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.

Figure 15. Localized deformations on revetment due to run-down and sliding of armor from body laboratory model (left) and numerical modeling (right).

지속 가능한 해안 보호 구조로서 굴절식 콘크리트 블록 매트리스의 손상 메커니즘의 수치적 모델링

Numerical Modeling of Failure Mechanisms in Articulated Concrete Block Mattress as a Sustainable Coastal Protection Structure

Author

Ramin Safari Ghaleh(Department of Civil Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran 19967-15433, Iran)

Omid Aminoroayaie Yamini(Department of Civil Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran 19967-15433, Iran)

S. Hooman Mousavi(Department of Civil Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran 19967-15433, Iran)

Mohammad Reza Kavianpour(Department of Civil Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran 19967-15433, Iran)

Abstract

해안선 보호는 전 세계적인 우선 순위로 남아 있습니다. 일반적으로 해안 지역은 석회암과 같은 단단하고 비자연적이며 지속 불가능한 재료로 보호됩니다. 시공 속도와 환경 친화성을 높이고 개별 콘크리트 블록 및 보강재의 중량을 줄이기 위해 콘크리트 블록을 ACB 매트(Articulated Concrete Block Mattress)로 설계 및 구현할 수 있습니다. 이 구조물은 필수적인 부분으로 작용하며 방파제 또는 해안선 보호의 둑으로 사용할 수 있습니다. 물리적 모델은 해안 구조물의 현상을 추정하고 조사하는 핵심 도구 중 하나입니다. 그러나 한계와 장애물이 있습니다. 결과적으로, 본 연구에서는 이러한 구조물에 대한 파도의 수치 모델링을 활용하여 방파제에서의 파도 전파를 시뮬레이션하고, VOF가 있는 Flow-3D 소프트웨어를 통해 ACB Mat의 불안정성에 영향을 미치는 요인으로는 파괴파동, 옹벽의 흔들림, 파손으로 인한 인양력으로 인한 장갑의 변위 등이 있다. 본 연구의 가장 중요한 목적은 수치 Flow-3D 모델이 연안 호안의 유체역학적 매개변수를 모사하는 능력을 조사하는 것입니다. 콘크리트 블록 장갑에 대한 파동의 상승 값은 파단 매개변수( 0.5 < ξ m – 1 , 0 < 3.3 )가 증가할 때까지(R u 2 % H m 0 = 1.6) ) 최대값에 도달합니다. 따라서 차단파라미터를 증가시키고 파괴파(ξ m − 1 , 0 > 3.3 ) 유형을 붕괴파/해일파로 변경함으로써 콘크리트 블록 호안의 상대파 상승 변화 경향이 점차 증가합니다. 파동(0.5 < ξ m − 1 , 0 < 3.3 )의 경우 차단기 지수(표면 유사성 매개변수)를 높이면 상대파 런다운의 낮은 값이 크게 감소합니다. 또한, 천이영역에서는 파단파동이 쇄도파에서 붕괴/서징으로의 변화( 3.3 < ξ m – 1 , 0 < 5.0 )에서 상대적 런다운 과정이 더 적은 강도로 발생합니다.

Shoreline protection remains a global priority. Typically, coastal areas are protected by armoring them with hard, non-native, and non-sustainable materials such as limestone. To increase the execution speed and environmental friendliness and reduce the weight of individual concrete blocks and reinforcements, concrete blocks can be designed and implemented as Articulated Concrete Block Mattress (ACB Mat). These structures act as an integral part and can be used as a revetment on the breakwater body or shoreline protection. Physical models are one of the key tools for estimating and investigating the phenomena in coastal structures. However, it does have limitations and obstacles; consequently, in this study, numerical modeling of waves on these structures has been utilized to simulate wave propagation on the breakwater, via Flow-3D software with VOF. Among the factors affecting the instability of ACB Mat are breaking waves as well as the shaking of the revetment and the displacement of the armor due to the uplift force resulting from the failure. The most important purpose of the present study is to investigate the ability of numerical Flow-3D model to simulate hydrodynamic parameters in coastal revetment. The run-up values of the waves on the concrete block armoring will multiply with increasing break parameter ( 0.5 < ξ m − 1 , 0 < 3.3 ) due to the existence of plunging waves until it ( R u 2 % H m 0 = 1.6 ) reaches maximum. Hence, by increasing the breaker parameter and changing breaking waves ( ξ m − 1 , 0 > 3.3 ) type to collapsing waves/surging waves, the trend of relative wave run-up changes on concrete block revetment increases gradually. By increasing the breaker index (surf similarity parameter) in the case of plunging waves ( 0.5 < ξ m − 1 , 0 < 3.3 ), the low values on the relative wave run-down are greatly reduced. Additionally, in the transition region, the change of breaking waves from plunging waves to collapsing/surging ( 3.3 < ξ m − 1 , 0 < 5.0 ), the relative run-down process occurs with less intensity.

Figure 1.  Armor  geometric  characteristics  and  drawing  three-dimensional  geometry  of  a  breakwater section  in SolidWorks software.
Figure 1. Armor geometric characteristics and drawing three-dimensional geometry of a breakwater section in SolidWorks software.
Figure  5.  Wave  overtopping on  concrete block  mattress in (a)  laboratory  and (b)  numerical  model.
Figure 5. Wave overtopping on concrete block mattress in (a) laboratory and (b) numerical model.
Figure  7.  Mesh  block  for  calibrated  numerical  model  with  686,625  cells  and  utilization  of  FAVOR  tab to assess figure geometry.
Figure 7. Mesh block for calibrated numerical model with 686,625 cells and utilization of FAVOR tab to assess figure geometry.
Figure  10.  How to place different layers  (core, filter,  and revetment)  of the structure on slope.
Figure 10. How to place different layers (core, filter, and revetment) of the structure on slope.

Suggested Citation

Figure 11. Wave run-up on ACB Mat blocks in (a) laboratory model and (b) numerical modeling.
Figure 11. Wave run-up on ACB Mat blocks in (a) laboratory model and (b) numerical modeling.
Figure  15.  Localized  deformations  on  revetment  due  to  run-down  and  sliding  of  armor  from  body  laboratory  model  (left) and  numerical  modeling (right).
Figure 15. Localized deformations on revetment due to run-down and sliding of armor from body laboratory model (left) and numerical modeling (right).

References

  1. Capobianco, V.; Robinson, K.; Kalsnes, B.; Ekeheien, C.; Høydal, Ø. Hydro-Mechanical Effects of Several Riparian Vegetation Combinations on the Streambank Stability—A Benchmark Case in Southeastern Norway. Sustainability 2021, 13, 4046. [CrossRef]
  2. MarCom Working Group 113. PIANC Report No 113: The Application of Geosynthetics in Waterfront Areas; PIANC: Brussels, Belgium, 2011; p. 113, ISBN 978-2-87223-188-1.
  3. Hunt, W.F.; Collins, K.A.; Hathaway, J.M. Hydrologic and Water Quality Evaluation of Four Permeable Pavements in North Carolina, USA. In Proceedings of the 9th International Conference on Concrete Block Paving, Buenos Aires, Argentina, 18–21 October 2009.
  4. Kirkpatrick, R.; Campbell, R.; Smyth, J.; Murtagh, J.; Knapton, J. Improvement of Water Quality by Coarse Graded Aggregates in Permeable Pavements. In Proceedings of the 9th International Conference on Concrete Block Paving, Buenos Aires, Argentina, 18–21 October 2009.
  5. Chinowsky, P.; Helman, J. Protecting Infrastructure and Public Buildings against Sea Level Rise and Storm Surge. Sustainability 2021, 13, 10538. [CrossRef]
  6. Breteler, M.K.; Pilarczyk, K.W.; Stoutjesdijk, T. Design of alternative revetments. Coast. Eng. 1998 1999, 1587–1600. [CrossRef]
  7. Pilarczyk, K.W. Design of Revetments; Dutch Public Works Department (Rws), Hydraulic Engineering Division: Delft, The Netherlands, 2003.
  8. Hughes, S.A. Combined Wave and Surge Overtopping of Levees: Flow Hydrodynamics and Articulated Concrete Mat Stability; Engineer Research and Development Center Vicksburg Ms Coastal and Hydraulics Lab: Vicksburg, MS, USA, 2008.
  9. Gier, F.; Schüttrumpf, H.; Mönnich, J.; Van Der Meer, J.; Kudella, M.; Rubin, H. Stability of Interlocked Pattern Placed Block Revetments. Coast. Eng. Proc. 2012, 1, Structures-46. [CrossRef]
  10. Najafi, J.A.; Monshizadeh, M. Laboratory Investigations on Wave Run-up and Transmission over Breakwaters Covered by Antifer Units; Scientia Iranica: Tehran, Iran, 2010.
  11. Oumeraci, H.; Staal, T.; Pförtner, S.; Ludwigs, G.; Kudella, M. Hydraulic Performance, Wave Loading and Response of Elastocoast Revetments and their Foundation—A Large Scale Model Study; Leichtweiß Institut für Wasserbau: Braunschweig, Germany, 2010.
  12. Tripathy, S.K. Significance of Traditional and Advanced Morphometry to Fishery Science. J. Hum. Earth Future 2020, 1, 153–166. [CrossRef]
  13. Nut, N.; Mihara, M.; Jeong, J.; Ngo, B.; Sigua, G.; Prasad, P.V.V.; Reyes, M.R. Land Use and Land Cover Changes and Its Impact on Soil Erosion in Stung Sangkae Catchment of Cambodia. Sustainability 2021, 13, 9276. [CrossRef]
  14. Xu, C.; Pu, L.; Kong, F.; Li, B. Spatio-Temporal Change of Land Use in a Coastal Reclamation Area: A Complex Network Approach. Sustainability 2021, 13, 8690. [CrossRef]
  15. Mousavi, S.; Kavianpour, H.M.R.; Yamini, O.A. Experimental analysis of breakwater stability with antifer concrete block. Mar. Georesour. Geotechnol. 2017, 35, 426–434. [CrossRef]
  16. Yamini, O.; Aminoroayaie, S.; Mousavi, H.; Kavianpour, M.R. Experimental Investigation of Using Geo-Textile Filter Layer In Articulated Concrete Block Mattress Revetment On Coastal Embankment. J. Ocean Eng. Mar. Energy 2019, 5, 119–133. [CrossRef]
  17. Ghasemi, A.; Far, M.S.; Panahi, R. Numerical Simulation of Wave Overtopping From Armour Breakwater by Considering Porous Effect. J. Mar. Eng. 2015, 11, 51–60. Available online: http://dorl.net/dor/20.1001.1.17357608.1394.11.22.8.4 (accessed on 21 October 2021).
  18. Nourani, O.; Askar, M.B. Comparison of the Effect of Tetrapod Block and Armor X block on Reducing Wave Overtopping in Breakwaters. Open J. Mar. Sci. 2017, 7, 472–484. [CrossRef]
  19. Aminoroaya, A.O.; Kavianpour, M.R.; Movahedi, A. Performance of Hydrodynamics Flow on Flip Buckets Spillway for Flood Control in Large Dam Reservoirs. J. Hum. Earth Future 2020, 1, 39–47.
  20. Milanian, F.; Niri, M.Z.; Najafi-Jilani, A. Effect of hydraulic and structural parameters on the wave run-up over the berm breakwaters. Int. J. Nav. Archit. Ocean Eng. 2017, 9, 282–291. [CrossRef]
  21. Yamini, O.A.; Kavianpour, M.R.; Mousavi, S.H. Experimental investigation of parameters affecting the stability of articulated concrete block mattress under wave attack. Appl. Ocean Res. 2017, 64, 184–202. [CrossRef]
  22. Yakhot, V.; Orszag, S.A.; Thangam, S.; Gatski, T.B.; Speziale, C.G. Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique. Phys. Fluids 1992, 4, 1510–1520. [CrossRef]
  23. Bayon, A.; Valero, D.; García-Bartual, R.; López-Jiménez, P.A. Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environ. Model. Softw. 2016, 80, 322–335. [CrossRef]
  24. Jin, J.; Meng, B. Computation of wave loads on the superstructures of coastal highway bridges. Ocean Eng. 2011, 38, 2185–2200. [CrossRef]
  25. Yang, S.; Yang, W.; Qin, S.; Li, Q.; Yang, B. Numerical study on characteristics of dam-break wave. Ocean Eng. 2018, 159, 358–371. [CrossRef]
  26. Ersoy, H.; Karahan, M.; Geli¸sli, K.; Akgün, A.; Anılan, T.; Sünnetci, M.O.; Yah¸si, B.K. Modelling of the landslide-induced impulse waves in the Artvin Dam reservoir by empirical approach and 3D numerical simulation. Eng. Geol. 2019, 249, 112–128. [CrossRef]
  27. Zhan, J.M.; Dong, Z.; Jiang, W.; Li, Y.S. Numerical simulation of wave transformation and runup incorporating porous media wave absorber and turbulence models. Ocean Eng. 2010, 37, 1261–1272. [CrossRef]
  28. Owen, M.W. The Hydroulic Design of Seawall Profiles, Proceedings Conference on Shoreline Protection; ICE: London, UK, 1980; pp. 185–192.
  29. Pilarczyk, K.W. Geosythetics and Geosystems in Hydraulic and Coastal Engineering; CRC Press: Balkema, FL, USA, 2000; p. 913, ISBN 90.5809.302.6.
  30. Van der Meer, J.W.; Allsop, N.W.H.; Bruce, T.; De Rouck, J.; Kortenhaus, A.; Pullen, T.; Schüttrumpf, H.; Troch, P.; Zanuttigh, B. (Eds.) Manual on Wave Overtopping of Sea Defences and Related Structures–Assessment Manual; EurOtop.: London, UK, 2016; Available online: www.Overtopping-manual.com (accessed on 21 October 2021).
  31. Battjes, J.A. Computation of Set-up, Longshore Currents, Run-up and Overtopping Due to Wind-Generated Waves; TU Delft Library: Delft, The Netherlands, 1974.
  32. Van der Meer, J.W. Rock Slopes and Gravel Beaches under Wave Attack; Delft Hydraulics: Delft, The Netherlands, 1988.
  33. Ten Oever, E. Theoretical and Experimental Study on the Placement of Xbloc; Delft Hydraulics: Delft, The Netherlands, 2006.
  34. Flow Science, Inc. FLOW-3D User Manual Version 9.3; Flow Science, Inc.: Santa Fe, NM, USA, 2008.
  35. Lebaron, J.W. Stability of A-Jacksarmored Rubble-Mound Break Waters Subjected to Breaking and Non-Breaking Waves with No Overtopping; Master of Science in Civil Engineering, Oregon State University: Corvallis, OR, USA, 1999.
  36. McLaren RW, G.; Chin, C.; Weber, J.; Binns, J.; McInerney, J.; Allen, M. Articulated Concrete Mattress block size stability comparison in omni-directional current. In Proceedings of the OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey, Monterey, CA, USA, 19–23 September 2016; pp. 1–6. [CrossRef]
Wave Loads Assessment on Coastal Structures at Inundation Risk Using CFD Modelling

CFD 모델링을 사용하여 침수 위험이 있는 해안 구조물에 대한 파랑 하중 평가

Wave Loads Assessment on Coastal Structures at Inundation Risk Using CFD Modellin

Ana GomesJosé Pinho

Conference paperFirst Online: 19 November 2021

지난 수십 년 동안 극한 현상은 심각성과 주민, 기반 시설 및 인류 활동에 대한 위험 증가로 인해 우려를 불러일으켰습니다. 오늘날 해안 구조물이 범람하고 해변 침식 및 기반 시설 파괴가 전 세계 해안에서 흔히 발생합니다. 

