Fig. 1. Modified Timelli mold design.

Characterization of properties of Vanadium, Boron and Strontium addition on HPDC of A360 alloy

A360 합금의 HPDC에 대한 바나듐, 붕소 및 스트론튬 첨가 특성 특성

OzenGursoya
MuratColakb
KazimTurc
DeryaDispinarde

aUniversity of Padova, Department of Management and Engineering, Vicenza, Italy
bUniversity of Bayburt, Mechanical Engineering, Bayburt, Turkey
cAtilim University, Metallurgical and Materials Engineering, Ankara, Turkey
dIstanbul Technical University, Metallurgical and Materials Engineering, Istanbul, Turkey
eCenter for Critical and Functional Materials, ITU, Istanbul, Turkey

ABSTRACT

The demand for lighter weight decreased thickness and higher strength has become the focal point in the
automotive industry. In order to meet such requirements, the addition of several alloying elements has been started to be investigated. In this work, the additions of V, B, and Sr on feedability and tensile properties of A360 has been studied. A mold design that consisted of test bars has been produced. Initially, a simulation was carried out to optimize the runners, filling, and solidification parameters. Following the tests, it was found that V addition revealed the highest UTS but low elongation at fracture, while B addition exhibited visa verse. On the other hand, impact energy was higher with B additions.

더 가벼운 무게의 감소된 두께와 더 높은 강도에 대한 요구는 자동차 산업의 초점이 되었습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해 여러 합금 원소의 추가가 조사되기 시작했습니다. 이 연구에서는 A360의 이송성 및 인장 특성에 대한 V, B 및 Sr의 첨가가 연구되었습니다. 시험봉으로 구성된 금형 설계가 제작되었습니다. 처음에는 러너, 충전 및 응고 매개변수를 최적화하기 위해 시뮬레이션이 수행되었습니다. 시험 결과, V 첨가는 UTS가 가장 높지만 파단 연신율은 낮았고, B 첨가는 visa verse를 나타냈다. 반면에 충격 에너지는 B 첨가에서 더 높았다.

Fig. 1. Modified Timelli mold design.
Fig. 1. Modified Timelli mold design.
Fig. 2. Microstructural images (a) unmodified alloy, (b) Sr modified, (c) V added, (d) B added.
Fig. 2. Microstructural images (a) unmodified alloy, (b) Sr modified, (c) V added, (d) B added.
Fig. 3. Effect of Sr and V addition on the tensile properties of A360
Fig. 3. Effect of Sr and V addition on the tensile properties of A360
Fig. 4. Effect of Sr and B addition on the tensile properties of A360.
Fig. 4. Effect of Sr and B addition on the tensile properties of A360.
Fig. 5. Bubbles chart of tensile properties values obtained from Weibull statistics. | Fig. 6. Effect of Sr, V and B addition on the impact properties of A360.
Fig. 5. Bubbles chart of tensile properties values obtained from Weibull statistics.
Fig. 6. Effect of Sr, V and B addition on the impact properties of A360.
Fig. 7. SEM images on the fracture surfaces (a) V added, (b) B added.
Fig. 7. SEM images on the fracture surfaces (a) V added, (b) B added.

References

[1] A. Johanson, Effect of Vanadium on Grain Refinement of Aluminium, Institutt for
materialteknologi, 2013.
[2] D.G. McCartney, Grain refining of aluminium and its alloys using inoculants, Int.
Mater. Rev. 34 (1) (1989) 247–260.
[3] M.T. Di Giovanni, The Influence of Ni and V Trace Elements on the High
Temperature Tensile Properties of A356 Aluminium Foundry Alloy, Institutt for
materialteknologi, 2014.
[4] D. Casari, T.H. Ludwig, M. Merlin, L. Arnberg, G.L. Garagnani, The effect of Ni and
V trace elements on the mechanical properties of A356 aluminium foundry alloy in
as-cast and T6 heat treated conditions, Mater. Sci. Eng., A 610 (2014) 414–426.
[5] D. Casari, T.H. Ludwig, M. Merlin, L. Arnberg, G.L. Garagnani, Impact behavior of
A356 foundry alloys in the presence of trace elements Ni and V, J. Mater. Eng.
Perform. 24 (2) (2015) 894–908.
[6] T.H. Ludwig, P.L. Schaffer, L. Arnberg, Influence of some trace elements on
solidification path and microstructure of Al-Si foundry alloys, Metall. Mater. Trans.
44 (8) (2013) 3783–3796.
[7] H.A. Elhadari, H.A. Patel, D.L. Chen, W. Kasprzak, Tensile and fatigue properties of
a cast aluminum alloy with Ti, Zr and V additions, Mater. Sci. Eng., A 528 (28)
(2011) 8128–8138.
[8] Y. Wu, H. Liao, K. Zhou, “Effect of minor addition of vanadium on mechanical
properties and microstructures of as-extruded near eutectic Al–Si–Mg alloy, Mater.
Sci. Eng., A 602 (2014) 41–48.
[9] E.S. Dæhlen, The Effect of Vanadium on AlFeSi-Intermetallic Phases in a
Hypoeutectic Al-Si Foundry Alloy, Institutt for materialteknologi, 2013.
[10] B. Lin, H. Li, R. Xu, H. Xiao, W. Zhang, S. Li, Effects of vanadium on modification of
iron-rich intermetallics and mechanical properties in A356 cast alloys with 1.5 wt.
% Fe, J. Mater. Eng. Perform. 28 (1) (2019) 475–484.
[11] P.A. Tøndel, G. Halvorsen, L. Arnberg, Grain refinement of hypoeutectic Al-Si
foundry alloys by addition of boron containing silicon metal, Light Met. (1993)
783.
[12] Z. Chen, et al., Grain refinement of hypoeutectic Al-Si alloys with B, Acta Mater.
120 (2016) 168–178.
[13] T. Wang, Z. Chen, H. Fu, J. Xu, Y. Fu, T. Li, “Grain refining potency of Al–B master
alloy on pure aluminum, Scripta Mater. 64 (12) (2011) 1121–1124.
[14] M. Gorny, ´ G. Sikora, M. Kawalec, Effect of titanium and boron on the stability of
grain refinement of Al-Cu alloy, Arch. Foundry Eng. 16 (2016).
[15] O. ¨ Gürsoy, E. Erzi, D. Dıs¸pınar, Ti grain refinement myth and cleanliness of A356
melt, in: Shape Casting, Springer, 2019, pp. 125–130.
[16] D. Dispinar, A. Nordmark, J. Voje, L. Arnberg, Influence of hydrogen content and
bi-film index on feeding behaviour of Al-7Si, in: 138th TMS Annual Meeting, Shape
Casting, 3rd International Symposium, San Francisco, California, USA, 2009,
pp. 63–70. February 2009.
[17] M. Uludag, ˘ R. Çetin, D. Dıs¸pınar, Observation of hot tearing in Sr-B modified A356
alloy, Arch. Foundry Eng. 17 (2017).
[18] X.L. Cui, Y.Y. Wu, T. Gao, X.F. Liu, “Preparation of a novel Al–3B–5Sr master alloy
and its modification and refinement performance on A356 alloy, J. Alloys Compd.
615 (2014) 906–911.
[19] F. Wang, Z. Liu, D. Qiu, J.A. Taylor, M.A. Easton, M.-X. Zhang, Revisiting the role
of peritectics in grain refinement of Al alloys, Acta Mater. 61 (1) (2013) 360–370.
[20] M. Akhtar, A. Khajuria, Effects of prior austenite grain size on impression creep and
microstructure in simulated heat affected zones of boron modified P91 steels,
Mater. Chem. Phys. 249 (2020) 122847.
[21] M. Akhtar, A. Khajuria, Probing true creep-hardening interaction in weld simulated
heat affected zone of P91 steels, J. Manuf. Process. 46 (2019) 345–356.
[22] E.M. Schulson, T.P. Weihs, I. Baker, H.J. Frost, J.A. Horton, Grain boundary
accommodation of slip in Ni3Al containing boron, Acta Metall. 34 (7) (1986)
1395–1399.
[23] I. Baker, E.M. Schulson, J.R. Michael, The effect of boron on the chemistry of grain
boundaries in stoichiometric Ni3Al, Philos. Mag. A B 57 (3) (Mar. 1988) 379–385.
[24] S. Zhu, et al., Influences of nickel and vanadium impurities on microstructure of
aluminum alloys, JOM (J. Occup. Med.) 65 (5) (2013) 584–592.
[25] D.J. Beerntsen, Effect of vanadium and zirconium on the formation of CrAI 7
primary crystals in 7075 aluminum alloy, Metall. Mater. Trans. B 8 (3) (1977)
687–688.
[26] G. Timelli, A. Fabrizi, S. Capuzzi, F. Bonollo, S. Ferraro, The role of Cr additions
and Fe-rich compounds on microstructural features and impact toughness of
AlSi9Cu3 (Fe) diecasting alloys, Mater. Sci. Eng., A 603 (2014) 58–68.
[27] S. Kirtay, D. Dispinar, Effect of ranking selection on the Weibull modulus
estimation, Gazi Univ. J. Sci. 25 (1) (2012) 175–187.
[28] J. Rakhmonov, G. Timelli, F. Bonollo, “The effect of transition elements on hightemperature mechanical properties of Al–Si foundry alloys–A review, Adv. Eng.
Mater. 18 (7) (2016) 1096–1105.

What’s New – FLOW-3D 2022R1

FLOW-3D 제품의 새로운 2022R1 버전은 Flow Science가 FLOW-3D , FLOW-3D CAST 및 FLOW-3D HYDRO 에 대해 동일한 버전명을 채택 했음을 의미합니다. 2022R1은 FLOW-3D 제품을 위한 통합 코드 베이스로의 전환을 나타내며, 이를 통해 사용자는 최신 버전 개발이 준비되는 즉시 더 빠른 릴리스 버전을 만나실 수 있습니다.

2022R1 릴리스는 상세한 cutcell 표현이라고 하는 FAVOR™ 방법의 확장, 테마 솔버 기본값이 있는 시뮬레이션 템플릿 도입, 이동하는 액적/기포 소스, 새로운 축 펌프 모델, 능동 시뮬레이션 제어 기능에 대한 확장, 사용자는 두 개의 독립 변수를 기반으로 복잡한 속성 종속성을 지정하고 VOF-to-particle 개발과 같은 추가 수치 기능을 지정하여 분해되는 유체 영역의 질량 보존을 개선할 수 있습니다. 간소화된 GUI 개선 사항에는 재설계된 물리 대화 상자, 새로운 초기 조건 위젯, 더 쉽고 빠르고 오류 없는 시뮬레이션 설정을 위해 재설계된 출력 및 지오메트리 위젯이 포함됩니다.

상세한 Cutcell 표현 – FAVOR ™ 의 확장

FAVOR™ 방법은 일반 데카르트 그리드에서 면적 및 부피 분율을 사용하여 솔리드 형상을 구현하는 방법입니다. 이를 통해 FLOW-3D 는 구조화되지 않은 body-fitted mesh에 의존하지 않고 솔리드의 복잡한 형상과 주변의 유체 흐름을 효율적으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 상당한 계산상의 이점에도 불구하고 FAVOR™ 방법의 한 가지 문제는 고체 표면을 따라 벽 전단 응력을 계산할 때는 문제가 발생할 수도 있었습니다. 그러나, 상세한 cutcell  표현이라고 하는 FAVOR™의 확장은 벽 전단 응력 계산을 크게 개선하여 솔리드 표면 근처의 유체 유동 해석에서 상당한 개선을 가져옵니다.

detailed cutcell 표현 의 검증뿐만 아니라 advanced numerics 에 대해 자세히 알아보십시오 .

정체점으로부터의 각도
상세한 컷셀 표현

Tabular Properties

점도 및 표면 장력과 같은 재료 속성은 온도, 밀도, 변형률 또는 오염 물질 농도와 같은 것을 나타내는 사용자 정의 스칼라 양과 같은 흐름 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 이러한 속성을 기능적 형태에 맞추려면 특히 속성이 둘 이상의 독립 변수에 종속되는 경우 복잡한 곡선 맞춤이 필요할 수 있습니다. FLOW-3D 의 새로운 Tabular Properties 기능은  사용자가 최대 2개의 독립 변수를 사용하여 테이블 형식으로 유체 속성을 정의할 수 있습니다. 예를 들어, 표면 장력은 오염 물질 농도 및 온도에 대한 복잡한 비선형 종속성을 설명하기 위해 실험 데이터에서 표로 만들 수 있으며, 점도는 변형률 속도 및 온도에 대한 종속성을 나타내기 위해 실험 데이터에서 표로 만들 수 있습니다. 사용자는 표 속성 대화 상자에서 단일 변수 또는 두 개의 변수 종속성을 입력할 수 있습니다.

점도는 고체 함량(밀도)과 변형률의 함수로 정의됩니다. 이 예에서 조밀한 유체 영역은 시간이 0일 때 조밀한 침전된 유체 영역과 위쪽에 맑은 물이 있는 정지된 풀로 미끄러져 내려갑니다.

표 속성
이 대화 상자는 표 속성 기능을 사용하여 변형률 및 온도의 함수로 점도를 정의하는 방법을 보여줍니다. 세 가지 다른 온도에 대한 변형률의 함수로서의 점도에 대한 값이 대화 상자의 오른쪽에 표시되고 그래프로 표시됩니다.

Expanded Active Simulation Control

능동 시뮬레이션 제어(ASC) 는 Probe로 지정한 부분의 흐름 정보를 기반으로 시뮬레이션을 제어하는 ​​데 매우 유용합니다. 이번 릴리스에서 ASC는 일반 이력 데이터, 플럭스 표면 및 sampling volumes의 흐름 정보를 기반으로 추가 제어를 허용하도록 확장되었습니다.

포인트 프로브에 비해 플럭스 표면 및 샘플링 볼륨의 장점 중 하나는 포인트 기반이 아닌 표면 또는 볼륨에 대해 평균화된 정보를 제공할 수 있다는 것입니다. 어떤 상황에서는 표면 기반 및 볼륨 기반 정보가 시뮬레이션에서 관심 있는 동작을 더 잘 나타낼 수 있습니다.

이 새로운 기능을 통해 사용자는 다음을 수행할 수 있습니다.

  • 제어 볼륨의 온도가 임계값을 초과하거나 아래로 떨어지면 시뮬레이션을 종료합니다.
  • 샘플링 볼륨의 난류 에너지를 기반으로 노즐에서 충전 속도를 제어합니다.
  • 자속 평면의 평균 속도를 기반으로 출력 주파수를 제어합니다.
  • 샘플링 볼륨의 채우기 비율이 사용자가 지정한 값에 도달하면 시뮬레이션을 종료합니다.

이 예에서 극저온 탱크 공급 파이프의 펌프(진한 회색 직사각형)는 일정한 유속으로 추진제 탱크에서 액체 산소를 끌어옵니다. 액체 산소가 배출됨에 따라 얼리지의 압력이 지정된 값 아래로 떨어질 때 활성 시뮬레이션 제어에 의해 질량/운동량 소스(상단의 회색 막대)가 트리거됩니다. 얼리지 압력이 지정된 값 이상으로 상승하면 가압이 꺼집니다.

VOF to Particles

FLOW-3D 에서 복잡한 자유표면을 추적하는 VOF 방법의 정확성과 견고성은 유체 입자와 결합하여 향상되었습니다. VOF 입자라고 하는 새로운 입자 종류는 VOF 기능 대신 사용되어, 계산 영역에서 작은 유체 인대와 액적을 추적하여 유체 부피와 운동량을 더 잘 보존할 수 있습니다. 중력 제어 프로세스에서 더 높은 시간 단계 크기도 예상할 수 있습니다. VOF 유체는 특정 조건이 충족되면 특정 시간과 위치에서 자동으로 VOF 입자로 변환됩니다. 그런 다음 입자 모션은 Lagrangian 입자 모델을 사용하여 계산되고 입자는 유체에 다시 들어갈 때 VOF 표현으로 다시 변환됩니다.

입자-FLOW-3D 2022R1에 대한 VOF
입자에 대한 VOF

Axial Pump Model

FLOW-3D의 새로운 Axial Pump Model을 통해 사용자는 시뮬레이션에서 Axial Pump의 실제 효과를 구현할 수 있습니다. 펌프 동작과 관련하여 두 가지 옵션이 있습니다. 첫 번째 옵션은 유체가 지정된 속도로 이동하도록 펌프를 통한 체적 유량 또는 유속을 규정하는 것입니다. 이 옵션은 펌프에 작동 유량이 제공될 때 적합합니다. 두 번째 옵션은 펌프 성능 곡선을 기반으로 펌프 작동에 대한 보다 완전한 정의를 제공합니다. 이 경우 사용자는 펌프 성능 곡선의 선형 근사치를 정의하여 펌프를 통과하는 유량이 펌프 전체의 압력 강하에 따라 달라지도록 할 수 있습니다. 이 구성에서 펌프의 일반적인 동작은 다음과 같이 표시됩니다.

축 펌프 설정
GUI의 팬/임펠러 구성요소
축 펌프 설정
GUI의 축 펌프 구성 요소

Droplet/Bubble Source Model | 액적/기포 소스 모델

FLOW-3D 는 처음 개발된 이후 로 표면 장력 작용에 따라 진화하는 유체 모양을 시뮬레이션하기 위해 노즐 및 기타 오리피스 모양에서 분사되는 액적을 모델링하는 데 사용되었습니다. 그러나 기판에 대한 액적의 영향만 관심이 있기 때문에 노즐을 떠날 때 액적의 모양을 시뮬레이션할 필요가 없는 경우가 있습니다. 또한, 유체에서 기포의 이동을 모델링하는 것은 흥미로울 수 있지만 기포의 시작은 아닙니다. 새로운 액적/기포 소스 모델은 이와 같은 경우에 유용합니다.

이 예에서 액적 소스는 원형 패턴으로 이동하면서 액적을 10m/s의 속도로 다공성 매체로 아래쪽으로 토출하여 링 모양 디자인을 만듭니다.

방울/거품 설정
사용자 인터페이스에서 액적/기포 소스 설정

Simulation Templates

새로운 시뮬레이션 템플릿은 자유 표면이 있는 하나의 유체에 대해 비압축성 흐름 또는 2개의 유체 압축성 시뮬레이션과 같은 주어진 모델링 프레임워크를 기반으로 중요한 매개변수를 미리 로드합니다. 새로운 시뮬레이션이 생성되면 FLOW-3D 에서 가장 일반적으로 모델링된 사례를 다루는 6개의 템플릿이 포함된 대화 상자가 사용자에게 표시됩니다 . ‘없음’ 옵션을 사용하면 고급 사용자가 특수 수치 설정을 적용할 수 있도록 빈 슬레이트로 시작할 수 있습니다. 템플릿을 사용하면 모델 설정 프로세스를 신속하게 처리하고 사용자가 실수를 하거나 매개변수 정의를 잊어버리는 것을 방지할 수 있습니다.

시뮬레이션 템플릿
GUI의 새로운 시뮬레이션 템플릿

추가 솔버 기능

추가 솔버 기능에는 비뉴턴 유체에 대한 Herschel-Bulkley 모델 및 분해되기 쉬운 유체 영역에 대한 질량 보존을 개선하기 위한 기체-공동 변환, 다중 이벤트 동작 및 이벤트 옵션 지원을 포함한 확장된 질량-운동량 소스 프로브 이벤트가 포함됩니다. 동반된 공기의 부피 분율과 용질 농도에 대한 것입니다.

솔버 기능
Herschel-Bulkley 모델
솔버 기능
활성 시뮬레이션 질량 운동량 소스 이벤트

GUI 개선

WSIWYN 설계 접근 방식을 사용한 간소화된 GUI 개선에는 재설계된 물리 및 초기 조건 대화 상자, 더 쉽고 빠르며 오류 없는 시뮬레이션 설정을 위해 재설계된 출력 및 지오메트리 위젯이 포함됩니다.

초기 조건 위젯

초기 조건 위젯은 초기 유체 및 기체 영역 설정을 개선하여 더 쉽고 빠르게 만듭니다. 새로운 디자인에서는 전역, 영역 및 포인터 개체가 별도의 탭에 배치되어 설정을 훨씬 더 명확하게 볼 수 있습니다.

초기 조건
초기 조건 – 지역
초기 조건 - 정수압
초기 조건 – 정수압
초기 조건
초기 조건 – 포인터

출력 위젯

재설계된 출력 위젯을 통해 사용자는 시뮬레이션 결과 파일에서 어떤 출력을 사용할 수 있는지 정확히 확인할 수 있으며, 하나의 간결한 보기에서 다시 시작 및 선택한 데이터 출력을 명확히 알 수 있습니다.

출력 위젯
재설계된 공간 출력 위젯
출력 위젯
출력 위젯 – 지오메트리 데이터
출력 위젯
공간 데이터가 기록될 때 출력을 강제 실행하면 기록 및 공간 데이터 출력에 대한 동기화된 출력이 사용자에게 제공됩니다.

대화형 지오메트리 생성 및 편집

대화형 지오메트리 생성 및 편집 기능이 그 어느 때보다 향상되었으며 이제 다음이 포함됩니다.

  • 회전, 이동 및 크기 조정을 포함한 새로운 대화형 도구 선택이 가능합니다.
  • 작업을 클릭하고 수정할 지오메트리를 선택하여 회전, 이동 또는 크기 조정 모드를 시작합니다.
  • 위쪽 화살표 아이콘을 클릭하거나 ESC 키를 누르면 일반 선택 모드로 돌아갑니다.

Geometry Widget

기하학 위젯은 이제 다양한 속성 그룹을 결합하고 관련 항목을 함께 배치하는 WYSIWYN 디자인 접근 방식을 사용하여 더 쉽고 빠르게 탐색할 수 있습니다.

기하학 위젯
지오메트리 위젯

Easier Access to Help

이제 물리 대화 상자 내에서 클릭 한 번으로 관련 문서, 자습서 및 도움말 다이어그램에 액세스할 수 있습니다.

더 쉽게 도움을 받을 수 있습니다
물리학 대화상자

간소화된 물리 대화 상자

사용자가 시뮬레이션을 더 빠르게 설정하고 설정 오류를 줄일 수 있도록 많은 물리 대화 상자가 간소화되었습니다.

거품 및 상 변화
Bubble and phase change model
공기 유입
Air entrainment model
드리프트 플럭스
Drift flux model
Fig. 5. The predicted shapes of initial breach (a) Rectangular (b) V-notch. Fig. 6. Dam breaching stages.

Investigating the peak outflow through a spatial embankment dam breach

공간적 제방댐 붕괴를 통한 최대 유출량 조사

Mahmoud T.GhonimMagdy H.MowafyMohamed N.SalemAshrafJatwaryFaculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt

Abstract

Investigating the breach outflow hydrograph is an essential task to conduct mitigation plans and flood warnings. In the present study, the spatial dam breach is simulated by using a three-dimensional computational fluid dynamics model, FLOW-3D. The model parameters were adjusted by making a comparison with a previous experimental model. The different parameters (initial breach shape, dimensions, location, and dam slopes) are studied to investigate their effects on dam breaching. The results indicate that these parameters have a significant impact. The maximum erosion rate and peak outflow for the rectangular shape are higher than those for the V-notch by 8.85% and 5%, respectively. Increasing breach width or decreasing depth by 5% leads to increasing maximum erosion rate by 11% and 15%, respectively. Increasing the downstream slope angle by 4° leads to an increase in both peak outflow and maximum erosion rate by 2.0% and 6.0%, respectively.

유출 유출 수문곡선을 조사하는 것은 완화 계획 및 홍수 경보를 수행하는 데 필수적인 작업입니다. 본 연구에서는 3차원 전산유체역학 모델인 FLOW-3D를 사용하여 공간 댐 붕괴를 시뮬레이션합니다. 이전 실험 모델과 비교하여 모델 매개변수를 조정했습니다.

다양한 매개변수(초기 붕괴 형태, 치수, 위치 및 댐 경사)가 댐 붕괴에 미치는 영향을 조사하기 위해 연구됩니다. 결과는 이러한 매개변수가 상당한 영향을 미친다는 것을 나타냅니다. 직사각형 형태의 최대 침식율과 최대 유출량은 V-notch보다 각각 8.85%, 5% 높게 나타났습니다.

위반 폭을 늘리거나 깊이를 5% 줄이면 최대 침식률이 각각 11% 및 15% 증가합니다. 하류 경사각을 4° 증가시키면 최대 유출량과 최대 침식률이 각각 2.0% 및 6.0% 증가합니다.

Keywords

Spatial dam breach; FLOW-3D; Overtopping erosion; Computational fluid dynamics (CFD)

1. Introduction

There are many purposes for dam construction, such as protection from flood disasters, water storage, and power generationEmbankment failures may have a catastrophic impact on lives and infrastructure in the downstream regions. One of the most common causes of embankment dam failure is overtopping. Once the overtopping of the dam begins, the breach formation will start in the dam body then end with the dam failure. This failure occurs within a very short time, which threatens to be very dangerous. Therefore, understanding and modeling the embankment breaching processes is essential for conducting mitigation plans, flood warnings, and forecasting flood damage.

The analysis of the dam breaching process is implemented by different techniques: comparative methods, empirical models with dimensional and dimensionless solutions, physical-based models, and parametric models. These models were described in detail [1]Parametric modeling is commonly used to simulate breach growth as a time-dependent linear process and calculate outflow discharge from the breach using hydraulics principles [2]. Alhasan et al. [3] presented a simple one-dimensional mathematical model and a computer code to simulate the dam breaching process. These models were validated by small dams breaching during the floods in 2002 in the Czech Republic. Fread [4] developed an erosion model (BREACH) based on hydraulics principles, sediment transport, and soil mechanics to estimate breach size, time of formation, and outflow discharge. Říha et al. [5] investigated the dam break process for a cascade of small dams using a simple parametric model for piping and overtopping erosion, as well as a 2D shallow-water flow model for the flood in downstream areas. Goodarzi et al. [6] implemented mathematical and statistical methods to assess the effect of inflows and wind speeds on the dam’s overtopping failure.

Dam breaching studies can be divided into two main modes of erosion. The first mode is called “planar dam breach” where the flow overtops the whole dam width. While the second mode is called “spatial dam breach” where the flow overtops through the initial pilot channel (i.e., a channel created in the dam body). Therefore, the erosion will be in both vertical and horizontal directions [7].

The erosion process through the embankment dams occurs due to the shear stress applied by water flows. The dam breaching evolution can be divided into three stages [8][9], but Y. Yang et al. [10] divided the breach development into five stages: Stage I, the seepage erosion; Stage II, the initial breach formation; Stage III, the head erosion; Stage IV, the breach expansion; and Stage V, the re-equilibrium of the river channel through the breach. Many experimental tests have been carried out on non-cohesive embankment dams with an initial breach to examine the effect of upstream inflow discharges on the longitudinal profile evolution and the time to inflection point [11].

Zhang et al. [12] studied the effect of changing downstream slope angle, sediment grain size, and dam crest length on erosion rates. They noticed that increasing dam crest length and decreasing downstream slope angle lead to decreasing sediment transport rate. While the increase in sediment grain size leads to an increased sediment transport rate at the initial stages. Höeg et al. [13] presented a series of field tests to investigate the stability of embankment dams made of various materials. Overtopping and piping were among the failure tests carried out for the dams composed of homogeneous rock-fill, clay, or gravel with a height of up to 6.0 m. Hakimzadeh et al. [14] constructed 40 homogeneous cohesive and non-cohesive embankment dams to study the effect of changing sediment diameter and dam height on the breaching process. They also used genetic programming (GP) to estimate the breach outflow. Refaiy et al. [15] studied different scenarios for the downstream drain geometry, such as length, height, and angle, to minimize the effect of piping phenomena and therefore increase dam safety.

Zhu et al. [16] examined the effect of headcut erosion on dam breach growth, especially in the case of cohesive dams. They found that the breach growth in non-cohesive embankments is slower than cohesive embankments due to the little effect of headcut. Schmocker and Hager [7] proposed a relationship for estimating peak outflow from the dam breach process.(1)QpQin-1=1.7exp-20hc23d5013H0

where: Qp = peak outflow discharge.

Qin = inflow discharge.

hc = critical flow depth.

d50 = mean sediment diameter.

Ho = initial dam height.

Yu et al. [17] carried out an experimental study for homogeneous non-cohesive embankment dams in a 180° bending rectangular flume to determine the effect of overtopping flows on breaching formation. They found that the main factors influencing breach formation are water level, river discharge, and embankment material diameter.

Wu et al. [18] carried out a series of experiments to investigate the effect of breaching geometry on both non-cohesive and cohesive embankment dams in a U-bend flume due to overtopping flows. In the case of non-cohesive embankments, the non-symmetrical lateral expansion was noticed during the breach formation. This expansion was described by a coefficient ranging from 2.7 to 3.3.

The numerical models of the dam breach can be categorized according to different parameters, such as flow dimensions (1D, 2D, or 3D), flow governing equations, and solution methods. The 1D models are mainly used to predict the outflow hydrograph from the dam breach. Saberi et al. [19] applied the 1D Saint-Venant equation, which is solved by the finite difference method to investigate the outflow hydrograph during dam overtopping failure. Because of the ability to study dam profile evolution and breach formation, 2D models are more applicable than 1D models. Guan et al. [20] and Wu et al. [21] employed both 2D shallow water equations (SWEs) and sediment erosion equations, which are solved by the finite volume method to study the effect of the dam’s geometry parameters on outflow hydrograph and dam profile evolution. Wang et al. [22] also proposed a second-order hybrid-type of total variation diminishing (TVD) finite-difference to estimate the breach outflow by solving the 2D (SWEs). The accuracy of (SWEs) for both vertical flow contraction and surface roughness has been assessed [23]. They noted that the accuracy of (SWEs) is acceptable for milder slopes, but in the case of steeper slopes, modelers should be more careful. Generally, the accuracy of 2D models is still low, especially with velocity distribution over the flow depth, lateral momentum exchange, density-driven flows, and bottom friction [24]. Therefore, 3D models are preferred. Larocque et al. [25] and Yang et al. [26] started to use three-dimensional (3D) models that depend on the Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations.

Previous experimental studies concluded that there is no clear relationship between the peak outflow from the dam breach and the initial breach characteristics. Some of these studies depend on the sharp-crested weir fixed at the end of the flume to determine the peak outflow from the breach, which leads to a decrease in the accuracy of outflow calculations at the microscale. The main goals of this study are to carry out a numerical simulation for a spatial dam breach due to overtopping flows by using (FLOW-3D) software to find an empirical equation for the peak outflow discharge from the breach and determine the worst-case that leads to accelerating the dam breaching process.

2. Numerical simulation

The current study for spatial dam breach is simulated by using (FLOW-3D) software [27], which is a powerful computational fluid dynamics (CFD) program.

2.1. Geometric presentations

A stereolithographic (STL) file is prepared for each change in the initial breach geometry and dimensions. The CAD program is useful for creating solid objects and converting them to STL format, as shown in Fig. 1.

2.2. Governing equations

The governing equations for water flow are three-dimensional Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS).

The continuity equation:(2)∂ui∂xi=0

The momentum equation:(3)∂ui∂t+1VFuj∂ui∂xj=1ρ∂∂xj-pδij+ν∂ui∂xj+∂uj∂xi-ρu`iu`j¯

where u is time-averaged velocity,ν is kinematic viscosity, VF is fractional volume open to flow, p is averaged pressure and -u`iu`j¯ are components of Reynold’s stress. The Volume of Fluid (VOF) technique is used to simulate the free surface profile. Hirt et al. [28] presented the VOF algorithm, which employs the function (F) to express the occupancy of each grid cell with fluid. The value of (F) varies from zero to unity. Zero value refers to no fluid in the grid cell, while the unity value refers to the grid cell being fully occupied with fluid. The free surface is formed in the grid cells having (F) values between zero and unity.(4)∂F∂t+1VF∂∂xFAxu+∂∂yFAyv+∂∂zFAzw=0

where (u, v, w) are the velocity components in (x, y, z) coordinates, respectively, and (AxAyAz) are the area fractions.

2.3. Boundary and initial conditions

To improve the accuracy of the results, the boundary conditions should be carefully determined. In this study, two mesh blocks are used to minimize the time consumed in the simulation. The boundary conditions for mesh block 1 are as follows: The inlet and sides boundaries are defined as a wall boundary condition (wall boundary condition is usually used for bound fluid by solid regions. In the case of viscous flows, no-slip means that the tangential velocity is equal to the wall velocity and the normal velocity is zero), the outlet is defined as a symmetry boundary condition (symmetry boundary condition is usually used to reduce computational effort during CFD simulation. This condition allows the flow to be transferred from one mesh block to another. No inputs are required for this boundary condition except that its location should be defined accurately), the bottom boundary is defined as a uniform flow rate boundary condition, and the top boundary is defined as a specific pressure boundary condition with assigned atmospheric pressure. The boundary conditions for mesh block 2 are as follows: The inlet is defined as a symmetry boundary condition, the outlet is defined as a free flow boundary condition, the bottom and sides boundaries are defined as a wall boundary condition, and the top boundary is defined as a specific pressure boundary condition with assigned atmospheric pressure as shown in Fig. 2. The initial conditions required to be set for the fluid (i.e., water) inside of the domain include configuration, temperature, velocities, and pressure distribution. The configuration of water depends on the dimensions and shape of the dam reservoir. While the other conditions have been assigned as follows: temperature is normal water temperature (25 °c) and pressure distribution is hydrostatic with no initial velocity.

2.4. Numerical method

FLOW-3D uses the finite volume method (FVM) to solve the governing equation (Reynolds-averaged Navier-Stokes) over the computational domain. A finite-volume method is an Eulerian approach for representing and evaluating partial differential equations in algebraic equations form [29]. At discrete points on the mesh geometry, values are determined. Finite volume expresses a small volume surrounding each node point on a mesh. In this method, the divergence theorem is used to convert volume integrals with a divergence term to surface integrals. After that, these terms are evaluated as fluxes at each finite volume’s surfaces.

2.5. Turbulent models

Turbulence is the chaotic, unstable motion of fluids that occurs when there are insufficient stabilizing viscous forces. In FLOW-3D, there are six turbulence models available: the Prandtl mixing length model, the one-equation turbulent energy model, the two-equation (k – ε) model, the Renormalization-Group (RNG) model, the two-equation (k – ω) models, and a large eddy simulation (LES) model. For simulating flow motion, the RNG model is adopted to simulate the motion behavior better than the k – ε and k – ω.

models [30]. The RNG model consists of two main equations for the turbulent kinetic energy KT and its dissipation.εT(5)∂kT∂t+1VFuAx∂kT∂x+vAy∂kT∂y+wAz∂kT∂z=PT+GT+DiffKT-εT(6)∂εT∂t+1VFuAx∂εT∂x+vAy∂εT∂y+wAz∂εT∂z=C1.εTKTPT+c3.GT+Diffε-c2εT2kT

where KT is the turbulent kinetic energy, PT is the turbulent kinetic energy production, GT is the buoyancy turbulence energy, εT is the turbulent energy dissipation rate, DiffKT and Diffε are terms of diffusion, c1, c2 and c3 are dimensionless parameters, in which c1 and c3 have a constant value of 1.42 and 0.2, respectively, c2 is computed from the turbulent kinetic energy (KT) and turbulent production (PT) terms.

2.6. Sediment scour model

The sediment scour model available in FLOW-3D can calculate all the sediment transport processes including Entrainment transport, Bedload transport, Suspended transport, and Deposition. The erosion process starts once the water flows remove the grains from the packed bed and carry them into suspension. It happens when the applied shear stress by water flows exceeds critical shear stress. This process is represented by entrainment transport in the numerical model. After entrained, the grains carried by water flow are represented by suspended load transport. After that, some suspended grains resort to settling because of the combined effect of gravity, buoyancy, and friction. This process is described through a deposition. Finally, the grains sliding motions are represented by bedload transport in the model. For the entrainment process, the shear stress applied by the fluid motion on the packed bed surface is calculated using the standard wall function as shown in Eq.7.(7)ks,i=Cs,i∗d50

where ks,i is the Nikuradse roughness and Cs,i is a user-defined coefficient. The critical bed shear stress is defined by a dimensionless parameter called the critical shields number as expressed in Eq.8.(8)θcr,i=τcr,i‖g‖diρi-ρf

where θcr,i is the critical shields number, τcr,i is the critical bed shear stress, g is the absolute value of gravity acceleration, di is the diameter of the sediment grain, ρi is the density of the sediment species (i) and ρf is the density of the fluid. The value of the critical shields number is determined according to the Soulsby-Whitehouse equation.(9)θcr,i=0.31+1.2d∗,i+0.0551-exp-0.02d∗,i

where d∗,i is the dimensionless diameter of the sediment, given by Eq.10.(10)d∗,i=diρfρi-ρf‖g‖μf213

where μf is the fluid dynamic viscosity. For the sloping bed interface, the value of the critical shields number is modified according to Eq.11.(11)θ`cr,i=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2φi-sin2ψsin2βtanφi

where θ`cr,i is the modified critical shields number, φi is the angle of repose for the sediment, β is the angle of bed slope and ψ is the angle between the flow and the upslope direction. The effects of the rolling, hopping, and sliding motions of grains along the packed bed surface are taken by the bedload transport process. The volumetric bedload transport rate (qb,i) per width of the bed is expressed in Eq.12.(12)qb,i=Φi‖g‖ρi-ρfρfdi312

where Φi is the dimensionless bedload transport rate is calculated by using Meyer Peter and Müller equation.(13)Φi=βMPM,iθi-θ`cr,i1.5cb,i

where βMPM,i is the Meyer Peter and Müller user-defined coefficient and cb,i is the volume fraction of species i in the bed material. The suspended load transport is calculated as shown in Eq.14.(14)∂Cs,i∂t+∇∙Cs,ius,i=∇∙∇DCs,i

where Cs,i is the suspended sediment mass concentration, D is the diffusivity, and us,i is the grain velocity of species i. Entrainment and deposition are two opposing processes that take place at the same time. The lifting and settling velocities for both entrainment and deposition processes are calculated according to Eq.15 and Eq.16, respectively.(15)ulifting,i=αid∗,i0.3θi-θ`cr,igdiρiρf-1(16)usettling,i=υfdi10.362+1.049d∗,i3-10.36

where αi is the entrainment coefficient of species i and υf is the kinematic viscosity of the fluid.

2.7. Grid type

Using simple rectangular orthogonal elements in planes and hexahedral in volumes in the (FLOW-3D) program makes the mesh generation process easier, decreases the required memory, and improves numerical accuracy. Two mesh blocks were used in a joined form with a size ratio of 2:1. The first mesh block is coarser, which contains the reservoir water, and the second mesh block is finer, which contains the dam. For achieving accuracy and efficiency in results, the mesh size is determined by using a grid convergence test. The optimum uniform cell size for the first mesh block is 0.012 m and for the second mesh block is 0.006 m.

2.8. Time step

The maximum time step size is determined by using a Courant number, which controls the distance that the flow will travel during the simulation time step. In this study, the Courant number was taken equal to 0.25 to prevent the flow from traveling through more than one cell in the time step. Based on the Courant number, a maximum time step value of 0.00075 s was determined.

2.9. Numerical model validation

The numerical model accuracy was achieved by comparing the numerical model results with previous experimental results. The experimental study of Schmocker and Hager [7] was based on 31 tests with changes in six parameters (d50, Ho, Bo, Lk, XD, and Qin). All experimental tests were conducted in a straight open glass-sided flume. The horizontal flume has a rectangular cross-section with a width of 0.4 m and a height of 0.7 m. The flume was provided with a flow straightener and an intake with a length of 0.66 m. All tested dams were inserted at various distances (XD) from the intake. Test No.1 from this experimental program was chosen to validate the numerical model. The different parameters used in test No.1 are as follows:

(1) uniform sediment with a mean diameter (d50 = 0.31 mm), (2) Ho = 0.2 m, (3) Bo = 0.2 m, (4) Lk = 0.1 m,

(5) XD = 1.0 m, (6) Qin = 6.0 lit/s, (7) Su and Sd = 2:1, (8) mass density (ρs = 2650 kg/m3(9) Homogenous and non-cohesive embankment dam. As shown in Fig. 2, the simulation is contained within a rectangular grid with dimensions: 3.56 m in the x-direction (where 0.66 m is used as inlet, 0.9 m as dam base width, and 1.0 m as outlet), in y-direction 0.2 m (dam length), and in the z-direction 0.3 m, which represents the dam height (0.2 m) with a free distance (0.1 m) above the dam. There are two main reasons that this experimental program is preferred for the validation process. The first reason is that this program deals with homogenous, non-cohesive soil, which is available in FLOW-3D. The second reason is that this program deals with small-scale models which saves time for numerical simulation. Finally, some important assumptions were considered during the validation process. The flow is assumed to be incompressible, viscous, turbulent, and three-dimensional.

By comparing dam profiles at different time instants for the experimental test with the current numerical model, it appears that the numerical model gives good agreement as shown in Fig. 3 and Fig. 4, with an average error percentage of 9% between the experimental results and the numerical model.

3. Analysis and discussions

The current model is used to study the effects of different parameters such as (initial breach shapes, dimensions, locations, upstream and downstream dam slopes) on the peak outflow discharge, QP, time of peak outflow, tP, and rate of erosion, E.

This study consists of a group of scenarios. The first scenario is changing the shapes of the initial breach according to Singh [1], the most predicted shapes are rectangular and V-notch as shown in Fig. 5. The second scenario is changing the initial breach dimensions (i.e., width and depth). While the third scenario is changing the location of the initial breach. Eventually, the last scenario is changing the upstream and downstream dam slopes.

All scenarios of this study were carried out under the same conditions such as inflow discharge value (Qin=1.0lit/s), dimensions of the tested dam, where dam height (Ho=0.20m), crest width.

(Lk=0.1m), dam length (Bo=0.20m), and homogenous & non-cohesive soil with a mean diameter (d50=0.31mm).

3.1. Dam breaching process evolution

The dam breaching process is a very complex process due to the quick changes in hydrodynamic conditions during dam failure. The dam breaching process starts once water flows reach the downstream face of the dam. During the initial stage of dam breaching, the erosion process is relatively quiet due to low velocities of flow. As water flows continuously, erosion rates increase, especially in two main zones: the crest and the downstream face. As soon as the dam crest is totally eroded, the water levels in the dam reservoir decrease rapidly, accompanied by excessive erosion in the dam body. The erosion process continues until the water levels in the dam reservoir equal the remaining height of the dam.

According to Zhou et al. [11], the breaching process consists of three main stages. The first stage starts with beginning overtopping flow, then ends when the erosion point directed upstream and reached the inflection point at the inflection time (ti). The second stage starts from the end of the stage1 until the occurrence of peak outflow discharge at the peak outflow time (tP). The third stage starts from the end of the stage2 until the value of outflow discharge becomes the same as the value of inflow discharge at the final time (tf). The outflow discharge from the dam breach increases rapidly during stage1 and stage2 because of the large dam storage capacity (i.e., the dam reservoir is totally full of water) and excessive erosion. While at stage3, the outflow values start to decrease slowly because most of the dam’s storage capacity was run out. The end of stage3 indicates that the dam storage capacity was totally run out, so the outflow equalized with the inflow discharge as shown in Fig. 6 and Fig. 7.

3.2. The effect of initial breach shape

To identify the effect of the initial breach shape on the evolution of the dam breaching process. Three tests were carried out with different cross-section areas for each shape. The initial breach is created at the center of the dam crest. Each test had an ID to make the process of arranging data easier. The rectangular shape had an ID (Rec5h & 5b), which means that its depth and width are equal to 5% of the dam height, and the V-notch shape had an ID (V-noch5h & 1:1) which means that its depth is equal to 5% of the dam height and its side slope is equal to 1:1. The comparison between rectangular and V-notch shapes is done by calculating the ratio between maximum dam height at different times (ZMax) to the initial dam height (Ho), rate of erosion, and hydrograph of outflow discharge for each test. The rectangular shape achieves maximum erosion rate and minimum inflection time, in addition to a rapid decrease in the dam reservoir levels. Therefore, the dam breaching is faster in the case of a rectangular shape than in a V-notch shape, which has the same cross-section area as shown in Fig. 8.

Also, by comparing the hydrograph for each test, the peak outflow discharge value in the case of a rectangular shape is higher than the V-notch shape by 5% and the time of peak outflow for the rectangular shape is shorter than the V-notch shape by 9% as shown in Fig. 9.

3.3. The effect of initial breach dimensions

The results of the comparison between the different initial breach shapes indicate that the worst initial breach shape is rectangular, so the second scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the initial rectangular breach dimensions. Groups of tests were carried out with different depths and widths for the rectangular initial breach. The first group had a depth of 5% from the dam height and with three different widths of 5,10, and 15% from the dam height, the second group had a depth of 10% with three different widths of 5,10, and 15%, the third group had a depth of 15% with three different widths of 5,10, and 15% and the final group had a width of 15% with three different heights of 5, 10, and 15% for a rectangular breach shape. The comparison was made as in the previous section to determine the worst case that leads to the quick dam failure as shown in Fig. 10.

The results show that the (Rec 5 h&15b) test achieves a maximum erosion rate for a shorter period of time and a minimum ratio for (Zmax / Ho) as shown in Fig. 10, which leads to accelerating the dam failure process. The dam breaching process is faster with the minimum initial breach depth and maximum initial breach width. In the case of a minimum initial breach depth, the retained head of water in the dam reservoir is high and the crest width at the bottom of the initial breach (L`K) is small, so the erosion point reaches the inflection point rapidly. While in the case of the maximum initial breach width, the erosion perimeter is large.

3.4. The effect of initial breach location

The results of the comparison between the different initial rectangular breach dimensions indicate that the worst initial breach dimension is (Rec 5 h&15b), so the third scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the initial breach location. Three locations were checked to determine the worst case for the dam failure process. The first location is at the center of the dam crest, which was named “Center”, the second location is at mid-distance between the dam center and dam edge, which was named “Mid”, and the third location is at the dam edge, which was named “Edge” as shown in Fig. 11. According to this scenario, the results indicate that the time of peak outflow discharge (tP) is the same in the three cases, but the maximum value of the peak outflow discharge occurs at the center location. The difference in the peak outflow values between the three cases is relatively small as shown in Fig. 12.

The rates of erosion were also studied for the three cases. The results show that the maximum erosion rate occurs at the center location as shown in Fig. 13. By making a comparison between the three cases for the dam storage volume. The results show that the center location had the minimum values for the dam storage volume, which means that a large amount of water has passed to the downstream area as shown in Fig. 14. According to these results, the center location leads to increased erosion rate and accelerated dam failure process compared with the two other cases. Because the erosion occurs on both sides, but in the case of edge location, the erosion occurs on one side.

3.5. The effect of upstream and downstream dam slopes

The results of the comparison between the different initial rectangular breach locations indicate that the worst initial breach location is the center location, so the fourth scenario from this study concentrated on studying the effect of a change in the upstream (Su) and downstream (Sd) dam slopes. Three slopes were checked individually for both upstream and downstream slopes to determine the worst case for the dam failure process. The first slope value is (2H:1V), the second slope value is (2.5H:1V), and the third slope value is (3H:1V). According to this scenario, the results show that the decreasing downstream slope angle leads to increasing time of peak outflow discharge (tP) and decreasing value of peak outflow discharge. The difference in the peak outflow values between the three cases for the downstream slope is 2%, as shown in Fig. 15, but changing the upstream slope has a negligible impact on the peak outflow discharge and its time as shown in Fig. 16.

The rates of erosion were also studied in the three cases for both upstream and downstream slopes. The results show that the maximum erosion rate increases by 6.0% with an increasing downstream slope angle by 4°, as shown in Fig. 17. The results also indicate that the erosion rates aren’t affected by increasing or decreasing the upstream slope angle, as shown in Fig. 18. According to these results, increasing the downstream slope angle leads to increased erosion rate and accelerated dam failure process compared with the upstream slope angle. Because of increasing shear stress applied by water flows in case of increasing downstream slope.

According to all previous scenarios, the dimensionless peak outflow discharge QPQin is presented for a fixed dam height (Ho) and inflow discharge (Qin). Fig. 19 illustrates the relationship between QP∗=QPQin and.

Lr=ho2/3∗bo2/3Ho. The deduced relationship achieves R2=0.96.(17)QP∗=2.2807exp-2.804∗Lr

4. Conclusions

A spatial dam breaching process was simulated by using FLOW-3D Software. The validation process was performed by making a comparison between the simulated results of dam profiles and the dam profiles obtained by Schmocker and Hager [7] in their experimental study. And also, the peak outflow value recorded an error percentage of 12% between the numerical model and the experimental study. This model was used to study the effect of initial breach shape, dimensions, location, and dam slopes on peak outflow discharge, time of peak outflow, and the erosion process. By using the parameters obtained from the validation process, the results of this study can be summarized in eight points as follows.1.

The rectangular initial breach shape leads to an accelerating dam failure process compared with the V-notch.2.

The value of peak outflow discharge in the case of a rectangular initial breach is higher than the V-notch shape by 5%.3.

The time of peak outflow discharge for a rectangular initial breach is shorter than the V-notch shape by 9%.4.

The minimum depth and maximum width for the initial breach achieve maximum erosion rates (increasing breach width, b0, or decreasing breach depth, h0, by 5% from the dam height leads to an increase in the maximum rate of erosion by 11% and 15%, respectively), so the dam failure is rapid.5.

The center location of the initial breach leads to an accelerating dam failure compared with the edge location.6.

The initial breach location has a negligible effect on the peak outflow discharge value and its time.7.

Increasing the downstream slope angle by 4° leads to an increase in both peak outflow discharge and maximum rate of erosion by 2.0% and 6.0%, respectively.8.

The upstream slope has a negligible effect on the dam breaching process.

References

[1]V. SinghDam breach modeling technologySpringer Science & Business Media (1996)Google Scholar[2]Wahl TL. Prediction of embankment dam breach parameters: a literature review and needs assessment. 1998.Google Scholar[3]Z. Alhasan, J. Jandora, J. ŘíhaStudy of dam-break due to overtopping of four small dams in the Czech RepublicActa Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 63 (3) (2015), pp. 717-729 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[4]D. FreadBREACH, an erosion model for earthen dam failures: Hydrologic Research LaboratoryNOAA, National Weather Service (1988)Google Scholar[5]J. Říha, S. Kotaška, L. PetrulaDam Break Modeling in a Cascade of Small Earthen Dams: Case Study of the Čižina River in the Czech RepublicWater, 12 (8) (2020), p. 2309, 10.3390/w12082309 View PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[6]E. Goodarzi, L. Teang Shui, M. ZiaeiDam overtopping risk using probabilistic concepts–Case study: The Meijaran DamIran Ain Shams Eng J, 4 (2) (2013), pp. 185-197ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[7]L. Schmocker, W.H. HagerPlane dike-breach due to overtopping: effects of sediment, dike height and dischargeJ Hydraul Res, 50 (6) (2012), pp. 576-586 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[8]J.S. Walder, R.M. Iverson, J.W. Godt, M. Logan, S.A. SolovitzControls on the breach geometry and flood hydrograph during overtopping of noncohesive earthen damsWater Resour Res, 51 (8) (2015), pp. 6701-6724View Record in ScopusGoogle Scholar[9]H. Wei, M. Yu, D. Wang, Y. LiOvertopping breaching of river levees constructed with cohesive sedimentsNat Hazards Earth Syst Sci, 16 (7) (2016), pp. 1541-1551 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[10]Y. Yang, S.-Y. Cao, K.-J. Yang, W.-P. LiYang K-j, Li W-p. Experimental study of breach process of landslide dams by overtopping and its initiation mechanismsJ Hydrodynamics, 27 (6) (2015), pp. 872-883ArticleDownload PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[11]G.G.D. Zhou, M. Zhou, M.S. Shrestha, D. Song, C.E. Choi, K.F.E. Cui, et al.Experimental investigation on the longitudinal evolution of landslide dam breaching and outburst floodsGeomorphology, 334 (2019), pp. 29-43ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[12]J. Zhang, Z.-x. Guo, S.-y. CaoYang F-g. Experimental study on scour and erosion of blocked damWater Sci Eng, 5 (2012), pp. 219-229ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[13]K. Höeg, A. Løvoll, K. VaskinnStability and breaching of embankment dams: Field tests on 6 m high damsInt J Hydropower Dams, 11 (2004), pp. 88-92View Record in ScopusGoogle Scholar[14]H. Hakimzadeh, V. Nourani, A.B. AminiGenetic programming simulation of dam breach hydrograph and peak outflow dischargeJ Hydrol Eng, 19 (4) (2014), pp. 757-768View Record in ScopusGoogle Scholar[15]A.R. Refaiy, N.M. AboulAtta, N.Y. Saad, D.A. El-MollaModeling the effect of downstream drain geometry on seepage through earth damsAin Shams Eng J, 12 (3) (2021), pp. 2511-2531ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[16]Y. Zhu, P.J. Visser, J.K. Vrijling, G. WangExperimental investigation on breaching of embankmentsScience China Technological Sci, 54 (1) (2011), pp. 148-155 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[17]M.-H. Yu, H.-Y. Wei, Y.-J. Liang, Y. ZhaoInvestigation of non-cohesive levee breach by overtopping flowJ Hydrodyn, 25 (4) (2013), pp. 572-579ArticleDownload PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[18]S. Wu, M. Yu, H. Wei, Y. Liang, J. ZengNon-symmetrical levee breaching processes in a channel bend due to overtoppingInt J Sedim Res, 33 (2) (2018), pp. 208-215ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[19]O. Saberi, G. ZenzNumerical investigation on 1D and 2D embankment dams failure due to overtopping flowInt J Hydraulic Engineering, 5 (2016), pp. 9-18View Record in ScopusGoogle Scholar[20]M. Guan, N.G. Wright, P.A. Sleigh2D Process-Based Morphodynamic Model for Flooding by Noncohesive Dyke BreachJ Hydraul Eng, 140 (7) (2014), p. 04014022, 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000861 View PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[21]W. Wu, R. Marsooli, Z. HeDepth-Averaged Two-Dimensional Model of Unsteady Flow and Sediment Transport due to Noncohesive Embankment Break/BreachingJ Hydraul Eng, 138 (6) (2012), pp. 503-516View Record in ScopusGoogle Scholar[22]Z. Wang, D.S. BowlesThree-dimensional non-cohesive earthen dam breach model. Part 1: Theory and methodologyAdv Water Resour, 29 (10) (2006), pp. 1528-1545ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[23]Říha J, Duchan D, Zachoval Z, Erpicum S, Archambeau P, Pirotton M, et al. Performance of a shallow-water model for simulating flow over trapezoidal broad-crested weirs. J Hydrology Hydromechanics. 2019;67:322-8.Google Scholar[24]C.B. VreugdenhilNumerical methods for shallow-water flowSpringer Science & Business Media (1994)Google Scholar[25]L.A. Larocque, J. Imran, M.H. Chaudhry3D numerical simulation of partial breach dam-break flow using the LES and k–∊ turbulence modelsJ Hydraul Res, 51 (2) (2013), pp. 145-157 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[26]C. Yang, B. Lin, C. Jiang, Y. LiuPredicting near-field dam-break flow and impact force using a 3D modelJ Hydraul Res, 48 (6) (2010), pp. 784-792 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[27]FLOW-3D. Version 11.1.1 Flow Science, Inc., Santa Fe, NM. https://wwwflow3dcom.Google Scholar[28]C.W. Hirt, B.D. NicholsVolume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundariesJ Comput Phys, 39 (1) (1981), pp. 201-225ArticleDownload PDFGoogle Scholar[29]S.V. PatankarNumerical heat transfer and fluid flow, Hemisphere PublCorp, New York, 58 (1980), p. 288View Record in ScopusGoogle Scholar[30]M. Alemi, R. MaiaNumerical simulation of the flow and local scour process around single and complex bridge piersInt J Civil Eng, 16 (5) (2018), pp. 475-487 View PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.

Simulation and Visual Tester Verification of Solid Propellant Slurry Vacuum Plate Casting

Wu Yue,Li Zhuo,Lu RongFirst published: 26 February 2020 https://doi.org/10.1002/prep.201900411Citations: 3

Abstract

Using an improved Carreau constitutive model, a numerical simulation of the casting process of a type of solid propellant slurry vacuum plate casting was carried out using the Flow3D software. Through the flow process in the orifice flow channel and the combustion chamber, the flow velocity of the slurry passing through the plate flow channel was quantitatively analyzed, and the viscosity, shear rate, and leveling characteristics of the slurry in the combustion chamber were qualitatively analyzed and predicted. The pouring time, pouring quality, and flow state predicted by the numerical simulation were verified using a visual tester consisting of a vacuum plate casting system in which a pouring experiment was carried out. Studies have shown that HTPB three-component propellant slurry is a typical yielding pseudoplastic fluid. When the slurry flows through the flower plate and the airfoil, the fluid shear rate reaches its maximum value and the viscosity of the slurry decreases. The visual pouring platform was built and the experiment was controlled according to the numerically-calculated parameters, ensuring the same casting speed. The comparison between the predicted casting quality and the one obtained in the verification test resulted in an error less than 10 %. Moreover, the error between the simulated casting completion time and the process verification test result was also no more than 10 %. Last, the flow state of the slurry during the simulation was consistent with the one during the experimental test. The overall leveling of the slurry in the combustion chamber was adequate and no relatively large holes and flaws developed during the pouring process.

개선된 Carreau 구성 모델을 사용하여 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 고체 추진제 슬러리 진공판 유형의 Casting Process에 대한 수치 시뮬레이션을 수행했습니다. 오리피스 유로와 연소실에서의 유동과정을 통해 판 유로를 통과하는 슬러리의 유속을 정량적으로 분석하고, 연소실에서 슬러리의 점도, 전단율, 레벨링 특성을 정성적으로 분석하하고, 예측하였습니다.

타설시간, 타설품질, 수치해석으로 예측된 ​​유동상태는 타설실험을 수행한 진공판주조시스템으로 구성된 비주얼 테스터를 이용하여 검증하였습니다.

연구에 따르면 HTPB 3성분 추진제 슬러리는 전형적인 생성 가소성 유체입니다. 슬러리가 플라워 플레이트와 에어포일을 통과할 때 유체 전단율이 최대값에 도달하고 슬러리의 점도가 감소합니다.

시각적 주입 플랫폼이 구축되었고 동일한 주조 속도를 보장하기 위해 수치적으로 계산된 매개변수에 따라 실험이 제어되었습니다. 예측된 casting 품질과 검증 테스트에서 얻은 품질을 비교한 결과 10 % 미만의 오류가 발생했습니다.

또한 모의 casting 완료시간과 공정검증시험 결과의 오차도 10 % 이하로 나타났습니다.

마지막으로 시뮬레이션 중 슬러리의 흐름 상태는 실험 테스트 시와 일치하였다. 연소실에서 슬러리의 전체 레벨링은 적절했으며 주입 과정에서 상대적으로 큰 구멍과 결함이 발생하지 않았습니다.

Figure 1. The equipment used in the vacuum flower-plate pouring process.
Figure 1. The equipment used in the vacuum flower-plate pouring process.
Figure 2. Calculation model.
Figure 2. Calculation model.
Figure 3. Grid block division unit.
Figure 3. Grid block division unit.
Figure 4. Circular section of the speed cloud.
Figure 4. Circular section of the speed cloud.
Figure 5. Viscosity and shear rate distribution cloud pattern flowing through the plate holes.
Figure 5. Viscosity and shear rate distribution cloud pattern flowing through the plate holes.
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.
Figure 6. Circular section of the viscosity and shear-rate clouds.
Figure 7. Volume fraction cloud chart at different time.
Figure 7. Volume fraction cloud chart at different time.
Figure 8. Experimental program.
Figure 8. Experimental program.
Figure 9. Emulation experimental device.
Figure 9. Emulation experimental device.
Figure 10. Visualization of the flow state of the pulp inside the tester.
Figure 10. Visualization of the flow state of the pulp inside the tester.

