation change of case 1 at t = 10,000 sec.
일방향 흐름인 Case 1의 경우에는 Fig. 9와 같이 10,000초 후 구조물 주변에 최대 1.32 m의 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 구조물 뒤쪽으로는 퇴적이 일어났으며, 구조물 전면부에는 침식작용이 일어나고 있다.
Fig. 9.Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1).
3.2 Case 2
서해안은 조석현상으로 인해 왕복성 조류 흐름이 나타나고 있으며 대상해역은 -1~1 m/s의 유속분포를 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려한 왕복성 흐름에 대해서 수치모의하였다.다음 Fig. 10은 X-Z 평면의 유속 분포도이며 Fig. 11은 X-Y 평면의 유속 분포도이다.
Fig. 10.Current speed distribution in computational domain of case 2 at t = 10,000 sec (X–Z plane).
Fig. 11.Current speed distribution in computational domain of case 2 at t = 10,000 sec (X–Y plane).
양방향 흐름인 Case 2의 경우에는 Fig. 12와 같이 10,000초후 구조물 주변에 최대 1.44 m의 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 구조물 내부에 조류 흐름 방향으로 침식 작용이 일어나고 있는 것으로 나타났다.
Fig. 12.Sea-bed elevation change of case 2 at t = 10,000 sec.
Fig. 13.Scour phenomenon around jacket substructure(Case 2).
3.3 현장 관측
본 연구에서는 수치모의 실험의 검증을 위해 HeMOSU-1호 기상 타워를 대상으로 하여 2013년 7월 1일 수심 측량을 실시하였다.HeMOSU-1호 주변의 수심측량은 Knudsen sounder 1620과 미국 Trimble사의 DGPS를 이용하여 실시하였다. 매 작업시 Bar-Check를 실시하고, 수중 음파속도는 1,500 m/s로 결정하여 조위 보정을 통해 수심을 측량하였다. 측량선의 해상위치자료는 DGPS를 사용하여 UTM 좌표계로 변환을 실시하였다. 한편, 수심측량은 해면이 정온할 때 실시하였으며 관측 자료의 변동성을 제거하기 위해 2013년 7월 1일 10시~13시에 걸쳐 수심 측량한 자료를 동시간대에 국립해양조사원에서 제공한 위도 자료를 활용해 조위 보정하였다. 다음 Fig. 14는 위도 조위 관측소의 현장관측시간대 조위 시계열 그래프이다.
Fig. 14.Time series of tidal data at Wido (2013.7.1).
2013년 7월 1일 오전 10시부터 오후 1시에 걸쳐 수심측량한 결과를 이용하여 0.5 m 간격으로 등수심도를 작성하였으며 그 결과는 Fig. 15와 같다. 기상탑 내부 해역은 선박이 접근할 수 없기 때문에 측량을 실시하지 않고 Blanking 처리하였다.
Fig. 15.Iso-depth contour map around HeMOSU-1.
대상 해역의 수심은 대부분 -15 m이나 4개의 Jacket 구조물 주변에서는 세굴이 발생하여 수심의 변화가 나타났다. 특히 L-3, L-4 주변에서 최대 1.5~2.0 m의 세굴이 발생한 것으로 보였으며, L-4 주변에서는 넓은 범위에 걸쳐 세굴이 발생하였다. 창조류는 북동, 낙조류는 남서 방향으로 흐르는 조류 방향성을 고려하였을 때, L-4 주변은 조류방향과 동일하게 세굴이 발생하고 있었으며, 보다 상세한 세굴형태는 원형 구조물 내부 방향의 세굴 심도를 측정하여 파악하여야 할 것으로 판단된다.관측결과 최대 1.5~2.0 m인 점을 고려하면 양방향 흐름을 대상으로 장기간에 걸쳐 모의실험을 진행하는 경우, 실제 현상에 더 근접하는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.Go to :
4. 결론 및 토의
본 연구에서는 자켓구조물인 해상기상탑 HeMOSU-1 주변에서 발생하는 세굴현상을 검토하기 위하여 2013년 7월 1일 현장 관측을 수행하고, FLOW-3D를 이용하여 수치모의 실험을 수행하였다. 실험 조건으로는 먼저 1 m/s의 유속을 가진 일방향 흐름과 -1~1 m/s의 흐름 분포를 가진 왕복성 흐름에 대해서 수치모의를 수행하였다. 그 결과 일방향 흐름의 경우, 10,000 초에 이르렀을 때 1.32 m, 왕복성 흐름의 경우 동일 시간에서 1.44 m의 최대 세굴심도가 발생하였다. 동일한 구조물에 대해서 현장 관측 결과는 1.5~2.0 m로 관측되어 일방향 흐름보다 왕복성 흐름의 경우 실제 현상에 더 근사한 것으로 판단되었다. 이는 일방향 흐름의 경우, Fig. 8에서 보는 바와 같이 구조물 후면에 퇴적과 함께 해저입자의 맞물림이 견고해져 해저 지반의 저항력이 커지는 현상에 기인한 것으로 판단된다. 반면 양방향 흐름의 경우, 흐름의 변화로 인해 맞물림이 약해지고 이로 인해 지반의 저항력이 일방향 흐름보다 약해져 세굴이 더 크게 발생하는 것으로 판단되었다.또한 장시간에 걸쳐 모델링을 수행하는 경우, 보다 근사한 결과를 얻을 수 있을 것을 사료되며, 신형식 기초 구조물을 개발하여 세굴을 저감할 수 있는 지 여부를 판단하는 등의 추가 연구가 필요하다.Go to : International Electrotechnical Commission (IEC). (2009). IEC 61400-3: Wind turbines – Part 3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines, Edition 1.0, IEC.
