본 소개 자료는 “Arabian Journal for Science and Engineering”에서 발행한 “An Investigation on Hydraulic Aspects of Rectangular Labyrinth Pool and Weir Fishway Using FLOW-3D” 논문을 기반으로 합니다.
Fig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
연구 배경 및 목적
문제 정의
육상 산사태(subaerial landslides)는 해안 지역의 주요 위협 중 하나이며, 2018년 아낙 크라카타우(Anak Krakatau) 쓰나미와 같은 대형 재난을 유발한 사례가 있음.
기존 연구는 2D 및 3D 실험적 모델링을 통해 산사태 발생 파랑을 연구했으나, 신뢰성 있는 3D 수치 모델 개발이 미흡.
FLOW-3D HYDRO(상용) 및 OpenFOAM(오픈소스) 모델이 산사태 발생 파랑을 얼마나 정확히 재현할 수 있는지 비교할 필요가 있음.
연구 목적
실제 3D 실험 데이터를 이용하여 FLOW-3D HYDRO와 OpenFOAM의 성능을 검증하고 비교.
두 모델의 파면 형상(free surface elevation), 유속 분포(velocity field), 파랑 특성 등을 분석.
수치 모델 선택 시 엔지니어 및 연구자들이 참고할 수 있는 가이드 제공.
연구 방법
1. 실험 모델
영국 브루넬 대학교(Brunel University London)의 3D 수리 실험 수조(2.40m × 2.60m × 0.60m) 사용.
콘크리트 블록(밀도: 2600 kg/m³) 사용하여 산사태 모사.
실험 변수:
수심(h) = 0.246m
경사(α) = 45°
충돌 속도(vs) = 1.84 m/s
실험은 동일 조건에서 3회 반복 수행하여 신뢰성 확보.
2. 수치 모델링
FLOW-3D HYDRO
VOF(Volume of Fluid) 기법 적용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델 사용.
격자 크기: 0.005m
연결 운동 객체(Coupled Motion Objects) 기법 사용하여 산사태 모사.
OpenFOAM
VOF 기법 및 k-ω SST 난류 모델 사용.
격자 크기: 0.005m
Overset Mesh 기법을 활용하여 산사태 운동을 구현.
주요 결과
1. 모델 검증(Validation)
실험 데이터를 기준으로 검증한 결과:
FLOW-3D HYDRO: 평균 오차 8%
OpenFOAM: 평균 오차 18%
FLOW-3D HYDRO가 실험과 더 유사한 결과를 제공함.
2. 파면 형상(Wave Free Surface) 비교
두 모델 모두 실험 데이터를 잘 재현함.
최대 파고
실험값: 0.022m
FLOW-3D HYDRO: 0.020m (오차 9%)
OpenFOAM: 0.017m (오차 22%)
OpenFOAM은 파면 형상의 확산(diffusion)이 더 크며, 에너지 소산 효과가 강함.
3. 유속 분포(Flow Velocity Field) 비교
최대 유속
FLOW-3D HYDRO: 1.9 m/s
OpenFOAM: 1.9 m/s (유사한 결과)
하지만 OpenFOAM은 작은 유속 변동(oscillation)이 더 많았으며, 유속 패턴이 FLOW-3D HYDRO보다 불규칙적.
OpenFOAM은 오픈소스로 접근성이 높으나, 계산 시간이 길고 파면 확산(diffusion) 문제 발생.
상용 vs 오픈소스 모델 선택 시, 연구 목적 및 예산을 고려하여 결정해야 함.
향후 연구 방향
다양한 난류 모델(LES 등)을 적용하여 성능 비교.
다른 유형의 산사태(입자 기반, 혼합형) 모델 적용 연구 수행.
실제 현장 데이터와의 추가 검증을 통한 모델 신뢰성 향상.
연구의 의의
이 연구는 육상 산사태에 의해 발생하는 파랑을 재현하는 두 가지 대표적 CFD 모델(FLOW-3D HYDRO vs OpenFOAM)을 비교 분석한 첫 연구로, 산사태 쓰나미 연구 및 해안 방재 설계에 중요한 참고 자료를 제공하였다.
Fig. 1 Weir fishways dimensionless discharge equations: a: Plunging flow and b: Streaming flowFig. 9 Velocity vectors and the plunging flow for Model A (Q 0.035 m3/s; l 0.685 m; w 0.141 m)
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본 소개 자료는 “Journal of the Korean Society of Civil Engineers”에서 발행한 “변수심에서의 항주파 파형 예측 및 FLOW-3D에 의한 검증”논문을 기반으로 합니다.
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
연구 배경 및 목적
문제 정의
항주파(ship waves)는 선박의 이동으로 인해 발생하는 파랑으로, 이는 선박의 속도, 수심 및 해안 구조물에 따라 다르게 나타남.
기존의 항주파 연구는 일정한 수심을 가정한 연구가 많았으며, 변수심에서의 항주파 예측 연구는 부족한 상황.
Kelvin(1887)의 이론은 심해 조건에서만 유효하며, 중간 수심(intermediate-depth)이나 변수심(varying water depth)에 적용하기 어렵다.
연구 목적
Kelvin(1887)의 항주파 이론을 확장하여, 변수심에서도 적용 가능한 이론식을 개발.
FLOW-3D를 활용하여 수치 해석을 수행하고, 개발된 이론식의 정확성을 검증.
선박이 이동할 때 항주파의 형상이 어떻게 변하는지 분석하여 해안 및 항만 설계에 기여.
연구 방법
항주파 이론식 개발
기존 Kelvin(1887) 이론의 선형 분산 관계식(dispersion relation)의 순환 관계를 이용하여 확장된 항주파 이론식을 유도.
중간 수심(intermediate water depth)과 변수심(varying water depth)에서도 적용 가능하도록 개선.
수치 실험(FLOW-3D) 설정
수치 모델:
계산 영역: 1000m × 250m × 30m
격자 간격: △x = 2m, △y = 1m, △z = 0.5m
선박 속도: 6m/s, 8m/s
수심 조건: hc = 10m, hd = 15m, hs = 5m
바닥 경사: 1/100, 1/61
FLOW-3D 모델링 기법:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적
RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용한 난류 해석
Havelock(1908)의 최대 파향각(cusp locus angle) 이론과 비교하여 검증 수행
주요 결과
이론식과 FLOW-3D 시뮬레이션 비교
FLOW-3D 결과는 개발된 이론식과 높은 일치도를 보임.
바닥 경사가 급할수록, 선박 항적 중심선의 좌우 비대칭성이 증가.
얕은 쪽에서는 굴절로 인해 파향선이 해안선과 평행,
깊은 쪽에서는 역굴절(reverse refraction)로 인해 파향선이 해안선과 직각.
선박 속도 증가 시, 최대 파향각이 커지는 경향을 보임.
오차 분석 결과, RMSE(root mean squared error)가 4% 이내로 이론식과 수치 해석이 잘 일치.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D 시뮬레이션을 통해 변수심에서도 항주파 형상을 정확히 예측할 수 있음을 검증.
이론식은 중간 수심 및 변수심에서도 높은 정확도를 보이며, 기존 Kelvin(1887) 이론의 한계를 극복함.
바닥 경사가 급한 경우, 해안선 가까운 영역에서는 항주파의 형상이 크게 변함을 확인.
향후 연구 방향
더 다양한 해저 지형과 수심 조건에서 항주파 전파 특성 분석.
현장 실험을 통해 FLOW-3D 시뮬레이션 결과의 검증 강화.
해양 구조물 설계 및 연안 보호를 위한 최적 설계 모델 개발.
연구의 의의
본 연구는 변수심에서도 적용 가능한 항주파 예측 이론을 제시하고, FLOW-3D를 활용하여 검증을 수행함으로써, 항주파 분석의 정확성을 높이는 데 기여하였다. 이는 해안 공학 및 항만 설계에 중요한 기초 자료를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
Fig. 1. Ship wave pattern (Kelvin, 1887)
Fig. 3. Ship wave patterns in theory (upper) and by FLOW-3D (lower)
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본 소개 자료는 International Symposium on Hydraulic Structures에서 발행한 “Performance Assessment of FLOW-3D and XFlow in the Numerical Modelling of Fish-bone Type Fishway Hydraulics” 논문을 기반으로 합니다.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.
연구 배경 및 목적
문제 정의
어도(Fishway)는 물고기의 이동을 돕기 위해 설계된 수리 구조물이며, 수력학적 특성이 어류 이동에 미치는 영향을 평가하는 것이 중요함.
기존 수리 모델링 방법은 주로 실험적 접근법을 사용하였으며, 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석이 널리 적용되고 있음.
기존의 **격자 기반(mesh-based) CFD 방법(FLOW-3D)**과 비격자(meshless) CFD 방법(XFlow) 간의 성능 차이를 평가하는 연구가 필요함.
연구 목적
FLOW-3D(FVM 기반)와 XFlow(Lattice Boltzmann Method 기반)의 수리학적 모델링 성능을 비교 분석.
어류 이동과 관련된 유동 구조(유속, 난류 특성, 흐름 깊이)를 평가하고 두 모델의 정확성을 비교.
실험 데이터와 시뮬레이션 결과를 비교하여 두 모델의 신뢰성을 검증.
연구 방법
어도(Fishway) 모델 설정
실험 환경: 길이 10m, 너비 1m의 실험 수로(flume) 내 fish-bone 형태 어도 모델 구축.
높은 유량(0.075 m³/s)에서는 두 모델 모두 유사한 유속 분포를 보였으나, 낮은 유량(0.016 m³/s)에서는 XFlow의 정확도가 낮음.
난류 특성 분석
FLOW-3D가 블록 후류 영역에서의 와류(Swirling Flow)를 보다 정밀하게 포착.
XFlow는 격자 해상도를 높이지 않으면 난류 구조를 정확히 표현하지 못함.
계산 비용 및 효율 비교
FLOW-3D는 시뮬레이션 정확도가 더 높지만, 계산 시간이 평균 9시간 소요.
XFlow는 7시간 내에 시뮬레이션을 완료하지만 정확도가 다소 낮음.
XFlow는 해상도를 증가시키면 정확도가 향상되지만 계산 시간이 4일로 증가.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D는 유동 구조 및 난류 특성을 보다 정밀하게 예측하며, 실험 결과와의 일치도가 높음.