References

[1] B. M. Bandgar, V. N. Krishnamurthy, T. Mukundan, K. C. Sharma,
Mathematical Modeling of Rheological Properties of HydroxylTerminated Polybutadiene Binder and Dioctyl Adipate Plasticizer, J. Appl. Polym. Sci. 2002, 85, 1002–1007.
[2] B. Thiyyarkandy, M. Jain, G. S. Dombe, M. Mehilal, P. P. Singh, B.
Bhattacharya, Numerical Studies on Flow Behavior of Composite Propellant Slurry during Vacuum Casting, J.Aerosp.Technol.
Manage. 2012, 4, 197–203.
[3] T. Shimada, H. Habu, Y. Seike, S. Ooya, H. Miyachi, M. Ishikawa,
X-Ray Visualization Measurement of Slurry Flow in Solid Propellant Casting, Flow Meas. Instrum. 2007, 18, 235–240.
[4] Y. Damianou, G. C. Georgiou, On Poiseuille Flows of a Bingham
Plastic with Pressure-Dependent Rheological Parameters, J.
Non-Newtonian Fluid Mech. 2017, 250, 1–7.
[5] S. Sadasivan, S. K. Arumugam, M. Aggarwal, Numerical Simulation of Diffuser of a Gas Turbine using the Actuator Disc
Model, J.Appl. Fluid Mech. 2019, 12, 77–84.
[6] M. Acosta, V. L. Wiesner, C. J. Martinez, R. W. Trice, J. P. Youngblood, Effect of Polyvinylpyrrolidone Additions on the Rheology of Aqueous, Highly Loaded Alumina Suspensions, J. Am.
Ceram. Soc. 2013, 96, 1372–1382.
[7] Y. Wu, Numerical Simulation and Experiment Study of Flower
Plate Pouring System for Solid Propellant, Chin. J. Expl. Propell.
2017, 41, 506–511.
[8] T. M. G. Chu, J. W. Halloran, High-Temperature Flow Behavior
of Ceramic Suspensions, J. Am. Ceram. Soc. 2004, 83, 2189–
2195.
[9] T. Kaully, A. Siegmann, D. Shacham, Rheology of Highly Filled
Natural CaCO3 Composites. I. Effects of Solid Loading and Particle Size Distribution on Capillary Rheometry, Polym. Compos.
2007, 28, 512–523.
[10] M. M. Rueda, M.-C. Auscher, R. Fulchiron, T. Périé, G. Martin, P.
Sonntag, P. Cassagnau, Rheology and Applications of Highly
Filled Polymers: A Review of Current Understanding, Prog. Polym. Sci. 2017, 66, 22–53.
[11] F. Soltani, Ü. Yilmazer, Slip Velocity and Slip Layer Thickness in
Flow of Concentrated Suspensions, J. Appl. Polym. Sci. 1998,
70, 515–522.

[12] E. Landsem, T. L. Jensen, F. K. Hansen. E. Unneberg, T. E. Kristensen, Neutral Polymeric Bonding Agents (NPBA) and Their
Use in Smokeless Composite Rocket Propellants Based on
HMX-GAP-BuNENA. Propellants, Explos., Pyrotech.. 2012, 37,
581–589.
[13] J. Mewis, N. J. Wagner, Colloidal Suspension Rheology, Cambridge University Press, 2011.
[14] D. M. Kalyon, An Overview of the Rheological Behavior and
Characterization of Energetic Formulations: Ramifications on
Safety and Product Quality, J. Energ. Mater. 2006, 24, 213–245.
[15] H. Ohshima, Effective Viscosity of a Concentrated Suspension
of Uncharged Spherical Soft Particles, Langmuir 2010, 26,
6287–6294.

그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴

유입조건에 따른압력변이로 인한하천횡단구조물 하류물받이공 및 바닥보호공설계인자 도출최종보고서

주관연구기관 / 홍익대학교 산학협력단
공동연구기관 / 한국건설기술연구원
공동연구기관 / 주식회사 지티이

연구의 목적 및 내용

하천횡단구조물이 하천설계기준(2009)대로 설계되었음에도 불구하고, 하류부에서 물받이공 및 바닥보호공의 피해가 발생하여, 구조물 본체에 대한 안전성이 현저하 게 낮아지고 있는 실정이다. 하천설계기준이 상류부의 수리특성을 반영하였다고 하나 하류부의 수리특성인 유속의 변동 성분 또는 압력의 변동성분까지 고려하고 있지는 않다. 현재 많은 선행연구에서 이러한 난류적 특성이 구조물에 미치는 영 향에 대해 제시하고 있는 실정이며, 국내 하천에서의 피해 또한 이와 관련이 있다 고 판단된다. 이에 본 연구에서는 난류성분 특히 압력의 변동성분이 물받이공과 바닥보호공에 미치는 영향을 정량적으로 분석하여, 하천 횡단구조물의 치수 안전 성 증대에 기여하고자 한다. 물받이공과 바닥보호공에 미치는 압력의 변동성분 (pressure fluctuation) 영향을 분석하기 위해 크게 3가지로 연구내용을 분류하였 다. 첫 번째는 압력의 변동으로 순간적인 음압구배(adversed pressure gradient) 가 발생할 경우 바닥보호공의 사석 및 블록이 이탈하는 것이다. 이를 확인하기 위 해 정밀한 압력 측정장치를 통해 압력변이를 측정하여, 사석의 이탈 가능성을 검 토할 것이며, 최종적으로 이탈에 대한 한계조건을 도출할 것이다. 두 번째는 압력 의 변동이 물받이공의 진동을 유발시켜 이를 지지하고 있는 지반에 다짐효과를 가 져와 물받이공과 지반사이에 공극이 발생하는 경우이다. 이러한 공극으로 물받이 공은 자중 및 물의 압력을 받게 되어, 결국 휨에 의한 파괴가 발생할 가능성이 있 게 된다. 본 연구에서는 실험을 통하여 압력의 변동과 물받이공의 진동을 동시에 측정하여, 진동이 발생하지 않을 최소 두께를 제시할 것이다. 세 번째는 압력변이 로 인한 물받이공의 진동이 피로파괴로 연결되는 경우이다. 이 현상 또한 수리실 험을 통해 압력변이-피로파괴의 관계를 정량적으로 분석하여, 한계 조건을 제시할 것이다. 본 연구는 국내 보 및 낙차공에서 발생하는 다양한 Jet의 특성을 수리실 험으로 재현해야 하며, 이를 위해 평면 Jet 분사기(plane Jet injector)를 고안/ 제작하여, 효율적인 수리실험을 수행할 것이다. 또한 3차원 수치해석을 통해 실제 스케일에 적용함으로써 연구결과의 활용도 및 적용성을 높이고자 한다.

Keywords

압력변이, 물받이공, 바닥보호공, 난류, 진동

 그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴
그림 1 하천횡단구조물 하류부 횡단구조물 파괴
그림 2. 시간에 따른 압력의 변동 양상 및 정의
그림 2. 시간에 따른 압력의 변동 양상 및 정의
 그림 3. 하천횡단구조물 하류부 도수현상시 발생하는 압력변이 분포도, Fr=8.0 상태이며, 바닥(slab)에 양압과 음압이 지속적으로 작용한다. (Fiorotto & Rinaldo, 2010)
그림 3. 하천횡단구조물 하류부 도수현상시 발생하는 압력변이 분포도, Fr=8.0 상태이며, 바닥(slab)에 양압과 음압이 지속적으로 작용한다. (Fiorotto & Rinaldo, 2010)
 그림 4. 파괴 개념
그림 4. 파괴 개념
그림 6. PIV 측정 원리(www.photonics.com)
그림 6. PIV 측정 원리(www.photonics.com)
그림 7. LED회로판 및 BIV기법 기본개념
그림 7. LED회로판 및 BIV기법 기본개념
그림 8. BIV측정기법을 적용한 순간이미지 (Lin et al., 2012)
그림 8. BIV측정기법을 적용한 순간이미지 (Lin et al., 2012)
그림 9. 감세공의 분류
그림 9. 감세공의 분류
그림 17 수리실헐 수로시설: (a) 전체수로전경, (b) Weir 보를 포함한 측면도, (c) 도수조건 실험전경
그림 17 수리실헐 수로시설: (a) 전체수로전경, (b) Weir 보를 포함한 측면도, (c) 도수조건 실험전경
그림 18 수리실험 개요도
그림 18 수리실험 개요도
그림 127 난류모형별 압력 Data (측정위치는 그림 125 참조)
그림 127 난류모형별 압력 Data (측정위치는 그림 125 참조)
그림 128 RNG 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 128 RNG 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 129 LES 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 129 LES 모형을 이용한 수치모의 결과
그림 130 압력 Data의 필터링
그림 130 압력 Data의 필터링
그림 134 Case 1의 흐름특성 분포도 및 그래프
그림 134 Case 1의 흐름특성 분포도 및 그래프

참고문헌

국토기술연구센터 (1998) 하상유지공의 구조설계 지침.

감사원 (2013) 감사원 결과보고서- 4대강살리기 사업 주요시설물 품질 밑 수질관리 실태.

국토해양부 (2009) 전국 하천횡단 구조물 설치현황 및 어도 실태조사 보고서. 국토해양부 (2010). 낙동강 살리기 사업 24공구(성주칠곡지구) 실시설계보고서.

국토해양부 (2012) 보도자료-준공대비 점검결과, 4대강 보 안전 재확인.

국토해양부 (2012) 국가 및 지방하천 종합정비 마스터플랜.

국토교통성 (2008) 하천사방기술기준.

농림부 (1996). 농업생산기반정비사업계획 설계기준. 류권규(역자) (2009). 난류의 수치모의(원저자 : 梶島岳夫, 1999).

류권규, 마리안 머스테, 로버트 에테마, 윤병만 (2006). “난류 중 부유사의 속도 지체 측정.” 한국수자원학회논문집, 제39권, 제2호, pp.99-108.

배재현, 이경훈, 신종근, 양용수, 이주희 (2011). “입자영상유속계를 이용한 은어의 유영능력 측정.” 제47권, 제4호, pp.411-418.

우효섭 (2001). 하천수리학. 청문각.

한국수자원학회 (2009). 하천설계기준해설.

한국건설기술연구원 (2014) 입자영상유속계(PIV)를 이용한 하천구조물 주변 유동해석 기법 개발

한국건설기술연구원 (2017) 보와 하상유지공의 안전성 확보를 위한 물받이와 바닥보호공의 성능평가
기법에 대한 원천기술개발

국토기술연구센터 (1998) 하상유지공의 구조설계 지침.

감사원 (2013) 감사원 결과보고서- 4대강살리기 사업 주요시설물 품질 밑 수질관리 실태. 국토해양부 (2009) 전국 하천횡단 구조물 설치현황 및 어도 실태조사 보고서.

국토해양부 (2012) 보도자료-준공대비 점검결과, 4대강 보 안전 재확인. 국토해양부 (2012) 국가 및 지방하천 종합정비 마스터플랜.

국토교통성 (2008) 하천사방기술기준.

농림부 (1996). 농업생산기반정비사업계획 설계기

류권규(역자) (2009). 난류의 수치모의(원저자 : 梶島岳夫, 1999).
류권규, 마리안 머스테, 로버트 에테마, 윤병만 (2006). “난류 중 부유사의 속도 지체 측정.” 한국수자원학회논문집, 제39권, 제2호, pp.99-108.
배재현, 이경훈, 신종근, 양용수, 이주희 (2011). “입자영상유속계를 이용한 은어의 유영능력 측정.” 제47권, 제4호, pp.411-418.
우효섭 (2001). 하천수리학. 청문각. 한국수자원학회 (2009). 하천설계기준해설. 한국건설기술연구원 (2014) 입자영상유속계(PIV)를 이용한 하천구조물 주변 유동해석 기법 개발
한국건설기술연구원 (2017) 보와 하상유지공의 안전성 확보를 위한 물받이와 바닥보호공의 성능평가
기법에 대한 원천기술개발

Adrian, R. J., Meinhart, C. D., & Tomkins, C. D. (2000). Vortex organization in the outer
region of the turbulent boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 422, 1-54.
Anderson, T. W., & Darling, D. A. (1954). A test of goodness of fit. Journal of the American
statistical association, 49(268), 765-769.
Altman, E. I. (1968). Financial ratios, discriminant analysis and the prediction of corporate
bankruptcy. The journal of finance, 23(4), 589-609.
Barjastehmaleki, S., Fiorotto, V., & Caroni, E. (2016). Spillway stilling basins lining design
via Taylor hypothesis. Journal of Hydraulic Engineering, 142(6), 04016010.
Beheshti, M. R., Khosrojerdi, A., & Borghei, S. M. (2013). Experimental study of air-water
turbulent flow structures on stepped spillways. International Journal of Physical Sciences,
8(25), 1362-1370.
Bligh, W. G. (1910). Dams, barrages and weirs on porous foundations. Engineering News, 64(26),
708-710.
Bowers, C. E., &Tsai, F. Y. (1969). Fluctuating pressure in spillway stilling basins. Journal
of the Hydraulics Division, 95(6), 2071-2080.
Brater, E. F., King, H. W., Lindell, J. E., & Wei, C. Y. (1976). Handbook of hydraulics for
the solution of hydraulic engineering problems (Vol. 7). New York: McGraw-Hill.
Castillo, L. G., Carrillo, J. M., & Sordo-Ward, Á. (2014). Simulation of overflow nappe
impingement jets. Journal of Hydroinformatics, 16(4), 922-940

Lin, C., Hsieh, S. C., Lin, I. J., Chang, K. A., & Raikar, R. V. (2012). Flow property and
self-similarity in steady hydraulic jumps. Experiments in Fluids, 53(5), 1591-1616

Chanson, H. (1999). The Hydraulics of Open Channel Flow: An Introduction. Physical Modelling
of Hydraulics.
Chow, V. T. (1959). Open-Channel Hydraulics, McGraw Hill Book Company, Inc., New York.
Christensen, B. A. (1984). “Analysis of Partially Filled Circular Storm Sewers.” J. of
Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 110, No. 8.
El-Ragaby, A., El-Salakawy, E., and Benmokrane, B., “Fatigue Life Evaluation of Concrete
Bridge Deck Slabs Reinforced with Glass FRP Composite Bars,” Journal of Composites for
Construction, ASCE, Vol. 11, No. 3, 2007, pp. 258-268. (doi: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)
1090-0268(2007)11:3(258),
Fiorotto, V., & Rinaldo, A. (1992). Turbulent pressure fluctuations under hydraulic jumps.
Journal of Hydraulic Research, 30(4), 499-520.
Flow Science (2015). FLOW-3D User Manual(Release 11.1.0), Los Alamos, New Mexico.
González-Betancourt, M. (2016). Uplift force and momenta on a slab subjected to hydraulic
jump. Dyna, 83(199), 124-133.
Grinstein, L., & Lipsey, S. I. (2001). Encyclopedia of mathematics education. Routledge.
Grubbs, F. E., & Beck, G. (1972). Extension of sample sizes and percentage points for
significance tests of outlying observations. Technometrics, 14(4), 847-854.
Gylltoft K. (1983): Fracture mechanics models for fatigue in concrete structures. Doctoral
thesis / Tekniska högskolan i Luleå, 25D, Luleå, 210 pp.
Herlina, H. and Jirka, G. H. (2008). “Experiments on gas transfer near the air-water
interface in a grid-stirred tank.” Journal of Fluid Mechanics, 594, pp.183-208.
IACWD (Interagency Advisory Committee on Water Data). (1982). Guidelines for determining flood
flow frequency. Bulletin 17B.
JIRKA, G. H. (2008). Experiments on gas transfer at the air–water interface induced by
oscillating grid turbulence. Journal of Fluid Mechanics, 594, 183-208.
Kadota, A., Suzuki, K., Rummel, A. C., Weitbrecht, V., & Jirka, G. H. (2007). Shallow flow
visualization around a single groyne. In Proc. of 7th International Symposium of Particle
Image Velocimetry (CD-ROM).
Kazemi, F., Khodashenas, S. R., & Sarkardeh, H. (2016). Experimental study of pressure
fluctuation in stilling basins. International Journal of Civil Engineering, 14(1), 13-21.
Klowak, C., Memon, A., and Mufti, A., “Static and fatigue investigation of second generation
steel-free bridge decks,” Cement & Concrete Composites, ScienceDirect, Elsevier, Vol. 28, No.

10, 2006, pp. 890-897. (doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.07.019),
Koca, K., Noss, C., Anlanger, C., Brand, A., & Lorke, A. (2017). Performance of the Vectrino
Profiler at the sediment–water interface. Journal of Hydraulic Research, 55(4), 573-581.
Kolmogorov, A. (1933). Sulla determinazione empirica di una lgge di distribuzione. Inst. Ital.
Attuari, Giorn., 4, 83-91.
Leon, A., & Alnahit, A. (2016). A Remotely Controlled Siphon System for Dynamic Water Storage
Management.
Lin, C., Hsieh, S., Chang, K. and Raikar, R. (2012). “Flow property and self-similarity in
steady hydraulic jumps.” Experiments in Fluid, 53, pp. 1591-1616.
Lopardo, R., Fattor, C. A., Casado, J. M. and Lopardo, M. C. (2004). “Aspects of vibration
and fatigue of materials related to coherent structures of macroturbulent flows”
International Conference on Hydraulic of Dams and River Structures.
Lopardo, R. A., & Romagnoli, M. (2009). Pressure and velocity fluctuations in stilling basins.
In Advances in Water Resources and Hydraulic Engineering (pp. 2093-2098). Springer, Berlin,
Heidelberg.
Sanchez, P. A., Ramirez, G. E., Vergara, R., & Minguillo, F. (1973). Performance of
Sulfur-Coated Urea Under Intermittently Flooded Rice Culture in Peru 1. Soil Science Society
of America Journal, 37(5), 789-792.
Matsui, S., Tokai, D., Higashiyama, H., and Mizukoshi, M., “Fatigue Durability of Fiber
Reinforced Concrete Decks Under Running Wheel Load,” Proceedings 3rd International Conference
on Concrete Under Severe Conditions, Ed. N. Banthia, Vancouver, Canada, 2001, pp. 982-991.,
Mohammadi, S. F., Galgoul, N. S., Starossek, U., & Videiro, P. M. (2016). An efficient time
domain fatigue analysis and its comparison to spectral fatigue assessment for an offshore
jacket structure. Marine Structures, 49, 97-115.
Pothof, I. (2011). Co-current air-water flow in downward sloping pipes. Stichting Deltares
Pothof, I. W. M., & Clemens, F. H. L. R. (2011). Experimental study of air–water flow in
downward sloping pipes. International journal of multiphase flow, 37(3), 278-292.
Ryu, Y., Chang, K. A., & Lim, H. J. (2005). Use of bubble image velocimetry for measurement of
plunging wave impinging on structure and associated greenwater. Measurement Science and
Technology, 16(10), 1945.
Sanjou, M., & Nezu, I. (2009). Turbulence structure and coherent motion in meandering compound
open-channel flows. Journal of Hydraulic Research, 47(5), 598-610.
Sargison, J. E., & Percy, A. (2009). Hydraulics of broad-crested weirs with varying side
slopes. Journal of irrigation and drainage engineering, 135(1), 115-118.

Sobani, A. (2014). Pressure fluctuations on the slabs of stilling basins under hydraulic jump.
Song, Y., Chang, K, Ryu, Y. and Kwon, S. (2013). “ Experimental study on flow kinematics and
impact pressure in liquid sloshing.”, Experiments in Fluid, 54, pp. 1592.
Stagonas, D., Lara, J. L., Losada, I. J., Higuera, P., Jaime, F. F., & Muller, G. (2014).
Large scale measurements of wave loads and mapping of impact pressure distribution at the
underside of wave recurves. In Proceedings of the HYDRALAB IV Joint User Meeting.
Toso, J. W., & Bowers, C. E. (1988). Extreme pressures in hydraulic-jump stilling basins.
Journal of Hydraulic Engineering, 114(8), 829-843.
Youn, S. G. and Chang, S. P., “Behavior of Composite Bridge Decks Subjected to Static and
Fatigue Loading,” Structural Journal, ACI Technical paper, Title No. 95-S23, 1998, pp.
249-258. (doi: http://dx.doi.org/10.14359/543),

Fig. 4. Numerical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; (d) Juam-1; (e) Andong-3; (f) Imha-2; (g) Imha-3; and (h) Juam-3.

Interference of Dual Spillways Operations

Jai Hong Lee, Ph.D., P.E., M.ASCE; Pierre Y. Julien, Ph.D., M.ASCE; and Christopher I. Thornton, Ph.D., P.E., M.ASCE

Abstract

이중 여수로 간섭은 여수로가 서로 가깝게 배치될 때 수압 성능의 손실을 나타냅니다. 배수로 간섭은 물리적 실험과 수치 시뮬레이션을 모두 사용하여 조사됩니다.

이중 여수로 구성의 4개 물리적 모델의 단계 및 배출 측정값을 한국의 4개 댐 부지에서 Flow-3D 계산 결과와 비교합니다.

두 개의 배수로를 함께 사용하는 것을 각 배수로의 단일 작동과 비교합니다. 두 여수로를 동시에 운영할 경우 두 여수로를 통한 총 유량은 최대 7.6%까지 감소합니다.

간섭 계수는 단계 He가 설계 단계 Hd를 초과하고 두 배수로를 분리하는 거리 D가 배수로 너비 W에 비해 짧을 때 가장 중요합니다. 매개변수 DHd/WHe는 계산 및 측정된 간섭 계수와 매우 잘 관련됩니다.

안동댐 설계방류에 대한 홍수경로 예시는 간섭계수를 적용한 경우와 적용하지 않은 경우 저수지 수위의 차이가 42cm임을 보여줍니다. 결과적으로 댐 안전을 위해 추가 여수로의 너비(간섭 계수 포함)를 늘려야 합니다.

Dual spillway interference refers to the loss of hydraulic performance of spillways when they are placed close together. Spillway interference is examined using both physical experiments and numerical simulations. Stage and discharge measurements from four physical models with dual spillways configurations are compared to the Flow-3D computational results at four dam sites in South Korea. The conjunctive use of two spillways is compared with the singular operation of each spillway. When both spillways are operated at the same time, the total flow rate through the two spillways is reduced by up to 7.6%. Interference coefficients are most significant when the stage He exceeds the design stage Hd and when the distance D separating two spillways is short compared to the spillway width W. The parameter DHd/WHecorrelates very well with the calculated and measured interference coefficients. A flood routing example for the design discharge at Andong dam shows a 42 cm difference in reservoir water level with and without application of the interference coefficient. Consequently, the width of additional spillways (including the interference coefficient) should be increased for dam safety.

Fig. 1. Definition sketch for dual spillways
Fig. 1. Definition sketch for dual spillways
Fig. 2. Stage-discharge rating curves for dual spillway operations.
Fig. 2. Stage-discharge rating curves for dual spillway operations.
Fig. 3. Physical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; and (d) Juam-1
Fig. 3. Physical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; and (d) Juam-1
Fig. 4. Numerical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; (d) Juam-1; (e) Andong-3; (f) Imha-2; (g) Imha-3; and (h) Juam-3.
Fig. 4. Numerical modeling of dual spillways: (a) Andong-1; (b) Andong-2; (c) Imha-1; (d) Juam-1; (e) Andong-3; (f) Imha-2; (g) Imha-3; and (h) Juam-3.
Fig. 4. (Continued.)
Fig. 4. (Continued.)
Fig. 5. Meshes and calculation domain for numerical modeling of Andong dam.
Fig. 5. Meshes and calculation domain for numerical modeling of Andong dam.
Fig. 6. Stage-discharge rating curve for existing and additional spillways (Andong-1): (a) existing spillway; (b) additional spillway; and (c) dual spillway simulations.
Fig. 6. Stage-discharge rating curve for existing and additional spillways (Andong-1): (a) existing spillway; (b) additional spillway; and (c) dual spillway simulations.
Fig. 7. Discharge comparison of physical experiments and numerical simulations. The upper panel is the comparative result for the existing spillway (ES) and the lower panel is for the additional spillway (AS) at four dams.
Fig. 7. Discharge comparison of physical experiments and numerical simulations. The upper panel is the comparative result for the existing spillway (ES) and the lower panel is for the additional spillway (AS) at four dams.
Fig. 8. Interference coefficients for dual spillways simulations with various scenarios.
Fig. 8. Interference coefficients for dual spillways simulations with various scenarios.
Fig. 9. Regression model for the distance-width ratio (D=W) and head ratio (Hd=He) by dual spillway simulations
Fig. 9. Regression model for the distance-width ratio (D=W) and head ratio (Hd=He) by dual spillway simulations
Fig. 10. Physical and numerical model validation: (a) numerical modeling; (b) solids of overflow weir of the spillway; and (c) physical models of reservoir and spillway
Fig. 10. Physical and numerical model validation: (a) numerical modeling; (b) solids of overflow weir of the spillway; and (c) physical models of reservoir and spillway
Fig. 11. Interference coefficients for dual spillways operations with various scenarios. The dashed lines indicate the results of the validation model with dual conditions of 1 þ 2, 1 þ 4, 1 þ 6, 3 þ 4, and 4 þ 5.
Fig. 11. Interference coefficients for dual spillways operations with various scenarios. The dashed lines indicate the results of the validation model with dual conditions of 1 þ 2, 1 þ 4, 1 þ 6, 3 þ 4, and 4 þ 5.
Fig. 12. Results of reservoir operations under the PMF at Andong dam.
Fig. 12. Results of reservoir operations under the PMF at Andong dam.

References

Cassidy, J. J. 1965. “Irrotational flow over spillways of finite height.”
J. Eng. Mech. Div. 91 (6): 155–173.
Chanel, P., and J. Doering. 2008. “Assessment of spillway modeling using
computational fluid dynamics.” Can. J. Civ. Eng. 35 (12): 1481–1485.
https://doi.org/10.1139/L08-094.
Chow, V. T. 1959. Open-channel hydraulics, 365–380. New York:
McGraw-Hill.
Ho, D., B. Cooper, K. Riddette, and S. Donohoo. 2006. “Application of
numerical modelling to spillways in Australia.” In Proc., Int. Symp.
on Dams in the Societies of the 21st Century, 22nd Int. Congress on
Large Dams (ICOLD), edited by L. Berga, et al. London: Taylor &
Francis.
Huff, F. A. 1967. “Time distribution of rainfall in heavy storms.” Water
Resour. Res. 3 (4): 1007–1019. https://doi.org/10.1029/WR003i004
p01007.
Kim, D. G., and J. H. Park. 2005. “Analysis of flow structure over ogeespillway in consideration of scale and roughness effects by using CFD
model.” KSCE J. Civ. Eng. 9 (2): 161–169. https://doi.org/10.1007
/BF02829067.
Koutsunis, N. A. 2015. “Impact of climatic changes on downstream hydraulic geometry and its influence on flood hydrograph
routing—Applied to the bluestone dam watershed.” M.S. degree,
Dept. of Civil and Environmental Engineering, Colorado State Univ.
Lee, J. H., and P. Y. Julien. 2016a. “ENSO impacts on temperature over
South Korea.” Int. J. Climatol. 36 (11): 3651. https://doi.org/10.1002
/joc.4581.
Lee, J. H., and P. Y. Julien. 2016b. “Teleconnections of the ENSO and
South Korean precipitation patterns.” J. Hydrol. 534: 237–250.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2016.01.011.
Lee, J. H., and P. Y. Julien. 2017. “Influence of the El Nino/southern ˜
oscillation on South Korean streamflow variability.” Hydrol. Processes
31 (12): 2162–2178. https://doi.org/10.1002/hyp.11168.
Li, S., S. Cain, N. Wosnik, C. Miller, H. Kocahan, and R. Wyckoff. 2011.
“Numerical modeling of probable maximum flood flowing through a
system of spillways.” J. Hydraul. Eng. 137 (1): 66–74. https://doi.org
/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000279.
MOCT (Ministry of Construction and Transportation). 2003. Hydraulic
model study of Soyanggang multipurpose dam auxiliary spillway.
[In Korean.] Governing City, South Korea: MOCT.
Olsen, N. R., and H. M. Kjellesvig. 1998. “Three-dimensional numerical
flow modeling for estimation of spillway capacity.” J. Hydraul. Res.
36 (5): 775–784. https://doi.org/10.1080/00221689809498602.
Savage, B. M., and M. C. Johnson. 2001. “Flow over ogee spillway:
Physical and numerical model case study.” J. Hydraul. Eng. 127 (8):
640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:8(640).
USACE (US Army Corps of Engineers). 2008. Hydrologic modeling
system HEC-HMS, user’s manual version 3.2. Davis, CA: USACE.
USBR (US Bureau of Reclamation). 1980. Hydraulic laboratory techniques: A water resources technical publication. Denver: US Dept.
of the Interior, Bureau of Reclamation.
Yakhot, V., and S. A. Orszag. 1986. “Renormalization group analysis of
turbulence. I: Basic theory.” J. Sci. Comput. 1 (1): 3–51. https://doi
.org/10.1007/BF01061452.
Yakhot, V., and L. M. Smith. 1992. “The renormalization group, the
e-expansion and derivation of turbulence models.” J. Sci. Comput.
7 (1): 35–61. https://doi.org/10.1007/BF01060210.
Zeng, J., L. Zhang, M. Ansar, E. Damisse, and J. A. Gonzalez-Castro. 2017.
“Applications of computational fluid dynamics to flow ratings at prototype spillways and weirs. I: Data generation and validation.” J. Irrig.
Drain. Eng. 143 (1): 04016072. https://doi.org/10.1061/(ASCE)IR
.1943-4774.0001112.

Forming characteristics and control method of weld bead for GMAW on curved surface

곡면에 GMAW용 용접 비드의 형성 특성 및 제어 방법

Forming characteristics and control method of weld bead for GMAW on curved surface

The International Journal of Advanced Manufacturing Technology (2021)Cite this article

Abstract

곡면에서 GMAW 기반 적층 가공의 용접 성형 특성은 중력의 영향을 크게 받습니다. 성형면의 경사각이 크면 혹 비드(hump bead)와 같은 심각한 결함이 발생합니다.

본 논문에서는 양생면에서 용접 비드 형성의 형성 특성과 제어 방법을 연구하기 위해 용접 용융 풀 유동 역학의 전산 모델을 수립하고 제안된 모델을 검증하기 위해 증착 실험을 수행하였습니다.

결과는 용접 비드 경사각(α)이 증가함에 따라 역류의 속도가 증가하고 상향 용접의 경우 α > 60°일 때 불규칙한 험프 결함이 나타나는 것으로 나타났습니다.

상부 과잉 액체의 하향 압착력과 하부 상향 유동의 반동력과 표면장력 사이의 상호작용은 용접 혹 형성의 주요 요인이었다. 하향 용접의 경우 양호한 형태를 얻을 수 있었으며, 용접 비드 경사각이 증가함에 따라 용접 높이는 감소하고 용접 폭은 증가하였습니다.

하향 및 상향 용접을 위한 곡면의 용융 거동 및 성형 특성을 기반으로 험프 결함을 제어하기 위해 위브 용접을 통한 증착 방법을 제안하였습니다.

성형 궤적의 변화로 인해 용접 방향의 중력 성분이 크게 감소하여 용융 풀 흐름의 안정성이 향상되었으며 복잡한 표면에서 안정적이고 일관된 용접 비드를 얻는 데 유리했습니다.

하향 용접과 상향 용접 사이의 단일 비드의 치수 편차는 7% 이내였으며 하향 및 상향 혼합 혼합 비드 중첩 증착에서 비드의 변동 편차는 0.45로 GMAW 기반 적층 제조 공정에서 허용될 수 있었습니다.

이러한 발견은 GMAW를 기반으로 하는 곡선 적층 적층 제조의 용접 비드 형성 제어에 기여했습니다.

The weld forming characteristics of GMAW-based additive manufacturing on curved surface are dramatically influenced by gravity. Large inclined angle of the forming surface would lead to severe defects such as hump bead. In this paper, a computational model of welding molten pool flow dynamics was established to research the forming characteristic and control method of weld bead forming on cured surface, and deposition experiments were conducted to verify the proposed model. Results indicated that the velocity of backward flows increased with the increase of weld bead tilt angle (α) and irregular hump defects appeared when α > 60° for upward welding. The interaction between the downward squeezing force of the excess liquid at the top and the recoil force of the upward flow at the bottom and the surface tension were primary factors for welding hump formation. For downward welding, a good morphology shape could be obtained, and the weld height decreased and the weld width increased with the increase of weld bead tilt angle. Based on the molten behaviors and forming characteristics on curved surface for downward and upward welding, the method of deposition with weave welding was proposed to control hump defects. Gravity component in the welding direction was significantly reduced due to the change of forming trajectory, which improved the stability of the molten pool flow and was beneficial to obtain stable and consistent weld bead on complex surface. The dimensional deviations of the single bead between downward and upward welding were within 7% and the fluctuation deviation of the bead in multi-bead overlapping deposition with mixing downward and upward welding was 0.45, which could be acceptable in GMAW-based additive manufacturing process. These findings contributed to the weld bead forming control of curve layered additive manufacturing based on GMAW.

Keywords

  • Molten pool behaviors
  • GMAW-based WAAM
  • Deposition with weave welding
  • Welding on curved surface
  • Fig. 1extended data figure 1
  • Fig. 2extended data figure 2
  • Fig. 3extended data figure 3
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References

  1. 1.Williams SW, Martina F, Addison AC, Ding J, Pardal G, Colegrove P (2016) Wire + arc additive manufacturing. Mater Sci Technol (United Kingdom) 32:641–647. https://doi.org/10.1179/1743284715Y.0000000073Article Google Scholar 
  2. 2.Pan ZX, Ding DH, Wu BT, Cuiuri D, Li HJ, Norrish J (2018) Arc welding processes for additive manufacturing: a review. In: Transactions on intelligent welding manufacturing. Springer Singapore, pp 3–24. https://doi.org/10.1007/978-981-10-5355-9_1
  3. 3.Panchagnula JS, Simhambhatla S (2018) Manufacture of complex thin-walled metallic objects using weld-deposition based additive manufacturing. Robot Comput Integr Manuf 49:194–203. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2017.06.003Article Google Scholar 
  4. 4.Lu S, Zhou J, Zhang JS (2015) Optimization of welding thickness on casting-steel surface for production of forging die. Int J Adv Manuf Technol 76:1411–1419. https://doi.org/10.1007/s00170-014-6371-9Article Google Scholar 
  5. 5.Huang B, Singamneni SB (2015) Curved layer adaptive slicing (CLAS) for fused deposition modelling. Rapid Prototyp J 21:354–367. https://doi.org/10.1108/RPJ-06-2013-0059Article Google Scholar 
  6. 6.Jin Y, Du J, He Y, Fu GQ (2017) Modeling and process planning for curved layer fused deposition. Int J Adv Manuf Technol 91:273–285. https://doi.org/10.1007/s00170-016-9743-5Article Google Scholar 
  7. 7.Xie FB, Chen LF, Li ZY, Tang K (2020) Path smoothing and feed rate planning for robotic curved layer additive manufacturing. Robot Comput Integr Manuf 65. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2020.101967
  8. 8.Ding YY, Dwivedi R, Kovacevic R (2017) Process planning for 8-axis robotized laser-based direct metal deposition system: a case on building revolved part. Robot Comput Integr Manuf 44:67–76. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2016.08.008Article Google Scholar 
  9. 9.Cho DW, Na SJ (2015) Molten pool behaviors for second pass V-groove GMAW. Int J Heat Mass Transf 88:945–956. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.05.021Article Google Scholar 
  10. 10.Cho DW, Na SJ, Cho MH, Lee JS (2013) A study on V-groove GMAW for various welding positions. J Mater Process Technol 213:1640–1652. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2013.02.015Article Google Scholar 
  11. 11.Hejripour F, Valentine DT, Aidun DK (2018) Study of mass transport in cold wire deposition for wire arc additive manufacturing. Int J Heat Mass Transf 125:471–484. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.04.092Article Google Scholar 
  12. 12.Yuan L, Pan ZX, Ding DH, He FY, Duin SV, Li HJ, Li WH (2020) Investigation of humping phenomenon for the multi-directional robotic wire and arc additive manufacturing. Robot Comput Integr Manuf 63. https://doi.org/10.1016/j.rcim.2019.101916
  13. 13.Nguyen MC, Medale M, Asserin O, Gounand S, Gilles P (2017) Sensitivity to welding positions and parameters in GTA welding with a 3D multiphysics numerical model. Numer Heat Transf Part A Appl 71:233–249. https://doi.org/10.1080/10407782.2016.1264747Article Google Scholar 
  14. 14.Gu H, Li L (2019) Computational fluid dynamic simulation of gravity and pressure effects in laser metal deposition for potential additive manufacturing in space. Int J Heat Mass Transf 140:51–65. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2019.05.081Article Google Scholar 
  15. 15.Cho MH, Farson DF (2007) Understanding bead hump formation in gas metal arc welding using a numerical simulation. Metall Mater Trans B Process Metall Mater Process Sci 38:305–319. https://doi.org/10.1007/s11663-007-9034-5Article Google Scholar 
  16. 16.Nguyen TC, Weckman DC, Johnson DA, Kerr HW (2005) The humping phenomenon during high speed gas metal arc welding. Sci Technol Weld Join 10:447–459. https://doi.org/10.1179/174329305X44134Article Google Scholar 
  17. 17.Philip Y, Xu ZY, Wang Y, Wang R, Ye X (2019) Investigation of humping defect formation in a lap joint at a high-speed hybrid laser-GMA welding. Results Phys 13. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2019.102341
  18. 18.Hu ZQ, Qin XP, Shao T, Liu HM (2018) Understanding and overcoming of abnormity at start and end of the weld bead in additive manufacturing with GMAW. Int J Adv Manuf Technol 95:2357–2368. https://doi.org/10.1007/s00170-017-1392-9Article Google Scholar 
  19. 19.Tang SY, Wang GL, Huang C, Li RS, Zhou SY, Zhang HO (2020) Investigation, modeling and optimization of abnormal areas of weld beads in wire and arc additive manufacturing. Rapid Prototyp J 26:1183–1195. https://doi.org/10.1108/RPJ-08-2019-0229Article Google Scholar 
  20. 20.Bai X, Colegrove P, Ding J, Zhou XM, Diao CL, Bridgeman P, Honnige JR, Zhang HO, Williams S (2018) Numerical analysis of heat transfer and fluid flow in multilayer deposition of PAW-based wire and arc additive manufacturing. Int J Heat Mass Transf 124:504–516. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.085Article Google Scholar 
  21. 21.Siewert E, Schein J, Forster G (2013) Determination of enthalpy, temperature, surface tension and geometry of the material transfer in PGMAW for the system argon-iron. J Phys D Appl Phys 46. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/22/224008
  22. 22.Goldak J, Chakravarti A, Bibby M (1984) A new finite element model for welding heat sources. Metall Trans B 15:299–305. https://doi.org/10.1007/BF02667333Article Google Scholar 
  23. 23.Fachinotti VD, Cardona A (2008) Semi-analytical solution of the thermal field induced by a moving double-ellipsoidal welding heat source in a semi-infinite body. Mec Comput XXVII:1519–1530
  24. 24.Nguyen NT, Mai YW, Simpson S, Ohta A (2004) Analytical approximate solution for double ellipsoidal heat source in finite thick plate. Weld J 83:82–93Google Scholar 
  25. 25.Goldak J, Chakravarti A, Bibby M (1985) A double ellipsoid finite element model for welding heat sources. IIW Doc. No. 212-603-85
  26. 26.Gu Y, Li YD, Yong Y, Xu FL, Su LF (2019) Determination of parameters of double-ellipsoidal heat source model based on optimization method. Weld World 63:365–376. https://doi.org/10.1007/s40194-018-00678-wArticle Google Scholar 
  27. 27.Wu CS, Tsao KC (1990) Modelling the three-dimensional fluid flow and heat transfer in a moving weld pool. Eng Comput 7:241–248. https://doi.org/10.1108/eb023811Article Google Scholar 
  28. 28.Zhan XH, Liu XB, Wei YH, Chen JC, Chen J, Liu HB (2017) Microstructure and property characteristics of thick Invar alloy plate joints using weave bead welding. J Mater Process Technol 244:97–105. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.01.014Article Google Scholar 
  29. 29.Zhan XH, Zhang D, Liu XB, Chen J, Wei YH, Liu RP (2017) Comparison between weave bead welding and multi-layer multi-pass welding for thick plate Invar steel. Int J Adv Manuf Technol 88:2211–2225. https://doi.org/10.1007/s00170-016-8926-4Article Google Scholar 
  30. 30.Xu GX, Li L, Wang JY, Zhu J, Li PF (2018) Study of weld formation in swing arc narrow gap vertical GMA welding by numerical modeling and experiment. Int J Adv Manuf Technol 96:1905–1917. https://doi.org/10.1007/s00170-018-1729-zArticle Google Scholar 
  31. 31.Li YZ, Sun YF, Han QL, Zhang GJ, Horvath I (2018) Enhanced beads overlapping model for wire and arc additive manufacturing of multi-layer multi-bead metallic parts. J Mater Process Technol 252:838–848. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2017.10.017Article Google Scholar 
Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China

Barrier Lake의 홍수 침수 진행 및 평가지역 생태 시공간 반응 사례 연구 (쓰촨-티베트 지역)

Flood Inundation Evolution of Barrier Lake and Evaluation of Regional Ecological Spatiotemporal Response — A Case Study of Sichuan-Tibet Region

Abstract

중국 쓰촨-티베트 지역은 댐 호수의 발생과 붕괴를 동반한 지진 재해가 빈번한 지역이었습니다. 댐 호수의 붕괴는 하류 직원의 생명과 재산 안전을 심각하게 위협합니다.

동시에 국내외 학자들은 주변의 댐 호수에 대해 우려하고 있으며 호수에 대한 생태 연구는 거의 없으며 댐 호수가 생태에 미치는 영향은 우리 호수 건설 프로젝트에서 매우 중요한 계몽 의의를 가지고 있습니다.

이 기사의 목적은 방벽호의 댐 붕괴 위험을 과학적으로 예측하고 생태 환경에 대한 영향을 조사하며 통제 조치를 제시하는 것입니다. 본 논문은 쓰촨-티베트 지역의 Diexihaizi, Tangjiashan 댐호, Hongshihe 댐의 4대 댐 호수 사건을 기반으로 원격 감지 이미지에서 수역을 추출하고 HEC-RAS 모델을 사용하여 위험이 있는지 여부를 결정합니다.

댐 파손 여부 및 댐의 경로 예측; InVEST 모델을 이용하여 1990년부터 2020년까지 가장 작은 행정 구역(군/구)이 위치한 서식지를 평가 및 분석하고, 홍수 침수 결과를 기반으로 평가합니다. 결과는 공학적 처리 후 안정적인 댐 호수(Diexi Haizi)가 서식지 품질 지수에 안정화 효과가 있음을 보여줍니다.

댐 호수의 형성은 인근 토지 이용 유형과 지역 경관 생태 패턴을 변화 시켰습니다. 서식지 품질 지수는 사이 호수 주변 1km 지역에서 약간 감소하지만 3km 지역과 5km 지역에서 서식지 품질이 향상됩니다. 인공 홍수 방류 및 장벽 호수의 공학적 보강이 필요합니다.

이 논문에서 인간의 통제가 강한 지역은 다른 지역의 서식지 질 지수보다 더 잘 회복될 것입니다.

The Sichuan-Tibet region of China has always been an area with frequent earthquake disasters, accompanied by the occurrence and collapse of dammed lakes. The collapse of dammed lakes seriously threatens the lives and property safety of downstream personnel.

At the same time, domestic and foreign scholars are concerned about the surrounding dammed lake there are few ecological studies on the lake, and the impact of the dammed lake on the ecology has very important enlightenment significance for our lake construction project. It is the purpose of this article to scientifically predict the risk of dam break in a barrier lake, explore its impact on the ecological environment and put forward control measures.

Based on the four major dammed lake events of Diexihaizi, Tangjiashan dammed lake, and Hongshihe dammed lake in the Sichuan-Tibet area, this paper extracts water bodies from remote sensing images and uses the HEC-RAS model to determine whether there is a risk of the dam break and whether Forecast the route of the dam; and use the InVEST model to evaluate and analyze the habitat of the smallest administrative district (county/district) where it is located from 1990 to 2020 and make an evaluation based on the results of flood inundation.

The results show that the stable dammed lake (Diexi Haizi) after engineering treatment has a stabilizing effect on the habitat quality index. The formation of the dammed lake has changed the nearby land-use types and the regional landscape ecological pattern.

The habitat quality index will decrease slightly in the 1 km area around Sai Lake, but the habitat quality will increase in the 3 km area and the 5 km area. Artificial flood discharge and engineering reinforcement of barrier lakes are necessary. In this paper, the areas with strong human control will recover better than other regions’ habitat quality index.

Fengshan Jiang (  florachaing@mail.ynu.edu.cn )
Yunnan University https://orcid.org/0000-0001-6231-6180
Xiaoai Dai
Chengdu University of Technology https://orcid.org/0000-0003-1342-6417
Zhiqiang Xie
Yunnan University
Tong Xu
Yunnan University
Siqiao Yin
Yunnan University
Ge Qu
Chengdu University of Technology
Shouquan Yang
Yunnan University
Yangbin Zhang
Yunnan University
Zhibing Yang
Yunnan University
Jiarui Xu
Yunnan University
Zhiqun Hou
Kunming institute of surveying and mapping

Keywords

dammed lake, regional ecology, flood simulation, habitat quality

Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China
Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China
Figure 8 Habitat quality changes in Maoxian County
Figure 8 Habitat quality changes in Maoxian County
Figure 9 Habitat quality changes in Beichuan County
Figure 9 Habitat quality changes in Beichuan County
Figure 10 Habitat quality change map of Qingchuan County
Figure 10 Habitat quality change map of Qingchuan County

References

  1. Chaoying Hu H S, Tianming Zhang. 2017. Environmental impact assessment of barrier lake treatment project based on
    ecological footprint[J]. People’s Yangtze River, 48: 30-32
  2. Dai F C, Lee C F, Deng J H, et al. 2004. The 1786 earthquake-triggered landslide dam and subsequent dam-break flood on
    the Dadu River, southwestern China[J]. Geomorphology, 65.
  3. Dongjing Chen Z X 2002. Research on Ecological Security Evaluation of Inland River Basin in Northwest China——A Case
    Study of Zhangye Region in the Middle Reaches of Heihe River Basin[J]. Arid zone geography: 219-224
  4. Dongsheng Chang L Z, Yao Xu, Runqiu Huang. 2009. Risk Assessment of Overtopping Dam Burst in Hongshi River Barrier
    Lake[J]. Journal of Engineering Geology, 17: 50-55
  5. Fan X, Yunus Ali P, Jansen John D, et al. 2019. Comment on ‘Gigantic rockslides induced by fluvial incision in the Diexi
    area along the eastern margin of the Tibetan Plateau’ by Zhao et al. (2019) Geomorphology 338, 27–42[J].
    Geomorphology.
  6. Feng Yu X L, Hong Wang, Hongjing Yu. 2006. Land Use Change and Ecological Security Evaluation in Huangfuchuan
    Watershed[J]. Acta Geographica Sinica: 645-653.
  7. Hafiyyan Q, Adityawan M B, Harlan D, et al. 2021. Comparison of Taylor Galerkin and FTCS models for dam-break
    simulation[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 737.
  8. Haiwen Li X B 2020. Comprehensive Evaluation of the Restoration Status of Damaged Ecological Space along the
    Plateau Fragile Area of the Sichuan-Tibet Railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 17: 2412-2422.
  9. Haohao Li X R, Huabin Yang. 2008. Rescue construction and thinking of Hongshihe dammed lake in Qingchuan
    County[J]. Water Conservancy and Hydropower Technology (Chinese and English): 50-51+62
  10. Hejun Chai, Runqiu Huang, Hanchao Liu I O E G, Chengdu University of Technology 1997. Analysis and Evaluation of the
    Dangerous Degree of Landslide Blocking the River[J]. Chinese Journal of Geological Hazard and Control: 2-8+16
  11. Hong Wang Y L, Lili Song, Yun Chen. 2020. Comparison of characteristics of thunderstorm and gale activity and
    environmental factors in Sichuan-Tibet area[J]. Journal of Applied Meteorology, 31: 435-446.
  1. Hongyan X, Xu H, Jiang H, et al. 2020. Potential pollen evidence for the 1933 M 7.5 Diexi earthquake and implications for
    post-seismic landscape recovery[J]. Environmental Research Letters, 15.
  2. Hui Xu J C, Zhijiu Cui, Pei Guo. 2019. Analysis of Grain Size Characteristics of Sediment in Dammed Lake——Taking Diexi
    Ancient Dammed Lake in the Upper Minjiang River as an Example[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 37: 51-61
  3. Jian Yang B P, Min Zhao. 2014. Research on Ecological Restoration Technology in Wenchuan Earthquake-Stricken Area
    ——Taking Tangjiashan Barrier Lake Area as an Example[J]. Sichuan Building Science Research, 40: 164-167.
  4. Jian Yang B P 2017. Evaluation of Ecological Quality of Tangjiashan Dammed Lake Region in Beichuan County[J].
    People’s Yangtze River, 48: 27-32
  5. Jianfeng Chen Y W, Yang Li. 2006. Application of HEC-RAS model in flood simulation[J]. Northeast Water Resources and
    Hydropower: 12-13+42+71.
  6. Jiankang Liu Z C, Tao Yu. 2016. Dam failure risk and its impact of Hongshiyan dammed lake in Ludian, Yunnan[J].
    Journal of Mountain Science, 34: 208-215
  7. Jianrong Fan B T, Genwei Cheng, Heping Tao, Jianqiang Zhang,Dong Yan, Fenghuan Su. 2008. Information extraction of
    dammed bodies induced by the May 12 Wenchuan earthquake based on multi-source remote sensing data[J]. Journal of
    Mountain Science: 257-262.
  8. Jinghuan Tian K Z, Meng Chen, Fuxin Chai. 2012. Research on the application of HEC-RAS model in flood risk analysis
    and assessment[J]. Hydropower Energy Science, 30: 23-25
  9. Juan He X W 2015. Dam-break flood analysis based on HEC-RAS and HEC-GeoRAS[J]. Journal of Water Resources and
    Water Transport Engineering: 112-116
  10. Junwei Gan L Y, Jinjun Li. 2017. Research on the Influencing Factors of Sichuan-Tibet Tourism Industry Competitiveness
    Based on DEMATEL[J]. Arid Land Resources and Environment, 31: 197-202
  11. Lansheng Wang L Y, Xiaoqun Wang, Liping Duan 2005. Discovery of the ancient dammed lake in Diexi, Minjiang River[J].
    Journal of Chengdu University of Technology (Natural Science Edition): 1-11
  12. Ma S, Zhu J, Ya. H. Year. Construction of Risk Assessment System of Dam-break in Barrier Lake Based on Collaborative
    Workflow: 9.
  13. Ming Zeng Y C, Bingyu Zou. 2019. Discussion on the Method of Forecasting the Flood Evolution of Barrier Lake Burst——
    Taking “11·3” Jinsha River Baige Barrier Lake as an Example[J]. Water Resources and Hydropower Express, 40: 11-14
  14. Ouyang C, An H, Zhou S, et al. 2019. Insights from the failure and dynamic characteristics of two sequential landslides at
    Baige village along the Jinsha River, China Landslides[J]. 16.
  15. Peng M, Zhang L M 2012. Analysis of human risks due to dam-break floods—part 1: a new model based on Bayesian
    networks[J]. Natural Hazards, 64.
  16. Qianfeng Li Y L, Gang Liu, Zhiyun Ouyang, Hua Zheng. 2013. The Impact of Land Use Change on Ecosystem Service
    Function——Taking Miyun Reservoir Watershed as an Example[J]. Acta Ecologica Sinica, 33: 726-736.
  17. Qiang Xu G Z, Weile Li, Zhaoyang He, Xiujun Dong, Chen Guo, Wenkai Feng. 2018. Analysis and study of two landslides
    and dams blocking the river in Baige on the Jinsha River in October and November 2018[J]. Journal of Engineering
    Geology, 26: 1534-1551
  18. Qin Ji J Y, Hongju Chen, Man Li. 2019. Analysis of Economic Differences Along the Sichuan-Tibet Railway from the
    Perspective of Spatial and Industrial Decomposition[J]. Glacier permafrost: 1-14
  19. Qingchun Li Y H, Yubing Shi. 2020. Study on the stability of the residual dam in Tangjiashan dammed lake[J]. Journal of
    Underground Space and Engineering, 16: 993-998
  20. Qiwen Xiang J P, Guangze Zhang, Zhengxuan Xu, Dingkai Zhang, Wenli Tu. 2020. Monitoring and Analysis of Surface
    Deformation in Zheduo Mountain Area of Sichuan-Tibet Railway Based on SBAS Technology[J]. Surveying Engineering,
    29: 48-54+59
  1. Shangfu Kuang X W, Jinchi Huang, Yinqi Wei 2008. Analysis and Evaluation of Dam-Break Risk of Barred Lake and Its
    Influence[J]. China Water Resources: 17-21.
  2. Sheng-Hsueh Y, Yii-Wen P, Jia-Jyun D, et al. 2013. A systematic approach for the assessment of flooding hazard and risk
    associated with a landslide dam[J]. Natural Hazards, 65.
  3. Sun L 2021. Research on Fast Perception and Simulation Calculation Method of Landslide Dam in Alpine and Gorge
    Area: Taking Baige Dammed Lake as an Example[J]. Water Conservancy and Hydropower Technology (Chinese and
    English), 52: 44-52
  4. Tamiru H, O. D M 2021. Application of ANN and HEC-RAS model for flood inundation mapping in lower Baro Akobo River
    Basin, Ethiopia[J]. Journal of Hydrology: Regional Studies, 36.
  5. Tao Pan S W, Erfu Dai, Yujie Liu. 2013. Spatio-temporal changes of water supply services in the ecosystem of the Three
    Rivers Source Region based on InVEST model[J]. Journal of Applied Ecology, 24: 183-189
  6. Vera K, Sergey C, Inna K, et al. 2017. Modeling potential scenarios of the Tangjiashan Lake outburst and risk assessment
    in the downstream valley[J]. Frontiers of Earth Science, 11.
  7. Wang Z 1985. Preliminary Discussion on the Evaluation of Ecological Environment Quality in Minjiang River Basin[J].
    Journal of ecology: 29-32
  8. Wei Chen Z S, Hui Guo,Hao Wang, Ting Wei, Nan Li, Kaiyi Zhang Shuxiang Yang, Kaijia Dai. 2007. Analysis of Bird
    Resources and Habitats in Wuhan Urban Lakes and Urban Wetlands in Winter[J]. Forestry Investigation and Planning: 46-
    50
  9. Wei G, Gaohong X, Jun S, et al. 2020. Simulation of Flood Process Based on the Model of Improved Barrier Lake’s
    Gradual Dam Break Model %J Journal of Coastal Research[J]. 104.
  10. Wei X, Jiang H, Xu H, et al. 2021. Response of sedimentary and pollen records to the 1933 Diexi earthquake on the
    eastern Tibetan Plateau[J]. Ecological Indicators, 129.
  11. Wei Xu M L, Jie Yang, Chunzhi Li, Xiaojuan Shang. 2011. Risk Analysis of Flood Overflow in Huainan Section of Huaihe
    River Based on HEC-RAS[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 28: 13-18
  12. Weiwei Zhan R H, Xiangjun Pei, Weile Li. 2017. Research on empirical prediction model of channel type landslide-debris
    flow movement distance[J]. Journal of Engineering Geology, 25: 154-163
  13. Xianju Zheng H L, Wenhai Huang. 2015. Numerical Simulation of Reconstruction of Natural Dams Induced by Heavy Rain
    ——An Example of Tangjiashan Dammed Lake[J]. Business story: 62-63
  14. Xiao-Qun W, Xin H, Man S, et al. 2020. Possible relatedness between the outburst of the Diexi ancient dammed lake and
    ancient Chengdu’s cultural change[J]. Journal of Mountain Science, 17: 2497-2511.
  15. Xingbo Zhou X D, Yu Yao. 2019. Analysis of the dam-break flood of the Baige dammed lake on the Jinsha River[J].
    Hydroelectric Power, 45: 8-12+32
  16. Xinhua Zhang R X, Ming Wang, Zhiqiu Yu, Bingdong Li, Bo Wang. 2020. Investigation and analysis of flood disaster
    caused by dam break of Baige landslide on Jinsha River[J]. Engineering Science and Technology, 52: 89-100
  17. Xinxiao Yu B Z, Xizhi Lv, Zhige Yang. 2012. Evaluation of Forest Water Conservation Function of Beijing Mountainous
    Area Based on InVEST Model[J]. Forestry Science, 48: 1-5
  18. Xu J, Guo J, Zhang J, et al. 2021. Route choice model based on cellular automata and cumulative prospect theory: Case
    analysis of transportation network in Sichuan-Tibet region[J]. Journal of Intelligent & Fuzzy Systems, 40.
  19. Xuan Liang Z Z 2021. Research on the Influence of Numerical Simulation of Tailings Pond Based on FLOW-3D on
    Downstream[J]. Jiangxi Water Conservancy Science and Technology, 47: 11-20
  20. Yu Zheng P Z, Feng Tang, Li Zhao, Xu Zhao. 2018. Research on the Impact of Land Use Change on Habitat Quality in
    Changli County Based on InVEST Model[J]. China’s Agricultural Resources and Regionalization, 39: 121-128
  21. Yuanyuan Yang E D, Hua Fu. 2012. Research Framework of Value Evaluation of Ecosystem Service Function Based on
    InVEST Model[J]. Journal of Capital Normal University (Natural Science Edition), 33: 41-47
  1. Yunfei Ma T L, Jinbiao Xiong. 2021. Numerical simulation of dam-break flow based on VOF method and DFBI model[J].
    Applied Technology, 48: 23-28
  2. Zhe Wu X C, Beibei Liu, Jinfeng Chu, Lixu Peng. 2013. Research progress of InVEST model and its application[J]. Tropical
    Agriculture Science, 33: 58-62
  3. Zhengpeng Li Y H, Yilun Li, Yuehong Ying, Zehua Huangfu. 2021. Numerical simulation of dam-break flood in Qianping
    Reservoir based on BIM+GIS technology[J]. People’s Yellow River, 43: 160-164
  4. Zhenming Shi X X, Ming Peng, Minglang Lin. 2015. Analysis of Seepage Stability of Barrier Dam with High Permeability
    Area——Taking Hongshihe Barrier Dam as an Example[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 46: 1162-1171.
  5. Zhu J, Qi H, Hu Y, et al. 2012. A DVGE service system for risk assessment of dam-break in barrier lake[J]. International
    Conference on Automatic Control and Artificial Intelligence (ACAI 2012).
  6. Zhu Y, Peng M, Cai S, et al. 2021. Risk-Based Warning Decision Making of Cascade Breaching of the Tangjiashan
    Landslide Dam and Two Smaller Downstream Landslide Dams[J]. Frontiers in Earth Science.
  7. Zuyu Chen G H, Qiang Zhang, Shuaifeng Wu. 2020. Disaster Mitigation Analysis of Cascade Hydropower Stations on the
    Jinsha River in “11.03” Baige Barrier Lake Emergency Treatment[J]. Hydropower, 46: 59-63
  8. Zuyu Chen S C, Lin Wang, Qiming Zhong, Qiang Zhang, Songli Jin. 2020. Inversion analysis of the “11.03” Baige barrier
    lake burst flood in the upper reaches of the Jinsha River[J]. Science in China: Technological Science, 50: 763-774.
Figure 2. (a) Scanning electron microscopy images of Ti6Al4V powder particles and (b) simulated powder bed using discrete element modelling

Laser Powder Bed에서 Laser Drilling에 의한 Keyhole 형성 Ti6Al4V 생체 의학 합금의 융합: 메조스코픽 전산유체역학 시뮬레이션 대 경험적 검증을 사용한 수학적 모델링

Keyhole Formation by Laser Drilling in Laser Powder Bed Fusion of Ti6Al4V Biomedical Alloy: Mesoscopic Computational Fluid Dynamics Simulation versus Mathematical Modelling Using Empirical Validation

Asif Ur Rehman 1,2,3,*
,† , Muhammad Arif Mahmood 4,*
,† , Fatih Pitir 1
, Metin Uymaz Salamci 2,3
,
Andrei C. Popescu 4 and Ion N. Mihailescu 4

Abstract

LPBF(Laser Powder Bed fusion) 공정에서 작동 조건은 열 분포를 기반으로 레이저 유도 키홀 영역을 결정하는 데 필수적입니다. 얕은 구멍과 깊은 구멍으로 분류되는 이러한 영역은 LPBF 프로세스에서 확률과 결함 형성 강도를 제어합니다.

LPBF 프로세스의 핵심 구멍을 연구하고 제어하기 위해 수학적 및 CFD(전산 유체 역학) 모델이 제공됩니다. CFD의 경우 이산 요소 모델링 기법을 사용한 유체 체적 방법이 사용되었으며, 분말 베드 보이드 및 표면에 의한 레이저 빔 흡수를 포함하여 수학적 모델이 개발되었습니다.

동적 용융 풀 거동을 자세히 살펴봅니다. 실험적, CFD 시뮬레이션 및 분석적 컴퓨팅 결과 간에 정량적 비교가 수행되어 좋은 일치를 얻습니다.