감사의 글
본 연구는 지식경제 기술혁신사업인 “승강식 해상플랫폼을 가진 수직 진자운동형 30kW급 파력발전기 개발(과제번호 :20133010071570)”와 첨단항만건설기술개발사업인 “해상풍력 지지구조 설계기준 및 콘크리트 지지구조물 기술 개발(과제번호:20120093)”의 일환으로 수행되었습니다.Go to :
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ISEEP (In Situ Erosion Evaluation Probe 2)를 사용한 교량 기초의 세굴 평가
M. Kayser1 and M. A. Gabr2
Abstract
이 논문의 요약 작업은 교각에서 세굴 깊이를 평가하기 위해 현장 침식 평가 프로브 (ISEEP)의 사용을 제시합니다. 2011 년 허리케인 아이린으로 피해를 입은 노스 캐롤라이나 아우터 뱅크스 부지의 수치 모델링 및 장치 배치는 제안 된 개념의 적용 가능성을 보여줍니다.
CFD (Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어 인 FLOW-3D는 교각에서 세굴 깊이를 평가하는 데 사용되며, 그 결과는 과도한 흐름 전력 모델을 사용하여 ISEEP 추정 매개 변수를 기반으로 한 값과 비교됩니다. 세굴 깊이는 수치 분석에 사용된 것과 동일한 조건을 가정하는 경험적 방정식을 사용하여 계산됩니다.
FLOW-3D를 사용한 파라 메트릭 분석은 세굴 깊이를 정의하는 데 사용되는 매개 변수 중 연행 계수 (Ce)가 가장 큰 영향을 미치는 반면 항력 계수 (Cd)는 분석에 사용 된 값 범위 내에서 가장 작은 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. ISEEP 데이터는 깊이 측면에서 모래층의 특성 변화를 반영하기 때문에 ISEEP 데이터를 기반으로하는 추정 된 세굴 깊이는 수치 분석에서 얻은 세굴 크기와 비교적 잘 일치합니다.
대조적으로, 경험적 방정식에서 계산 된 세굴 깊이는 주로 세굴 깊이를 과소 평가했는데, 이는 주로 방정식에 층상 토양 프로파일에 대한 규정이 없기 때문입니다. 따라서 ISEEP 데이터를 사용하면 토양층의 특성이 깊이에 따라 달라지기 때문에 세굴 매개 변수의 현장 평가의 이점을 제공합니다. 상당한 비율의 정교함을 포함하는 토양의 적용 가능성 평가를 포함하여 현장 테스트 절차와 데이터 감소 접근법에 대한 추가 검증이 권장됩니다.
INTRODUCTION
Lagasse et al. (1), 미국에는 하천과 강을 가로 지르는 488,750 개의 교량이 있었고, 수색 관련 교량 고장에 대한 연간 비용은 3 천만 달러로 추산되었습니다. 또한 지난 30 년 동안 미국에서 1,000 개 이상의 교량이 붕괴되었으며, 이러한 고장의 약 60 %는지지 기반 시스템의 과도한 수색으로 인해 발생하는 것으로보고되었습니다 (2). 따라서 이러한 구조를 지원하는 토양의 침식률과 수력 구조의 설계, 작동 및 수명 기간 동안 수색 가능성의 모니터링 및 평가와 토양 침식률 결정이 필요합니다. 초기 설계 단계에서 중요 할뿐만 아니라 이러한 침식 크기 및 비율 데이터는 유지 보수 우선 순위를 개발하고 교체 일정을 수립하는데도 필요합니다. 깊이에 따른 현장 침식 가능성을 평가하기위한 현재 기술은 Briaud 등이 개발 한 Erosion Function Apparatus (EFA)와 같은 장치에서 실험실 테스트를 위해 토양 샘플을 제거해야합니다. (2) 또는 시간에 따른 머드 라인 고도의 변화를 모니터링하여 이미 발생한 침식 만 측정합니다. 이러한 기술에 사용되는 기기는 단순한 강철 사운 딩로드에서 전자파 및 / 또는 음파 전파가있는 소나를 사용하는 원격 감지 장치에 이르기까지 다양합니다. Lu et al. (3) 음향 도플러 및 지상 침투 레이더와 같은 정교한 접근 방식은 비용이 많이 들고 빈번한 유지 보수 및 수리가 필요합니다. Hanson et al. (4)와 Hanson과 Cook (5)은 현장에서 침식 가능성의 표면 측정을 위해 수직 제트의 사용을보고했습니다. 이 저자들은 적용된 전단 응력의 형태로 충돌 제트로 인해 발생하는 응력을 렌더링하는 프레임 워크를 제시했습니다. 이 경우 잠재적 인 코어는 물이 원래 상태를 유지하는 제트의 일부로 정의됩니다.