XFlow는 상대적으로 빠른 계산 속도를 제공하지만 정확도가 다소 떨어짐.
FLOW-3D는 고해상도 격자 설정이 가능하여 복잡한 흐름을 모델링하는 데 더 적합함.
향후 연구 방향
다양한 어도 설계(블록 배열, 경사 변화)에 대한 추가 연구 수행.
고해상도 XFlow 모델링을 통한 정확도 개선 연구.
실제 어류 이동 데이터를 활용한 모델 보정 및 최적화 연구 진행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D와 XFlow의 수리학적 성능을 비교하고, 어도(Fishway) 모델링에서의 적용 가능성을 평가하였다. 결과적으로 FLOW-3D가 보다 높은 정확성을 보이며, 수리 구조물 설계 최적화에 중요한 도구가 될 수 있음을 확인하였다.
Figure 1. Three main regions in the fish-bone-type fishway.Figure 3. Stream traces for (a) FLOW-3D and (b) XFlow at 0.075 m3
/s.
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본 소개 자료는 ‘IOP Conference Series: Materials Science and Engineering’에서 발행한 ‘FLOW-3D software for substantiation the layout of the port water area’ 논문을 기반으로 합니다.
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the
port water area
1. 서론
항만 설계 시, 방파제를 통한 내부 수역의 파랑 차단이 필수적이며, 이를 위해 최적의 항구 입구 배치 및 규모를 결정해야 함.
항만 수역은 파랑, 퇴적물 축적, 그리고 결빙으로부터 보호되어야 하며, 이를 위해 물리적·수치적 모델링이 필요함.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 설계 변수들이 항만 내부 수역의 흐름 및 안전성에 미치는 영향을 분석하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
유체 해석을 위한 유한체적법(Finite Volume Method, FVM) 기반의 고정 격자 기법 사용.
FLOW-3D의 다중 격자(Multi-block Grid) 기능을 활용하여 계산 효율성 향상.
항만 설계를 위한 입력 데이터:
설계 풍속: 20m/s
설계 파고: 1.0m, 주기 T = 5s
설계 수위: 최저 11.50m, 운영 수위 12.00m, 최고 수위 15.00m
3. 연구 결과
다양한 항만 입구 배치에 따른 유동 특성 비교
총 5가지 항만 입구 배치를 고려하여 항만 내부 유속 및 흐름 패턴을 분석.
항만 입구 폭 및 위치에 따른 주요 결과:
입구가 상단(Variant 1) 또는 이중 입구(Variant 2)일 경우, 내부 유속이 불균형하여 계류 안정성이 낮아짐.
입구가 하단(Variant 3)일 경우, 내부 흐름이 균형을 이루며 정박 시 안전성이 가장 높음.
입구 폭이 60m(Variant 5)로 증가할 경우, 외해의 파랑이 거의 그대로 내부로 전달되며, 방파제의 차단 효과가 감소.
입구 폭이 20m(Variant 4)로 좁아질 경우, 항구 내부에서 난류(circulation)가 형성되어 선박 기동성이 저하.
계류 및 선박 기동성 평가
항만 내 특정 지점(A, B, C)에서의 수심 변화를 분석하여 계류 안정성을 평가.
Variant 3에서 항만 내 수심 변화가 가장 적고, 계류 안정성이 가장 높음.
Variant 4의 경우, 항구 입구 폭이 좁아지면서 난류가 증가하고, 선박 기동성이 제한됨.
Variant 5의 경우, 외해 파랑이 내부까지 도달하여 계류 조건이 불안정해짐.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 항만 수역 내 유동 특성을 정량적으로 분석할 수 있음.
입구 위치가 하단에 있으며(Variant 3), 폭이 40m일 때 가장 안정적인 계류 환경을 제공.
입구 폭이 과도하게 좁아질 경우(Variant 4), 난류가 증가하여 선박 운항이 어려워지고, 반대로 폭이 과도하게 넓을 경우(Variant 5), 외해 파랑이 항만 내부까지 침투하는 문제가 발생.
향후 연구 방향
다양한 파랑 조건 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
실제 항만 데이터를 활용한 모델 검증 연구 수행.
다양한 방파제 형상 및 재료 특성을 고려한 추가 시뮬레이션 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 항만 입구 배치 및 방파제 설계가 항만 내부 유동 및 계류 안정성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 이를 통해 향후 항만 설계 및 운영 최적화를 위한 실질적인 설계 지침을 제공할 수 있음.
Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 3. Port water area planFigure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the
port water area
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본 소개 자료는 ‘Open Journal of Marine Science’에서 발행한 ‘Modeling of the Changes in Flow Velocity on Seawalls under Different Conditions Using FLOW-3D Software’ 논문을 기반으로 합니다.
Figure 2. Flow velocity on seawall in A2 modeling.
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본 소개 자료는 ‘Environmental Fluid Mechanics’에서 발행한 ‘Numerical simulation of local scour around the pier with and without airfoil collar (AFC) using FLOW-3D’ 논문을 기반으로 합니다.
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases
1. 서론
교각 주변의 국부 세굴(local scour)은 수리 구조물의 안전성에 중대한 영향을 미치는 요소이며, 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나임.
기존 연구에서는 다양한 세굴 저감 장치를 연구해 왔으며, 본 연구에서는 에어포일 컬러(Air-Foil Collar, AFC)의 효과를 평가하고자 함.
FLOW-3D를 이용하여 다양한 AFC 구성에서 세굴 깊이를 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
난류 해석: Large Eddy Simulation (LES) 모델 적용.
퇴적물 모델: van Rijn의 bed-load transport 모델 활용.
격자 설정: 12.234백만 개의 격자로 구성된 nested mesh 사용.
경계 조건:
유입부: 일정한 유속(velocity inlet) 적용.
유출부: 자유 배출(outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
AFC 적용 유무에 따른 세굴 특성 비교
AFC가 없는 경우 최대 세굴 깊이: 6.33cm.
AFC가 적용된 경우 세굴 깊이 감소 효과:
dc1 (2b) 컬러 적용 시: 77.78% 감소.
dc1R (역방향 2b) 컬러 적용 시: 46% 감소.
dc2 (3b) 컬러 적용 시: 100% 감소 (세굴 없음).
dc1 (2b) 컬러를 하단부에서 y/2 높이에 적용 시: 11.12% 감소.
dc2 (3b) 컬러를 하단부에서 y/2 높이에 적용 시: 42.86% 감소.
최대 세굴 깊이 및 세굴 형상 분석
AFC가 없는 경우, 세굴은 주로 교각 전면부에서 강하게 발생하며 후류(wake)에서 퇴적이 진행됨.
AFC 적용 시, 와류 강도가 감소하고 말굽 와류(horseshoe vortex) 및 후류 난류가 완화됨.
AFC의 위치 및 크기에 따른 효과 분석
dc2 (3b) 컬러를 교각 기초에 설치했을 때 세굴 방지가 가장 효과적.
dc1 (2b) 컬러의 경우 역방향(dc1R) 설치 시 세굴 감소 효과가 다소 감소.
4. 결론 및 제안
결론
AFC는 교각 주변 국부 세굴을 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조적 솔루션임.
3b 크기의 컬러(dc2)를 교각 기초에 설치하는 것이 가장 효과적인 세굴 방지 방법으로 확인됨.
LES 모델을 활용한 수치 시뮬레이션 결과가 실험 결과와 7% 이내의 오차를 보이며 높은 신뢰도를 가짐.
향후 연구 방향
다양한 유속 및 침전 조건에서 추가 시뮬레이션 수행 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 AFC의 장기적인 효과 검증.
AFC 형상 최적화를 위한 설계 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 AFC의 적용 유무에 따른 교각 주변 국부 세굴 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 향후 교량 설계 시 AFC 적용을 고려한 세굴 방지 전략을 제안할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다.
Fig. 3 a Meshing around the geometry and b boundary conditions annotated
Fig. 4 Scour hole profle from Melville and Raudkivi [16] and simulated results
Fig. 10 Transverse scour hole profles for six cases
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본 소개 논문은 Journal of Marine Science and Technology에서 발행한 논문 “NUMERICAL SIMULATIONS OF WATER SURFACE PROFILES AND VORTEX STRUCTURE IN A VORTEX SETTLING BASIN BY USING FLOW-3D”의 연구 내용입니다.
Fig. 6. Air core forming process display.
1. 서론
와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 부유 퇴적물을 효과적으로 제거하기 위한 수리학적 장치로, 원통형 챔버, 유입 시스템, 하부 오리피스 유출구 및 월류 위어로 구성됨.
와류 흐름은 매우 복잡하여 실험적 방법만으로 정확한 측정이 어렵기 때문에, 수치 시뮬레이션이 필수적임.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 VSB 내부 유동장을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 시뮬레이션의 신뢰성을 평가함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 일정한 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 하부 오리피스(Bottom Orifice) 및 월류 위어(Overflow Weir) 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
격자 해상도:
2.38백만 개의 격자로 구성, 최소 격자 크기 0.25cm(z 방향), 최대 격자 크기 1cm.
3. 연구 결과
실험 및 수치 모델 비교 분석
수면 프로파일 비교
실험 및 수치 모델에서 얻은 수면 프로파일이 매우 유사함.
수치 모델에서 계산된 최고 수위(17.10cm)가 실험 결과(17.03cm)와 ±0.5cm 이내의 차이를 보임.
유속 분포 분석
난류 유동장에서 탱젠셜 속도(Vt), 방사 속도(Vr), 축 방향 속도(Vz)를 각각 비교.
탱젠셜 속도(Vt): 벽면에서 중심부로 갈수록 증가하며, 내부 영역에서는 자유 와류, 외부 영역에서는 강제 와류 특성을 나타냄.
방사 속도(Vr): 중심부에서 바깥쪽으로 점진적으로 감소하며, 바닥에 가까울수록 세굴 효과가 증가.
축 방향 속도(Vz): 오리피스 방향으로 강한 하강 흐름을 보이며, 퇴적물 제거 효율에 중요한 역할 수행.
에어 코어(Air Core) 형성 과정 분석
실험 및 수치 모델 모두에서 에어 코어 형성이 확인됨.