LPBF에서 레이저 조사 영역 주변의 온도는 높은 내열성과 분말 입자 사이의 공기로 인해 분말층 주변에 비해 급격히 상승하여 레이저 횡방향 열파의 이동이 느려집니다. LPBF에서 키홀은 에너지 밀도에 의해 제어되는 얕고 깊은 키홀 모드로 분류될 수 있습니다. 에너지 밀도를 높이면 얕은 키홀 구멍 모드가 깊은 키홀 구멍 모드로 바뀝니다.

깊은 키홀 구멍의 에너지 밀도는 다중 반사와 키홀 구멍 내의 2차 반사 빔의 집중으로 인해 더 높아져 재료가 빠르게 기화됩니다.

깊은 키홀 구멍 모드에서는 온도 분포가 높기 때문에 액체 재료가 기화 온도에 가까우므로 얕은 키홀 구멍보다 구멍이 형성될 확률이 훨씬 높습니다. 온도가 급격히 상승하면 재료 밀도가 급격히 떨어지므로 비열과 융해 잠열로 인해 유체 부피가 증가합니다.

그 대가로 표면 장력을 낮추고 용융 풀 균일성에 영향을 미칩니다.

In the laser powder bed fusion (LPBF) process, the operating conditions are essential in determining laser-induced keyhole regimes based on the thermal distribution. These regimes, classified into shallow and deep keyholes, control the probability and defects formation intensity in the LPBF process. To study and control the keyhole in the LPBF process, mathematical and computational fluid dynamics (CFD) models are presented. For CFD, the volume of fluid method with the discrete element modeling technique was used, while a mathematical model was developed by including the laser beam absorption by the powder bed voids and surface. The dynamic melt pool behavior is explored in detail. Quantitative comparisons are made among experimental, CFD simulation and analytical computing results leading to a good correspondence. In LPBF, the temperature around the laser irradiation zone rises rapidly compared to the surroundings in the powder layer due to the high thermal resistance and the air between the powder particles, resulting in a slow travel of laser transverse heat waves. In LPBF, the keyhole can be classified into shallow and deep keyhole mode, controlled by the energy density. Increasing the energy density, the shallow keyhole mode transforms into the deep keyhole mode. The energy density in a deep keyhole is higher due to the multiple reflections and concentrations of secondary reflected beams within the keyhole, causing the material to vaporize quickly. Due to an elevated temperature distribution in deep keyhole mode, the probability of pores forming is much higher than in a shallow keyhole as the liquid material is close to the vaporization temperature. When the temperature increases rapidly, the material density drops quickly, thus, raising the fluid volume due to the specific heat and fusion latent heat. In return, this lowers the surface tension and affects the melt pool uniformity.

Keywords: laser powder bed fusion; computational fluid dynamics; analytical modelling; shallow
and deep keyhole modes; experimental correlation

Figure 1. Powder bed schematic with voids.
Figure 1. Powder bed schematic with voids.
Figure 2. (a) Scanning electron microscopy images of Ti6Al4V powder particles and (b) simulated powder bed using discrete element modelling
Figure 2. (a) Scanning electron microscopy images of Ti6Al4V powder particles and (b) simulated powder bed using discrete element modelling
Figure 3. Temperature field contour formation at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms.
Figure 3. Temperature field contour formation at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms.
Figure 4. Detailed view of shallow depth melt mode with temperature field at 0.695 ms
Figure 4. Detailed view of shallow depth melt mode with temperature field at 0.695 ms
Figure 5. Melt flow stream traces formation at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms
Figure 5. Melt flow stream traces formation at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms
Figure 6. Density evolution of the melt pool at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms.
Figure 6. Density evolution of the melt pool at various time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms.
Figure 7. Un-melted and melted regions at different time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms
Figure 7. Un-melted and melted regions at different time intervals (a) 0.695 ms, (b) 0.795 ms, (c) 0.995 ms and (d) 1.3 ms
Figure 8. Transformation from shallow depth melt flow to deep keyhole formation when laser power increased from (a) 170 W to (b) 200 W
Figure 8. Transformation from shallow depth melt flow to deep keyhole formation when laser power increased from (a) 170 W to (b) 200 W
Figure 9. Stream traces and laser beam multiple reflections in deep keyhole melt flow mode
Figure 9. Stream traces and laser beam multiple reflections in deep keyhole melt flow mode
Figure 10. A comparison between analytical and CFD simulation results for peak thermal distribution value in the deep keyhole formation
Figure 10. A comparison between analytical and CFD simulation results for peak thermal distribution value in the deep keyhole formation
Figure 11. A comparison among experiments [49], CFD and analytical simulations for deep keyhole top width and bottom width
Figure 11. A comparison among experiments [49], CFD and analytical simulations for deep keyhole top width and bottom width

References

  1. Kok, Y.; Tan, X.P.; Wang, P.; Nai, M.L.S.; Loh, N.H.; Liu, E.; Tor, S.B. Anisotropy and heterogeneity of microstructure and
    mechanical properties in metal additive manufacturing: A critical review. Mater. Des. 2018, 139, 565–586. [CrossRef]
  2. Ansari, P.; Salamci, M.U. On the selective laser melting based additive manufacturing of AlSi10Mg: The process parameter
    investigation through multiphysics simulation and experimental validation. J. Alloys Compd. 2022, 890, 161873. [CrossRef]
  3. Guo, N.; Leu, M.C. Additive manufacturing: Technology, applications and research needs. Front. Mech. Eng. 2013, 8, 215–243.
    [CrossRef]
  4. Mohsin Raza, M.; Lo, Y.L. Experimental investigation into microstructure, mechanical properties, and cracking mechanism of
    IN713LC processed by laser powder bed fusion. Mater. Sci. Eng. A 2021, 819, 141527. [CrossRef]
  5. Dezfoli, A.R.A.; Lo, Y.L.; Raza, M.M. Prediction of Epitaxial Grain Growth in Single-Track Laser Melting of IN718 Using Integrated
    Finite Element and Cellular Automaton Approach. Materials 2021, 14, 5202. [CrossRef]
  6. Tiwari, S.K.; Pande, S.; Agrawal, S.; Bobade, S.M. Selection of selective laser sintering materials for different applications. Rapid
    Prototyp. J. 2015, 21, 630–648. [CrossRef]
  7. Liu, F.H. Synthesis of bioceramic scaffolds for bone tissue engineering by rapid prototyping technique. J. Sol-Gel Sci. Technol.
    2012, 64, 704–710. [CrossRef]
  8. Ur Rehman, A.; Sglavo, V.M. 3D printing of geopolymer-based concrete for building applications. Rapid Prototyp. J. 2020, 26,
    1783–1788. [CrossRef]
  9. Ur Rehman, A.; Sglavo, V.M. 3D printing of Portland cement-containing bodies. Rapid Prototyp. J. 2021. ahead of print. [CrossRef]
  10. Popovich, A.; Sufiiarov, V. Metal Powder Additive Manufacturing. In New Trends in 3D Printing; InTech: Rijeka, Croatia, 2016.
  11. Jia, T.; Zhang, Y.; Chen, J.K.; He, Y.L. Dynamic simulation of granular packing of fine cohesive particles with different size
    distributions. Powder Technol. 2012, 218, 76–85. [CrossRef]
  12. Ansari, P.; Ur Rehman, A.; Pitir, F.; Veziroglu, S.; Mishra, Y.K.; Aktas, O.C.; Salamci, M.U. Selective Laser Melting of 316L
    Austenitic Stainless Steel: Detailed Process Understanding Using Multiphysics Simulation and Experimentation. Metals 2021,
    11, 1076. [CrossRef]
  13. Ur Rehman, A.; Tingting, L.; Liao, W. 4D Printing; Printing Ceramics from Metals with Selective Oxidation. Patent No.
    W0/2019/052128, 21 March 2019.
  14. Ullah, A.; Wu, H.; Ur Rehman, A.; Zhu, Y.; Liu, T.; Zhang, K. Influence of laser parameters and Ti content on the surface
    morphology of L-PBF fabricated Titania. Rapid Prototyp. J. 2021, 27, 71–80. [CrossRef]
  15. Ur Rehman, A. Additive Manufacturing of Ceramic Materials and Combinations with New Laser Strategies. Master’s Thesis,
    Nanjing University of Science and Technology, Nanjing, China, 2017.
  16. Wong, K.V.; Hernandez, A. A Review of Additive Manufacturing. ISRN Mech. Eng. 2012, 2012, 1–10. [CrossRef]
  17. Körner, C. Additive manufacturing of metallic components by selective electron beam melting—A review. Int. Mater. Rev. 2016,
    61, 361–377. [CrossRef]
  18. Fayazfar, H.; Salarian, M.; Rogalsky, A.; Sarker, D.; Russo, P.; Paserin, V.; Toyserkani, E. A critical review of powder-based additive
    manufacturing of ferrous alloys: Process parameters, microstructure and mechanical properties. Mater. Des. 2018, 144, 98–128.
    [CrossRef]
  19. Everton, S.K.; Hirsch, M.; Stavroulakis, P.I.; Leach, R.K.; Clare, A.T. Review of in-situ process monitoring and in-situ metrology
    for metal additive manufacturing. Mater. Des. 2016, 95, 431–445. [CrossRef]
  20. Sing, S.L.; An, J.; Yeong, W.Y.; Wiria, F.E. Laser and electron-beam powder-bed additive manufacturing of metallic implants: A
    review on processes, materials and designs. J. Orthop. Res. 2016, 34, 369–385. [CrossRef] [PubMed]
  21. Olakanmi, E.O.; Cochrane, R.F.; Dalgarno, K.W. A review on selective laser sintering/melting (SLS/SLM) of aluminium alloy
    powders: Processing, microstructure, and properties. Prog. Mater. Sci. 2015, 74, 401–477. [CrossRef]
  22. Mahmood, M.A.; Popescu, A.C.; Hapenciuc, C.L.; Ristoscu, C.; Visan, A.I.; Oane, M.; Mihailescu, I.N. Estimation of clad geometry
    and corresponding residual stress distribution in laser melting deposition: Analytical modeling and experimental correlations.
    Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2020, 111, 77–91. [CrossRef]
  23. Mahmood, M.A.; Popescu, A.C.; Oane, M.; Ristoscu, C.; Chioibasu, D.; Mihai, S.; Mihailescu, I.N. Three-jet powder flow
    and laser–powder interaction in laser melting deposition: Modelling versus experimental correlations. Metals 2020, 10, 1113.
    [CrossRef]
  24. King, W.; Anderson, A.T.; Ferencz, R.M.; Hodge, N.E.; Kamath, C.; Khairallah, S.A. Overview of modelling and simulation of
    metal powder bed fusion process at Lawrence Livermore National Laboratory. Mater. Sci. Technol. 2015, 31, 957–968. [CrossRef]
  1. Gong, H.; Rafi, K.; Gu, H.; Starr, T.; Stucker, B. Analysis of defect generation in Ti-6Al-4V parts made using powder bed fusion
    additive manufacturing processes. Addit. Manuf. 2014, 1, 87–98. [CrossRef]
  2. Frazier, W.E. Metal additive manufacturing: A review. J. Mater. Eng. Perform. 2014, 23, 1917–1928. [CrossRef]
  3. Panwisawas, C.; Qiu, C.L.; Sovani, Y.; Brooks, J.W.; Attallah, M.M.; Basoalto, H.C. On the role of thermal fluid dynamics into the
    evolution of porosity during selective laser melting. Scr. Mater. 2015, 105, 14–17. [CrossRef]
  4. Yan, W.; Ge, W.; Qian, Y.; Lin, S.; Zhou, B.; Liu, W.K.; Lin, F.; Wagner, G.J. Multi-physics modeling of single/multiple-track defect
    mechanisms in electron beam selective melting. Acta Mater. 2017, 134, 324–333. [CrossRef]
  5. Qian, Y.; Yan, W.; Lin, F. Parametric study and surface morphology analysis of electron beam selective melting. Rapid Prototyp. J.
    2018, 24, 1586–1598. [CrossRef]
  6. Panwisawas, C.; Perumal, B.; Ward, R.M.; Turner, N.; Turner, R.P.; Brooks, J.W.; Basoalto, H.C. Keyhole formation and thermal
    fluid flow-induced porosity during laser fusion welding in titanium alloys: Experimental and modelling. Acta Mater. 2017, 126,
    251–263. [CrossRef]
  7. King, W.E.; Barth, H.D.; Castillo, V.M.; Gallegos, G.F.; Gibbs, J.W.; Hahn, D.E.; Kamath, C.; Rubenchik, A.M. Observation of
    keyhole-mode laser melting in laser powder-bed fusion additive manufacturing. J. Mater. Process. Technol. 2014, 214, 2915–2925.
    [CrossRef]
  8. Panwisawas, C.; Sovani, Y.; Turner, R.P.; Brooks, J.W.; Basoalto, H.C.; Choquet, I. Modelling of thermal fluid dynamics for fusion
    welding. J. Mater. Process. Technol. 2018, 252, 176–182. [CrossRef]
  9. Martin, A.A.; Calta, N.P.; Hammons, J.A.; Khairallah, S.A.; Nielsen, M.H.; Shuttlesworth, R.M.; Sinclair, N.; Matthews, M.J.;
    Jeffries, J.R.; Willey, T.M.; et al. Ultrafast dynamics of laser-metal interactions in additive manufacturing alloys captured by in situ
    X-ray imaging. Mater. Today Adv. 2019, 1, 100002. [CrossRef]
  10. Cunningham, R.; Zhao, C.; Parab, N.; Kantzos, C.; Pauza, J.; Fezzaa, K.; Sun, T.; Rollett, A.D. Keyhole threshold and morphology
    in laser melting revealed by ultrahigh-speed x-ray imaging. Science 2019, 363, 849–852. [CrossRef] [PubMed]
  11. Tang, C.; Tan, J.L.; Wong, C.H. A numerical investigation on the physical mechanisms of single track defects in selective laser
    melting. Int. J. Heat Mass Transf. 2018, 126, 957–968. [CrossRef]
  12. Mirkoohi, E.; Ning, J.; Bocchini, P.; Fergani, O.; Chiang, K.-N.; Liang, S. Thermal Modeling of Temperature Distribution in Metal
    Additive Manufacturing Considering Effects of Build Layers, Latent Heat, and Temperature-Sensitivity of Material Properties. J.
    Manuf. Mater. Process. 2018, 2, 63. [CrossRef]
  13. Oane, M.; Sporea, D. Temperature profiles modeling in IR optical components during high power laser irradiation. Infrared Phys.
    Technol. 2001, 42, 31–40. [CrossRef]
  14. Cleary, P.W.; Sawley, M.L. DEM modelling of industrial granular flows: 3D case studies and the effect of particle shape on hopper
    discharge. Appl. Math. Model. 2002, 26, 89–111. [CrossRef]
  15. Parteli, E.J.R.; Pöschel, T. Particle-based simulation of powder application in additive manufacturing. Powder Technol. 2016, 288,
    96–102. [CrossRef]
  16. Cao, L. Numerical simulation of the impact of laying powder on selective laser melting single-pass formation. Int. J. Heat Mass
    Transf. 2019, 141, 1036–1048. [CrossRef]
  17. Tian, Y.; Yang, L.; Zhao, D.; Huang, Y.; Pan, J. Numerical analysis of powder bed generation and single track forming for selective
    laser melting of SS316L stainless steel. J. Manuf. Process. 2020, 58, 964–974. [CrossRef]
  18. Lee, Y.S.; Zhang, W. Modeling of heat transfer, fluid flow and solidification microstructure of nickel-base superalloy fabricated by
    laser powder bed fusion. Addit. Manuf. 2016, 12, 178–188. [CrossRef]
  19. Tang, M.; Pistorius, P.C.; Beuth, J.L. Prediction of lack-of-fusion porosity for powder bed fusion. Addit. Manuf. 2017, 14, 39–48.
    [CrossRef]
  20. Promoppatum, P.; Yao, S.C.; Pistorius, P.C.; Rollett, A.D. A Comprehensive Comparison of the Analytical and Numerical
    Prediction of the Thermal History and Solidification Microstructure of Inconel 718 Products Made by Laser Powder-Bed Fusion.
    Engineering 2017, 3, 685–694. [CrossRef]
  21. Rosenthal, D. Mathematical Theory of Heat Distribution During Welding and Cutting. Weld. J. 1941, 20, 220–234.
  22. Chen, Q.; Zhao, Y.Y.; Strayer, S.; Zhao, Y.Y.; Aoyagi, K.; Koizumi, Y.; Chiba, A.; Xiong, W.; To, A.C. Elucidating the Effect
    of Preheating Temperature on Melt Pool Morphology Variation in Inconel 718 Laser Powder Bed Fusion via Simulation and
    Experiment. Available online: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860420310149#bb8 (accessed on 30
    April 2021).
  23. Ur Rehman, A.; Pitir, F.; Salamci, M.U. Laser Powder Bed Fusion (LPBF) of In718 and the Impact of Pre-Heating at 500 and
    1000 ◦C: Operando Study. Materials 2021, 14, 6683. [CrossRef] [PubMed]
  24. Ur Rehman, A.; Pitir, F.; Salamci, M.U. Full-Field Mapping and Flow Quantification of Melt Pool Dynamics in Laser Powder Bed
    Fusion of SS316L. Materials 2021, 14, 6264. [CrossRef] [PubMed]
  25. Gong, H.; Gu, H.; Zeng, K.; Dilip, J.J.S.; Pal, D.; Stucker, B.; Christiansen, D.; Beuth, J.; Lewandowski, J.J. Melt Pool Characterization
    for Selective Laser Melting of Ti-6Al-4V Pre-alloyed Powder. In Proceedings of the International Solid Freeform Fabrication
    Symposium, Austin, TX, USA, 10–12 August 2014; 2014; pp. 256–267.
  26. Song, B.; Dong, S.; Liao, H.; Coddet, C. Process parameter selection for selective laser melting of Ti6Al4V based on temperature
    distribution simulation and experimental sintering. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2012, 61, 967–974. [CrossRef]
  27. Guo, Q.; Zhao, C.; Qu, M.; Xiong, L.; Hojjatzadeh, S.M.H.; Escano, L.I.; Parab, N.D.; Fezzaa, K.; Sun, T.; Chen, L. In-situ full-field
  28. mapping of melt flow dynamics in laser metal additive manufacturing. Addit. Manuf. 2020, 31, 100939. [CrossRef]
  29. Messler, J.R.W. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and Metallurgy; John Wiley & Sons: New York, NY, USA, 2008;
  30. ISBN 9783527617494.
  31. Khairallah, S.A.; Anderson, A.T.; Rubenchik, A.M.; King, W.E. Laser powder-bed fusion additive manufacturing: Physics of
  32. complex melt flow and formation mechanisms of pores, spatter, and denudation zones. Acta Mater. 2016, 108, 36–45. [CrossRef]
  33. Ur Rehman, A.; Mahmood, M.A.; Pitir, F.; Salamci, M.U.; Popescu, A.C.; Mihailescu, I.N. Mesoscopic Computational Fluid
  34. Dynamics Modelling for the Laser-Melting Deposition of AISI 304 Stainless Steel Single Tracks with Experimental Correlation: A
  35. Novel Study. Metals 2021, 11, 1569. [CrossRef]
  36. Paul, A.; Debroy, T. Free surface flow and heat transfer in conduction mode laser welding. Metall. Trans. B 1988, 19, 851–858.
  37. [CrossRef]
  38. Aucott, L.; Dong, H.; Mirihanage, W.; Atwood, R.; Kidess, A.; Gao, S.; Wen, S.; Marsden, J.; Feng, S.; Tong, M.; et al. Revealing
  39. internal flow behaviour in arc welding and additive manufacturing of metals. Nat. Commun. 2018, 9, 5414. [CrossRef]
  40. Abderrazak, K.; Bannour, S.; Mhiri, H.; Lepalec, G.; Autric, M. Numerical and experimental study of molten pool formation
  41. during continuous laser welding of AZ91 magnesium alloy. Comput. Mater. Sci. 2009, 44, 858–866. [CrossRef]
  42. Bayat, M.; Thanki, A.; Mohanty, S.; Witvrouw, A.; Yang, S.; Thorborg, J.; Tiedje, N.S.; Hattel, J.H. Keyhole-induced porosities in
  43. Laser-based Powder Bed Fusion (L-PBF) of Ti6Al4V: High-fidelity modelling and experimental validation. Addit. Manuf. 2019,
  44. 30, 100835. [CrossRef]
Figure 1 | Original Compound Broad Crested Weir Model (PVC cast).

복합 광대보의 방류계수 예측을 위한 실험적 해석과 CFD 해석의 비교연구

Comparative study of experimental and CFD analysis for predicting discharge coefficient of compound broad crested weir

ABSTRACT

Present study highlights the behavior of weir crest head and width parameter on the discharge coefficient of compound broad crested (CBC) weir. Computational fluid dynamics model (CFD) is validated with laboratory experimental investigations.

In the discharge analysis through broad crested weirs, the upstream head over the weir crest (h) is crucial, where the result is mainly dependent upon the weir crest length (L) in transverse direction to flow, water depth from channel bed. Currently, minimal investigations are known for CFD validations on compound broad crested weirs.

The hydraulic research for measuring discharge numerically is carried out using FLOW 3D software. The model applies renormalized group (RNG) using volume of fluid (VOF) method for improved accuracy in free surface simulations. Structured hexagonal meshes of cubic elements define discretized meshing.

The comparative analysis of the numerical simulations and experimental observations confirm the performance of CBC weir for precise measurement of a wide range of discharges. Series of CFD model studies and experimental validation have led to constant range of discharg coefficients for various head over weir crest. The correlation coefficient of discharge predictions is 0.999 with mean error of 0.28%.

현재 연구에서는 CBC(compound broad crested) 위어의 배출 계수에 대한 위어 볏 머리 및 너비 매개변수의 거동을 강조합니다. 전산 유체 역학 모델(CFD)은 실험실 실험 조사를 통해 검증되었습니다.

넓은 볏이 있는 둑을 통한 유출 분석에서 둑 마루의 상류 수두(h)가 중요합니다. 여기서 결과는 주로 흐름에 대한 횡 방향의 둑 마루 길이(L), 수로 바닥에서 수심에 따라 달라집니다. . 현재 복합 넓은 볏 둑에 대한 CFD 검증에 대해 최소한의 조사가 알려져 있습니다.

수압 연구는 FLOW 3D 소프트웨어를 사용하여 수치적으로 측정합니다. 이 모델은 자유 표면 시뮬레이션의 정확도 향상을 위해 VOF(유체 체적) 방법을 사용하여 RNG(재정규화 그룹)를 적용합니다. 정육면체 요소의 구조화된 육각형 메쉬는 이산화된 메쉬를 정의합니다.

수치 시뮬레이션과 실험적 관찰의 비교 분석을 통해 광범위한 배출의 정확한 측정을 위한 CBC 둑의 성능을 확인했습니다. 일련의 CFD 모델 연구와 실험적 검증을 통해 다양한 head over weir crest에 대한 일정한 범위의 방전 계수가 나타났습니다. 방전 예측의 상관 계수는 0.999이고 평균 오차는 0.28%입니다.

Figure 1 | Original Compound Broad Crested Weir Model (PVC cast).
Figure 1 | Original Compound Broad Crested Weir Model (PVC cast).
Figure 4 | CFD Simulation for max discharge (y2 ¼ 13.557 cm, Qmax ¼ 10 lps) and min discharge (y2 ¼ 6.56 cm, Qmin ¼ 2 lps).
Figure 4 | CFD Simulation for max discharge (y2 ¼ 13.557 cm, Qmax ¼ 10 lps) and min discharge (y2 ¼ 6.56 cm, Qmin ¼ 2 lps).
Figure 5 | (a, b) Velocity profiles corresponding to max discharge (10 lps) and min discharge (2 lps).
Figure 5 | (a, b) Velocity profiles corresponding to max discharge (10 lps) and min discharge (2 lps).
Table 8 | Range of Froude number, Reynold number and Weber number
Table 8 | Range of Froude number, Reynold number and Weber number

Key words

compound weir, flow 3D, flow measurement, numerical technique, open channel

HIGHLIGHTS

• The Head-Discharge relation is established for discharge measurement using compound broad crested weir, experimentally and numerically.
• Assessment of head over weir crest for different step widths of proposed weir on discharge coefficient is executed.
• Experimental and CFD results of weir performance demonstrate good agreement between the theoretical discharges by traditional rectangular weir formulae keeping Cd constant.

CONCLUSION

  1. The head discharge relationship established for compound rectangular broad crested weir for various discharge ranges was validated by CFD technique. A three dimensional simulation software FLOW 3D was used for this purpose.
  2. Original theoretical compound weir model depicts the relative average error between discharge predictions with Flow 3D simulation as 4.96% which is found less than the predictions made by graphical interpolation technique which is 5.33%.
  3. The standard deviation in Cd parameter for CFD simulation model is less i.e. 0.0146 as compared to experimental output of 0.0502.
  4. The correlation coefficient for physical and CFD studies for modified compound weir model is high, around 0.999 with
    error in discharge predictions being 0.28% as compared to the accuracy limits of about +3–5% stated in literature so far.
  5. Discharge coefficient by experimental and CFD approach is maintained constant and equal to design input value of 0.6.
    Thus, the proposed CBC weir can be operated for various discharge ranges by maintaining constant discharge coefficients.
    Good agreement between the theoretical, experimental and CFD simulation results for obtaining discharge through compound broad crested weir ascertains the fact that CFD model can be used as an effective tool towards modeling flow through compound broad crested weir.

REFERENCES

Abd El-Hady Rady, R. M. 2011 2D 3D modeling of flow over sharp crested weirs. Journal of Applied Sciences Research 7 (12), 2495–2505.
ISSN 1819-544X.
Ackers, P., White, W. R. & Harrison, A. J. M. 1978 Weirs and Flumes for Flow Measurement. Wiley, New York.
Aydin, M. C. 2016 Investigation of a sill effect on rectangular side-weir flow by using CFD. Journal of Irrigation and Drainage Engineering
142 (2), 04015043.
Azimi, A. H. & Rajaratnam, N. 2009 Discharge characteristics of weirs of finite crest length. Journal of Hydraulic Engineering 135 (12),
1081–1085.
Bijankhan, M., Di Stefano, C., Ferro, V. & Kouchakzadeh, S. 2014 New stage discharge relationship for weirs of finite crest length. Journal of
Irrigation and Drainage Engineering 140 (3), 06013006.
Boiten, W. & Pitlo, H. R. 1982 The V- shaped broad-crested weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 108 (2), 142–160.
Bos, M. G. 1989 Discharge Measurement Structures, 3rd edn. International Institute for Land Reclamation and Improvement, Publication 20,
Wageningen, The Netherlands.
Gogus, M., Defne, Z. & Ozkandemir, V. 2006 Broad-crested weirs with rectangular compound cross sections. Journal of Irrigation and
Drainage Engineering 132 (3), 272–280.

Gogus, M., Al-Khatib, I. A., Atalay, A. E. & Khatib, J. I. 2016 Discharge prediction in flow measurement flumes with different downstream
transition slopes. Flow Measurement and Instrumentation 47, 28–34.
Hager, W. H. & Schwalt, M. 1994 Broad – crested weir. Journal of Irrigation and Drainage Engineering 120 (1), 13–25.
Harrison, A. J. M. 1967 The streamlined broad-crested weir. Proceedings of the Institution of Civil Engineers 38, 657–678.
Hinge, G. A., Balkrishna, S. & Khare, K. C. 2010 Improved design of stilling basin for deficient tail water. Journal of Basic and Applied
Scientific Research 1 (1), 31–40.
Hinge, G. A., Balkrishna, S. & Khare, K. C. 2011 Experimental and numerical study of compound broad crested weir. International Journal of
Fluids Engineering 3 (2), 197–202.
Horton, R. E. 1907 Weir Experiments, Coefficients, and Formulas. Dept. of the Interior, U.S. Geological Survey, Water-Supply and Irrigation
Paper 200. Government Printing Office, Washington, DC.
Khan, L. A., Wicklein, E. A. & Teixeira, E. C. 2006 Validation of a three-dimensional computational fluid dynamics model of a contact tank.
Journal of Hydraulic Engineering 132 (7), 741–746.
Kindsvater, C. E. & Carter, R. W. 1959 Discharge characteristics of rectangular thin-plate weirs. Paper No. 3001, Transactions, American
Society of Civil Engineers 124.
Kulin, G. & Compton, P. R. 1975 A Guide to Methods and Standards for the Measurement of Water Flow. Special Publication 421, National
Bureau of Standards.
Kulkarni, K. H. & Hinge, G. A. 2017 Compound broad crested weir for measurement of discharge – a novel approach. In: Proceedings
International Conference Organized by Indian Society of Hydraulics – ISH HYDRO, 21–23 Dec 2017, India, pp. 678–687.
Kulkarni, K. H. & Hinge, G. A. 2020 Experimental study for measuring discharge through compound broad crested weir. Flow Measurement
Instrumentation 75, 101803. ISSN 0955-5986.
Man, C., Zhang, G., Hong, V., Zhou, S. & Feng, Y. 2019 Assessment of turbulence models on bridge-pier scour using flow-3D. World Journal
of Engineering and Technology 7, 241–255. ISSN Online: 2331-4249.
Omer, B., Cihan, A. M., Emin, E. M. & Miller, C. J. 2018 Experimental and CFD analysis of circular labyrinth weirs. Journal of Irrigation and
Drainage Engineering 144 (6), 04018007.
RangaRaju, K. G. 1981 Flow Through Open Channels. McGraw-Hill, New York.
Roushangar, K., Nouri, A., Shahnazi, S. & Azamathulla, H. M. 2021 Towards design of compound channels with minimum overall cost
through grey wolf optimization algorithm. IWA – Journal of Hydroinformatics (In – press).
Safarzadeh, A. & Mohajeri, S. H. 2018 Hydrodynamics of rectangular broad-crested porous weir. Journal of Irrigation and Drainage
Engineering 144 (10), 04018028.
Salmasi, F., Poorescandar, S., Dalir, A. H. & Zadeh, D. F. 2012 Discharge relations for rectangular broad crested weirs. Journal of
Agricultural Sciences 17, 324–336.
Samadi, A. & Arvanaghi, H. 2014 CFD simulation of flow over contracted compound arched rectangular sharp crested weirs. International
Journal of Optimization in Civil Engineering 4 (4), 549–560.
Savage, B. M. & Johnson, M. C. 2001 Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering
127 (8), 640–649.
Swamee, P. K. 1988 Generalized rectangular weir equations. Journal of Hydraulic Engineering 945–952. doi:10.1061/(ASCE),0733-9429
114:8(945).
The United States Bureau of Reclamation (USBR) 2001 Water Measurement Manual, Chapter 7 – Weirs. U.S. Government Printing Office,
Washington, DC, p. 20402. Available from: http://www/usbr.gov/pmts/hydraulics_lab/pubs/wmm.
Zahiri, A. & Azamathulla, H. M. 2014 Comparison between linear genetic programming and M5 tree models to predict flow discharge in
compound channels. Neural Computing and Application 24, 413–420.

Hydraulic Analysis of Submerged Spillway Flows and Performance Evaluation of Chute Aerator Using CFD Modeling: A Case Study of Mangla Dam Spillway

CFD 모델링을 이용한 침수 배수로 흐름의 수리학적 해석 및 슈트 폭기장치 성능 평가: Mangla Dam 배수로 사례 연구

Hydraulic Analysis of Submerged Spillway Flows and Performance Evaluation of Chute Aerator Using CFD Modeling: A Case Study of Mangla Dam Spillway

Muhammad Kaleem SarwarZohaib NisarGhulam NabiFaraz ul HaqIjaz AhmadMuhammad Masood & Noor Muhammad Khan 

Abstract

대용량 배출구가 있는 수중 여수로는 일반적으로 홍수 처리 및 침전물 세척의 이중 기능을 수행하기 위해 댐 정상 아래에 제공됩니다. 이 방수로를 통과하는 홍수 물은 난류 거동을 나타냅니다. 

게다가 이러한 난류의 수력학적 분석은 어려운 작업입니다. 

따라서 본 연구는 파키스탄 Mangla Dam에 건설된 수중 여수로의 수리학적 거동을 수치해석을 통해 조사하는 것을 목적으로 한다. 또한 다양한 작동 조건에서 화기의 유압 성능을 평가했습니다. 

Mangla Spillway의 흐름을 수치적으로 모델링하는 데 전산 유체 역학 코드 FLOW 3D가 사용되었습니다. 레이놀즈 평균 Navier-Stokes 방정식은 난류 흐름을 수치적으로 모델링하기 위해 FLOW 3D에서 사용됩니다. 

연구 결과에 따르면 개발된 모델은 최대 6%의 허용 오차로 흐름 매개변수를 계산하므로 수중 여수로 흐름을 시뮬레이션할 수 있습니다. 

또한, 여수로 슈트 베드 주변 모델에 의해 계산된 공기 농도는 폭기 장치에 램프를 설치한 후 6% 이상으로 상승한 3%로 개발된 모델도 침수형 폭기 장치의 성능을 평가할 수 있음을 보여주었습니다.

Submerged spillways with large capacity outlets are generally provided below the dam crest to perform the dual functions of flood disposal and sediment flushing. Flood water passing through these spillways exhibits turbulent behavior. Moreover; hydraulic analysis of such turbulent flows is a challenging task. Therefore, the present study aims to use numerical simulations to examine the hydraulic behavior of submerged spillways constructed at Mangla Dam, Pakistan. Besides, the hydraulic performance of aerator was also evaluated at different operating conditions. Computational fluid dynamics code FLOW 3D was used to numerically model the flows of Mangla Spillway. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations are used in FLOW 3D to numerically model the turbulent flows. The study results indicated that the developed model can simulate the submerged spillway flows as it computed the flow parameters with an acceptable error of up to 6%. Moreover, air concentration computed by model near spillway chute bed was 3% which raised to more than 6% after the installation of ramp on aerator which showed that developed model is also capable of evaluating the performance of submerged spillway aerator.

Keywords

  • Aerator
  • CFD
  • FLOW 3D
  • Froude number
  • Submerged spillway
  • Fig. 1extended data figure 1Fig. 2extended data figure 2Fig. 3extended data figure 3Fig. 4extended data figure 4Fig. 5extended data figure 5Fig. 6extended data figure 6Fig. 7extended data figure 7Fig. 8

References

  1. Aydin MC (2018) Aeration efficiency of bottom-inlet aerators for spillways. ISH J Hydraul Eng 24(3):330–336. https://doi.org/10.1080/09715010.2017.1381576Article Google Scholar 
  2. Bennett P, Chesterton J, Neeve D, Ucuncu M, Wearing M, Jones SEL (2018) Use of CFD for modelling spillway performance. Dams Reserv 28(2):62–72. https://doi.org/10.1680/jdare.18.00001Article Google Scholar 
  3. Bhosekar VV, Jothiprakash V, Deolalikar PB (2012) Orifice Spillway Aerator: Hydraulic Design. J Hydraul Eng 138(6):563–572. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000548Article Google Scholar 
  4. Chanel PG, Doering JC (2008) Assessment of spillway modeling using computational fluid dynamics. Can J Civ Eng 35(12):1481–1485. https://doi.org/10.1139/L08-094Article Google Scholar 
  5. Flow Sciences, Inc. (2013) FLOW 3D user manual version 10.1.
  6. Gadge PP, Jothiprakash V, Bhosekar VV (2018) Hydraulic investigation and design of roof profile of an orifice spillway using experimental and numerical models. J Appl Water Eng Res 6(2):85–94. https://doi.org/10.1080/23249676.2016.1214627Article Google Scholar 
  7. Gadge PP, Jothiprakash V, Bhosekar VV (2019) Hydraulic design considerations for orifice spillways. ISH J Hydraul Eng 25(1):12–18. https://doi.org/10.1080/09715010.2018.1423579Article Google Scholar 
  8. Gu S, Ren L, Wang X, Xie H, Huang Y, Wei J, Shao S (2017) SPHysics simulation of experimental spillway hydraulics. Water 9(12):973. https://doi.org/10.3390/w9120973Article Google Scholar 
  9. Gurav NV (2015) Physical and Numerical Modeling of an Orifice Spillway. Int J Mech Prod Eng 3(10):71–75Google Scholar 
  10. Hirt CW, Nichols BD (1981) Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J Comput Phys 39(1):201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5Article MATH Google Scholar 
  11. Ho DKH, Riddette KM (2010) Application of computational fluid dynamics to evaluate hydraulic performance of spillways in Australia. Aust J Civ Eng 6(1):81–104. https://doi.org/10.1080/14488353.2010.11463946Article Google Scholar 
  12. Jothiprakash V, Bhosekar VV, Deolalikar PB (2015) Flow characteristics of orifice spillway aerator: numerical model studies. ISH J Hydraul Eng 21(2):216–230. https://doi.org/10.1080/09715010.2015.1007093Article Google Scholar 
  13. Kumcu SY (2017) Investigation of flow over spillway modeling and comparison between experimental data and CFD analysis. KSCE J Civ Eng 21(3):994–1003. https://doi.org/10.1007/s12205-016-1257-zArticle Google Scholar 
  14. Lian J, Qi C, Liu F, Gou W, Pan S, Ouyang Q (2017) Air entrainment and air demand in the spillway tunnel at the Jinping-I Dam. Appl Sci 7(9):930. https://doi.org/10.3390/app7090930Article Google Scholar 
  15. Luo M, Khayyer A, Lin P (2021) Particle methods in ocean and coastal engineering. Appl Ocean Res 114:102734Article Google Scholar 
  16. Moreira A, Leroy A, Violeau D, Taveira-Pinto F (2019) Dam spillways and the SPH method: two case studies in Portugal. J Appl Water Eng Res 7(3):228–245. https://doi.org/10.1080/23249676.2019.1611496Article Google Scholar 
  17. Moreira AB, Leroy A, Violeau D, Taveira-Pinto FA (2020) Overview of large-scale smoothed particle hydrodynamics modeling of dam hydraulics. J Hydraul Eng 146(2):03119001. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001658Article Google Scholar 
  18. O’Connor J, Rogers BD (2021) A fluid–structure interaction model for free-surface flows and flexible structures using smoothed particle hydrodynamics on a GPU. J Fluids Struct. https://doi.org/10.1016/j.jfluidstructs.2021.103312Article Google Scholar 
  19. Sarwar MK, Bhatti MT, Khan NM (2016) Evaluation of air vents and ramp angles on the performance of orifice spillway aerators. J Eng Appl Sci 35(1):85–93Google Scholar 
  20. Sarwar MK, Ahmad I, Chaudary ZA, Mughal H-U-R (2020) Experimental and numerical studies on orifice spillway aerator of Bunji Dam. J Chin Inst Eng 43(1):27–36. https://doi.org/10.1080/02533839.2019.1676652Article Google Scholar 
  21. Saunders K, Prakash M, Cleary PW, Cordell M (2014) Application of smoothed particle hydrodynamics for modelling gated spillway flows. Appl Math Model 38(17–18):4308–4322. https://doi.org/10.1016/j.apm.2014.05.008Article MATH Google Scholar 
  22. Savage BM, Johnson MC (2001) Flow over ogee spillway: physical and numerical model case study. J Hydraul Eng 127(8):640–649. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2001)127:8(640)Article Google Scholar 
  23. Shadloo MS, Oger G, le Touzé D (2016) Smoothed particle hydrodynamics method for fluid flows, towards industrial applications: Motivations, current state, and challenges. Comput Fluids. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.05.029MathSciNet Article MATH Google Scholar 
  24. Shao Z, Jahangir Z, MuhammadYasir Q, Atta-ur-Rahman, Mahmood S (2020) Identification of potential sites for a multi-purpose dam using a dam suitability stream model. Water 12(11):3249. https://doi.org/10.3390/w12113249Article Google Scholar 
  25. Shimizu Y, Khayyer A, Gotoh H, Nagashima K (2020) An enhanced multiphase ISPH-based method for accurate modeling of oil spill. Coast Eng J 62(4):625–646. https://doi.org/10.1080/21664250.2020.1815362Article Google Scholar 
  26. Teng P, Yang J (2016) CFD modeling of two-phase flow of a spillway chute aerator of large width. J Appl Water Eng Res 4(2):163–177. https://doi.org/10.1080/23249676.2015.1124030Article Google Scholar 
  27. Teng P, Yang J, Pfister M (2016) Studies of two-phase flow at a chute aerator with experiments and CFD modelling. Model Simul Eng 2016:1–11. https://doi.org/10.1155/2016/4729128Article Google Scholar 
  28. Wapda (2004) Mangla dam raising project-sectional physical model study report of main spillway: Wapda model study cell, Gujrawala, Pakistan
  29. Yang J, Andreasson P, Teng P, Xie Q (2019) The past and present of discharge capacity modeling for spillways—a Swedish perspective. Fluids 4(1):10. https://doi.org/10.3390/fluids4010010Article Google Scholar 
  30. Yang J, Teng P, Xie Q, Li S (2020) Understanding water flows and air venting features of spillway—a case study. Water 12(8):2106. https://doi.org/10.3390/w12082106Article Google Scholar 
  31. Ye T, Pan D, Huang C, Liu M (2019) Smoothed particle hydrodynamics (SPH) for complex fluid flows: recent developments in methodology and applications. Phys Fluids 31(1):011301Article Google Scholar 
  32. Zhan X, Qin H, Liu Y, Yao L, Xie W, Liu G, Zhou J (2020) Variational Bayesian neural network for ensemble flood forecasting. Water 12(10):2740. https://doi.org/10.3390/w12102740Article Google Scholar 

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Watershed area

Analysis on inundation characteristics by compound external forces in coastal areas

연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석

Taeuk KangaDongkyun SunbSangho Leec*
강 태욱a선 동균b이 상호c*
aResearch Professor, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, KoreabResearcher, Disaster Prevention Research Institute, Pukyong National University, Busan, KoreacProfessor, Department of Civil Engineering, Pukyong National University, Busan, Korea
a부경대학교 방재연구소 전임연구교수b부경대학교 방재연구소 연구원c부경대학교 공과대학 토목공학과 교수*Corresponding Author

ABSTRACT

연안 지역은 강우, 조위, 월파 등 여러가지 외력에 의해 침수가 발생될 수 있다. 이에 이 연구에서는 연안 지역에서 발생될 수 있는 단일 및 복합 외력에 의한 지역별 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려한 외력은 강우와 폭풍 해일에 의한 조위 및 월파이고, 분석 대상지역은 남해안 및 서해안의 4개 지역이다. 유역의 강우-유출 및 2차원 지표면 침수 분석에는 XP-SWMM이 사용되었고, 폭풍 해일에 의한 외력인 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 모형과 FLOW-3D 모형이 각각 활용되었다. 단일 외력을 이용한 분석 결과, 대부분의 연안 지역에서는 강우에 의한 침수 영향보다 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 크게 나타났다. 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 지역의 침수 피해 저감을 위해서는 복합 외력을 고려한 분석이 요구되는 것으로 판단되었다.키워드연안 지역 침수 분석 강우 폭풍 해일 복합 외력

The various external forces can cause inundation in coastal areas. This study is to analyze regional characteristics caused by single or compound external forces that can occur in coastal areas. Storm surge (tide level and wave overtopping) and rainfall were considered as the external forces in this study. The inundation analysis were applied to four coastal areas, located on the west and south coast in Republic of Korea. XP-SWMM was used to simulate rainfall-runoff phenomena and 2D ground surface inundation for watershed. A coupled model of ADCIRC and SWAN (ADCSWAN) was used to analyze tide level by storm surge and the FLOW-3D model was used to estimate wave overtopping. As a result of using a single external force, the inundation influence due to storm surge in most of the coastal areas was greater than rainfall. The results of using compound external forces were quite similar to those combined using one external force independently. However, a case of considering compound external forces sometimes created new inundation areas that didn’t appear when considering only a single external force. The analysis considering compound external forces was required to reduce inundation damage in these areas.KeywordsCoastal area Inundation analysis Rainfall Storm surge Compound external forces

MAIN

1. 서 론

우리나라는 반도에 위치하여 삼면이 바다로 둘러싸여 있는 지리적 특성을 가지고 있다. 이에 따라 해양 산업을 중심으로 부산, 인천, 울산 등 대규모의 광역도시가 발달하였을 뿐만 아니라, 창원, 포항, 군산, 목포, 여수 등의 중․소규모 도시들도 발달되어 있다. 또한, 최근에는 연안 지역이 바다를 전망으로 하는 입지 조건을 가지고 있어 개발 선호도가 높고, 이에 따라 부산시 해운대의 마린시티, 엘시티와 같은 주거 및 상업시설의 개발이 지속되고 있다(Kang et al., 2019b).

한편, 최근 기후변화에 따른 지구 온난화 현상으로 평균 해수면이 상승하고, 해수면 온도도 상승하면서 태풍 및 강우의 강도가 커지고 있어 전 세계적으로 자연 재해로 인한 피해가 증가하고 있다(Kim et al., 2016). 실제로 2020년에는 최장기간의 장마가 발생하여 부산, 울산은 물론, 전국에서 50명의 인명 피해와 3,489세대의 이재민이 발생하였다1). 특히, 연안 지역은 강우, 만조 시 해수면 상승, 폭풍 해일(storm surge)에 의한 월파(wave overtopping) 등 복합적인 외력(compound external forces)에 의해 침수될 수 있다(Lee et al., 2020). 일례로, 2016년 태풍 차바 시 부산시 해운대구의 마린시티는 강우와 폭풍 해일에 의한 월파가 발생함에 따라 대규모 침수를 유발하였다(Kang et al., 2019b). 또한, 2020년 7월 23일에 부산에서는 시간당 81.6 mm의 집중호우와 약최고고조위를 상회하는 만조가 동시에 발생하였고, 이로 인해 감조 하천인 동천의 수위가 크게 상승하여 하천이 범람하였다(KSCE, 2021).

연안 지역의 복합 외력을 고려한 침수 분석에 관한 사례로서, 우선 강우와 조위를 고려한 연구 사례는 다음과 같다. Han et al. (2014)은 XP-SWMM을 이용하여 창원시 배수 구역을 대상으로 침수 모의를 수행하였는데, 연안 도시의 침수 모의에는 조위의 영향을 반드시 고려해야 함을 제시하였다. Choi et al. (2018a)은 경남 사천시 선구동 일대에 대하여 초과 강우 및 해수면 상승 시나리오를 조합하여 침수 분석을 수행하였다. Choi et al. (2018b)은 XP-SWMM을 이용하여 여수시 연등천 및 여수시청 지역에 대하여 강우 시나리오와 해수위 상승 시나리오를 고려한 복합 원인에 의한 침수 모의를 수행하여 홍수예경보 기준표를 작성하였다. 한편, 강우, 조위, 월파를 고려한 연구 사례로서, Song et al. (2017)은 부산시 해운대구 수영만 일원에 대하여 XP-SWMM으로 월파량의 적용 유무에 따른 침수 면적을 비교하였다. Suh and Kim (2018)은 부산시 마린시티 지역을 대상으로 태풍 차바 때 EurOtop의 경험식을 ADSWAN에 적용하여 월파량을 반영하였다. Chen et al. (2017)은 TELEMAC-2D 및 SWMM을 기반으로 한 극한 강우, 월파 및 조위를 고려하여 중국 해안 원자력 발전소의 침수를 예측하고 분석하기 위한 결합 모델을 개발한 바 있다. 한편, Lee et al. (2020)은 수리‧수문학 분야와 해양공학 분야에서 사용되는 물리 모형의 기술적 연계를 통해 연안 지역의 침수 모의의 재현성을 높였다.

상기의 연구들은 공통적으로 연안 지역에 대하여 복합 외력을 고려했을 때 발생되는 침수 현상의 재현 또는 예측을 목적으로 수행되었다. 이 연구는 이와 차별하여 복합 외력을 고려하는 경우 나타날 수 있는 연안 지역의 침수 특성 분석을 목적으로 수행되었다. 이를 위해 단일 외력을 독립적으로 고려했을 때 발생되는 침수 양상과 동시에 고려하는 경우의 침수 현상을 비교, 분석하였다. 복합 외력에 의한 지역적 침수 특성 분석은 우리나라 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역에 대하여 적용되었다.

1) 장연제, 47일째 이어진 긴 장마, 50명 인명피해… 9년만에 최대, 동아닷컴, 2020년 8월 9일 수정, 2021년 3월 4일 접속, https://www.donga.com/news/article/all/20200809/102369692/2

2. 연구 방법

2.1 연안 지역의 침수 영향 인자

연안 지역의 침수는 크게 세 가지의 메카니즘으로 발생될 수 있다. 우선, 연안 지역은 바다와 인접하고 있기 때문에 그 영향을 직접적으로 받는다. Kim (2018)에 의하면, 연안 지역의 침수는 폭풍 해일에 의해 상승한 조위와 월파로 인해 발생될 수 있다(Table 1). 특히, 경상남도의 창원과 통영, 인천광역시의 소래포구 어시장 등 남해안 및 서해안 지역의 일부는 백중사리, 슈퍼문(super moon) 등 만조 시 조위의 상승으로 인한 침수가 발생하는 지역이 존재한다(Kang et al., 2019a). 두 번째는 강우에 의한 내수 침수 발생이다. ME (2011)에서는 도시 지역의 우수 관거를 10 ~ 30년 빈도로 계획하도록 지정하고 있고, 펌프 시설은 30 ~ 50년 빈도의 홍수를 배수시킬 수 있도록 정하고 있다. 하지만 최근에는 기후변화의 영향으로 도시 지역 배수시설의 설계 빈도를 초과하는 강우가 빈번하게 나타나고 있다. 실제로 2016년의 태풍 차바 시 울산 기상관측소에 관측된 시간 최대 강우량은 106.0 mm로서, 이는 300년 빈도 이상의 강우량에 해당하였다(Kang et al., 2019a). 따라서 배수시설의 설계 빈도 이상의 강우는 연안 도시 지역의 침수를 유발할 수 있다. 세 번째, 하천이 인접한 연안 도시에서는 하천의 범람으로 인해 침수가 발생할 수 있다. 하천의 경우, 기본계획이 수립되기는 하지만, 설계 빈도를 상회하는 강우의 발생, 제방, 수문 등 홍수 방어시설의 기능 저하, 예산 등의 문제로 하천기본계획 이행의 지연 등에 의해 범람할 가능성이 존재한다.

Table 1.

Type of natural hazard damage in coastal areas (Kim, 2018)

ItemRisk factor
Facilities damage∙ Breaking of coastal facilities by wave
– Breakwater, revetment, lighters wharf etc.
∙ Local scouring at the toe of the structures by wave
∙ Road collapse by wave overtopping
Inundation damage∙ Inundation damage by wave overtopping
∙ Inundation of coastal lowlands by storm surge
Erosion damage∙ Backshore erosion due to high swell waves
∙ Shoreline changes caused by construction of coastal erosion control structure
∙ Sediment transport due to the construction of artificial structures

상기의 내용을 종합하면, 연안 지역은 조위 및 월파에 의한 침수, 강우에 의한 내수 침수, 하천 범람에 의한 침수로 구분될 수 있다. 이 연구에서는 폭풍 해일에 의한 조위 상승 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 유발 외력으로 고려하였다. 하천 범람의 경우, 상대적으로 사례가 희소하여 제외하였다.

2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법

이 연구에서는 조위 및 월파와 강우를 연안 지역의 침수 발생에 관한 외력 조건으로 고려하였다. 따라서 해당 외력 조건을 고려하여 침수 분석을 수행할 수 있어야 한다. 이와 관련하여 Lee et al. (2020)은 Fig. 1과 같이 수리‧수문 및 해양공학 분야에서 사용되는 물리 기반 모형의 연계를 통해 조위, 월파, 강우를 고려한 침수 분석 방법을 제시하였고, 이 연구에서는 해당 방법을 이용하였다.

/media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F1.jpg
Fig. 1.

Connection among the models for inundation analysis in coastal areas (Lee et al., 2020)

우선, 태풍에 의해 발생되는 폭풍 해일의 영향을 분석하기 위해서는 태풍에 의해 발생되는 기압 강하, 해상풍, 진행 속도 등을 고려하여 해수면의 변화 양상 및 조석-해일-파랑을 충분히 재현 가능해야 한다. 이 연구에서는 국내․외에서 검증 및 공인된 폭풍 해일 모형인 ADCIRC 모형과 파랑 모형인 UnSWAN이 결합된 ADCSWAN (coupled model of ADCIRC and UnSWAN)을 이용하였다. 정수압 가정의 ADCSWAN은 월파량 산정에 단순 경험식을 적용하는 단점이 있지만 넓은 영역을 모의할 수 있고, FLOW-3D는 해안선의 경계를 고해상도로 재현이 가능하다. 이에 연구에서는 먼 바다 영역에 대해서는 ADCSWAN을 이용하여 분석하였고, 연안 주변의 바다 영역과 월파량 산정에 대해서는 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 한편, 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역에서 발생하는 강우-유출 현상과 우수 관거 등의 배수 체계에 대한 분석이 가능해야 한다. 또한, 배수 체계로부터 범람한 물이 지표면을 따라 흘러가는 현상을 해석할 수 있어야 하고, 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있어야 한다. 이 연구에서는 이러한 현상을 모의할 수 있고, 도시 침수 모의에 활용도가 높은 XP-SWMM을 이용하였다.

2.3 침수 분석 대상지역

연구의 대상지역은 조위 및 월파에 의한 침수와 강우에 의한 내수 침수의 영향이 복합적으로 발생할 수 있는 남해안과 서해안에 위치한 4개 지역이다. Table 2는 침수 분석 대상지역을 정리하여 나타낸 표이고, Fig. 2는 각 지역의 유역 경계를 나타낸 그림이다.

Table 2.

Target region for inundation analysis

ClassificationAdministrative districtTarget regionArea
(km2)
Main cause of inundationPump
facility
Number of
major outfall
The south
coast
Haundae-gu, BusanMarine City area0.53Wave overtopping9
Haundae-gu, BusanCentum City area4.76Poor interior drainage at high tide level12
The west
coast
GunsanJungang-dong area0.79Poor interior drainage at high tide level23
BoryeongOcheon Port area0.41High tide level5

/media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F2.jpg
Fig. 2.

Watershed area

남해안의 분석 대상지역 중 부산시 해운대구의 마린시티는 바다 조망을 중심으로 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 개발지역이다. 마린시티는 2016년 태풍 차바 및 2018년 태풍 콩레이 등 태풍 내습 시 월파에 의한 해수 월류로 인해 도로 및 상가 일부가 침수를 겪은 지역이다. 부산시 해운대구의 센텀시티는 과거 수영만 매립지였던 곳에 조성된 주거지 및 상업시설 중심의 신도시 지역이다. 센텀시티 유역의 북쪽은 해발고도 El. 634 m의 장산이 위치하는 등 산지 특성도 가지고 있어 상대적으로 유역 면적이 넓고, 배수시설의 규모도 크고 복잡하다. 하지만 수영강 하구의 저지대 지역에 위치함에 따라 강우 시 내수 배제가 불량하고, 특히 만조 시 침수가 잦은 지역이다.

서해안 분석 대상지역 중 전라북도 군산시의 중앙동 일원은 군산시 내항 내측에 조성된 구도시로서, 금강 및 경포천 하구에 위치하는 저지대이다. 이에 따라 군산시 풍수해저감종합계획에서는 해당 지역을 3개의 영역으로 구분하여 내수재해 위험지구(영동지구, 중동지구, 경암지구)로 지정하였고, 이 연구에서는 해당 지역을 모두 고려하였다. 한편, 군산시 중앙동 일원은 특히, 만조 시 내수 배제가 매우 불량하여 2개의 펌프시설이 운영되고 있다. 충청남도 보령시의 오천면에 위치한 오천항은 배후의 산지를 포함한 소규모 유역에 위치한다. 서해안의 특성에 따라 조석 간만의 차가 크고, 특히 태풍 내습 시 폭풍 해일에 의한 침수가 잦은 지역이다. 산지의 강우-유출수는 복개된 2개의 수로를 통해 바다로 배제되고, 상가들이 위치한 연안 주변 지역에는 강우-유출수 배제를 위한 3개의 배수 체계가 구성되어 있다.

3. 연구 결과

3.1 침수 모의 모형 구축

XP-SWMM을 이용하여 분석 대상지역별 침수 모의 모형을 구축하였다. 적절한 침수 분석 수행을 위해 지역별 수치지형도, 도시 공간 정보 시스템(urban information system, UIS), 하수 관망도 등의 수치 자료와 현장 조사를 통해 유역의 배수 체계를 구성하였다. 그리고 2차원 침수 분석을 위해 무인 드론 및 육상 라이다(LiDAR) 측량을 수행하여 평면해상도가 1 m 이하인 고해상도 수치지형모형(digital terrain model, DTM)을 구성하였고, 침수 모의 격자를 생성하였다.

Fig. 3은 XP-SWMM의 상세 구축 사례로서 부산시 마린시티 배수 유역에 대한 소유역 및 관거 분할 등을 통해 구성한 배수 체계와 고해상도 측량 결과를 이용하여 구성한 수치표면모형(digital surface model, DSM)을 나타낸다. Fig. 4는 각 대상지역에 대해 XP-SWMM을 이용하여 구축한 침수 모의 모형을 나타낸다. 침수 분석을 위해서는 침수 모의 영역에 대한 설정이 필요한데, 다수의 사전 모의를 통해 유역 내에서 침수가 발생되는 지역을 검토하여 결정하였다.

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Fig. 3.

Analysis of watershed drainage system and high-resolution survey for Marine City

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Fig. 4.

Simulation model for inundation analysis by target region using XP-SWMM

한편, 이 연구에서는 월파량 및 조위의 산정 과정과 침수 모의 모형의 보정에 관한 내용 등은 다루지 않았다. 관련된 내용은 선행 연구인 Kang et al. (2019b)와 Lee et al. (2020)을 참조할 수 있다.

3.2 침수 모의 설정

3.2.1 분석 방법

복합 외력에 의한 침수 영향을 검토하기 위해서는 외력 조건에 대한 빈도와 지속기간의 설정이 필요하다. 이 연구에서는 재해 현상이 충분히 나타날 수 있도록 강우와 조위 및 월파의 빈도를 모두 100년으로 설정하였다. 이때, 조위와 월파량의 산정에는 만조(약최고고조위) 시, 100년 빈도에 해당하는 태풍 내습에 따른 폭풍 해일의 발생 조건을 고려하였다.

지역별 강우 발생 특성과 유역 특성을 고려하기 위해 MOIS (2017)의 방재성능목표 기준에 따라 임계 지속기간을 결정하여 대상지역별 강우의 지속기간으로 설정하였다. 이때, 강우의 시간 분포는 MLTM (2011)의 Huff 3분위를 이용하였다. 그리고 조위와 월파의 경우, 일반적인 폭풍 해일의 지속기간을 고려하여 5시간으로 결정하였다. 한편, 침수 모의를 위한 계산 시간 간격, 2차원 모의 격자 등의 입력자료는 분석 대상지역의 유역 규모와 침수 분석 대상 영역을 고려하여 결정하였다. 참고로 침수 분석에 사용된 수치지형모형은 1 m 급의 고해상도로 구성되었지만, 2차원 침수 모의 격자의 크기는 지역별로 3 ~ 4 m이다. 이는 연구에서 사용된 XP-SWMM의 격자 수(100,000개) 제약에 따른 설정이나, Sun (2021)은 민감도 분석을 통해 2차원 침수 분석을 위한 적정 격자 크기를 3 ~ 4.5 m로 제시한 바 있다.

Table 3은 이 연구에서 설정한 침수 모의 조건과 분석 방법을 정리하여 나타낸 표이다.

Table 3.

Simulation condition and method

ClassificationTarget regionSimulation conditionSimulation method
RainfallStorm surgeSimulation time interval2D
grid size
Return
period
DurationTemporal
distribution
Return
period
DurationWatershed
routing
Channel
routing
2D
inundation
The south coastMarine City area100 yr1 hr3rd quartile
of Huff’s
method
1005 hr5 min10 sec1 sec3 m
Centum City area1 hr1005 min10 sec1 sec4 m
The west coastJungang-dong area2 hr1005 min10 sec1 sec3.5 m
Ocheon Port area1 hr1001 min10 sec1 sec3 m

3.2.2 복합 재해의 동시 고려

이 연구의 대상지역들은 모두 소규모의 해안가 도시지역이고, 이러한 지역에 대한 강우의 임계지속기간은 1시간 ~ 2시간이나, 이 연구에서 분석한 폭풍 해일의 지속기간은 5시간으로 강우의 지속기간과 폭풍 해일의 지속기간이 상이하다. 이에 이 연구에서는 서로 다른 지속기간을 가진 강우와 폭풍 해일 또는 조위를 고려하기 위해 강우의 중심과 폭풍 해일의 중심이 동일한 시간에 위치하도록 설정하였다(Fig. 5).