완화에 효율적으로 기여하고 효율적인 방어 조치를 채택하려면 이러한 영향을 예상하는 것이 매우 중요합니다. 대규모 물리적 모델을 기반으로 하는 이전 실험 작업에서 목조 교각 상단의 고가 해안 구조물의 공극과 그에 따른 수평 및 수직 파도력 사이의 관계가 다양한 파도 하중 조건에 대해 연구되었습니다. 

이러한 실험 결과는 CFD 도구를 사용하여 유체/구조 상호 작용을 시뮬레이션하기 위한 수치 모델에 대한 보정 데이터 역할을 합니다. 주어진 파도 조건에 대해 물과 구조물 베이스 레벨 사이의 공극 높이를 다르게 하여 세 가지 시나리오를 시뮬레이션했습니다. 

수치 결과를 물리적 모델 결과와 비교하면 수치적으로 구한 수평력과 수직력의 최대값은 각각 평균 ​​14.4%와 25.4%의 상대차로 만족할 만합니다. 또한 구조물을 지지하는 교각에 작용하는 압력과 전단응력을 시뮬레이션하기 위해 실제 수치모델을 적용하였으며, 서로 다른 공극의 높이를 고려하고 각각의 CPU 시뮬레이션 시간을 평가하였습니다. 

이러한 방식으로 CFD 모델의 운영 모델링 기능을 평가하여 조기 경보 시스템 내에서 최종 사용에 대한 예측 선행 시간 제한을 결정했습니다.

키워드

Coastal risk, Elevated coastal structure, Numerical simulation, Flow-3D® , 해안 위험, 높은 해안 구조, 수치 시뮬레이션

References

  1. 1.Neumann B, Vafeidis AT, Zimmermann J, Nicholls RJ (2015) Future coastal population growth and exposure to sea-level rise and coastal flooding-a global assessment. PloS one, n. 10(3), p. X-XGoogle Scholar
  2. 2.Jones B, O’Neill BC (2016) Spatially explicit global population scenarios consistent with the Shared Socioeconomic Pathways. Environmental Research Letters, N. 11(8):1–10Google Scholar
  3. 3.Talbot J (2005) Repairing Florida’s Escambia Bay Bridge. Associated Construction Publications, available online at http://www.acppubs.com/article/CA511040
  4. 4.Kennedy A, Rogers S, Sallenger A, Gravois U, Zachry B, Dosa M, Zarama F (2011a) Building destruction from wave and surge on the bolivar peninsula during hurricane Ike. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng. 137 (3), 132–141Google Scholar
  5. 5.Tomiczek T, Kennedy A, Rogers S (2014) Collapse limit state fragilities of woodframed residences from storm surge and waves during hurricane Ike. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng. 140 (1), 43–55Google Scholar
  6. 6.Dentale F, Donnarumma G, Pugliese Carratelli E (2014a) Simulation of flow within armour blocks in a breakwater. J Coast Res 30(3):528–536CrossRefGoogle Scholar
  7. 7.Peregrine DH (2003) Water wave impact on walls. Annu Rev Fluid Mech 35:23–43CrossRefGoogle Scholar
  8. 8.Cuomo G, Piscopia R, Allsop W (2011) Evaluation of wave impact loads on caisson breakwaters based on joint probability of impact maxima and rise times. Coast Eng 58(1):9–27CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.Faltinsen OM, Landrini M, Greco M (2004) Slamming in marine applications. J Eng Math 48(3–4):187–217CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.Peregrine DH. et al (2005) Violent water wave impact on a wall. In: Proceedings of 14th Aha Huliko Winter Workshop, Honolulu, HawaiiGoogle Scholar
  11. 11.Cuomo G, Tirindelli M, Allsop W (2007) Wave in deck loads on exposed jetties. Coast Eng 54(9):657–679CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.Azadbakht M, Yim SC (2015) Simulation and estimation of tsunami loads on bridge superstructures. J Waterw Port Coast Ocean Eng 141(2):20CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.Wiebe DM, Park H, Cox DT (2014) Application of the Goda pressure formulae for horizontal wave loads on elevated structures. KSCE J. Civ. EngGoogle Scholar
  14. 14.Hayatdavoodi M, Seiffert B, Ertekin RC (2015) Experiments and calculations of cnoidal wave loads on a flat plate in shallow-water. J. Ocean Eng. Mar. Energy 1(1):77–99CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.Wei Z, Dalrymple RA (2016) Numerical study on mitigating tsunami force on bridges by an SPH model. J. Ocean. Eng. Mar. Energy 2(365):365–380CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.Bradner, C., Schumacher, T., Cox, D., Higgins, C.: Experimental Setup for a largescale bridge superstructure model subjected to waves. J. Waterw. Port, Coast. Ocean Eng. 137 (1), 3–11 (2011)Google Scholar
  17. 17.Xiao H, Huang W (2008) Numerical modeling of wave runup and forces on an idealized beachfront house. Ocean Eng 35(1):106–116CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.Do T, van de Lindt JW, Cox D (2016) Performance-based design methodology for inundated elevated coastal structures subjected to wave load. Eng Struct 117:250–262CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.Lara JL, Garcia N, Losada IJ (2006) RANS modeling applied to random wave interaction with submerged permeable structures. Coastal Eng 53(5–6):395–417CrossRefGoogle Scholar
  20. 20.Meringolo DD, Aristodemo F, Veltri P (2015) SPH numerical modeling of wave–perforated breakwater interaction. Coast Eng 101:48–68CrossRefGoogle Scholar
  21. 21.Al-Banaa K, Liu PLF (2007) Numerical study on the hydraulic performance of submerged porous breakwater under solitary wave attack. J Coast Res 50:201–205Google Scholar
  22. 22.Gomes, A., Pinho, J.L.S., Valente, T., Antunes do Carmo, J.S., V. Hegde, A.: Performance Assessment of a Semi-Circular Breakwater through CFD Modelling. J. Mar. Sci. Eng. 2020, 8, 226 (2020).Google Scholar
  23. 23.Flow Sciences Inc. Flow-3D User Manual, release 9.4, Santa Fe, NM, USA (2009).Google Scholar
  24. 24.Smith, H., Foster., D.L.: Modeling of flow around a cylinder over a scoured bed. J. Waterw., Port, Coastal, Ocean Eng.131(1),14–24 (2005).Google Scholar
  25. 25.Richardson JE, Panchang VG (1998) Three-dimensional simulation of scour-inducing flow at bridge piers. J Hydraul Eng 124(5):530–540CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.Jin J, Meng B (2011) Computation of wave loads on the superstructures of coastal highway bridges. Ocean Eng 38(17–18):2185–2200CrossRefGoogle Scholar
  27. 27.Dentale F, Donnarumma G, Pugliese Carratelli E (2014b) Numerical wave interaction with tetrapods breakwater. Int. J. Nav. Arch. Ocean 6:13Google Scholar
  28. 28.Carratelli EP, Viccione G, Bovolin V (2016) Free surface flow impact on a vertical wall: a numerical assessment. Theor. Comput. Fluid Mech. 30(5):403–414CrossRefGoogle Scholar
  29. 29.Cavallaro, L., Dentale, F., Donnarumma, G., Foti, E., Musumeci, R.E., Pugliese Carratelli, E.: Rubble mound breakwater overtopping: estimation of the reliability of a 3D numerical simulation, In: ICCE 2012, Interntional Conference on Coastal Engineering, Santander, Spain (2012).Google Scholar
  30. 30.Vanneste, D., Suzuki, T., Altomare, C.: Comparison of numerical models for wave overtoping and impact on storm return walls. In: ICCE 2014, International Conference on Coastal Engineering, Seoul, Korea (2014).Google Scholar
  31. 31.Park H, Tomiczek T, Cox DT, van de Lindt JW, Lomonaco P (2017) Experimental modeling of horizontal and vertical wave forces on an elevated coastal structure. Coast Eng 128:58–74CrossRefGoogle Scholar
  32. 32.Isfahani AHG, Brethour JM (2009) On the Implementation of Two-Equation Turbulence Models in FLOW-3D; FSI-09-TN86; Flow Science: Santa Fe. NM, USAGoogle Scholar
  33. 33.Novais-Barbosa J (1985) Mecânica dos Fluidos e Hidráulica Geral Vol 1 e II Porto Editora, PortoGoogle Scholar
  34. 34.Le Méhauté B (1976) An Introduction to Hydrodynamics and Water Waves. Springer, Berlin/Heidelberg, GermanyCrossRefGoogle Scholar
Figure 1- The experimental model [17]

와류형 우수 저류지의 수치 모델링에 대한 난류 슈미트 수의 영향 조사

Investigation of the Turbulent Schmidt Number Effects On Numerical Modelling Of Vortex-Type Stormwater Retention Ponds

S. M. Yamini1; H. Shamloo2; S. H. Ghafari3
1M.Eng., Dep. of Civil Engineering K.N. Toosi University of Technology, Valiasr St., Tehran, Iran.
smyamini@alumni.kntu.ac.ir
2Associate Professor, Dep. of Civil Engineering K.N. Toosi University of Technology, Valiasr St., Tehran, Iran.
hshamloo@kntu.ac.ir
3Ph.D., Dep. of Civil Engineering Univ. of Tehran, Enqelab St., Tehran, Iran. sarvenazghafari@ut.ac.ir

Abstract

정확하고 신뢰할 수 있는 CFD 모델링 결과를 얻는 것은 이러한 시뮬레이션에서 입력의 중요성 때문에 종종 정밀 조사의 대상입니다.

난류 모델링이 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식을 기반으로 하는 경우 난류 스칼라 전송을 추정하려면 난류 흐름에서 질량 1에 대한 운동량 확산의 비율로 정의되는 난류 슈미트 수(Sct)의 정의가 필요합니다.

그러나 이 매개변수는 난류 흐름의 속성이므로 보편적인 값이 허용되지 않았습니다. 우수 저류지의 수치 연구에서 적절한 Sct를 설정하는 실제 역할은 수력 효율의 평가가 추적자 테스트의 출력 질량 농도를 기반으로 하기 때문에 가장 중요합니다.

본 연구에서는 FLOW-3D를 사용하여 와류형 우수 저류지의 여러 수치 시뮬레이션을 체계적으로 수행했습니다. 다양한 난류 슈미트 수의 범위는 메쉬 감도를 조사하기 위해 다른 수의 계산 셀에 의해 수행된 수치 시뮬레이션에 도입되었습니다.

또한 사용자 정의 또는 자동 계산 값으로 최대 난류 혼합 길이의 영향을 평가했습니다. 이 연구의 결과는 실험 결과와 밀접한 일치를 제공하는 Sct= 0.625와 함께 수리학적 직경의 7%와 동일한 최대 난류 혼합 길이의 일정한 값을 갖는 확립된 수치 모델입니다.

특히 수치적 무차원 RDT 곡선의 피크 값은 극적으로 감소하여 실험 결과와 거의 일치했습니다. 이것은 FLOW-3D가 난류 유동의 와류형 물리학에서 질량 확산도를 적절하게 예측하는 상당한 능력을 가지고 있다는 결론을 내립니다.

– Achieving accurate and reliable CFD modelling results often is the subject of scrutiny because of the importance of the inputs in those simulations. If turbulence modelling is based on Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, estimating the turbulent scalar transport requires the definition of the turbulent Schmidt number (Sct), defined as the ratio of momentum diffusivity to mass one in a turbulent flow. However, no universal value has been accepted for this parameter as it is a property of turbulent flows.

The practical role of establishing a suitable Sct in numerical studies of stormwater retention ponds is of the utmost importance because the assessment of the hydraulic efficiency of them is based on output mass concentration of tracer tests. In this study, several numerical simulations of a vortex-type stormwater retention pond were systematically carried out using FLOW-3D. A range of various turbulent Schmidt numbers were introduced in numerical simulations performed by different number of computational cells to investigate mesh sensitivity.