에어 코어의 위치 및 크기는 실험 결과와 수치 해석 결과가 ±1.5cm 이내의 차이를 보임.
에어 코어의 진동이 유속 변화에 영향을 미치지만, 전체적인 유동장에는 큰 영향을 미치지 않음.
유입량 증가에 따른 와류 특성 변화
유입량 증가(Qcc = 1.5 × 10⁻³ ~ 4.0 × 10⁻³ cms)에 따라 와류 강도가 증가하고, 에어 코어의 형상이 변화.
유량이 커질수록 벽면에서의 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
수평 유도판(Horizontal Deflector) 적용 효과
수평 유도판을 설치한 경우, 유체 체류 시간이 증가하고 와류 강도가 높아져 퇴적물 제거 효과가 향상됨.
유도판이 없는 경우, 유체가 곧바로 월류 위어를 넘어가 퇴적물 제거 효과가 감소하는 것으로 나타남.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 VSB 내부의 복잡한 유동 구조를 정량적으로 분석할 수 있음.
탱젠셜 속도, 방사 속도, 축 방향 속도 등 주요 유동 변수들이 실험 결과와 높은 일치도를 보임.
에어 코어 형성 및 진동이 전체 유동장에는 큰 영향을 미치지 않지만, 특정 영역에서는 국소적인 유동 변화가 발생.
유량 증가 시 와류 강도가 증가하며, 퇴적물 제거 효율이 향상됨.
수평 유도판 적용 시, 유동 구조가 안정화되며 퇴적물 제거 효율이 증가함.
향후 연구 방향
다양한 VSB 설계 변수(오리피스 크기, 유입 각도 등)에 대한 추가 연구 필요.
LES 모델과 다른 난류 모델(k-ε 등) 비교 연구 수행.
현장 데이터 기반 실증 연구를 통해 시뮬레이션 결과의 신뢰도 추가 검증 필요.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지(VSB)의 유동 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 퇴적물 제거 효율 향상 및 VSB 설계 최적화를 위한 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 2. Boundary conditions of VSB in FLOW-3D.
Fig. 6. Air core forming process display.
6. 참고 문헌
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본 소개 논문은 한국해안·해양공학회논문집에서 발행한 논문 “FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험”의 연구 내용입니다.
1. 서론
해상풍력 터빈 및 해상 플랫폼과 같은 구조물의 설치가 증가하면서 세굴(Scour) 현상이 중요한 연구 주제로 부각됨.
해양 구조물은 조류 및 파랑에 의해 해저 입자가 제거될 가능성이 높으며, 이는 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 활용하여 HeMOSU-1 해상 자켓 구조물 주변에서 발생하는 세굴을 수치적으로 분석하고, 일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성을 비교하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
Case 1: 유입부에 1m/s의 일정한 흐름을 적용한 일방향 흐름 해석.
Case 2: 유속이 -1~1 m/s로 변동하는 왕복성 흐름을 고려한 해석.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
일방향 및 왕복성 흐름 조건에서의 세굴 특성 비교
Case 1(일방향 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.32m.
Case 2(왕복성 흐름)에서의 최대 세굴 깊이: 1.44m.
현장 측정값과 비교 결과
HeMOSU-1 주변의 현장 측량 결과 세굴 깊이가 약 1.5~2.0m로 확인됨.
왕복성 흐름을 고려한 Case 2의 결과가 실제 데이터와 가장 유사한 값을 보임.
세굴 현상의 주요 원인
해양 조류 흐름으로 인해 구조물 전면부에서 침식이 발생하고, 후면부에서 퇴적 현상이 관찰됨.
왕복성 흐름에서는 해저 입자의 이동이 지속적으로 반복되며, 최종적으로 일방향 흐름보다 깊은 세굴이 형성됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 수치 시뮬레이션을 통해 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 현상을 정량적으로 분석할 수 있음.
왕복성 흐름을 고려한 모델이 실제 현장 데이터와 가장 유사한 결과를 제공.
장기적인 해석이 필요하며, 세굴 저감을 위한 추가적인 설계 대책 마련이 요구됨.
향후 연구 방향
장기적인 흐름 변화 및 조류 영향에 대한 추가 연구 필요.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 활용한 난류 해석 정밀도 향상.
해저 지반 강화 및 세굴 저감 기술 개발을 위한 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해상 자켓 구조물 주변의 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실제 측량 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 해상 풍력 및 해양 구조물 설계 시 세굴 저감을 위한 실질적인 설계 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
6. 참고 문헌
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본 소개 논문은 Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics에서 발행한 논문 “Numerical Modeling of Flow Over Trapezoidal Broad-Crested Weir”의 연구 내용입니다.
Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.
1. 서론
넓은 마루 위어(Broad-Crested Weir, BCW)는 수리학적 구조물로서 홍수 조절, 유량 측정 및 관개 시스템에서 활용됨.
BCW의 형상, 특히 사다리꼴 형태는 유량 및 에너지 손실에 영향을 미칠 수 있으며, 기존 실험적 연구와 함께 수치 모델링이 중요함.
본 연구에서는 FLOW-3D 및 SSIIM 2 소프트웨어를 사용하여 사다리꼴 BCW의 유동 특성을 분석하고, 수치 결과를 물리 실험 결과와 비교하여 모델링 정확도를 평가함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 및 SSIIM 2 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식과 k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 구조물 형상을 반영.
SSIIM 2는 적응형(adaptive) 격자를 사용하며, Marker-and-Cell(MAC) 접근법을 적용하여 자유 수면을 계산.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
FLOW-3D와 SSIIM 2 결과 비교
두 모델 모두 물리 실험 결과와 유사한 자유 수면 프로파일을 예측하였으며, 계산된 유량 계수(Discharge Coefficient, Cd)는 실험 값과 ±3% 이내의 차이를 보임.
FLOW-3D는 격자가 고정되어 있으며, 평균 435~550초의 계산 시간이 소요됨.
SSIIM 2는 적응형 격자를 사용하여 격자 수가 변하며, 계산 시간이 12,500~15,500초로 상대적으로 길었음.
유량 변화(Q = 0.0181 ~ 0.0055 m³/s)에 따른 자유 수면 프로파일 분석 결과, 두 모델 간 수위 차이는 1~1.5% 범위 내에 존재.
압력 및 유속 분포 분석
FLOW-3D의 결과에서는 위어 전면부에서 압력이 최대치를 기록하며, 후면부에서는 압력이 급격히 감소.
SSIIM 2에서도 유사한 압력 분포가 확인되었으나, 자유 수면 프로파일 계산에서 다소 차이가 발생.
속도 벡터 분석 결과, 위어 전면부에서 흐름이 가속되고 후면부에서 난류 강도가 증가하는 패턴이 관측됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 및 SSIIM 2를 활용한 시뮬레이션은 사다리꼴 BCW 유동 해석에서 높은 신뢰도를 보였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 타당성이 검증됨.
FLOW-3D는 고정 격자와 높은 계산 효율성을 제공하며, SSIIM 2는 적응형 격자를 활용하여 자유 수면의 변화를 보다 세밀하게 반영.
전체적인 Cd 값은 실험 데이터와 잘 일치하며, 실험과의 평균 오차율이 3% 이내임.
향후 연구 방향
3D 모델링을 활용하여 더욱 정밀한 유동 분석 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 및 다른 난류 모델과의 비교 연구 필요.
자연 하천 환경에서의 적용 가능성을 평가하기 위한 추가 연구 필요.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D 및 SSIIM 2를 이용하여 사다리꼴 BCW에서의 유동 특성을 분석하고, 실험 결과와 비교하여 모델 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 및 유량 측정 기술 향상에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Sketch of the orthogonal, structured and nonadaptive grid (hexahedral), used in Flow-3D. In the computations a finer grid is used.Fig. 9 Velocity vectors for Q = 0.0181 m3/s in the area of the broad-crested weir.
6. 참고 문헌
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본 소개 자료는 Nat. Hazards Earth Syst. Sci에 게재된 논문 “The 1958 Lituya Bay tsunami – pre-event bathymetry reconstruction and 3D numerical modelling utilising the computational fluid dynamics software Flow-3D”의 연구 내용입니다.
Figure 8. Wave formation and propagation in the impact area using the second-order approach for the density evaluation. Observation gauges
P1, P2, and P3 are set to verify the water surface elevation and flow speed. Their trends are shown in the graphs for different grid resolutions
(R: 5, 10, 20 m). More accurate results are obtained using the grid resolution of 5 m (sky-blue line, R5).
1. 서론
리투야 베이(Lituya Bay)는 1958년 거대한 암석 산사태에 의해 발생한 세계에서 가장 높은 쓰나미(최대 런업 524m)가 기록된 지역.
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 산사태 유발 충격파(impulse wave) 시뮬레이션의 정확도를 평가하는 것을 목표로 함.
모델의 공간적 범위, 격자 해상도(grid resolution), 계산 시간 및 정확도의 상관관계를 분석하고, 실험적 검증을 통해 쓰나미 형성과 전파 과정을 재현하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 3D 수치 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식과 RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 지형 및 해저 지형을 정밀하게 모델링.
사전 지형 복원
1958년 쓰나미 발생 이전의 리투야 베이 지형을 복원하기 위해 기존 측량 데이터(U.S. Coast and Geodesic Survey, 1926, 1942, 1959)를 활용.
최대 수심 -220m로 추정하며, 쓰나미 발생 전후 해저 침전물 변화 분석.
3. 연구 결과
쓰나미 형성과 파랑 전파 분석
암석 산사태의 충격 속도(약 93m/s)와 충돌로 인해 생성된 최대 쓰나미 파고는 약 208m.
암석 충격 후 약 24초 이내에 주요 쓰나미가 형성되며, 파고는 초기 208m에서 전파 과정에서 감소.
쓰나미의 전파 및 최대 런업 분석
쓰나미가 기울어진 해안선을 따라 524m까지 상승하여, 1km 거리를 흐르며 해안선을 따라 이동.
최대 런업이 발생한 지역에서의 유속은 약 50~70m/s로 계산됨.
격자 해상도에 따른 정확도 분석
격자 크기 5m일 때 가장 정확한 결과를 제공하며, 최대 런업을 가장 잘 재현.