XP-SWMM은 폭풍 해일이 지속되는 5시간 전체를 모의하도록 설정하였고, 폭풍 해일이 가장 큰 시점에 강우의 중심이 위치하도록 강우 발생 시기를 결정하였다. 다만, 부산 마린시티의 경우, 폭풍 해일에 의한 피해가 주로 월파에 의해 발생되므로 강우의 중심과 월파의 중심을 일치시켰고(Fig. 5(a)), 상대적으로 조위의 영향이 큰 3개 지역은 강우의 중심과 조위의 중심을 맞추었다. Fig. 5(b)는 군산시 중앙동 지역의 복합 외력에 의한 침수 분석에 사용된 강우와 조위의 조합이다.

한편, 100년 빈도의 확률강우량만을 고려한 침수 분석에서는 유역 유출부의 경계조건으로 우수 관거의 설계 조건을 고려하여 약최고고조위가 일정하게 유지되도록 설정하였다.

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Fig. 5.

Consideration of external force conditions with different durations

3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려

XP-SWMM에 ADCSWAN 및 FLOW-3D 모형에 의해 산정된 월파량을 입력하기 위해 해안가 지역에 절점을 생성하여 월파 현상을 구현하였다. XP-SWMM에서 월파량을 입력하기 위한 절점의 위치는 FLOW-3D 모형에서 월파량을 산정한 격자의 중심 위치이다.

Fig. 6(a)는 마린시티 지역에 대한 월파량 입력 지점을 나타낸 것으로서, 유역 경계 주변에 동일 간격으로 원으로 표시한 지점들이 해당된다. Fig. 6(b)는 XP-SWMM에 월파량 입력 지점들을 반영하고, 하나의 절점에 월파량 시계열을 입력한 화면을 나타낸다.

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Fig. 6.

Considering wave overtopping on XP-SWMM

3.3 침수 모의 결과

3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과

Fig. 7은 단일 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, Fig. 7의 왼쪽 그림들은 지역별로 100년 빈도 강우에 의한 침수 모의 결과를 나타내고, Fig. 7의 오른쪽 그림들은 만조 시 100년 빈도 폭풍 해일에 의한 침수 모의 결과이다. 대체로 강우에 의한 침수 영역은 유역 중․상류 지역의 유역 전반에 걸쳐 발생하였고, 폭풍 해일에 의한 침수 영역은 해안가 전면부에 위치하는 것을 볼 수 있다. 이는 폭풍 해일에 의한 조위 상승과 월파의 영향이 상류로 갈수록 감소하기 때문이다.

한편, 4개 지역 모두에서 공통적으로 강우에 비해 폭풍 해일에 의한 침수 영향이 상대적으로 크게 분석되었다. 이러한 결과는 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 대비한 침수 피해 저감 노력이 보다 중요함을 의미한다.

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Fig. 7.

Simulation results by single external force (left: rainfall, right: storm surge)

3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과

Fig. 8은 복합 외력을 고려한 지역별 침수 모의 결과이다. 즉, 강우 및 폭풍 해일을 동시에 고려함에 따라 발생된 침수 영역을 나타낸다. 복합 외력을 고려하는 경우, 단일 외력만을 고려한 분석 결과(Fig. 7)보다 침수 영역은 넓어졌고, 침수심은 깊어졌다.

복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였고, 이는 일반적으로 예상할 수 있는 결과이다. 주목할만한 결과는 군산시 중앙동의 침수 분석에서 나타났다. 즉, 군산시 중앙동의 경우, 단일 외력만을 고려한 침수 모의 결과에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하였다(Fig. 8(c)). 이와 관련된 상세 내용은 3.4절의 고찰에서 기술하였다.

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Fig. 8.

Simulation results by compound external forces

3.4 결과 고찰

외력 조건별 침수의 영향을 정량적으로 비교하기 위해 침수 면적을 이용하였다. 이 연구에서는 강우만에 의해 유발된 침수 면적을 기준(기준값: 1)으로 하고, 폭풍 해일(조위+월파량)에 의한 침수 면적과 복합 외력에 의한 침수 면적의 상대적 비율로 분석하였다(Table 4).

Table 4.

Impact evaluation for inundation area by external force

ConditionMarine City, BusanCentum City, BusanJungang-dong area,
Gunsan
Ocheon Port area,
Boryeong
Inundation area
(km2)
RateInundation area
(km2)
RateInundation area
(km2)
RateInundation area
(km2)
Rate
Single
external force
Rainfall (①)0.01641.00.07591.00.04571.00.01751.0
Storm surge (②)0.03632.210.06850.900.14633.200.04122.35
Compound
external forces
Combination
(①+②)
0.05243.190.15051.980.26325.760.04732.70

분석 결과, 부산 센텀시티를 제외한 3개 지역은 모두 폭풍 해일에 의한 침수 면적이 강우에 의한 침수 면적에 비해 2.2 ~ 3.2배 넓은 것으로 분석되었다. 한편, 복합 외력에 의한 침수 면적은 마린시티와 센텀시티의 경우, 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합과 유사하게 나타났다. 이는 각각의 외력에 의한 침수 영역이 상이하여 거의 중복되지 않음을 의미한다. 반면에, 오천항에서는 각각의 외력에 의한 침수 면적의 합이 복합 외력에 의한 면적보다 크게 나타났다. 이는 오천항의 경우, 유역면적이 작고 배수 체계가 비교적 단순하여 강우와 폭풍 해일에 의한 침수 영역이 중복되기 때문인 것으로 분석되었다(Fig. 7(d)).

군산시 중앙동 일대의 경우, 복합 외력에 의한 침수 면적이 각각의 독립적인 외력 조건에 의한 침수 면적의 합에 비해 37.1% 크게 나타났다. 이러한 현상의 원인을 분석하기 위해 복합 외력 조건에서만 나타난 우수 관거(Fig. 8(c)의 A 구간)에 대하여 종단을 검토하였다(Fig. 9). Fig. 9(a)는 강우만에 의해 분석된 우수 관거 내 흐름 종단을 나타내고, Fig. 9(b)는 폭풍 해일만에 의한 우수 관거의 종단이다. 그림을 통해 각각의 독립적인 외력 조건 하에서는 해당 구간에서 침수가 발생되지 않은 것을 볼 수 있다. 다만, 강우만을 고려하더라도 우수 관거는 만관이 된 상태를 확인할 수 있다(Fig. 9(a)). 반면에, 만관 상태에서 폭풍 해일이 함께 고려됨에 따라 해수 범람과 조위 상승에 의해 우수 배제가 불량하게 되었고, 이로 인해 침수가 유발된 것으로 분석되었다(Fig. 9(c)). 따라서 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단할 수 있고, 단일 외력의 고려만으로는 침수를 예상하기 어려운 지역임을 알 수 있다.

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Fig. 9.

A part of drainage profiles by external force in Jungang-dong area, Gunsan

4. 결 론

이 연구에서는 외력 조건에 따른 연안 지역의 침수 특성을 분석하였다. 연구에서 고려된 외력 조건은 두 가지로서 강우와 폭풍 해일(조위와 월파)이다. 분석 대상 연안 지역으로는 남해안에 위치하는 2개 지역(부산시 해운대구의 마린시티와 센텀시티)과 서해안의 2개 지역(군산시 중앙동 일원 및 보령시 오천항)이 선정되었다.

복합 외력을 고려한 연안 지역의 침수 모의를 위해서는 유역의 강우-유출 현상과 바다의 조위 및 월파량을 경계조건으로 반영할 수 있는 침수 모의 모형이 요구되는데, 이 연구에서는 XP-SWMM을 이용하였다. 한편, 조위 및 월파량 산정에는 ADCSWAN (ADCIRC와 UnSWAN) 및 FLOW-3D 모형이 이용되었다.

연안 지역별 침수 모의는 100년 빈도의 강우와 폭풍 해일을 독립적으로 고려한 경우와 복합적으로 고려한 경우를 구분하여 수행되었다. 우선, 외력을 독립적으로 고려한 결과, 대체로 폭풍 해일만 고려한 경우가 강우만 고려한 경우에 비해 침수 영향이 크게 나타났다. 따라서 연안 지역의 경우, 폭풍 해일에 의한 침수 피해 방지 계획이 상대적으로 중요한 것으로 분석되었다. 두 번째, 복합 외력에 의한 침수 분석 결과는 대체로 단일 외력에 의한 침수 모의 결과를 중첩시켜 나타낸 결과와 유사하였다. 다만, 특정 지역에서는 복합 외력을 고려함에 따라 단일 외력만을 고려한 침수 모의에서 나타나지 않았던 새로운 침수 영역이 발생하기도 하였다. 이러한 결과는 독립적인 외력 조건에서는 우수 관거가 만관 또는 그 이하의 상태가 되지만, 두 가지의 외력이 동시에 고려됨에 따라 우수 관거의 통수능 한계를 초과하여 나타났다. 이러한 지역은 복합 외력에 대한 취약지구로 판단되었고, 해당 지역의 적절한 침수 방지 대책 수립을 위해서는 복합적인 외력 조건이 고려되어야 함을 시사하였다.

현행, 자연재해저감종합계획에서는 침수와 관련된 재해 원인 지역을 내수재해, 해안재해, 하천재해 등으로 구분하고 있다. 하지만 이 연구에서 검토된 바와 같이, 연안 지역의 침수 원인은 복합적으로 나타날 뿐만 아니라, 복합 외력을 고려함에 따라 추가적으로 나타날 수 있는 침수 위험 지역도 존재한다. 따라서 기존의 획일적인 재해 원인의 구분보다는 지역의 특성에 맞는 복합적인 재해 원인을 검토할 필요가 있음을 제안한다.

Acknowledgements

본 논문은 행정안전부 극한 재난대응 기반기술 개발사업의 일환인 “해안가 복합재난 위험지역 피해저감 기술개발(연구과제번호: 2018-MOIS31-008)”의 지원으로 수행되었습니다.

References

1
Chen, X., Ji, P., Wu, Y., and Zhao, L. (2017). “Coupling simulation of overland flooding and underground network drainage in a coastal nuclear power plant.” Nuclear Engineering and Design, Vol. 325, pp. 129-134. 10.1016/j.nucengdes.2017.09.028
2
Choi, G., Song, Y., and Lee, J. (2018a). “Analysis of flood occurrence type according to complex characteristics of coastal cities.” 2018 Conference of the Korean Society of Hazard Mitigation, KOSHAM, p. 180.
3
Choi, J., Park, K., Choi, S., and Jun, H. (2018b). “A forecasting and alarm system for reducing damage from inland inundation in coastal urban areas: A case study of Yeosu City.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 18, No. 7, pp. 475-484. 10.9798/KOSHAM.2018.18.7.475
4
Han, H., Kim, Y., Kang, N., and, Kim, H.S. (2014). “Inundation analysis of a coastal urban area considering tide level.” 2014 Conference of Korean Society of Civil Engineers, KSCE, pp. 1507-1508.
5
Kang, T., Lee, S., and Sun, D. (2019a). “A technical review for reducing inundation damage to high-rise and underground-linked complex buildings in Coastal Areas (1): Proposal for analytical method.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 19, No. 5, pp. 35-43. 10.9798/KOSHAM.2019.19.5.35
6
Kang, T., Lee, S., Choi, H., and Yoon, S. (2019b). “A technical review for reducing inundation damage to high-rise and underground-linked complex buildings in coastal areas (2): Case analysis for application.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 19, No. 5, pp. 45-53. 10.9798/KOSHAM.2019.19.5.45
7
Kim, J.O., Kim, J.Y., and Lee, W.H. (2016). “Analysis on complex disaster information contents for building disaster map of coastal cities.” Journal of the Korean Association of Geographic Information Studies, Vol. 19, No. 3, pp. 43-60. 10.11108/kagis.2016.19.3.043
8
Kim, P.J. (2018). Improvement measures on the risk area designation of coastal disaster in consideration of natural hazards. Ph.D. dissertation, Chonnam National University.
9
Korean Society of Civil Engineers (KSCE) (2021). A report on the cause analysis and countermeasures establishment for Dongcheon flooding and lowland inundation. Busan/Ulsan, Gyungnam branch.
10
Lee, S., Kang, T., Sun, D., and Park, J.J. (2020). “Enhancing an analysis method of compound flooding in coastal areas by linking flow simulation models of coasts and watershed.” Sustainability, Vol. 12, No. 16, 6572. 10.3390/su12166572
11
Ministry of Environment (ME) (2011). Standard for sewerage facilities. Korea Water and Wastewater Works Association.
12
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (MLTM) (2011). Improvement and complementary research for probability rainfall.
13
Ministry of the Interior and Safety (MOIS) (2017). Criteria for establishment and operation of disaster prevention performance target by region: Considering future climate change impacts.
14
Song, Y., Joo, J., Lee, J., and Park, M. (2017). “A study on estimation of inundation area in coastal urban area applying wave overtopping.” Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 17, No. 2, pp. 501-510. 10.9798/KOSHAM.2017.17.2.501
15
Suh, S.W., and Kim, H.J. (2018). “Simulation of wave overtopping and inundation over a dike caused by Typhoon Chaba at Marine City, Busan, Korea.” Journal of Coastal Research, Vol. 85, pp. 711-715.
16
Sun, D. (2021). Sensitivity analysis of XP-SWMM for inundation analysis in coastal area. M.Sc. Thesis, Pukyong National University.

Fig. 1. (a) Dimensions of the casting with runners (unit: mm), (b) a melt flow simulation using Flow-3D software together with Reilly's model[44], predicted that a large amount of bifilms (denoted by the black particles) would be contained in the final casting. (c) A solidification simulation using Pro-cast software showed that no shrinkage defect was contained in the final casting.

AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

Effect of carrier gases on the entrainment defects within AZ91 alloy castings

Tian Liab J.M.T.Daviesa Xiangzhen Zhuc
aUniversity of Birmingham, Birmingham B15 2TT, United Kingdom
bGrainger and Worrall Ltd, Bridgnorth WV15 5HP, United Kingdom
cBrunel Centre for Advanced Solidification Technology, Brunel University London, Kingston Ln, London, Uxbridge UB8 3PH, United Kingdom

Abstract

An entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) acts a void containing an entrapped gas when submerged into a light-alloy melt, thus reducing the quality and reproducibility of the final castings. Previous publications, carried out with Al-alloy castings, reported that this trapped gas could be subsequently consumed by the reaction with the surrounding melt, thus reducing the void volume and negative effect of entrainment defects. Compared with Al-alloys, the entrapped gas within Mg-alloy might be more efficiently consumed due to the relatively high reactivity of magnesium. However, research into the entrainment defects within Mg alloys has been significantly limited. In the present work, AZ91 alloy castings were produced under different carrier gas atmospheres (i.e., SF6/CO2, SF6/air). The evolution processes of the entrainment defects contained in AZ91 alloy were suggested according to the microstructure inspections and thermodynamic calculations. The defects formed in the different atmospheres have a similar sandwich-like structure, but their oxide films contained different combinations of compounds. The use of carrier gases, which were associated with different entrained-gas consumption rates, affected the reproducibility of AZ91 castings.

Keywords

Magnesium alloyCastingOxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막 결함이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주조로 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF 6 /CO2 , SF 6 / 공기). AZ91 합금에 포함된 엔트레인먼트 결함의 진화 과정은 미세조직 검사 및 열역학적 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

키워드

마그네슘 합금주조Oxide film, Bifilm, Entrainment 불량, 재현성

1 . 소개

지구상에서 가장 가벼운 구조용 금속인 마그네슘은 지난 수십 년 동안 가장 매력적인 경금속 중 하나가 되었습니다. 결과적으로 마그네슘 산업은 지난 20년 동안 급속한 발전을 경험했으며 [1 , 2] , 이는 전 세계적으로 Mg 합금에 대한 수요가 크게 증가했음을 나타냅니다. 오늘날 Mg 합금의 사용은 자동차, 항공 우주, 전자 등의 분야에서 볼 수 있습니다. [3 , 4] . Mg 금속의 전 세계 소비는 특히 자동차 산업에서 앞으로 더욱 증가할 것으로 예측되었습니다. 기존 자동차와 전기 자동차 모두의 에너지 효율성 요구 사항이 설계를 경량화하도록 더욱 밀어붙이기 때문입니다 [3 , 56] .

Mg 합금에 대한 수요의 지속적인 성장은 Mg 합금 주조의 품질 및 기계적 특성 개선에 대한 광범위한 관심을 불러일으켰습니다. Mg 합금 주조 공정 동안 용융물의 표면 난류는 소량의 주변 대기를 포함하는 이중 표면 필름의 포획으로 이어질 수 있으므로 동반 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막 결함이라고도 함)을 형성합니다. ) [7] , [8] , [9] , [10] . 무작위 크기, 수량, 방향 및 연행 결함의 배치는 주조 특성의 변화와 관련된 중요한 요인으로 널리 받아들여지고 있습니다 [7] . 또한 Peng et al. [11]AZ91 합금 용융물에 동반된 산화물 필름이 Al 8 Mn 5 입자에 대한 필터 역할을 하여 침전될 때 가두는 것을 발견했습니다 . Mackie et al. [12]는 또한 동반된 산화막이 금속간 입자를 트롤(trawl)하는 작용을 하여 입자가 클러스터링되어 매우 큰 결함을 형성할 수 있다고 제안했습니다. 금속간 화합물의 클러스터링은 비말동반 결함을 주조 특성에 더 해롭게 만들었습니다.

연행 결함에 관한 이전 연구의 대부분은 Al-합금에 대해 수행되었으며 [7 , [13] , [14] , [15] , [16] , [17] , [18] 몇 가지 잠재적인 방법이 제안되었습니다. 알루미늄 합금 주물의 품질에 대한 부정적인 영향을 줄이기 위해. Nyahumwa et al., [16] 은 연행 결함 내의 공극 체적이 열간 등방압 압축(HIP) 공정에 의해 감소될 수 있음을 보여줍니다. Campbell [7] 은 결함 내부의 동반된 가스가 주변 용융물과의 반응으로 인해 소모될 수 있다고 제안했으며, 이는 Raiszedeh와 Griffiths [19]에 의해 추가로 확인되었습니다 ..혼입 가스 소비가 Al-합금 주물의 기계적 특성에 미치는 영향은 [8 , 9]에 의해 조사되었으며 , 이는 혼입 가스의 소비가 주조 재현성의 개선을 촉진함을 시사합니다.

Al-합금 내 결함에 대한 조사와 비교하여 Mg-합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적입니다. 연행 결함의 존재는 Mg 합금 주물 [20 , 21] 에서 입증 되었지만 그 거동, 진화 및 연행 가스 소비는 여전히 명확하지 않습니다.

Mg 합금 주조 공정에서 용융물은 일반적으로 마그네슘 점화를 피하기 위해 커버 가스로 보호됩니다. 따라서 모래 또는 매몰 몰드의 공동은 용융물을 붓기 전에 커버 가스로 세척해야 합니다 [22] . 따라서, Mg 합금 주물 내의 연행 가스는 공기만이 아니라 주조 공정에 사용되는 커버 가스를 포함해야 하며, 이는 구조 및 해당 연행 결함의 전개를 복잡하게 만들 수 있습니다.

SF 6 은 Mg 합금 주조 공정에 널리 사용되는 대표적인 커버 가스입니다 [23] , [24] , [25] . 이 커버 가스는 유럽의 마그네슘 합금 주조 공장에서 사용하도록 제한되었지만 상업 보고서에 따르면 이 커버는 전 세계 마그네슘 합금 산업, 특히 다음과 같은 글로벌 마그네슘 합금 생산을 지배한 국가에서 여전히 인기가 있습니다. 중국, 브라질, 인도 등 [26] . 또한, 최근 학술지 조사에서도 이 커버가스가 최근 마그네슘 합금 연구에서 널리 사용된 것으로 나타났다 [27] . SF 6 커버 가스 의 보호 메커니즘 (즉, 액체 Mg 합금과 SF 6 사이의 반응Cover gas)에 대한 연구는 여러 선행연구자들에 의해 이루어졌으나 표면 산화막의 형성과정이 아직 명확하게 밝혀지지 않았으며, 일부 발표된 결과들도 상충되고 있다. 1970년대 초 Fruehling [28] 은 SF 6 아래에 형성된 표면 피막이 주로 미량의 불화물과 함께 MgO 임을 발견 하고 SF 6 이 Mg 합금 표면 피막에 흡수 된다고 제안했습니다 . Couling [29] 은 흡수된 SF 6 이 Mg 합금 용융물과 반응하여 MgF 2 를 형성함을 추가로 확인했습니다 . 지난 20년 동안 아래에 자세히 설명된 것처럼 Mg 합금 표면 필름의 다양한 구조가 보고되었습니다.(1)

단층 필름 . Cashion [30 , 31] 은 X선 광전자 분광법(XPS)과 오제 분광법(AES)을 사용하여 표면 필름을 MgO 및 MgF 2 로 식별했습니다 . 그는 또한 필름의 구성이 두께와 전체 실험 유지 시간에 걸쳐 일정하다는 것을 발견했습니다. Cashion이 관찰한 필름은 10분에서 100분의 유지 시간으로 생성된 단층 구조를 가졌다.(2)

이중층 필름 . Aarstad et. al [32] 은 2003년에 이중층 표면 산화막을 보고했습니다. 그들은 예비 MgO 막에 부착된 잘 분포된 여러 MgF 2 입자를 관찰 하고 전체 표면적의 25-50%를 덮을 때까지 성장했습니다. 외부 MgO 필름을 통한 F의 내부 확산은 진화 과정의 원동력이었습니다. 이 이중층 구조는 Xiong의 그룹 [25 , 33] 과 Shih et al. 도 지지했습니다 . [34] .(삼)

트리플 레이어 필름 . 3층 필름과 그 진화 과정은 Pettersen [35]에 의해 2002년에 보고되었습니다 . Pettersen은 초기 표면 필름이 MgO 상이었고 F의 내부 확산에 의해 점차적으로 안정적인 MgF 2 상 으로 진화한다는 것을 발견했습니다 . 두꺼운 상부 및 하부 MgF 2 층.(4)

산화물 필름은 개별 입자로 구성 됩니다. Wang et al [36] 은 Mg-alloy 표면 필름을 SF 6 커버 가스 하에서 용융물에 교반 한 다음 응고 후 동반된 표면 필름을 검사했습니다. 그들은 동반된 표면 필름이 다른 연구자들이 보고한 보호 표면 필름처럼 계속되지 않고 개별 입자로 구성된다는 것을 발견했습니다. 젊은 산화막은 MgO 나노 크기의 산화물 입자로 구성되어 있는 반면, 오래된 산화막은 한쪽 면에 불화물과 질화물이 포함된 거친 입자(평균 크기 약 1μm)로 구성되어 있습니다.

Mg 합금 용융 표면의 산화막 또는 동반 가스는 모두 액체 Mg 합금과 커버 가스 사이의 반응으로 인해 형성되므로 Mg 합금 표면막에 대한 위에서 언급한 연구는 진화에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 연행 결함. 따라서 SF 6 커버 가스 의 보호 메커니즘 (즉, Mg-합금 표면 필름의 형성)은 해당 동반 결함의 잠재적인 복잡한 진화 과정을 나타냅니다.

그러나 Mg 합금 용융물에 표면 필름을 형성하는 것은 용융물에 잠긴 동반된 가스의 소비와 다른 상황에 있다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 앞서 언급한 연구에서 표면 성막 동안 충분한 양의 커버 가스가 담지되어 커버 가스의 고갈을 억제했습니다. 대조적으로, Mg 합금 용융물 내의 동반된 가스의 양은 유한하며, 동반된 가스는 완전히 고갈될 수 있습니다. Mirak [37] 은 3.5% SF 6 /기포를 특별히 설계된 영구 금형에서 응고되는 순수한 Mg 합금 용융물에 도입했습니다. 기포가 완전히 소모되었으며, 해당 산화막은 MgO와 MgF 2 의 혼합물임을 알 수 있었다.. 그러나 Aarstad [32] 및 Xiong [25 , 33]에 의해 관찰된 MgF 2 스팟 과 같은 핵 생성 사이트 는 관찰되지 않았습니다. Mirak은 또한 조성 분석을 기반으로 산화막에서 MgO 이전에 MgF 2 가 형성 되었다고 추측했는데 , 이는 이전 문헌에서 보고된 표면 필름 형성 과정(즉, MgF 2 이전에 형성된 MgO)과 반대 입니다. Mirak의 연구는 동반된 가스의 산화막 형성이 표면막의 산화막 형성과 상당히 다를 수 있음을 나타내었지만 산화막의 구조와 진화에 대해서는 밝히지 않았습니다.

또한 커버 가스에 캐리어 가스를 사용하는 것도 커버 가스와 액체 Mg 합금 사이의 반응에 영향을 미쳤습니다. SF 6 /air 는 용융 마그네슘의 점화를 피하기 위해 SF 6 /CO 2 운반 가스 [38] 보다 더 높은 함량의 SF 6을 필요로 하여 다른 가스 소비율을 나타냅니다. Liang et.al [39] 은 CO 2 가 캐리어 가스로 사용될 때 표면 필름에 탄소가 형성된다고 제안했는데 , 이는 SF 6 /air 에서 형성된 필름과 다릅니다 . Mg 연소 [40]에 대한 조사 에서 Mg 2 C 3 검출이 보고되었습니다.CO 2 연소 후 Mg 합금 샘플 에서 이는 Liang의 결과를 뒷받침할 뿐만 아니라 이중 산화막 결함에서 Mg 탄화물의 잠재적 형성을 나타냅니다.

여기에 보고된 작업은 다양한 커버 가스(즉, SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 )로 보호되는 AZ91 Mg 합금 주물에서 형성된 연행 결함의 거동과 진화에 대한 조사 입니다. 이러한 캐리어 가스는 액체 Mg 합금에 대해 다른 보호성을 가지며, 따라서 상응하는 동반 가스의 다른 소비율 및 발생 프로세스와 관련될 수 있습니다. AZ91 주물의 재현성에 대한 동반 가스 소비의 영향도 연구되었습니다.

2 . 실험

2.1 . 용융 및 주조

3kg의 AZ91 합금을 700 ± 5 °C의 연강 도가니에서 녹였습니다. AZ91 합금의 조성은 표 1 에 나타내었다 . 가열하기 전에 잉곳 표면의 모든 산화물 스케일을 기계가공으로 제거했습니다. 사용 된 커버 가스는 0.5 %이었다 SF 6 / 공기 또는 0.5 % SF 6 / CO 2 (부피. %) 다른 주물 6L / 분의 유량. 용융물은 15분 동안 0.3L/min의 유속으로 아르곤으로 가스를 제거한 다음 [41 , 42] , 모래 주형에 부었습니다. 붓기 전에 샌드 몰드 캐비티를 20분 동안 커버 가스로 플러싱했습니다 [22] . 잔류 용융물(약 1kg)이 도가니에서 응고되었습니다.

표 1 . 본 연구에 사용된 AZ91 합금의 조성(wt%).

아연미네소타마그네슘
9.40.610.150.020.0050.0017잔여

그림 1 (a)는 러너가 있는 주물의 치수를 보여줍니다. 탑 필링 시스템은 최종 주물에서 연행 결함을 생성하기 위해 의도적으로 사용되었습니다. Green과 Campbell [7 , 43] 은 탑 필링 시스템이 바텀 필링 시스템에 비해 주조 과정에서 더 많은 연행 현상(즉, 이중 필름)을 유발한다고 제안했습니다. 이 금형의 용융 흐름 시뮬레이션(Flow-3D 소프트웨어)은 연행 현상에 관한 Reilly의 모델 [44] 을 사용하여 최종 주조에 많은 양의 이중막이 포함될 것이라고 예측했습니다( 그림 1 에서 검은색 입자로 표시됨) . NS).

그림 1

수축 결함은 또한 주물의 기계적 특성과 재현성에 영향을 미칩니다. 이 연구는 주조 품질에 대한 이중 필름의 영향에 초점을 맞추었기 때문에 수축 결함이 발생하지 않도록 금형을 의도적으로 설계했습니다. ProCAST 소프트웨어를 사용한 응고 시뮬레이션은 그림 1c 와 같이 최종 주조에 수축 결함이 포함되지 않음을 보여주었습니다 . 캐스팅 건전함도 테스트바 가공 전 실시간 X-ray를 통해 확인했다.

모래 주형은 1wt를 함유한 수지 결합된 규사로 만들어졌습니다. % PEPSET 5230 수지 및 1wt. % PEPSET 5112 촉매. 모래는 또한 억제제로 작용하기 위해 2중량%의 Na 2 SiF 6 을 함유했습니다 .. 주입 온도는 700 ± 5 °C였습니다. 응고 후 러너바의 단면을 Sci-Lab Analytical Ltd로 보내 H 함량 분석(LECO 분석)을 하였고, 모든 H 함량 측정은 주조 공정 후 5일째에 실시하였다. 각각의 주물은 인장 강도 시험을 위해 클립 신장계가 있는 Zwick 1484 인장 시험기를 사용하여 40개의 시험 막대로 가공되었습니다. 파손된 시험봉의 파단면을 주사전자현미경(SEM, Philips JEOL7000)을 이용하여 가속전압 5~15kV로 조사하였다. 파손된 시험 막대, 도가니에서 응고된 잔류 Mg 합금 및 주조 러너를 동일한 SEM을 사용하여 단면화하고 연마하고 검사했습니다. CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM을 사용하여 FIB(집속 이온 빔 밀링 기술)에 의해 테스트 막대 파괴 표면에서 발견된 산화막의 단면을 노출했습니다. 분석에 필요한 산화막은 백금층으로 코팅하였다. 그런 다음 30kV로 가속된 갈륨 이온 빔이 산화막의 단면을 노출시키기 위해 백금 코팅 영역을 둘러싼 재료 기판을 밀링했습니다. 산화막 단면의 EDS 분석은 30kV의 가속 전압에서 FIB 장비를 사용하여 수행되었습니다.

2.2 . 산화 세포

전술 한 바와 같이, 몇몇 최근 연구자들은 마그네슘 합금의 용탕 표면에 형성된 보호막 조사 [38 , 39 , [46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] , [52 ] . 이 실험 동안 사용된 커버 가스의 양이 충분하여 커버 가스에서 불화물의 고갈을 억제했습니다. 이 섹션에서 설명하는 실험은 엔트레인먼트 결함의 산화막의 진화를 연구하기 위해 커버 가스의 공급을 제한하는 밀봉된 산화 셀을 사용했습니다. 산화 셀에 포함된 커버 가스는 큰 크기의 “동반된 기포”로 간주되었습니다.

도 2에 도시된 바와 같이 , 산화셀의 본체는 내부 길이가 400mm, 내경이 32mm인 폐쇄형 연강관이었다. 수냉식 동관을 전지의 상부에 감았습니다. 튜브가 가열될 때 냉각 시스템은 상부와 하부 사이에 온도 차이를 만들어 내부 가스가 튜브 내에서 대류하도록 했습니다. 온도는 도가니 상단에 위치한 K형 열전대로 모니터링했습니다. Nieet al. [53] 은 Mg 합금 용융물의 표면 피막을 조사할 때 SF 6 커버 가스가 유지로의 강철 벽과 반응할 것이라고 제안했습니다 . 이 반응을 피하기 위해 강철 산화 전지의 내부 표면(그림 2 참조)) 및 열전대의 상반부는 질화붕소로 코팅되었습니다(Mg 합금은 질화붕소와 ​​접촉하지 않았습니다).

그림 2

실험 중에 고체 AZ91 합금 블록을 산화 셀 바닥에 위치한 마그네시아 도가니에 넣었습니다. 전지는 1L/min의 가스 유속으로 전기 저항로에서 100℃로 가열되었다. 원래의 갇힌 대기(즉, 공기)를 대체하기 위해 셀을 이 온도에서 20분 동안 유지했습니다. 그런 다음, 산화 셀을 700°C로 더 가열하여 AZ91 샘플을 녹였습니다. 그런 다음 가스 입구 및 출구 밸브가 닫혀 제한된 커버 가스 공급 하에서 산화를 위한 밀폐된 환경이 생성되었습니다. 그런 다음 산화 전지를 5분 간격으로 5분에서 30분 동안 700 ± 10°C에서 유지했습니다. 각 유지 시간이 끝날 때 세포를 물로 켄칭했습니다. 실온으로 냉각한 후 산화된 샘플을 절단하고 연마한 다음 SEM으로 검사했습니다.

3 . 결과

3.1 . SF 6 /air 에서 형성된 엔트레인먼트 결함의 구조 및 구성

0.5 % SF의 커버 가스 하에서 AZ91 주물에 형성된 유입 결함의 구조 및 조성 6 / 공기는 SEM 및 EDS에 의해 관찰되었다. 결과는 그림 3에 스케치된 엔트레인먼트 결함의 두 가지 유형이 있음을 나타냅니다 . (1) 산화막이 전통적인 단층 구조를 갖는 유형 A 결함 및 (2) 산화막이 2개 층을 갖는 유형 B 결함. 이러한 결함의 세부 사항은 다음에 소개되었습니다. 여기에서 비말동반 결함은 생물막 또는 이중 산화막으로도 알려져 있기 때문에 B형 결함의 산화막은 본 연구에서 “다층 산화막” 또는 “다층 구조”로 언급되었습니다. “이중 산화막 결함의 이중층 산화막”과 같은 혼란스러운 설명을 피하기 위해.

그림 3

그림 4 (ab)는 약 0.4μm 두께의 조밀한 단일층 산화막을 갖는 Type A 결함을 보여줍니다. 이 필름에서 산소, 불소, 마그네슘 및 알루미늄이 검출되었습니다( 그림 4c). 산화막은 마그네슘과 알루미늄의 산화물과 불화물의 혼합물로 추측됩니다. 불소의 검출은 동반된 커버 가스가 이 결함의 형성에 포함되어 있음을 보여주었습니다. 즉, Fig. 4 (a)에 나타난 기공 은 수축결함이나 수소기공도가 아니라 연행결함이었다. 알루미늄의 검출은 Xiong과 Wang의 이전 연구 [47 , 48] 와 다르며 , SF 6으로 보호된 AZ91 용융물의 표면 필름에 알루미늄이 포함되어 있지 않음을 보여주었습니다.커버 가스. 유황은 원소 맵에서 명확하게 인식할 수 없었지만 해당 ESD 스펙트럼에서 S-피크가 있었습니다.

그림 4

도 5 (ab)는 다층 산화막을 갖는 Type B 엔트레인먼트 결함을 나타낸다. 산화막의 조밀한 외부 층은 불소와 산소가 풍부하지만( 그림 5c) 상대적으로 다공성인 내부 층은 산소만 풍부하고(즉, 불소가 부족) 부분적으로 함께 성장하여 샌드위치 모양을 형성합니다. 구조. 따라서 외층은 불화물과 산화물의 혼합물이며 내층은 주로 산화물로 추정된다. 황은 EDX 스펙트럼에서만 인식될 수 있었고 요소 맵에서 명확하게 식별할 수 없었습니다. 이는 커버 가스의 작은 S 함량(즉, SF 6 의 0.5% 부피 함량 때문일 수 있음)커버 가스). 이 산화막에서는 이 산화막의 외층에 알루미늄이 포함되어 있지만 내층에서는 명확하게 검출할 수 없었다. 또한 Al의 분포가 고르지 않은 것으로 보입니다. 결함의 우측에는 필름에 알루미늄이 존재하지만 그 농도는 매트릭스보다 높은 것으로 식별할 수 없음을 알 수 있다. 그러나 결함의 왼쪽에는 알루미늄 농도가 훨씬 높은 작은 영역이 있습니다. 이러한 알루미늄의 불균일한 분포는 다른 결함(아래 참조)에서도 관찰되었으며, 이는 필름 내부 또는 아래에 일부 산화물 입자가 형성된 결과입니다.

그림 5

무화과 도 4 및 5 는 SF 6 /air 의 커버 가스 하에 주조된 AZ91 합금 샘플에서 형성된 연행 결함의 횡단면 관찰을 나타낸다 . 2차원 단면에서 관찰된 수치만으로 연행 결함을 특성화하는 것만으로는 충분하지 않습니다. 더 많은 이해를 돕기 위해 테스트 바의 파단면을 관찰하여 엔트레인먼트 결함(즉, 산화막)의 표면을 더 연구했습니다.

Fig. 6 (a)는 SF 6 /air 에서 생산된 AZ91 합금 인장시험봉의 파단면을 보여준다 . 파단면의 양쪽에서 대칭적인 어두운 영역을 볼 수 있습니다. 그림 6 (b)는 어두운 영역과 밝은 영역 사이의 경계를 보여줍니다. 밝은 영역은 들쭉날쭉하고 부서진 특징으로 구성되어 있는 반면, 어두운 영역의 표면은 비교적 매끄럽고 평평했습니다. 또한 EDS 결과( Fig. 6 c-d 및 Table 2) 불소, 산소, 황 및 질소는 어두운 영역에서만 검출되었으며, 이는 어두운 영역이 용융물에 동반된 표면 보호 필름임을 나타냅니다. 따라서 어두운 영역은 대칭적인 특성을 고려할 때 연행 결함이라고 제안할 수 있습니다. Al-합금 주조물의 파단면에서 유사한 결함이 이전에 보고되었습니다 [7] . 질화물은 테스트 바 파단면의 산화막에서만 발견되었지만 그림 1과 그림 4에 표시된 단면 샘플에서는 검출되지 않았습니다 4 및 5 . 근본적인 이유는 이러한 샘플에 포함된 질화물이 샘플 연마 과정에서 가수분해되었을 수 있기 때문입니다 [54] .

그림 6

표 2 . EDS 결과(wt.%)는 그림 6에 표시된 영역에 해당합니다 (커버 가스: SF 6 /공기).

영형마그네슘NS아연NSNS
그림 6 (b)의 어두운 영역3.481.3279.130.4713.630.570.080.73
그림 6 (b)의 밝은 영역3.5884.4811.250.68

도 1 및 도 2에 도시된 결함의 단면 관찰과 함께 도 4 및 도 5 를 참조하면, 인장 시험봉에 포함된 연행 결함의 구조를 도 6 (e) 와 같이 스케치하였다 . 결함에는 산화막으로 둘러싸인 동반된 가스가 포함되어 있어 테스트 바 내부에 보이드 섹션이 생성되었습니다. 파괴 과정에서 결함에 인장력이 가해지면 균열이 가장 약한 경로를 따라 전파되기 때문에 보이드 섹션에서 균열이 시작되어 연행 결함을 따라 전파됩니다 [55] . 따라서 최종적으로 시험봉이 파단되었을 때 Fig. 6 (a) 와 같이 시험봉의 양 파단면에 연행결함의 산화피막이 나타났다 .

3.2 . SF 6 /CO 2 에 형성된 연행 결함의 구조 및 조성

SF 6 /air 에서 형성된 엔트레인먼트 결함과 유사하게, 0.5% SF 6 /CO 2 의 커버 가스 아래에서 형성된 결함 도 두 가지 유형의 산화막(즉, 단층 및 다층 유형)을 가졌다. 도 7 (a)는 다층 산화막을 포함하는 엔트레인먼트 결함의 예를 도시한다. 결함에 대한 확대 관찰( 그림 7b )은 산화막의 내부 층이 함께 성장하여 SF 6 /air 의 분위기에서 형성된 결함과 유사한 샌드위치 같은 구조를 나타냄을 보여줍니다 ( 그림 7b). 5 나 ). EDS 스펙트럼( 그림 7c) 이 샌드위치형 구조의 접합부(내층)는 주로 산화마그네슘을 함유하고 있음을 보여주었다. 이 EDS 스펙트럼에서는 불소, 황, 알루미늄의 피크가 확인되었으나 그 양은 상대적으로 적었다. 대조적으로, 산화막의 외부 층은 조밀하고 불화물과 산화물의 혼합물로 구성되어 있습니다( 그림 7d-e).

그림 7

Fig. 8 (a)는 0.5%SF 6 /CO 2 분위기에서 제작된 AZ91 합금 인장시험봉의 파단면의 연행결함을 보여준다 . 상응하는 EDS 결과(표 3)는 산화막이 불화물과 산화물을 함유함을 보여주었다. 황과 질소는 검출되지 않았습니다. 게다가, 확대 관찰(  8b)은 산화막 표면에 반점을 나타내었다. 반점의 직경은 수백 나노미터에서 수 마이크론 미터까지 다양했습니다.

그림 8

산화막의 구조와 조성을 보다 명확하게 나타내기 위해 테스트 바 파단면의 산화막 단면을 FIB 기법을 사용하여 현장에서 노출시켰다( 그림 9 ). 도 9a에 도시된 바와 같이 , 백금 코팅층과 Mg-Al 합금 기재 사이에 연속적인 산화피막이 발견되었다. 그림 9 (bc)는 다층 구조( 그림 9c 에서 빨간색 상자로 표시)를 나타내는 산화막에 대한 확대 관찰을 보여줍니다 . 바닥층은 불소와 산소가 풍부하고 불소와 산화물의 혼합물이어야 합니다 . 5 와 7, 유일한 산소가 풍부한 최상층은 도 1 및 도 2에 도시 된 “내층”과 유사하였다 5 및 7 .

그림 9

연속 필름을 제외하고 도 9 에 도시된 바와 같이 연속 필름 내부 또는 하부에서도 일부 개별 입자가 관찰되었다 . 그림 9( b) 의 산화막 좌측에서 Al이 풍부한 입자가 검출되었으며, 마그네슘과 산소 원소도 풍부하게 함유하고 있어 스피넬 Mg 2 AlO 4 로 추측할 수 있다 . 이러한 Mg 2 AlO 4 입자의 존재는 Fig. 5 와 같이 관찰된 필름의 작은 영역에 높은 알루미늄 농도와 알루미늄의 불균일한 분포의 원인이 된다 .(씨). 여기서 강조되어야 할 것은 연속 산화막의 바닥층의 다른 부분이 이 Al이 풍부한 입자보다 적은 양의 알루미늄을 함유하고 있지만, 그림 9c는 이 바닥층의 알루미늄 양이 여전히 무시할 수 없는 수준임을 나타냅니다 . , 특히 필름의 외층과 비교할 때. 도 9b에 도시된 산화막의 우측 아래에서 입자가 검출되어 Mg와 O가 풍부하여 MgO인 것으로 추측되었다. Wang의 결과에 따르면 [56], Mg 용융물과 Mg 증기의 산화에 의해 Mg 용융물의 표면에 많은 이산 MgO 입자가 형성될 수 있다. 우리의 현재 연구에서 관찰된 MgO 입자는 같은 이유로 인해 형성될 수 있습니다. 실험 조건의 차이로 인해 더 적은 Mg 용융물이 기화되거나 O2와 반응할 수 있으므로 우리 작업에서 형성되는 MgO 입자는 소수에 불과합니다. 또한 필름에서 풍부한 탄소가 발견되어 CO 2 가 용융물과 반응하여 탄소 또는 탄화물을 형성할 수 있음을 보여줍니다 . 이 탄소 농도는 표 3에 나타낸 산화막의 상대적으로 높은 탄소 함량 (즉, 어두운 영역) 과 일치하였다 . 산화막 옆 영역.

표 3 . 도 8에 도시된 영역에 상응하는 EDS 결과(wt.%) (커버 가스: SF 6 / CO 2 ).

영형마그네슘NS아연NSNS
그림 8 (a)의 어두운 영역7.253.6469.823.827.030.86
그림 8 (a)의 밝은 영역2.100.4482.8313.261.36

테스트 바 파단면( 도 9 ) 에서 산화막의 이 단면 관찰은 도 6 (e)에 도시된 엔트레인먼트 결함의 개략도를 추가로 확인했다 . SF 6 /CO 2 와 SF 6 /air 의 서로 다른 분위기에서 형성된 엔트레인먼트 결함 은 유사한 구조를 가졌지만 그 조성은 달랐다.

3.3 . 산화 전지에서 산화막의 진화

섹션 3.1 및 3.2 의 결과 는 SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 의 커버 가스 아래에서 AZ91 주조에서 형성된 연행 결함의 구조 및 구성을 보여줍니다 . 산화 반응의 다른 단계는 연행 결함의 다른 구조와 조성으로 이어질 수 있습니다. Campbell은 동반된 가스가 주변 용융물과 반응할 수 있다고 추측했지만 Mg 합금 용융물과 포획된 커버 가스 사이에 반응이 발생했다는 보고는 거의 없습니다. 이전 연구자들은 일반적으로 개방된 환경에서 Mg 합금 용융물과 커버 가스 사이의 반응에 초점을 맞췄습니다 [38 , 39 , [46] , [47][48] , [49] , [50] , [51] , [52] , 이는 용융물에 갇힌 커버 가스의 상황과 다릅니다. AZ91 합금에서 엔트레인먼트 결함의 형성을 더 이해하기 위해 엔트레인먼트 결함의 산화막의 진화 과정을 산화 셀을 사용하여 추가로 연구했습니다.

.도 10 (a 및 d) 0.5 % 방송 SF 보호 산화 셀에서 5 분 동안 유지 된 표면 막 (6) / 공기. 불화물과 산화물(MgF 2 와 MgO) 로 이루어진 단 하나의 층이 있었습니다 . 이 표면 필름에서. 황은 EDS 스펙트럼에서 검출되었지만 그 양이 너무 적어 원소 맵에서 인식되지 않았습니다. 이 산화막의 구조 및 조성은 도 4 에 나타낸 엔트레인먼트 결함의 단층막과 유사하였다 .

그림 10

10분의 유지 시간 후, 얇은 (O,S)가 풍부한 상부층(약 700nm)이 예비 F-농축 필름에 나타나 그림 10 (b 및 e) 에서와 같이 다층 구조를 형성했습니다 . ). (O, S)가 풍부한 최상층의 두께는 유지 시간이 증가함에 따라 증가했습니다. Fig. 10 (c, f) 에서 보는 바와 같이 30분간 유지한 산화막도 다층구조를 가지고 있으나 (O,S)가 풍부한 최상층(약 2.5μm)의 두께가 10분 산화막의 그것. 도 10 (bc) 에 도시 된 다층 산화막 은 도 5에 도시된 샌드위치형 결함의 막과 유사한 외관을 나타냈다 .

도 10에 도시된 산화막의 상이한 구조는 커버 가스의 불화물이 AZ91 합금 용융물과의 반응으로 인해 우선적으로 소모될 것임을 나타내었다. 불화물이 고갈된 후, 잔류 커버 가스는 액체 AZ91 합금과 추가로 반응하여 산화막에 상부 (O, S)가 풍부한 층을 형성했습니다. 따라서 도 1 및 도 3에 도시된 연행 결함의 상이한 구조 및 조성 4 와 5 는 용융물과 갇힌 커버 가스 사이의 진행 중인 산화 반응 때문일 수 있습니다.

이 다층 구조는 Mg 합금 용융물에 형성된 보호 표면 필름에 관한 이전 간행물 [38 , [46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] 에서 보고되지 않았습니다 . . 이는 이전 연구원들이 무제한의 커버 가스로 실험을 수행했기 때문에 커버 가스의 불화물이 고갈되지 않는 상황을 만들었기 때문일 수 있습니다. 따라서 엔트레인먼트 결함의 산화피막은 도 10에 도시된 산화피막과 유사한 거동특성을 가지나 [38 ,[46] , [47] , [48] , [49] , [50] , [51] .

SF 유지 산화막와 마찬가지로 6 / 공기, SF에 형성된 산화물 막 (6) / CO 2는 또한 세포 산화 다른 유지 시간과 다른 구조를 가지고 있었다. .도 11 (a)는 AZ91 개최 산화막, 0.5 %의 커버 가스 하에서 SF 표면 용융 도시 6 / CO 2, 5 분. 이 필름은 MgF 2 로 이루어진 단층 구조를 가졌다 . 이 영화에서는 MgO의 존재를 확인할 수 없었다. 30분의 유지 시간 후, 필름은 다층 구조를 가졌다; 내부 층은 조밀하고 균일한 외관을 가지며 MgF 2 로 구성 되고 외부 층은 MgF 2 혼합물및 MgO. 0.5%SF 6 /air 에서 형성된 표면막과 다른 이 막에서는 황이 검출되지 않았다 . 따라서, 0.5%SF 6 /CO 2 의 커버 가스 내의 불화물 도 막 성장 과정의 초기 단계에서 우선적으로 소모되었다. SF 6 /air 에서 형성된 막과 비교하여 SF 6 /CO 2 에서 형성된 막에서 MgO 는 나중에 나타났고 황화물은 30분 이내에 나타나지 않았다. 이는 SF 6 /air 에서 필름의 형성과 진화 가 SF 6 /CO 2 보다 빠르다 는 것을 의미할 수 있습니다 . CO 2 후속적으로 용융물과 반응하여 MgO를 형성하는 반면, 황 함유 화합물은 커버 가스에 축적되어 반응하여 매우 늦은 단계에서 황화물을 형성할 수 있습니다(산화 셀에서 30분 후).

그림 11

4 . 논의

4.1 . SF 6 /air 에서 형성된 연행 결함의 진화

Outokumpu HSC Chemistry for Windows( http://www.hsc-chemistry.net/ )의 HSC 소프트웨어를 사용하여 갇힌 기체와 액체 AZ91 합금 사이에서 발생할 수 있는 반응을 탐색하는 데 필요한 열역학 계산을 수행했습니다. 계산에 대한 솔루션은 소량의 커버 가스(즉, 갇힌 기포 내의 양)와 AZ91 합금 용융물 사이의 반응 과정에서 어떤 생성물이 가장 형성될 가능성이 있는지 제안합니다.

실험에서 압력은 1기압으로, 온도는 700°C로 설정했습니다. 커버 가스의 사용량은 7 × 10으로 가정 하였다 -7  약 0.57 cm의 양으로 kg 3 (3.14 × 10 -6  0.5 % SF위한 kmol) 6 / 공기, 0.35 cm (3) (3.12 × 10 – 8  kmol) 0.5%SF 6 /CO 2 . 포획된 가스와 접촉하는 AZ91 합금 용융물의 양은 모든 반응을 완료하기에 충분한 것으로 가정되었습니다. SF 6 의 분해 생성물 은 SF 5 , SF 4 , SF 3 , SF 2 , F 2 , S(g), S 2(g) 및 F(g) [57] , [58] , [59] , [60] .

그림 12 는 AZ91 합금과 0.5%SF 6 /air 사이의 반응에 대한 열역학적 계산의 평형 다이어그램을 보여줍니다 . 다이어그램에서 10 -15  kmol 미만의 반응물 및 생성물은 표시되지 않았습니다. 이는 존재 하는 SF 6 의 양 (≈ 1.57 × 10 -10  kmol) 보다 5배 적 으므로 영향을 미치지 않습니다. 실제적인 방법으로 과정을 관찰했습니다.

그림 12

이 반응 과정은 3단계로 나눌 수 있다.

1단계 : 불화물의 형성. AZ91 용융물은 SF 6 및 그 분해 생성물과 우선적으로 반응하여 MgF 2 , AlF 3 및 ZnF 2 를 생성 합니다. 그러나 ZnF 2 의 양 이 너무 적어서 실제적으로 검출되지  않았을 수 있습니다(  MgF 2 의 3 × 10 -10 kmol에 비해 ZnF 2 1.25 × 10 -12 kmol ). 섹션 3.1 – 3.3에 표시된 모든 산화막 . 한편, 잔류 가스에 황이 SO 2 로 축적되었다 .

2단계 : 산화물의 형성. 액체 AZ91 합금이 포획된 가스에서 사용 가능한 모든 불화물을 고갈시킨 후, Mg와의 반응으로 인해 AlF 3 및 ZnF 2 의 양이 빠르게 감소했습니다. O 2 (g) 및 SO 2 는 AZ91 용융물과 반응하여 MgO, Al 2 O 3 , MgAl 2 O 4 , ZnO, ZnSO 4 및 MgSO 4 를 형성 합니다. 그러나 ZnO 및 ZnSO 4 의 양은 EDS에 의해 실제로 발견되기에는 너무 적었을 것입니다(예: 9.5 × 10 -12  kmol의 ZnO, 1.38 × 10 -14  kmol의 ZnSO 4 , 대조적으로 4.68 × 10−10  kmol의 MgF 2 , X 축의 AZ91 양 이 2.5 × 10 -9  kmol일 때). 실험 사례에서 커버 가스의 F 농도는 매우 낮고 전체 농도 f O는 훨씬 높습니다. 따라서 1단계와 2단계, 즉 불화물과 산화물의 형성은 반응 초기에 동시에 일어나 그림 1과 2와 같이 불화물과 산화물의 가수층 혼합물이 형성될 수 있다 . 4 및 10 (a). 내부 층은 산화물로 구성되어 있지만 불화물은 커버 가스에서 F 원소가 완전히 고갈된 후에 형성될 수 있습니다.

단계 1-2는 도 10 에 도시 된 다층 구조의 형성 과정을 이론적으로 검증하였다 .

산화막 내의 MgAl 2 O 4 및 Al 2 O 3 의 양은 도 4에 도시된 산화막과 일치하는 검출하기에 충분한 양이었다 . 그러나, 도 10 에 도시된 바와 같이, 산화셀에서 성장된 산화막에서는 알루미늄의 존재를 인식할 수 없었다 . 이러한 Al의 부재는 표면 필름과 AZ91 합금 용융물 사이의 다음 반응으로 인한 것일 수 있습니다.(1)

Al 2 O 3  + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700°C) = -119.82 kJ/mol(2)

Mg + MgAl 2 O 4  = MgO + Al, △G(700°C) = -106.34 kJ/mol이는 반응물이 서로 완전히 접촉한다는 가정 하에 열역학적 계산이 수행되었기 때문에 HSC 소프트웨어로 시뮬레이션할 수 없었습니다. 그러나 실제 공정에서 AZ91 용융물과 커버 가스는 보호 표면 필름의 존재로 인해 서로 완전히 접촉할 수 없습니다.

3단계 : 황화물과 질화물의 형성. 30분의 유지 시간 후, 산화 셀의 기상 불화물 및 산화물이 고갈되어 잔류 가스와 용융 반응을 허용하여 초기 F-농축 또는 (F, O )이 풍부한 표면 필름, 따라서 그림 10 (b 및 c)에 표시된 관찰된 다층 구조를 생성합니다 . 게다가, 질소는 모든 반응이 완료될 때까지 AZ91 용융물과 반응했습니다. 도 6 에 도시 된 산화막 은 질화물 함량으로 인해 이 반응 단계에 해당할 수 있다. 그러나, 그 결과는 도 1 및 도 5에 도시 된 연마된 샘플에서 질화물이 검출되지 않음을 보여준다. 4 와 5, 그러나 테스트 바 파단면에서만 발견됩니다. 질화물은 다음과 같이 샘플 준비 과정에서 가수분해될 수 있습니다 [54] .(삼)

Mg 3 N 2  + 6H 2 O = 3Mg(OH) 2  + 2NH 3 ↑(4)

AlN+ 3H 2 O = Al(OH) 3  + NH 3 ↑

또한 Schmidt et al. [61] 은 Mg 3 N 2 와 AlN이 반응하여 3원 질화물(Mg 3 Al n N n+2, n=1, 2, 3…) 을 형성할 수 있음을 발견했습니다 . HSC 소프트웨어에는 삼원 질화물 데이터베이스가 포함되어 있지 않아 계산에 추가할 수 없습니다. 이 단계의 산화막은 또한 삼원 질화물을 포함할 수 있습니다.

4.2 . SF 6 /CO 2 에서 형성된 연행 결함의 진화

도 13 은 AZ91 합금과 0.5%SF 6 /CO 2 사이의 열역학적 계산 결과를 보여준다 . 이 반응 과정도 세 단계로 나눌 수 있습니다.

그림 13

1단계 : 불화물의 형성. SF 6 및 그 분해 생성물은 AZ91 용융물에 의해 소비되어 MgF 2 , AlF 3 및 ZnF 2 를 형성했습니다 . 0.5% SF 6 /air 에서 AZ91의 반응에서와 같이 ZnF 2 의 양 이 너무 작아서 실제적으로 감지되지  않았습니다( 2.67 x 10 -10  kmol의 MgF 2 에 비해 ZnF 2 1.51 x 10 -13 kmol ). S와 같은 잔류 가스 트랩에 축적 유황 2 (g) 및 (S)의 일부분 (2) (g)가 CO와 반응하여 2 SO 형성하는 2및 CO. 이 반응 단계의 생성물은 도 11 (a)에 도시된 필름과 일치하며 , 이는 불화물만을 함유하는 단일 층 구조를 갖는다.

2단계 : 산화물의 형성. ALF 3 및 ZnF 2 MgF로 형성 용융 AZ91 마그네슘의 반응 2 , Al 및 Zn으로한다. SO 2 는 소모되기 시작하여 표면 필름에 산화물을 생성 하고 커버 가스에 S 2 (g)를 생성했습니다. 한편, CO 2 는 AZ91 용융물과 직접 반응하여 CO, MgO, ZnO 및 Al 2 O 3 를 형성 합니다. 도 1에 도시 된 산화막 9 및 11 (b)는 산소가 풍부한 층과 다층 구조로 인해 이 반응 단계에 해당할 수 있습니다.

커버 가스의 CO는 AZ91 용융물과 추가로 반응하여 C를 생성할 수 있습니다. 이 탄소는 온도가 감소할 때(응고 기간 동안) Mg와 추가로 반응하여 Mg 탄화물을 형성할 수 있습니다 [62] . 이것은 도 4에 도시된 산화막의 탄소 함량이 높은 이유일 수 있다 8 – 9 . Liang et al. [39] 또한 SO 2 /CO 2 로 보호된 AZ91 합금 표면 필름에서 탄소 검출을 보고했습니다 . 생성된 Al 2 O 3 는 MgO와 더 결합하여 MgAl 2 O [63]를 형성할 수 있습니다 . 섹션 4.1 에서 논의된 바와 같이, 알루미나 및 스피넬은 도 11 에 도시된 바와 같이 표면 필름에 알루미늄 부재를 야기하는 Mg와 반응할 수 있다 .

3단계 : 황화물의 형성. AZ91은 용융물 S 소비하기 시작 2 인 ZnS와 MGS 형성 갇힌 잔류 가스 (g)를. 이러한 반응은 반응 과정의 마지막 단계까지 일어나지 않았으며, 이는 Fig. 7 (c)에 나타난 결함의 S-함량 이 적은 이유일 수 있다 .

요약하면, 열역학적 계산은 AZ91 용융물이 커버 가스와 반응하여 먼저 불화물을 형성한 다음 마지막에 산화물과 황화물을 형성할 것임을 나타냅니다. 다른 반응 단계에서 산화막은 다른 구조와 조성을 가질 것입니다.

4.3 . 운반 가스가 동반 가스 소비 및 AZ91 주물의 재현성에 미치는 영향

SF 6 /air 및 SF 6 /CO 2 에서 형성된 연행 결함의 진화 과정은 4.1절 과 4.2  에서 제안되었습니다 . 이론적인 계산은 실제 샘플에서 발견되는 해당 산화막과 관련하여 검증되었습니다. 연행 결함 내의 대기는 Al-합금 시스템과 다른 시나리오에서 액체 Mg-합금과의 반응으로 인해 효율적으로 소모될 수 있습니다(즉, 연행된 기포의 질소가 Al-합금 용융물과 효율적으로 반응하지 않을 것입니다 [64 , 65] 그러나 일반적으로 “질소 연소”라고 하는 액체 Mg 합금에서 질소가 더 쉽게 소모될 것입니다 [66] ).

동반된 가스와 주변 액체 Mg-합금 사이의 반응은 동반된 가스를 산화막 내에서 고체 화합물(예: MgO)로 전환하여 동반 결함의 공극 부피를 감소시켜 결함(예: 공기의 동반된 가스가 주변의 액체 Mg 합금에 의해 고갈되면 용융 온도가 700 °C이고 액체 Mg 합금의 깊이가 10 cm라고 가정할 때 최종 고체 제품의 총 부피는 0.044가 됩니다. 갇힌 공기가 취한 초기 부피의 %).