FIGURE 1. (a) Temporary bridge along NC-12, and (b) ISEEP set-up for field testing.FIGURE 2. Grain size distribution of test site: Pea Island.
FLOW-3D의 침전물 이송 모델을 사용하여 세굴 및 침전물을 평가할 수 있으며, 여기서 3차원 유량 구성 요소가 세굴 프로세스를 주도하고 있습니다. Flow-3D의 유체역학 모델은 유체물리학을 설명하는 정전기적이지 않은 레이놀즈-평균화된 Navier-Stokes 방정식을 완벽하게 해결합니다. 유체역학적 솔버는 침전물 운반 모듈과 완전히 결합되어 있어 침전물 운반 및 비접착 토양의 부유식 침식, 인포테인먼트 및 침식을 시뮬레이션합니다(Wei et al., 2014). 베드로드, 인포테인먼트 및 정착 프로세스에 사용되는 모든 경험적 관계는 완전히 사용자 정의 가능하며, 최대 10개의 침전물 종(곡물 크기, 질량 밀도, 임계 전단 응력 등 서로 다른 특성을 가진)을 정의할 수 있습니다. FLOW-3D는 짧은 경과 시간 척도에 대한 국부적 스쿠어를 시뮬레이션하는 데 이상적입니다.
FLOW-3D‘s Sediment Transport model can be used to evaluate scour and deposition, where three-dimensional flow components are driving the scouring process. FLOW-3D’s hydrodynamic model solves the full unsteady non-hydrostatic Reynolds-averaged Navier-Stokes equations that describe the flow physics. The hydrodynamic solver is fully coupled with a sediment transport module that simulates bedload and suspended sediment transport, entrainment and erosion for non-cohesive soils (Wei et al., 2014). All empirical relationships used in bedload, entrainment and settling processes are fully customizable, and up to 10 different sediment species (with different properties such as grain size, mass density and critical shear stress) can be defined. FLOW-3Dis ideal for simulating local scour over short episodic time scales.
Modeling Capabilities – Unsteady 3D mobile bed modeling – Bedload and suspended sediment transport – Non-cohesive sediment – 10 individual grain size fractions – Suspended sediment settling and entrainment – Critical angle of repose
Applications – River and coastal morphodynamics – Bridge pier and abutment scour – Local scour at hydraulic structures – Sedimentation basins – Reservoir flushing
Sediment Transport Model
Sentral Transport 모델은 8.0 버전(Brethour, 2009년)에서 처음 도입되었으며, 11.1 버전(Wei et al., 2014년), 가장 최근에는 12.0 버전(Flow Science, 2019년)에서 광범위한 개정을 거쳤습니다. 숫자 모델에서 시뮬레이션된 물리적 프로세스의 개략도가 아래에 나와 있습니다.
The Sediment Transport model was first introduced in version 8.0 (Brethour, 2009), and has gone through extensive revisions in version 11.1 (Wei et al., 2014), and most recently in version 12.0 (Flow Science, 2019). A schematic of the physical processes simulated in the numerical model is illustrated below.
The different processes modeled by the Sediment Transport Model.
수치 모델에서 침전물은 포장된 Bed로서 일시 중단된 상태로 존재할 수 있습니다. 포장된 Bed는 PRIPT™ 기법을 사용하여 복잡한 솔리드 경계(Hirt 및 Sicilian, 1985)에 표현된 지울 수 없는 솔리드 객체입니다. 이것은 유체역학 용해기의 고체 물체를 나타내는 데 사용되는 방법과 동일합니다. 포장된 Bed의 형태학적 변화는 침전물 질량의 보존에 의해 좌우됩니다.
In the numerical model, sediment can exist as packed bed and in a suspended state. A packed bed is an erodible solid object that is represented using the FAVOR™ technique for complex solid boundaries (Hirt and Sicilian, 1985). This is the same method used to represent solid objects in the hydrodynamic solver. The morphological change in the packed bed is governed by the conservation of sediment mass.