격자 크기 20m에서는 쓰나미의 전파 및 침수 범위가 과소평가됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 쓰나미 시뮬레이션이 리투야 베이의 역사적 데이터를 성공적으로 재현.
밀도가 높은 유체(denser fluid) 개념을 사용하여 산사태에 의한 충격파를 효과적으로 모델링 가능.
격자 해상도와 계산 시간 간의 균형이 중요하며, 5m 격자 해상도가 가장 정확한 결과를 제공.
향후 연구 방향
다양한 지형 및 쓰나미 조건을 고려한 추가 시뮬레이션 수행 필요.
고해상도 위성 데이터 및 최신 측량 기술을 활용하여 모델 검증 필요.
3D 유체-지형 상호작용 모델을 개선하여 향후 자연재해 예방에 기여 가능.
5. 연구의 의의
본 연구는 1958년 리투야 베이 쓰나미를 3D 수치 모델링을 통해 재현하고, FLOW-3D를 이용한 충격파 및 파랑 전파 해석 기법의 신뢰성을 평가하였다. 이를 통해 지진 및 산사태로 인한 쓰나미 예측 모델의 정밀도를 높이는 데 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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본 소개 자료는 한국추진공학회 2017년도 춘계학술대회 논문집 에 게재된 논문 “Flow-3d를 이용한 표면장력 탱크용메시스크린모델링”의 소개 내용입니다.
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation
1. 서론
우주비행체의 미소 중력 환경에서 추진제 관리가 필수적이며, 이를 위해 표면장력 탱크(Surface Tension Tank, STT)가 사용됨.
STT 내 주요 구성 요소인 메시 스크린(Mesh Screen)은 추진제와 가압 기체를 분리하여 액상 추진제의 안정적인 배출을 돕는 핵심 장치임.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 메시 스크린을 모델링하고, 기포점(bubble point) 시뮬레이션을 수행하여 수치 모델의 정확성을 평가하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
거시적 다공성 매체 모델(Macroscopic Porous Media Model)을 적용하여 메시 스크린의 공극률, 모세관압, 항력 계수를 설정.
경계 조건 설정:
유입부: 초기 추진제(NTO) 유입 설정.
유출부: 배출구에서 자유 배출(Outflow) 조건 적용.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
기포점 측정 시뮬레이션
350 × 2600, 400 × 3000, 510 × 3600 DTW 메시 스크린 모델을 사용하여 기포점 측정을 수행.
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 비교 시, 최대 오차율 1.6% 이내로 높은 신뢰도 확인.
스크린 모델의 차압은 초기 270 Pa에서 점진적으로 증가하여 약 630 Pa에 도달 시 배출 중단, 이는 예상된 기포점과 유사.
PMD(Propellant Management Device) 내 추진제 배출 해석
스크린을 포함한 STT 시스템의 추진제 배출 시뮬레이션 수행.
출구 스크린에서 기포점 도달 전까지 추진제 배출이 지속되며, 기포점 도달 후 배출이 중단됨을 확인.
베인(Vane) 구조를 통한 추진제의 균등 분포 확인, 표면장력 효과로 인해 추진제가 특정 경로를 따라 흐름.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 메시 스크린 모델링이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보이며, 표면장력 탱크 내 추진제 배출 특성을 효과적으로 분석할 수 있음.
기포점 특성을 정확히 반영하여 추진제 관리 장치(PMD)의 설계 최적화 가능성을 제시.
향후 연구 방향
추진제 종류 및 다양한 미소 중력 조건에서 추가 연구 필요.
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용하여 난류 효과 정밀 분석.
현장 데이터를 활용한 추가 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 표면장력 탱크용 메시 스크린의 모델링 및 추진제 배출 해석을 수행하였으며, 향후 우주비행체의 추진제 관리 시스템 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 1 Real geometry-based mesh screen model (left) and mesh screen model based on macroscopic porous media model in Flow-3d (right)Fig. 4 Fluid behavior in bubble point test simulation
(350 × 2600 DTW mesh screen)
Fig. 5 Fluid behavior in liquid propellant discharge simulation
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Modeling Longitudinal and Transverse Velocity Profiles Upstream of an Orifice Using the FLOW-3D Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
서론
연구 배경 및 필요성
이란에서는 물 부족 위기로 인해 수자원 관리가 매우 중요해졌음.
댐 저수지는 가장 중요한 수자원 중 하나임.
하천에 댐을 건설하면 저수지의 유속이 감소하여 퇴적물이 쌓이게 됨.
댐 저수지에 퇴적물이 쌓이면 유효 부피가 줄어들고 저수 기능이 저하됨.
따라서 댐 수명 동안 퇴적물을 관리하고 배출하기 위한 방안이 지속적으로 제시되어 왔으며, 가압 플러싱은 퇴적물을 제거하는 일반적인 해결책임.
이 방법에서는 하부 수문을 개방하여 상류의 수압으로 오리피스를 통해 퇴적물을 배출함.
이동된 퇴적물의 양은 수문 직경, 퇴적물의 종류 및 크기, 수문 상류의 수위, 유출량과 같은 여러 요인의 함수임.
Shahmirzadi et al.(2010)은 하부 방류 장치의 직경이 플러싱 콘의 크기에 미치는 영향을 실험적으로 평가함.
Powell and Khan (2015)은 고정층 및 평형 세굴(이동층) 조건에서 댐 오리피스 상류의 흐름 패턴을 조사하기 위한 테스트를 수행함.
연구 결과, 속도 수평 성분은 고정 및 평형 세굴 조건에서 거의 동일했으며, 속도의 수직 성분도 동일한 조건이었음.
Bryant et al.(2008)은 여러 실험을 수행하고 몇 가지 수치 관계를 제안하여 다양한 크기의 오리피스 상류의 흐름 패턴을 연구함.
그들은 횡방향 및 깊이 속도 프로파일을 평가하기 위해 극좌표계를 사용했으며, 이 방법이 오리피스 근처의 속도 프로파일보다 더 나은 예측을 제공한다는 것을 발견함.
Wei et al.(2014)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 가압 플러싱 콘을 시뮬레이션함.
그들은 세굴 구멍, 하상토 및 부유사 하중을 시뮬레이션할 수 있는 3D 모델을 개발함.
Dargahi (2010)는 FLOW-3D 모델을 사용하여 하부 유출구의 방전 특성을 시뮬레이션하고 결과를 이집트 아스완 댐의 축소 모델 실험 결과와 비교함.
얻어진 결과는 RNG 난류 모델이 k-ε 난류 모델에 비해 정확도가 더 높다는 것을 보여줌.
Chapokpour et al.(2012)은 FLOW-3D 모델을 사용하여 와류 흐름 거동을 연구함.
속도 성분을 평가한 결과, 일부 지점에서 여러 시계 방향 및 반시계 방향 와류가 발견됨.
또한, 얻어진 결과를 이전의 결과와 비교한 결과, FLOW-3D 수치 모델이 와류 흐름을 모델링할 수 있음이 나타남.
Chanson et al.(2002)은 수위가 낮아지는 동안 오리피스 상류의 비정상 흐름 거동을 실험적으로 조사함.
Powell and Khan (2012)은 동일한 맥락에서 실험 연구를 수행하여 오리피스로부터의 상대 거리가 증가함에 따라 오리피스 중심을 따라 흐르는 속도가 감소한다는 것을 보여줌.
Shammaa et al.(2009)은 흐름 포텐셜을 사용하여 게이트 및 오리피스 후면의 흐름 패턴을 정의하고 다양한 시나리오에 따라 분석적으로 해결함.
연구 목표
본 연구에서는 플로우-3D 모델을 사용하여 다양한 수심에서 오리피스 상류의 종방향 흐름 속도 프로파일을 예측하는 것을 연구함.
실험 설계는 LES, Laminar 및 k-ε 난류 모델과 함께 모델을 보정하는 데 사용됨.
본 연구에서는 오리피스 상류의 다양한 수심에 대해 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태가 높은 정확도로 지수 함수를 따르는 것으로 나타남.
또한, 오리피스에서 더 먼 상류에서 횡방향 속도 프로파일은 균일해짐.
결국, 오리피스 상류의 수심이 8배 상승하면 하상에 생성되는 전단 응력이 148% 증가하는 것으로 나타남.
연구 방법
수치 모델링
본 연구에서는 유한 체적법을 사용하여 중간 Reynolds 수 범위 내에서 Navier-Stokes 방정식을 푸는 상용 CFD 소프트웨어인 FLOW-3D를 사용함.
이 소프트웨어는 유한 체적 모드에서 흐름장의 2D 및 3D 분석을 모두 허용함.
이 소프트웨어는 직교 3D 요소를 사용함.
다양한 유체에 사용할 수 있다는 점을 고려할 때, FLOW-3D는 특히 유압 분야에서 허용 가능한 결과를 제공함.
사용자 수가 증가하고 최근 디버깅으로 인해 소프트웨어는 현재 다양한 유체 역학 분야, 특히 개방 수로 및 유압 구조물의 수역학 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있음.
실험 모델
본 모델은 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 바탕으로 보정되었음.
본 연구에서 실험한 플룸은 폭 122cm, 높이 91cm, 길이 914cm였음 (그림 1).
본 연구에서는 펌프 속도 변화에 따라 의도된 흐름의 유량이 달라짐.
본 연구에서는 직경(D)이 7.62cm와 15.24cm인 두 개의 오리피스가 사용되었음.
측벽의 영향을 제거하기 위해 전체 오리피스의 중심이 채널 폭의 중앙에 위치하였음.
또한, 오리피스 중심 상류의 수심(H)은 5.92cm로 고정되었음.
흐름 패턴은 ±1%의 정확도를 가진 ADV(Acoustic Doppler Velocity Meter)를 사용하여 측정되었음.
수치 모델의 메시 생성, 경계 조건 및 보정
AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 주어진 치수를 기반으로 플룸 형상을 생성함.
시뮬레이션 시간을 단축하기 위해 솔루션 메시의 크기는 길이 150cm, 폭 122cm, 높이 60cm로 제한되었음.
시뮬레이션에서 유체는 비압축성으로 간주되었음.
메시는 0.01m의 균일한 크기를 가졌으며, 계산 정확도를 높이기 위해 오리피스에 인접한 곳에 더 미세한 메시가 사용되었음.