연행 결함의 보이드 부피 감소와 해당 주조 특성 사이의 관계는 알루미늄 합금 주조에서 널리 연구되었습니다. Nyahumwa와 Campbell [16] 은 HIP(Hot Isostatic Pressing) 공정이 Al-합금 주물의 연행 결함이 붕괴되고 산화물 표면이 접촉하게 되었다고 보고했습니다. 주물의 피로 수명은 HIP 이후 개선되었습니다. Nyahumwa와 Campbell [16] 도 서로 접촉하고 있는 이중 산화막의 잠재적인 결합을 제안했지만 이를 뒷받침하는 직접적인 증거는 없었습니다. 이 결합 현상은 Aryafar et.al에 의해 추가로 조사되었습니다. [8], 그는 강철 튜브에서 산화물 스킨이 있는 두 개의 Al-합금 막대를 다시 녹인 다음 응고된 샘플에 대해 인장 강도 테스트를 수행했습니다. 그들은 Al-합금 봉의 산화물 스킨이 서로 강하게 결합되어 용융 유지 시간이 연장됨에 따라 더욱 강해짐을 발견했으며, 이는 이중 산화막 내 동반된 가스의 소비로 인한 잠재적인 “치유” 현상을 나타냅니다. 구조. 또한 Raidszadeh와 Griffiths [9 , 19] 는 연행 가스가 반응하는 데 더 긴 시간을 갖도록 함으로써 응고 전 용융 유지 시간을 연장함으로써 Al-합금 주물의 재현성에 대한 연행 결함의 부정적인 영향을 성공적으로 줄였습니다. 주변이 녹습니다.

앞서 언급한 연구를 고려할 때, Mg 합금 주물에서 혼입 가스의 소비는 다음 두 가지 방식으로 혼입 결함의 부정적인 영향을 감소시킬 수 있습니다.

(1) 이중 산화막의 결합 현상 . 도 5 및 도 7 에 도시 된 샌드위치형 구조 는 이중 산화막 구조의 잠재적인 결합을 나타내었다. 그러나 산화막의 결합으로 인한 강도 증가를 정량화하기 위해서는 더 많은 증거가 필요합니다.

(2) 연행 결함의 보이드 체적 감소 . 주조품의 품질에 대한 보이드 부피 감소의 긍정적인 효과는 HIP 프로세스 [67]에 의해 널리 입증되었습니다 . 섹션 4.1 – 4.2 에서 논의된 진화 과정과 같이 , 동반된 가스와 주변 AZ91 합금 용융물 사이의 지속적인 반응으로 인해 동반 결함의 산화막이 함께 성장할 수 있습니다. 최종 고체 생성물의 부피는 동반된 기체에 비해 상당히 작았다(즉, 이전에 언급된 바와 같이 0.044%).

따라서, 혼입 가스의 소모율(즉, 산화막의 성장 속도)은 AZ91 합금 주물의 품질을 향상시키는 중요한 매개변수가 될 수 있습니다. 이에 따라 산화 셀의 산화막 성장 속도를 추가로 조사했습니다.

도 14 는 상이한 커버 가스(즉, 0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 ) 에서의 표면 필름 성장 속도의 비교를 보여준다 . 필름 두께 측정을 위해 각 샘플의 15개의 임의 지점을 선택했습니다. 95% 신뢰구간(95%CI)은 막두께의 변화가 가우시안 분포를 따른다는 가정하에 계산하였다. 0.5%SF 6 /air 에서 형성된 모든 표면막이 0.5%SF 6 /CO 2 에서 형성된 것보다 빠르게 성장함을 알 수 있다 . 다른 성장률은 0.5%SF 6 /air 의 연행 가스 소비율 이 0.5%SF 6 /CO 2 보다 더 높음 을 시사했습니다., 이는 동반된 가스의 소비에 더 유리했습니다.

그림 14

산화 셀에서 액체 AZ91 합금과 커버 가스의 접촉 면적(즉, 도가니의 크기)은 많은 양의 용융물과 가스를 고려할 때 상대적으로 작았다는 점에 유의해야 합니다. 결과적으로, 산화 셀 내에서 산화막 성장을 위한 유지 시간은 비교적 길었다(즉, 5-30분). 하지만, 실제 주조에 함유 된 혼입 결함은 (상대적으로 매우 적은, 즉, 수 미크론의 크기에 도시 된 바와 같이 ,도 3. – 6 및 [7]), 동반된 가스는 주변 용융물로 완전히 둘러싸여 상대적으로 큰 접촉 영역을 생성합니다. 따라서 커버 가스와 AZ91 합금 용융물의 반응 시간은 비교적 짧을 수 있습니다. 또한 실제 Mg 합금 모래 주조의 응고 시간은 몇 분일 수 있습니다(예: Guo [68] 은 직경 60mm의 Mg 합금 모래 주조가 응고되는 데 4분이 필요하다고 보고했습니다). 따라서 Mg-합금 용융주조 과정에서 포획된 동반된 가스는 특히 응고 시간이 긴 모래 주물 및 대형 주물의 경우 주변 용융물에 의해 쉽게 소모될 것으로 예상할 수 있습니다.

따라서, 동반 가스의 다른 소비율과 관련된 다른 커버 가스(0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 )가 최종 주물의 재현성에 영향을 미칠 수 있습니다. 이 가정을 검증하기 위해 0.5%SF 6 /air 및 0.5%SF 6 /CO 2 에서 생산된 AZ91 주물 을 기계적 평가를 위해 테스트 막대로 가공했습니다. Weibull 분석은 선형 최소 자승(LLS) 방법과 비선형 최소 자승(비 LLS) 방법을 모두 사용하여 수행되었습니다 [69] .

그림 15 (ab)는 LLS 방법으로 얻은 UTS 및 AZ91 합금 주물의 연신율의 전통적인 2-p 선형 Weibull 플롯을 보여줍니다. 사용된 추정기는 P= (i-0.5)/N이며, 이는 모든 인기 있는 추정기 중 가장 낮은 편향을 유발하는 것으로 제안되었습니다 [69 , 70] . SF 6 /air 에서 생산된 주물 은 UTS Weibull 계수가 16.9이고 연신율 Weibull 계수가 5.0입니다. 대조적으로, SF 6 /CO 2 에서 생산된 주물의 UTS 및 연신 Weibull 계수는 각각 7.7과 2.7로, SF 6 /CO 2 에 의해 보호된 주물의 재현성이 SF 6 /air 에서 생산된 것보다 훨씬 낮음을 시사합니다. .

그림 15

또한 저자의 이전 출판물 [69] 은 선형화된 Weibull 플롯의 단점을 보여주었으며, 이는 Weibull 추정 의 더 높은 편향과 잘못된 2 중단을 유발할 수 있습니다 . 따라서 그림 15 (cd) 와 같이 Non-LLS Weibull 추정이 수행되었습니다 . SF 6 /공기주조물 의 UTS Weibull 계수 는 20.8인 반면, SF 6 /CO 2 하에서 생산된 주조물의 UTS Weibull 계수는 11.4로 낮아 재현성에서 분명한 차이를 보였다. 또한 SF 6 /air elongation(El%) 데이터 세트는 SF 6 /CO 2 의 elongation 데이터 세트보다 더 높은 Weibull 계수(모양 = 5.8)를 가졌습니다.(모양 = 3.1). 따라서 LLS 및 Non-LLS 추정 모두 SF 6 /공기 주조가 SF 6 /CO 2 주조 보다 더 높은 재현성을 갖는다고 제안했습니다 . CO 2 대신 공기를 사용 하면 혼입된 가스의 더 빠른 소비에 기여하여 결함 내의 공극 부피를 줄일 수 있다는 방법을 지원합니다 . 따라서 0.5%SF 6 /CO 2 대신 0.5%SF 6 /air를 사용 하면(동반된 가스의 소비율이 증가함) AZ91 주물의 재현성이 향상되었습니다.

그러나 모든 Mg 합금 주조 공장이 현재 작업에서 사용되는 주조 공정을 따랐던 것은 아니라는 점에 유의해야 합니다. Mg의 합금 용탕 본 작업은 탈기에 따라서, 동반 가스의 소비에 수소의 영향을 감소 (즉, 수소 잠재적 동반 가스의 고갈 억제, 동반 된 기체로 확산 될 수있다 [7 , 71 , 72] ). 대조적으로, 마그네슘 합금 주조 공장에서는 마그네슘을 주조할 때 ‘가스 문제’가 없고 따라서 인장 특성에 큰 변화가 없다고 널리 믿어지기 때문에 마그네슘 합금 용융물은 일반적으로 탈기되지 않습니다 [73] . 연구에 따르면 Mg 합금 주물의 기계적 특성에 대한 수소의 부정적인 영향 [41 ,42 , 73] , 탈기 공정은 마그네슘 합금 주조 공장에서 여전히 인기가 없습니다.

또한 현재 작업에서 모래 주형 공동은 붓기 전에 SF 6 커버 가스 로 플러싱되었습니다 [22] . 그러나 모든 Mg 합금 주조 공장이 이러한 방식으로 금형 캐비티를 플러싱한 것은 아닙니다. 예를 들어, Stone Foundry Ltd(영국)는 커버 가스 플러싱 대신 유황 분말을 사용했습니다. 그들의 주물 내의 동반된 가스 는 보호 가스라기 보다는 SO 2 /공기일 수 있습니다 .

따라서 본 연구의 결과는 CO 2 대신 공기를 사용 하는 것이 최종 주조의 재현성을 향상시키는 것으로 나타났지만 다른 산업용 Mg 합금 주조 공정과 관련하여 캐리어 가스의 영향을 확인하기 위해서는 여전히 추가 조사가 필요합니다.

7 . 결론

1.

AZ91 합금에 형성된 연행 결함이 관찰되었습니다. 그들의 산화막은 단층과 다층의 두 가지 유형의 구조를 가지고 있습니다. 다층 산화막은 함께 성장하여 최종 주조에서 샌드위치 같은 구조를 형성할 수 있습니다.2.

실험 결과와 이론적인 열역학적 계산은 모두 갇힌 가스의 불화물이 황을 소비하기 전에 고갈되었음을 보여주었습니다. 이중 산화막 결함의 3단계 진화 과정이 제안되었습니다. 산화막은 진화 단계에 따라 다양한 화합물 조합을 포함했습니다. SF 6 /air 에서 형성된 결함 은 SF 6 /CO 2 에서 형성된 것과 유사한 구조를 갖지만 산화막의 조성은 달랐다. 엔트레인먼트 결함의 산화막 형성 및 진화 과정은 이전에 보고된 Mg 합금 표면막(즉, MgF 2 이전에 형성된 MgO)의 것과 달랐다 .삼.

산화막의 성장 속도는 SF하에 큰 것으로 입증되었다 (6) / SF보다 공기 6 / CO 2 손상 봉입 가스의 빠른 소비에 기여한다. AZ91 합금 주물의 재현성은 SF 6 /CO 2 대신 SF 6 /air를 사용할 때 향상되었습니다 .

감사의 말

저자는 EPSRC LiME 보조금 EP/H026177/1의 자금 지원 과 WD Griffiths 박사와 Adrian Carden(버밍엄 대학교)의 도움을 인정합니다. 주조 작업은 University of Birmingham에서 수행되었습니다.

참조
[1]
MK McNutt , SALAZAR K.
마그네슘, 화합물 및 금속, 미국 지질 조사국 및 미국 내무부
레 스톤 , 버지니아 ( 2013 )
Google 학술검색
[2]
마그네슘
화합물 및 금속, 미국 지질 조사국 및 미국 내무부
( 1996 )
Google 학술검색
[삼]
I. Ostrovsky , Y. Henn
ASTEC’07 International Conference-New Challenges in Aeronautics , Moscow ( 2007 ) , pp. 1 – 5
8월 19-22일
Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[4]
Y. Wan , B. Tang , Y. Gao , L. Tang , G. Sha , B. Zhang , N. Liang , C. Liu , S. Jiang , Z. Chen , X. Guo , Y. Zhao
액타 메이터. , 200 ( 2020 ) , 274 – 286 페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[5]
JTJ Burd , EA Moore , H. Ezzat , R. Kirchain , R. Roth
적용 에너지 , 283 ( 2021 ) , 제 116269 조
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[6]
AM 루이스 , JC 켈리 , 조지아주 Keoleian
적용 에너지 , 126 ( 2014 ) , pp. 13 – 20
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[7]
J. 캠벨
주물
버터워스-하이네만 , 옥스퍼드 ( 2004 )
Google 학술검색
[8]
M. Aryafar , R. Raiszadeh , A. Shalbafzadeh
J. 메이터. 과학. , 45 ( 2010 년 ) , PP. (3041) – 3051
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[9]
R. 라이자데 , WD 그리피스
메탈. 메이터. 트랜스. B-프로세스 메탈. 메이터. 프로세스. 과학. , 42 ( 2011 ) , 133 ~ 143페이지
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[10]
R. 라이자데 , WD 그리피스
J. 합금. Compd. , 491 ( 2010 ) , 575 ~ 580 쪽
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[11]
L. Peng , G. Zeng , TC Su , H. Yasuda , K. Nogita , CM Gourlay
JOM , 71 ( 2019 ) , pp. 2235 – 2244
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[12]
S. Ganguly , AK Mondal , S. Sarkar , A. Basu , S. Kumar , C. Blawert
코로스. 과학. , 166 ( 2020 )
[13]
GE Bozchaloei , N. Varahram , P. Davami , SK 김
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 548 ( 2012 ) , 99 ~ 105페이지
Scopus에서 레코드 보기
[14]
S. 폭스 , J. 캠벨
Scr. 메이터. , 43 ( 2000 ) , PP. 881 – 886
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[15]
M. 콕스 , RA 하딩 , J. 캠벨
메이터. 과학. 기술. , 19 ( 2003 ) , 613 ~ 625페이지
Scopus에서 레코드 보기
[16]
C. Nyahumwa , NR Green , J. Campbell
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 32 ( 2001 ) , 349 ~ 358 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[17]
A. Ardekhani , R. Raiszadeh
J. 메이터. 영어 공연하다. , 21 ( 2012 ) , pp. 1352 – 1362
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[18]
X. Dai , X. Yang , J. Campbell , J. Wood
메이터. 과학. 기술. , 20 ( 2004 ) , 505 ~ 513 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[19]
EM 엘갈라드 , MF 이브라힘 , HW 도티 , FH 사무엘
필로스. 잡지. , 98 ( 2018 ) , PP. 1337 – 1359
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[20]
WD 그리피스 , NW 라이
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 38A ( 2007 ) , PP. 190 – 196
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[21]
AR Mirak , M. Divandari , SMA Boutorabi , J. 캠벨
국제 J. 캐스트 만났습니다. 해상도 , 20 ( 2007 ) , PP. 215 – 220
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[22]
C. 칭기
주조공학 연구실
Helsinki University of Technology , Espoo, Finland ( 2006 )
Google 학술검색
[23]
Y. Jia , J. Hou , H. Wang , Q. Le , Q. Lan , X. Chen , L. Bao
J. 메이터. 프로세스. 기술. , 278 ( 2020 ) , 제 116542 조
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[24]
S. Ouyang , G. Yang , H. Qin , S. Luo , L. Xiao , W. Jie
메이터. 과학. 영어 A , 780 ( 2020 ) , 제 139138 조
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[25]
에스엠. Xiong , X.-F. 왕
트랜스. 비철금속 사회 중국 , 20 ( 2010 ) , pp. 1228 – 1234
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[26]
지브이리서치
그랜드뷰 리서치
( 2018 )
미국
Google 학술검색
[27]
T. 리 , J. 데이비스
메탈. 메이터. 트랜스. , 51 ( 2020 ) , PP. 5,389 – (5400)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[28]
JF Fruehling, 미시간 대학, 1970.
Google 학술검색
[29]
S. 쿨링
제36회 세계 마그네슘 연례 회의 , 노르웨이 ( 1979 ) , pp. 54 – 57
Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[30]
S. Cashion , N. Ricketts , P. Hayes
J. 가벼운 만남. , 2 ( 2002 ) , 43 ~ 47페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[31]
S. Cashion , N. Ricketts , P. Hayes
J. 가벼운 만남. , 2 ( 2002 ) , PP. 37 – 42
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[32]
K. Aarstad , G. Tranell , G. Pettersen , TA Engh
SF6에 의해 보호되는 마그네슘의 표면을 연구하는 다양한 기술
TMS ( 2003년 )
Google 학술검색
[33]
에스엠 Xiong , X.-L. 리우
메탈. 메이터. 트랜스. , 38 ( 2007 년 ) , PP. (428) – (434)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[34]
T.-S. 시 , J.-B. Liu , P.-S. 웨이
메이터. 화학 물리. , 104 ( 2007 ) , 497 ~ 504페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[35]
G. Pettersen , E. Øvrelid , G. Tranell , J. Fenstad , H. Gjestland
메이터. 과학. 영어 , 332 ( 2002 ) , PP. (285) – (294)
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[36]
H. Bo , LB Liu , ZP Jin
J. 합금. Compd. , 490 ( 2010 ) , 318 ~ 325 쪽
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[37]
A. 미락 , C. 데이비슨 , J. 테일러
코로스. 과학. , 52 ( 2010 ) , PP. 1992 년 – 2000
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[38]
BD 리 , UH 부리 , KW 리 , GS 한강 , JW 한
메이터. 트랜스. , 54 ( 2013 ) , 66 ~ 73페이지
Scopus에서 레코드 보기
[39]
WZ Liang , Q. Gao , F. Chen , HH Liu , ZH Zhao
China Foundry , 9 ( 2012 ) , pp. 226 – 230
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[40]
UI 골드슐레거 , EY 샤피로비치
연소. 폭발 충격파 , 35 ( 1999 ) , 637 ~ 644페이지
Scopus에서 레코드 보기
[41]
A. Elsayed , SL Sin , E. Vandersluis , J. Hill , S. Ahmad , C. Ravindran , S. Amer Foundry
트랜스. 오전. 파운드리 Soc. , 120 ( 2012 ) , 423 ~ 429페이지
Scopus에서 레코드 보기
[42]
E. Zhang , GJ Wang , ZC Hu
메이터. 과학. 기술. , 26 ( 2010 ) , 1253 ~ 1258페이지
Scopus에서 레코드 보기
[43]
NR 그린 , J. 캠벨
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 173 ( 1993 ) , 261 ~ 266 쪽
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[44]
C 라일리 , MR 졸리 , NR 그린
MCWASP XII 논문집 – 주조, 용접 및 고급 Solidifcation 프로세스의 12 모델링 , 밴쿠버, 캐나다 ( 2009 )
Google 학술검색
[45]
HE Friedrich, BL Mordike, Springer, 독일, 2006.
Google 학술검색
[46]
C. Zheng , BR Qin , XB Lou
기계, 산업 및 제조 기술에 관한 2010 국제 회의 , ASME ( 2010 ) , pp. 383 – 388
2010년 미트
교차 참조Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[47]
SM Xiong , XF 왕
트랜스. 비철금속 사회 중국 , 20 ( 2010 ) , pp. 1228 – 1234
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[48]
SM Xiong , XL Liu
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 38A ( 2007 ) , PP. (428) – (434)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[49]
TS Shih , JB Liu , PS Wei
메이터. 화학 물리. , 104 ( 2007 ) , 497 ~ 504페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[50]
K. Aarstad , G. Tranell , G. Pettersen , TA Engh
매그. 기술. ( 2003 ) , PP. (5) – (10)
Scopus에서 레코드 보기
[51]
G. Pettersen , E. Ovrelid , G. Tranell , J. Fenstad , H. Gjestland
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 332 ( 2002 ) , 285 ~ 294페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[52]
XF 왕 , SM Xiong
코로스. 과학. , 66 ( 2013 ) , PP. 300 – 307
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[53]
SH Nie , SM Xiong , BC Liu
메이터. 과학. 영어 A-구조체. 메이터. 소품 Microstruct. 프로세스. , 422 ( 2006 ) , 346 ~ 351페이지
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[54]
C. Bauer , A. Mogessie , U. Galovsky
Zeitschrift 모피 Metallkunde , 97 ( 2006 ) , PP. (164) – (168)
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[55]
QG 왕 , D. Apelian , DA Lados
J. 가벼운 만남. , 1 ( 2001 ) , PP. (73) – 84
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[56]
S. Wang , Y. Wang , Q. Ramasse , Z. Fan
메탈. 메이터. 트랜스. , 51 ( 2020 ) , PP. 2957 – 2974
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[57]
S. Hayashi , W. Minami , T. Oguchi , HJ Kim
카그. 코그. 론분슈 , 35 ( 2009 ) , 411 ~ 415페이지
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[58]
K. 아르스타드
노르웨이 과학 기술 대학교
( 2004년 )
Google 학술검색
[59]
RL 윌킨스
J. Chem. 물리. , 51 ( 1969 ) , p. 853
-&
Scopus에서 레코드 보기
[60]
O. Kubaschewski , K. Hesselemam
무기물의 열화학적 성질
Springer-Verlag , 벨린 ( 1991 )
Google 학술검색
[61]
R. Schmidt , M. Strobele , K. Eichele , HJ Meyer
유로 J. Inorg. 화학 ( 2017 ) , PP. 2727 – 2735
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[62]
B. Hu , Y. Du , H. Xu , W. Sun , WW Zhang , D. Zhao
제이민 메탈. 분파. B-금속. , 46 ( 2010 ) , 97 ~ 103페이지
Scopus에서 레코드 보기
[63]
O. Salas , H. Ni , V. Jayaram , KC Vlach , CG Levi , R. Mehrabian
J. 메이터. 해상도 , 6 ( 1991 ) , 1964 ~ 1981페이지
Scopus에서 레코드 보기
[64]
SSS Kumari , UTS Pillai , BC 빠이
J. 합금. Compd. , 509 ( 2011 ) , pp. 2503 – 2509
기사PDF 다운로드Scopus에서 레코드 보기
[65]
H. Scholz , P. Greil
J. 메이터. 과학. , 26 ( 1991 ) , 669 ~ 677 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[66]
P. Biedenkopf , A. Karger , M. Laukotter , W. Schneider
매그. 기술. , 2005년 ( 2005년 ) , 39 ~ 42 쪽
Scopus에서 레코드 보기
[67]
HV 앳킨슨 , S. 데이비스
메탈. 메이터. 트랜스. , 31 ( 2000 ) , PP. 2981 – 3000
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[68]
EJ Guo , L. Wang , YC Feng , LP Wang , YH Chen
J. 썸. 항문. 칼로리. , 135 ( 2019 ) , PP. 2001 년 – 2008 년
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[69]
T. Li , WD Griffiths , J. Chen
메탈. 메이터. 트랜스. A-Phys. 메탈. 메이터. 과학. , 48A ( 2017 ) , PP. 5516 – 5528
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[70]
M. Tiryakioglu , D. Hudak는
J. 메이터. 과학. , 42 ( 2007 ) , pp. 10173 – 10179
교차 참조Scopus에서 레코드 보기
[71]
Y. Yue , WD Griffiths , JL Fife , NR Green
제1회 3d 재료과학 국제학술대회 논문집 ( 2012 ) , pp. 131 – 136
교차 참조Scopus에서 레코드 보기Google 학술검색
[72]
R. 라이자데 , WD 그리피스
메탈. 메이터. 트랜스. B-프로세스 메탈. 메이터. 프로세스. 과학. , 37 ( 2006 ) , PP. (865) – (871)
Scopus에서 레코드 보기
[73]
ZC Hu , EL Zhang , SY Zeng
메이터. 과학. 기술. , 24 ( 2008 ) , 1304 ~ 1308페이지
교차 참조Scopus에서 레코드 보기

Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of(a)700 μm,(b)1000 μm, and(c)1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively

추가 생산용 전자빔 조사에 의한 316L 스테인리스 용융 · 응고 거동

Melting and Solidification Behavior of 316L Steel Induced by Electron-Beam Irradiation for Additive Manufacturing

付加製造用電子ビーム照射による 316L ステンレス鋼の溶融・凝固挙動

奥 川 将 行*・宮 田 雄一朗*・王     雷*・能 勢 和 史*
小 泉 雄一郎*・中 野 貴 由*
Masayuki OKUGAWA, Yuichiro MIYATA, Lei WANG, Kazufumi NOSE,
Yuichiro KOIZUMI and Takayoshi NAKANO

Abstract

적층 제조(AM) 기술은 복잡한 형상의 3D 부품을 쉽게 만들고 미세 구조 제어를 통해 재료 특성을 크게 제어할 수 있기 때문에 많은 관심을 받았습니다. PBF(Powderbed fusion) 방식의 AM 공정에서는 금속 분말을 레이저나 전자빔으로 녹이고 응고시키는 과정을 반복하여 3D 부품을 제작합니다.

일반적으로 응고 미세구조는 Hunt[Mater. 과학. 영어 65, 75(1984)]. 그러나 CET 이론이 일반 316L 스테인리스강에서도 높은 G와 R로 인해 PBF형 AM 공정에 적용될 수 있을지는 불확실하다.

본 연구에서는 미세구조와 응고 조건 간의 관계를 밝히기 위해 전자빔 조사에 의해 유도된 316L 강의 응고 미세구조를 분석하고 CtFD(Computational Thermal-Fluid Dynamics) 방법을 사용하여 고체/액체 계면에서의 응고 조건을 평가했습니다.

CET 이론과 반대로 높은 G 조건에서 등축 결정립이 종종 형성되는 것으로 밝혀졌다. CtFD 시뮬레이션은 약 400 mm s-1의 속도까지 유체 흐름이 있음을 보여 주며 수상 돌기의 파편 및 이동의 영향으로 등축 결정립이 형성됨을 시사했습니다.

Additive manufacturing(AM)technologies have attracted much attention because it enables us to build 3D parts with complicated geometry easily and control material properties significantly via the control of microstructures. In the powderbed fusion(PBF)type AM process, 3D parts are fabricated by repeating a process of melting and solidifying metal powders by laser or electron beams. In general, the solidification microstructures can be predicted from solidification conditions defined by the combination of temperature gradient G and solidification rate R on the basis of columnar-equiaxed transition(CET)theory proposed by Hunt [Mater. Sci. Eng. 65, 75(1984)]. However, it is unclear whether the CET theory can be applied to the PBF type AM process because of the high G and R, even for general 316L stainless steel. In this study, to reveal relationships between microstructures and solidification conditions, we have analyzed solidification microstructures of 316L steel induced by electronbeam irradiation and evaluated solidification conditions at the solid/liquid interface using a computational thermal-fluid dynamics (CtFD)method. It was found that equiaxed grains were often formed under high G conditions contrary to the CET theory. CtFD simulation revealed that there is a fluid flow up to a velocity of about 400 mm s-1, and suggested that equiaxed grains are formed owing to the effect of fragmentations and migrations of dendrites.

Keywords

Additive Manufacturing, 316L Stainless Steel, Powder Bed Fusion, Electron Beam Melting, Computational Thermal
Fluid Dynamics Simulation

Fig. 1 Width, height, and height differences calculated from laser microscope analysis of melt tracks formed by scanning electron beam. Fig. 2(a)Scanning electron microscope(SEM)image and(b) corresponding electron back-scattering diffraction(EBSD) IPF-map taken from the electron-beam irradiated region in P900-V100 sample. Fig. 3 Average grain size and their aspect ratio calculated from EBSD IPF-map taken from the electron-beam irradiated region.
Fig. 1 Width, height, and height differences calculated from laser microscope analysis of melt tracks formed by scanning electron beam. Fig. 2(a)Scanning electron microscope(SEM)image and(b) corresponding electron back-scattering diffraction(EBSD) IPF-map taken from the electron-beam irradiated region in P900-V100 sample. Fig. 3 Average grain size and their aspect ratio calculated from EBSD IPF-map taken from the electron-beam irradiated region.
Fig. 4 Comparison of experimental SEM image and computational thermal fluid dynamics(CtFD)simulated melt pool with a beam diameter of 700 μm and absorption rates of(a)0.3,(b)0.5, and (c)0.7. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively.
Fig. 4 Comparison of experimental SEM image and computational thermal fluid dynamics(CtFD)simulated melt pool with a beam diameter of 700 μm and absorption rates of(a)0.3,(b)0.5, and (c)0.7. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively.
Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of(a)700 μm,(b)1000 μm, and(c)1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively
Fig. 5 Comparison of experimental SEM image and CtFD simulated melt pool with beam diameters of(a)700 μm,(b)1000 μm, and(c)1300 μm and an absorption rate of 0.3. Electron beam power and scan speed are 900 W and 100 mm s-1, respectively
Fig. 6 Depth of melt tracks calculated from experimental SEM image and CtFD simulation results.
Fig. 6 Depth of melt tracks calculated from experimental SEM image and CtFD simulation results.
Fig. 7 G-R plots of 316L steel colored by(a)aspect ratio of crystalline grains and(b)fluid velocity.
Fig. 7 G-R plots of 316L steel colored by(a)aspect ratio of crystalline grains and(b)fluid velocity.
Fig. 8 Comparison of solidification microstructure(EBSD IPF-map)of melt region formed by scanning electron beam and corresponding snap shot of CtFD simulation colored by fluid velocity
Fig. 8 Comparison of solidification microstructure(EBSD IPF-map)of melt region formed by scanning electron beam and corresponding snap shot of CtFD simulation colored by fluid velocity

References

1) M.C. Sow, T. De Terris, O. Castelnau, Z. Hamouche, F. Coste, R.
Fabbro and P. Peyre: “Influence of beam diameter on Laser Powder

Bed Fusion(L-PBF)process”, Addit. Manuf. 36(2020), 101532.
2) J.C. Simmons, X. Chen, A. Azizi, M.A. Daeumer, P.Y. Zavalij, G.
Zhou and S.N. Schiffres: “Influence of processing and microstructure
on the local and bulk thermal conductivity of selective laser melted
316L stainless steel”, Addit. Manuf. 32(2020), 100996.
3) S. Dryepondt, P. Nandwana, P. Fernandez-Zelaia and F. List:
“Microstructure and High Temperature Tensile properties of 316L
Fabricated by Laser Powder-Bed Fusion”, Addit. Manuf. 37(2020),
101723.
4) S.H. Sun, T. Ishimoto, K. Hagihara, Y. Tsutsumi, T. Hanawa and T.
Nakano: “Excellent mechanical and corrosion properties of austenitic
stainless steel with a unique crystallographic lamellar microstructure
via selective laser melting”, Scr. Mater. 159(2019), 89-93.
5) T. Ishimoto, S. Wu, Y. Ito, S.H. Sun, H. Amano and T. Nakano:
“Crystallographic orientation control of 316L austenitic stainless
steel via selective laser melting”, ISIJ Int. 60(2020), 1758-1764.
6) T. Ishimoto, K. Hagihara, K. Hisamoto, S.H. Sun and T. Nakano:
“Crystallographic texture control of beta-type Ti-15Mo-5Zr3Al alloy by selective laser melting for the development of novel
implants with a biocompatible low Young’s modulus”, Scr. Mater.
132(2017), 34-38.
7) X. Ding, Y. Koizumi, D. Wei and A. Chiba: “Effect of process
parameters on melt pool geometry and microstructure development
for electron beam melting of IN718: A systematic single bead
analysis study”, Addit. Manuf. 26(2019), 215-226.
8) K. Karayagiz, L. Johnson, R. Seede, V. Attari, B. Zhang, X. Huang,
S. Ghosh, T. Duong, I. Karaman, A. Elwany and R. Arróyave: “Finite
interface dissipation phase field modeling of Ni-Nb under additive
manufacturing conditions”, Acta Mater. 185(2020), 320-339.
9) M.M. Kirka, Y. Lee, D.A. Greeley, A. Okello, M.J. Goin, M.T.
Pearce and R.R. Dehoff: “Strategy for Texture Management in
Metals Additive Manufacturing”, JOM, 69(2017), 523-531.
10) S.S. Babu, N. Raghavan, J. Raplee, S.J. Foster, C. Frederick, M.
Haines, R. Dinwiddie, M.K. Kirka, A. Plotkowski, Y. Lee and
R.R. Dehoff: “Additive Manufacturing of Nickel Superalloys:
Opportunities for Innovation and Challenges Related to
Qualification”, Metall. Mater. Trans. A. 49(2018), 3764-3780.
11) M.R. Gotterbarm, A.M. Rausch and C. Körner: “Fabrication of
Single Crystals through a μ-Helix Grain Selection Process during
Electron Beam Metal Additive Manufacturing”, Metals, 10(2020),
313.
12) J.D.D. Hunt: “Steady state columnar and equiaxed growth of
dendrites and eutectic”, Mater. Sci. Eng. 65(1984), 75-83.
13) S. Bontha, N.W. Klingbeil, P.A. Kobryn and H.L. Fraser: “Effects of
process variables and size-scale on solidification microstructure in
beam-based fabrication of bulky 3D structures”, Mater. Sci. Eng. A.
513-514(2009), 311-318.
14) J. Gockel and J. Beuth: “Understanding Ti-6Al-4V microstructure
control in additive manufacturing via process maps”, 24th Int. SFF
Symp. – An Addit. Manuf. Conf. SFF 2013.(2013), 666-674.
15) B. Schoinochoritis, D. Chantzis and K. Salonitis: “Simulation of
metallic powder bed additive manufacturing processes with the finite
element method: A critical review”, Proc. of Instit. Mech. Eng., Part
B: J. Eng. Manuf. 231(2017), 96-117.
16)小泉雄一郎: “計算機シミュレーションを用いたAdditive
Manufacturing プロセス最適化予測”, スマートプロセス学会誌,
8-4(2019), 132-138.
17) Y. Zhao, Y. Koizumi, K. Aoyagi, D. Wei, K. Yamanaka and A. Chiba:
“Molten pool behavior and effect of fluid flow on solidification
conditions in selective electron beam melting(SEBM)of a
biomedical Co-Cr-Mo alloy”, Addit. Manuf. 26(2019), 202-214.
18) C. Tang, J.L. Tan and C.H. Wong: “A numerical investigation on
the physical mechanisms of single track defects in selective laser
melting”, Int. J. Heat Mass Transf. 126(2018), 957-968.
19) Technical data for Iron, [Online]. Available: http://periodictable.com/
Elements/026/data.html. [Accessed: 8-Feb-2021].
20) N. Raghavan, R. Dehoff, S. Pannala, S. Simunovic, M. Kirka, J.
Turner, N. Carl-son and S.S. Babu: “Numerical modeling of heattransfer and the influence of process parameters on tailoring the grain
morphology of IN718 in electron beam additive manufacturing”,
Acta Mater. 112(2016), 303-314.
21) S. Morita, Y. Miki and K. Toishi: “Introduction of Dendrite
Fragmentation to Microstructure Calculation by Cellular Automaton
Method”, Tetsu-to-Hagane. 104(2018), 559-566.
22) H. Esaka and M. Tamura: “Model Experiment Using Succinonitrile
on the Formation of Equiaxed Grains caused by Forced Convection”,
Tetsu-to-Hagane. 86(2000), 252-258.

The Optimal Operation on Auxiliary Spillway to Minimize the Flood Damage in Downstream River with Various Outflow Conditions

류하천의 영향 최소화를 위한 보조 여수로 최적 활용방안 검토

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., 2006Kim, 2007Kim 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.

(3)

∂u∂t+1VF(uAx∂u∂x+vAy∂v∂y+wAz∂w∂z)=-1ρ∂p∂x+Gx+fx-bx-RSORρVFu

(4)

∂v∂t+1VF(uAx∂u∂x+vAy∂v∂y+wAz∂w∂z)=-1ρ∂p∂y+Gy+fy-by-RSORρVFv

(5)

∂w∂t+1VF(uAx∂u∂x+vAy∂v∂y+wAz∂w∂z)=-1ρ∂p∂z+Gz+fz-bz-RSORρVFw

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.

1) Schoklitsch 공식

Schoklitsch(1934)는 Chezy 유속계수를 적용하여 소류력을 산정하였다.

(6)

τ=γRI=γC2V2

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)MaterialPermissible velocity (Vp, m/s)Permissible Shear (τp, kN/m2)
KoreaRiver Construction Design Practice Guidelines
(MOLIT, 2016)
Vegetated5.00.50
Stone5.00.80
USAASTM D’6460Vegetated6.10.81
Unvegetated5.00.28
JAPANDynamic Design Method of Revetment5.0

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 2Fig. 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

MeshNumbers49,102,500 EA
Increment (m)DirectionExisting SpillwayAuxiliary Spillway
∆X0.99 ~ 4.301.00 ~ 4.30
∆Y0.99 ~ 8.161.00 ~ 5.90
∆Z0.50 ~ 1.220.50 ~ 2.00
Boundary ConditionsXmin / YmaxInflow / Water Surface Elevation
Xmax, Ymin, Zmin / ZmaxWall / Symmetry
Turbulence ModelRNG model
Table 3.

Case of numerical simulation (Qp : Design flood discharge)

CaseExisting Spillway (Qe, m3/s)Auxiliary Spillway (Qa, m3/s)Remarks
1Qp0Reference case
20Qp
300.58QpReview of discharge capacity on
auxiliary spillway
400.48Qp
500.45Qp
600.32Qp
70.50Qp0.50QpDetermination of optimal division
ratio on Spillways
80.61Qp0.39Qp
90.39Qp0.61Qp
100.42Qp0.58Qp
110.32Qp0.45QpDetermination of permissible
division on Spillways
120.35Qp0.48Qp
130.38Qp0.53Qp
140.41Qp0.56Qp
Table 4.

Roughness coefficient and roughness height

CriteriaRoughness coefficient (n)Roughness height (ks, m)
Structure (Concrete)0.0140.00061
River0.0330.10496
/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F1.jpg
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.

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F2.jpg
Fig. 2

Region of interest in this study

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F3.jpg
Fig. 3

Maximum velocity and location of Vmax according to Qa

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F4.jpg
Fig. 4

Maximum shear according to Qa

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F5.jpg
Fig. 5

Maximum water surface elevation and location of ηmax according to Qa

Table 5.

Numerical results for each cases (Case 1 ~ Case 6)

CaseMaximum Velocity
(Vmax, m/s)
Maximum Shear
(τmax, kN/m2)
Evaluation
in terms of Vp
Evaluation
in terms of τp
1
(Qa = 0)
9.150.54No GoodNo Good
2
(Qa = Qp)
8.870.56No GoodNo Good
3
(Qa = 0.58Qp)
6.530.40No GoodNo Good
4
(Qa = 0.48Qp)
6.220.36No GoodNo Good
5
(Qa = 0.45Qp)
4.220.12AccpetAccpet
6
(Qa = 0.32Qp)
4.040.14AccpetAccpet

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.

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F6.jpg
Fig. 6

Maximum velocity on section 1 & 2 according to Qa

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F7.jpg
Fig. 7

Maximum shear on section 1 & 2 according to Qa

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F8.jpg
Fig. 8

Velocity results of FLOW-3D (a: auxiliary spillway operation only , b : simultaneous operation of spillways)

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F9.jpg
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 &amp; Qa)Maximum Velocity (Vmax, m/s)Maximum Shear
(τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of VpEvaluation in terms of τp
Section 1Section 2Section 1Section 2Section 1Section 2Section 1Section 2
7
Qe : 0.50QpQa : 0.50Qp
8.106.230.640.30No GoodNo GoodNo GoodNo Good
8
Qe : 0.61QpQa : 0.39Qp
8.886.410.610.34No GoodNo GoodNo GoodNo Good
9
Qe : 0.39QpQa : 0.61Qp
6.227.330.240.35No GoodNo GoodAcceptNo Good
10
Qe : 0.42QpQa : 0.58Qp
6.394.790.300.19No GoodAcceptNo GoodAccept

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. 10Fig. 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 &amp; Qa)Maximum Velocity
(Vmax, m/s)
Maximum Shear
(τmax, kN/m2)
Evaluation in terms of VpEvaluation in terms of τp
Section 1Section 2Section 1Section 2Section 1Section 2Section 1Section 2
11
Qe : 0.32QpQa : 0.45Qp
3.634.530.090.26AcceptAcceptAcceptAccept
12
Qe : 0.35QpQa : 0.48Qp
5.745.180.230.22No GoodNo GoodAcceptAccept
13
Qe : 0.38QpQa : 0.53Qp
6.704.210.280.11No GoodAcceptAcceptAccept
14
Qe : 0.41QpQa : 0.56Qp
6.545.240.280.24No GoodNo GoodAcceptAccept
/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F10.jpg
Fig. 10

Maximum velocity on section 1 & 2 according to total outflow

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F11.jpg
Fig. 11

Maximum shear on section 1 & 2 according to total outflow

/media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F12.jpg
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

1 Busan Construction and Management Administration (2009). Nakdonggang River Master Plan. Busan: BCMA.
2 Chow, V. T. (1959). Open-channel Hydraulics. McGraw-Hill. New York.
3 Flow Science (2011). Flow3D User Manual. Santa Fe: NM.
4 Jeon, T. M., Kim, H. I., Park, H. S., and Baek, U. I. (2006). Design of Emergency Spillway Using Hydraulic and Numerical Model-ImHa Multipurpose Dam. Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference. 1726-1731.
5 Kim, D. G., Park, S. J., Lee, Y. S., and Hwang, J. H. (2008). Spillway Design by Using Numerical Model Experiment – Case Study of AnDong Multipurpose Dam. Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference. 1604-1608.
6 Kim, J. S. (2007). Comparison of Hydraulic Experiment and Numerical Model on Spillway. Water for Future. 40(4): 74-81.
7 Kim, S. H. and Kim, J. S. (2013). Effect of Chungju Dam Operation for Flood Control in the Upper Han River. Journal of the Korean Society of Civil Engineers. 33(2): 537-548. 10.12652/Ksce.2013.33.2.537
8 K-water (2021). Regulations of Dam Management. Daejeon: K-water.
9 K-water and MOLIT (2004). Report on the Establishment of Basic Plan for the Increasing Flood Capacity and Review of Hydrological Stability of Dams. Sejong: K-water and MOLIT.
10 Lee, J. H., Julien, P. Y., and Thornton, C. I. (2019). Interference of Dual Spillways Operations. Journal of Hydraulic Engineering. 145(5): 1-13. 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001593
11 Li, S., Cain, S., Wosnik, M., Miller, C., Kocahan, H., and Wyckoff, R. (2011). Numerical Modeling of Probable Maximum Flood Flowing through a System of Spillways. Journal of Hydraulic Engineering. 137(1): 66-74. 10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000279
12 MOLIT (2016). Practice Guidelines of River Construction Design. Sejong: MOLIT.
13 MOLIT (2019). Standards of River Design. Sejong: MOLIT.
14 Prime Minister’s Secretariat (2003). White Book on Flood Damage Prevention Measures. Sejong: PMS.
15 Schoklitsch, A. (1934). Der Geschiebetrieb und Die Geschiebefracht. Wasserkraft Wasserwirtschaft. 4: 1-7.
16 Vanoni, V. A. (Ed.). (2006). Sedimentation Engineering. American Society of Civil Engineers. Virginia: ASCE. 10.1061/9780784408230
17 Zeng, J., Zhang, L., Ansar, M., Damisse, E., and González-Castro, J. A. (2017). Applications of Computational Fluid Dynamics to Flow Ratings at Prototype Spillways and Weirs. I: Data Generation and Validation. Journal of Irrigation and Drainage Engineering. 143(1): 1-13. 10.1061/(ASCE)IR.1943-4774.0001112

Korean References Translated from the English

1 건설교통부·한국수자원공사 (2004). 댐의 수문학적 안정성 검토 및 치수능력증대방안 기본계획 수립 보고서. 세종: 국토교통부.
2 국무총리실 수해방지대책단 (2003). 수해방지대책 백서. 세종: 국무총리실.
3 국토교통부 (2016). 하천공사 설계실무요령. 세종: 국토교통부.
4 국토교통부 (2019). 하천설계기준해설. 세종: 국토교통부.
5 김대근, 박선중, 이영식, 황종훈 (2008). 수치모형실험을 이용한 여수로 설계 – 안동다목적댐. 한국수자원학회 학술발표회. 1604-1608.
6 김상호, 김지성 (2013). 충주댐 방류에 따른 댐 상하류 홍수위 영향 분석. 대한토목학회논문집. 33(2): 537-548. 10.12652/Ksce.2013.33.2.537
7 김주성 (2007). 댐 여수로부 수리 및 수치모형실험 비교 고찰. Water for Future. 40(4): 74-81.
8 부산국토관리청 (2009). 낙동강수계 하천기본계획(변경). 부산: 부산국토관리청.
9 전태명, 김형일, 박형섭, 백운일 (2006). 수리모형실험과 수치모의를 이용한 비상여수로 설계-임하댐. 한국수자원학회 학술발표회. 1726-1731.
10 한국수자원공사 (2021). 댐관리 규정. 대전: 한국수자원공사.

Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).

Laser powder bed fusion of 17-4 PH stainless steel: a comparative study on the effect of heat treatment on the microstructure evolution and mechanical properties

17-4 PH 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합: 열처리가 미세조직의 진화 및 기계적 특성에 미치는 영향에 대한 비교 연구

panelS.Saboonia, A.Chaboka, S.Fenga,e, H.Blaauwb, T.C.Pijperb,c, H.J.Yangd, Y.T.Peia
aDepartment of Advanced Production Engineering, Engineering and Technology Institute Groningen, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, The Netherlands
bPhilips Personal Care, Oliemolenstraat 5, 9203 ZN, Drachten, The Netherlands
cInnovation Cluster Drachten, Nipkowlaan 5, 9207 JA, Drachten, The Netherlands
dShi-changxu Innovation Center for Advanced Materials, Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, 72 Wenhua Road, Shenyang 110016, P. R. China
eSchool of Mechanical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing, 100083, P.R. China

Abstract

17-4 PH (precipitation hardening) stainless steel is commonly used for the fabrication of complicated molds with conformal cooling channels using laser powder bed fusion process (L-PBF). However, their microstructure in the as-printed condition varies notably with the chemical composition of the feedstock powder, resulting in different age-hardening behavior. In the present investigation, 17-4 PH stainless steel components were fabricated by L-PBF from two different feedstock powders, and subsequently subjected to different combinations of post-process heat treatments. It was observed that the microstructure in as-printed conditions could be almost fully martensitic or ferritic, depending on the ratio of Creq/Nieq of the feedstock powder. Aging treatment at 480 °C improved the yield and ultimate tensile strengths of the as-printed components. However, specimens with martensitic structures exhibited accelerated age-hardening response compared with the ferritic specimens due to the higher lattice distortion and dislocation accumulation, resulting in the “dislocation pipe diffusion mechanism”. It was also found that the martensitic structures were highly susceptible to the formation of reverted austenite during direct aging treatment, where 19.5% of austenite phase appeared in the microstructure after 15 h of direct aging. Higher fractions of reverted austenite activates the transformation induced plasticity and improves the ductility of heat treated specimens. The results of the present study can be used to tailor the microstructure of the L-PBF printed 17-4 PH stainless steel by post-process heat treatments to achieve a good combination of mechanical properties.

17-4 PH(석출 경화) 스테인리스강은 레이저 분말 베드 융합 공정(L-PBF)을 사용하여 등각 냉각 채널이 있는 복잡한 금형 제작에 일반적으로 사용됩니다. 그러나 인쇄된 상태의 미세 구조는 공급원료 분말의 화학적 조성에 따라 크게 달라지므로 시효 경화 거동이 다릅니다.

현재 조사에서 17-4 PH 스테인리스강 구성요소는 L-PBF에 의해 두 가지 다른 공급원료 분말로 제조되었으며, 이후에 다양한 조합의 후처리 열처리를 거쳤습니다. 인쇄된 상태의 미세구조는 공급원료 분말의 Creq/Nieq 비율에 따라 거의 완전히 마르텐사이트 또는 페라이트인 것으로 관찰되었습니다.

480 °C에서 노화 처리는 인쇄된 구성 요소의 수율과 극한 인장 강도를 개선했습니다. 그러나 마텐자이트 구조의 시편은 격자 변형 및 전위 축적이 높아 페라이트 시편에 비해 시효 경화 반응이 가속화되어 “전위 파이프 확산 메커니즘”이 발생합니다.

또한 마르텐사이트 구조는 직접 시효 처리 중에 복귀된 오스테나이트의 형성에 매우 민감한 것으로 밝혀졌으며, 여기서 15시간의 직접 시효 후 미세 조직에 19.5%의 오스테나이트 상이 나타났습니다.

복귀된 오스테나이트의 비율이 높을수록 변형 유도 가소성이 활성화되고 열처리된 시편의 연성이 향상됩니다. 본 연구의 결과는 기계적 특성의 우수한 조합을 달성하기 위해 후처리 열처리를 통해 L-PBF로 인쇄된 17-4 PH 스테인리스강의 미세 구조를 조정하는 데 사용할 수 있습니다.

Keywords

Laser powder bed fusion17-4 PH stainless steelPost-process heat treatmentAge hardeningReverted austenite

Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).
Fig. 1. Schematic of (a) geometry of the simulation model, (b) A-A cross-section presenting the locations of point probes for recording temperature history (unit: µm).
Fig. 2. Optical (a, b) and TEM (c) micrographs of the wrought 17-4 PH stainless steel.
Fig. 2. Optical (a, b) and TEM (c) micrographs of the wrought 17-4 PH stainless steel.
Fig. 3. EBSD micrographs of the as-printed 17-4 PH steel fabricated with “powder A” (a, b) and “powder B” (c, d) on two different cross sections: (a, c) perpendicular to the building direction, and (b, d) parallel to the building direction.
Fig. 3. EBSD micrographs of the as-printed 17-4 PH steel fabricated with “powder A” (a, b) and “powder B” (c, d) on two different cross sections: (a, c) perpendicular to the building direction, and (b, d) parallel to the building direction.
Fig. 4. Microstructure of the as-printed 17-4 PH stainless steel fabricated with “powder A” (a) and “powder B” (b).
Fig. 4. Microstructure of the as-printed 17-4 PH stainless steel fabricated with “powder A” (a) and “powder B” (b).
Fig. 5. Simulated temperature history of the probes located at the cross section of the L-PBF 17-4 PH steel sample.
Fig. 5. Simulated temperature history of the probes located at the cross section of the L-PBF 17-4 PH steel sample.
Fig. 6. Dependency of the volume fraction of delta ferrite in the final microstructure of L-PBF printed 17-4 PH steel as a function of Creq/Nieq.
Fig. 6. Dependency of the volume fraction of delta ferrite in the final microstructure of L-PBF printed 17-4 PH steel as a function of Creq/Nieq.
Fig. 7. IQ + IPF (left column), parent austenite grain maps (middle column) and phase maps (right column, green color = martensite, red color = austenite) of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a-c) direct aged, (d-f) HIP + aging, (g-i) SA + Aging, and (j-l) HIP + SA + aging (all sample were printed with “powder A”).
Fig. 7. IQ + IPF (left column), parent austenite grain maps (middle column) and phase maps (right column, green color = martensite, red color = austenite) of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a-c) direct aged, (d-f) HIP + aging, (g-i) SA + Aging, and (j-l) HIP + SA + aging (all sample were printed with “powder A”).
Fig. 8. TEM micrographs of the post process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a) direct aging and (b) HIP + aging (printed with “powder A”).
Fig. 8. TEM micrographs of the post process heat treated 17-4 PH stainless steel: (a) direct aging and (b) HIP + aging (printed with “powder A”).
Fig. 9. XRD patterns of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel printed with “powder A”.
Fig. 9. XRD patterns of the post-process heat treated 17-4 PH stainless steel printed with “powder A”.
Fig. 10. (a) Volume fraction of reverted austenite as a function of aging time for “direct aging” condition, (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the 15 h direct aged specimen printed with “powder A”.
Fig. 10. (a) Volume fraction of reverted austenite as a function of aging time for “direct aging” condition, (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the 15 h direct aged specimen printed with “powder A”.
Fig. 11. Microhardness variations of the “direct aged” specimens as a function of aging time at 480 °C.
Fig. 11. Microhardness variations of the “direct aged” specimens as a function of aging time at 480 °C.
Fig. 12. Kernel average misorientation graphs of the as-printed 17-4 PH steel with (a) martensitic structure (printed with “powder A”) and (b) ferritic structure (printed with “powder b”).
Fig. 12. Kernel average misorientation graphs of the as-printed 17-4 PH steel with (a) martensitic structure (printed with “powder A”) and (b) ferritic structure (printed with “powder b”).
Fig. 13. Typical stress-strain curves (a) along with the yield and ultimate tensile strengths (b) and elongation (c) of the as-printed and post-process heat treated 17-4 PH stainless steel (all sample are fabricated with “powder A”).
Fig. 13. Typical stress-strain curves (a) along with the yield and ultimate tensile strengths (b) and elongation (c) of the as-printed and post-process heat treated 17-4 PH stainless steel (all sample are fabricated with “powder A”).
Fig. 14. (a) IQ + IPF and (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the “direct aged” specimen after tensile test at a location nearby the rupture point (tension direction from left to right).
Fig. 14. (a) IQ + IPF and (b) phase map (green color = martensite, red color = austenite) of the “direct aged” specimen after tensile test at a location nearby the rupture point (tension direction from left to right).

References

[1]

P. Bajaj, A. Hariharan, A. Kini, P. Kürnsteiner, D. Raabe, E.A. Jagle

Steels in additive manufacturing: A review of their microstructure and properties

Materials Science and Engineering: A, 772 (2020), Article 138633

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[2]

Y. Sun, R.J. Hebert, M. Aindow

Effect of heat treatments on microstructural evolution of additively manufactured and wrought 17-4PH stainless steel

Mater. Des., 156 (2018), pp. 429-440

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[3]

Zemin Wang, Xulei Fang, Hui Li, Wenqing Liu

Atom Probe Tomographic Characterization of nanoscale cu-rich Precipitates in 17-4 precipitate hardened stainless steel tempered at different temperatures

Microsc. Microanal., 23 (2017), pp. 340-349

View Record in ScopusGoogle Scholar

[4]

C.N. Hsiao, C.S. Chiou, J.R. Yang

Aging reactions in a 17-4 PH stainless steel

Mater. Chem. Phys., 74 (2002), pp. 134-142

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[5]

Hamidreza Riazi, Fakhreddin Ashrafizadeh, Sayed Rahman Hosseini, Reza Ghomashchi

Influence of simultaneous aging and plasma nitriding on fatigue performance of 17-4 PH stainless steel

Mater. Sci. Eng. A, 703 (2017), pp. 262-269

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[6]

M.S. Shinde, K.M. Ashtankar

Additive manufacturing–assisted conformal cooling channels in mold manufacturing processes

Adv. Mech. Eng., 9 (2017), pp. 1-14

View Record in ScopusGoogle Scholar

[7]

A. Armillotta, R. Baraggi, S. Fasoli

SLM tooling for die casting with conformal cooling channels

Int. J. Adv. Manuf. Technol., 71 (2014), pp. 573-583

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[8]

Amar M. Kamat, Yutao Pei

An analytical method to predict and compensate for residual stress-induced deformation in overhanging regions of internal channels fabricated using powder bed fusion

Additive Manufacturing, 29 (2019), Article 100796

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[9]

K.S. Prakash, T. Nancharaih, V.V. Subba Rao

Additive Manufacturing Techniques in Manufacturing – An Overview

Materials Today: Proceedings, 5 (2018), pp. 3873-3882

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[10]

R. Singh, A. Gupta, O. Tripathi, S. Srivastava, B. Singh, A. Awasthi, S.K. Rajput, P. Sonia, P. Singhal, K.K. Saxena

Powder bed fusion process in additive manufacturing: An overview

Materials Today: Proceedings, 26 (2020), pp. 3058-3070

ArticleDownload PDFGoogle Scholar

[11]

L. Zai, Ch Zhang, Y. Wang, W. Guo, D. Wellmann, X. Tong, Y. Tian

Laser Powder Bed Fusion of Precipitation-Hardened Martensitic Stainless Steels: A Review

Metals, 10 (2020), p. 255

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[12]

H. Khalid Rafi, Deepankar Pal, Nachiket Patil, Thomas L. Starr, Brent E. Stucker

Microstructure and Mechanical Behavior of 17-4 Precipitation Hardenable Steel Processed by Selective Laser Melting

J. Mater. Eng. Perf, 23 (2014), pp. 4421-4428

Google Scholar

[13]

A. Yadollahi, N. Shamsaei, S.M. Thompson, A. Elwany, L. Bian

Effects of building orientation and heat treatment on fatigue behavior of selective laser melted 17-4 PH stainless steel

Int. J. Fatigue, 94 (2017), pp. 218-235

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[14]

M. Alnajjar, Frederic Christien, Cedric Bosch, Krzysztof Wolski

A comparative study of microstructure and hydrogen embrittlement of selective laser melted and wrought 17–4 PH stainless steel

Materials Science and Engineering: A, 785 (2020), Article 139363

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[15]

M. Alnajjar, F. Christien, K. Wolski, C. Bosch

Evidence of austenite by-passing in a stainless steel obtained from laser melting additive manufacturing

Addit. Manuf, 25 (2019), pp. 187-195

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[16]

P.D. Nezhadfar, K. Anderson-Wedge, S.R. Daniewicz, N. Phan, Sh Shao, N. Shamsaei

Improved high cycle fatigue performance of additively manufactured 17-4 PH stainless steel via in-process refining micro-/defect-structure

Additive Manufacturing, 36 (2020), Article 101604

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[17]

S. Feng, A.M. Kamat, S. Sabooni, Y. Pei

Experimental and numerical investigation of the origin of surface roughness in laser powder bed fused overhang regions

Virtual and Physical Prototyping, 16 (2021), pp. S66-S84, 10.1080/17452759.2021.1896970

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[18]

W. Liu, J. Ma, M. Mazar Atabaki, R. Pillai, B. Kumar, U. Vasudevan, H. Sreshta, R. Kovacevic

Hybrid Laser-arc Welding of 17-4 PH Martensitic Stainless Steel

Lasers in Manufacturing and Materials Processing, 2 (2015), pp. 74-90

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[19]

J.C. Lippold, D.J. Kotecki

Welding metallurgy and weldability of stainless steels

Wiley (2005)

Google Scholar

[20]

M. Shirdel, H. Mirzadeh, M.H. Parsa

Nano/ultrafine grained austenitic stainless steel through the formation and reversion of deformation-induced martensite: Mechanisms, microstructures, mechanical properties, and TRIP effect

Mater. Charact., 103 (2015), pp. 150-161

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[21]

S. Kou

Solidification and liquation cracking issues in welding

JOM, 55 (2003), pp. 37-42

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[22]

T.J. Lienert, J.C. Lippold

Improved Weldability Diagram for Pulsed Laser Welded Austenitic Stainless Steels

Sci. Technol. Weld. Join., 8 (2003), pp. 1-9

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[23]

Ch Qiu, M. Al Kindi, A.S. Aladawi, I. Al Hatmi

A comprehensive study on microstructure and tensile behaviour of a selectively laser melted stainless steel

Sci. Rep., 8 (2018), p. 7785

View Record in ScopusGoogle Scholar

[24]

P.A. Hooper

Melt pool temperature and cooling rates in laser powder bed fusion

Addit. Manuf, 22 (2018), pp. 548-559

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[25]

T. DebRoy, H.L. Wei, J.S. Zuback, T. Mukherjee, J.W. Elmer, J.O. Milewski, A.M. Beese, A. Wilson-Heid, A. Ded, W. Zhang

Additive manufacturing of metallic components – Process, structure and properties

Prog. Mater. Sci., 92 (2018), pp. 112-224

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[26]

S. Vunnam, A. Saboo, Ch Sudbrack, T.L. Starr

Effect of powder chemical composition on the as-built microstructure of 17- 4 PH stainless steel processed by selective laser melting

Additive Manufacturing, 30 (2019), Article 100876

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[27]

L. Couturier, F. De Geuser, M. Descoins, A. Deschamps

Evolution of the microstructure of a 15-5PH martensitic stainless steel during precipitation hardening heat treatment

Mater. Des., 107 (2016), pp. 416-425

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[28]

C. Cayron, B. Artaud, L. Briottet

Reconstruction of parent grains from EBSD data

Mater. Charact., 57 (2006), pp. 386-401

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[29]

R. Bhambroo, S. Roychowdhury, V. Kain, V.S. Raja

Effect of reverted austenite on mechanical properties of precipitation hardenable 17-4 stainless steel

Mater. Sci. Eng. A, 568 (2013), pp. 127-133

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[30]

T. LeBrun, T. Nakamoto, K. Horikawa, H. Kobayashi

Effect of retained austenite on subsequent thermal processing and resultant mechanical properties of selective laser melted 17–4 PH stainless steel

Mater. Des., 81 (2015), pp. 44-53

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[31]

T.H. Hsu, Y.J. Chang, C.Y. Huang, H.W. Yen, C.P. Chen, K.K. Jen, A.Ch Yeh

Microstructure and property of a selective laser melting process induced oxide dispersion strengthened 17-4 PH stainless steel

J. Alloys. Compd., 803 (2019), pp. 30-41

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[32]

Li Wang, Chaofang Dong, Cheng Man, Decheng Kong, Kui Xiao, Xiaogang Li

Enhancing the corrosion resistance of selective laser melted 15-5 PH martensite stainless steel via heat treatment

Corrosion Science, 166 (2020), Article 108427

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[33]

H. Kimura

Precipitation Behavior and 2-step Aging of 17-4PH Stainless Steel

Tetsu-to-Hagane, 86 (2000), pp. 343-348

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[34]

G. Yeli, M.A. Auger, K. Wilford, G.D.W. Smith, P.A.J. Bagot, M.P. Moody

Sequential nucleation of phases in a 17-4PH steel: Microstructural characterisation and mechanical properties

Acta. Mater., 125 (2017), pp. 38-49

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[35]

J.B. Ferguson, Benjamin F. Schultz, Dev Venugopalan1, Hugo F. Lopez, Pradeep K. Rohatgi, Kyu Cho, Chang-Soo Kim

On the Superposition of Strengthening Mechanisms in Dispersion Strengthened Alloys and Metal-Matrix Nanocomposites: Considerations of Stress and Energy

Met. Mater. Int., 20 (2014), pp. 375-388

CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar

[36]

H. Mirzadeh, A. Najafizadeh

Aging kinetics of 17-4 PH stainless steel

Mater. Chem. Phys., 116 (2009), pp. 119-124

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[37]

L.E. Murr, E. Martinez, J. Hernandez, Sh Collins, K.N. Amato, S.M. Gaytan, P.W. Shindo

Microstructures and Properties of 17-4 PH Stainless Steel Fabricated by Selective Laser Melting

J. Mater. Res. Technol, 1 (2012), pp. 167-177

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

[38]

Y.F. Shen, L.N. Qiu, X. Sun, L. Zuo, P.K. Liaw, D. Raabe

Effects of retained austenite volume fraction, morphology, and carbon content on strength and ductility of nanostructured TRIP-assisted steels

Mater. Sci. Eng. A, 636 (2015), pp. 551-564

ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar

Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (a) Non-submerged flow

Numerical Methods in Civil Engineering

Rasoul Daneshfaraz*, Ehsan Aminvash**, Silvia Di Francesco***, Amir Najibi**, John Abraham****

토목공학의 수치해석법

Abstract

The main purpose of this study is to provide a method to increase energy dissipation on an inclined drop. Therefore, three types of rough elements with cylindrical, triangular and batshaped geometries are used on the inclined slope in the relative critical depth range of 0.128 to 0.36 and the effect of the geometry of these elements is examined using Flow 3D software. The results showed demonstrate that the downstream relative depth obtained from the numerical analysis is in good agreement with the laboratory results. The application of rough elements on the inclined drop increased the downstream relative depth and also the relative energy dissipation. The application of rough elements on the sloping surface of the drop significantly reduced the downstream Froude number, so that the Froude number in all models ranging from 4.7~7.5 to 1.45~3.36 also decreased compared to the plain drop. Bat-shaped elements are structurally smaller in size, so the use of these elements, in addition to dissipating more energy, is also economically viable.