Moreover, the effects of maximum turbulent mixing length as a user-defined or automatically computed value were assessed. The outcome of this study is an established numerical model with a constant value of maximum turbulent mixing length equal to 7% of the hydraulic diameter along with Sct= 0.625 which provides a close agreement with experimental results.

Noticeably, the peak values of numerical dimensionless RDT curves are dramatically decreased, resulted in a close match with experimental results. This concludes that FLOW-3D has a considerable ability to appropriately predict mass diffusivity in vortex-type physics of turbulent flows.

Keywords:

turbulent Schmidt number – maximum turbulent mixing length – CFD – mesh sensitivity – vortex-type
stormwater retention pond – environmental fluid mechanics

Figure 1- The experimental model [17]
Figure 1- The experimental model [17]
Figure 2- Schematic of boundary conditions in the numerical model
Figure 2- Schematic of boundary conditions in the numerical model
Figure 3- Positioning of mesh blocks
Figure 3- Positioning of mesh blocks

References

[1] C. Gualtieri, A. Angeloudis, F. Bombardelli, S. Jha, and T. Stoesser, “On the Values for the Turbulent Schmidt Number
in Environmental Flows,” Fluids, vol. 2, p. 17, 2017.
[2] Å. Adamsson, L. Bergdahl, and S. Lyngfelt, “Measurement and three-dimensional simulation of flow in a rectangular
detention tank,” Urban Water Journal, vol. 2, no. 4, pp. 277-287, 2005/12/01 2005, doi: 10.1080/15730620500386545.
[3] C. Gualtieri, “Numerical simulation of flow and tracer transport in a disinfection contact tank,” 2006.
[4] S. Khan, B. Melville, and A. Shamseldin, Modeling the Layouts of Stormwater Retention Ponds using Residence Time.
2009, pp. 77-83.
[5] F. Martínez-Solano, P. L. I. Rey, C. Gualtieri, and P. López-Jiménez, “Modelling flow and concentration field in
rectangular water tanks,” 2010.
[6] W. B. Rauen, A. Angeloudis, and R. A. Falconer, “Appraisal of chlorine contact tank modelling practices,” Water
Research, vol. 46, no. 18, pp. 5834-5847, 2012/11/15/ 2012, doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.08.013.

[7] J. Zhang, A. Tejada-Martínez, and Q. Zhang, “Evaluation of LES and RANS for Determining Hydraulic Performance
of Disinfection Systems for Water Treatment,” Journal of Fluids Engineering, vol. 136, 05/15 2014, doi:
10.1115/1.4027652.
[8] J. Zhang, A. E. Tejada-Martínez, and Q. Zhang, “Developments in computational fluid dynamics-based modeling for
disinfection technologies over the last two decades: A review,” Environmental Modelling & Software, vol. 58, pp. 71-
85, 2014/08/01/ 2014, doi: https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2014.04.003.
[9] C. Gualtieri and F. Salzano, “DIscussion on “The effect of baffle spacing on hydrodynamics and solute transport in
serpentine contact tanks”,” Journal of Hydraulic Research, vol. 52, pp. 152-154, 02/28 2014, doi:
10.1080/00221686.2013.877528.
[10] A. Angeloudis, T. Stoesser, R. A. Falconer, and D. Kim, “Flow, transport and disinfection performance in small- and
full-scale contact tanks,” Journal of Hydro-environment Research, vol. 9, no. 1, pp. 15-27, 2015/03/01/ 2015, doi:
https://doi.org/10.1016/j.jher.2014.07.001.
[11] A. Angeloudis, T. Stoesser, C. Gualtieri, and R. A. Falconer, “Contact Tank Design Impact on Process Performance,”
Environmental Modeling & Assessment, vol. 21, no. 5, pp. 563-576, 2016/10/01 2016, doi: 10.1007/s10666-016-9502-
x.
[12] D. Valero and D. B. Bung, “Sensitivity of turbulent Schmidt number and turbulence model to simulations of jets in
crossflow,” Environmental Modelling & Software, vol. 82, pp. 218-228, 2016/08/01/ 2016, doi:
https://doi.org/10.1016/j.envsoft.2016.04.030.
[13] F. Sonnenwald, I. Guymer, and V. Stovin, “Computational fluid dynamics modelling of residence times in vegetated
stormwater ponds,” Proceedings of the Institution of Civil Engineers – Water Management, vol. 171, pp. 1-11, 11/07
2017, doi: 10.1680/jwama.16.00117.
[14] F. Sonnenwald, I. Guymer, and V. Stovin, “A CFD-Based Mixing Model for Vegetated Flows,” Water Resources
Research, vol. 55, no. 3, pp. 2322-2347, 2019, doi: https://doi.org/10.1029/2018WR023628.
[15] S. B. Pope, Turbulent Flows. Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2000.
[16] R. Rossi and G. Iaccarino, “Numerical simulation of scalar dispersion downstream of a square obstacle using gradienttransport type models,” Atmospheric Environment, vol. 43, no. 16, pp. 2518-2531, 2009/05/01/ 2009, doi:
https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2009.02.044.
[17] R. Chowdhury, M. Ahadi, K. A. Mazurek, G. Putz, D. Bergstrom, and C. Albers, “Physical Scale and Computational
Modeling in the Development of a Vortex-Type Stormwater Retention Pond,” in World Environmental and Water
Resources Congress 2016, 2016, pp. 388-397.
[18] V. Yakhot and L. M. Smith, “The renormalization group, the ɛ-expansion and derivation of turbulence models,” Journal
of Scientific Computing, vol. 7, no. 1, pp. 35-61, 1992/03/01 1992, doi: 10.1007/BF01060210.
[19] Flow Science, Inc., FLOW-3D User manual. Santa Fe, NM, USA. (2015).
[20] M. M. Bishop, J. M. Morgan, B. Cornwell, and D. K. Jamison, “Improving the Disinfection Detention Time of a Water
Plant Clearwell,” Journal AWWA, vol. 85, no. 3, pp. 68-75, 1993, doi: https://doi.org/10.1002/j.1551-
8833.1993.tb05958.x.
[21] F. L. Hart, “Improved Hydraulic Performance of Chlorine Contact Chambers.,” Jounal of Water Pollution Control
Federation, vol. 51(12), pp. 2868–2875, 1979.

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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Numerical investigation on effective parameters on hydraulic flows in a sluice gate with sill on free-flow condition

자유 흐름 조건에서 문턱이 있는 수문의 유압 흐름에 대한 유효 매개변수에 대한 수치적 조사

Numerical investigation on effective parameters on hydraulic flows in a sluice gate with sill on free-flow condition

Authors

1 Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Iran

2 Water Engineering Department, University of Tabriz, Tabriz, Iran

3 M.Sc. Student, Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh, Iran

Abstract

The importance of water control and distribution in irrigation and behind dams requires the use of practical and modern methods. The presence of sill under sluice gate is one of the solutions to control the flow rate. Therefore, this study was conducted to numerically investigate the discharge coefficient (Cd) of sluice gate with different heights and widths of sills in free flow conditions. The simulations were performed using FLOW-3D software and finite volume method. The results of numerical study showed that the gate opening has a good effect on the Cd with sill and non-sill condition. In both cases, the gate opening is inversely related to the Cd. This means that the Cd increases as the gate opening decreases. Results showed that reducing the gate opening from 5 cm to 2 cm increases the Cd in the gate with sill by 9% compared to the non-sill gate. The results also indicate that the height of the sill is one of the parameters affecting the Cd. The minimum and maximum discharge coefficients in gate with sill compared to the non-sill condition were estimated at 1.5% and 18%, respectively. Examination of sill width changes showed that decreasing the width reduces the discharge coefficient by reducing the amount of velocity and flow pressure along the sill sides. The effect of three parameters of gate opening, sill height and sill width were compared. The results showed that increasing the sill width compared to the two mentioned parameters has the maximum increase in the Cd

관개 및 댐 뒤에서 물 관리 및 분배의 중요성은 실용적이고 현대적인 방법의 사용을 요구합니다. 수문 아래 문턱의 존재는 유량을 제어하는 ​​솔루션 중 하나입니다. 

따라서 본 연구는 자유유동 조건에서 문턱의 높이와 너비가 다른 수문의 토출계수(Cd)를 수치적으로 조사하기 위해 수행되었습니다. 시뮬레이션은 FLOW-3D 소프트웨어와 유한 체적 방법을 사용하여 수행되었습니다. 

수치 연구의 결과는 게이트 개방이 sill 및 non-sill 조건에서 Cd에 좋은 영향을 미치는 것으로 나타났습니다. 두 경우 모두 게이트 개방은 Cd와 반비례합니다. 이것은 게이트 개방이 감소함에 따라 Cd가 증가한다는 것을 의미합니다. 

결과에 따르면 게이트 개구부를 5cm에서 2cm로 줄이면 비문이 있는 게이트에 비해 씰이 있는 게이트의 Cd가 9% 증가합니다. 결과는 또한 문턱의 높이가 Cd에 영향을 미치는 매개변수 중 하나임을 나타냅니다. 

문턱이 없는 문에 비해 문턱이 있는 문에서 최소 및 최대 배출 계수는 각각 1.5% 및 18%로 추정되었습니다. 문턱 너비 변화를 조사하면 너비를 줄이면 문턱 측면을 따라 유속과 흐름 압력의 양이 감소하여 배출 계수가 감소하는 것으로 나타났습니다. 

게이트 개방, 문턱 높이 및 문턱 너비의 세 가지 매개변수의 효과를 비교했습니다. 결과는 언급된 두 매개변수에 비해 씰 너비를 늘리면 Cd가 최대로 증가한다는 것을 보여주었습니다. 

결과는 또한 문턱의 높이가 Cd에 영향을 미치는 매개변수 중 하나임을 나타냅니다. 문턱이 없는 문에 비해 문턱이 있는 문에서 최소 및 최대 배출 계수는 각각 1.5% 및 18%로 추정되었습니다. 문턱 너비 변화를 조사하면 너비를 줄이면 문턱 측면을 따라 유속과 흐름 압력의 양이 감소하여 배출 계수가 감소하는 것으로 나타났습니다. 

게이트 개방, 문턱 높이 및 문턱 너비의 세 가지 매개변수의 효과를 비교했습니다. 결과는 언급된 두 매개변수와 비교하여 문턱 너비를 늘리면 Cd가 최대로 증가한다는 것을 보여주었습니다. 

결과는 또한 문턱의 높이가 Cd에 영향을 미치는 매개변수 중 하나임을 나타냅니다. 문턱이 없는 문에 비해 문턱이 있는 문에서 최소 및 최대 배출 계수는 각각 1.5% 및 18%로 추정되었습니다. 

문턱 너비 변화를 조사하면 너비를 줄이면 문턱 측면을 따라 유속과 흐름 압력의 양이 감소하여 배출 계수가 감소하는 것으로 나타났습니다. 게이트 개방, 문턱 높이 및 문턱 너비의 세 가지 매개변수의 효과를 비교했습니다. 결과는 언급된 두 매개변수에 비해 씰 너비를 늘리면 Cd가 최대로 증가한다는 것을 보여주었습니다. 문턱 너비 변화를 조사하면 너비를 줄이면 문턱 측면을 따라 유속과 흐름 압력의 양이 감소하여 배출 계수가 감소하는 것으로 나타났습니다. 

게이트 개방, 문턱 높이 및 문턱 너비의 세 가지 매개변수의 효과를 비교했습니다. 결과는 언급된 두 매개변수에 비해 씰 너비를 늘리면 Cd가 최대로 증가한다는 것을 보여주었습니다. 문턱 너비 변화를 조사하면 너비를 줄이면 문턱 측면을 따라 유속과 흐름 압력의 양이 감소하여 배출 계수가 감소하는 것으로 나타났습니다. 

게이트 개방, 문턱 높이 및 문턱 너비의 세 가지 매개변수의 효과를 비교했습니다. 결과는 언급된 두 매개변수와 비교하여 문턱 너비를 늘리면 Cd가 최대로 증가한다는 것을 보여주었습니다.

Keywords

Solved Aging Dam Dilemma

노후 댐 대책

How Computational Fluid Dynamics Modeling Solved Aging Dam Dilemma

By AyresApril 6, 2021No Comments

Solved Aging Dam Dilemma
Solved Aging Dam Dilemma

Keyword : 3D Hydraulic Modeling,CFD, CFD Model, Computational Fluid Dynamics, Dam Hydraulics, Hydrology structure damage

급격한 변화나 예기치 못한 노후화로 인해 댐에서 복잡한 문제가 발생하는 경우 20세기에 개발된 산업 표준 설계 방정식과 방법론이 많은 경우 올바른 솔루션을 제공할 수는 없습니다. 다행스럽게도 엔지니어들은 적절한 조치나 수리를 적용할 수 있도록 유압 상황을 확인하기 위해 전산유체역학(CFD) 모델을 사용할 수 있게 되었습니다.

About the Expert:

Matthew Hickox, PE, brings civil engineering expertise in stormwater and river design, planning, and construction phase services. His experience is founded on a solid understanding of hydrologic modeling, 1- and 2-dimensional hydraulic modeling, in-stream hydraulic structures, scour protection measures, culvert and bridge hydraulics, and the regulatory environment for stormwater projects.

How Does CFD Work in Practice?