30초의 기간이 모델링에 할당되었으며, 이는 수치 모델 결과를 실험 모델 결과와 비교하여 적합한 것으로 판명됨.
수치 모델은 이 기간에 정상 상태가 됨.
그림 (2)는 소프트웨어에 의해 정의된 경계 조건을 보여줌.
플룸 입구의 수심은 40.64cm로 고정되었음.
유출 경계 조건은 오리피스에 대해 정의되었고, 벽과 바닥은 강체 경계(벽)를 가졌으며, 대칭 조건은 상단 경계에 대해 정의되었음.
전단 응력을 결정하기 위해 바닥이 오리피스 아래에 위치한 그림 2와 같이 다른 형상이 플롯되었음.
평균 절대 오차(MAE), 제곱 평균 제곱근 오차(RMSE) 및 결정 계수(R2)의 통계적 매개변수가 정확도를 평가하고 최적의 난류 모델을 선택하는 데 사용됨.
연구 결과
모델 보정
앞서 언급했듯이 Bryant et al.(2008)의 연구 결과를 사용하여 모델을 보정하였음.
본 연구에서 사용된 침수비는 0.77이었음.
그림 (3)은 실험 데이터와 추정된 난류 모델을 사용하여 실행된 모델에서 얻은 결과를 비교한 것임.
또한, 표 (1)은 각 모델의 정확도를 결정하기 위해 통계 분석에서 얻은 결과를 제공함.
이에 따라 모든 난류 모델은 결과를 예측하는 데 합리적인 정확도를 보였으며, LES 난류 모델이 상대적으로 더 높은 정확도를 가졌음.
따라서 다른 시나리오를 실행하는 데 사용되었음.
그림 (3)에 따르면 Powell and Khan (2012)이 이미 보고한 바와 같이 상대 속도는 x/D>2에서 0이 되는 경향이 있었음.
종방향 속도 프로파일 모델링
모델을 보정 한 후 오리피스 상류의 수심이 종방향 속도 프로파일 형태에 미치는 영향을 평가하기 위해 다른 세 개의 침수비 (H/D = 0.5.2.4)가 모델에 정의됨 (Bryant et al.(2008)에서 사용한 것 외에 (H/D = 0.77)).
그림 (4)는 다양한 침수비에서 종방향 속도 프로파일을 비교한 것임.
횡방향 속도 프로파일 모델링
세 개의 상대 거리(x/D = 1.2.3)에서 의도된 침수비에 대한 횡방향 속도 모델링에서 얻은 결과는 그림 (5)에 나와 있음.
그림은 오리피스에서 더 먼 상류에서 속도 변화가 감소하여 0이 되는 경향을 나타냄.
또한, 각 상대 거리에 대해 최대 속도는 오리피스를 따라 있었고, y-축을 따라 오리피스 중심에서 거리가 멀어짐에 따라 속도가 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 전단 응력 분포
그림 (6)은 의도된 침수비에 대한 오리피스 상류의 전단 응력 분포를 보여줌.
그림에서 볼 수 있듯이, 오리피스에서 유출되는 속도가 증가하여 바닥에서 더 높은 전단 응력이 발생하기 때문에 바닥의 전단 응력은 오리피스 상류의 깊이와 함께 증가함.
결과적으로 침수비가 0.5에서 4로 증가함에 따라 전단 응력은 4.31Pa에서 10.7Pa로 148% 증가함.
또한, 더 높은 침수비에서 오리피스 상류의 더 넓은 영역이 전단 응력의 영향을 받는 것으로 관찰됨.
Powell and Khan (2011)에 따르면 댐 하부 게이트를 열고 가압 플러싱을 시작하면 첫 번째 단계에서 퇴적물의 이동은 하상에 형성된 전단 응력으로 인해 시작됨.
따라서 논의된 내용에 따르면 오리피스 상류의 침수비가 증가하면 더 많은 퇴적물이 전단 응력에 의해 씻겨 내려가 물 흐름에 의해 배출될 것으로 예상됨.
결론
연구의 의의
본 연구에서는 FLOW-3D 모델을 사용하여 오리피스 상류의 흐름 패턴을 예측하는 타당성 조사를 수행함.
이와 관련하여 오리피스 상류의 다양한 수심에 대한 몇 가지 시나리오가 모델에 정의되어 다음과 같은 결과를 얻었음:
FLOW-3D 소프트웨어는 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 충분한 정확도로 모델링했음.
Laminar, k-ε. 및 LES 난류 모델은 오리피스 상류의 종방향 속도 프로파일을 예측하는 데 높은 정확도를 보였으며 거의 동일한 정확도를 가졌음.
오리피스 상류의 수심이 상승함에 따라 종방향 속도 프로파일의 일반적인 형태는 지수 방정식을 따르며 일정해졌음.
오리피스에서 더 먼 거리에서 속도 변화폭이 감소하고 횡방향 속도 프로파일이 균일해짐.
오리피스 상류의 침수비 증가는 더 높은 전단 응력과 더 넓은 면적의 하상이 전단 응력의 영향을 받음.
Fig. 6-Shear stress distribution upstream of the orifice for different depths
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본 소개 자료는 Irrigation Sciences and Engineering (JISE)에서 발행한 “Studying the effect of shape changes in plan of labyrinth weir on increasing flow discharge coefficient using Flow-3D numerical model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
서론
연구 배경 및 필요성
위어는 수로 및 하천 폭에 고정되어 수위를 측정, 조절 및 제어하는 데 사용되는 수력 구조물임.
가능한 최대 홍수 사건(PMF)의 규모가 커짐에 따라 방전 용량 증가에 대한 요구가 강조됨.
래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
Tullis et al.(1995)은 래버린스 위어의 용량을 결정하는 효과적인 매개변수를 평가함.
그들은 총 수두, 유효 정점 길이 및 방전 계수를 래버린스 위어의 방전 용량에 영향을 미치는 매개변수로 도입함.
Khode et al.(2011)은 8°에서 30°까지의 다양한 측벽 각도(α)에 대해 흐름-오버 래버린스 위어의 매개변수를 실험적으로 연구함.
그들은 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가한다는 것을 발견함.
Crookston과 Tullis(2012a)는 평면에서 위어의 기하학적 모양을 다르게 하여 다양한 래버린스 위어의 성능을 연구함.
결과에 따르면 아치형 래버린스 위어의 방전 용량이 말굽 래버린스 위어의 방전 용량보다 큼.
Seo et al.(2016)은 위어 모양이 위어 방전에 미치는 영향을 조사함.
래버린스 위어의 방전량은 선형 오지 위어에 비해 약 71% 증가한 것으로 나타남.
연구 목표
본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
연구 방법
연구 설계
다양한 방정식을 사용하여 방전 계수를 평가함.
방정식 (1)은 이 목적을 위해 가장 유효한 방정식 중 하나임.
여기서 Cd(a) = 래버린스 위어의 방전 계수, Q = 위어 방전, Lc = 위어의 총 길이, HT = 총 상류 헤드(비잠수) 및 g는 중력으로 인한 가속도(m2/s)임.
래버린스 위어 조사를 위한 최상의 메시를 선택하기 위해 두 가지 유형의 메시가 사용됨.
564000 및 437000의 메시 수가 최적의 메시 선택을 위해 평가됨.
메시 번호 1에서 셀 크기는 구조 근처의 메시 번호 2의 셀 크기보다 작음.
따라서 메시 1은 모델링 정확도를 높임.
수치 모델링
Crookston과 Tullis(2012b)의 연구에서 실험 Cd(aα) 데이터가 제시됨.
본 논문에서는 3개의 난류 모델(k-ε, RNG k-ε 및 LES 모델)을 사용하여 수치 Cd(a∘)를 수행함.
최대 상관 계수(H T /p 무차원 매개변수의 경우 0.9875)는 RNG k-ε를 사용하여 얻음.
이 지수의 값은 1에 가까우며 모델이 시뮬레이션에 적합함을 보여줌.
이 연구의 이전 결과를 기반으로 RNG 모델을 적합한 모델로 간주하여 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수 변화를 평가함.
연구 결과
결과 분석
결과에 따르면 측벽 각도 값이 커짐에 따라 방전 계수가 증가함.
각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 평균 2.28 및 1.24배 큼.
또 다른 주목할 점은 방전 용량이 증가함에 따라 방전 계수가 감소한다는 것임.
방전량이 32.8배 증가하면 각도가 6°, 45° 및 85°인 위어의 방전 계수가 각각 57.2%, 47.4% 및 7.8% 감소함.
다음 단계에서는 선형, 삼각형 및 반원형의 정점 모양을 가진 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
삼각형 및 반원형 정점 모양의 래버린스 위어가 가장 큰 방전 계수 값을 가짐.
삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가한 것으로 나타남.
방정식
본 논문에서는 방정식 (2)에 정의된 대로 다양한 측벽 각도를 가진 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제시함.
이 방정식의 정확도를 결정하기 위한 MAE, RMSE 및 R 2 값은 각각 0.0407, 0.0496 및 0.9122이며, 이는 방전 계수를 결정하는 데 이 방정식의 정확도를 보여줌.
Cd=0.201(e−0.4904(HT/P))(0.00038θ2+2.3735)
결론
연구의 의의
엔지니어들은 홍수 조절 및 운하와 하천의 방전 용량 증가를 위한 솔루션을 찾고 있음.
래버린스 위어의 적용은 방전 용량을 증가시키기 위한 솔루션으로 제안됨.
본 연구에서는 이전 연구자들의 실험 결과를 사용하여 측벽 각도가 6°인 래버린스 위어를 Flow-3D 모델을 통해 시뮬레이션함.
검증 후, 각도가 45° 및 85°이고 정점 모양이 삼각형 및 반원형인 위어의 방전 계수 변화를 분석함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면 각도가 85° 및 45°인 래버린스 위어의 방전 계수는 각도가 6°인 래버린스 위어의 방전 계수보다 큼.
또한 삼각형 및 반원형 정점 모양의 위어의 방전 계수는 선형 정점에 비해 50.29% 및 4.15% 증가함.
마지막으로 래버린스 위어의 방전 계수를 예측하기 위한 방정식을 제안했으며, 이는 허용 가능한 수준의 정확도로 방전 계수를 추정할 수 있음.