형태학적 변경은 모형에 숫자로 표시되는 여러 가지 물리적 프로세스에 의해 제어됩니다. 이러한 프로세스에는 베드로드 운송, 인포테인먼트 및 증착이 포함됩니다. 베드로드 이송은 침전물이 서스펜션에 전달되지 않고 채널을 따라 횡방향으로 이동하는 물리적 과정입니다. 인포테인먼트란 난류 에디가 패킹 베드 상단의 곡물을 제거하고 일시 중단된 상태로 전환하는 과정입니다. 포장이란 곡물이 현수막에서 안착되어 포장된 침대에 퇴적하는 과정입니다. 수치 모델에서 이것은 일시 중단된 상태에서 포장된 베드 상태로의 전환입니다.
The morphological changes are governed by several different physical processes that are represented numerically in the model. These processes include bedload transport, entrainment and deposition. Bedload transport is the physical process of sediment moving laterally along the channel without being carried into suspension. Entrainment is the process by which turbulent eddies remove the grains from the top of the packed bed and transition to the suspended state. Packing is the process of grains settling out of suspension and depositing onto the packed bed. In the numerical model, this is the transition from the suspended to the packed bed state.
인포테인먼트 및 패킹의 상대적 비율은 포장된 베드와 부유 상태 사이의 침전물 질량 교환을 제어합니다. 이 모델은 Meyer-Peter Müler(1948), Nielsen(1992) 또는 Van Rijn(1984)의 방정식을 사용하여 베드 인터페이스가 포함된 각 메시 셀에서 베드로드 전송을 계산합니다. 메쉬 셀에서 이웃의 각 메쉬 셀로 이동하는 곡물의 양을 결정하기 위해 하위 메쉬 방법이 사용됩니다. 인포테인먼트에서 곡물의 리프팅 속도는 Winterwerp 등(1992)의 방정식을 사용하여 계산됩니다. 안착 속도는 Soulsby(1997년)를 사용하여 계산됩니다. 베드 인터페이스가 포함된 메시 셀에서 인터페이스의 위치, 방향 및 면적을 계산하여 베드 전단 응력, 무차원 전단 응력, 베드로드 전송 속도 및 인포테인먼트 속도를 결정합니다. 3D 난류 흐름의 베드 전단 응력은 표준 벽 함수를 사용하여 중간 곡물 크기에 비례하는 베드 표면 거칠기를 고려하여 평가됩니다.
The relative rates of entrainment and packing control the exchange of sediment mass between the packed bed and suspended states. The model calculates bedload transport in each mesh cell containing the bed interface using the equation of Meyer-Peter Müller (1948), Nielsen (1992) or Van Rijn (1984). A sub-mesh method is employed to determine the amount of grains moving from the mesh cell into each mesh cell in its neighbor. The lifting velocity of grains in entrainment is calculated using the equation of Winterwerp et al. (1992). The settling velocity is calculated using Soulsby (1997). In the mesh cells containing the bed interface, location, orientation and area of the interface are calculated to determine the bed shear stress, dimensionless shear stress, bedload transport rates and entrainment rates. Bed shear stress in 3D turbulent flows is evaluated using the standard wall function with consideration of bed surface roughness that is proportional to the median grain size.
부유된 침전물은 유체의 스칼라 질량 농도로 표시됩니다. 농도는 주어진 셀에서 균일한 것으로 가정되며 유체 셀 밀도 및 점도와 결합됩니다. 각 종에 대해, 부유 침전물 농도는 수송 방정식을 풀어서 계산됩니다.
The suspended sediment is represented as a scalar mass concentration in the fluid. The concentration is assumed to be uniform in a given cell and is coupled with the fluid cell density and viscosity. For each species, the suspended sediment concentration is calculated by solving a transport equation.
Validations
다음 5가지 검증 사례는 실험 데이터와 FLOW-3D의 침전물 이송 모델의 시뮬레이션 결과를 비교합니다.
마오(1986년) Mao는 수중 수평 파이프라인 아래 침대의 무서운 프로파일을 얻기 위해 실험 작업을 수행했습니다. 아래 그림은 FLOW-3D를 사용하여 얻은 결과와 실험 결과를 비교합니다.
그림 A는 파이프라인 아래의 최대 scour깊이를 시간 경과에 따라 비교하는 반면, 그림 B ~ F는 스터디의 scour프로필(빨간색 점으로 표시됨)과 FLOW-3D 프로필을 오버레이합니다.
Chatterjee et al. (1994)
수평 제트 침수로 인해 국부적인 스쿠어 프로파일을 얻기 위한 실험 작업이 수행되었습니다. 아래 그림은 scour구멍 깊이와 둔부 높이에 대한 실험 대 FLOW-3D의 숫자 결과를 시간의 함수로 비교합니다. 이 애니메이션은 scour구멍과 둔부 높이가 최대 1시간 내에 안정된 상태에 도달한다는 것을 보여줍니다.