최근의 한 사례에서 하천 수문학 및 지형학은 낮은 수두 전환 댐 주변에서 변경되었습니다. 지난 수십 년 동안 빠르게 발전해 온 도시 지역의 하류에 있는 모래 바닥 하천 시스템에 위치한 댐의 문제는 주변 하천 시스템에서 일어나는 여러 가지 일들로 인해 복잡해졌습니다. 증가하는 도시화는 배출 빈도를 증가시켰을 뿐만 아니라 기본 흐름을 증가시켰습니다. 수리학적으로 가파른 시스템은 일시적인 지류에서 연간 베이스 흐름으로의 변화가 상류가 침식됨에 따라 퇴적물 부하도 증가했음을 의미했습니다.

이 조합은 전환 댐의 하류 수로가 지난 15년 동안 3-4피트 감소했고, 배수가 감소된 정수장 apron에서 속도가 증가했으며 구조물 표면에 마모를 유발하는 퇴적물 하중이 감소했음을 의미합니다. 이러한 문제 중 어느 것도 전환 댐의 원래 설계의 잘못이 아니었지만 변화하는 하천 수문 및 지형학으로 인해 원래 설계자가 예상하지 못한 조건이 발생했습니다.

기존 구조물의 단위 너비 CFD 모델은 기존 현장 조건으로 인해 정수기 계류장에 수압 점프가 형성되지 않았다는 현장 관찰을 확인했습니다. 1).

Figure 1. Existing conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure.
Figure 1. Existing conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure.

설계 표고(열화 전)에서 하류 하류 바닥 표고와 함께 개발된 유사한 단위 너비 CFD 모델은 원래 설계가 정수 유역 계류장과 배수로 전면 근처에서 수압 점프를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 이 단위 너비 CFD 모델은 구조에 영향을 미치는 수력학의 가치 있는 검증을 제공하지만 구조 손상이 구조 중간에서 매우 뚜렷하고 다른 영역에서는 거의 손대지 않았기 때문에 이것만으로는 충분하지 않습니다. (그림 2)

Figure 2. Original design conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure. The only difference with Figure 1 is the downstream bed elevation.
Figure 2. Original design conditions unit width CFD model results showing velocity, cross section view of structure. The only difference with Figure 1 is the downstream bed elevation.

전체 기존 조건 CFD 모델은 정수조 앞치마 마모의 범위와 그에 따른 손상을 확인했습니다. (그림 3 및 4)

Figure 3. Existing conditions CFD model results showing velocity streamlines at 2-year event discharge. High velocities are areas of significant abrasion damage, low velocity areas have little or no abrasion damage.
Figure 3. Existing conditions CFD model results showing velocity streamlines at 2-year event discharge. High velocities are areas of significant abrasion damage, low velocity areas have little or no abrasion damage.
Figure 4. Existing conditions shows rebar exposed from significant abrasion damage to stilling basin apron in high velocity areas
Figure 4. Existing conditions shows rebar exposed from significant abrasion damage to stilling basin apron in high velocity areas

이 구조물에 대한 수리를 위한 예비 설계 동안 간단한 분석에 따르면 구조물의 미수를 높이는 것이 방수로 토우 근처의 구조물에 수력학적 점프를 만드는 데 도움이 될 것이며, 이는 정수 유역 계류장과 계류장을 가로지르는 극한 속도를 감소시킬 것입니다. 따라서 구조의 마모를 크게 줄입니다(그림 5 참조). 이 예비 제안 조건 CFD 모델은 엔드 실 높이만 높였습니다. 구조물 하류의 하천 시스템의 상태와 지형은 나머지 설계 수명 동안 구조물의 안정성을 보장하기 위해 모든 최종 설계 조건에 대해 평가되어야 합니다.

Figure 5. Preliminary design check to verify velocities under a raised tailwater condition at a 2-year event discharge. Velocity cross section slices shown.
Figure 5. Preliminary design check to verify velocities under a raised tailwater condition at a 2-year event discharge. Velocity cross section slices shown.

CFD 모델은 설계 상황이 확립된 설계 방정식 및 절차의 한계 내에 깔끔하게 속하지 않을 때 유압을 확인하는 또 다른 도구를 제공합니다. 구조와 유역의 개요에 대해 자세히 설명하는 전체적인 관점은 프로젝트 현장의 현재와 미래의 상태를 평가하는 데 필요합니다. 이 예에서 구조의 설계 및 작동은 원래 설계와 매우 유사하게 유지됩니다. 구조 주변에서 변경된 것은 하천 시스템입니다. CFD는 현장 조건 변경으로 인해 예기치 않은 수리력 및 구조 손상이 발생할 때 복잡한 수리력을 분석할 수 있는 도구 상자의 또 다른 도구를 제공합니다.

CFD 또는 여기 Ayres에서 제공하는 유압 엔지니어링 서비스에 대한 자세한 내용은 Matthew Hickox, PE에게 문의하십시오.

Fig. 6. Configuration of Johnson (1958) hydraulic experiment.

전체 수심 범위에서 선박 파고에 대한 방정식

Equation for ship wave crests in the entire range of water depths

Byeong Wook Lee a
, Changhoon Lee b,
*a Coastal Development and Ocean Energy Research Center, Korea Institute of Ocean Science & Technology, 385 Haeyang-ro, Busan, 49111, Republic of Korea
b Department of Civil and Environmental Engineering, Sejong University, 209 Neungdong-ro, Gwangjin-gu, Seoul, 05006, Republic of Korea

ABSTRACT

An equation for ship wave crests y/x in the entire range of water depths is developed using the linear dispersion relation. In deep water, the developed equation is reduced to the equation of Kelvin (1906). The locations of ship wave crests in the x – and y -directions are obtained using a dimensionless constant C. The wave ray angle θc at the cusp locus is determined using the condition that θc is maximal at the cusp locus and the cusp locus angle is determined as αc=−tan−1(y/x)max. Numerical experiments are conducted using the FLOW-3D to simulate ship wave propagation. The cusp locus angles of the FLOW-3D are similar to both those of the present theory and Havelock (1908) theory in the entire range of the Froude number. Both the present theory and the FLOW-3D yield that, with the increase of ship speed, the Froude number increases and does the wavelength. For the Froude number equal to or greater than unity, the wavelength becomes infinitely large and the transverse waves disappear. The wavelengths of the FLOW-3D are slightly smaller than those of the present theory because the FLOW-3D considers the decrease of wavelength due to energy dissipation which happens because of viscosity of water and turbulence of high-speed particle velocities.

Fig. 6. Configuration of Johnson (1958) hydraulic experiment.
Fig. 6. Configuration of Johnson (1958) hydraulic experiment.
Fig. 8. Comparison of ship wave crest patterns: (a) Fr ¼ 0:66 (Us ¼ 6:5m=s,  kh � 0:724π), (b) Fr ¼ 0:86 (Us ¼ 8:5m=s, kh � 0:342π), (c) Fr ¼ 1:21 (Us ¼ 12:0m=s, kh � 0:003π). Line definition: red solid line ¼ present theory; yellow  dashed line ¼ Kelvin theory; white dot ¼ FLOW-3D solution. (For interpretation  of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the  Web version of this article.)
Fig. 8. Comparison of ship wave crest patterns: (a) Fr ¼ 0:66 (Us ¼ 6:5m=s, kh >= 0:724π), (b) Fr ¼ 0:86 (Us ¼ 8:5m=s, kh >= 0:342π), (c) Fr ¼ 1:21 (Us ¼ 12:0m=s, kh >= 0:003π). Line definition: red solid line ¼ present theory; yellow dashed line ¼ Kelvin theory; white dot ¼ FLOW-3D solution. (For interpretation of the references to colour in this figure legend, the reader is referred to the Web version of this article.)

Keywords

Ship wave crests
Cusp locus angle
Entire range of water depths
Theoretical solution
Numerical experiment

References

kylas, T.R., 1984. On the excitation of long nonlinear water waves by a moving pressure
distribution. J. Fluid Mech. 141, 455–466.

Chen, X.N., Sharma, S.D., 1995. A slender ship moving at a near-critical speed in a
shallow channel. J. Fluid Mech. 291, 263–285.
David, C.G., Roeber, V., Goseberg, N., Schlurmann, T., 2017. Generation and propagation
of ship-borne waves – solutions from a Boussinesq-type model. Cost Eng. 127,
170–187.
Ersan, D.B., Beji, S., 2013. Numerical simulation of waves generated by a moving
pressure field. Ocean Eng. 59, 231–239.
Ertekin, R.C., Webster, W.C., Wehausen, J.V., 1986. Waves caused by a moving
disturbance in a shallow channel of finite width. J. Fluid Mech. 169, 275–292.
Fang, M.-C., Yang, R.-Y., Shugan, I.V., 2011. Kelvin ship wake in the wind waves field
and on the finite sea depth. J. Mech. 27 (1), 71–77.
Havelock, T.H., 1908. The propagation of groups of waves in dispersive media with
application to waves on water produced by a travelling disturbance. Proc. Royal Soc.
London Ser. A 398–430.
Hennings, I., Romeiser, R., Alpers, W., Viola, A., 1999. Radar imaging of Kelvin arms of
ship wakes. Int. J. Remote Sens. 20 (13), 2519–2543.
Hur, D.S., Lee, J., Choi, D.S., Lee, H.W., 2011. On run-up characteristics of revetment
under interaction among ocean wave, current and ship induced wave in the canal.
In: Proceedings of the 37th Conference on the Korean Society of Civil Engineers,
pp. 588–591 (in Korean).
Johnson, J.W., 1958. Ship waves in navigation channels. In: Proceedings of the 6th
Conference on Coastal Engineering, pp. 666–690.
Kang, Y.S., Kim, P.J., Hyun, S.K., Sung, H.K., 2008. Numerical simulation of ship-induced
wave using FLOW-3D. J. Korean Soc. Coast. Ocean Eng. 20 (3), 255–267 (in Korean).
Kelvin, 1887. On ship waves. In: Proceedings of the Institution of Mechanical
Engineering, pp. 409–433.
Kelvin, 1906. Deep sea ship-waves. Proc. R. Soc. Edinb. 25 (2), 1060–1084.
Lamb, H., 1945. Hydrodynamics. Dover Publications.
Lee, C., Lee, B.W., Kim, Y.J., Ko, K.O., 2011. Ship wave crests in intermediate-depth
water. In: Proceedings of the 6th International Conference on Asian and Pacific
Coasts, pp. 1818–1825.
Lee, B.W., Lee, C., Kim, Y.J., Ko, K.O., 2013. Prediction of ship wave crests on varying
water depths and verification by FLOW-3D. J. Korean Soc. Civil Eng. 33 (4),
1447–1454 (in Korean).
Lighthill, M.J., Whitham, G.B., 1955. On kinematic waves: I. Flood movement in long
rivers; II. Theory of traffic flow on long crowded roads. Proc. R. Soc. A 229, 281–345.
Newman, J.N., 1970. Recent research on ship waves. In: Proceedings of the 8th
Symposium on Naval Hydrodynamics, pp. 519–545.
Newman, J.N., 1977. Marine Hydrodynamics. The MIT Press.
Reed, A.M., Milgram, J.H., 2002. Ship wakes and their radar images. Annu. Rev. Fluid
Mech. 34, 469–502.
Shemdin, O.H., 1990. Synthetic aperture radar imaging of ship wakes in the Gulf of
Alaska. J. Geophys. Res. 95 (C9), 16319–16338.
Shi, F., Malej, M., Smith, J.M., Kirby, J.T., 2018. Breaking of ship bores in a Boussinesqtype ship-wake model. Cost Eng. 132, 1–12.
Sorensen, R.M., 1967. Investigation of ship-generated waves. J. Waterw. Harb. Div.
85–99. ASCE.
Sorensen, R.M., 1969. Waves generated by model ship hull. J. Waterw. Harb. Div.
513–538. ASCE.
Sorensen, R.M., Weggel, J.R., 1984. Development of ship wave design information. In:
Proceedings of the 19th Conference on Coastal Engineering, pp. 3227–3243. ASCE.
Stoker, J.J., 1957. Water Waves: the Mathematical Theory with Applications.
Interscience Publishers.
Tuck, E.O., 1966. Shallow-water flows past slender bodies. J. Fluid Mech. 26, 81–95.
Wu, D.M., Wu, T.Y., 1982. Three-dimensional nonlinear long waves due to moving
surface pressure. In: Proceedings of the 14th Symposium on Naval Hydrodynamics,
pp. 103–129.

Fig. 11. Velocity vectors along x-direction through the center of the box culvert for B0, B30, B50, and B70 respectively.

Numerical investigation of scour characteristics downstream of blocked culverts

막힌 암거 하류의 세굴 특성 수치 조사

NesreenTahabMaged M.El-FekyaAtef A.El-SaiadaIsmailFathya
aDepartment of Water and Water Structures Engineering, Faculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt
bLab Manager, Faculty of Engineering, Zagazig University, Zagazig 44519, Egypt

Abstract

횡단 구조물을 통한 막힘은 안정성을 위협하는 위험한 문제 중 하나입니다. 암거의 막힘 형상 및 하류 세굴 특성에 미치는 영향에 관한 연구는 거의 없습니다.

이 연구의 목적은 수면과 세굴 모두에서 상자 암거를 통한 막힘의 작용을 수치적으로 논의하는 것입니다. 이를 위해 FLOW 3D v11.1.0을 사용하여 퇴적물 수송 모델을 조사했습니다.

상자 암거를 통한 다양한 차단 비율이 연구되었습니다. FLOW 3D 모델은 실험 데이터로 보정되었습니다. 결과는 FLOW 3D 프로그램이 세굴 다운스트림 상자 암거를 정확하게 시뮬레이션할 수 있음을 나타냅니다.

막힌 경우에 대한 속도 분포, 최대 세굴 깊이 및 수심을 플롯하고 비차단된 사례(기본 사례)와 비교했습니다.