Fig.3- Plan of geometric parameters of
congressional overflow
Fig. 4- The boundary conditions of the congressional overflow model
Fig.5- View of a simulated congressional overflow
References
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본 소개 자료는 Iranian Hydraulic Association Journal of Hydraulics에서 발행한 “Performance Evaluation of Submerged Vanes by Flow-3D Numerical Model” 논문의 연구 내용을 담고 있습니다.
Fig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
서론
연구 배경 및 필요성
잠수 베인은 접근 흐름에 대해 작은 받음각으로 수로 바닥에 수직으로 장착되는 흐름 패턴 변경 구조물임.
잠수 베인은 베인의 두 측면에 있는 수직 압력 구배로 인해 베인의 상단 높이 아래에서 시작하여 베인의 하류로 확장되는 2차 순환(나선형 흐름)을 생성함.
베인으로 유도된 와류는 채널 단면 내에서 퇴적물을 재분배하고 충적층의 프로파일을 변경함.
그러나 베인 주변의 국부적인 세굴은 잠수 베인 기술 사용의 문제점 중 하나임.
국부적인 세굴공의 확장은 베인의 모양과 관련이 있음.
연구 목표
본 연구에서는 1차 잠수 베인은 일반적으로 평평한 직사각형 판을 사용함.
본 연구에서는 국부적인 세굴을 줄이기 위한 대책으로 베인의 앞쪽 가장자리 일부를 잘라내는 것을 연구함.
연구 대상 베인은 직사각형 베인(기준선 베인)과 θ=30∘, 45∘, 60∘ 70∘ 및 73.3∘의 테이퍼형 앞쪽 가장자리를 갖는 다른 5개의 수정된 베인을 포함함.
본 연구는 이러한 수정이 앞쪽 가장자리에서의 수직 속도 성분과 베인 하류에서 2차 순환의 강도에 미치는 영향을 평가하는 것을 목표로 함.
베인 주변의 흐름장을 연구하기 위해 Flow-3D 수치 모델 버전 10을 사용함.
연구 방법
연구 설계
본 연구에서는 상용 CFD 모델인 Flow-3D를 사용함.
모델 보정을 위해 실험 속도 측정을 사용하였으며, 이를 위해 재순환 수로(길이 7.30m, 폭 0.56m, 깊이 0.6m)를 사용함.
원심 펌프는 플룸 입구의 정수 탱크로 물을 배출함.
균일한 물 유입을 만들기 위해 플룸 입구에서 1m 떨어진 곳에 스크린을 설치함.
테일 게이트를 사용하여 플룸의 물 깊이(do)를 0.25m의 일정한 값으로 조정함.
베인의 치수는 Odgaard (2008)의 설계 기준, 즉 베인 높이 대 물 깊이 비율 Ho/do = 0.3, 길이 L = 3$H_o$를 사용하여 결정함.
평균 흐름 깊이 do = 0.25m는 Ho = 0.075m 및 L = 0.25m를 산출함.
흐름 프루드 수 Fr = 0.16에서 베인 V0 및 V3을 사용하여 속도 측정을 수행함.
각 테스트에서 베인은 흐름에 대해 20°의 각도로 플룸의 중심선에 설치됨.
베인으로 유도된 속도장을 연구하기 위해 플룸 전체에서 4×4 cm² 격자를 베인의 중심에서 채취함.
각 격자점에서 전자기 유속계(EVM)를 사용하여 3차원 속도 벡터(u, v, w)의 성분을 측정함.
플룸의 벽에 매우 가까운 속도는 측정하지 않음.
수치 모델링
베인의 고압 측면에서 수직 속도 성분은 위쪽(양수)이었고 저압 측면에서는 아래쪽(음수)이었음.
따라서 베인 하류에서 시계 방향의 2차 순환이 생성됨.
1차 직사각형 베인(베인 V0)의 앞쪽 가장자리에서 아래쪽 속도 성분이 분명했음.
테이퍼형 베인 V1 및 V2의 경우 베인 V0에서 앞쪽 가장자리 부분을 잘라냄으로써 음의 w-속도 성분의 크기가 각각 40% 및 69% 감소함.
베인 V3, V4 및 V5의 경우 테이퍼 각도를 늘리면 아래쪽 속도 성분이 효과적으로 감소함.
모멘트(MOM) 수량을 사용하여 베인으로 유도된 순환의 강도를 평가함.
베인의 성능을 비교하기 위해 MOM 값을 적용함.
이를 위해 베인 중심에서 하류로 2Ho 및 4Ho 거리, 즉 15cm 및 30cm 떨어진 두 단면에서 속도 데이터를 사용함.
MOM 계산에는 100개의 속도 성분(50개의 v-성분 및 50개의 w-성분)을 사용함.
따라서 이 수량은 잠수 베인의 성능 및 효율성을 평가하는 데 유용한 기준이 됨.
연구 결과
세굴 매개변수
베인의 속도 분포 및 모멘트(MOM)는 테이퍼형 베인의 앞쪽 가장자리에서 침식성 음의 속도 성분의 감소를 나타냄.
MOM 값을 기준으로 베인의 앞쪽 가장자리를 잘라내면 성능이 저하됨.
다시 말해, 이러한 수정은 직사각형 베인(베인 V0)에 비해 테이퍼형 베인의 영향을 받는 필드를 제한함.
결과에 따르면 직사각형 베인에 비해 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소함.
4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
결과 분석
이와는 반대로 테이퍼형 베인의 효율성은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고 4Ho 거리에서는 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 세굴을 줄이는 경우 설계 기준에 따라 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장하지 않음.
결론
연구의 의의
속도 분포 및 베인의 모멘텀 모멘트(MOM) 계산 결과, 베인의 선행 에지에서 절단이 선행 에지에서 음의 속도 성분을 감소시키는 데 효과적인 것으로 나타났음.
모멘텀 모멘트 계산을 기반으로 베인의 선행 에지를 절단하면 베인의 성능이 감소하고, 즉, 사각형 베인(V0)에 비해 베인의 영향을 받는 필드의 길이가 감소함.
최적의 위어 설계
결과에 따르면, 테이퍼형 베인(V1~V5)의 성능은 사각형 베인에 비해 (2Ho 거리에서) 각각 5.8%, 7.3%, 17.8%, 33% 및 42.6% 감소하고, 4Ho 거리에서 감소량은 각각 7.4%, 11.9%, 17%, 25.5% 및 34.3%임.
이와는 반대로, 테이퍼형 베인의 효율은 증가함.
베인 V1~V5의 중심에서 2Ho 거리에서 증가량은 각각 3.2%, 9%, 11%, 14% 및 14.8%이고, 4Ho 거리에서 증가량은 각각 1.4%, 3.6%, 12.1%, 26.7% 및 31.3%임.
따라서, 테이퍼형 베인을 사용하여 국부적인 스코어를 줄이는 경우, 베인 배열 사이의 거리(ds)에 큰 값을 사용하는 것은 권장되지 않음.
Fig. 1 Laboratory flume used in present researchFig. 3 Vane V0 induced circulation downstream of vane
(x = 65.5 cm), flow Froude number of Fr = 0.16
Reference
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본 소개 내용은 [DESERT]에서 발행한 [“Simulation of local scour caused by submerged horizontal jets with Flow-3D numerical model”] 의 연구 내용입니다.
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
1. 서론
교각, 위어, 밸브, 소파공(stilling basin) 등의 수리 구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 구조물의 안정성을 위협할 수 있음.
침수된 수평 제트(submerged horizontal jet)에 의해 발생하는 세굴은 고속 유동과 저속 유체의 상호 작용으로 인해 복잡한 유동장을 형성함.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 실험 모델과 수치 모델을 비교하여 수치 모델의 정확성을 평가하고, 제트 형상, 개수로 흐름 조건, 세굴 패턴 등을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 형상을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
세굴 패턴 분석
FLOW-3D 모델과 실험 모델 비교 결과 평균 오차율이 약 11%로 확인됨.
제트 유출 속도가 증가할수록 최대 세굴 깊이가 증가하는 경향을 보임.
세굴 깊이 비교
실험 모델과 비교 시 FLOW-3D의 예측 값이 실험 값과 유사하게 나타남.
유량 1.0 ℓ/s에서 실험값 1.50 cm, 수치해석값 1.70 cm(오차율 11.8%).
유량 4.0 ℓ/s에서 실험값 6.85 cm, 수치해석값 6.10 cm(오차율 12.3%).
세굴장 길이 분석
3mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 13.82%.
1mm 입경의 세굴장 길이에서 평균 오차율 12.58%.
세굴장 후방의 사구(hump) 높이 비교
사구 높이에 대한 평균 오차율이 26.12%로, 다른 변수들보다 상대적으로 오차가 큼.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 침수된 수평 제트로 인한 국부 세굴 패턴을 정량적으로 분석할 수 있음.
세굴 깊이는 비교적 정확하게 예측되었으나, 세굴장 후방의 사구 높이는 다소 과소 예측됨.
입경이 클수록 수치 모델과 실험 모델 간 오차가 감소하는 경향을 보임(3mm 입경에서 보다 정확한 결과 도출됨).
향후 연구 방향
다양한 유입 조건 및 퇴적물 특성에 따른 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 모델 검증 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침수된 수평 제트로 인해 발생하는 국부 세굴 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 수리 구조물 설계 시 세굴 방지 대책 수립에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 1. A view of experimental flume model (Hosseini, 2008)
Fig. 3. A Plan of 2D graphical output of scour simulation results in Flow-3D numerical model
6. 참고 문헌
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본 소개 내용은 [Journal of Hydraulic and Water Engineering (JHWE)]에서 발행한 [“Investigating Effect of Changing Vegetation Height with Irregular Layout on Reduction of Waves using Flow-3D Numerical Model”] 의 연구 내용입니다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
1. 서론
해안 식생은 파랑 감쇠 효과를 제공하여 해안 침식을 방지하고 생태계를 보호하는 역할을 함.
식생의 높이, 배치 방식 및 밀도는 파랑 감쇠 효율에 영향을 미칠 수 있음.