이 연구의 주요 목적은 경사진 낙하에서 에너지 소산을 증가시키는 방법을 제공하는 것입니다. 따라서 0.128 ~ 0.36의 상대 임계 깊이 범위에서 경사면에 원통형, 삼각형 및 박쥐 모양의 형상을 가진 세 가지 유형의 거친 요소가 사용되며 이러한 요소의 형상의 영향은 Flow 3D 소프트웨어를 사용하여 조사됩니다. 결과는 수치 분석에서 얻은 하류 상대 깊이가 실험실 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 경 사진 낙하에 거친 요소를 적용하면 하류 상대 깊이와 상대 에너지 소산이 증가했습니다. 낙차 경사면에 거친 요소를 적용하면 하류의 Froude 수를 크게 감소시켜 4.7~7.5에서 1.45~3.36 범위의 모든 모델에서 Froude 수도 일반 낙차에 비해 감소했습니다. 박쥐 모양의 요소는 구조적으로 크기가 더 작기 때문에 더 많은 에너지를 분산시키는 것 외에도 이러한 요소를 사용하는 것이 경제적으로도 가능합니다.

Keywords: Downstream depth, Energy dissipation, Froude number, Inclined drop, Roughness elements

Introduction

급수 네트워크 시스템, 침식 수로, 수처리 시스템 및 경사가 큰 경우 흐름 에너지를 더 잘 제어하기 위해 경사 방울을 사용할 수 있습니다. 낙하 구조는 지반의 자연 경사를 설계 경사로 변환하여 에너지 소산, 유속 감소 및 수심 증가를 유발합니다. 따라서 흐름의 하류 에너지를 분산 시키기 위해 에너지 분산 구조를 사용할 수 있습니다. 난기류와 혼합된 물과 공기의 형성은 에너지 소비를 증가 시키는 효과적인 방법입니다. 흐름 경로에서 거칠기 요소를 사용하는 것은 에너지 소산을 위한 알려진 방법입니다. 이러한 요소는 흐름 경로에 배치됩니다. 그들은 종종 에너지 소산을 증가시키기 위해 다른 기하학적 구조와 배열을 가지고 있습니다. 이 연구의 목적은 직사각형 경사 방울에 대한 거칠기 요소의 영향을 조사하는 것입니다.

Fig. 1: Model made in Ardabil, Iran
Fig. 1: Model made in Ardabil, Iran
Fig. 2: Geometric and hydraulic parameters of an inclined drop equipped with roughness elements
Fig. 2: Geometric and hydraulic parameters of an inclined drop equipped with roughness elements
Fig. 3: Views of the incline with (a) Bat-shaped, (b) Cylindrical, (c) Triangular roughness elements
Fig. 3: Views of the incline with (a) Bat-shaped, (b) Cylindrical, (c) Triangular roughness elements
Fig. 4: Geometric profile of inclined drop and boundary conditions with the bat-shape roughness element
Fig. 4: Geometric profile of inclined drop and boundary conditions with the bat-shape roughness element
Fig. 5: Variation of the RMSE varying cell size
Fig. 5: Variation of the RMSE varying cell size
Fig. 6: Numerical and laboratory comparison of the downstream relative depth
Fig. 6: Numerical and laboratory comparison of the downstream relative depth
Fig. 7: Flow profile on inclined drop in discharge of 5 L/s: (a) Without roughness elements; (b) Bat-shaped roughness element; (c) Cylindrical roughness element; (d) Triangular roughness element
Fig. 7: Flow profile on inclined drop in discharge of 5 L/s: (a) Without roughness elements; (b) Bat-shaped roughness element; (c) Cylindrical roughness element; (d) Triangular roughness element
Fig. 8: Relative edge depth versus the relative critical depth
Fig. 8: Relative edge depth versus the relative critical depth
Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (a) Non-submerged flow
Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (a) Non-submerged flow
Fig. 9: Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (b) Submerged flow
Fig. 9: Flow on the inclined drop with bat-shaped elements: (b) Submerged flow
Fig. 10: Relative downstream depth versus the relative critical depth
Fig. 10: Relative downstream depth versus the relative critical depth
Fig. 11: Relative downstream depth versus the relative critical depth
Fig. 11: Relative downstream depth versus the relative critical depth

Conclusions

현재 연구에서 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 한 높이, 한 각도, 밀도 15% 및 지그재그 배열에서 삼각형, 원통형 및 박쥐 모양의 형상을 가진 세 가지 유형의 거칠기 요소를 사용하여 경사 낙하 수리학적 매개변수에 대한 거칠기 요소 형상의 영향 평가되었다. VOF 방법을 사용하여 자유 표면 흐름을 시뮬레이션하고 초기에 3개의 난류 모델 RNG, k-ɛ 및 kω를 검증에 사용하고 이를 검토한 후 RNG 방법을 사용하여 다른 모델을 시뮬레이션했습니다. 1- 수치 결과에서 얻은 부드러운 경사 방울의 하류 상대 깊이는 실험실 데이터와 매우 좋은 상관 관계가 있으며 원통형 요소가 장착 된 경사 방울의 상대 에지 깊이 값이 가장 높았습니다. 2- 하류 상대깊이는 임계상대깊이가 증가함에 따라 상승하는 경향을 나타내어 박쥐형 요소를 구비한 경사낙하와 완만한 경사낙하가 각각 하류상대깊이가 가장 높고 가장 낮았다. 3- 하류 깊이의 증가로 인해 상대적 임계 깊이가 증가함에 따라 상대적 에너지 소산이 감소합니다. 한편, 가장 높은 에너지 소산은 박쥐 모양의 요소가 장착된 경사 낙하와 관련이 있으며 가장 낮은 에너지 소산은 부드러운 낙하와 관련이 있습니다. 삼각형, 원통형 및 박쥐 모양의 거친 요소가 장착된 드롭은 부드러운 드롭보다 각각 65%, 76% 및 85% 더 많은 흐름 에너지를 소산합니다. 4- 낙차의 경사면에 거친 요소를 적용하여 다운 스트림 Froude 수를 크게 줄여 4.7 ~ 7.5에서 1.45 ~ 3.36까지의 모든 모델에서 Froude 수가 부드러운 낙하에 비해 감소했습니다. 또한, 다른 원소보다 부피가 작은 박쥐 모양의 거칠기의 부피로 인해 이러한 유형의 거칠기를 사용하는 것이 경제적입니다.

References

References:
[1] Abbaspour, A., Shiravani, P., and Hosseinzadeh dalir, A.,
“Experimental study of the energy dissipation on the rough ramps”,
ISH journal of hydraulic engineering, 2019, p. 1-9.
[2] Abraham, J.P., Sparrow, E.M., Gorman, J.M., Zhao, Y., and
Minkowycz, W.J., “Application of an Intermittency model for
laminar, transitional, and turbulent internal flows”, Journal of
Fluids Engineering, vol. 141, 2019, paper no. 071204.
[3] Ahmad, Z., Petappa, N.M., and Westrich, B., “Energy
dissipation on block ramps with staggered boulders”, Journal of
hydraulic engineering, vol. 135(6), 2009, p. 522-526.
[4] Babaali, H.R., Shamsai, A., and Vosoughifar, H.R.,
“Computational modeling of the hydraulic jump in the stilling
basin with convergence walls using CFD codes”, Arabian Journal
for Science and Engineering, vol. 40(2), 2014, p. 381-395.
[5] Castillo, L.G., Carrillo, J.M., and Cacía, J.T., “Numerical
simulations and laboratory measurements in hydraulic jumps”,
International conference on hydroinformatics. (2014, August) New
York city.
[6] Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Esmaeli, R., Sadeghfam, S.,
and Abraham, J., “Experimental and numerical investigation for
energy dissipation of supercritical flow in sudden contractions”,
Journal of groundwater science and engineering, vol. 8(4), 2020a,
p. 396-406.
[7] Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Ghaderi, A., Kuriqi, A., and
Abraham, J., “Three-dimensional investigation of hydraulic
properties of vertical drop in the presence of step and grid
dissipators”, Symmetry, vol. 13 (5), 2021a, p. 895.
[8] Daneshfaraz, R., Aminvash, E., Ghaderi, A., Abraham, J., and
Bagherzadeh, M., “SVM performance for predicting the effect of
horizontal screen diameters on the hydraulic parameters of a
vertical drop”, Applied sciences, vol. 11 (9), 2021b, p. 4238.
[9] Daneshfaraz, R., Bagherzadeh, M., Esmaeeli, R., Norouzi, R.,
and Abraham, J. “Study of the performance of support vector
machine for predicting vertical drop hydraulic parameters in the
presence of dual horizontal screens”, Water supply, vol 21(1),
2021c, p. 217-231.
[10] Daneshfaraz, R., and Ghaderi, A., “Numerical investigation of
inverse curvature ogee spillways”, Civil engineering journal, vol.
3(11), 2017, p. 1146-1156.
[11] Daneshfaraz, R., Majedi Asl, M., and Bagherzadeh, M.,
“Experimental Investigation of the Energy Dissipation and the
Downstream Relative Depth of Pool in the Sloped Gabion Drop
and the Sloped simple Drop”, AUT Journal of Civil Engineering,
2020b (In persian).
[12] Daneshfaraz, R., Majedi Asl, M., Bazyar, A., Abraham, J.,
Norouzi, R., “The laboratory study of energy dissipation in inclined
drops equipped with a screen”, Journal of Applied Water
Engineering and Research, 2020c, p. 1-10.
[13] Daneshfaraz, R., Minaei, O., Abraham, J., Dadashi, S., and
Ghaderi, A., “3-D Numerical simulation of water flow over a
broad-crested weir with openings”, ISH Journal of Hydraulic
Engineering, 2019, p.1-9.
[14] Daneshfaraz, R., Sadeghfam, S., and Kashani, M., “Numerical
simulation of flow over stepped spillways”, Research in civil
engineering and environmental engineering, vol. 2(4), 2014, p.
190-198.
[15] Ghaderi, A., Abbasi, S., Abraham, J., and Azamathulla, H.M.,
“Efficiency of trapezoidal labyrinth shaped stepped spillways”,
Flow measurement and instrumentation, vol. 72, 2020a.
[16] Ghaderi, A., Daneshfaraz, R., Dasineh, M., and Di Francesco,
S., “Energy dissipation and hydraulics of flow over trapezoidaltriangular labyrinth weirs”, Water, vol. 12(7), 2020b, p. 1-18.
[17] Ghaderi, A., Daneshfaraz, R., Torabi, M., Abraham, and
Azamathulla, H.M. “Experimental investigation on effective
scouring parameters downstream from stepped spillways”, Water
supply, vol. 20(4), 2020c, p. 1-11.
[18] Ghare, A.D., Ingle, R.N., Porey, P.D., and Gokhale, S.S.
“Block ramp design for efficient energy dissipation”, Journal of
energy dissipation, vol. 136(1), 2010, p. 1-5.
[19] Gorman, J.M., Sparrow, E.M., Smith, C.J., Ghoash, A.,
Abraham, J.P., Daneshfaraz, R., Rezezadeh, J., “In-bend pressure
drop and post-bend heat transfer for a bend with partial blockage at
its inlet”, Numerical Heat Transfer A, vol, 73, 2018, p. 743-767.
[20] Jamil, M., and Khan, S.A., “Theorical study of hydraulic jump
in circular channel section”, ISH journal of hydraulic engineering,
vol. 16(1), 2010, p. 1-10.
[21] Katourani, S., and Kashefipour, S.M., “Effect of the geometric
characteristics of baffle on hydraulic flow condition in baffled
apron drop”, Irrigation sciences and engineering, vol. 37(2), 2012,
p. 51-59.
[22] Lai, Y.G., and Wu, K.A., “Three-dimensional flow and
sediment transport model for free surface open channel flow on
unstructured flexible meshes”, Fluids, vol. 4(1), 2019, p. 1-19.

[23] Nayebzadeh, B., Lotfollahi yaghin, M.A., and Daneshfaraz,
R., “Numerical investigation of hydraulic characteristics of vertical
drops with screens and gradually wall expanding”, Amirkabir
journal of civil engineering, 2020 (In Persian).
[24] Nurouzi, R., Daneshfaraz, R., and Bazyar, A., “The study of
energy dissipation due to the use of vertical screen in the
downstream of inclined drop by adaptive Neuro-Fuzzy inference
system (ANFIS)”, AUT journal of civil engineering, 2019, (In
Persian).
[25] Ohtsu, I., and Yasuda, Y., “Hydraulic jump in sloping
channel”, Journal of hydraulic engineering, vol. 117(7), 1991, p.
905-921.
[26] Olsen, L., Abraham, J.P., Cheng, L.K., Gorman, J.M., and
Sparrow, E.M., “Summary of forced-convection fluid flow and
heat transfer for square cylinders of different aspect ratios ranging
from the cube to a two-dimensional cylinder”, Advances in Heat
Transfer, Vol. 51, 2019, p. 351-457.
[27] Pagliara, S., Das, R., and Palermo, M., “Energy dissipation on
submerged block ramps”, Journal of irrigation and drainage
engineering, vol. 134(4), 2008, p.527-532.
[28] Pagliara, S., and Palermo, M., “Effect of stilling basin
geometry on the dissipative process in the presence of block
ramps”, Journal of irrigation and drainage engineering, vol.
138(11), 2012, p. 1027-1031.
[29] Simsek, O., Akoz, M.S, and Soydan, N.G., “Numerical
validation of open channel flow over a curvilinear broad-creasted
weir”, Progress in computational fluid dynamics an international
journal, vol. 16(6), 2016, p. 364-378.
[30] Sharif, N., and Rostami, A., “Experimental and numerical
study of the effect of flow sepration on dissipating energy in
compound bucket”, APCBEE procedia, vol. 9, 2014, p. 334-338.
[31] Sparrow, E.M., Tong, J.C.K., and Abraham, J.P., “Fluid flow
in a system with separate laminar and turbulent zones”, Numerical
Heat Transfer A, vol. 53(4), 2008, p. 341-353.
[32] Sparrow, E.M., Gorman, J.M., Abraham, J.P., and
Minkowycz, W.J., “Validation of turbulence models for numerical
simulation of fluid flow and convective heat transfers”, Advances
in Heat Transfer, vol. 49, 2017, p. 397-421.
[33] Wagner, W.E., “Hydraulic model studies of the check intake
structure-potholes East canal”, Bureau of reclamation hydraulic
laboratory report hyd, 1956, 411.

electromagnetic metal casting computation designs Fig1

A survey of electromagnetic metal casting computation designs, present approaches, future possibilities, and practical issues

The European Physical Journal Plus volume 136, Article number: 704 (2021) Cite this article

Abstract

Electromagnetic metal casting (EMC) is a casting technique that uses electromagnetic energy to heat metal powders. It is a faster, cleaner, and less time-consuming operation. Solid metals create issues in electromagnetics since they reflect the electromagnetic radiation rather than consume it—electromagnetic energy processing results in sounded pieces with higher-ranking material properties and a more excellent microstructure solution. For the physical production of the electromagnetic casting process, knowledge of electromagnetic material interaction is critical. Even where the heated material is an excellent electromagnetic absorber, the total heating quality is sometimes insufficient. Numerical modelling works on finding the proper coupled effects between properties to bring out the most effective operation. The main parameters influencing the quality of output of the EMC process are: power dissipated per unit volume into the material, penetration depth of electromagnetics, complex magnetic permeability and complex dielectric permittivity. The contact mechanism and interference pattern also, in turn, determines the quality of the process. Only a few parameters, such as the environment’s temperature, the interference pattern, and the rate of metal solidification, can be controlled by AI models. Neural networks are used to achieve exact outcomes by stimulating the neurons in the human brain. Additive manufacturing (AM) is used to design mold and cores for metal casting. The models outperformed the traditional DFA optimization approach, which is susceptible to local minima. The system works only offline, so real-time analysis and corrections are not yet possible.

Korea Abstract

전자기 금속 주조 (EMC)는 전자기 에너지를 사용하여 금속 분말을 가열하는 주조 기술입니다. 더 빠르고 깨끗하며 시간이 덜 소요되는 작업입니다.

고체 금속은 전자기 복사를 소비하는 대신 반사하기 때문에 전자기학에서 문제를 일으킵니다. 전자기 에너지 처리는 더 높은 등급의 재료 특성과 더 우수한 미세 구조 솔루션을 가진 사운드 조각을 만듭니다.

전자기 주조 공정의 물리적 생산을 위해서는 전자기 물질 상호 작용에 대한 지식이 중요합니다. 가열된 물질이 우수한 전자기 흡수재인 경우에도 전체 가열 품질이 때때로 불충분합니다. 수치 모델링은 가장 효과적인 작업을 이끌어 내기 위해 속성 간의 적절한 결합 효과를 찾는데 사용됩니다.

EMC 공정의 출력 품질에 영향을 미치는 주요 매개 변수는 단위 부피당 재료로 분산되는 전력, 전자기의 침투 깊이, 복합 자기 투과성 및 복합 유전율입니다. 접촉 메커니즘과 간섭 패턴 또한 공정의 품질을 결정합니다. 환경 온도, 간섭 패턴 및 금속 응고 속도와 같은 몇 가지 매개 변수 만 AI 모델로 제어 할 수 있습니다.

신경망은 인간 뇌의 뉴런을 자극하여 정확한 결과를 얻기 위해 사용됩니다. 적층 제조 (AM)는 금속 주조용 몰드 및 코어를 설계하는 데 사용됩니다. 모델은 로컬 최소값에 영향을 받기 쉬운 기존 DFA 최적화 접근 방식을 능가했습니다. 이 시스템은 오프라인에서만 작동하므로 실시간 분석 및 수정은 아직 불가능합니다.

electromagnetic metal casting computation designs Fig1
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electromagnetic metal casting computation designs Fig2
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electromagnetic metal casting computation designs Fig3
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electromagnetic metal casting computation designs Fig4
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electromagnetic metal casting computation designs Fig5
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electromagnetic metal casting computation designs Fig6
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electromagnetic metal casting computation designs Fig7
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electromagnetic metal casting computation designs Fig8
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electromagnetic metal casting computation designs Fig9
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References

  1. 1.J. Sun, W. Wang, Q. Yue, Review on electromagnetic-matter interaction fundamentals and efficient electromagnetic-associated heating strategies. Materials 9(4), 231 (2016). https://doi.org/10.3390/ma9040231ADS Article Google Scholar 
  2. 2.E. Ghasali, A. Fazili, M. Alizadeh, K. Shirvanimoghaddam, T. Ebadzadeh, Evaluation of microstructure and mechanical properties of Al-TiC metal matrix composite prepared by conventional, electromagnetic and spark plasma sintering methods. Materials 10(11), 1255 (2017). https://doi.org/10.3390/ma10111255ADS Article Google Scholar 
  3. 3.D. Agrawal, Latest global developments in electromagnetic materials processing. Mater. Res. Innov. 14(1), 3–8 (2010). https://doi.org/10.1179/143307510×12599329342926Article Google Scholar 
  4. 4.S. Singh, P. Singh, D. Gupta, V. Jain, R. Kumar, S. Kaushal, Development and characterization of electromagnetic processed cast iron joint. Eng. Sci. Technol. Int. J. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jestch.2018.10.012Article Google Scholar 
  5. 5.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Electromagnetic melting and processing of metal–ceramic composite castings. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 232(7), 1235–1243 (2016). https://doi.org/10.1177/0954405416666900Article Google Scholar 
  6. 6.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Novel electromagnetic composite casting process: theory, feasibility and characterization. Mater. Des. 111, 51–59 (2016). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.08.071Article Google Scholar 
  7. 7.J. Lucas, J, What are electromagnetics? LiveScience. (2018). https://www.livescience.com/50259-Electromagnetics.html
  8. 8.R. Samyal, A.K. Bagha, R. Bedi, the casting of materials using electromagnetic energy: a review. Mater. Today Proc. (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.255Article Google Scholar 
  9. 9.S. Singh, D. Gupta, V. Jain, Processing of Ni-WC-8Co MMC casting through electromagnetic melting. Mater. Manuf. Process. (2017). https://doi.org/10.1080/10426914.2017.1291954Article Google Scholar 
  10. 10.R. Singh, S. Singh, V. Mahajan, Investigations for dimensional accuracy of investment casting process after cycle time reduction by advancements in shell moulding. Procedia Mater. Sci. 6, 859–865 (2014). https://doi.org/10.1016/j.mspro.2014.07.103Article Google Scholar 
  11. 11.R.R. Mishra, A.K. Sharma, On melting characteristics of bulk Al-7039 alloy during in-situ electromagnetic casting. Appl. Therm. Eng. 111, 660–675 (2017). https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2016.09.122Article Google Scholar 
  12. 12.S. Zhang, 10 Different types of casting process. (2021). MachineMfg.com, https://www.machinemfg.com/types-of-casting/
  13. 13.Envirocare, Foundry health risks. (2013). https://envirocare.org/foundry-health-risks/
  14. 14.S.S. Gajmal, D.N. Raut, A review of opportunities and challenges in electromagnetic assisted casting. Recent Trends Product. Eng. 2(1) (2019)
  15. 15.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Electromagnetic-material interaction phenomena: heating mechanisms, challenges and opportunities in material processing. Compos. Part A (2015). https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.10.035Article Google Scholar 
  16. 16.S. Chandrasekaran, T. Basak, S. Ramanathan, Experimental and theoretical investigation on electromagnetic melting of metals. J. Mater. Process. Technol. 211(3), 482–487 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2010.11.001Article Google Scholar 
  17. 17.C.R. Bird, J.M. Mertz, U.S. Patent No. 4655276. (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 1987)
  18. 18.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Experimental investigation on in-situ electromagnetic casting of copper. IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 346, 012052 (2018). https://doi.org/10.1088/1757-899x/346/1/012052Article Google Scholar 
  19. 19.V. Gangwar, S. Kumar, V. Singh, H. Singh, Effect of process parameters on hardness of AA-6063 in-situ electromagnetic casting by using taguchi method, in IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 804(1) (IOP Publishing, 2020), p. 012019
  20. 20.X. Ye, S. Guo, L. Yang, J. Gao, J. Peng, T. Hu, L. Wang, M. Hou, Q. Luo, New utilization approach of electromagnetic thermal energy: preparation of metallic matrix diamond tool bit by electromagnetic hot-press sintering. J. Alloy. Compd. (2018). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.03.183Article Google Scholar 
  21. 21.S. Das, A.K. Mukhopadhyay, S. Datta, D. Basu, Prospects of Electromagnetic processing: an overview. Bull. Mater. Sci. 32(1), 1–13 (2009). https://doi.org/10.1007/s12034-009-0001-4Article Google Scholar 
  22. 22.K.L. Glass, D.M. Ashby, U.S. Patent No. 9050656. (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 2015)
  23. 23.S. Verma, P. Gupta, S. Srivastava, S. Kumar, A. Anand, An overview: casting/melting of non ferrous metallic materials using domestic electromagnetic oven. J. Mater. Sci. Mech. Eng. 4(4), (2017). p-ISSN: 2393-9095; e-ISSN: 2393-9109
  24. 24.S.S. Panda, V. Singh, A. Upadhyaya, D. Agrawal, Sintering response of austenitic (316L) and ferritic (434L) stainless steel consolidated in conventional and electromagnetic furnaces. Scripta Mater. 54(12), 2179–2183 (2006). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2006.02.034Article Google Scholar 
  25. 25.Y. Zhang, S. Yang, S. Wang, X. Liu, L. Li, Microwave/freeze casting assisted fabrication of carbon frameworks derived from embedded upholder in tremella for superior performance supercapacitors. Energy Storage Mater. (2018). https://doi.org/10.1016/j.ensm.2018.08.006Article Google Scholar 
  26. 26.D. Thomas, P. Abhilash, M.T. Sebastian, Casting and characterization of LiMgPO4 glass free LTCC tape for electromagnetic applications. J. Eur. Ceram. Soc. 33(1), 87–93 (2013). https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2012.08.002Article Google Scholar 
  27. 27.M.H. Awida, N. Shah, B. Warren, E. Ripley, A.E. Fathy, Modeling of an industrial Electromagnetic furnace for metal casting applications. 2008 IEEE MTT-S Int. Electromagn. Symp. Digest. (2008). https://doi.org/10.1109/mwsym.2008.4633143Article Google Scholar 
  28. 28.P.K. Loharkar, A. Ingle, S. Jhavar, Parametric review of electromagnetic-based materials processing and its applications. J. Market. Res. 8(3), 3306–3326 (2019). https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.04.004Article Google Scholar 
  29. 29.E.B. Ripley, J.A. Oberhaus, WWWeb search power page-melting and heat treating metals using electromagnetic heating-the potential of electromagnetic metal processing techniques for a wide variety of metals and alloys is. Ind. Heat. 72(5), 65–70 (2005)Google Scholar 
  30. 30.J. Campbell, Complete Casting Handbook: Metal Casting Processes, Metallurgy, Techniques and Design (Butterworth-Heinemann, 2015)Google Scholar 
  31. 31.B. Ravi, Metal Casting: Computer-Aided Design and Analysis, 1st edn. (PHI Learning Ltd, 2005)Google Scholar 
  32. 32.D.E. Clark, W.H. Sutton, Electromagnetic processing of materials. Annu. Rev. Mater. Sci. 26(1), 299–331 (1996)ADS Article Google Scholar 
  33. 33.A.D. Abdullin, New capabilities of software package ProCAST 2011 for modeling foundry operations. Metallurgist 56(5–6), 323–328 (2012). https://doi.org/10.1007/s11015-012-9578-8Article Google Scholar 
  34. 34.J. Ha, P. Cleary, V. Alguine, T. Nguyen, Simulation of die filling in gravity die casting using SPH and MAGMAsoft, in Proceedings of 2nd International Conference on CFD in Minerals & Process Industries (1999) pp. 423–428
  35. 35.M. Sirviö, M. Woś, Casting directly from a computer model by using advanced simulation software FLOW-3D Cast Ž. Arch. Foundry Eng. 9(1), 79–82 (2009)Google Scholar 
  36. 36.NOVACAST Systems, Nova-Solid/Flow Brochure, NOVACAST, Ronneby (2015)
  37. 37.AutoCAST-X1 Brochure, 3D Foundry Tech, Mumbai
  38. 38.EKK, Inc. Metal Casting Simulation Software and Consulting Services, CAPCAST Brochure
  39. 39.P. Muenprasertdee, Solidification modeling of iron castings using SOLIDCast (2007)
  40. 40.CasCAE, CT-CasTest Inc. Oy, Kerava
  41. 41.E. Dominguez-Tortajada, J. Monzo-Cabrera, A. Diaz-Morcillo, Uniform electric field distribution in electromagnetic heating applicators by means of genetic algorithms optimization of dielectric multilayer structures. IEEE Trans. Electromagn. Theory Tech. 55(1), 85–91 (2007). https://doi.org/10.1109/tmtt.2006.886913ADS Article Google Scholar 
  42. 42.B. Warren, M.H. Awida, A.E. Fathy, Electromagnetic heating of metals. IET Electromagn. Antennas Propag. 6(2), 196–205 (2012)Article Google Scholar 
  43. 43.S. Ashouri, M. Nili-Ahmadabadi, M. Moradi, M. Iranpour, Semi-solid microstructure evolution during reheating of aluminum A356 alloy deformed severely by ECAP. J. Alloy. Compd. 466(1–2), 67–72 (2008). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2007.11.010Article Google Scholar 
  44. 44.Penn State, Metal Parts Made In The Electromagnetic Oven. ScienceDaily. (1999) Retrieved May 8, 2021, from www.sciencedaily.com/releases/1999/06/990622055733.htm
  45. 45.R.R. Mishra, A.K. Sharma, A review of research trends in electromagnetic processing of metal-based materials and opportunities in electromagnetic metal casting. Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 41(3), 217–255 (2016). https://doi.org/10.1080/10408436.2016.1142421ADS Article Google Scholar 
  46. 46.D.K. Ghodgaonkar, V.V. Varadan, V.K. Varadan, Free-space measurement of complex permittivity and complex permeability of magnetic materials at Electromagnetic frequencies. IEEE Trans. Instrum. Meas. 39(2), 387–394 (1990). https://doi.org/10.1109/19.52520Article Google Scholar 
  47. 47.J. Baker-Jarvis, E.J. Vanzura, W.A. Kissick, Improved technique for determining complex permittivity with the transmission/reflection method. Microw. Theory Tech. IEEE Trans. 38, 1096–1103 (1990)ADS Article Google Scholar 
  48. 48.M. Bologna, A. Petri, B. Tellini, C. Zappacosta, Effective magnetic permeability measurementin composite resonator structures. Instrum. Meas. IEEE Trans. 59, 1200–1206 (2010)Article Google Scholar 
  49. 49.B. Ravi, G.L. Datta, Metal casting–back to future, in 52nd Indian Foundry Congress, (2004)
  50. 50.D. El Khaled, N. Novas, J.A. Gazquez, F. Manzano-Agugliaro. Microwave dielectric heating: applications on metals processing. Renew. Sustain. Energy Rev. 82, 2880–2892 (2018). https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.10.043Article Google Scholar 
  51. 51.H. Sekiguchi, Y. Mori, Steam plasma reforming using Electromagnetic discharge. Thin Solid Films 435, 44–48 (2003)ADS Article Google Scholar 
  52. 52.J. Sun, W. Wang, C. Zhao, Y. Zhang, C. Ma, Q. Yue, Study on the coupled effect of wave absorption and metal discharge generation under electromagnetic irradiation. Ind. Eng. Chem. Res. 53, 2042–2051 (2014)Article Google Scholar 
  53. 53.K.I. Rybakov, E.A. Olevsky, E.V. Krikun, Electromagnetic sintering: fundamentals and modeling. J. Am. Ceram. Soc. 96(4), 1003–1020 (2013). https://doi.org/10.1111/jace.12278Article Google Scholar 
  54. 54.A.K. Shukla, A. Mondal, A. Upadhyaya, Numerical modeling of electromagnetic heating. Sci. Sinter. 42(1), 99–124 (2010)Article Google Scholar 
  55. 55.M. Chiumenti, C. Agelet de Saracibar, M. Cervera, On the numerical modeling of the thermomechanical contact for metal casting analysis. J. Heat Transf. 130(6), (2008). https://doi.org/10.1115/1.2897923Article MATH Google Scholar 
  56. 56.B. Ravi, Metal Casting: Computer-Aided Design and Analysis. (PHI Learning Pvt. Ltd., 2005)
  57. 57.J.H. Lee, S.D. Noh, H.-J. Kim, Y.-S. Kang, Implementation of cyber-physical production systems for quality prediction and operation control in metal casting. Sensors 18, 1428 (2018). https://doi.org/10.3390/s18051428ADS Article Google Scholar 
  58. 58.B. Aksoy, M. Koru, Estimation of casting mold interfacial heat transfer coefficient in pressure die casting process by artificial intelligence methods. Arab. J. Sci. Eng. 45, 8969–8980 (2020). https://doi.org/10.1007/s13369-020-04648-7Article Google Scholar 
  59. 59.S.S. Miriyala, V.R. Subramanian, K. Mitra, TRANSFORM-ANN for online optimization of complex industrial processes: casting process as case study. Eur. J. Oper. Res. 264(1), 294–309 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ejor.2017.05.026MathSciNet Article MATH Google Scholar 
  60. 60.J.K. Kittu, G.C.M. Patel, M. Parappagoudar, Modeling of pressure die casting process: an artificial intelligence approach. Int. J. Metalcast. (2015). https://doi.org/10.1007/s40962-015-0001-7Article Google Scholar 
  61. 61.W. Chen, B. Gutmann, C.O. Kappe, Characterization of electromagnetic-induced electric discharge phenomena in metal-solvent mixtures. ChemistryOpen 1, 39–48 (2012)Article Google Scholar 
  62. 62.J. Walker, A. Prokop, C. Lynagh, B. Vuksanovich, B. Conner, K. Rogers, J. Thiel, E. MacDonald, Real-time process monitoring of core shifts during metal casting with wireless sensing and 3D sand printing. Addit. Manuf. (2019). https://doi.org/10.1016/j.addma.2019.02.018Article Google Scholar 
  63. 63.G.C. Manjunath Patel, A.K. Shettigar, M.B. Parappagoudar, A systematic approach to model and optimize wear behaviour of castings produced by squeeze casting process. J. Manuf. Process. 32, 199–212 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2018.02.004Article Google Scholar 
  64. 64.G.C. Manjunath Patel, P. Krishna, M.B. Parappagoudar, An intelligent system for squeeze casting process—soft computing based approach. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 86, 3051–3065 (2016). https://doi.org/10.1007/s00170-016-8416-8Article Google Scholar 
  65. 65.M. Ferguson, R. Ak, Y.T. Lee, K.H. Law, Automatic localization of casting defects with convolutional neural networks, in 2017 IEEE International Conference on Big Data (Big Data) (Boston, MA, USA, 2017), pp. 1726–1735. https://doi.org/10.1109/BigData.2017.8258115.
  66. 66.P.K.D.V. Yarlagadda, Prediction of die casting process parameters by using an artificial neural network model for zinc alloys. Int. J. Prod. Res. 38(1), 119–139 (2000). https://doi.org/10.1080/002075400189617Article MATH Google Scholar 
  67. 67.G.C. ManjunathPatel, A.K. Shettigar, P. Krishna, M.B. Parappagoudar, Back propagation genetic and recurrent neural network applications in modelling and analysis of squeeze casting process. Appl. Soft Comput. 59, 418–437 (2017). https://doi.org/10.1016/j.asoc.2017.06.018Article Google Scholar 
  68. 68.J. Zheng, Q. Wang, P. Zhao et al., Optimization of high-pressure die-casting process parameters using artificial neural network. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 44, 667–674 (2009). https://doi.org/10.1007/s00170-008-1886-6Article Google Scholar 
  69. 69.E. Mares, J. Sokolowski, Artificial intelligence-based control system for the analysis of metal casting properties. J. Achiev. Mater. Manuf. Eng. 40, 149–154 (2010)Google Scholar 
  70. 70.K.S. Senthil, S. Muthukumaran, C. Chandrasekhar Reddy, Suitability of friction welding of tube to tube plate using an external tool process for different tube diameters—a study. Exp. Tech. 37(6), 8–14 (2013)Article Google Scholar 
  71. 71.N.K. Bhoi, H. Singh, S. Pratap, P.K. Jain, Electromagnetic material processing: a clean, green, and sustainable approach. Sustain. Eng. Prod. Manuf. Technol. (2019). https://doi.org/10.1016/b978-0-12-816564-5.00001-3Article Google Scholar 
  72. 72.K.S. Senthil, D.A. Daniel, An investigation of boiler grade tube and tube plate without block by using friction welding process. Mater. Today Proc. 5(2), 8567–8576 (2018)Article Google Scholar 
  73. 73.E. Hetmaniok, D. Słota, A. Zielonka, Restoration of the cooling conditions in a three-dimensional continuous casting process using artificial intelligence algorithms. Appl. Math. Modell. 39(16), 4797–4807 (2015). https://doi.org/10.1016/j.apm.2015.03.056Article MATH Google Scholar 
  74. 74.C.V. Kumar, S. Muthukumaran, A. Pradeep, S.S. Kumaran, Optimizational study of friction welding of steel tube to aluminum tube plate using an external tool process. Int. J. Mech. Mater. Eng. 6(2), 300–306 (2011)Google Scholar 
  75. 75.T. Adithiyaa, D. Chandramohan, T. Sathish, Optimal prediction of process parameters by GWO-KNN in stirring-squeeze casting of AA2219 reinforced metal matrix composites. Mater. Today Proc. 150, 1598 (2020). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.051Article Google Scholar 
  76. 76.B.P. Pehrson, A.F. Moore (2014). U.S. Patent No. 8708031 (U.S. Patent and Trademark Office, Washington, DC, 2014)
  77. 77.Liu, J., & Rynerson, M. L. (2008). U.S. Patent No. 7,461,684. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office.
  78. 78.K. Salonitis, B. Zeng, H.A. Mehrabi, M. Jolly, The challenges for energy efficient casting processes. Procedia CIRP 40, 24–29 (2016). https://doi.org/10.1016/j.procir.2016.01.043Article Google Scholar 
  79. 79.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Effect of solidification environment on microstructure and indentation hardness of Al–Zn–Mg alloy casts developed using electromagnetic heating. Int. J. Metal Cast. 10, 1–13 (2017). https://doi.org/10.1007/s40962-017-0176-1Article Google Scholar 
  80. 80.R.R. Mishra, A.K. Sharma, Effect of susceptor and Mold material on microstructure of in-situ electromagnetic casts of Al–Zn–Mg alloy. Mater. Des. 131, 428–440 (2017). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2017.06.038Article Google Scholar 
  81. 81.S. Kaushal, S. Bohra, D. Gupta, V. Jain, On processing and characterization of Cu–Mo-based castings through electromagnetic heating. Int. J. Metalcast. (2020). https://doi.org/10.1007/s40962-020-00481-8Article Google Scholar 
  82. 82.S. Nandwani, S. Vardhan, A.K. Bagha, A literature review on the exposure time of electromagnetic based welding of different materials. Mater. Today Proc. (2019). https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.10.056Article Google Scholar 
  83. 83.F.J.B. Brum, S.C. Amico, I. Vedana, J.A. Spim, Electromagnetic dewaxing applied to the investment casting process. J. Mater. Process. Technol. 209(7), 3166–3171 (2009). https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2008.07.024Article Google Scholar 
  84. 84.M.P. Reddy, R.A. Shakoor, G. Parande, V. Manakari, F. Ubaid, A.M.A. Mohamed, M. Gupta, Enhanced performance of nano-sized SiC reinforced Al metal matrix nanocomposites synthesized through electromagnetic sintering and hot extrusion techniques. Prog. Nat. Sci. Mater. Int. 27(5), 606–614 (2017). https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2017.08.015Article Google Scholar 
  85. 85.V.R. Kalamkar, K. Monkova, (Eds.), Advances in Mechanical Engineering. Lecture Notes in Mechanical Engineering. (2021) https://doi.org/10.1007/978-981-15-3639-7
  86. 86.V. Bist, A.K. Sharma, P. Kumar, Development and microstructural characterisations of the lead casting using electromagnetic technology. Manager’s J. Mech. Eng. 4(4), 6 (2014). https://doi.org/10.26634/jme.4.4.2840Article Google Scholar 
  87. 87.A. Sharma, A. Chouhan, L. Pavithran, U. Chadha, S.K. Selvaraj, Implementation of LSS framework in automotive component manufacturing: a review, current scenario and future directions. Mater Today: Proc. (2021). https://doi.org/10.1016/J.MATPR.2021.02.374Article Google Scholar 
Proceedings of the 6th International Conference on Civil, Offshore and Environmental Engineering (ICCOEE2020)

Numerical Simulation to Assess Floating Instability of Small Passenger Vehicle Under Sub-critical Flow

미 임계 흐름에서 소형 승용차의 부동 불안정성을 평가하기 위한 수치 시뮬레이션

Proceedings of the International Conference on Civil, Offshore and Environmental Engineering
ICCOEE 2021: ICCOEE2020 pp 258-265| Cite as

  • Ebrahim Hamid Hussein Al-Qadami
  • Zahiraniza Mustaffa
  • Eduardo Martínez-Gomariz
  • Khamaruzaman Wan Yusof
  • Abdurrasheed S. Abdurrasheed
  • Syed Muzzamil Hussain Shah

Conference paperFirst Online: 01 January 2021

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Part of the Lecture Notes in Civil Engineering book series (LNCE, volume 132)

Abstract

Parked vehicles can be directly affected by the floods and at a certain flow velocity and depth, vehicles can be easily swept away. Therefore, studying flooded vehicles stability limits is required. Herein, an attempt has been done to assess numerically the floating instability mode of a small passenger car with a scaled-down ratio of 1:10 using FLOW-3D. The 3D car model was placed inside a closed box and the six degrees of freedom numerical simulation was conducted. Later, numerical results validated experimentally and analytically. Results showed that buoyancy depths were 3.6 and 3.8 cm numerically and experimentally, respectively with a percentage difference of 5.4%. Further, the buoyancy forces were 8.95 N and 8.97 N numerically and analytically, respectively with a percentage difference of 0.2%. With this small difference, it can be concluded that the numerical modeling for such cases using FLOW-3D software can give an acceptable prediction on the vehicle stability limits.

주차된 차량은 홍수의 직접적인 영향을 받을 수 있으며 특정 유속과 깊이에서 차량을 쉽게 쓸어 버릴 수 있습니다. 따라서 침수 차량 안정성 한계를 연구해야 합니다. 여기에서는 FLOW-3D를 사용하여 축소 비율이 1:10 인 소형 승용차의 부동 불안정 모드를 수치 적으로 평가하려는 시도가 이루어졌습니다. 3D 자동차 모델은 닫힌 상자 안에 배치되었고 6 개의 자유도 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다. 나중에 수치 결과는 실험적으로 그리고 분석적으로 검증되었습니다. 결과는 부력 깊이가 각각 5.4 %의 백분율 차이로 수치 및 실험적으로 3.6 및 3.8 cm임을 보여 주었다. 또한 부력은 수치적으로 8.95N과 분석적으로 8.97N이었고 백분율 차이는 0.2 %였다. 이 작은 차이로 인해 FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 이러한 경우의 수치 모델링은 차량 안정성 한계에 대한 허용 가능한 예측을 제공 할 수 있다는 결론을 내릴 수 있습니다.

Keywords

Floating instability Small passenger car Numerical simulation FLOW-3D Subcritical flowe 

References

  1. 1.Hung, C.L.J., James, L.A., Carbone, G.J., Williams, J.M.: Impacts of combined land-use and climate change on streamflow in two nested catchments in the southeastern united states. Ecol. Eng. 143, 105665 (2020)CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.Bui, D.T., Hoang, N.D., Martínez-Álvarez, F., Ngo, P.T.T., Hoa, P.V., Pham, T.D., Samui, P., Costache, R.: A novel deep learning neural network approach for predicting flash flood susceptibility: a case study at a high frequency tropical storm area. Sci. Total Environ. 701, 134413 (2020)CrossRefGoogle Scholar
  3. 3.Shah, S.M.H., Mustaffa, Z., Martínez-Gomariz, E., Yusof, K.W., Al-Qadami, E.H.H.: A review of safety guidelines for vehicles in floodwaters. Int. J. River Basin Manage. 1–17 (2019)Google Scholar
  4. 4.Shah, S.M.H., Mustaffa, Z., Yusof, K.W.: Disasters worldwide and floods in the malaysian region: a brief review. Indian J. Sci. Technol. 10(2), (2017)Google Scholar
  5. 5.Xia, J., Falconer, R.A., Lin, B., Tan, G.: Numerical assessment of flood hazard risk to people and vehicles in flash floods. Environ. Model Softw. 26(8), 987–998 (2011)CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.Bonham, A.J., Hattersley, R.T.: Low level causeways. Technical report, University of New South Wales, Water Research Laboratory (1967)Google Scholar
  7. 7.Gordon, A.D., Stone, P.B.: Car stability on road causeways. Technical report No. 73/12, Institution (1973)Google Scholar
  8. 8.Keller, R.J., Mitsch, B.: Safety aspects of the design of roadways as floodways. Research Report No. 69, Urban Water Research Association of Australia, Melbourne (1993)Google Scholar
  9. 9.Shah, S.M.H., Mustaffa, Z., Martinez-Gomariz, E., Kim, D.K., Yusof, K.W.: Criterion of vehicle instability in floodwaters: past, present and future. Int. J. River Basin Manage. 1–23 (2019)Google Scholar
  10. 10.Teo, F.Y.: Study of the hydrodynamic processes Ofrivers and flood- plains with obstructions. Ph.D. thesis (2010). https://orca.cf.ac.uk/54161/1/U517543.pdf
  11. 11.Xia, J., Teo, F.Y., Lin, B., Falconer, R.A.: Formula of incipient velocity for flooded vehicles. Nat. Hazards 58(1), 1–14 (2011)CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.Shu, C., Xia, J., Falconer, R.A., Lin, B.: Incipient velocity for partially submerged vehicles in floodwaters. J. Hydraul. Res. 49(6), 709–717 (2011)CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.Toda, K., Ishigaki, T., Ozaki, T.: Experiments study on floating car in flooding. In: International Conference on Flood Resilience: Experiences in Asia and Europe (2013)Google Scholar
  14. 14.Xia, J., Falconer, R.A., Xiao, X., Wang, Y.: Criterion of vehicle stability in floodwaters based on theoretical and experimental studies. Nat. Hazards 70(2), 1619–1630 (2014)CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.Martínez-Gomariz, E., Gómez, M., Russo, B., Djordjević, S.: A new experiments-based methodology to define the stability threshold for any vehicle exposed to flooding. Urban Water J. 14(9), 930–939 (2017)CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.Smith, G.P., Modra, B.D., Tucker, T.A., Cox, R.J.: Vehicle stability testing for flood flows. Technical report 7, Water Research Laboratory, School of Civil and Environmental Engineering (2017)Google Scholar
  17. 17.Xia, J., Falconer, R.A., Lin, B., Tan, G.: Modelling flash flood risk in urban areas. In: Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Water Management, vol. 164 (6), pp. 267–282. Thomas Telford Ltd, (2011)Google Scholar
  18. 18.Arrighi, C., Alcèrreca-Huerta, J.C., Oumeraci, H., Castelli, F.: Drag and lift contribution to the incipient motion of partly submerged flooded vehicles. J. Fluids Struct. 57, 170–184 (2015)CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.Gómez, M., Martínez, E., Russo, B.: Experimental and numerical study of stability of vehicles exposed to flooding. In: Advances in Hydroinformatics, pp. 595–605. Springer, Singapore (2018). http://doi.org/10.1007/978-981-10-7218-5_42
  20. 20.Al-Qadami, E.H.H., Abdurrasheed, A.S.I., Mustaffa, Z., Yusof, K.W., Malek, M.A., Ab Ghani, A.: Numerical modelling of flow characteristics over sharp crested triangular hump. Results Eng. 4, 100052 (2019)Google Scholar
Simulating Porosity Factors

다공성 요인 시뮬레이션

Simulating Porosity Factors

https://www.foundrymag.com/issues-and-ideas/article/21926214/simulating-porosity-factors
Pamela Waterman

수치 모델링 도구는 일반적이지만 원인을 파악하기가 너무 어렵 기 때문에 코어 가스 블로우 결함을 거의 이해하지 못합니다. FLOW-3D 소프트웨어는 코어 가스 흐름을 모델링하여 더 나은 품질의 주조로 이어집니다.

파운드리는 첫 번째 시험에서 주조 품질을 달성하기 위해 많은 선행 엔지니어링을 수행해야합니다. 최근 몇 년 동안 금속 흐름, 응고, 미세 구조 진화 및 잔류 응력 모델링을위한 수치 도구가 보편화되었습니다.

그러나 아직 완전히 해결되지 않은 주조 결함 중 하나는 일반적인 코어 가스 블로우 결함입니다. 이 문제의 물리학은 금속, 코어 및 바인더 간의 복잡한 상호 작용을 포함하며 해결되기 전에 많은 주물을 스크랩 할 수 있습니다. 대부분의 경우, 문제는 더 높은 타설 온도를 사용하고 영향을받는 영역에 더 많은 벽 스톡을 추가함으로써 단순히 관리되지만 완전히 해결되지는 않습니다.

그러나 부품 설계가 복잡할수록 제조 문제가 발생할 가능성이 커집니다. 내부 세부 사항이 필요한 주조 조각의 경우 화학적으로 결합 된 모래 코어를 “인쇄”하여 모양을 만들고 금형 내부에 배치해야 합니다. 코어는 부품의 궁극적 인 기능에 중요한 내부 모양을 형성하며 제조 공정의 각 단계는 설계에 제약을 가합니다. 다양한 요구 사항이 코어 송풍 공정, 취급, 조립 및 가스 배출에 적용됩니다. 코어 디자인의 기술은 코어를 가열하는 동안 모양을 유지할 수 있을 만큼 견고하게 만드는 것과 부품이 냉각되었을 때 모래를 제거 할 수 있을 만큼 접착력이 끊어지는 것 사이의 미세한 균형입니다.

최적의 분해 설계

계획된 코어 분해의 메커니즘은 고체에서 가스로의 열 변환이지만 금형 설계는 그 가스가 코어 프린트를 통해 빠져 나갈 수 있도록해야합니다. 그렇지 않으면 금속이 기포를 가두어 모공을 형성 할 수 있습니다. 기껏해야 다공성은 표면 가공으로 밝혀집니다. 최악의 경우 부품이 더 아래쪽에서 실패합니다.

과거에 재료 및 주조 엔지니어가 코어 가스 기포로 인한 다공성 결함 문제를 발견하면 바인더 함량 감소, 코어 환기 증가, 코어 코팅 또는 베이킹과 같은 일련의 표준 문제 해결 작업을 수행했습니다. 미리 코어. 가스가 따라가는 경로를 볼 수 없었기 때문에 하나의 금형을 완료하는 데 종종 몇 주가 걸리는 긴 인출 공정이었습니다. 그리고 다른 부분에 문제가있을 때마다 반복해야했습니다.

이 처리 타임 라인을 압축해야하는 시장 주도적 요구는 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 개발을 촉발했습니다. 설계와 제조 모두에 유용한 컴퓨터 기반 모델링을 통해 엔지니어는 실제 부품 비용이나 낭비없이 다양한 접근 방식을 테스트 할 수 있습니다. 파운드리가 특히 환기 설계에 시뮬레이션을 적용 할 수 있도록 Flow Science 는 최근 FLOW-3D 주조 해석 기능에 코어 가스 모델링을 추가했습니다.

흐름에 따라

FLOW-3D는 유체가 공기, 물, 용융 금속 또는 가스인지 여부에 관계없이 광범위한 일시적인 유체 흐름 프로세스에 대한 통찰력을 제공하는 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어 패키지입니다. 다른 CFD 패키지와 비교할 때 움직이는 유체 표면을 모델링하고 추적하는 방식으로 인해 특히 정확합니다.

코어 가스 흐름에 CFD 방법을 적용하는 것은 어려운 일입니다. 수지 기반 바인더의 화학적 복잡성으로 인해 모래 코어 열 분해 후 가스가 흐르는 위치와 방식을 이해하는 것은 복잡한 과정입니다. 그러나 Flow Science는 여러 그룹과 협력하여 실험 데이터를 얻고 시뮬레이션 된 모델의 결과와 비교했습니다. 이 회사는 General Motors, Graham-White Manufacturing Co. 및 AlchemCast에서 코어 가스 유량 정보를 수집하여 알루미늄, 철 및 강철과 함께 사용되는 모래 수지 코어에 대한 실제 데이터를 얻었습니다.

GM Powertrain의 주조 분석 엔지니어 인 David Goettsch 박사는 15 년 동안 금속 주조의 충진 및 응고 분석에 FLOW-3D를 사용해 왔습니다. 새로운 코어 가스 모델은 설계 단계에서 재킷 코어 벤팅을 최적화하는 데 매우 유용했습니다. 코어 프린트에 대한 다른 모든 요구 사항이있는 기존 코어 박스에 벤트 트랙을 구현하는 것은 매우 어렵습니다. “코어 가스 배출에 대한 사전 분석 작업을 통해 시작하는 동안 높은 불량률을 줄일 수 있습니다.”라고 그는 설명합니다. “아마도 프로세스 기회가 문제를 해결할 수 있습니다. 하지만 그 지점에 도달하려면 테스트 기간이 오래 걸릴 수 있습니다.”

흐름 매개 변수 정의

도에 따라 금속 헤드 압력이 동일한 값에 도달하기 전에 가스 압력이 최고조에 달하여 가스가 거품을 형성 할 수 있습니다. 게이트 설계의 약간의 변경은 주입 속도를 높이는 데 도움이 될 수 있으므로 금속 압력이 더 빨리 생성되고 가스를 먼저 밀어 낼 수 있지만 물리적 시행 착오 접근 방식은 시간이 걸립니다. 가상 모델을 사용하여 지오메트리를 변경하는 방법을 식별하는 것은 코어 가스 시뮬레이션 소프트웨어 개발의 주요 목표였습니다.

Flow Science의 개발자는 바인더 분해 가스 공급원, 모래의 섬도, 무게 비율에 따른 바인더의 양, 작동 온도 및 코어의 물리적 투과성과 같은 프로세스 별 매개 변수와 흐름이면의 물리학을 결합했습니다. 이 모든 값은 샌드 쉘 바인더 및 폴리 우레탄 콜드 박스 바인더 (PUCB)의 산업 보정 샘플을 사용하여 검증되었습니다.

FLOW-3D 분석은 일정한 조성의 이상 기체를 가정하고 전체 바인더 분해의 최악의 시나리오를 취합니다. 타설하는 동안 코어 내에서 조건이 변화함에 따라 소프트웨어는 가스 압력의 변화, 가스 유동장의 기하학적 구조, 결합제 열화 영역 발생 및 금속으로의 가스 분사 가능한 표면 위치를 계산합니다. 모든 데이터는 사후 처리에 사용할 수 있습니다. 사용자는 가스 흐름을 쉽게 시각화하고 확대하고 특정 값을 얻기 위해 포인트를 클릭 할 수 있습니다.

이제 FLOW-3D v9.4에서 사용할 수있는 코어 가스 모델을 통해 Goettsch는 다양한 삽입 및 배출 위치를 시도하고 글로벌 진단을받을 수 있습니다. 가스 발생량, 가스 발생 위치, 금속 전면이 잡히기 전에 유출 된 가스량 확인 그것까지. “실제로 문제의 근본 원인을 확인할 수있을 때 매우 좋습니다.”라고 그는 말합니다. “이러한 시각화는 실제 현상이 무엇을하고 있는지에 대한 작은 창을 확보하는 데 유용합니다.”

멀티 코어 문제 Graham-White Manufacturing의 또 다른 숙련 된 파운드리 엔지니어 인 Elizabeth Ryder는 가스 다공성이 항상 조사하기 어려웠다는 의견을 반영합니다. 그녀는“특히 다중 코어의 경우 어떤 코어가 문제의 원인인지 파악하기가 어려웠습니다. 전체 시스템을 다루려고했습니다.”

1,700 개의 부품을 지속적으로 생산하고 있으며 그중 일부는 연간 10,000 개의 부품을 생산하는 Graham-White는 시뮬레이션을 통해 제조 프로세스를 개선하는 데 매우 만족했습니다. 얇은 벽 부품은 코어 대 금속 비율이 높고 가스가 많이 발생하는 특별한 문제입니다.

Graham-White는 레이저 스캐닝으로 생성 된 회색 철 부품 (약 34 인치)의 3D 모델을 사용하여 평가를 위해 현재 벤팅 설계를 제공했습니다. 이 게이팅 디자인은 수평으로 분할 된 몰드에서 패턴 플레이트 당 4 개의 인상으로 구성되었으며 각 인상에는 각 코어에 대한 통풍구가 있습니다. 중앙 스프 루를 통해 2 초 이내에 각 금형을 채울 수 있습니다.

FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션은 채움 률을 확인했지만 하나의 코어에 환기가 충분하지 않은 것으로 나타났습니다. Graham-White는 코어에 더 깊은 구멍을 뚫어 기존 통풍구를 통해 더 많은 가스를 전달하기 시작했습니다. 새로운 벤팅 설계로 접근 방식을 전환 한 후이 회사는 코어 블로우 스크랩이 약 30 % 감소했습니다.

또한 Flow Science 분석을 기반으로 엔지니어링 그룹은 문제가 있는 코어에 대한 추가 변경 사항을 평가하여 각 부품에 대한 추가 환기를 통해 두 부분으로 나눕니다. Ryder는 FLOW-3D 결과가 설계 초점을 좁히는데 도움이 되었고, 어떤 코어 (멀티 코어 설계)가 범인인지, 심지어 코어의 어느 영역이 문제의 원인인지 즉시 제로화 할 수 있었습니다. “미리 컴퓨터에서 더 많은 일을 할수록 더 좋습니다.”라고 그녀는 말합니다. “모든 것은 시간 절약으로 귀결됩니다.”

Where to go from here

파운드리 스크랩을 줄이고 주조 시뮬레이션 소프트웨어의 도움으로 자신의 핵심 인쇄 디자인의 효율성을 향상시킬 수 있습니다. Flow Science의 FLOW-3D CFD 분석 패키지의 새로운 코어 가스 모델은 중요한 다공성 계수를 시뮬레이션하여 설계자가 첫 번째 주조 전에 다양한 벤팅 설계를 평가하는 데 도움이 되기 때문에 중요합니다. 추가 재료 및 충진 방향에 대한 코어 가스 모델을 검증하는 개발이 계속됩니다.

Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).

Continuous-Flow Separation of Magnetic Particles from Biofluids: How Does the Microdevice Geometry Determine the Separation Performance?

1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ETSIIT, University of Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005 Santander, Spain
2William G. Lowrie Department of Chemical and Biomolecular Engineering, The Ohio State University, 151 W. Woodruff Ave., Columbus, OH 43210, USA
*Author to whom correspondence should be addressed.
Sensors 202020(11), 3030; https://doi.org/10.3390/s20113030
Received: 16 April 2020 / Revised: 21 May 2020 / Accepted: 25 May 2020 / Published: 27 May 2020
(This article belongs to the Special Issue Lab-on-a-Chip and Microfluidic Sensors)

Abstract

The use of functionalized magnetic particles for the detection or separation of multiple chemicals and biomolecules from biofluids continues to attract significant attention. After their incubation with the targeted substances, the beads can be magnetically recovered to perform analysis or diagnostic tests. Particle recovery with permanent magnets in continuous-flow microdevices has gathered great attention in the last decade due to the multiple advantages of microfluidics. As such, great efforts have been made to determine the magnetic and fluidic conditions for achieving complete particle capture; however, less attention has been paid to the effect of the channel geometry on the system performance, although it is key for designing systems that simultaneously provide high particle recovery and flow rates. Herein, we address the optimization of Y-Y-shaped microchannels, where magnetic beads are separated from blood and collected into a buffer stream by applying an external magnetic field. The influence of several geometrical features (namely cross section shape, thickness, length, and volume) on both bead recovery and system throughput is studied. For that purpose, we employ an experimentally validated Computational Fluid Dynamics (CFD) numerical model that considers the dominant forces acting on the beads during separation. Our results indicate that rectangular, long devices display the best performance as they deliver high particle recovery and high throughput. Thus, this methodology could be applied to the rational design of lab-on-a-chip devices for any magnetically driven purification, enrichment or isolation.