Gladstone et al. (1998)
In these experiments the propagation and deposition patterns of particle-laden flows were studied. The plot below compares experimental versus FLOW-3D simulation results from three different setups, labeled case A (100% 0.025mm size particles), case D (50% 0.069mm and 50% 0.025mm size particles), and case G (100% 0.069mm size particles).
Faruque et al. (2006)
이 논문에서, 저자들은 실험을 통해 3차원 벽면 제트기를 물에 잠기게 함으로써 국부적인 악취를 연구했습니다. 아래 표는 세 가지 서로 다른 테일워터 비율에 대한 scour 구멍의 3D 형태학적 변화에 대한 실험과 FLOW-3D 수치 결과를 비교합니다.
Equilibrium bed elevation changes predicted by the numerical model for a cylindrical pier. (A) Isometric view of scour and deposition adjacent to the pier. (B) Comparison between numerical results (top) and physical model measurements (bottom).Equilibrium bed elevation changes predicted by the numerical model for the diamond pier. (A) Isometric view of scour and deposition adjacent to the pier. (B) Comparison between numerical results (top) and physical model measurements (bottom).
In this paper, the authors studied local scour by submerged three-dimensional wall jets via experiments. The table below compares the experimental versus FLOW-3D numerical results for 3D morphological changes in the scour hole for three different tailwater ratios.
References
Brethour, J.M., Hirt, C.W., 2009, Drift Model for Two-Component Flows, FSI-14-TN-83, Flow Science, Inc.
Chatterjee, S.S., Ghosh, S.N., and Chatterjee M., 1994, Local scour due to submerged horizontal jet, Journal of Hydraulic Engineering, 120(8), pp. 973-992.
Faruque, M.A.A., Sarathi, P., and Balachandar R., 2006, Clear Water Local Scour by Submerged Three-Dimensional Wall Jets : Effect of Tailwater Depth, Journal of Hydraulic Engineering, 132(6), pp. 575-580.
Flow Science, 2019, FLOW-3D Version 12.0 User Manual, Santa Fe, NM: Flow Science, Inc. https://www.flow3d.com
Gladstone, C., Phillips, J.C., and Sparks R.S.J., 1998, Experiments on bidisperse, constant-volume gravity currents: propagation and sediment deposition, Sedimentology 45, pp. 833-843.
Hirt, C.W. and Sicilian, J.M., 1985, A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes, 4th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Washington, D.C.
Khosronejad, A., Kang, S., & Sotiropoulos, F., 2012. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers, Advances in Water Resources, 37, pp. 73-85.
Mao, Y., 1986. The interaction between a pipeline and an erodible bed, PhD thesis, Institute of Hydrodynamics and Hydraulic Engineering, Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark.
Meyer-Peter, E. and Müller, R., 1948, Formulas for bed-load transport, Proceedings of the 2nd Meeting of the International Association for Hydraulic Structures Research. pp. 39–64.
Nielsen, P., 1992, Coastal bottom boundary layers and sediment transport (Vol. 4). World scientific.
Soulsby, R., 1997, Dynamics of Marine Sands, Thomas Telford Publications, London.
Van Rijn, L. C., 1984, Sediment Transport, Part I: Bed load transport, Journal of Hydraulic Engineering 110(10), pp. 1431-1456.
Wei, G., Brethour, J.M., Grüenzner M., and Burnham, J., 2014, The Sediment Scour Model in FLOW-3D, Technical Note FSI-14-TN-99, Flow Science, Inc.
Winterwerp, J.C., Bakker, W.T., Mastbergen, D.R. and Van Rossum, H., 1992, Hyperconcentrated sand-water mixture flows over erodible bed, Journal of Hydraulic Engineering, 118(11), pp. 1508–1525.
This article was contributed by Ying-Chieh Lin, Hervé Capart, and Der-Liang Young of Department of Civil Engineering and Hydrotech Research Institute/National Taiwan University in Taipei, Taiwan, the winner of the 2nd Flow Science 30th Anniversary Simulation Contest.
대만의 태풍 Sinlaku(2008년 9월)와 Morakot(2009년 8월)은 대만 강을 가로지르는 많은 교량의 심각한 취약성을 드러냈습니다. 여러 현장에서 교량 세굴 실패를 관찰한 결과 대만의 설계조건에 대해 특별한 특징이 많으며, 연구조사가 아닌 전형적인 조건의 범위를 벗어났음을 알 수 있었습니다. 대만 특유의 조건으로는 강수량 및 토사량의 급격한 변화, 빠른 침식률, 공동 암반 및 충적 조절, 하천 및 교량과 같은 하천을 따라 지어진 다양한 유형의 구조물 간의 간섭 등이 있습니다.