본 연구에서는 FLOW-3D를 이용하여 불규칙한 식생 배치가 파랑 감쇠에 미치는 영향을 수치적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 방안을 도출하고자 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 효과를 해석.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 활용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
식생 배치에 따른 파랑 감쇠 효과 분석
식생의 배치 방식(긴-짧은, 짧은-긴, 지그재그) 및 네 가지 파랑 조건을 고려하여 감쇠율 분석.
긴-짧은(long-to-short) 배치가 가장 효과적인 감쇠 효과를 보이며, 감쇠율(POD)이 최대 36.62%에 도달.
지그재그 배치(zigzag)도 효과적이지만, 짧은-긴(short-to-long) 배치는 상대적으로 낮은 감쇠 효과를 보임.
높이 변화가 큰 배치일수록 유동 저항이 증가하여 감쇠 효과가 증대됨.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D를 이용한 시뮬레이션 결과, 식생의 기하학적 배치는 파랑 감쇠 성능에 중요한 영향을 미침.
긴-짧은(long-to-short) 패턴이 파랑 감쇠에 가장 효과적이며, 이는 최대 저항을 초기 구간에서 제공하기 때문임.
짧은-긴(short-to-long) 배치는 감쇠 효과가 낮으며, 식생 배치 전략에 있어 신중한 설계가 필요함.
향후 연구 방향
다양한 식생 밀도 및 유속 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교 연구 필요.
실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증 및 최적화 연구 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 식생 배치 방식에 따른 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 최적의 식생 배치 전략을 제안하였다. 이를 통해 연안 보호 및 해안 침식 방지에 기여할 수 있는 실질적인 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Figure 2. 3D view related to descending mode.
6. 참고 문헌
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본 소개 내용은 [Iranian Journal of Irrigation and Water Engineering]에서 발행한 [“Numerical Simulation of the Bed Scouring Downstream Triangular Labyrinth Weirs Using Flow-3D”] 의 연구 내용입니다.
Myer-Peter-Muller Model
서론
연구 배경 및 필요성
선형 위어에 비해 래버린스 위어는 폭 증가를 통해 흐름 용량을 증가시켜 특별한 관심을 받아왔음.
위어 하류의 세굴 및 침식은 구조물 보호를 위해 중요하며, 위어 통과 유량 증가로 인해 하류 세굴량도 증가함.
본 연구는 삼각형 평면을 가진 래버린스 위어의 수치 모델을 연구함.
연구 목표
다양한 요인(댐 본체 높이, 위어 정점 높이, 위어 통과 유량, 위어 정점 각도)이 래버린스 위어 하류의 하상 침식량에 미치는 영향을 연구하기 위해 23개의 모델을 Flow-3D 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션함.
수치 시뮬레이션 결과와 실험 모델 결과의 검증을 통해 수치 시뮬레이션과 실험값 간의 매우 우수한 일치를 확인함.
연구 방법
연구 설계
3가지 정점 각도를 가진 삼각형 래버린스 위어 하류의 하상 세굴을 연구함.
길이 10m, 폭 50cm, 높이 80cm의 인공 소형 수로에서 수치 모델을 수행함.
4가지 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)를 테스트함.
수치 모델링
수로의 물 흐름과 상단의 공기 영역을 포함하는 다상 계산 영역을 다상 흐름 모델로 시뮬레이션함.
계산 영역 준비 시 적절한 메시 생성은 매우 중요하며, 셀 크기가 세굴에 미치는 영향을 조사하기 위해 3가지 다른 셀 수를 적용함.
FLOW-3D는 광범위한 산업 응용 분야 및 물리적 프로세스에서 액체 및 기체의 동적 거동을 연구하는 엔지니어를 위한 완벽하고 다재다능한 CFD 시뮬레이션 플랫폼을 제공함.
연구 결과
세굴 매개변수
다양한 흐름 조건에서 래버린스 위어 하류의 최대 세굴 깊이, 최대 세굴 길이, 최대 퇴적 깊이 및 최대 퇴적 길이를 조사하기 위해 수치 시뮬레이션을 수행함.
세굴 매개변수를 최소화하는 최적의 정점 각도를 찾기 위해 3가지 다른 위어 정점 각도(90°, 60°, 45°)에 대해 모델을 실행함.
선형 위어 정점에 대한 최대 세굴 매개변수도 측정하여 비교함.
결과 분석
제시된 정점 각도로 삼각형 래버린스 위어를 사용하면 모든 세굴 및 퇴적 현상이 선형 위어에 비해 감소함.
시뮬레이션 결과, 60°의 위어 정점 각도가 모든 세굴 및 퇴적 매개변수에서 더 큰 감소를 나타냄.
선형 위어에 비해 상대 세굴 깊이, 세굴 길이, 퇴적 깊이 및 퇴적 길이에서 각각 약 89%, 77%, 45% 및 49% 감소가 관찰됨.
결론
연구의 의의
시뮬레이션 결과는 세굴 현상을 감소시키는 매우 효율적인 수단으로서 삼각형 래버린스 위어의 신뢰성을 나타냄.
모든 위어 정점 각도에서 다양한 세굴 및 퇴적 매개변수의 감소가 관찰됨.
최적의 위어 설계
선형 위어에 비해 60°의 위어 정점 각도에서 더 낮은 세굴 매개변수가 획득됨.
결론적으로, 최적의 위어 정점 각도인 60°는 선형 위어에 비해 세굴 매개변수를 최소화하고 에너지 소산을 최대화하는 잠재력을 가짐.
세굴 지도는 대칭이며, 최대 세굴은 이동상 하상의 세로 중심선 좌우에서 발생함.
Van Rijn Model
Myer-Peter-Muller Model
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Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
1. 서론
네팔은 농업 현대화를 추진하고 있으며, 이에 따라 효율적인 관개 인프라 구축이 필요함.
Sunkoshi-Marin 유역 전환 프로젝트는 Bagmati 관개 계획을 위한 수자원을 공급하기 위해 설계됨.
헤드워크(headworks)는 하천에서 필요한 수량을 안정적으로 취수하고, 퇴적물 배출 및 홍수 방류를 위한 필수적인 수리 구조물임.
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Sunkoshi-Marin 헤드워크의 수리학적 성능을 평가하고, 구조물의 효율성과 안정성을 분석하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 복잡한 지형을 정밀하게 반영.
경계 조건 설정:
유입부: 부피 유량(Volume flow rate) 조건 적용.
유출부: 자유 배출(Outflow) 조건 설정.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유속 및 압력 분석
보(Barrage) 상부 평균 유속: 9 m/s 이상(완전 개방 시).
정지분지(Stilling Basin) 최대 유속: 10 m/s.
종방향 유속 프로파일에서의 최대 유속: 16.90 m/s.
음압(negative pressure) 발생 없음 → 공동(cavitation) 현상 없음.
최소 압력: 101.356 KPa(유입축 하류에서 관측됨).
방류 용량 분석
FSL(Full Supply Level)에서 보와 언더슬루이스(Under-sluice) 동시 운영 시 방류 용량: 10,086 m³/s.
100년 빈도 홍수량(9,241 m³/s) 안전하게 방류 가능.
479.5m 헤드워터 수위에서의 최대 방류 용량: 16,547 m³/s.
10,000년 빈도 홍수를 방류하기 위해 481.00m 데크(deck) 수준이 적절함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션을 통해 헤드워크의 수리학적 성능을 평가할 수 있음.
음압이 발생하지 않으며 공동현상이 우려되지 않음.
보와 언더슬루이스 구조가 퇴적물 배출 및 홍수 방류에 효과적으로 작용함.
수력 점프(hydraulic jump) 형성이 확인되며, 수위 변화에 따라 위치가 조정됨.
향후 연구 방향
다양한 수위 및 유량 조건에서 추가 시뮬레이션 수행.
다른 난류 모델(예: LES)과 비교 연구 필요.
현장 데이터와의 비교를 통해 모델 검증 수행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 헤드워크의 수리적 성능을 정량적으로 분석하고, 홍수 방류 및 취수 구조물 설계 최적화에 기여할 수 있는 정보를 제공함.
Figure 2. Weir axis at head works site
Figure 19. Streamlines from 3D model simulation for overall head works arrangement
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배플 설계 시 높이, 거리 등을 신중히 조절해야 하며, 부적절한 배플 설치는 오히려 효율 저하를 초래할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 형상의 배플을 적용한 추가 실험 수행.
실제 현장 실험을 통한 모델 검증.
다층 침전지 설계를 위한 추가 해석 수행.
연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침전지의 설계를 최적화할 수 있는 방법을 제시하고, 효율적인 수처리 시스템 구축을 위한 기초 데이터를 제공하였다.
Figure 3. Computed contour of velocity magnitude (m/s) for Run 1 to Run 15.
References
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FLOW-3D를 이용한 수문(Sluice Gate) 하부의 자유 유동 및 Sill의 영향 연구
연구 배경 및 목적
문제 정의
수문(Sluice Gate)은 관개 시스템 및 수로에서 수위 조절과 유량 조절을 위한 중요한 구조물임.
수문 하부에 Sill(문턱 구조물)을 설치하면 수문의 높이를 줄여 건설 비용을 절감할 수 있으며, 동시에 방류 계수(discharge coefficient)에도 영향을 미침.
기존 연구에서는 수문 자체의 유량 계수를 연구했으나, Sill의 형상과 높이가 방류 계수에 미치는 영향에 대한 연구가 부족함.
연구 목적
FLOW-3D 모델을 이용하여 수문 하부에 설치된 Sill의 형상, 높이 및 위치가 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석.
실험 데이터와 수치 모델을 비교하여 FLOW-3D 모델의 신뢰성을 검증.
Sill 형상이 사각형(Rectangular)과 반원형(Semicircular)일 때 방류 계수의 변화를 평가.
방류 계수 보정식을 도출하여 설계 최적화를 지원.
연구 방법
FLOW-3D 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 표면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 해석.
격자(cell) 크기 최적화 분석 후 0.025 배율로 설정.
경계 조건:
유입부: 실험 유량 적용.
유출부: 자유 방출 조건 적용.
바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.
실험 데이터 검증
Alhamid(1998) 및 Akoz et al.(2009)의 실험 데이터를 이용하여 FLOW-3D 결과 검증.