그 결과 암거 높이의 70% 차단율은 상류의 수심을 암거 높이의 2.3배 증가시키고 평균 유속은 기본 경우보다 3배 더 증가시키는 것으로 입증되었다. 막힘 비율의 함수로 상대 최대 세굴 깊이를 추정하는 방정식이 만들어졌습니다.

Blockage through crossing structures is one of the dangerous problems that threaten its stability. There are few researches concerned with blockage shape in culverts and its effect on characteristics of scour downstream it.

The study’s purpose is to discuss the action of blockage through box culvert on both water surface and scour numerically. A sediment transport model has been investigated for this purpose using FLOW 3D v11.1.0. Different ratios of blockage through box culvert have been studied. The FLOW 3D model was calibrated with experimental data.

The results present that the FLOW 3D program was capable to simulate accurately the scour downstream box culvert. The velocity distribution, maximum scour depth and water depths for blocked cases have been plotted and compared with the non-blocked case (base case).

The results proved that the blockage ratio 70% of culvert height makes the water depth upstream increases by 2.3 times of culvert height and mean velocity increases by 3 times more than in the base case. An equation has been created to estimate the relative maximum scour depth as a function of blockage ratio.

1. Introduction

Local scour is the removal of granular bed material by the action of hydrodynamic forces. As the depth of scour hole increases, the stability of the foundation of the structure may be endangered, with a consequent risk of damage and failure [1]. So the prediction and control of scour is considered to be very important for protecting the water structures from failure. Most previous studies were designed to study the different factors that impact on scour and their relationship with scour hole dimensions like fluid characteristics, flow conditions, bed properties, and culvert geometry. Many previous researches studied the effect of flow rate on scour hole by information Froude number or modified Froude number [2][3][4][5][6]. Cesar Mendoza [6] found a good correlation between the scour depth and the discharge Intensity (Qg−.5D−2.5). Breusers and Raudkiv [7] used shear velocity in the outlet-scour prediction procedure. Ali and Lim [8] used the densimetric Froude number in estimation of the scour depth [1][8][9][10][11][12][13][14]. “The densimetric Froude number presents the ratio of the tractive force on sediment particle to the submerged specific weight of the sediment” [15](1)Fd=uρsρ-1gD50

Ali and Lim [8] pointed to the consequence of tailwater depth on scour behavior [1][2][8][13]. Abida and Townsend [2] indicated that the maximum depth of local scour downstream culvert was varying with the tailwater depth in three ways: first, for very shallow tailwater depths, local scouring decreases with a decrease in tailwater depth; second, when the ratio of tailwater depth to culvert height ranged between 0.2 and 0.7, the scour depth increases with decreasing tailwater depth; and third for a submerged outlet condition. The tailwater depth has only a marginal effect on the maximum depth of scour [2]. Ruff et al. [16] observed that for materials having similar mean grain sizes (d50) but different standard deviations (σ). As (σ) increased, the maximum scour hole depth decreased. Abt et al. [4] mentioned to role of soil type of maximum scour depth. It was noticed that local scour was more dangerous for uniform sands than for well-graded mixtures [1][2][4][9][17][18]. Abt et al [3][19] studied the culvert shape effect on scour hole. The results evidenced that the culvert shape has a limited effect on outlet scour. Under equivalent discharge conditions, it was noted that a square culvert with height equal to the diameter of a circular culvert would reduce scour [16][20]. The scour hole dimension was also effected by the culvert slope. Abt et al. [3][21] showed that the culvert slope is a key element in estimating the culvert flow velocity, the discharge capacity, and sediment transport capability. Abt et al. [21][22] tested experimentally culvert drop height effect on maximum scour depth. It was observed that as the drop height was increasing, the depth of scour was also increasing. From the previous studies, it could have noticed that the most scour prediction formula downstream unblocked culvert was the function of densimetric Froude number, soil properties (d50, σ), tailwater depth and culvert opening size. Blockage is the phenomenon of plugging water structures due to the movement of water flow loaded with sediment and debris. Water structures blockage has a bad effect on water flow where it causes increasing of upstream water level that may cause flooding around the structure and increase of scour rate downstream structures [23][24]. The blockage phenomenon through was studied experimentally and numerical [15][25][26][27][28][29][30][31][32][33]. Jaeger and Lucke [33] studied the debris transport behavior in a natural channel in Australia. Froude number scale model of an existing culvert was used. It was noticed that through rainfall event, the mobility of debris was impressed by stream shape (depth and width). The condition of the vegetation (size and quantities) through the catchment area was the main factor in debris transport. Rigby et al. [26] reported that steep slope was increasing the ability to mobilize debris that form field data of blocked culverts and bridges during a storm in Wollongong city.

Streftaris et al. [32] studied the probability of screen blockage by debris at trash screens through a numerical model to relate between the blockage probability and nature of the area around. Recently, many commercial computational fluid programs (CFD) such as SSIIM, Fluent, and FLOW 3D are used in the analysis of the scour process. Scour and sediment transport numerical model need to validate by using experimental data or field data [34][35][36][37][38]. Epely-Chauvin et al. [36] investigated numerically the effect of a series of parallel spur diked. The experimental data were compared by SSIIM and FLOW 3D program. It was found that the accuracy of calibrated FLOW 3D model was better than SSIIM model. Nielsen et al. [35] used the physical model and FLOW 3D model to analyze the scour process around the pile. The soil around the pile was uniform coarse stones in the physical models that were simulated by regular spheres, porous media, and a mixture of them. The calibrated porous media model can be used to determine the bed shear stress. In partially blocked culverts, there aren’t many studies that explain the blockage impact on scour dimensions. Sorourian et al. [14][15] studied the effect of inlet partial blockage on scour characteristics downstream box culvert. It resulted that the partial blockage at the culvert inlet could be the main factor in estimating the depth of scour. So, this study is aiming to investigate the effects of blockage through a box culvert on flow and scour characteristics by different blockage ratios and compares the results with a non-blocked case. Create a dimensionless equation relates the blockage ratio of the culvert with scour characteristics downstream culvert.

2. Experimental data

The experimental work of the study was conducted in the Hydraulics and Water Engineering Laboratory, Faculty of Engineering, Zagazig University, Egypt. The flume had a rectangular cross-section of 66 cm width, 65.5 cm depth, and 16.2 m long. A rectangular culvert was built with 0.2 m width, 0.2 m height and 3.00 m long with θ = 25° gradually outlet and 0.8 m fixed apron. The model was located on the mid-point of the channel. The sediment part was extended for a distance 2.20 m with 0.66 m width and 0.20 m depth of coarse sand with specific weight 1.60 kg/cm3, d50 = 2.75 mm and σ (d90/d50) = 1.50. The particle size distribution was as shown in Fig. 1. The experimental model was tested for different inlet flow (Q) of 25, 30, 34, 40 l/s for different submerged ratio (S) of 1.25, 1.50, 1.75.

3. Dimensional analysis

A dimensional analysis has been used to reduce the number of variables which affecting on the scour pattern downstream partial blocked culvert. The main factors affecting the maximum scour depth are:(2)ds=f(b.h.L.hb.lb.Q.ud.hu.hd.D50.ρ.ρs.g.ls.dd.ld)

Fig. 2 shows a definition sketch of the experimental model. The maximum scour depth can be written in a dimensionless form as:(3)dsh=f(B.Fd.S)where the ds/h is the relative maximum scour depth.

4. Numerical work

The FLOW 3D is (CFD) program used by many researchers and appeared high accuracy in solving hydrodynamic and sediment transport models in the three dimensions. Numerical simulation with FLOW 3D was performed to study the impacts of blockage ratio through box culvert on shear stress, velocity distribution and the sediment transport in terms of the hydrodynamic features (water surface, velocity and shear stress) and morphological parameters (scour depth and sizes) conditions in accurately and efficiently. The renormalization group (RNG) turbulence model was selected due to its high ability to predict the velocity profiles and turbulent kinetic energy for the flow through culvert [39]. The one-fluid incompressible mode was used to simulate the water surface. Volume of fluid (VOF) method was employed in FLOW 3D to tracks a liquid interface through arbitrary deformations and apply the correct boundary conditions at the interface [40].1.

Governing equations

Three-dimensional Reynolds-averaged Navier Stokes (RANS) equation was applied for incompressible viscous fluid motion. The continuity equation is as following:(4)VF∂ρ∂t+∂∂xρuAx+∂∂yρvAy+∂∂zρwAz=RDIF(5)∂u∂t+1VFuAx∂u∂x+vAy∂u∂y+ωAz∂u∂z=-1ρ∂P∂x+Gx+fx(6)∂v∂t+1VFuAx∂v∂x+vAy∂v∂y+ωAz∂v∂z=-1ρ∂P∂y+Gy+fy(7)∂ω∂t+1VFuAx∂ω∂x+vAy∂ω∂y+ωAz∂ω∂z=-1ρ∂P∂z+Gz+fz

ρ is the fluid density,

VF is the volume fraction,

(x,y,z) is the Cartesian coordinates,

(u,v,w) are the velocity components,

(Ax,Ay,Az) are the area fractions and

RDIF is the turbulent diffusion.

P is the average hydrodynamic pressure,

(Gx, Gy, Gz) are the body accelerations and

(fx, fy, fz) are the viscous accelerations.

The motion of sediment transport (suspended, settling, entrainment, bed load) is estimated by predicting the erosion, advection and deposition process as presented in [41].

The critical shields parameter is (θcr) is defined as the critical shear stress τcr at which sediments begin to move on a flat and horizontal bed [41]:(8)θcr=τcrgd50(ρs-ρ)

The Soulsby–Whitehouse [42] is used to predict the critical shields parameter as:(9)θcr=0.31+1.2d∗+0.0551-e(-0.02d∗)(10)d∗=d50g(Gs-1ν3where:

d* is the dimensionless grain size

Gs is specific weight (Gs = ρs/ρ)

The entrainment coefficient (0.005) was used to scale the scour rates and fit the experimental data. The settling velocity controls the Soulsby deposition equation. The volumetric sediment transport rate per width of the bed is calculated using Van Rijn [43].2.

Meshing and geometry of model

After many trials, it was found that the uniform cell size with 0.03 m cell size is the closest to the experimental results and takes less time. As shown in Fig. 3. In x-direction, the total model length in this direction is 700 cm with mesh planes at −100, 0, 300, 380 and 600 cm respectively from the origin point, in y-direction, the total model length in this direction is 66 cm at distances 0, 23, 43 and 66 cm respectively from the origin point. In z-direction, the total model length in this direction is 120 cm. with mesh planes at −20, 0, 20 and 100 cm respectively.3.

Boundary condition

As shown in Fig. 4, the boundary conditions of the model have been defined to simulate the experimental flow conditions accurately. The upstream boundary was defined as the volume flow rate with a different flow rate. The downstream boundary was defined as specific pressure with different fluid elevation. Both of the right side, the left side, and the bottom boundary were defined as a wall. The top boundary defined as specified pressure with pressure value equals zero.

5. Validation of experimental results and numerical results

The experimental results investigated the flow and scour characteristics downstream culvert due to different flow conditions. The measured value of maximum scour depth is compared with the simulated depth from FLOW 3D model as shown in Fig. 5. The scour results show that the simulated results from the numerical model is quite close to the experimental results with an average error of 3.6%. The water depths in numerical model results is so close to the experimental results as shown in Fig. 6 where the experiment and numerical results are compared at different submerged ratios and flow rates. The results appear maximum error percentage in water depths upstream and downstream the culvert is about 2.37%. This indicated that the FLOW 3D is efficient for the prediction of maximum scour depth and the flow depths downstream box culvert.

6. Computation time

The run time was chosen according to reaching to the stability limit. Hydraulic stability was achieved after 50 s, where the scour development may still go on. For run 1, the numerical simulation was run for 1000 s as shown in Fig. 7 where it mostly reached to scour stability at 800 s. The simulation time was taken 500 s at about 95% of scour stability.

7. Analysis and discussions

Fig. 8 shows the study sections where sec 1 represents to upstream section, sec2 represents to inside section and sec3 represents to downstream stream section. Table 1 indicates the scour hole dimensions at different blockage case. The symbol (B) represents to blockage and the number points to blockage ratio. B0 case signifies to the non-blocked case, B30 is that blockage height is 30% to the culvert height and so on.

Table 1. The scour results of different blockage ratio.

Casehb cmB = hb/hQ lit/sSFdd50 mmds/h measuredls/hdd/hld/hds/h estimated
B000351.261.692.50.581.500.275.000.46
B3060.30351.261.682.50.481.250.274.250.40
B50100.50351.221.742.50.451.100.244.000.37
B70140.70351.231.732.50.431.500.165.500.33

7.1. Scour hole geometry

The scour hole geometry mainly depends on the properties of soil of the bed downstream the fixed apron. From Table 1, the results show that the maximum scour depth in B0 case is about 0.58 of culvert height while the maximum deposition in B0 is 0.27 culvert height. There is a symmetric scour hole as shown in Fig. 9 in B0 case. An asymmetric scour hole is created in B50 and B70 due to turbulences that causes the deviation of the jet direction from the center of the flume where appear in Fig. 11 and Fig. 19.

7.2. Flow water surface

Fig. 10 presents the relative free surface water (hw/h) along the x-direction at center of the box culvert. From the mention Figure, it is easy to release the effect of different blockage ratios. The upstream water level rises by increasing the blockage ratio. Increasing upstream water level may cause flooding over the banks of the waterway. In the 70% blockage case, the upstream water level rises to 2.3 times of culvert height more than the non-blocked case at the same discharge and submerged ratio. The water surface profile shows an increase in water level upstream the culvert due to a decrease in transverse velocity. Because of decreasing velocity downstream culvert, there is an increase in water level before it reaches its uniform depth.