The Houfeng Bridge Failure in Taiwan
2008년 9월의 Houfeng다리의 붕괴는 대만의 몇 가지 특정한 우려 사안을 설명하는 데 사용될 수 있습니다. 강의 침전물의 엄청난 변화로 수면의 급수공급 파이프 라인에 접근합니다. 대만 수도공사는 송유관을 보호하기 위해 콘크리트 구조물을 건설했는데, 이로 인해 수면이 갑자기 떨어졌습니다. 구체적인 과정을 이해하기 위해, 3D 해석 시뮬레이션과 실험데이터를 결합하여 결과를 찾았습니다. 국지적인 입자들과 지역 흐름 패턴의 3차원 모델링은 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다. 현실적인 시나리오를 정의하고 모델링 결과를 확인하기 위해 수치 모델링의 데이터를 소규모 실험의 데이터와 비교합니다. (척도 계수 1:200).
Figure 1. Collapse of Houfeng Bridge in September 2008, due to general scour of the Tachia river reach
Figure 2a. Local scour due to the exposure of a sill immediately upstream of the bridge. Photo courtesy of Zoe Lin, TBS.
Figure 2b. Local sill (water supply pipeline) exposed by river degradation, which caused a sudden drop in water surface and enhanced scour immediately downstream of the sill, where the failed bridge piles were located.
Three Dimensional Local Flow Modeling
3차원 전산유체역학 모델은 FLOW-3D로 시뮬레이션이 됩니다. 급수 관로 끝에 존재하는 강력한 수직 속도 성분 때문에 3차원 시뮬레이션이 필요합니다. 큰 수직 속도변화로 인해 흐름 패턴이 복잡해지고 교량 교각 앞에서 절삭이 강화됩니다. 이 연구의 주요 목표 중 하나는 현지의 Sill의 영향력을 보여 주는 것 입니다. 이를 위해 상수도관 및 교각 주변에 미세한 mesh(0.25cm3)를 설정합니다. 또한 이 모델에 사용된 총 그리드 수는 약 70만개입니다.
Pure water시뮬레이션에서 FLOW-3D결과는 소규모 실험 데이터와 양호한 일치성을 보여줍니다. 그림 3과 같이 첫 번째 교각 전면에 있는 수위표면은 높이변화를 보여줍니다. 예측된 데이터는 측정된 데이터와 유사하며, 우리는 세가지 실험이 동일한 구성을 가지고 있더라도 수면 높이에 변화가 있음을 관찰할 수 있습니다. The non-bedrock시뮬레이션은 유입 및 유출 경계 조건을 검증하고 시뮬레이션을 위한 적절한 그리드 해상도를 선택하는 데 중요한 역할을 합니다. 이 문제는 간단하고 쉽기 때문입니다. 이러한 결과로부터 모델은 현재의 퇴적물 정련 모델이 실험 결과와 유사 함을 보여 주며 강바닥 높이의 급격한 변화로 인한 침전물 침식에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
Figure 3. The pure water simulation results (left). The water height evolution in front of the first pier to compare with measured data (right).
Testing Numerical Modeling Approaches
다음 단계는 수치 모델링 접근법을 시험하는 것이었고, 소규모 모델을 사용한 실험이 수행될 것입니다. 우리는 지역 교량 세굴 구성의 실험적 분석을 설정하고 광학 및 음향 영상 기법을 사용하여 측정하여 실험값을 얻을 계획입니다. 예를 들어 Houfeng Bridge붕괴를 시뮬레이션하기 위해 설계된 예비 실험 및 FLOW-3D모델링의 결과를 아래에 제시합니다. (그림 4참조). 그림 5는 기반암의 분포를 보여 주며 색상 등고선은 침전물 높이 평균변화율을 나타냅니다. 이러한 결과로부터 모델은 현재의 퇴적물 모델이 실험결과와 유사함을 보여주며 강바닥 높이의 급격한 변화로 인한 침전물 침식에 대한 정보를 얻을 수 있습니다.
FLOW-3D Simulation Results
Figure 4. Views of a preliminary small-scale experiment and FLOW-3D modeling performed to simulate the conditions of the Houfeng Bridge collapse. (a)T=10 sec.; (b)T=20 sec.; (c)T=40 sec.; (d)T=80 sec.
시뮬레이션 결과는 현지 구조물(상수도 파이프 라인)이 물의 흐름과 기반암의 침식에 어떻게 영향을 미치는지를 분명히 보여 줍니다. 또한, 수치 모델은 유동장 속도, 수면 높이 및 변화의 침전물 높이를 예측했습니다. 모델은 alluvial river 지역 구조물의 다른 형태와 크기를 시뮬레이션하는데 사용될 수도 있습니다. 이 정보는 지역별 강의 변화가 교량 교각, 웨어 하우스 및 하천 코스에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 데 도움이 될 것입니다.