Keywords: particle magnetophoresisCFDcross sectionchip fabrication

Korea Abstract

생체 유체에서 여러 화학 물질과 생체 분자의 검출 또는 분리를위한 기능화 된 자성 입자의 사용은 계속해서 상당한 관심을 받고 있습니다. 표적 물질과 함께 배양 한 후 비드를 자기 적으로 회수하여 분석 또는 진단 테스트를 수행 할 수 있습니다. 연속 흐름 마이크로 장치에서 영구 자석을 사용한 입자 회수는 마이크로 유체의 여러 장점으로 인해 지난 10 년 동안 큰 관심을 모았습니다. 

따라서 완전한 입자 포획을 달성하기 위한 자기 및 유체 조건을 결정하기 위해 많은 노력을 기울였습니다. 그러나 높은 입자 회수율과 유속을 동시에 제공하는 시스템을 설계하는 데있어 핵심이기는 하지만 시스템 성능에 대한 채널 형상의 영향에 대해서는 덜주의를 기울였습니다. 

여기에서 우리는 자기 비드가 혈액에서 분리되고 외부 자기장을 적용하여 버퍼 스트림으로 수집되는 YY 모양의 마이크로 채널의 최적화를 다룹니다. 비드 회수 및 시스템 처리량에 대한 여러 기하학적 특징 (즉, 단면 형상, 두께, 길이 및 부피)의 영향을 연구합니다. 

이를 위해 분리 중에 비드에 작용하는 지배적인 힘을 고려하는 실험적으로 검증 된 CFD (Computational Fluid Dynamics) 수치 모델을 사용합니다. 우리의 결과는 직사각형의 긴 장치가 높은 입자 회수율과 높은 처리량을 제공하기 때문에 최고의 성능을 보여줍니다. 

따라서 이 방법론은 자기 구동 정제, 농축 또는 분리를 위한 랩온어 칩 장치의 합리적인 설계에 적용될 수 있습니다.

Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).
Figure 1. (a) Top view of the microfluidic-magnetophoretic device, (b) Schematic representation of the channel cross-sections studied in this work, and (c) the magnet position relative to the channel location (Sepy and Sepz are the magnet separation distances in y and z, respectively).
Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.
Figure 2. (a) Channel-magnet configuration and (b–d) magnetic force distribution in the channel midplane for 2 mm, 5 mm and 10 mm long rectangular (left) and U-shaped (right) devices.
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and U-shaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.
Figure 3. (a) Velocity distribution in a section perpendicular to the flow for rectangular (left) and U-shaped (right) cross section channels, and (b) particle location in these cross sections.
Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.
Figure 4. Influence of fluid flow rate on particle recovery when the applied magnetic force is (a) different and (b) equal in U-shaped and rectangular cross section microdevices.
Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.
Figure 5. Magnetic bead capture as a function of fluid flow rate for all of the studied geometries.
Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 6. Influence of (a) magnetic and fluidic forces (J parameter) and (b) channel geometry (θ parameter) on particle recovery. Note that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.
Figure 7. Dependence of bead capture on the (a) functional channel volume and (b) particle residence time (tres). Note that in the curve fitting expressions V represents the functional channel volume and that U-2mm does not accurately fit a line.

References

  1. Gómez-Pastora, J.; Xue, X.; Karampelas, I.H.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Analysis of separators for magnetic beads recovery: From large systems to multifunctional microdevices. Sep. Purif. Technol. 2017172, 16–31. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Wise, N.; Grob, T.; Morten, K.; Thompson, I.; Sheard, S. Magnetophoretic velocities of superparamagnetic particles, agglomerates and complexes. J. Magn. Magn. Mater. 2015384, 328–334. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Khashan, S.A.; Elnajjar, E.; Haik, Y. CFD simulation of the magnetophoretic separation in a microchannel. J. Magn. Magn. Mater. 2011323, 2960–2967. [Google Scholar] [CrossRef]
  4. Khashan, S.A.; Furlani, E.P. Scalability analysis of magnetic bead separation in a microchannel with an array of soft magnetic elements in a uniform magnetic field. Sep. Purif. Technol. 2014125, 311–318. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Furlani, E.P. Magnetic biotransport: Analysis and applications. Materials 20103, 2412–2446. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Ortiz, I. Design of novel adsorption processes for the removal of arsenic from polluted groundwater employing functionalized magnetic nanoparticles. Chem. Eng. Trans. 201647, 241–246. [Google Scholar]
  7. Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Lázaro-Díez, M.; Ramos-Vivas, J.; Ortiz, I. The reverse of controlled release: Controlled sequestration of species and biotoxins into nanoparticles (NPs). In Drug Delivery Systems; Stroeve, P., Mahmoudi, M., Eds.; World Scientific: Hackensack, NJ, USA, 2017; pp. 207–244. ISBN 9789813201057. [Google Scholar]
  8. Ruffert, C. Magnetic bead-magic bullet. Micromachines 20167, 21. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Yáñez-Sedeño, P.; Campuzano, S.; Pingarrón, J.M. Magnetic particles coupled to disposable screen printed transducers for electrochemical biosensing. Sensors 201616, 1585. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Schrittwieser, S.; Pelaz, B.; Parak, W.J.; Lentijo-Mozo, S.; Soulantica, K.; Dieckhoff, J.; Ludwig, F.; Guenther, A.; Tschöpe, A.; Schotter, J. Homogeneous biosensing based on magnetic particle labels. Sensors 201616, 828. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. He, J.; Huang, M.; Wang, D.; Zhang, Z.; Li, G. Magnetic separation techniques in sample preparation for biological analysis: A review. J. Pharm. Biomed. Anal. 2014101, 84–101. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Ha, Y.; Ko, S.; Kim, I.; Huang, Y.; Mohanty, K.; Huh, C.; Maynard, J.A. Recent advances incorporating superparamagnetic nanoparticles into immunoassays. ACS Appl. Nano Mater. 20181, 512–521. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Gómez-Pastora, J.; González-Fernández, C.; Fallanza, M.; Bringas, E.; Ortiz, I. Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies. Chem. Eng. J. 2018344, 487–497. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Gale, B.K.; Jafek, A.R.; Lambert, C.J.; Goenner, B.L.; Moghimifam, H.; Nze, U.C.; Kamarapu, S.K. A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects. Inventions 20183, 60. [Google Scholar] [CrossRef]
  15. Nanobiotechnology; Concepts, Applications and Perspectives; Niemeyer, C.M.; Mirkin, C.A. (Eds.) Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2004; ISBN 3527305068. [Google Scholar]
  16. Khashan, S.A.; Dagher, S.; Alazzam, A.; Mathew, B.; Hilal-Alnaqbi, A. Microdevice for continuous flow magnetic separation for bioengineering applications. J. Micromech. Microeng. 201727, 055016. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Basauri, A.; Gomez-Pastora, J.; Fallanza, M.; Bringas, E.; Ortiz, I. Predictive model for the design of reactive micro-separations. Sep. Purif. Technol. 2019209, 900–907. [Google Scholar] [CrossRef]
  18. Abdollahi, P.; Karimi-Sabet, J.; Moosavian, M.A.; Amini, Y. Microfluidic solvent extraction of calcium: Modeling and optimization of the process variables. Sep. Purif. Technol. 2020231, 115875. [Google Scholar] [CrossRef]
  19. Khashan, S.A.; Alazzam, A.; Furlani, E. A novel design for a microfluidic magnetophoresis system: Computational study. In Proceedings of the 12th International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization (FLUCOME2013), Nara, Japan, 18–23 November 2013. [Google Scholar]
  20. Pamme, N. Magnetism and microfluidics. Lab Chip 20066, 24–38. [Google Scholar] [CrossRef]
  21. Gómez-Pastora, J.; Amiri Roodan, V.; Karampelas, I.H.; Alorabi, A.Q.; Tarn, M.D.; Iles, A.; Bringas, E.; Paunov, V.N.; Pamme, N.; Furlani, E.P.; et al. Two-step numerical approach to predict ferrofluid droplet generation and manipulation inside multilaminar flow chambers. J. Phys. Chem. C 2019123, 10065–10080. [Google Scholar] [CrossRef]
  22. Gómez-Pastora, J.; Karampelas, I.H.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Numerical analysis of bead magnetophoresis from flowing blood in a continuous-flow microchannel: Implications to the bead-fluid interactions. Sci. Rep. 20199, 7265. [Google Scholar] [CrossRef]
  23. Tarn, M.D.; Pamme, N. On-Chip Magnetic Particle-Based Immunoassays Using Multilaminar Flow for Clinical Diagnostics. In Microchip Diagnostics Methods and Protocols; Taly, V., Viovy, J.L., Descroix, S., Eds.; Humana Press: New York, NY, USA, 2017; pp. 69–83. [Google Scholar]
  24. Phurimsak, C.; Tarn, M.D.; Peyman, S.A.; Greenman, J.; Pamme, N. On-chip determination of c-reactive protein using magnetic particles in continuous flow. Anal. Chem. 201486, 10552–10559. [Google Scholar] [CrossRef]
  25. Wu, X.; Wu, H.; Hu, Y. Enhancement of separation efficiency on continuous magnetophoresis by utilizing L/T-shaped microchannels. Microfluid. Nanofluid. 201111, 11–24. [Google Scholar] [CrossRef]
  26. Vojtíšek, M.; Tarn, M.D.; Hirota, N.; Pamme, N. Microfluidic devices in superconducting magnets: On-chip free-flow diamagnetophoresis of polymer particles and bubbles. Microfluid. Nanofluid. 201213, 625–635. [Google Scholar] [CrossRef]
  27. Gómez-Pastora, J.; González-Fernández, C.; Real, E.; Iles, A.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Computational modeling and fluorescence microscopy characterization of a two-phase magnetophoretic microsystem for continuous-flow blood detoxification. Lab Chip 201818, 1593–1606. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  28. Forbes, T.P.; Forry, S.P. Microfluidic magnetophoretic separations of immunomagnetically labeled rare mammalian cells. Lab Chip 201212, 1471–1479. [Google Scholar] [CrossRef]
  29. Nandy, K.; Chaudhuri, S.; Ganguly, R.; Puri, I.K. Analytical model for the magnetophoretic capture of magnetic microspheres in microfluidic devices. J. Magn. Magn. Mater. 2008320, 1398–1405. [Google Scholar] [CrossRef]
  30. Plouffe, B.D.; Lewis, L.H.; Murthy, S.K. Computational design optimization for microfluidic magnetophoresis. Biomicrofluidics 20115, 013413. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  31. Hale, C.; Darabi, J. Magnetophoretic-based microfluidic device for DNA isolation. Biomicrofluidics 20148, 044118. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  32. Becker, H.; Gärtner, C. Polymer microfabrication methods for microfluidic analytical applications. Electrophoresis 200021, 12–26. [Google Scholar] [CrossRef]
  33. Pekas, N.; Zhang, Q.; Nannini, M.; Juncker, D. Wet-etching of structures with straight facets and adjustable taper into glass substrates. Lab Chip 201010, 494–498. [Google Scholar] [CrossRef]
  34. Wang, T.; Chen, J.; Zhou, T.; Song, L. Fabricating microstructures on glass for microfluidic chips by glass molding process. Micromachines 20189, 269. [Google Scholar] [CrossRef]
  35. Castaño-Álvarez, M.; Pozo Ayuso, D.F.; García Granda, M.; Fernández-Abedul, M.T.; Rodríguez García, J.; Costa-García, A. Critical points in the fabrication of microfluidic devices on glass substrates. Sens. Actuators B Chem. 2008130, 436–448. [Google Scholar] [CrossRef]
  36. Prakash, S.; Kumar, S. Fabrication of microchannels: A review. Proc. Inst. Mech. Eng. Part B J. Eng. Manuf. 2015229, 1273–1288. [Google Scholar] [CrossRef]
  37. Leester-Schädel, M.; Lorenz, T.; Jürgens, F.; Ritcher, C. Fabrication of Microfluidic Devices. In Microsystems for Pharmatechnology: Manipulation of Fluids, Particles, Droplets, and Cells; Dietzel, A., Ed.; Springer: Basel, Switzerland, 2016; pp. 23–57. ISBN 9783319269207. [Google Scholar]
  38. Bartlett, N.W.; Wood, R.J. Comparative analysis of fabrication methods for achieving rounded microchannels in PDMS. J. Micromech. Microeng. 201626, 115013. [Google Scholar] [CrossRef]
  39. Ng, P.F.; Lee, K.I.; Yang, M.; Fei, B. Fabrication of 3D PDMS microchannels of adjustable cross-sections via versatile gel templates. Polymers 201911, 64. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  40. Furlani, E.P.; Sahoo, Y.; Ng, K.C.; Wortman, J.C.; Monk, T.E. A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator. Biomed. Microdevices 20079, 451–463. [Google Scholar] [CrossRef]
  41. Tarn, M.D.; Peyman, S.A.; Robert, D.; Iles, A.; Wilhelm, C.; Pamme, N. The importance of particle type selection and temperature control for on-chip free-flow magnetophoresis. J. Magn. Magn. Mater. 2009321, 4115–4122. [Google Scholar] [CrossRef]
  42. Furlani, E.P. Permanent Magnet and Electromechanical Devices; Materials, Analysis and Applications; Academic Press: Waltham, MA, USA, 2001. [Google Scholar]
  43. White, F.M. Viscous Fluid Flow; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1974. [Google Scholar]
  44. Mathew, B.; Alazzam, A.; El-Khasawneh, B.; Maalouf, M.; Destgeer, G.; Sung, H.J. Model for tracing the path of microparticles in continuous flow microfluidic devices for 2D focusing via standing acoustic waves. Sep. Purif. Technol. 2015153, 99–107. [Google Scholar] [CrossRef]
  45. Furlani, E.J.; Furlani, E.P. A model for predicting magnetic targeting of multifunctional particles in the microvasculature. J. Magn. Magn. Mater. 2007312, 187–193. [Google Scholar] [CrossRef]
  46. Furlani, E.P.; Ng, K.C. Analytical model of magnetic nanoparticle transport and capture in the microvasculature. Phys. Rev. E 200673, 061919. [Google Scholar] [CrossRef]
  47. Eibl, R.; Eibl, D.; Pörtner, R.; Catapano, G.; Czermak, P. Cell and Tissue Reaction Engineering; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009. [Google Scholar]
  48. Pamme, N.; Eijkel, J.C.T.; Manz, A. On-chip free-flow magnetophoresis: Separation and detection of mixtures of magnetic particles in continuous flow. J. Magn. Magn. Mater. 2006307, 237–244. [Google Scholar] [CrossRef]
  49. Alorabi, A.Q.; Tarn, M.D.; Gómez-Pastora, J.; Bringas, E.; Ortiz, I.; Paunov, V.N.; Pamme, N. On-chip polyelectrolyte coating onto magnetic droplets-Towards continuous flow assembly of drug delivery capsules. Lab Chip 201717, 3785–3795. [Google Scholar] [CrossRef]
  50. Zhang, H.; Guo, H.; Chen, Z.; Zhang, G.; Li, Z. Application of PECVD SiC in glass micromachining. J. Micromech. Microeng. 200717, 775–780. [Google Scholar] [CrossRef]
  51. Mourzina, Y.; Steffen, A.; Offenhäusser, A. The evaporated metal masks for chemical glass etching for BioMEMS. Microsyst. Technol. 200511, 135–140. [Google Scholar] [CrossRef]
  52. Mata, A.; Fleischman, A.J.; Roy, S. Fabrication of multi-layer SU-8 microstructures. J. Micromech. Microeng. 200616, 276–284. [Google Scholar] [CrossRef]
  53. Su, N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2002–2025; MicroChem Corporation: Newton, MA, USA, 2002. [Google Scholar]
  54. Su, N. 8 2000 Negative Tone Photoresist Formulations 2035–2100; MicroChem Corporation: Newton, MA, USA, 2002. [Google Scholar]
  55. Fu, C.; Hung, C.; Huang, H. A novel and simple fabrication method of embedded SU-8 micro channels by direct UV lithography. J. Phys. Conf. Ser. 200634, 330–335. [Google Scholar] [CrossRef]
  56. Kazoe, Y.; Yamashiro, I.; Mawatari, K.; Kitamori, T. High-pressure acceleration of nanoliter droplets in the gas phase in a microchannel. Micromachines 20167, 142. [Google Scholar] [CrossRef]
  57. Sharp, K.V.; Adrian, R.J.; Santiago, J.G.; Molho, J.I. Liquid flows in microchannels. In MEMS: Introduction and Fundamentals; Gad-el-Hak, M., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, USA, 2006; pp. 10-1–10-46. ISBN 9781420036572. [Google Scholar]
  58. Oh, K.W.; Lee, K.; Ahn, B.; Furlani, E.P. Design of pressure-driven microfluidic networks using electric circuit analogy. Lab Chip 201212, 515–545. [Google Scholar] [CrossRef]
  59. Bruus, H. Theoretical Microfluidics; Oxford University Press: New York, NY, USA, 2008; ISBN 9788578110796. [Google Scholar]
  60. Beebe, D.J.; Mensing, G.A.; Walker, G.M. Physics and applications of microfluidics in biology. Annu. Rev. Biomed. Eng. 20024, 261–286. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  61. Yalikun, Y.; Tanaka, Y. Large-scale integration of all-glass valves on a microfluidic device. Micromachines 20167, 83. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  62. Van Heeren, H.; Verhoeven, D.; Atkins, T.; Tzannis, A.; Becker, H.; Beusink, W.; Chen, P. Design Guideline for Microfluidic Device and Component Interfaces (Part 2), Version 3; Available online: http://www.makefluidics.com/en/design-guideline?id=7 (accessed on 9 March 2020).
  63. Scheuble, N.; Iles, A.; Wootton, R.C.R.; Windhab, E.J.; Fischer, P.; Elvira, K.S. Microfluidic technique for the simultaneous quantification of emulsion instabilities and lipid digestion kinetics. Anal. Chem. 201789, 9116–9123. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  64. Lynch, E.C. Red blood cell damage by shear stress. Biophys. J. 197212, 257–273. [Google Scholar]
  65. Paul, R.; Apel, J.; Klaus, S.; Schügner, F.; Schwindke, P.; Reul, H. Shear stress related blood damage in laminar Couette flow. Artif. Organs 200327, 517–529. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  66. Gómez-Pastora, J.; Karampelas, I.H.; Xue, X.; Bringas, E.; Furlani, E.P.; Ortiz, I. Magnetic bead separation from flowing blood in a two-phase continuous-flow magnetophoretic microdevice: Theoretical analysis through computational fluid dynamics simulation. J. Phys. Chem. C 2017121, 7466–7477. [Google Scholar] [CrossRef]
  67. Lim, J.; Yeap, S.P.; Leow, C.H.; Toh, P.Y.; Low, S.C. Magnetophoresis of iron oxide nanoparticles at low field gradient: The role of shape anisotropy. J. Colloid Interface Sci. 2014421, 170–177. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  68. Culbertson, C.T.; Sibbitts, J.; Sellens, K.; Jia, S. Fabrication of Glass Microfluidic Devices. In Microfluidic Electrophoresis: Methods and Protocols; Dutta, D., Ed.; Humana Press: New York, NY, USA, 2019; pp. 1–12. ISBN 978-1-4939-8963-8. [Google Scholar]
Fluid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 3: (a,b) Magnet distance d = 0; (c,d) Magnet distance d = 1 mm.

Numerical Analysis of Bead Magnetophoresis from Flowing Blood in a Continuous-Flow Microchannel: Implications to the Bead-Fluid Interactions

Scientific Reports volume 9, Article number: 7265 (2019) Cite this article

Abstract

이 연구에서는 비드 운동과 유체 흐름에 미치는 영향에 대한 자세한 분석을 제공하기 위해 연속 흐름 마이크로 채널 내부의 비드 자기 영동에 대한 수치 흐름 중심 연구를 보고합니다.

수치 모델은 Lagrangian 접근 방식을 포함하며 영구 자석에 의해 생성 된 자기장의 적용에 의해 혈액에서 비드 분리 및 유동 버퍼로의 수집을 예측합니다.

다음 시나리오가 모델링됩니다. (i) 운동량이 유체에서 점 입자로 처리되는 비드로 전달되는 단방향 커플 링, (ii) 비드가 점 입자로 처리되고 운동량이 다음으로부터 전달되는 양방향 결합 비드를 유체로 또는 그 반대로, (iii) 유체 변위에서 비드 체적의 영향을 고려한 양방향 커플 링.

결과는 세 가지 시나리오에서 비드 궤적에 약간의 차이가 있지만 특히 높은 자기력이 비드에 적용될 때 유동장에 상당한 변화가 있음을 나타냅니다.

따라서 높은 자기력을 사용할 때 비드 운동과 유동장의 체적 효과를 고려한 정확한 전체 유동 중심 모델을 해결해야 합니다. 그럼에도 불구하고 비드가 중간 또는 낮은 자기력을 받을 때 계산적으로 저렴한 모델을 안전하게 사용하여 자기 영동을 모델링 할 수 있습니다.

Sketch of the magnetophoresis process in the continuous-flow microdevice.
Sketch of the magnetophoresis process in the continuous-flow microdevice.
Schematic view of the microdevice showing the working conditions set in the simulations.
Schematic view of the microdevice showing the working conditions set in the simulations.
Bead trajectories for different magnetic field conditions, magnet placed at different distances “d” from the channel: (a) d = 0; (b) d = 1 mm; (c) d = 1.5 mm; (d) d = 2 mm
Bead trajectories for different magnetic field conditions, magnet placed at different distances “d” from the channel: (a) d = 0; (b) d = 1 mm; (c) d = 1.5 mm; (d) d = 2 mm
Separation efficacy as a function of the magnet distance. Comparison between one-way and two-way coupling.
Separation efficacy as a function of the magnet distance. Comparison between one-way and two-way coupling.
(a) Fluid velocity magnitude including velocity vectors and (b) blood volumetric fraction contours with magnet distance d = 0 mm for scenario 1 (t = 0.25 s).
(a) Fluid velocity magnitude including velocity vectors and (b) blood volumetric fraction contours with magnet distance d = 0 mm for scenario 1 (t = 0.25 s).
luid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 2: (a,b) Magnet distance d = 0 mm at t = 0.4 s; (c,d) Magnet distance d = 1 mm at t = 0.4 s.
luid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 2: (a,b) Magnet distance d = 0 mm at t = 0.4 s; (c,d) Magnet distance d = 1 mm at t = 0.4 s.
Fluid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 3: (a,b) Magnet distance d = 0; (c,d) Magnet distance d = 1 mm.
Fluid velocity magnitude including velocity vectors and blood volumetric fraction contours for scenario 3: (a,b) Magnet distance d = 0; (c,d) Magnet distance d = 1 mm.
Blood volumetric fraction contours. Scenario 1: (a) Magnet distance d = 0 and (b) Magnet distance d = 1 mm; Scenario 2: (c) Magnet distance d = 0 and (d) Magnet distance d = 1 mm; and Scenario 3: (e) Magnet distance d = 0 and (f) Magnet distance d = 1 mm.
Blood volumetric fraction contours. Scenario 1: (a) Magnet distance d = 0 and (b) Magnet distance d = 1 mm; Scenario 2: (c) Magnet distance d = 0 and (d) Magnet distance d = 1 mm; and Scenario 3: (e) Magnet distance d = 0 and (f) Magnet distance d = 1 mm.

References

  1. 1.Keshipour, S. & Khalteh, N. K. Oxidation of ethylbenzene to styrene oxide in the presence of cellulose-supported Pd magnetic nanoparticles. Appl. Organometal. Chem. 30, 653–656 (2016).CAS Article Google Scholar 
  2. 2.Neamtu, M. et al. Functionalized magnetic nanoparticles: synthesis, characterization, catalytic application and assessment of toxicity. Sci. Rep. 8(1), 6278 (2018).ADS MathSciNet Article Google Scholar 
  3. 3.Gómez-Pastora, J., Bringas, E. & Ortiz, I. Recent progress and future challenges on the use of high performance magnetic nano-adsorbents in environmental applications. Chem. Eng. J. 256, 187–204 (2014).Article Google Scholar 
  4. 4.Gómez-Pastora, J., Bringas, E. & Ortiz, I. Design of novel adsorption processes for the removal of arsenic from polluted groundwater employing functionalized magnetic nanoparticles. Chem. Eng. Trans. 47, 241–246 (2016).Google Scholar 
  5. 5.Bagbi, Y., Sarswat, A., Mohan, D., Pandey, A. & Solanki, P. R. Lead and chromium adsorption from water using L-Cysteine functionalized magnetite (Fe3O4) nanoparticles. Sci. Rep. 7(1), 7672 (2017).ADS Article Google Scholar 
  6. 6.Gómez-Pastora, J. et al. Review and perspectives on the use of magnetic nanophotocatalysts (MNPCs) in water treatment. Chem. Eng. J. 310, 407–427 (2017).Article Google Scholar 
  7. 7.Lee, H. Y. et al. A selective fluoroionophore based on BODIPY-functionalized magnetic silica nanoparticles: removal of Pb2+ from human blood. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 1239–1243 (2009).CAS Article Google Scholar 
  8. 8.Buzea, C., Pacheco, I. I. & Robbie, K. Nanomaterials and nanoparticles: sources and toxicity. Biointerphases 2, MR17–MR71 (2007).Article Google Scholar 
  9. 9.Roux, S. et al. Multifunctional nanoparticles: from the detection of biomolecules to the therapy. Int. J. Nanotechnol. 7, 781–801 (2010).ADS CAS Article Google Scholar 
  10. 10.Gómez-Pastora, J., Bringas, E., Lázaro-Díez, M., Ramos-Vivas, J. & Ortiz, I. In Drug Delivery Systems (Stroeve, P. & Mahmoudi, M. ed) 207–244 (World Scientific, 2017).
  11. 11.Selmi, M., Gazzah, M. H. & Belmabrouk, H. Optimization of microfluidic biosensor efficiency by means of fluid flow engineering. Sci. Rep. 7(1), 5721 (2017).ADS Article Google Scholar 
  12. 12.Gómez-Pastora, J., González-Fernández, C., Fallanza, M., Bringas, E. & Ortiz, I. Flow patterns and mass transfer performance of miscible liquid-liquid flows in various microchannels: Numerical and experimental studies. Chem. Eng. J. 344, 487–497 (2018).Article Google Scholar 
  13. 13.Pamme, N. Magnetism and microfluidics. Lab Chip 6, 24–38 (2006).CAS Article Google Scholar 
  14. 14.Alorabi, A. Q. et al. On-chip polyelectrolyte coating onto magnetic droplets – towards continuous flow assembly of drug delivery capsules. Lab Chip 17, 3785–3795 (2017).CAS Article Google Scholar 
  15. 15.Gómez-Pastora, J. et al. Analysis of separators for magnetic beads recovery: from large systems to multifunctional microdevices. Sep. Purif. Technol. 172, 16–31 (2017).Article Google Scholar 
  16. 16.Tarn, M. D. & Pamme, N. On-chip magnetic particle-based immunoassays using multilaminar flow for clinical diagnosis. Methods Mol. Biol. 1547, 69–83 (2017).CAS Article Google Scholar 
  17. 17.Lv, C. et al. Integrated optofluidic-microfluidic twin channels: toward diverse application of lab-on-a-chip systems. Sci. Rep. 6, 19801 (2016).ADS CAS Article Google Scholar 
  18. 18.Gómez-Pastora, J. et al. Magnetic bead separation from flowing blood in a two-phase continuous-flow magnetophoretic microdevice: theoretical analysis through computational fluid dynamics simulation. J. Phys. Chem. C 121, 7466–7477 (2017).Article Google Scholar 
  19. 19.Furlani, E. P. Magnetic biotransport: analysis and applications. Materials 3, 2412–2446 (2010).ADS CAS Article Google Scholar 
  20. 20.Khashan, S. A. & Furlani, E. P. Effects of particle–fluid coupling on particle transport and capture in a magnetophoretic microsystem. Microfluid. Nanofluid. 12, 565–580 (2012).Article Google Scholar 
  21. 21.Modak, N., Datta, A. & Ganguly, R. Cell separation in a microfluidic channel using magnetic microspheres. Microfluid. Nanofluid. 6, 647–660 (2009).CAS Article Google Scholar 
  22. 22.Furlani, E. P., Sahoo, Y., Ng, K. C., Wortman, J. C. & Monk, T. E. A model for predicting magnetic particle capture in a microfluidic bioseparator. Biomed. Microdevices 9, 451–463 (2007).CAS Article Google Scholar 
  23. 23.Furlani, E. P. & Sahoo, Y. Analytical model for the magnetic field and force in a magnetophoretic microsystem. J. Phys. D: Appl. Phys. 39, 1724–1732 (2006).ADS CAS Article Google Scholar 
  24. 24.Tarn, M. D. et al. The importance of particle type selection and temperature control for on-chip free-flow magnetophoresis. J. Magn. Magn. Mater. 321, 4115–4122 (2009).ADS CAS Article Google Scholar 
  25. 25.Fonnum, G., Johansson, C., Molteberg, A., Morup, S. & Aksnes, E. Characterisation of Dynabeads® by magnetization measurements and Mössbauer spectroscopy. J. Magn. Magn. Mater. 293, 41–47 (2005).ADS CAS Article Google Scholar 
  26. 26.Xue, W., Moore, L. R., Nakano, N., Chalmers, J. J. & Zborowski, M. Single cell magnetometry by magnetophoresis vs. bulk cell suspension magnetometry by SQUID-MPMS – A comparison. J. Magn. Magn. Mater. 474, 152–160 (2019).ADS CAS Article Google Scholar 
  27. 27.Moore, L. R. et al. Continuous, intrinsic magnetic depletion of erythrocytes from whole blood with a quadrupole magnet and annular flow channel; pilot scale study. Biotechnol. Bioeng. 115, 1521–1530 (2018).CAS Article Google Scholar 
  28. 28.Furlani, E. P. & Xue, X. Field, force and transport analysis for magnetic particle-based gene delivery. Microfluid Nanofluid. 13, 589–602 (2012).CAS Article Google Scholar 
  29. 29.Furlani, E. P. & Xue, X. A model for predicting field-directed particle transport in the magnetofection process. Pharm. Res. 29, 1366–1379 (2012).CAS Article Google Scholar 
  30. 30.Furlani, E. P. Permanent Magnet and Electromechanical Devices; MaterialsAnalysis and Applications, (Academic Press, 2001).
  31. 31.Balachandar, S. & Eaton, J. K. Turbulent dispersed multiphase flow. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 111–133 (2010).ADS Article Google Scholar 
  32. 32.Wakaba, L. & Balachandar, S. On the added mass force at finite Reynolds and acceleration number. Theor. Comput. Fluid. Dyn. 21, 147–153 (2007).Article Google Scholar 
  33. 33.White, F. M. Viscous Fluid Flow, (McGraw-Hill, 1974).
  34. 34.Rietema, K. & Van Den Akker, H. E. A. On the momentum equations in dispersed two-phase systems. Int. J. Multiphase Flow 9, 21–36 (1983).Article Google Scholar 
  35. 35.Furlani, E. P. & Ng, K. C. Analytical model of magnetic nanoparticle transport and capture in the microvasculature. Phys. Rev. E 73, 1–10 (2006).Article Google Scholar 
  36. 36.Eibl, R., Eibl, D., Pörtner, R., Catapano, G. & Czermak, P. Cell and Tissue Reaction Engineering, (Springer, 2009).
  37. 37.Gómez-Pastora, J. et al. Computational modeling and fluorescence microscopy characterization of a two-phase magnetophoretic microsystem for continuous-flow blood detoxification. Lab Chip 18, 1593–1606 (2018).Article Google Scholar 
  38. 38.Khashan, S. A. & Furlani, E. P. Scalability analysis of magnetic bead separation in a microchannel with an array of soft magnetic elements in a uniform magnetic field. Sep. Purif. Technol. 125, 311–318 (2014).CAS Article Google Scholar 
  39. 39.Hirt, C. W. & Sicilian, J. M. A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes. ProcFourth International ConfShip Hydro., National Academic of Science, Washington, DC., (1985).
  40. 40.Crank, J. Free and Moving Boundary Problems, (Oxford University Press, 1984).
  41. 41.Bruus, H. Theoretical Microfluidics, (Oxford University Press, 2008).
  42. 42.Liang, L. & Xuan, X. Diamagnetic particle focusing using ferromicrofluidics with a single magnet. Microfluid. Nanofluid. 13, 637–643 (2012).

Author information

  1. Edward P. Furlani is deceased.

Affiliations

  1. Department of Chemical and Biomolecular Engineering, ETSIIT, University of Cantabria, Avda. Los Castros s/n, 39005, Santander, SpainJenifer Gómez-Pastora, Eugenio Bringas & Inmaculada Ortiz
  2. Flow Science, Inc, Santa Fe, New Mexico, 87505, USAIoannis H. Karampelas
  3. Department of Chemical and Biological Engineering, University at Buffalo (SUNY), Buffalo, New York, 14260, USAEdward P. Furlani
  4. Department of Electrical Engineering, University at Buffalo (SUNY), Buffalo, New York, 14260, USAEdward P. Furlani
Figure 5 - Modeling a simple lotus overflow symmetrically in FLOW-3D software

Flow-3D를 이용한 나팔형 여수로의 방류계수에 대한 와류방지 블레이드 45 도의 효과

Effect of Vortex Breaker Blades 45 Degree on Discharge Coefficient of Morning Glory Spillway Using Flow-3D

Authors

S. Noruzi1
and J. Ahadiyan2*
1– M.Sc. Student, Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Iran.
2*-Corresponding Author, Associate Professor, Faculty of Water Sciences Engineering, Shahid Chamran
University of Ahvaz, Iran.

Abstract

The discharge coefficient of morning glory spillway is decreased with eddies created by vortex at the inlet part of weir. However, a series of specific blades can reduce vortices which result in the spillway efficiency is increased. Hence, in this research numerical modeling of installed breaker blade on morning glory spillway was evaluated using Flow-3D model. To achieve these purposes, morning glory spillway was modeled without and with blades 3, 4 and 6 blades at 45 degree angle. To simulate the turbulence fluctuations, the modified k-e model (RNG k-e) was used and its results were compared to the experimental data. Results showed that by installing blades, the discharge coefficient increases up to 42 percent with 25 percent decreasing in the upstream water level. Moreover, among the three different arrangements of blades, the six-blade model was found to have more satisfactory results than other models. In comparison to control model, for H/D between 0 to 0.1 and 0.1 to 0.2 the discharge coefficient has been increased 40 and 57 percent for six-blade arrangement, respectively. 

모닝 글로리의 방류계수는 위어 입구 부분의 와류에 의해 생성된 소용돌이로 감소합니다. 그러나 일련의 특정 블레이드는 와류를 줄여 여수로 효율성을 높일 수 있습니다. 따라서 본 연구에서는 모닝 글로리 여수로에 설치된 브레이커 블레이드의 수치 모델링을 FLOW-3D 모델을 사용하여 평가했습니다. 이러한 목적을 달성하기 위해 모닝 글로리 여수로는 45도 각도로 블레이드 3, 4 및 6 블레이드 있는 모델과 없는 모델로 모델링되었습니다. 난류 변동을 시뮬레이션하기 위해 수정된 k-e 모델 (RNG k-e)을 사용하고 그 결과를 실험 데이터와 비교했습니다. 결과에 따르면 블레이드를 설치하면 상류 수위가 25 % 감소하면서 배출 계수가 42 %까지 증가합니다. 또한 3 개의 서로다른 블레이드 배열 중 6 개 블레이드 모델이 다른 모델보다 더 만족스러운 결과를 나타냈다. 기본 모델과 비교하여 H / D가 0 ~ 0.1 및 0.1 ~ 0.2 인 경우, 6개 블레이드 배열에서 방류계수가 각각 40 % 및 57 % 증가했습니다.

Keywords

Figure 1 - Dimensions of the vortex blade
Figure 1 – Dimensions of the vortex blade
Figure 3 - A (Physical model of lotus overflow without blade, b) Physical model of lotus overflow with eddy blades.
Figure 3 – A (Physical model of lotus overflow without blade, b) Physical model of lotus overflow with eddy blades.
Figure 5 - Modeling a simple lotus overflow symmetrically in FLOW-3D software
Figure 5 – Modeling a simple lotus overflow symmetrically in FLOW-3D software
Figure 7 - Comparison of Ashley flow chart with numerical model and laboratory
Figure 7 – Comparison of Ashley flow chart with numerical model and laboratory
Figure 8 - Comparison of flow coefficient diagram - immersion ratio of numerical model with laboratory: a (overflow without blade, b) overflow with three blades, c (overflow with four blades, d) overflow with six blades
Figure 8 – Comparison of flow coefficient diagram – immersion ratio of numerical model with laboratory: a (overflow without blade, b) overflow with three blades, c (overflow with four blades, d) overflow with six blades

Reference

1 -حیدری ارجلو، س.، موسوی جهرمی، س. ح. و ادیب، ا. 1386 .بررسی تاثیر شیب بر تعداد بهینه پلکانها در سرریزهای پلکانی، مجله علوم و مهندسی
.)123-136 :)2(33 ،كشاورزی علمی )آبیاری
2 -حاجیپور، گ. 1363 .بررسی آزمایشگاهی تأثیر تیغههای گردابشکن بر هیدرولیک جریان سرریز نیلوفری. پایاننامه كارشناسی ارشد رشته سازههای آبی،
دانشکده مهندسی علوم آب، دانشگاه شهید چمران اهواز.
3 -رنجبر ملکشاه، م.، 1363 .بررسی رفتار سرریز نیلوفری با پایین دست تاج پلکانی بوسیله مدلسازی رایانهای، پایاننامه كارشناسی ارشد مهندسی عمران،
دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه خواجه نصیر طوسی.
4 -رمضانی، س. كاویانپور، م ر. و ع. حسنی نژاد. 1362 .بررسی پارامترهای مؤثر بر آبگذری سرریزهای نیلوفری. هفتمین كنگره ملی مهندسی عمران،
دانشکده مهندسی شهید نیکبخت، زاهدان.
1 -سامانی، م. 1331 .طراحی سازههای هیدرولیکی. انتشارات شركت مهندسی مشاور دز آب اهواز
1 -قاسمزاده، ف. 1362 .شبیه سازی مسائل هیدرولیکی در 3D-FLOW .تهران، نوآور.
3 -كمانبدست، 1 ،.موسوی، س.ر. 1361 .مطالعه آزمایشگاهی تأثیر تعداد و زاویه گرداب شکن بر مشخصات جریان در سرریز نیلوفری مربعی، نشریه علوم
آب و خاک )غعلوم و فنون كشاورزی و منابع طبیعی(، سال بیستم، شماره 38 ،صفحه 182-131 .
8 -نظری پوركیانی، ع ا. 1363 .بررسی فشار و سرعت جریان در سرریز نیلوفری سد البرز با استفاده از نرمافزار 3D-FLOW .اولین كنفرانس سراسری
توسعه محوری مهندسی عمران، معماری، برق و مکانیک ایران.
6 -نوحانی، ا.، جمالی امام قیس، ر. 1364 .بررسی آزمایشگاهی تأثیرشکل تیغه های ضد گرداب برراندمان تخلیهی سرریزهای نیلوفری، نشریه آبیاری و
زهکشی ایران، جلد 6 ،شماره 1 ،صفحه 346-341 .
10-Akbari, A A., Nohani, E and A. Afrous. 2015. Numerical study of the effect of anti-vortex plates on the
inflow pattern in shaft spillways. Indian Journal of Fundamental and Applied Life Sciences, 5(S1):
3819-3826.
11-Anonymous, 1965. Design of Small Dams. Water Resources Technical publication, U.S Department of
the interior Bureau of Reclamation.
12-Bagheri, A., Shafai Bajestan, M., Mousavi Jahromi, H., Kashkuli, H. and H. Sedghi. 2010. Hydraulic
evaluation of the flow over polyhedral morning glory spillways. Word Applied Sciences Journal, 9(7):
712-717.
13- Fattor, C. A. and J. D. Bacchiega. 2003. Analysis of instabilities in the charge of regime in morning
glory spillways. Journal of Hydraulic Research, 40(4): 114-123.
14- Khatsuria, R. M. 2005. Hydraulics of spillways and energy dissipaters. Marcel Dekker. Department of
Civil and Environmental Engineering Georgia, Institute of Technology Atlanta, Newyork, USA.
15-Mousavi. S. R., Kamanbedast, A.A., and H. Fathian. 2013. Experimental investigation of the effect of
number of anti-vortex piers on submergence threshold in morning glory spillway with square inlet.
Technical Journal of Engineering and Applied Sciences, 3(24): 3534-3540.
16- Novak, P. 2007. Hydraulic Structures, Fourth edition published by Taylor and Francis. University of
New Castle upon, Tyne, UK, Landon and Network.
17-Tavana, M H., Mousavi Jahromi, H., Shafai Bajestan, M., Masjedi, A. R. and H. Sedghi. 2011.
Optimization of number and direction of vortex breakers in the morning glory spillway using physical
model. Economy, Environmental and Conservation Journal, 17(2): 435-440.
18-Vresteeg. H. K and W. Malalasekera. 1995. An introduction to computational fluid dynamics. Longman
Scientific and Technical. New York.
19-Yakhot. V and L. M. Smith. 1992. The renormalization group. The e-expansion and of turbulence
models. Journal of Computing, 7(1): 35-61.

Fig. 2. Semi-Lagrangian cellwise advection. (a) Forward advection scheme, (b) Backward advection scheme.

Three-dimensional cellwise conservative unsplit geometric VOF schemes

3차원 셀별 보수 미분할 기하학적 VOF 체계

Raphaël Comminal, JonSpangenberg

Abstract

This work presents two unsplit geometric VOF schemes that extend the two-dimensional cellwise conservative unsplit (CCU) scheme [Comminal et al., J. Comput. Phys. 283 (2015) 582–608] to three dimensions. The novelty of the 3D-CCU schemes lies in the representation of the streaksurfaces of donating regions by polyhedral surfaces whose vertices are calculated with the 4th order Runge-Kutta scheme. Moreover, the advected liquid volumes are computed using a truncation algorithm [López et al., J. Comput. Phys. 392 (2019) 666–693] suited for arbitrary non-convex and self-intersecting polyhedra, which removes the need for tetrahedral decomposition. The 3D-CCU advection schemes were coupled to three interface reconstruction methods (Youngs’ method, the Mixed Youngs-Centered scheme, and the Least-Square Fit algorithm). The resulting VOF methods were tested in classical benchmark advection tests, including translation, rigid-body rotation, shear and deformation flows. The proposed 3D-CCU schemes conserve the liquid volume and maintain the physical boundedness of liquid volume fractions to the machine precision. The 3D-CCU schemes perform favorably compared to other unsplit geometric VOF schemes when coupled to Youngs’ interface reconstruction method. Moreover, the 3D-CCU schemes coupled to the Least-Square Fit algorithm are more accurate than most other VOF schemes that use a second-order accurate interface reconstruction, except those where a 3D extension of the Mosso-Swartz interface reconstruction is employed. The comparison of the different VOF schemes highlights the importance of coupling accurate interface reconstruction methods with accurate unsplit advection schemes.

이 연구는 2 차원 CCU (Cellwise Conservative Unsplit) 방식을 확장하는 두 가지 분할되지 않은 기하학적 VOF 방식을 제시합니다 [Comminal et al., J. Comput. Phys. 283 (2015) 582–608]을 3 차원으로 변경했습니다. 3D-CCU 체계의 참신함은 4 차 Runge-Kutta 체계로 정점이 계산되는 다면체 표면으로 기부 지역의 줄무늬 표면을 표현하는 데 있습니다.

더욱, 가변 액체 부피는 절단 알고리즘을 사용하여 계산됩니다 [López et al., J. Comput. Phys. 392 (2019) 666–693]은 임의의 볼록하지 않고 자기 교차하는 다면체에 적합하며, 이는 사면체 분해의 필요성을 제거합니다. 3D-CCU 이류 계획은 세 가지 인터페이스 재구성 방법 (Youngs의 방법, Mixed Youngs-Centered 계획 및 Least-Square Fit 알고리즘)과 결합되었습니다. 결과 VOF 방법은 평행 이동, 강체 회전, 전단 및 변형 흐름을 포함한 고전적인 벤치 마크 이류 테스트에서 테스트되었습니다.

제안된 3D-CCU 방식은 액체 부피를 보존하고 기계 정밀도에 대한 액체 부피 분율의 물리적 경계를 유지합니다. 3D-CCU 방식은 Youngs의 인터페이스 재구성 방식과 결합 할 때 다른 분할되지 않은 기하학적 VOF 방식에 비해 우수한 성능을 발휘합니다.

또한 Least-Square Fit 알고리즘과 결합 된 3D-CCU 체계는 Mosso-Swartz 인터페이스 재구성의 3D 확장이 사용되는 경우를 제외하고 2 차 정확한 인터페이스 재구성을 사용하는 대부분의 다른 VOF 체계보다 더 정확합니다. 서로 다른 VOF 체계의 비교는 정확한 인터페이스 재구성 방법과 정확한 분할되지 않은 이류 체계를 결합하는 것의 중요성을 강조합니다.

Keywords

Volume-of-fluid methodUnsplit geometric schemeCellwise advectionSemi-Lagrangian trackingVolume conservation

Fig. 1. Eulerian fluxwise advection. (a) Positive donating region with respect to the left cell; (b) Negative donating region; (c) Intersection of a donating region with the cell's face, yielding a positive and a negative region; (d) Temporally-consistent donating regions equivalent to a cellwise advection; (e) Temporal inconsistency of adjacent donating regions.
Fig. 1. Eulerian fluxwise advection. (a) Positive donating region with respect to the left cell; (b) Negative donating region; (c) Intersection of a donating region with the cell’s face, yielding a positive and a negative region; (d) Temporally-consistent donating regions equivalent to a cellwise advection; (e) Temporal inconsistency of adjacent donating regions.
Fig. 2. Semi-Lagrangian cellwise advection. (a) Forward advection scheme, (b) Backward advection scheme.
Fig. 2. Semi-Lagrangian cellwise advection. (a) Forward advection scheme, (b) Backward advection scheme.
Fig. 3. (a) Cartesian grid cell. (b) Images of the cell's vertices with ruled surfaces. (c) Polyhedral cell's image with triangulated faces.
Fig. 3. (a) Cartesian grid cell. (b) Images of the cell’s vertices with ruled surfaces. (c) Polyhedral cell’s image with triangulated faces.
Fig. 4. Construction of donating regions. (a) Streakline of a cell's vertex P0 represented by the 2-segment polygonal line P0–P1/2–P1. (b) Triangulated streaksurface of a cell's edge P0Q0. (c) Streaktube of a cell's face P0Q0R0S0. (d) Pyramidal volume flux correction  ⁎  capping the donating region of the face P0Q0R0S0.
Fig. 4. Construction of donating regions. (a) Streakline of a cell’s vertex P0 represented by the 2-segment polygonal line P0–P1/2–P1. (b) Triangulated streaksurface of a cell’s edge P0Q0. (c) Streaktube of a cell’s face P0Q0R0S0. (d) Pyramidal volume flux correction ⁎ capping the donating region of the face P0Q0R0S0.
Fig. 5. Interface reconstruction. (a) PLIC polygon in the grid cell, (b) Non-planar image of the PLIC polygon inside the cell's image by isomorphism, (c) Planar PLIC inside the cell's image by computation of the average normal vector. (Triangulation of the cell's image faces are omitted for clarity.)
Fig. 5. Interface reconstruction. (a) PLIC polygon in the grid cell, (b) Non-planar image of the PLIC polygon inside the cell’s image by isomorphism, (c) Planar PLIC inside the cell’s image by computation of the average normal vector. (Triangulation of the cell’s image faces are omitted for clarity.)
Fig. 6. Convergence of the geometric errors in the translation tests.
Fig. 6. Convergence of the geometric errors in the translation tests.
Fig. 7. Reconstructed PLIC polygons (in light blue) superimposed to the exact sphere position (in dark blue) at the end of the rotation tests for the LSF method and CFL = 1.
Fig. 7. Reconstructed PLIC polygons (in light blue) superimposed to the exact sphere position (in dark blue) at the end of the rotation tests for the LSF method and CFL = 1.
Fig. 8. Reconstructed PLIC polygons in the shear tests, at Tf/2 (top row) and Tf (bottom row). Blue polygons are computed with the LSF procedure; green polygons with centered column differences; red polygons with Youngs' method.
Fig. 8. Reconstructed PLIC polygons in the shear tests, at Tf/2 (top row) and Tf (bottom row). Blue polygons are computed with the LSF procedure; green polygons with centered column differences; red polygons with Youngs’ method.
Fig. 9. Reconstructed PLIC polygons in the deformation tests, at Tf/2 (top row) and Tf (bottom row). Blue polygons are computed with the LSF procedure; green polygons with centered column differences; red polygons with Youngs' method.
Fig. 9. Reconstructed PLIC polygons in the deformation tests, at Tf/2 (top row) and Tf (bottom row). Blue polygons are computed with the LSF procedure; green polygons with centered column differences; red polygons with Youngs’ method.

References
[1]
C.W. Hirt, B.D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of Computational Physics 39 (1981) 201–225. https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5.
Google Scholar
[2]
F.H. Harlow, J.E. Welch, Numerical Calculation of Time-Dependent Viscous Incompressible Flow of Fluid with Free Surface, The Physics of Fluids 8 (1965) 2182–2189. https://doi.org/10.1063/1.1761178.
Google Scholar
[3]
S. McKee, M.F. Tomé, V.G. Ferreira, J.A. Cuminato, A. Castelo, F.S. Sousa, N. Mangiavacchi, The MAC method, Computers & Fluids 37 (2008) 907–930. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2007.10.006.
Google Scholar
[4]
G. Tryggvason, B. Bunner, A. Esmaeeli, D. Juric, N. Al-Rawahi, W. Tauber, J. Han, S. Nas, Y.-J. Jan, A front-tracking method for the computations of multiphase flow, Journal of Computational Physics 169 (2001) 708–759. https://doi.org/10.1006/jcph.2001.6726.
Google Scholar
[5]
S. Shin, D. Juric, Modeling three-dimensional multiphase flow using a level contour reconstruction method for front tracking without connectivity, Journal of Computational Physics 180 (2002) 427–470. https://doi.org/10.1006/jcph.2002.7086.
Google Scholar
[6]
M. Sussman, P. Smereka, S. Osher, A level set approach for computing solutions to incompressible two-phase flow, Journal of Computational Physics 114 (1994) 146–159. https://doi.org/10.1006/jcph.1994.1155.
Google Scholar
[7]
E. Olsson, G. Kreiss, A conservative level set method for two phase flow, Journal of Computational Physics 210 (2005) 225–246. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2005.04.007.
Google Scholar
[8]
D. Jacqmin, Calculation of two-phase Navier–Stokes flows using phase-field modeling, Journal of Computational Physics 155 (1999) 96–127. https://doi.org/10.1006/jcph.1999.6332.
Google Scholar
[9]
M. Sussman, E.G. Puckett, A coupled level set and volume-of-fluid method for computing 3D and axisymmetric incompressible two-phase flows, Journal of Computational Physics 162 (2000) 301–337. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6537.
Google Scholar
[10]
M. Sussman, A second order coupled level set and volume-of-fluid method for computing growth and collapse of vapor bubbles, Journal of Computational Physics 187 (2003) 110–136. https://doi.org/10.1016/S0021-9991(03)00087-1.
Google Scholar
[11]
N. Balcázar, O. Lehmkuhl, L. Jofre, J. Rigola, A. Oliva, A coupled volume-of-fluid/level-set method for simulation of two-phase flows on unstructured meshes, Computers & Fluids 124 (2016) 12–29. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2015.10.005.
Google Scholar
[12]
Y. Liu, X. Yu, A coupled phase–field and volume-of-fluid method for accurate representation of limiting water wave deformation, Journal of Computational Physics 321 (2016) 459–475. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2016.05.059.
Google Scholar
[13]
E. Aulisa, S. Manservisi, R. Scardovelli, A surface marker algorithm coupled to an area-preserving marker redistribution method for three-dimensional interface tracking, Journal of Computational Physics 197 (2004) 555–584. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.12.009.
Google Scholar
[14]
D. Enright, R. Fedkiw, J. Ferziger, I. Mitchell, A hybrid particle level set method for improved interface capturing, Journal of Computational Physics 183 (2002) 83–116. https://doi.org/10.1006/jcph.2002.7166.
Google Scholar
[15]
T. Marić, H. Marschall, D. Bothe, lentFoam – A hybrid Level Set/Front Tracking method on unstructured meshes, Computers & Fluids 113 (2015) 20–31. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.12.019.
Google Scholar
[16]
S. Mirjalili, S.S. Jain, M. Dodd, Interface-capturing methods for two-phase flows: An overview and recent developments, In: Center for Turbulence Research Annual Research Briefs (2017) 117–135.
Google Scholar
[17]
D. Fuster, A. Bagué, T. Boeck, L. Le Moyne, A. Leboissetier, S. Popinet, P. Ray, R. Scardovelli, S. Zaleski, Simulation of primary atomization with an octree adaptive mesh refinement and VOF method, International Journal of Multiphase Flow 35 (2009) 550–565. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2009.02.014.
Google Scholar
[18]
X. Chen, D. Ma, V. Yang, S. Popinet, High-fidelity simulations of impinging jet atomization, Atomization and Sprays 23 (2013) 1079–1101. https://doi.org/10.1615/AtomizSpr.2013007619.
Google Scholar
[19]
J. Delteil, S. Vincent, A. Erriguible, P. Subra-Paternault, Numerical investigations in Rayleigh breakup of round liquid jets with VOF methods, Computers & Fluids 50 (2011) 10–23. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2011.05.010.
Google Scholar
[20]
Agbaglah, S. Delaux, D. Fuster, J. Hoepffner, C. Josserand, S. Popinet, P. Ray, R. Scardovelli, S. Zaleski, Parallel simulation of multiphase flows using octree adaptivity and the volume-of-fluid method, Comptes Rendus Mecanique 339 (2011) 194–207. https://doi.org/10.1016/j.crme.2010.12.006.
Google Scholar
[21]
H. Grosshans, A. Movaghar, L. Cao, M. Oevermann, R.Z. Szász, L. Fuchs, Sensitivity of VOF simulations of the liquid jet breakup to physical and numerical parameters, Computers & Fluids 136 (2016) 312–323. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.06.018.
Google Scholar
[22]
D. Lörstad, L. Fuchs, High-order surface tension VOF-model for 3D bubble flows with high density ratio, Journal of Computational Physics 200 (2004) 153–176. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2004.04.001.
Google Scholar
[23]
D. Fuster, S. Popinet, An all-Mach method for the simulation of bubble dynamics problems in the presence of surface tension, Journal of Computational Physics 374 (2018) 752–768. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.07.055.
Google Scholar
[24]
N. Nikolopoulos, K.S. Nikas, G. Bergeles, A numerical investigation of central binary collision of droplets, Computers & Fluids 38 (2009) 1191–1202. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2008.11.007.
Google Scholar
[25]
G. Strotos, I. Malgarinos, N. Nikolopoulos, M. Gavaises, Predicting droplet deformation and breakup for moderate Weber numbers, International Journal of Multiphase Flow 85 (2016) 96–109. https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2016.06.001.
Google Scholar
[26]
D. Jiao, K. Jiao, F. Zhang, Q. Du, Direct numerical simulation of droplet deformation in turbulent flows with different velocity profiles, Fuel 247 (2019) 302–314. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.03.010.
Google Scholar
[27]
F. Giussani, F. Piscaglia, G. Saez-Mischlich, J. Hèlie, A three-phase VOF solver for the simulation of in-nozzle cavitation effects on liquid atomization, Journal of Computational Physics 406 (2020) 109068. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2019.109068.
Google Scholar
[28]
M.R. Pendar, E. Roohi, Investigation of cavitation around 3D hemispherical head-form body and conical cavitators using different turbulence and cavitation models, Ocean Engineering 112 (2016) 287–306. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2015.12.010.
Google Scholar
[29]
Flow Science, Inc., Santa Fe, NM, USA. FLOW-3D® Version 12.0 (2019). https://www.flow3d.com.
Google Scholar
[30]
O. Ubbink, R.I. Issa, A method for capturing sharp fluid interfaces on arbitrary meshes, Journal of Computational Physics 153 (1999) 26–50. https://doi.org/10.1006/jcph.1999.6276.
Google Scholar
[31]
S. Muzaferija, A two-fluid Navier-Stokes solver to simulate water entry, In: Proceedings of 22nd Symposium on Naval Architecture (1999) 638–651.
Google Scholar
[32]
M. Darwish, F. Moukalled, Convective schemes for capturing interfaces of free-surface flows on unstructured grids, Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals 49 (2006) 19–42. https://doi.org/10.1080/10407790500272137.
Google Scholar
[33]
S.S. Deshpande, L. Anumolu, M.F. Trujillo, Evaluating the performance of the two-phase flow solver interFoam, Computational Science & Discovery 5 (2012) 014016. https://doi.org/10.1088/1749-4699/5/1/014016.
Google Scholar
[34]
J.A. Heyns, A.G. Malan, T.M. Harms, O.F. Oxtoby, Development of a compressive surface capturing formulation for modelling free-surface flow by using the volume-of-fluid approach, International Journal for Numerical Methods in Fluids 71 (2013) 788–804. https://doi.org/10.1002/fld.3694.
Google Scholar
[35]
S. Ii, K. Sugiyama, S. Takeuchi, S. Takagi, Y. Matsumoto, F. Xiao, An interface capturing method with a continuous function: The THINC method with multi-dimensional reconstruction, Journal of Computational Physics 231 (2012) 2328–2358. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2011.11.038.
Google Scholar
[36]
B. Xie, S. Ii, F. Xiao, An efficient and accurate algebraic interface capturing method for unstructured grids in 2 and 3 dimensions: The THINC method with quadratic surface representation, International Journal for Numerical Methods in Fluids 76 (2014) 1025–1042. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2013.11.034.
Google Scholar
[37]
Q. Zhang, On Donating Regions: Lagrangian Flux through a Fixed Curve, SIAM Review 55 (2013) 443–461. https://doi.org/10.1137/100796406.
Google Scholar
[38]
E. Aulisa, S. Manservisi, R. Scardovelli, S. Zaleski, Interface reconstruction with least-squares fit and split advection in three-dimensional Cartesian geometry, Journal of Computational Physics 225 (2007) 2301–2319. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2007.03.015.
Google Scholar
[39]
G.D. Weymouth, D.K.-P. Yue, Conservative Volume-of-Fluid method for free-surface simulations on Cartesian-grids, Journal of Computational Physics 229 (2010) 2853–2865. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2009.12.018.
Google Scholar
[40]
C.S. Wu, D.L. Young, H.C. Wu, Simulations of multidimensional interfacial flows by an improved volume-of-fluid method, International Journal of Heat and Mass Transfer 60 (2013) 739–755. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.12.049.
Google Scholar
[41]
T. Marić, D.B. Kothe, D. Bothe, Unstructured un-split geometrical Volume-of-Fluid methods – A review, Journal of Computational Physics 420 (2020) 109695. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2020.109695.
Google Scholar
[42]
Q. Zhang, On a Family of Unsplit Advection Algorithms for Volume-of-Fluid Methods, SIAM Journal on Numerical Analysis 51 (2013) 2822–2850. https://doi.org/10.1137/120897882.
Google Scholar
[43]
W.J. Rider, D.B. Kothe, Reconstructing Volume Tracking, Journal of Computational Physics 141 (1998) 112–152. https://doi.org/10.1006/jcph.1998.5906.
Google Scholar
[44]
J. López, J. Hernández, P. Gómez, F. Faura, A volume of fluid method based on multidimensional advection and spline interface reconstruction, Journal of Computational Physics 195 (2004) 718–742. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.10.030.
Google Scholar
[45]
D.J.E. Harvie, D.F. Fletcher, A new volume of fluid advection algorithm: the defined donating region scheme, International Journal for Numerical Methods in Fluids 35 (2001) 151–172. https://doi.org/10.1002/1097-0363(20010130)35:2<151::AID-FLD87>3.0.CO;2-4.
Google Scholar
[46]
D.J.E. Harvie, D.F. Fletcher, A New Volume of Fluid Advection Algorithm: The Stream Scheme, Journal of Computational Physics 162 (2000) 1–32. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6510.
Google Scholar
[47]
J.E. Pilliod Jr., E.G. Puckett, Second-order accurate volume-of-fluid algorithms for tracking material interfaces, Journal of Computational Physics 199 (2004) 465–502. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2003.12.023.
Google Scholar
[48]
A. Cervone, S. Manservisi, R. Scardovelli, S. Zaleski, A geometrical predictor–corrector advection scheme and its application to the volume fraction function, Journal of Computational Physics 228 (2009) 406–419. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2008.09.016.
Google Scholar
[49]
R. Comminal, J. Spangenberg, J.H. Hattel, Cellwise conservative unsplit advection for the volume of fluid method, Journal of Computational Physics 283 (2015) 582–608. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2014.12.003.
Google Scholar
[50]
J. Mencinger, I. Žun, A PLIC–VOF method suited for adaptive moving grids, Journal of Computational Physics 230 (2011) 644–663. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2010.10.010.
Google Scholar
[51]
P. Liovic, M. Rudman, J.-L. Liow, D. Lakehal, D. Kothe, A 3D unsplit-advection volume tracking algorithm with planarity-preserving interface reconstruction, Computers & Fluids 35 (2006) 1011–1032. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2005.09.003.
Google Scholar
[52]
J. Hernández, J. López, P. Gómez, C. Zanzi, F. Faura, A new volume of fluid method in three dimensions—Part I: Multidimensional advection method with face-matched flux polyhedra, International Journal for Numerical Methods in Fluids 58 (2008) 897–921. https://doi.org/10.1002/fld.1776.
Google Scholar
[53]
V. Le Chenadec, H. Pitsch, A 3D Unsplit Forward/Backward Volume-of-Fluid Approach and Coupling to the Level Set Method, Journal of Computational Physics 233 (2013) 10–33. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2012.07.019.
Google Scholar
[54]
M. Owkes, O. Desjardins, A computational framework for conservative, three-dimensional, unsplit, geometric transport with application to the volume-of-fluid (VOF) method, Journal of Computational Physics 270 (2014) 587–612. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2014.04.022.
Google Scholar
[55]
L. Jofre, O. Lehmkuhl, J. Castro, A. Oliva, A 3-D Volume-of-Fluid advection method based on cell-vertex velocities for unstructured meshes, Computers & Fluids 94 (2014) 14–29. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2014.02.001.
Google Scholar
[56]
T. Marić, H. Marschall, D. Bothe, voFoam – A geometrical Volume of Fluid algorithm on arbitrary unstructured meshes with local dynamic adaptive mesh refinement using OpenFOAM, arXiv preprint (2013) arXiv:1305.3417.
Google Scholar
[57]
T. Marić, H. Marschall, D. Bothe, An enhanced un-split face-vertex flux-based VoF method, Journal of Computational Physics 371 (2018) 967–993. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2018.03.048.
Google Scholar
[58]
C.B. Ivey, P. Moin, Conservative volume of fluid advection method on unstructured grids in three dimensions, In: Center for Turbulence Research Annual Research Briefs (2012) 179–192.
Google Scholar
[59]
C.B. Ivey, P. Moin, Conservative and bounded volume-of-fluid advection on unstructured grids, Journal of Computational Physics 350 (2017) 387–419. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2017.08.054.
Google Scholar
[60]
J. Roenby, H. Bredmose, H. Jasak, A computational method for sharp interface advection, Royal Society Open Science 3 (2016) 160405. https://doi.org/10.1098/rsos.160405.
Google Scholar
[61]
J. López, P. Gómez, C. Zanzi, F. Faura, H. Hernández, Application of Non-Convex Analytic and Geometric Tools to a PLIC-VOF Method. In: ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (2016) V007T09A005. https://doi.org/10.1115/IMECE2016-67409.
Google Scholar
[62]
J. López, J. Hernández, P. Gómez, F. Faura, Non-convex analytical and geometrical tools for volume truncation, initialization and conservation enforcement in VOF methods, Journal of Computational Physics 392 (2019) 666–693. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2019.04.055.
Google Scholar
[63]
J. López, J. Hernández, P. Gómez, C. Zanzi, R. Zamora, VOFTools 5: An extension to non-convex geometries of calculation tools for volume of fluid methods, Computer Physics Communications (2020) 107277. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2020.107277.
Google Scholar
[64]
D.L. Youngs, Time-dependent multi-material flow with large fluid distortion, In: Numerical Methods for Fluid Dynamics, Eds: K.W. Morton, M.J. Baines, Academic Press New York, 1982, pp. 273–285.
Google Scholar
[65]
R. Scardovelli, S. Zaleski, Interface reconstruction with least-square fit and split Eulerian–Lagrangian advection, International Journal for Numerical Methods in Fluids 41 (2003) 251–274. https://doi.org/10.1002/fld.431.
Google Scholar
[66]
R. Scardovelli, S. Zaleski, Analytical Relations Connecting Linear Interfaces and Volume Fractions in Rectangular Grids, Journal of Computational Physics 164 (2000) 228–237. https://doi.org/10.1006/jcph.2000.6567.
Google Scholar
[67]
D. Gueyffier, J. Li, A. Nadim, R. Scardovelli, S. Zaleski, Volume-of-fluid interface tracking with smoothed surface stress methods for three-dimensional flows, Journal of Computational Physics 152 (1999) 423–456. https://doi.org/10.1006/jcph.1998.6168.
Google Scholar
[68]
V. Dyadechko, M. Shashkov, Moment-of-fluid interface reconstruction, Los Alamos Report LA-UR-07-1537 (2007).
Google Scholar
[69]
F. Tampieri, Newell’s method for computing the plane equation of a polygon, In: Graphics Gems III (1992) 231–232. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-050755-2.50052-X.
Google Scholar
[70]
J. López, J. Hernández, P. Gómez, F. Faura, A new volume conservation enforcement method for PLIC reconstruction in general convex grids, Journal of Computational Physics 316 (2016) 338–359. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2016.04.018.
Google Scholar
[71]
C.W.S. Bruner, Geometric Properties of Arbitrary Polyhedra in Terms of Face Geometry, AIAA Journal 33 (1995) 1350–1350. https://doi.org/10.2514/3.12556.
Google Scholar
[72]
R.N. Goldman, Area of planar polygons and volume of polyhedra, In: Graphics Gems II (1991) 170–171. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-050754-5.50043-8.
Google Scholar
[73]
B. Freireich, M. Kodam, C. Wassgren, An exact method for determining local solid fractions in discrete element method simulations, AIChE Journal 56 (2010) 3036–3048. https://doi.org/10.1002/aic.12223.
Google Scholar
[74]
J. López, C. Zanzi, P. Gómez, F. Faura, J. Hernández, A new volume of fluid method in three dimensions—Part II: Piecewise-planar interface reconstruction with cubic-Bézier fit, International Journal for Numerical Methods in Fluids 58 (2008) 923–944. https://doi.org/10.1002/fld.1775.
Google Scholar
[75]
P. Cifani, W.R. Michalek, G.J.M. Priems, J.G. Kuerten, C.W.M. van der Geld, B.J. Geurts, A comparison between the surface compression method and an interface reconstruction method for the VOF approach, Computers & Fluids 136 (2016) 421–435. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2016.06.026.
Google Scholar
[76]
A. Asuri Mukundan, T. Ménard, J.C. Brändle de Motta, A. Berlemont, A 3D Moment of Fluid method for simulating complex turbulent multiphase flows, Computers & Fluids 198 (2020) 104364. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2019.104364.
Google Scholar
[77]
C.B. Ivey, P. Moin, Accurate interface normal and curvature estimates on three-dimensional unstructured non-convex polyhedral meshes, Journal of Computational Physics 300 (2015) 365–386. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2015.07.055.
Google Scholar
[78]
H.T. Ahn, M. Shashkov, Multi-material interface reconstruction on generalized polyhedral meshes, Journal of Computational Physics 226 (2007) 2096–2132. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2007.06.033.
Google Scholar
[79]
G. Černe, S. Petelin, I. Tiselj, Numerical errors of the volume-of-fluid interface tracking algorithm, International Journal for Numerical Methods in Fluids 38 (2002) 329–350. https://doi.org/10.1002/fld.228.
Google Scholar
[80]
S.J. Mosso, B.K. Swartz, D.B. Kothe, R.C. Ferrell, A parallel, volume-tracking algorithm for unstructured meshes, In: Parallel Computational Fluid Dynamics 1996: Algorithms and Results Using Advanced Computers, 1997, pp. 368–375. https://doi.org/10.1016/B978-044482327-4/50113-3.
Google Scholar
1
This definition of the CFL number is different from the usual definition used in multi-dimensional algebraic advection schemes. However, the component-wise definition is more meaningful in the context of geometric VOF schemes, because it determines the number of layers of cells around the interfacial cells where the liquid volume fractions need to be updated.

Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.

DNA Printing Integrated Multiplexer Driver Microelectronic Mechanical System Head (IDMH) and Microfluidic Flow Estimation

DNA 프린팅 통합 멀티플렉서 드라이버 Microelectronic Mechanical System Head (IDMH) 및 Microfluidic Flow Estimation

by Jian-Chiun Liou 1,*,Chih-Wei Peng 1,Philippe Basset 2 andZhen-Xi Chen 11School of Biomedical Engineering, Taipei Medical University, Taipei 11031, Taiwan2ESYCOM, Université Gustave Eiffel, CNRS, CNAM, ESIEE Paris, F-77454 Marne-la-Vallée, France*Author to whom correspondence should be addressed.

Abstract

The system designed in this study involves a three-dimensional (3D) microelectronic mechanical system chip structure using DNA printing technology. We employed diverse diameters and cavity thickness for the heater. DNA beads were placed in this rapid array, and the spray flow rate was assessed. Because DNA cannot be obtained easily, rapidly deploying DNA while estimating the total amount of DNA being sprayed is imperative. DNA printings were collected in a multiplexer driver microelectronic mechanical system head, and microflow estimation was conducted. Flow-3D was used to simulate the internal flow field and flow distribution of the 3D spray room. The simulation was used to calculate the time and pressure required to generate heat bubbles as well as the corresponding mean outlet speed of the fluid. The “outlet speed status” function in Flow-3D was used as a power source for simulating the ejection of fluid by the chip nozzle. The actual chip generation process was measured, and the starting voltage curve was analyzed. Finally, experiments on flow rate were conducted, and the results were discussed. The density of the injection nozzle was 50, the size of the heater was 105 μm × 105 μm, and the size of the injection nozzle hole was 80 μm. The maximum flow rate was limited to approximately 3.5 cc. The maximum flow rate per minute required a power between 3.5 W and 4.5 W. The number of injection nozzles was multiplied by 100. On chips with enlarged injection nozzle density, experiments were conducted under a fixed driving voltage of 25 V. The flow curve obtained from various pulse widths and operating frequencies was observed. The operating frequency was 2 KHz, and the pulse width was 4 μs. At a pulse width of 5 μs and within the power range of 4.3–5.7 W, the monomer was injected at a flow rate of 5.5 cc/min. The results of this study may be applied to estimate the flow rate and the total amount of the ejection liquid of a DNA liquid.

이 연구에서 설계된 시스템은 DNA 프린팅 기술을 사용하는 3 차원 (3D) 마이크로 전자 기계 시스템 칩 구조를 포함합니다. 히터에는 다양한 직경과 캐비티 두께를 사용했습니다. DNA 비드를 빠른 어레이에 배치하고 스프레이 유속을 평가했습니다.

DNA를 쉽게 얻을 수 없기 때문에 DNA를 빠르게 배치하면서 스프레이 되는 총 DNA 양을 추정하는 것이 필수적입니다. DNA 프린팅은 멀티플렉서 드라이버 마이크로 전자 기계 시스템 헤드에 수집되었고 마이크로 플로우 추정이 수행되었습니다.

Flow-3D는 3D 스프레이 룸의 내부 유동장과 유동 분포를 시뮬레이션 하는데 사용되었습니다. 시뮬레이션은 열 거품을 생성하는데 필요한 시간과 압력뿐만 아니라 유체의 해당 평균 출구 속도를 계산하는데 사용되었습니다.

Flow-3D의 “출구 속도 상태”기능은 칩 노즐에 의한 유체 배출 시뮬레이션을 위한 전원으로 사용되었습니다. 실제 칩 생성 프로세스를 측정하고 시작 전압 곡선을 분석했습니다. 마지막으로 유속 실험을 하고 그 결과를 논의했습니다. 분사 노즐의 밀도는 50, 히터의 크기는 105μm × 105μm, 분사 노즐 구멍의 크기는 80μm였다. 최대 유량은 약 3.5cc로 제한되었습니다. 분당 최대 유량은 3.5W에서 4.5W 사이의 전력이 필요했습니다. 분사 노즐의 수에 100을 곱했습니다. 분사 노즐 밀도가 확대 된 칩에 대해 25V의 고정 구동 전압에서 실험을 수행했습니다. 얻은 유동 곡선 다양한 펄스 폭과 작동 주파수에서 관찰되었습니다. 작동 주파수는 2KHz이고 펄스 폭은 4μs입니다. 5μs의 펄스 폭과 4.3–5.7W의 전력 범위 내에서 단량체는 5.5cc / min의 유속으로 주입되었습니다. 이 연구의 결과는 DNA 액체의 토 출액의 유량과 총량을 추정하는 데 적용될 수 있습니다.

Keywords: DNA printingflow estimationMEMS

Introduction

잉크젯 프린트 헤드 기술은 매우 중요하며, 잉크젯 기술의 거대한 발전은 주로 잉크젯 프린트 헤드 기술의 원리 개발에서 시작되었습니다. 잉크젯 인쇄 연구를 위한 대규모 액적 생성기 포함 [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8]. 연속 식 잉크젯 시스템은 고주파 응답과 고속 인쇄의 장점이 있습니다. 그러나이 방법의 잉크젯 프린트 헤드의 구조는 더 복잡하고 양산이 어려운 가압 장치, 대전 전극, 편향 전계가 필요하다. 주문형 잉크젯 시스템의 잉크젯 프린트 헤드는 구조가 간단하고 잉크젯 헤드의 다중 노즐을 쉽게 구현할 수 있으며 디지털화 및 색상 지정이 쉽고 이미지 품질은 비교적 좋지만 일반적인 잉크 방울 토출 속도는 낮음 [ 9 , 10 , 11 ].

핫 버블 잉크젯 헤드의 총 노즐 수는 수백 또는 수천에 달할 수 있습니다. 노즐은 매우 미세하여 풍부한 조화 색상과 부드러운 메쉬 톤을 생성할 수 있습니다. 잉크 카트리지와 노즐이 일체형 구조를 이루고 있으며, 잉크 카트리지 교체시 잉크젯 헤드가 동시에 업데이트되므로 노즐 막힘에 대한 걱정은 없지만 소모품 낭비가 발생하고 상대적으로 높음 비용. 주문형 잉크젯 기술은 배출해야 하는 그래픽 및 텍스트 부분에만 잉크 방울을 배출하고 빈 영역에는 잉크 방울이 배출되지 않습니다. 이 분사 방법은 잉크 방울을 충전할 필요가 없으며 전극 및 편향 전기장을 충전할 필요도 없습니다. 노즐 구조가 간단하고 노즐의 멀티 노즐 구현이 용이하며, 출력 품질이 더욱 개선되었습니다. 펄스 제어를 통해 디지털화가 쉽습니다. 그러나 잉크 방울의 토출 속도는 일반적으로 낮습니다. 열 거품 잉크젯, 압전 잉크젯 및 정전기 잉크젯의 세 가지 일반적인 유형이 있습니다. 물론 다른 유형이 있습니다.

압전 잉크젯 기술의 실현 원리는 인쇄 헤드의 노즐 근처에 많은 소형 압전 세라믹을 배치하면 압전 크리스탈이 전기장의 작용으로 변형됩니다. 잉크 캐비티에서 돌출되어 노즐에서 분사되는 패턴 데이터 신호는 압전 크리스탈의 변형을 제어한 다음 잉크 분사량을 제어합니다. 압전 MEMS 프린트 헤드를 사용한 주문형 드롭 하이브리드 인쇄 [ 12]. 열 거품 잉크젯 기술의 실현 원리는 가열 펄스 (기록 신호)의 작용으로 노즐의 발열체 온도가 상승하여 근처의 잉크 용매가 증발하여 많은 수의 핵 형성 작은 거품을 생성하는 것입니다. 내부 거품의 부피는 계속 증가합니다. 일정 수준에 도달하면 생성된 압력으로 인해 잉크가 노즐에서 분사되고 최종적으로 기판 표면에 도달하여 패턴 정보가 재생됩니다 [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

“3D 제품 프린팅”및 “증분 빠른 제조”의 의미는 진화했으며 모든 증분 제품 제조 기술을 나타냅니다. 이는 이전 제작과는 다른 의미를 가지고 있지만, 자동 제어 하에 소재를 쌓아 올리는 3D 작업 제작 과정의 공통적 인 특징을 여전히 반영하고 있습니다 [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ].

이 개발 시스템은 열 거품 분사 기술입니다. 이 빠른 어레이에 DNA 비드를 배치하고 스프레이 유속을 평가하기 위해 다른 히터 직경과 캐비티 두께를 설계하는 것입니다. DNA 제트 칩의 부스트 회로 시스템은 큰 흐름을 구동하기위한 신호 소스입니다. 목적은 분사되는 DNA 용액의 양과 출력을 조정하는 것입니다. 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 변환해야 하는 경우 부스트 컨버터가 유일한 선택입니다. 부스트 컨버터는 내부 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 통해 전압을 충전하여 부스트 출력의 목적을 달성하고, MOSFET이 꺼지면 인덕터는 부하 정류를 통해 방전됩니다.

인덕터의 충전과 방전 사이의 변환 프로세스는 인덕터를 통한 전압의 방향을 반대로 한 다음 점차적으로 입력 작동 전압보다 높은 전압을 증가시킵니다. MOSFET의 스위칭 듀티 사이클은 확실히 부스트 비율을 결정합니다. MOSFET의 정격 전류와 부스트 컨버터의 부스트 비율은 부스트 ​​컨버터의 부하 전류의 상한을 결정합니다. MOSFET의 정격 전압은 출력 전압의 상한을 결정합니다. 일부 부스트 컨버터는 정류기와 MOSFET을 통합하여 동기식 정류를 제공합니다. 통합 MOSFET은 정확한 제로 전류 턴 오프를 달성하여 부스트 변압기를 보다 효율적으로 만듭니다. 최대 전력 점 추적 장치를 통해 입력 전력을 실시간으로 모니터링합니다. 입력 전압이 최대 입력 전력 지점에 도달하면 부스트 컨버터가 작동하기 시작하여 부스트 컨버터가 최대 전력 출력 지점으로 유리 기판에 DNA 인쇄를 하는 데 적합합니다. 일정한 온 타임 생성 회로를 통해 온 타임이 온도 및 칩의 코너 각도에 영향을 받지 않아 시스템의 안정성이 향상됩니다.

잉크젯 프린트 헤드에 사용되는 기술은 매우 중요합니다. 잉크젯 기술의 엄청난 발전은 주로 잉크젯 프린팅에 사용되는 대형 액적 이젝터 [ 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ]를 포함하여 잉크젯 프린트 헤드 기술의 이론 개발에서 시작되었습니다 . 연속 잉크젯 시스템은 고주파 응답과 고속 인쇄의 장점을 가지고 있습니다. 잉크젯 헤드의 총 노즐 수는 수백 또는 수천에 달할 수 있으며 이러한 노즐은 매우 복잡합니다. 노즐은 풍부하고 조화로운 색상과 부드러운 메쉬 톤을 생성할 수 있습니다 [ 9 , 10 ,11 ]. 잉크젯은 열 거품 잉크젯, 압전 잉크젯 및 정전 식 잉크젯의 세 가지 주요 유형으로 분류할 수 있습니다. 다른 유형도 사용 중입니다. 압전 잉크젯의 기능은 다음과 같습니다. 많은 소형 압전 세라믹이 잉크젯 헤드 노즐 근처에 배치됩니다. 압전 결정은 전기장 아래에서 변형됩니다. 그 후, 잉크는 잉크 캐비티에서 압착되어 노즐에서 배출됩니다. 패턴의 데이터 신호는 압전 결정의 변형을 제어한 다음 분사되는 잉크의 양을 제어합니다. 압전 마이크로 전자 기계 시스템 (MEMS) 잉크젯 헤드는 하이브리드 인쇄에 사용됩니다. [ 12]. 열 버블 잉크젯 기술은 다음과 같이 작동합니다. 가열 펄스 (즉, 기록 신호) 하에서 노즐의 가열 구성 요소의 온도가 상승하여 근처의 잉크 용매를 증발시켜 많은 양의 작은 핵 기포를 생성합니다. 내부 기포의 부피가 지속적으로 증가합니다. 압력이 일정 수준에 도달하면 노즐에서 잉크가 분출되고 잉크가 기판 표면에 도달하여 패턴과 메시지가 표시됩니다 [ 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18 ].

3 차원 (3D) 제품 프린팅 및 빠른 프로토 타입 기술의 발전에는 모든 빠른 프로토 타입의 생산 기술이 포함됩니다. 래피드 프로토 타입 기술은 기존 생산 방식과는 다르지만 3D 제품 프린팅 생산 과정의 일부 특성을 공유합니다. 구체적으로 자동 제어 [ 19 , 20 , 21 , 22 , 23 , 24 ] 하에서 자재를 쌓아 올립니다 .

이 연구에서 개발된 시스템은 열 기포 방출 기술을 사용했습니다. 이 빠른 어레이에 DNA 비드를 배치하기 위해 히터에 대해 다른 직경과 다른 공동 두께가 사용되었습니다. 그 후, 스프레이 유속을 평가했다. DNA 제트 칩의 부스트 회로 시스템은 큰 흐름을 구동하기위한 신호 소스입니다. 목표는 분사되는 DNA 액체의 양과 출력을 조정하는 것입니다. 입력 전압을 더 높은 출력 전압으로 수정해야하는 경우 승압 컨버터가 유일한 옵션입니다. 승압 컨버터는 내부 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터 (MOSFET)를 충전하여 출력 전압을 증가시킵니다. MOSFET이 꺼지면 부하 정류를 통해 인덕턴스가 방전됩니다. 충전과 방전 사이에서 인덕터를 변경하는 과정은 인덕터를 통과하는 전압의 방향을 변경합니다. 전압은 입력 작동 전압을 초과하는 지점까지 점차적으로 증가합니다. MOSFET 스위치의 듀티 사이클은 부스트 ​​비율을 결정합니다. MOSFET의 승압 컨버터의 정격 전류와 부스트 비율은 승압 컨버터의 부하 전류의 상한을 결정합니다. MOSFET의 정격 전류는 출력 전압의 상한을 결정합니다. 일부 승압 컨버터는 정류기와 MOSFET을 통합하여 동기식 정류를 제공합니다. 통합 MOSFET은 정밀한 제로 전류 셧다운을 실현할 수 있으므로 셋업 컨버터의 효율성을 높일 수 있습니다. 최대 전력 점 추적 장치는 입력 전력을 실시간으로 모니터링하는 데 사용되었습니다. 입력 전압이 최대 입력 전력 지점에 도달하면 승압 컨버터가 작동을 시작합니다. 스텝 업 컨버터는 DNA 프린팅을 위한 최대 전력 출력 포인트가 있는 유리 기판에 사용됩니다.

MEMS Chip Design for Bubble Jet

이 연구는 히터 크기, 히터 번호 및 루프 저항과 같은 특정 매개 변수를 조작하여 5 가지 유형의 액체 배출 챔버 구조를 설계했습니다. 표 1 은 측정 결과를 나열합니다. 이 시스템은 다양한 히터의 루프 저항을 분석했습니다. 100 개 히터 설계를 완료하기 위해 2 세트의 히터를 사용하여 각 단일 회로 시리즈를 통과하기 때문에 100 개의 히터를 설계할 때 총 루프 저항은 히터 50 개의 총 루프 저항보다 하나 더 커야 합니다. 이 연구에서 MEMS 칩에서 기포를 배출하는 과정에서 저항 층의 면저항은 29 Ω / m 2입니다. 따라서 모델 A의 총 루프 저항이 가장 컸습니다. 일반 사이즈 모델 (모델 B1, C, D, E)의 두 배였습니다. 모델 B1, C, D 및 E의 총 루프 저항은 약 29 Ω / m 2 입니다. 표 1 에 따르면 오류 범위는 허용된 설계 값 이내였습니다. 따라서야 연구에서 설계된 각 유형의 단일 칩은 동일한 생산 절차 결과를 가지며 후속 유량 측정에 사용되었습니다.

Table 1. List of resistance measurement of single circuit resistance.
Table 1. List of resistance measurement of single circuit resistance.

DNA를 뿌린 칩의 파워가 정상으로 확인되면 히터 버블의 성장 특성을 테스트하고 검증했습니다. DNA 스프레이 칩의 필름 두께와 필름 품질은 히터의 작동 조건과 스프레이 품질에 영향을 줍니다. 따라서 기포 성장 현상과 그 성장 특성을 이해하면 본 연구에서 DNA 스프레이 칩의 특성과 작동 조건을 명확히 하는 데 도움이 됩니다.

설계된 시스템은 기포 성장 조건을 관찰하기 위해 개방형 액체 공급 방법을 채택했습니다. 이미지 관찰을 위해 발광 다이오드 (LED, Nichia NSPW500GS-K1, 3.1V 백색 LED 5mm)를 사용하는 동기식 플래시 방식을 사용하여 동기식 지연 광원을 생성했습니다. 이 시스템은 또한 전하 결합 장치 (CCD, Flir Grasshopper3 GigE GS3-PGE-50S5C-C)를 사용하여 이미지를 캡처했습니다. 그림 1핵 형성, 성장, 거품 생성에서 소산에 이르는 거품의 과정을 보여줍니다. 이 시스템은 기포의 성장 및 소산 과정을 확인하여 시작 전압을 관찰하는 데 사용할 수 있습니다. 마이크로 채널의 액체 공급 방법은 LED가 깜빡이는 시간을 가장 큰 기포 발생에 필요한 시간 (15μs)으로 설정했습니다. 이 디자인은 부적합한 깜박임 시간으로 인한 잘못된 판단과 거품 이미지 캡처 불가능을 방지합니다.

Figure 1. The system uses CCD to capture images.
Figure 1. The system uses CCD to capture images.

<내용 중략>…….

Table 2. Open pool test starting voltage results.
Table 2. Open pool test starting voltage results.
Figure 2. Serial input parallel output shift registers forms of connection.
Figure 2. Serial input parallel output shift registers forms of connection.
Figure 3. The geometry of the jet cavity. (a) The actual DNA liquid chamber, (b) the three-dimensional view of the microfluidic single channel. A single-channel jet cavity with 60 μm diameter and 50 μm thickness, with an operating frequency of 5 KHz, in (a) three-dimensional side view (b) X-Z two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs injection conditions.
Figure 3. The geometry of the jet cavity. (a) The actual DNA liquid chamber, (b) the three-dimensional view of the microfluidic single channel. A single-channel jet cavity with 60 μm diameter and 50 μm thickness, with an operating frequency of 5 KHz, in (a) three-dimensional side view (b) X-Z two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs injection conditions.
Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.
Figure 4. Calculate and simulate the injection of water in a single-channel injection chamber with a nozzle diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, at an operating frequency of 5 KHz, in the X-Y two-dimensional cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40 and 200 μs.
Figure 5 depicts the calculation results of the 2D X-Z cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. This may be because the size of the single-channel injection cavity was unsuitable for the highest operating frequency of 10 KHz. Thus, subsequent calculation simulations employed 5 KHz as the reference operating frequency. The calculation simulation results were calculated according to the operating frequency of the impact. Figure 6 illustrates the injection cavity height as 60 μm and 30 μm and reveals the 2D X-Y cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. In those stages, the fluid was still filling the chamber, and the flow field was not yet stable.
Figure 5 depicts the calculation results of the 2D X-Z cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. This may be because the size of the single-channel injection cavity was unsuitable for the highest operating frequency of 10 KHz. Thus, subsequent calculation simulations employed 5 KHz as the reference operating frequency. The calculation simulation results were calculated according to the operating frequency of the impact. Figure 6 illustrates the injection cavity height as 60 μm and 30 μm and reveals the 2D X-Y cross section. At 100 μs and 200 μs, the fluid injection orifice did not completely fill the chamber. In those stages, the fluid was still filling the chamber, and the flow field was not yet stable.
Figure 6. Calculate and simulate water in a single-channel spray chamber with a spray hole diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, with an operating frequency of 10 KHz, in an XY cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40, 100, 110, 120, 130, 140 and 200 μs injection situation.
Figure 6. Calculate and simulate water in a single-channel spray chamber with a spray hole diameter of 60 μm and a thickness of 50 μm, with an operating frequency of 10 KHz, in an XY cross-sectional view, at 10, 20, 30, 40, 100, 110, 120, 130, 140 and 200 μs injection situation.
Figure 7. The DNA printing integrated multiplexer driver MEMS head (IDMH).
Figure 7. The DNA printing integrated multiplexer driver MEMS head (IDMH).
Figure 8. The initial voltage diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 8. The initial voltage diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 9. The initial energy diagrams of chip number A,B,C,D,E type.
Figure 10. A Type-Sample01 flow test.
Figure 10. A Type-Sample01 flow test.
Figure 11. A Type-Sample01 drop volume.
Figure 11. A Type-Sample01 drop volume.
Figure 12. A Type-Sample01 flow rate.
Figure 12. A Type-Sample01 flow rate.
Figure 13. B1-00 flow test.
Figure 13. B1-00 flow test.
Figure 14. C Type-01 flow test.
Figure 14. C Type-01 flow test.
Figure 15. D Type-02 flow test.
Figure 15. D Type-02 flow test.
Figure 16. E1 type flow test.
Figure 16. E1 type flow test.
Figure 17. E1 type ejection rate relationship.
Figure 17. E1 type ejection rate relationship.

Conclusions

이 연구는 DNA 프린팅 IDMH를 제공하고 미세 유체 흐름 추정을 수행했습니다. 설계된 DNA 스프레이 캐비티와 20V의 구동 전압에서 다양한 펄스 폭의 유동 성능이 펄스 폭에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌습니다.

E1 유형 유량 테스트는 해당 유량이 3.1cc / min으로 증가함에 따라 유량이 전력 변화에 영향을 받는 것으로 나타났습니다. 동력이 증가함에 따라 유량은 0.75cc / min에서 3.5cc / min으로 최대 6.5W까지 증가했습니다. 동력이 더 증가하면 유량은 에너지와 함께 증가하지 않습니다. 이것은 이 테이블 디자인이 가장 크다는 것을 보여줍니다. 유속은 3.5cc / 분이었다.
작동 주파수가 2KHz이고 펄스 폭이 4μs 및 5μs 인 특수 설계된 DNA 스프레이 룸 구조에서 다양한 전력 조건 하에서 유량 변화를 관찰했습니다. 4.3–5.87 W의 출력 범위 내에서 주입 된 모노머의 유속은 5.5cc / 분이었습니다. 이것은 힘이 증가해도 변하지 않았습니다. DNA는 귀중하고 쉽게 얻을 수 없습니다. 이 실험을 통해 우리는 DNA가 뿌려진 마이크로 어레이 바이오칩의 수천 개의 지점에 필요한 총 DNA 양을 정확하게 추정 할 수 있습니다.

<내용 중략>…….

References

  1. Pydar, O.; Paredes, C.; Hwang, Y.; Paz, J.; Shah, N.; Candler, R. Characterization of 3D-printed microfluidic chip interconnects with integrated O-rings. Sens. Actuators Phys. 2014205, 199–203. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Ohtani, K.; Tsuchiya, M.; Sugiyama, H.; Katakura, T.; Hayakawa, M.; Kanai, T. Surface treatment of flow channels in microfluidic devices fabricated by stereolitography. J. Oleo Sci. 201463, 93–96. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Castrejn-Pita, J.R.; Martin, G.D.; Hoath, S.D.; Hutchings, I.M. A simple large-scale droplet generator for studies of inkjet printing. Rev. Sci. Instrum. 200879, 075108. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  4. Asai, A. Application of the nucleation theory to the design of bubble jet printers. Jpn. J. Appl. Phys. Regul. Rap. Short Notes 198928, 909–915. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Aoyama, R.; Seki, M.; Hong, J.W.; Fujii, T.; Endo, I. Novel Liquid Injection Method with Wedge-shaped Microchannel on a PDMS Microchip System for Diagnostic Analyses. In Transducers’ 01 Eurosensors XV; Springer: Berlin, Germany, 2001; pp. 1204–1207. [Google Scholar]
  6. Xu, B.; Zhang, Y.; Xia, H.; Dong, W.; Ding, H.; Sun, H. Fabrication and multifunction integration of microfluidic chips by femtosecond laser direct writing. Lab Chip 201313, 1677–1690. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  7. Nayve, R.; Fujii, M.; Fukugawa, A.; Takeuchi, T.; Murata, M.; Yamada, Y. High-Resolution long-array thermal ink jet printhead fabricated by anisotropic wet etching and deep Si RIE. J. Microelectromech. Syst. 200413, 814–821. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. O’Connor, J.; Punch, J.; Jeffers, N.; Stafford, J. A dimensional comparison between embedded 3D: Printed and silicon microchannesl. J. Phys. Conf. Ser. 2014525, 012009. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Fang, Y.J.; Lee, J.I.; Wang, C.H.; Chung, C.K.; Ting, J. Modification of heater and bubble clamping behavior in off-shooting inkjet ejector. In Proceedings of the IEEE Sensors, Irvine, CA, USA, 30 October–3 November 2005; pp. 97–100. [Google Scholar]
  10. Lee, W.; Kwon, D.; Choi, W.; Jung, G.; Jeon, S. 3D-Printed microfluidic device for the detection of pathogenic bacteria using size-based separation in helical channel with trapezoid cross-section. Sci. Rep. 20155, 7717. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  11. Shin, D.Y.; Smith, P.J. Theoretical investigation of the influence of nozzle diameter variation on the fabrication of thin film transistor liquid crystal display color filters. J. Appl. Phys. 2008103, 114905-1–114905-11. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Kim, Y.; Kim, S.; Hwang, J.; Kim, Y. Drop-on-Demand hybrid printing using piezoelectric MEMS printhead at various waveforms, high voltages and jetting frequencies. J. Micromech. Microeng. 201323, 8. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Shin, S.J.; Kuka, K.; Shin, J.W.; Lee, C.S.; Oha, Y.S.; Park, S.O. Thermal design modifications to improve firing frequency of back shooting inkjet printhead. Sens. Actuators Phys. 2004114, 387–391. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Rose, D. Microfluidic Technologies and Instrumentation for Printing DNA Microarrays. In Microarray Biochip Technology; Eaton Publishing: Norwalk, CT, USA, 2000; p. 35. [Google Scholar]
  15. Wu, D.; Wu, S.; Xu, J.; Niu, L.; Midorikawa, K.; Sugioka, K. Hybrid femtosecond laser microfabrication to achieve true 3D glass/polymer composite biochips with multiscale features and high performance: The concept of ship-in-abottle biochip. Laser Photon. Rev. 20148, 458–467. [Google Scholar] [CrossRef]
  16. McIlroy, C.; Harlen, O.; Morrison, N. Modelling the jetting of dilute polymer solutions in drop-on-demand inkjet printing. J. Non Newton. Fluid Mech. 2013201, 17–28. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Anderson, K.; Lockwood, S.; Martin, R.; Spence, D. A 3D printed fluidic device that enables integrated features. Anal. Chem. 201385, 5622–5626. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  18. Avedisian, C.T.; Osborne, W.S.; McLeod, F.D.; Curley, C.M. Measuring bubble nucleation temperature on the surface of a rapidly heated thermal ink-jet heater immersed in a pool of water. Proc. R. Soc. A Lond. Math. Phys. Sci. 1999455, 3875–3899. [Google Scholar] [CrossRef]
  19. Lim, J.H.; Kuk, K.; Shin, S.J.; Baek, S.S.; Kim, Y.J.; Shin, J.W.; Oh, Y.S. Failure mechanisms in thermal inkjet printhead analyzed by experiments and numerical simulation. Microelectron. Reliab. 200545, 473–478. [Google Scholar] [CrossRef]
  20. Shallan, A.; Semjkal, P.; Corban, M.; Gujit, R.; Breadmore, M. Cost-Effective 3D printing of visibly transparent microchips within minutes. Anal. Chem. 201486, 3124–3130. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  21. Cavicchi, R.E.; Avedisian, C.T. Bubble nucleation and growth anomaly for a hydrophilic microheater attributed to metastable nanobubbles. Phys. Rev. Lett. 200798, 124501. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  22. Kamei, K.; Mashimo, Y.; Koyama, Y.; Fockenberg, C.; Nakashima, M.; Nakajima, M.; Li, J.; Chen, Y. 3D printing of soft lithography mold for rapid production of polydimethylsiloxane-based microfluidic devices for cell stimulation with concentration gradients. Biomed. Microdevices 201517, 36. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  23. Shin, S.J.; Kuka, K.; Shin, J.W.; Lee, C.S.; Oha, Y.S.; Park, S.O. Firing frequency improvement of back shooting inkjet printhead by thermal management. In Proceedings of the TRANSDUCERS’03. 12th International Conference on Solid-State Sensors.Actuators and Microsystems. Digest of Technical Papers (Cat. No.03TH8664), Boston, MA, USA, 8–12 June 2003; Volume 1, pp. 380–383. [Google Scholar]
  24. Laio, X.; Song, J.; Li, E.; Luo, Y.; Shen, Y.; Chen, D.; Chen, Y.; Xu, Z.; Sugoioka, K.; Midorikawa, K. Rapid prototyping of 3D microfluidic mixers in glass by femtosecond laser direct writing. Lab Chip 201212, 746–749. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.

Storm surge inundation simulations comparing three-dimensional with two-dimensional models based on Typhoon Maemi over Masan Bay of South Korea

Jae-Seol Shim†, Jinah Kim†, Dong-Chul Kim‡, Kiyoung Heo†, Kideok Do†, Sun-Jung Park ‡
† Coastal Disaster Research Center,
Korea Institute of Ocean Science &
Technology, 426-744, Ansan, Gyeonggi,
Korea
jsshim@kiost.ac
jakim@kiost.ac
kyheo21@kiost.ac
kddo@kiost.ac
‡ Technology R&D Institute
Hyein E&C Co., Ltd., Seoul 157-861,
Korea
skkkdc@chol.com
Nayana_sj@nate.com

ABSTRACT

Shim, J., Kim, J., Kim, D., Heo, K., Do, K., Park, S., 2013. Storm surge inundation simulations comparing threedimensional with two-dimensional models based on Typhoon Maemi over Masan Bay of South Korea. In:
Conley, D.C., Masselink, G., Russell, P.E. and O’Hare, T.J. (eds.), Proceedings 12th International Coastal Symposium
(Plymouth, England), Journal of Coastal Research, Special Issue No. 65, pp. 392-397, ISSN 0749-0208.
Severe storm surge inundation was caused by the typhoon Maemi in Masan Bay, South Korea in September 2003. To
investigate the differences in the storm surge inundation simulated by three-dimensional (3D) and two-dimensional
models, we used the ADvanced CIRCulation model (ADCIRC) and 3D computational fluid dynamics (CFD) model
(FLOW3D). The simulation results were compared to the flood plain map of Masan Bay following the typhoon Maemi.
To improve the accuracy of FLOW3D, we used a high-resolution digital surface model with a few tens of centimeterresolution, produced by aerial LIDAR survey. Comparison of the results between ADCRIC and FLOW3D simulations shows that the inclusion of detailed information on buildings and topography has an impact, delaying seawater propagation and resulting in a reduced inundation depth and flooding area. Furthermore, we simulated the effect of the installation of a storm surge barrier on the storm surge inundation. The barrier acted to decrease the water volume of the inundation and delayed the arrival time of the storm surge, implying that the storm surge barrier provides more time for residents’ evacuation.

Keywords: Typhoon Maemi, digital surface elevation model, Reynolds-Averaged NavierStokes equations.

2003 년 9 월 대한민국 마산만 태풍 매미에 의해 심한 폭풍 해일 침수가 발생했습니다. 3 차원 (3D) 및 2 차원 모델로 시뮬레이션 한 폭풍 해일 침수의 차이를 조사하기 위해 ADvanced CIRCulation 모델 ( ADCIRC) 및 3D 전산 유체 역학 (CFD) 모델 (FLOW3D).

시뮬레이션 결과는 태풍 매미 이후 마산만 범람원 지도와 비교되었다. FLOW-3D의 정확도를 높이기 위해 우리는 항공 LIDAR 측량으로 생성된 수십 센티미터 해상도의 고해상도 디지털 표면 모델을 사용했습니다.

ADCRIC과 FLOW3D 시뮬레이션의 결과를 비교하면 건물과 지형에 대한 자세한 정보를 포함하면 해수 전파가 지연되고 침수 깊이와 침수 면적이 감소하는 것으로 나타났습니다.

또한, 폭풍 해일 침수에 대한 폭풍 해일 장벽 설치의 효과를 시뮬레이션했습니다. 이 장벽은 침수 물량을 줄이고 폭풍 해일 도착 시간을 지연시키는 역할을 하여 폭풍 해일 장벽이 주민들의 대피에 더 많은 시간을 제공한다는 것을 의미합니다.

INTRODUCTION

2003 년 9 월 12 일 태풍 매미로 인한 강한 폭풍 해일이 남해안을 강타했습니다. 마산 만 일대는 심한 폭풍우 침수로 인해 최악의 피해를 입었고 광범위한 홍수를 겪었습니다. 따라서 마산 만에 예방 체계를 구축하기 위해 폭풍 해일에 의한 침수에 대한 수치 예측을 시도하는 선행 연구가 수행되었다 (Park et al. 2011).

그러나 일반적인 2 차원 (2D) 또는 3 차원 (3D) 수압 가정을 사용할 때 지형의 해상도는 복잡한 해안 구조를 표현하기에 충분하지 않습니다. 따라서 우리는 마산 만의 고해상도 지형도를 통해 전산 유체 역학 (CFD)의 침수 시뮬레이션을 제시한다.

태풍 매미는 2003 년 9 월 12 일 12시 (UTC)에 한반도에 상륙하여 남동부 해안을 따라 추적했습니다 (그림 1). 2003 년 9 월 13 일 6시 (UTC)에 동 일본해로 이동하여 온대 저기압이되었습니다.

풍속과 기압면에서 한국을 강타한 가장 강력한 태풍 중 하나입니다. 특히 마산 만에 접해있는 마산시는 폭풍 해일 홍수로 최악의 피해를 입어 32 명이 사망하고 심각한 해안 피해를 입었다. 태풍이 지나가는 동안 중앙 기압은 950hPa, 진행 속도는 45kmh-1로 마산항의 조 위계를 통해 최대 약 2.3m의 서지 높이를 기록했다.

마산 만에 접한 주거 및 상업 지역은 홍수가 심했고 지하 시설은 폭풍 해일로 침수로 어려움을 겪었습니다 (Yasuda et al. 2005). 이 논문에서는 3D CFD 모델 (FLOW 3D)과 2D ADvanced CIRCulation 모델 (ADCIRC)을 사용하여 기록 된 마산 만에서 가장 큰 폭풍 해일 중 하나에 의해 생성 된 해안 침수를 시뮬레이션했습니다.

건물의 높이와 공간 정보를 포함하는 디지털 표면 모델 (DSM)은 LiDAR (Airborne Light Detection and Ranging)에 의해 만들어졌으며, 폭풍 해일 침수 모델, 즉 3D CFD 모델 (FLOW 3D)의 입력 데이터로 사용되었습니다. ). 또한 ADCIRC의 시뮬레이션 결과는 FLOW3D의 경계 조건으로 사용됩니다.

본 연구의 목적은 극심한 침수 높이와 해안 육지로의 범람을 포함하여 마산 만에서 태풍 매미로 인한 폭풍 해일 침수를 재현하는 것이다.

<중략>………………

Figure 1. The best track and the central pressures of the typhoon Maemi from the Joint Typhoon Warning Center (JTWC). Open circles indicate the locations of the typhoon in 3 h intervals. Filled circles represent locations of the cited stations; A, B, C and D indicate Jeju, Yeosu, Tongyoung, and Masan, respectively.
Figure 1. The best track and the central pressures of the typhoon Maemi from the Joint Typhoon Warning Center (JTWC). Open circles indicate the locations of the typhoon in 3 h intervals. Filled circles represent locations of the cited stations; A, B, C and D indicate Jeju, Yeosu, Tongyoung, and Masan, respectively.
Figure 2. Model domain with FEM mesh for Typhoon Maemi.
Figure 2. Model domain with FEM mesh for Typhoon Maemi.
Figure 3. Validation of surge height for the four major tidal stations on the south coast of the Korea.
Figure 3. Validation of surge height for the four major tidal stations on the south coast of the Korea.
Figure 4. Inundation depth results from (a) ADCIRC, (b) FLOW3D, and (c) inundation field surveying hazard map following typhoon Maemi.
Figure 4. Inundation depth results from (a) ADCIRC, (b) FLOW3D, and (c) inundation field surveying hazard map following typhoon Maemi.
Figure 5. Inundation depth results computed by Flow3D at each time period following arrival of storm surge wave at harbor mouth.
Figure 5. Inundation depth results computed by Flow3D at each time period following arrival of storm surge wave at harbor mouth.
Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.
Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.

LITERATURE CITED

Bunya S, Kubatko EJ, Westerink JJ, Dawson C.,2010. A wetting and drying treatment for the Runge–Kutta discontinuous Galerkin solution to the shallow water equations. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Oceanography and Coastal Research, 198, 1548-1562.
Chan, J.C.L. & Shi, J.,1996. Long term trends and interannual variability in tropical cyclone activity over the western North Pacific. Geophysical Research Letters 23, 2765-2767.
Choi, B.H., Kim, D.C., Pelinovsky, E. and Woo, S.B., 2007. Threedimensional simulation of tsunami run-up around conical island. Coastal Engineering, 54, 618-629.
Choi, B.H., Pelinovsky, E., Kim, D.C., Didenkulova, I. and Woo, S.B., Two- and three-dimensional computation of solitary wave runup on non-plane beach. Nonlinear Processes in Geophysics, 15, 489-502.
Choi B.H., Pelinovsky E., Kim D.C., Lee H.J., Min B.I. and Kim K.H., Three-dimensional simulation of 1983 central East (Japan) Sea earthquake tsunami at the Imwon Port (Korea). Ocean Engineering, 35, 1545-1559.
Choi, B.H., Eum, H.M., Kim, H.S., Jeong, W.M. & Shim, J.S., 2004. Wave-tide-surge coupled simulation for typhoon Maemi, Workshop on waves and storm surges around Korean peninsula, 121-144.
Choi, K.S., & Kim, B.J., 2007. Climatological characteristics of tropical cyclone making landfall over the Korean Peninsula. Journal of the Korean Meteorological Society 43, 97-109.
Clark, J.D. & Chu, P., 2002. Interannual variation of tropical cyclone activity over the central North Pacific. Journal of the Meteorological Society of Japan, 80, 403-418.
Davies, A.M. & Flather, R.A., 1978. Application of numerical models of the North West European continental shelf and the North Sea to the computation of the storm surges of November to December 1973.
Deutsche Hydrographische Zeitschrift Ergänzungsheft Reihe A, 14, 72. Flow Science, 2010. FLOW-3D User’s Manual. Fujita, T., 1952. Pressure distribution in a typhoon. Geophysical Magazine 23.
Garratt, J.R., 1977. Review of drag coefficients over oceans and continents. Monthly Weather Review, 105, 915-929.
Gary Padgett, 2004. Gary Padgett September 2003 Tropical Weather Summary. Typhoon 2000.
Goda Y., Kishira Y. and Kamiyama Y., 1975. Laboratory investigation on the overtopping rate of seawalls by irregular waves, Report of Port and Harbour Research Inst.,14(4), 3-44.
Heaps, N.S., 1965. Storm surges on a continental shelf. Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. 257, 351-383.
Hirt, C.W. and Nichols, B.D., 1981. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics, 39, 201-225.
Holland, G.J., 1980. An Analytic Model of the Wind and Pressure Profiles in Hurricanes. Monthly Weather Review, 108, 1212-1218.
Independent Levee Investigation Team, 2006. Investigation of the Performance of the New Orleans Flood Protection Systems in Hurricane Katrina on August 29, 2005
Klotzbach, P. J. , 2006. Trends in global tropical cyclone activity over the past twenty years (1986-2005). Geophysical Research Letters, 33.
Large, W.G. & Pond, S., 1981. Open ocean momentum flux measurements in moderate to strong winds. Journal of Physical Oceanography, 11, 324-336.
Landsea, C.W., Nicholls, N., Gray, W.M. & Avila, L.A., 1996. Downward trends in the frequency of intense Atlantic hurricanes during the past five decades. Geophysical Research Letters, 23, 1697-1700.
Lighthill, J., Holland, G., Gray, W., Landsea, C., Creig, G., Evans, J., Kurikara, Y. and Guard, C., 1994. Global climate change and tropical cyclones. Bulletin of the American Meteorological Society, 75, 2147- 2157.
Luettich, R.A. & Westerink, J.J., 2004. Formulation and Numerical Implementation of the 2D/3D ADCIRC finite element model version 44.XX.
Matsumoto, K., Takanezawa, T. & Ooe, M., 2000. Ocean tide models developed by assimilating TOPEX/POSEIDON altimeter data into hydrodynamical model: A global model and a regional model around Japan, Journal of Oceanography, 56(5) 567-581.
Mitsuyasu, H. and Kusaba, T., 1984. Drag Coefficient over Water Surface Under the Action of Strong Wind. Natural Disaster Science, 6, 43-50.
Mitsuyasu, H., F. Tasai, T. Suhara, S. Mizuno, M. Ohkusu, T. Honda and K. Rikiishi, 1980. Observation of the power spectrum of ocean waves using a cloverleaf buoy. Journal of Physical Oceanography, 10, 286- 296.
Multiple Lines of Defense Assessment Team, 2007. Comprehensive Recommendations Supporting the Use of the Multiple Lines of Defense Strategy to Sustain Coastal Louisiana.
Myers, V.A. and Malkin, W., 1961. Some Properties of Hurricane Wind Fields as Deduced from Trajectories. U.S. Weather Bureau, National Hurricane Research Project, Report 49.
Saito, K., T. Fujita, Y. Yamada, J. Ishida, Y. Kumagai, K. Aranami, S. Ohmori, R. Nagasawa, S. Kumagai, C. Muroi, T. Kato, H. Eito and Y. Yamazaki, 2006. The operational JMA Nonhydrostatic Mesoscale Model. Monthly Weather Review, 134, 1266-1298.
Shibaki H., Nakai K., Suzuyama K. and Watanabe A., 2004. Multi-level storm surge model incorporating density stratification and wave-setup. Proc. of 29th Int. Conf. on Coastal Eng., ASCE, 1539-1551.JSCE (1999). Hydraulic formulas, page 245 (in Japanese).
Shibaki, H., Suzuyama, K., Kim, J.I., & Sun, L., 2007. Numerical simulation of storm surge inundation induced by overflow, overtopping and dike breach. Asian and Pacific Coasts 2007, Nanjing, China.
Smagorinsky J., 1963. General circulation experiments with the primitive equations: I. The basic experiment. Monthly Weather Review, 91, 99- 164.
Smith, S.D. & Banke, E.G., 1975. Variation of the sea surface drag coefficient with wind speed. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 101, 665-673.
Versteeg, H.K., Malalasekera, W., 1995.An introduction to computational fluid dynamics. The Finite Volume Method. Prentice Hall, 257p.
Wang Xinian, Yin Qingjiang, Zhang Baoming, 1991. Research and Applications of a Forecasting Model of Typhoon Surges in China Seas. Advances In Water Science.
Wu, J., 1982. Wind-Stress Coefficients over Sea Surface from Breeze to Hurricane. Journal of Geophysical Research, 87, 9704-9706.
Yeh, H., Liu, P., Synolakis, C., 1996. Long-wave Runup Models. World Scientific.
Yakhot, V. and Orszag, S.A., 1986. Renormalization group analysis of turbulence, I. Basic theory. Journal of Scientific Computing, 1, 1-51.
Yakhot, V. and Smith, L.M., 1992. The renormalization group, the expansion and derivation of turbulence models, Journal of Scientific Computing, 7, 35-61
Yasuda, T., T. Hiraishi, H. Kawai, K. Nagase, S.W. Kang, and W.M. Jeong, 2005. Field survey and computation analysis of storm surge disaster in Masan due to Typhoon Maemi, Proceedings of Asian and Pacific Coasts 2005, Jeju, Korea.

Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)

내열마그네슘 합금을 이용한 자동차용 오일팬의 다이캐스팅 공정 연구

A Study on Die Casting Process of the Automobile Oil Pan Using the Heat Resistant Magnesium Alloy

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineersv.17 no.3 = no.99 , 2009년, pp.45 – 53  신현우 (두원공과대학 메카트로닉스과 ) ;  정연준 ( 현대자동차(주) ) ;  강승구 ( 인지AMT(주))

Abstract

Die casting process of Mg alloys for high temperature applications was studied to produce an engine oil pan. The aim of this paper is to evaluate die casting processes of the Aluminium oil pan and in parallel to apply new Mg alloy for die casting the oil pan. Temperature distributions of the die and flow pattern of the alloys in cavity were simulated to diecast a new Mg alloy by the flow simulation software. Dies have to be modified according to material characteristics because melting temperature and heat capacity are different. We changed the shape and position of runner, gate, vent hole and overflow by the simulation results. After several trial and error, oil pans of AE44 and MRI153M Mg alloys are produced successfully without defect. Sleeve filling ratio, cavity filling time and shot speed of die casting machine are important parameter to minimize the defect for die casting Magnesium alloy.

Keywords: 오일팬 , 내열마그네슘합금, 알루미늄 합금,  다이캐스팅, 유동해석

서론

크랭크케이스의 하부에 부착되는 오일팬은 오일 펌프에 의해 펌핑된 오일이 윤활작용을 마치고 다시 모이는 부품이다. 오일의 온도에 의해 가열되므로 일반적으로 사용되는 마그네슘 합금인 AZ나 AM계열의 합금은 사용이 불가하며 내열소재의 적용이 불가피하다.

현재 ADC12종 알루미늄 오일팬 둥이 적용되고 있으며, 이를 마그네슘으로 대체할 경우 밀도가 알루미늄 2.8g/cm3‘, 마그네슘 1.8g/cm3‘이므로 약 35%의 경량화가 가능하다고 단순하게 말할 수 있다.

그러나 탄성계수는 알루미늄 73GPa이 고 마그네슘 45GPa이므로 외부 하중을 지지하고 있는 부품의 경우는 단순한 재질의 변경만으로는 알루미늄과 같은 정도의 강성을 나타내지 못하므로 형상의 변경 등을 통한 설계 최적화가 요구된다.

마그네슘은 현재까지 개발된 여러 가지 구조용 합금들 중에서 최소의 밀도를 가지고 있으며 동시에 우수한 비강도 및 비탄성 계수를 가지고 있다.1.2)

그러나 이러한 우수한 특성을 가지는 마그네슘 합금은 경쟁 재료에 비해 절대 강도 및 인성이 낮으며 고온에서 인장 강도가 급격히 감소하고 내부식 성능이 떨어지는 등의 문제점이 있다. 현재까지 자동차 부품 중 마그네슘 합금은 Cylinder head cover, Steering wheel, Instrument panel, Seat frame 등 비교적 내열성이 요구되지 않는 부분에만 한정적으로 적용되고 있다.
자동차 산업에서 좀 더 많은 부품에 마그네슘 합금을 적용하기 위해서는 내열성을 향상 시키고 고온강도를 향상시키기 위한 새로운 합금의 개발이 이루어져야 한다. 최근 마그네슘 합금개발에 대한 연구동향은 비교적 저가인 원소를 값비싼 원소가 첨가된 합금계에 부분적으로 첨가하거나 대체함으로써 비슷한 내열 특성을 가지는 합금을 개발하고,34) 이를 자동차 산업이나 전자 산업의 내열 부품 적용으로 확대하기 위하여 진행되고 있다. 현재 마그네슘 내열 부품은 선진국에서 자동차 부품으로 개발되고 있으나6-8)

국내에서는 아직 자동차 부품에 폭 넓게 적용되고 있지 않다. 그러므로 국내 자동차 산업이 치열한 국제 시장에서 생존하기 위해서는 마그네슘 합금의 내열 부품 제조기술을 조기에 개발하여 선진국보다 기술적, 경제적 우위를 확보하는 것이 절실히 요구된다.

본 연구에서는 내열 마그네슘합금을 이용하여 알루미늄 오일팬을 대체할 수 있는 새로운 오일팬의 개발올 위한 적절한 다이캐스팅 공정방안을 도출하고자 한다.

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Fig. 1 Current Al oil pan and cooling lines
Fig. 1 Current Al oil pan and cooling lines
Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)
Fig. 2 Temperature distributions of oil pans (Cycling)
Fig. 3 Developed Mg oil pan and cooling lines
Fig. 3 Developed Mg oil pan and cooling lines
Fig. 4 Temperature distributions of Mg oil pan for new cooling lines (Cycling)
Fig. 4 Temperature distributions of Mg oil pan for new cooling lines (Cycling)
Fig. 5 Filling pattern of current Al oil pan
Fig. 5 Filling pattern of current Al oil pan
Fig. 11 Temperature distribution at t-=1.825sec
Fig. 11 Temperature distribution at t-=1.825sec

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결론

오일팬은 엔진 내부에서 순환되어 돌아오는 오일의 열을 외부로 발산하는 냉각기능 및 엔진으로부터 발생하는 소음이 외부로 전달되지 않도록 소음을 차단하는 역할을 수행하는 매우 중요한 부품 중의 하나이다. 본 연구에서는 현재 개발 중에 있는 새로운 내열 마그네슘 합금을 이용하여 현재 사용하고 있는 알루미늄 오일팬을 대체할 마그네슘 오일팬을 개발하고 시험 생산하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

  1. 알루미늄 합금과 마그네슘 합금의 단위 부피당 열 용량은 각각 3.07x10J/m/K, 2.38x10J/m/K로서 동일 주조 조건 시 응고 속도 차이가 제품 성형에 영향을 미칠 것으로 예상되었으며, 주조해석 및 제품분석을 통해 확인하였다. 따라서 주조 조건에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인된 용탕, 금형온도, 주조속도 등을 변경하여 최적 주조공정 조건을 확립하였다.
  2. 제품 및 시험편 성형에 영향을 미치는 것으로 확인된 런너의 곡률 반경을 증대시키고 게이트의 갯수 및 오버플로우 위치와 형상을 조절함으로서 제품 및 시험편의 용탕 흐름을 원활하게 조절 할 수 있었다.
  3. MRI153M 합금은 AE44 합금에 비해 응고 시작점에서 완료점까지의 응고시간이 길어 응고 완료 후, 내부 수축기포가 보다 많이 관찰되었다.
    따라서 MRI153M 합금 주조시 슬리브 충진율, 게이트 통과속도, 충진시간 등을 달리하여 최적 주조 품을 생산할 수 있었다.

Reference

  1. W. Sebastian, K. Droder and S. Schumann, Properties and Processing of Magnesium Wrought Products for Automotive Applications; Conference Paper at Magnesium Alloys and Their Applications,Munich, Germany, 2000 
  2. J. Hwang and D. Kang, “FE Analysis on the press forging of AZ31 Magnesium alloys,” Transactions ofKSAE, Vo1.14, No.1, pp.86-91, 2006  원문보기 
  3. S. Koike, K. Washizu, S. Tanaka, K. Kikawa and T. Baba, “Development of Lightweight Oil Pans Made of a Heat-Resistant Magnesium Alloy for Hybrid Engines,” SAE 2000-01-1117, 2000 
  4. D.M. Kim, H.S. Kim and S.I. Park, “Magnesium for Automotive Application,” Journal ofKSAE, Vo1.18, No.5, pp.53-67, 1996 
  5. P. Lyon, J. F. King and K. Nuttal, “A New Magnesium HPDC Alloy for Elevated Temperature Use,” Proceedings of the 3rd International Magnesium Conference, ed. G. W. Lorimer, Manchester, UK, pp.1 0-12, 1996 
  6. S. Schumann and H. Friedrich, The Use ofMg in Cars – Today and in Future, Conference Paper at Mg Alloys and Their Applications, Wolfsburg, Germany, 1998 
  7. F. von Buch, S. Schumann, H. Friedrich, E. Aghion, B. Bronfin, B. L. Mordike, M. Bamberger and D. Eliezer, “New Die Casting Alloy MRI 153 for Power Train Applications,” Magnesium Technology 2002, pp.61-68, 2002 
  8. M.C. Kang and K.Y. Sohn, “The Trend and Prospects of Magnesium Alloys Consumption for Automotive Parts in Europe,” Proceedings of KSAE Autumn Conference, pp.1569-l576, 2003