7.3. Velocity vectors

Scour downstream hydraulic structures mainly affects by velocities distribution and bed shear stress. Fig. 11 shows the velocity vectors and their magnitude in xz plane at the same flow conditions. The difference in the upstream water level due to the different blockage ratios is so clear. The maximum water level is in B70 and the minimum level is in B0. The inlet mean velocity value is about 0.88 m/s in B0 increases to 2.86 m/s in B70. As the blockage ratio increases, the inlet velocity increases. The outlet velocity in B0 case makes downward jet causes scour hole just after the fixed apron in the middle of the bed while the blockage causes upward water flow that appears clearly in B70. The upward jet decreases the scour depth to 0.13 culvert height less than B0 case. After the scour hole, the velocity decreases and the flow becomes uniform.

7.4. Velocity distribution

Fig. 12 represents flow velocity (Vx) distribution along the vertical depth (z/hu) upstream the inlet for the different blockage ratios at the same flow conditions. From the Figure, the maximum velocity creates closed to bed in B0 while in blocked case, the maximum horizontal velocity creates at 0.30 of relative vertical depth (z/hu). Fig. 13 shows the (Vz) distribution along the vertical depth (z/hu) upstream culvert at sec 1. From the mentioned Figure, it is easy to note that the maximum vertical is in B70 which appears that as the blockage ratio increases the vertical ratio also increases. In the non-blocked case. The vertical velocity (Vz) is maximum at (z/hu) equals 0.64. At the end of the fixed apron (sec 3), the horizontal velocity (Vx) is slowly increasing to reach the maximum value closed to bed in B0 and B30 while the maximum horizontal velocity occurs near to the top surface in B50 and B70 as shown in Fig. 14. The vertical velocity component along the vertical depth (z/hd) is presented in Fig. 15. The vertical velocity (Vz) is maximum in B0 at vertical depth (z/hd) 0.3 with value 0.45 m/s downward. Figs. 16 and 17 observe velocity components (Vx, Vz) along the vertical depth just after the end of blockage length at the centerline of the culvert barrel. It could be noticed the uniform velocity distribution in B0 case with horizontal velocity (Vx) closed to 1.0 m/s and vertical velocity closed to zero. In the blocked case, the maximum horizontal velocity occurs in depth more than the blockage height.

7.5. Bed velocity distribution

Fig. 18 presents the x-velocity vectors at 1.5 cm above the bed for different blockage ratios from the velocity vectors distribution and magnitude, it is easy to realize the position of the scour hole and deposition region. In B0 and B30, the flow is symmetric so that the scour hole is created around the centerline of flow while in B50 and B70 cases, the flow is asymmetric and the scour hole creates in the right of flow direction in B50. The maximum scour depth is found in the left of flow direction in B70 case where the high velocity region is found.

8. Maximum scour depth prediction

Regression analysis is used to estimate maximum scour depth downstream box culvert for different ratios of blockage by correlating the maximum relative scour by other variables that affect on it in one formula. An equation is developed to predict maximum scour depth for blocked and non-blocked. As shown in the equation below, the relative maximum scour depth(ds/hd) is a function of densimetric Froude number (Fd), blockage ratio (B) and submerged ratio (S)(11)dsh=0.56Fd-0.20B+0.45S-1.05

In this equation the coefficient of correlation (R2) is 0.82 with standard error equals 0·08. The developed equation is valid for Fd = [0.9 to 2.10] and submerged ratio (S) ≥ 1.00. Fig. 19 shows the comparison between relative maximum scour depths (ds/h) measured and estimated for different blockage ratios. Fig. 20 clears the comparison between residuals and ds/h estimated for the present study. From these figures, it could be noticed that there is a good agreement between the measured and estimated relative scour depth.

9. Comparison with previous scour equations

Many previous scour formulae have been produced for calculation the maximum scour depth downstream non-blockage culvert. These equations have been included the effect of flow regime, culvert shape, soil properties and the flow rate on maximum scour depth. Two of previous experimental studies data have been chosen to be compared with the present study results in non-blocked study data. Table 2 shows comparison of culvert shape, densmetric Froude number, median particle size and scour equations for these previous studies. By applying the present study data in these studies scour formula as shown in Fig. 21, it could be noticed that there are a good agreement between present formula results and others empirical equations results. Where that Lim [44] and Abt [4] are so closed to the present study data.

Table 2. Comparison of some previous scour formula.

ResearchersFdCulvert shaped50(mm)Proposed equationSubmerged ratio
Present study0.9–2.11square2.75dsh=0.56Fd-0.20B+0.45S-1.051.25–1.75
Lim [44]1–10Circular1.65dsh=0.45Fd0.47
Abt [4]Fd ≥ 1Circular0.22–7.34-dsh=3.67Fd0.57∗D500.4∗σ-0.4

10. Conclusions

The present study has shown that the FLOW 3D model can accurately simulate water surface and the scour hole characteristics downstream the box culvert with error percentage in water depths does not exceed 2.37%. Velocities distribution through and outlets culvert barrel helped on understanding the scour hole shape.

The blockage through culvert had caused of increasing of water surface upstream structure where the upstream water level in B70 was 2.3 of culvert height more than non-blocked case at the same discharge that could be dangerous on the stability of roads above. The depth averaged velocity through culvert barrel increased by 3 times its value in non-blocked case.

On the other hand, blockage through culvert had a limited effect on the maximum scour depth. The little effect of blockage on maximum scour depth could be noticed in Fig. 11. From this Figure, it could be noted that the residual part of culvert barrel after the blockage part had made turbulences. These turbulences caused the deviation of the flow resulting in the formation of asymmetric scour hole on the side of channel. This not only but in B70 the blockage height caused upward jet which made a wide far scour hole as cleared from the results in Table 1.

An empirical equation was developed from the results to estimate the maximum scour depth relative to culvert height function of blockage ratio (B), submerged ratio (S), and densimetric Froude number (Fd). The equation results was compared with some scour formulas at the same densimetric Froude number rang where the present study results was in between the other equations results as shown in Fig. 21.

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing financial interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

References

[1]P. Sarathi, M. Faruque, R. BalachandarInfluence of tailwater depth, sediment size and densimetric Froude number on scour by submerged square wall jetsJ. Hydraul. Res., 46 (2) (2008), pp. 158-175CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[2]H. Abida, R. TownsendLocal scour downstream of box-culvert outletsJ. Irrig. Drain. Eng., 117 (3) (1991), pp. 425-440CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[3]S.R. Abt, C.A. Donnell, J.F. Ruff, F.K. DoehringCulvert Slope and Shape Effects on Outlet ScourTransp. Res. Rec., 1017 (1985), pp. 24-30View Record in ScopusGoogle Scholar[4]S.R. Abt, R.L. Kloberdanz, C. MendozaUnified culvert scour determinationJ. Hydraul. Eng., 110 (10) (1984), pp. 1475-1479CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[5]J.P. Bohan, Erosion And Riprap Requirements At Culvert And Storm-Drain Outlets, ARMY ENGINEER WATERWAYS EXPERIMENT STATION VICKSBURG MISS1970.Google Scholar[6]C. Mendoza, S.R. Abt, J.F. RuffHeadwall influence on scour at culvert outletsJ. Hydraul. Eng., 109 (7) (1983), pp. 1056-1060CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[7]H. Breusers, A. Raudkivi, Scouring, hydraulic structures design manual, vol. 143, IAHR, AA Balkema, Rotterdam, 1991.Google Scholar[8]K. Ali, S. LimLocal scour caused by submerged wall jetsProc. Inst. Civ. Eng., 81 (4) (1986), pp. 607-645CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[9]O. Aderibigbe, N. RajaratnamEffect of sediment gradation on erosion by plane turbulent wall jetsJ. Hydraul. Eng., 124 (10) (1998), pp. 1034-1042View Record in ScopusGoogle Scholar[10]F.W. Blaisdell, C.L. AndersonA comprehensive generalized study of scour at cantilevered pipe outletsJ. Hydraul. Res., 26 (4) (1988), pp. 357-376CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[11]Y.-M. Chiew, S.-Y. LimLocal scour by a deeply submerged horizontal circular jetJ. Hydraul. Eng., 122 (9) (1996), pp. 529-532View Record in ScopusGoogle Scholar[12]R.A. Day, S.L. Liriano, W.R. WhiteEffect of tailwater depth and model scale on scour at culvert outletsProc. Instit. Civil Eng. – Water Marit. Eng., 148 (3) (2001), pp. 189-198http://www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/wame.2001.148.3.18910.1680/wame.2001.148.3.189View Record in ScopusGoogle Scholar[13]S. Emami, A.J. SchleissPrediction of localized scour hole on natural mobile bed at culvert outletsScour and Erosion (2010), pp. 844-853CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[14]S. Sorourian, A. Keshavarzi, J. Ball, B. SamaliStudy of Blockage Effect on Scouring Pattern Downstream of a Box Culvert under Unsteady FlowAustr. J Water Resor. (2013)Google Scholar[15]S. Sorourian, Turbulent Flow Characteristics At The Outlet Of Partially Blocked Box Culverts, in: 36th IAHR World Congress, The Hague, the Netherlands, 2015.Google Scholar[16]J. Ruff, S. Abt, C. Mendoza, A. Shaikh, R. KloberdanzScour at culvert outlets in mixed bed materialsUnited States. Federal Highway Administration. Office of Research and Development (1982)Google Scholar[17]S.A. Ansari, U.C. Kothyari, K.G.R. RajuInfluence of cohesion on scour under submerged circular vertical jetsJ. Hydraul. Eng., 129 (12) (2003), pp. 1014-1019View Record in ScopusGoogle Scholar[18]B. Crookston B. Tullis, Scour and Riprap Protection in a Bottomless Arch Culvert, in: World Environmental and Water Resources Congress 2008: Ahupua’A, 2008, pp. 1–10.Google Scholar[19]S.R. Abt, J. Ruff, F. Doehring, C. DonnellInfluence of culvert shape on outlet scourJ. Hydraul. Eng., 113 (3) (1987), pp. 393-400View Record in ScopusGoogle Scholar[20]Y.H. Chen, Scour at outlets of box culverts, Colorado State University, 1970.Google Scholar[21]S. Abt, P. Thompson, T. LewisEnhancement of the culvert outlet scour estimation equationsTransp. Res. Rec. J. Transp. Res. Board, 1523 (1996), pp. 178-185View Record in ScopusGoogle Scholar[22]F.K. Doehring, S.R. AbtDrop height influence on outlet scourJ. Hydraul. Eng., 120 (12) (1994), pp. 1470-1476CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[23]W. Weeks, A. Barthelmess, E. Rigby, G. Witheridge, R. Adamson, Australian rainfall and runoff revison project 11: blockage of hydraulic structures, 2009.Google Scholar[24]W. Weeks, G. Witheridge, E. Rigby, A. BarthelmessProject 11: blockage of hydraulic structuresEngineers Australia (2013)Google Scholar[25]S.R. Abt, T.E. Brisbane, D.M. Frick, C.A. McKnightTrash rack blockage in supercritical flowJ. Hydraul. Eng., 118 (12) (1992), pp. 1692-1696View Record in ScopusGoogle Scholar[26]E. Rigby, M. Boyd, S. Roso, P. Silveri, A. Davis, Causes and effects of culvert blockage during large storms, in: Global solutions for urban drainage, 2002, pp. 1–16.Google Scholar[27]S. Roso, M. Boyd, E. Rigby, R. VanDrie“Prediction of increased flooding in urban catchments due to debris blockage and flow diversionsProceedings Novatech (2004), pp. 8-13View Record in ScopusGoogle Scholar[28]C.-D. Jan, C.-L. ChenDebris flows caused by Typhoon Herb in Taiwanin Debris-Flow Hazards and Related Phenomena, Springer (2005), pp. 539-563CrossRefGoogle Scholar[29]L.W. Zevenbergen, P.F. Lagasse, P.E. Clopper, Effects of debris on bridge pier scour, in: World Environmental and Water Resources Congress 2007: Restoring Our Natural Habitat, 2007, pp. 1–10.Google Scholar[30]A. Barthelmess, E. Rigby, Estimating Culvert and Bridge Blockages-a Simplified Procedure, in: Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology and Water Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, Engineers Australia, 2011, pp. 39.Google Scholar[31]E. Rigby, A. Barthelmess, Culvert Blockage Mechanisms and their Impact on Flood Behaviour, in: Proceedings of the 34th World Congress of the International Association for Hydro-Environment Research and Engineering: 33rd Hydrology and Water Resources Symposium and 10th Conference on Hydraulics in Water Engineering, Engineers Australia, 2011, pp. 380.Google Scholar[32]G. Streftaris, N. Wallerstein, G. Gibson, S. ArthurModeling probability of blockage at culvert trash screens using Bayesian approachJ. Hydraul. Eng., 139 (7) (2012), pp. 716-726Google Scholar[33]R. Jaeger, T. LuckeInvestigating the relationship between rainfall intensity, catchment vegetation and debris mobilityInt. J. GEOMATE, 12 (33) (2017), pp. 22-29 Download PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[34]S. Amiraslani, J. Fahimi, H. Mehdinezhad, The Numerical Investigation of Free Falling Jet’s Effect On the Scour of Plunge Pool, in: XVIII International conference on water resources, Tehran University, Iran, 2008.Google Scholar[35]A.W. Nielsen, X. Liu, B.M. Sumer, J. FredsøeFlow and bed shear stresses in scour protections around a pile in a currentCoast. Eng., 72 (2013), pp. 20-38ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[36]G. Epely-Chauvin, G. De Cesare, S. SchwindtNumerical modelling of plunge pool scour evolution in non-cohesive sedimentsEng. Appl. Comput. Fluid Mech., 8 (4) (2014), pp. 477-487 Download PDFCrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[37]H. Karami, H. Basser, A. Ardeshir, S.H. HosseiniVerification of numerical study of scour around spur dikes using experimental dataWater Environ. J., 28 (1) (2014), pp. 124-134CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[38]S.-H. Oh, K.S. Lee, W.-M. JeongThree-dimensional experiment and numerical simulation of the discharge performance of sluice passageway for tidal power plantRenew. Energy, 92 (2016), pp. 462-473ArticleDownload PDFView Record in ScopusGoogle Scholar[39]M.A. Khodier, B.P. TullisExperimental and computational comparison of baffled-culvert hydrodynamics for fish passageJ. Appl. Water Eng. Res. (2017), pp. 1-9CrossRefView Record in ScopusGoogle Scholar[40]F.S. Inc., FLOW-3D user’s manual, Flow Science, Inc., 2009.Google Scholar[41]G. Wei, J. Brethour, M. Grünzner, J. BurnhamSedimentation scour modelFlow Science Report, 7 (2014), pp. 1-29View Record in ScopusGoogle Scholar[42]R. Soulsby, R. Whitehouse, Threshold of sediment motion in coastal environments, in: Pacific Coasts and Ports’ 97: Proceedings of the 13th Australasian Coastal and Ocean Engineering Conference and the 6th Australasian Port and Harbour Conference, vol. 1, Centre for Advanced Engineering, University of Canterbury, 1997, pp. 145.Google Scholar[43]L.C.v. RijnSediment transport, part II: suspended load transportJ. Hydraul. Eng., 110 (11) (1984), pp. 1613-1641View Record in ScopusGoogle Scholar[44]S Y LIMScour below unsubmerged full-flowing culvert outletsProc. Instit. Civil Eng. – Water Marit. Energy, 112 (2) (1995), pp. 136-149http://www.icevirtuallibrary.com/doi/10.1680/iwtme.1995.2765910.1680/iwtme.1995.27659View Record in ScopusGoogle Scholar

Peer review under responsibility of Faculty of Engineering, Alexandria University.