(a) (b)
(c) (d)
Figure 5. The packed sediment surface and the color contours present the packed sediment height average rate of change. (a)T=10 sec.; (b)T=20 sec.; (c)T=40 sec.; (d)T=80 sec.
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저압주조 충진 거동 및 응고 해석
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원심주조 충진 거동 및 응고 해석
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제품 및 금형 열응력, 변형 해석
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Roll 코팅 해석
Gravure / Gravure-offset 프린팅 해석
Curtain 코팅 해석
Multi-layer Slide 코팅 해석
전기 삼투를 이용한 마이크로 펌프 전위 및 유동해석
마이크로 채널 액적 생성 연속성 및 혼합 해석
잉크젯 헤드 조건에 따른 잉크 분사 성능 해석
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유전 영동 현상을 이용한 액적 융합 해석
레이저 용접 분야
이종재 레이저 용접 해석
용접속도와 경사도에 따른 키홀 내부의 기공 거동 해석
이종재의 레이저 용접 시 wobbling 해석
레이저 용접 Melt Pool 거동 해석
레이저 파워, 속도에 따른 balling 결함 영향 해석
공기/열 흐름 분야 (HVAC System Designs)
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유체 역학과 완벽하게 연계된 FLOW-3D 의 sediment scour model은 침전물 수송, 부유물 운반, 인입 및 퇴적을 포함하여 비 점착성 토양의 모든 퇴적물 이동 과정을 모의 실험합니다 (Wei 등, 2014). 입자 크기, 질량 밀도 및 임계 전단 응력과 같은 다른 성질을 갖는 다중 퇴적물 종을 허용합니다. 예를 들어, 중간 모래, 거친 모래 및 자갈은 시뮬레이션에서 세 가지 종으로 분류 할 수 있습니다. 이 모델은 3D 흐름과 2D 얕은 물 흐름에 모두 적용됩니다.
모델에서, 퇴적물의 충진 층은 퇴적물 종의 상이한 조합을 갖는 다수의 하위 구성 요소로 구성 될 수있는 하나의 기하학적 구성 요소에 의해 정의됩니다. 충전된 베드는 면적 및 부피 분율을 사용하는 FAVORTM 기술에 의해 기술된다. 베드 인터페이스를 포함하는 메쉬 셀에서 인터페이스의 위치, 방향 및 면적이 계산되어 베드 전단 응력, 임계 실드 매개 변수, 침식 속도 및 베드로의 전송 속도를 결정합니다. 3 차원 난류 유동에서의 전단 응력은 매체 입자 크기 50 에 비례하는 층 표면 거칠기를 고려한 표준 벽 함수를 사용하여 평가됩니다. 2D 얕은 물의 경우, 층 전단 응력 계산은 항력 계수가 사용자 정의이거나 수심과 층 표면 거칠기를 사용하여 국부적으로 계산 된 2 차 법칙을 따릅니다.
그림 1. t = 8 분에서의 유량 이 모델은 Meyer-Peter와 Muller (1948)의 방정식을 사용하여 베드 인터페이스를 포함하는 각 메쉬 셀에서의 베드로드 이송을 계산합니다. 서브 메쉬 (submesh) 방법은 메쉬 셀에서 이웃에있는 각 메쉬 셀로 이동하는 입자의 양을 결정하는 데 사용됩니다. 부유 퇴적물 농도는 퇴적물 수송 방정식을 풀음으로써 얻어집니다. 침식의 계산은 침전물 유입 및 침전을 동시에 고려합니다. entrainment에서 입자의 리프팅 속도는 Winterwerp et al. (1992). 퇴적시의 침강 속도는 3D 유동에 대한 퇴적물의 표류 속도와 같지만 얕은 수류에 대해서는 현존 방정식을 사용하여 계산됩니다 (Soulsby, 1997). 드리프트 플럭스 이론 (Breitour and Hirt, 2009)은 입자의 드리프트 속도를 계산하는 데 사용됩니다.
그림 2. t = 8 분의 구멍 채취 이 페이지의 예는 3 개의 원통형 교각을 중심으로 한, 맑은 물 정화에 대한 시뮬레이션입니다. 교각의 지름은 1.5m이며, 교각은 2m 간격으로 나란히 배치되어 있습니다. 다가오는 유량은 실린더와 정렬되며 2m/s의 속도를가집니다. 베드 재료는 모래 (직경 5mm), 자갈 (10mm) 및 거친 자갈 (20mm) 인 세 가지 퇴적물 종으로 구성됩니다. 그림 1, 2 및 3은 8 분간 실린더 주변의 흐름, 채취 구멍 및 채취 깊이 분포를 보여줍니다.
그림 3. t = 8min에서의 정련 깊이 (양수 값) 및 침전 높이 (양수 값) 이 모델에 대한 더 자세한 정보는 침전물 퇴적에 관한 Flow Science Report를 다운로드하십시오.