수문 하류 유속 및 압력 분포 비교하여 평균 오차율 3% 이내 확인.
비교 분석 대상
Sill이 없는 수문 (기준 모델)
사각형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
반원형 Sill이 있는 수문 (높이 변화: 1.25cm ~ 15cm)
주요 결과
Sill의 높이 변화가 방류 계수에 미치는 영향
Sill을 추가하면 방류 계수가 증가하며, 특정 높이에서 최대치 도달 후 감소.
최적의 방류 계수 증가율
사각형 Sill(P/w = 2) → 방류 계수 8.3% 증가
반원형 Sill(P/w = 0.5) → 방류 계수 23% 증가
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 큼.
Sill의 위치가 방류 계수에 미치는 영향
사각형 Sill의 시작점에서 수문까지의 거리(5cm, 10cm, 15cm) 비교.
거리 증가 시 방류 계수 감소 → 즉, Sill이 수문에 가까울수록 효과가 큼.
압력 분포 변화
Sill이 있으면 수문 하부에서 음압(Negative Pressure) 발생 → 방류 계수 증가 유발.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 압력 분포 변화가 크며, 방류 계수 향상 효과가 더 뚜렷함.
결론 및 향후 연구
결론
FLOW-3D를 이용한 수치 해석 결과, Sill 추가 시 방류 계수가 증가함을 확인.
반원형 Sill이 사각형 Sill보다 방류 계수 증가 효과가 더 크며, 최적의 P/w 비율이 각각 0.5, 2.0으로 도출됨.
Sill의 위치가 방류 계수에 영향을 미치며, 수문에 가까울수록 방류 계수 증가율이 큼.
향후 연구 방향
LES(Large Eddy Simulation) 모델을 적용한 난류 해석 추가 연구.
다양한 유량 조건 및 실제 현장 실험과 비교 검증 수행.
Sill의 형상 최적화를 위한 추가 연구 진행.
연구의 의의
이 연구는 FLOW-3D를 이용하여 수문 하부의 Sill이 방류 계수에 미치는 영향을 수치적으로 분석한 연구로, 관개 수로 설계 최적화 및 수문 구조 개선에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공하였다.
References
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해안 식생(예: 해초)은 파랑 저감, 토양 침식 방지 및 해저 안정화 등 다양한 생태적 기능을 수행함.
본 연구는 침수된 식생이 파랑 감쇠 역할을 수행하는 효율성을 수치적으로 분석함.
FLOW-3D®를 이용하여 파랑-식생 상호작용을 3차원 모델링하고, 기존 실험 데이터(Manca et al., 2012)와 비교하여 검증함.
2. 연구 방법
FLOW-3D 기반 CFD 모델링
VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식을 사용하여 유동 해석 수행.
난류 모델: RNG k-ε 모델 적용.
경계 조건:
유입: 유량 조건(volume flow rate).
유출: 자유 배출(outflow) 조건.
벽면: No-slip 조건 적용.
식생 특성 변수:
해초 초장의 길이(L), 개체 간 간격(SP), 밀도(N), 식물 높이(hs), 식물 두께(t) 반영.
파랑 특성 변수:
파고(H), 수심(h), 주기(T) 적용.
3. 연구 결과
파랑 감쇠 특성 분석
FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터(Manca et al., 2012) 비교 시 오차율 10% 이내로 확인됨.
파랑 감쇠율(H/H₀)은 식생 밀도가 높을수록 증가.
서브머전스 비율(submergence ratio, hs/h)이 0.32일 때 식생 밀도(N=180 stems/m², 360 stems/m²) 증가에 따른 감쇠율 차이 2% 내외.
파랑 감쇠는 중간 밀도의 식생에서 가장 효과적이며, 너무 높은 밀도에서는 유체 흐름이 차단되어 감쇠 효과가 감소함.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 모델을 활용한 해안 식생의 파랑 감쇠 분석이 높은 신뢰성을 가짐.
파랑 감쇠율은 식생 밀도 및 식생 초장에 영향을 받으며, 적절한 밀도 조절이 중요함.
CFD 기법을 활용한 모델링이 지속 가능한 연안 보호 설계에 유용한 정보를 제공할 수 있음.
향후 연구 방향
다양한 파랑 조건에서 추가적인 실험 및 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 연구.
실제 현장 데이터를 활용한 모델 검증.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 해안 식생의 파랑 감쇠 효과를 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 연안 보호 및 지속 가능한 해양 환경 설계에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 유동의 와류 현상을 이용하여 침전물을 분리하는 장치로, 기존 침전지보다 비용이 적게 들고 공간 활용도가 높음.
VSB 내의 유동은 강제 와류(Forced Vortex)와 자유 와류(Free Vortex)로 구성되며, 이들의 형성과 거동을 정확히 이해하는 것이 중요함.
본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 와류 침전지 내부의 3차원 난류 유동을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하는 것을 목표로 함.
2. 연구 방법
실험 및 수치 모델 개요
실험 장치
직경 0.7m, 깊이 1.5m의 원형 와류 침전지 사용.
중앙 배출구(Flush Pipe) 직경: 0.075m.
입구 및 배출구 배치는 Paul et al.(1991)의 설계 권장사항을 따름.
FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
격자(Grid) 설정: 중심부 0.5cm, 벽면 주변 1cm, 나머지 영역 2cm.
경계 조건:
유입: 부피 유량 조건(volume flow rate).
유출: 자유 배출(outflow) 경계 조건.
벽면: No-slip 조건 적용.
3. 연구 결과
유동 패턴 및 와류 형성
강제 와류와 자유 와류가 동시에 존재하며, 시간이 지나면서 와류 강도가 변화함.
중앙부에서 강한 와류 코어 형성 후, Overflow Jet에 의해 변형되는 현상 확인.
와류 중심(Core)이 초기에는 유지되다가 시간이 지나면서 점차 소멸되는 현상 관찰.
난류 강도 및 에너지 해석
침전지 중앙부에서 난류 강도가 가장 높고, 벽면에서는 상대적으로 낮음.
시간이 경과할수록 에너지가 감소하며, Overflow Jet이 난류 강도를 증가시키는 역할을 함.
실험 결과와 비교했을 때, 수치 모델이 높은 정확도를 보이며, 최대 5% 이내의 오차율 확인.
4. 결론 및 제안
결론
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하며, 와류 침전지의 유동 거동을 정밀하게 분석할 수 있음.
중앙부에서 형성된 강한 와류가 시간이 지남에 따라 소멸되며, Overflow Jet이 유동 패턴을 크게 변화시킴.
기존 이론 모델(Rankine Combined Vortex)과 비교 시, 실제 유동에서는 난류 효과로 인해 와류 코어가 변형됨.
향후 연구 방향
다양한 입구 및 배출구 배치 조건에서의 추가 실험 및 시뮬레이션 수행.
LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구.
실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.
5. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수처리 시스템 및 하천 공학 분야에서 VSB 설계 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basinFig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation
6. 참고 문헌
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댐 건설은 효율적인 저수지 조성, 저장 및 최적 활용을 목표로 하며, 이에 따라 수리학적 설계가 중요함.
여수로(spillway)는 댐의 보조 구조물로서 초과 유량을 안전하게 하류로 방출하는 역할을 수행하며, 이 과정에서 잠재적 에너지를 운동 에너지로 변환하여 하류부 침식을 초래할 수 있음.
계단식 여수로(stepped spillway)는 유입 공기를 증가시키고 흐름 속도를 줄여 운동 에너지 소산을 향상시키는 효과가 있음.
본 연구는 FLOW-3D를 이용한 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 수치적으로 분석하고, 실험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가하는 것을 목표로 함.
2. 실험 모델
실험 장치 개요:
계단식 여수로 모델과 모래 바닥을 포함한 수조로 구성.
다양한 유량과 경사 조건에서 실험 수행.
배플 블록(Block A~E)은 거친 표면을 가지며, 인접한 블록과 90° 회전된 형태로 배치됨.
기존 연구(Kamyab Moghaddam et al.)에서 사용된 실험 방법론을 적용하여 모델 검증 수행.
3. 수치 모델링
FLOW-3D 모델 설정:
VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
FAVOR(Fractional Area/Volume Obstacle Representation) 기법을 적용하여 복잡한 형상을 해석 가능하게 함.
경계 조건 설정:
유입부(X min): 부피 유량 조건(Volume flow rate) 적용.
유출부(X max): 자유 배출(Outflow) 경계 조건 설정.
벽면(Y min, Y max): 대칭 경계 조건(Symmetry) 적용.
상단(Z max) 및 바닥(Z min): 각각 자유 수면 및 고체 경계 설정.
4. 모델링 결과
FLOW-3D 시뮬레이션과 실험 비교 결과:
평균 제곱근 오차(RMSE) = 0.02, 즉 실험 결과와 매우 높은 일치도 확인.
배플 블록이 유동 난류를 증가시켜 전체 에너지의 77%를 소산하는 것으로 나타남.
상대적 에너지 소산율(∆E/E₀) 분석:
유량이 증가할수록 에너지 소산율은 감소하지만, 배플 블록이 없는 경우보다 높은 소산 효과 유지.
실험 및 수치 해석 결과의 에너지 소산율 차이는 최대 2% 이내로 매우 낮음.
5. 결론 및 제안
결론
배플형 계단식 여수로는 기존 계단식 여수로보다 높은 에너지 소산 효과를 가짐.
FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 데이터와 높은 신뢰도로 일치하며, 수리학적 거동 분석에 효과적임.
배플 블록의 배열과 형상이 유동 난류 및 에너지 소산에 중요한 영향을 미침.
향후 연구 방향
장기적인 캐비테이션(cavitation) 및 구조적 안전성 분석 필요.
실제 현장 데이터를 기반으로 추가적인 최적 설계 연구 진행.
다양한 배플 블록 형상 및 배치 조건에서의 추가 실험 수행.
6. 연구의 의의
본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 배플형 계단식 여수로의 유동 및 에너지 소산 특성을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 신뢰성을 실험적으로 검증하였다. 향후 여수로 설계 최적화 및 홍수 방지 인프라 구축에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.
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![Fig. 4 Scour hole profle from Melville and Raudkivi [16] and simulated results](https://flow3d.co.kr/wp-content/uploads/image-452-png.webp)