Figure 1- Schematic diagram of pooled stepped spillway conducted by Felder et al. (2012A): Notes: h step height (10 cm): w pool height (3.1 cm): l horizontal step length (20 cm): lw pool weir length (1.5 cm): d' is the water depth above the crest; y' is the distance normal to the crest invert

Study of inception point, void fraction and pressure over pooled stepped spillways using Flow-3D

Khosro Morovati , Afshin Eghbalzadeh 
International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow

ISSN: 0961-5539

Article publication date: 3 April 2018

Abstract

많은 계단식 배수로 지오메트리 설계 지침이 평평한 단계를 위해 개발되었지만 통합 단계를 설계하는 것이 더 효율적으로 작동하는 배수로에 대한 적절한 대안이 될 수 있습니다.

이 논문은 POOL의 다른 높이에서 공기 연행과 보이드 비율의 시작점을 다루는 것을 목표로 합니다. 그 후, FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 POOL과 경사면의 높이를 다르게 하여 폭기된 지역과 폭기되지 않은 지역에서 압력 분포를 평가했습니다.

얻어진 수치 결과와 실험 결과의 비교는 본 연구에 사용된 모든 방류에 대해 잘 일치했습니다. POOL 높이는 시작 지점 위치에 미미한 영향을 미쳤습니다. 공극률의 값은 높은 방류에 비해 낮은 방전에서 더 많은 영향을 받았습니다.

여수로의 마루(통기되지 않은 지역)에서는 음압이 나타나지 않았으며 각 방류에서 마루를 따라 높이가 15cm인 수영장에서 최대 압력 값이 얻어졌습니다.

모든 사면에서 웅덩이 및 평평한 계단형 여수로의 계단층 부근에서는 음압이 형성되지 않았습니다. 그러나 평단식 여수로에 비해 평단식 여수로의 수직면 부근에서 음압이 더 많이 형성되어 평단식 슈트에서 캐비테이션 현상이 발생할 확률이 증가하였습니다.

Study of inception point, void fraction and pressure over pooled
stWhile many stepped spillways geometry design guidelines were developed for flat steps, designing pooled steps might be an appropriate alternative to spillways working more efficiency. This paper aims to deal with the inception point of air-entrainment and void fraction in the different height of the pools. Following that, pressure distribution was evaluated in aerated and non-aerated regions under the effect of different heights of the pools and slopes through the use of the FLOW-3D software. Comparison of obtained numerical results with experimental ones was in good agreement for all discharges used in this study. Pools height had the insignificant effect on the inception point location. The value of void fraction was more affected in lower discharges in comparison with higher ones. Negative pressure was not seen over the crest of spillway (non-aerated region), and the maximum pressure values were obtained for pools with 15 cm height along the crest in each discharge. In all slopes, negative pressure was not formed near the step bed in the pooled and flat stepped spillways. However, negative pressure was formed in more area near the vertical face in the flat stepped spillway compared with the pooled stepped spillway which increases the probability of cavitation phenomenon in the flat stepped chute.

Design/methodology/approach

압력, 공극률 및 시작점을 평가하기 위해 POOL된 계단식 여수로가 사용되었습니다. 또한 POOL의 다른 높이가 사용되었습니다. 이 연구의 수치 시뮬레이션은 Flow-3D 소프트웨어를 통해 수행되었습니다. 얻어진 결과는 풀이 압력, 공극률 및 시작점을 포함한 2상 유동 특성에 영향을 미칠 수 있음을 나타냅니다.

Findings

마루 위에는 음압이 보이지 않았습니다. 압력 값은 사용된 모든 높이와 15cm 높이에서 얻은 최대 값에 대해 다릅니다. 또한, 풀링 스텝은 플랫 케이스에 비해 음압점 감소에 더 효과적인 역할을 하였습니다. 시작 지점 위치는 특히 9 및 15cm 높이에 대해 스키밍 흐름 영역과 비교하여 낮잠 및 전환 흐름 영역에서 더 많은 영향을 받았습니다.

Keywords

Citation

Morovati, K. and Eghbalzadeh, A. (2018), “Study of inception point, void fraction and pressure over pooled stepped spillways using Flow-3D”, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Vol. 28 No. 4, pp. 982-998. https://doi.org/10.1108/HFF-03-2017-0112

Figure 1- Schematic diagram of pooled stepped spillway conducted by Felder et al. (2012A): Notes: h  step height (10 cm): w pool height (3.1 cm): l horizontal step length (20 cm): lw pool weir length (1.5 cm):  d' is the water depth above the crest; y' is the distance normal to the crest invert
Figure 1- Schematic diagram of pooled stepped spillway conducted by Felder et al. (2012A): Notes: h step height (10 cm): w pool height (3.1 cm): l horizontal step length (20 cm): lw pool weir length (1.5 cm): d’ is the water depth above the crest; y’ is the distance normal to the crest invert
Figure 2- meshing domain and distribution of blocks
Figure 2- meshing domain and distribution of blocks
Figure 3- Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012A);  mesh convergence analysis; pooled stepped spillway (slope: 26.6 0 )
Figure 3- Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012A); mesh convergence analysis; pooled stepped spillway (slope: 26.6 0 )
Figure 4- Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012A);  Flat stepped spillway (slope: 0 26 6. )
Figure 4- Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012A); Flat stepped spillway (slope: 0 26 6. )
Figure 5-Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012B); pooled  and flat stepped spillways (slope: 0 9.8 )
Figure 5-Comparison of numerical simulation with experimental data by Felder et al. (2012B); pooled and flat stepped spillways (slope: 0 9.8 )
Figure 6- TKE distribution on steps 8, 9 and 10 for four different mesh numbers: 261252 (model 1),  288941 (model 2), 323578 (model 3) and 343154 (model 4)
Figure 6- TKE distribution on steps 8, 9 and 10 for four different mesh numbers: 261252 (model 1), 288941 (model 2), 323578 (model 3) and 343154 (model 4)
Figure 7- Comparison of obtained Void fraction distribution on step 10 in numerical simulation with  experimental work conducted by Felder et al. (2012A); (slope 26.60 )
Figure 7- Comparison of obtained Void fraction distribution on step 10 in numerical simulation with experimental work conducted by Felder et al. (2012A); (slope 26.60 )
Figure 8- Results of inception point of air entrainment in different height of the pools: comparison with  empirical correlations (Eqs 8-9), experimental (Felder et al. (2012A)) and numerical data
Figure 8- Results of inception point of air entrainment in different height of the pools: comparison with empirical correlations (Eqs 8-9), experimental (Felder et al. (2012A)) and numerical data
Figure 9- Void fraction distribution for different pool heights on steps 10; slope 26.6 0
Figure 9- Void fraction distribution for different pool heights on steps 10; slope 26.6 0
Figure 10- Comparison of pressure distribution between numerical simulation and experimental work  conducted by Zhang and Chanson (2016); flat stepped spillway (slope: 0 45 )
Figure 10- Comparison of pressure distribution between numerical simulation and experimental work conducted by Zhang and Chanson (2016); flat stepped spillway (slope: 0 45 )
Figure 11- A comparison of the pressure distribution above the crest of the spillway; B comparison of the  free surface profile along the crest of the spillway.  Note: x' indicates the longitudinal distance from the starting point of the crest.
Figure 11- A comparison of the pressure distribution above the crest of the spillway; B comparison of the free surface profile along the crest of the spillway. Note: x’ indicates the longitudinal distance from the starting point of the crest.
Figure 12- pressure distribution along crest of spillway in different discharges; slope 26.6
Figure 12- pressure distribution along crest of spillway in different discharges; slope 26.6
Figure 13- Pressure distribution near the last step bed for different slopes and discharges: x'' indicatesthe  longitudinal distance from the intersection of the horizontal and vertical faces of step 10; y" is the distance from the intersection of the horizontal and vertical faces in the vertical direction
Figure 13- Pressure distribution near the last step bed for different slopes and discharges: x” indicatesthe longitudinal distance from the intersection of the horizontal and vertical faces of step 10; y” is the distance from the intersection of the horizontal and vertical faces in the vertical direction
Figure 14- Pressure distribution adjacent the vertical face of step 9 for different discharges and slopes
Figure 14- Pressure distribution adjacent the vertical face of step 9 for different discharges and slopes
Table1- Used discharges for assessments of mesh convergence analysis and hydraulic  characteristics
Table1- Used discharges for assessments of mesh convergence analysis and hydraulic characteristics

Conclusion

본 연구에서는 자유표면을 모사하기 위해 VOF 방법과 k -ε (RNG) 난류 모델을 활용하여 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하였고, 계단식 배수로의 유동을 모사하기 위한 목적으로 난류 특성을 모사하였다. 얻은 결과는 수치 모델이 시작점 위치, 보이드 비율 및 압력을 적절하게 시뮬레이션했음을 나타냅니다. 풀의 높이는 공기 유입 위치에 미미한 영향을 미치므로 얻은 결과는 이 문서에서 제시된 상관 관계와 잘 일치했습니다. 즉, 사용 가능한 상관 관계를 서로 다른 풀 높이에 사용할 수 있습니다. 공극률의 결과는 스텝 풀 근처의 나프 유동 영역에서 공극율 값이 다른 배출보다 더 큰 것으로 나타났다. 더욱이 고방출량 .0 113m3/s에서 수영장 높이를 변경해도 수영장 표면 근처의 공극률 값에는 영향을 미치지 않았습니다.

낮잠 및 전환 체제의 압력 분포에 대한 0 및 3cm 높이의 수영장 효과는 많은 지점에서 대부분 유사했습니다. 더욱이 조사된 모든 높이에서 여수로의 마루를 따라 부압이 없었습니다. 여수로 끝단의 바닥 부근의 압력 결과는 평평하고 고인 경우 부압이 발생하지 않았음을 나타냅니다. 수직면 부근의 음압은 웅덩이에 비해 평평한 계단형 여수로의 깊이(w=0 cm)의 대부분에서 발생하였다. 또한 더 큰 사면에 대한 풀링 케이스에서 음압이 제거되었습니다. 평단식 여수로에서는 계단의 수직면에 인접한 더 넓은 지역에서 음압이 발생하였기 때문에 이 여수로에서는 고형단식여수로보다 캐비테이션 현상이 발생할 가능성이 더 큽니다.

In this study, the FLOW-3D software was used through utilizing the VOF method and k −ε (RNG) turbulence model in order to simulate free surface, and turbulence characteristics for the purpose of simulating flow over pooled stepped spillway. The results obtained indicated that the numerical model properly simulated the inception point location, void fraction, and pressure. The height of the pools has the insignificant effect on the location of air entrainment, so that obtained results were in good agreement with the correlations presented in this paper. In other words, available correlations can be used for different pool heights. The results of void fraction showed that the void fraction values in nappe flow regime near the step pool were more than the other discharges. Furthermore in high discharge, 0.113m3/s, altering pool height had no effect on the value of void fraction near the pool surface.

The effect of the pools with 0 and 3 cm heights over the pressure distribution in nappe and transition regimes was mostly similar in many points. Furthermore, in all examined heights there was no negative pressure along the crest of the spillway. The pressure results near the bed of the step at the end of the spillway indicated that negative pressure did not occur in the flat and pooled cases. Negative pressure near the vertical face occurred in the most part of the depth in the flat stepped spillway (w=0 cm) in comparison with the pooled case. Also, the negative pressure was eliminated in the pooled case for the larger slopes. Since negative pressure occurred in a larger area adjacent the vertical face of the steps in the flat stepped spillways, it is more likely that cavitation phenomenon occurs in this spillway rather than the pooled stepped spillways.