1. Introduction The three-dimensional sediment scour model for non-cohesive soils was first introduced to FLOW-3D in Version 8.0 to simulate sediment erosion and deposition (Brethour, 2003). It was coupled with the three-dimensional fluid dynamics and considered entrainment, drifting and settling of sediment grains. In Version 9.4 the model was improved by introducing bedload transport and multiple sediment species (Brethour and Burnham, 2010). Although applications were successfully simulated, a major limitation of the model was the approximate treatment of the interface between the packed and suspended sediments. The packed bed was represented by scalars rather than FAVORTM (Fractional Area Volume Obstacle Representation, the standard treatment for solid components in FLOW-3D). As a result, limited information about the packed bed interface was available. That made accurate calculation of bed shear stress, a critical factor determining the model accuracy, challenging.
In this work, the 3D sediment scour model is mostly redeveloped and rewritten. The model is still fully coupled with fluid flow, allows multiple non-cohesive species and considers entrainment, deposition, bedload transport and suspended load transport. The fundamental difference from the old model is that the packed bed is described by the FAVORTM technique. At each time step, area and volume fractions describing the packed sediments are calculated throughout the domain. In the mesh cells at the bed interface, the location, orientation and area of the interface are calculated and used to determine the bed shear stress, the critical Shields parameter, the erosion rate and the bedload transport rate. Bed shear stress is evaluated using the standard wall function with consideration of bed surface roughness that is related to the median grain size d50. A sub-mesh method is developed and implemented to calculate bedload transport. Computation of erosion considers entrainment and deposition simultaneously in addition to bedload transport.
Furthermore, a shallow-water sediment scour model is developed in this work by adapting the new 3D model. It is coupled with the 2D shallow water flows to calculate depth-averaged properties for both suspended and packed sediments. Its main differences from the 3D model are 1) the settling velocity of grains is calculated using an existing equation instead of the drift-flux approach in the 3D model, and 2) turbulent bed shear stress is calculated using a well-accepted quadratic law rather than the log wall function. The drag coefficient for the bed shear stress is either user-given or locally evaluated using the water depth and the bed surface roughness that is proportional to d50 of the bed material. The following sections present the sediment theory used in the model and application and validation cases.
Introduction The sediment scour model predicts the behavior of packed and suspended sediment within the three-dimensional flow capabilities of FLOW-3D®. Potential applications include erosion around bridge piers, weirs, dams and underwater pipelines, and removal and drifting of sand or snow over terrain. The model consists of two basic components: drifting and lifting. Drifting acts on sediment that is suspended in the flow; gravity (along with other body forces) causes the settling of the sediment. This model is based on the drift-flux model already incorporated into FLOW-3D®. Lifting takes place only at the interface between the packed sediment and fluid and occurs where the local shear stress imposed by the liquid on the bed interface exceeds a critical value. The amount of lifting is proportional to the shear stress. In conjunction with the drifting and lifting models, a drag model is used to mimic the solid-like behavior of the sediment in regions where its concentration exceeds a cohesive solid fraction. The viscosity and density are functions of the sediment concentration; they are calculated as a function of the sediment concentration.
FLOW-3D의 Sediment Scour Model 은 강이나 하천에서 수리학적으로 복잡한 교각과 지형에 따라 여러가지 퇴적물들의 높이 변화를 해석할 수 있습니다. 세굴 모델은 FLOW-3D 난류 모델들로 적분하여 3차원 분석이 가능합니다. FLOW-3D의 Shallow Water Model로 더 넓은 범위의 세굴 분석이 가능합니다.
교각 주위의 세굴 해석
세굴 모델은 deposition, packing, entrainment and drift-flux 메커니즘으로 되어있습니다. FLOW-3D v11 에서는 퇴적층의 형상을 FAVOR 하여 좀 더 정확하게 bed net 높이 변화를 시각화 할 수 있습니다. 시공간적으로 침전물의 변화뿐 아니라 유체의 부유물들, 바닥/유체 계면에서의 전단응력들을 분석할 수 있습니다.
Modeling Hydraulic Control Structures
In addition to the flow rates and detail of hydraulic behaviors associated with the control gate structures and powerhouse operation, FLOW-3D‘s sediment and scour model allows users to identify regions of high scour both near the control structure and further downstream in the vicinity of the bridge piers.
Bridge Pier Simulations
The first video shows a FLOW-3D simulation of the erosion that occurs around a group of three 2.4 m diameter piers as river water flows past at 1.5 m/s. The river depth is 15.8 m and the mean sediment size was presumed to be 0.35 mm.
![Figure 5. Comparison of time evolution of scour between the present study and Khosronejad et al. [52], Petersen et al. [17].](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/Figure-5.-Comparison-of-time-evolution-of-scour-between-the-present-study-and-Khosronejad-et-al.-52-Petersen-et-al.-17..png)
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