References

  1. André, S. (2004), “High velocity aerated flows on stepped chutes with macro-roughness elements.” Ph.D. thesis,
    Laboratoire de Constructions Hydraulics (LCH), EPFL, Lausanne, Switzerland, 272 pages.
  2. Attarian, A. Hosseini, Kh. Abdi, H and Hosseini, M. (2014), “The Effect of the Step Height on Energy
    Dissipation in Stepped Spillways Using Numerical Simulation”. Arabian Journal for Science and
    Engineering, 39(4), 2587-2594.
  3. Bombardelli, F.A. Meireles. I. Matos, J. (2011), “Laboratory measurements and multi-block numerical
    simulations of the mean flow and turbulence in the non-aerated skimming flow region of steep stepped
    spillways”. Environmental fluid mechanics, 11(3) 263-288.
  4. Chakib, B. (2013), “Numerical Computation of Inception Point Location for Flat-sloped Stepped Spillway”.
    International Journal of Hydraulic Engineering; 2(3): 47-52.
  5. Chakib, B. Mohammed, H. (2015), “Numerical Simulation of Air Entrainment for Flat-Sloped Stepped Spillway.
    Journal of computational multiphase flows”, Volume 7. Number 1.
  6. Chanson, H. Toombes, L. (2002), “Air–water flows down stepped chutes: turbulence and flow structure
    observations”. International Journal of Multiphase Flow, 28(11) 1737-1761
  7. Chen, Q. Dai, G. Liu, H. (2002), “Volume of Fluid Model for Turbulence Numerical Simulation
    of Stepped Spillway Overflow”. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9429128:7(683).
  8. Cheng, X. Chen, Y. Luo, L. (2006), “Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped spillways”.
    Science in China Series E: Technological Sciences, 49(6), 674-684.
  9. Cheng, X. Luo, L. Zhao, W. (2004), “Study of aeration in the water flow over stepped spillway”. In: Proceedings
    of the world water congress.
  10. Chinnarasri, Ch. Kositgittiwong, D. Julien, Y. (2013), “Model of flow over spillways by computational fluid
    dynamics”. Proceedings of the ICE – Water Management, Volume 167(3) 164 –175.
  11. Dastgheib, A. Niksokhan, M.H. and Nowroozpour, A.R. (2012), “Comparing of Flow Pattern and Energy
    Dissipation over different forms of Stepped Spillway”. World Environmental and Water Resources
    Congress ASCE.
  12. Eghbalzadeh, A. Javan, M. (2012), “Comparison of mixture and VOF models for numerical simulation of air
    entrainment in skimming flow over stepped spillway”. Procedia Engineering, 28. 657-660.
  13. Felder, S, Chanson, H. (2012), “Free-surface Profiles, Velocity and Pressure Distributions on a
    Broad-Crested Weir: a Physical study “Free-surface Profiles, Velocity and Pressure Distributions on a
    Broad-Crested Weir: a Physical study
  14. Felder, S. Fromm, Ch. Chanson, H. (2012B), “Air entrainment and energy dissipation on a 8.9 slope stepped
    spillway with flat and pooled steps”, School of Civil Engineering, The University of Queensland,.
    Brisbane, Australia.
  15. Felder, S. Chanson, H. (2014A), Triple decomposition technique in air–water flows: application to instationary
    flows on a stepped spillway. International Journal of Multiphase Flow, 58, 139-153.
  16. Felder, S. Chanson, H. (2014B), Effects of step pool porosity upon flow aeration and energy dissipation on
    pooled stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering, 140(4), 04014002.
  17. Felder, S. Chanson, H. (2013A), “Air entrainment and energy dissipation on porous pooled stepped spillways”.
    Paper presented at the International Workshop on Hydraulic Design of Low-Head Structures.
  18. Felder, S. Chanson, H. (2013B), “Aeration, flow instabilities, and residual energy on pooled stepped spillways of
    embankment dams”. Journal of irrigation and drainage engineering, 139(10) 880-887.
  19. Felder, S. Guenther, Ph. Chanson, H. (2012A). “Air-water flow properties and energy dissipation on stepped
    spillways: a physical study of several pooled stepped configurations”, School of Civil Engineering, The
    University of Queensland,. Brisbane, Australia.
  20. Flow Science, (2013). “FLOW-3D user’s manual”, version 10.1. Flow Science, Inc, Los Alamos.
  21. Frizell, K.W. Renna, F.M. Matos, J. (2012), “Cavitation potential of flow on stepped spillways”. Journal of
    Hydraulic Engineering, 139(6), 630-636.
  22. Gonzalez, C. (2005), “An experimental study of free-surface aeration on embankment stepped chutes”,
    department of civil engineering, Brisbane, Australia, Phd thesis.
  23. Gonzalez, C.A. Chanson, H. (2008), “Turbulence manipulation in air–water flows on a stepped chute: An
    experimental study”. European Journal of Mechanics-B/Fluids, 27(4), 388-408.
  24. Guenther, Ph.. Felder, S. Chanson, H. (2013), “Flow aeration, cavity processes and energy dissipation on flat and
    pooled stepped spillways for embankments”. Environmental fluid mechanics, 13(5) 503-525.
  25. Hamedi, A. Mansoori, A. Malekmohamadi, I. Roshanaei, H. (2011), “Estimating Energy Dissipation in Stepped
    Spillways with Reverse Inclined Steps and End Sill”. World Environmental and Water Resources
    Congress, ASCE.
  26. Hirt, C.W. (2003), “Modeling Turbulent Entrainment of Air at a Free Surface”. Flow Science Inc.
  27. Hunt, S.L. Kadavy, K.C. (2013), “Inception point for enbankment dam stepped spillway”. J. Hydraul. Eng.,
    139(1), 60–64.
  28. Hunt, S.L. Kadavy, K.C. (2010), “Inception Point Relationship for Flat-Sloped Stepped
    Spillways”. DOI: 10.1061/ASCEHY.1943-7900.0000297.
  29. Matos, J. Quintela, A. (2000), “Air entrainment and safety against cavitation damage in stepped spillways over
    RCC dams. In: Proceeding Intl. Workshop on Hydraulics of Stepped Spillways”, VAW, ETH-Zurich, H.E.
    Minor and W.H. Hager. Balkema. 69–76.
  30. Meireles, I. Matos, J. (2009), “Skimming flow in the nonaerated region of stepped spillways over embankment
    dams”. J. Hydraul. Eng., 135(8), 685–689.
  31. Miang-liang, ZH. Yong-ming, SH. (2008), “Three dimentional simulation of meandering river basin on 3-D
    RNG k − ε turbulence model”. Journal of hydrodynamics, 20(4): 448-455.
  32. Morovati, Kh. Eghbalzadeh, A. Javan, M. (2015), “Numerical investigation of the configuration of the pools on
    the flowPattern passing over pooled stepped spillway in skimming flow regime. Acta Mech, DOI
    10.1007/s00707-015-1444-x
  33. Morovati, Kh. Eghbalzadeh, A. Soori, S. (2016), “Numerical Study of Energy Dissipation of Pooled Stepped
    spillway”. Civil Engineering Journal. Vol. 2, No. 5.
  34. Nikseresht, A.H. Talebbeydokhti, N. and Rezaei, M.J. (2013), “Numerical simulation of two-phase flow on steppool spillways”. Scientia Iranica, A 20 (2), 222–230.
  35. Peyras, L. Royet, P. Degoutte, G. (1990), “Flow and energy dissipation over stepped gabion weirs”. ASCE
    Convention.
  36. Qun, Ch. Guang-qing, D. Feu-qing, Zh. Qing, Y. (2004). “Three-dimensional turbulence numerical simulation of
    a stepped spillway overflow”. Journal of hydrodynamics, Ser. B, 1, 74-79.
  37. Relvas, A. T. Pinheiro, A. N. (2008), Inception point and air concentration in flows on stepped chutes lined with
    wedge-shaped concrete blocks. Journal of Hydraulic Engineering, 134(8), 1042-1051
  38. Sanchez, M. (2000), “Pressure field in skimming flow over a stepped spillways”. In: Proceeding Intl. Workshop
    on Hydraulics of Stepped Spillways, VAW, ETH-Zurich, H.E. Minor and W.H. Hager. Balkema,
    137–146.
  39. Sarfaraz, M. Attari, J. Pfister, M. (2012), “Numerical Computation of Inception Point Location for Steeply
    Sloping Stepped Spillways”. 9th International Congress on Civil Engineering, May 8-10. Isfahan
    University of Technology (IUT), Isfahan, Iran.
  40. Savage, Bruce M. Michael C. Johnson. (2001), “Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case
    study.” Journal of Hydraulic Engineering 127.8:640-649.
  41. Shahhedari, H. Jafari Nodoshan, E. Barati, R. Azhdary moghadam, M. (2014). “Discharge coeficient and energy
    dissipation over stepped spillway under skimming flow regime”. KSCE Journal of Civil Engineering, DOI
    10.1007/s12205-013-0749-3.
  42. Tabbara, M. Chatila, J. Awwad, R. (2005), “Computational simulation of flow over stepped spillways”.
    Computers & structures, 83(27) 2215-2224.
  43. Thorwarth, J. (2008), “Hydraulisches Verhalten der Treppengerinne mit eingetieften Stufen—Selbstinduzierte
    Abflussinstationaritäten und Energiedissipation” [Hydraulics of pooled stepped spillways— Self-induced
    unsteady flow and energy dissipation]. Ph.D. thesis, Univ. of Aachen, Aachen, Germany (in German).
  44. WeiLin, XU. ShuJing, LUO, QiuWen, ZH. Jing, LUO. (2015), “Experimental study on pressure and aeration
    characteristics in stepped chute flows. SCIENCE CHINA. Vol.58 No.4: 720–726. doi: 10.1007/s11431-015-
    5783-6.
  45. Xiangju, Ch. Yongcan, C. Lin, L. (2006), “Numerical simulation of air-water two-phase flow over stepped
    spillways”. Science in China Series E: Technological Sciences, 49(6), 674-684.
  46. Zare, K.H. Doering, J.C. (2012), “Inception Point of Air Entrainment and Training Wall
    Characteristics of Baffles and Sills on Stepped Spillways”. DOI: 10.1061/(ASCE)HY
    .1943-7900.0000630.
  47. Zhan, J. Zhang, J. Gong, Y. (2016), “Numerical investigation of air-entrainment in skimming flow over stepped
    spillways”. Theoretical and Applied Mechanics Letters. Volume 6. Pages 139–142.
  48. Zhang, G. Chanson, H. (2016), Hydraulics of the developing flow region of stepped spillways. II: Pressure and
    velocity fields. Journal of Hydraulic Engineering, 142(7).
  49. Zhenwei, M. Zhiyan, Zh. Tao, Zh. (2012), “Numerical Simulation of 3-D Flow Field of Spillway based on VOF
    Method”. Procedia Engineering, 28, 808-812.
  50. Zhi-yong, D. Hun-wei, L.J. (2006), “Numerical simulation of skimming flow over mild stepped channel”.
    Journal of Hydrodynamics, Ser. B, 18(3) 367-371.
  51. ZhongDong, Q. XiaoQing, H. WenXin, H. António, A. (2009), “Numerical simulation and analysis of water
    flow over stepped spillways”. Science in China Series E: Technological Sciences, 52(7) 1958-1965.
Figure 3.4 Upstream View of the Radial Gated-Spillway

방사형 게이트 아래의 흐름에 대한 실험 및 수치 조사

EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATION OF FLOW UNDER RADIAL GATES

submitted by MAHMUT TANYERİ in partial fulfillment of the requirements for
the degree of Master of Science in Civil Engineering, Middle East Technical
University by,
Prof. Dr. Halil Kalıpçılar
Dean, Graduate School of Natural and Applied Sciences
Prof. Dr. Ahmet Türer
Head of the Department, Civil Engineering
Prof. Dr. Mete Köken
Supervisor, Civil Engineering, METU
Prof. Dr. İsmail Aydın
Co-Supervisor, Civil Engineering, METU

Abstract

방사형 게이트는 여수로에서 일반적으로 사용됩니다. 부분 게이트 개구부에서 60년대에 수행된 실험 작업에서 얻은 경험 방정식을 사용하여 통과하는 방전을 계산합니다.

그러나 이러한 방정식에서 얻은 배출 값과 유한 체적 방법 및 수리적 모델을 기반으로 한 수치 계산에서 얻은 값 사이에는 약간의 불일치가 있습니다. 이러한 차이의 원인을 밝히는 것이 목적입니다.

이를 위해 다양한 게이트 구성에 대한 실험과 수치 계산이 수행되었습니다. 수많은 수치 시뮬레이션에서 나온 경향을 활용하여 연구 말미에 새로운 방전 방정식을 도출했습니다.

하나의 수리학적 매개변수와 두 개의 기하학적 매개변수가 있는 제안된 방정식을 사용하면 설계자가 지루한 정격 곡선 없이도 쉽게 배출을 계산할 수 있습니다.

Keywords

Radial Gate, Spillway, Empirical Equations, Discharge Coefficient, Discharge Rating Curve

Introduction

방사형 수문(또는 테인터 수문)은 특히 수두가 높은 댐에서 홍수 방출을 제어하기 위해 광범위하게 사용되는 오버플로 수문 유형 중 하나입니다. 그것은 강철 곡선 리프, 지지 암 및 슈트 채널의 측벽에 장착된 고정 조인트로 구성됩니다.

게이트는 하류의 물 수요를 충족시키거나 상류 수두를 조절하기 위해 원하는 각도로 피벗 지점을 중심으로 쉽게 회전할 수 있습니다. 방사형 게이트는 다른 유형에 비해 많은 장점이 있습니다. 그들의 가장 놀라운 특성은 게이트를 움직이는 데 필요한 호이스트 힘이 적다는 것입니다.

이는 상류의 물이 게이트에 양력을 가할 수 있는 아치형 덕분에 에너지 소비도 감소합니다. 더욱이, 방사형 게이트는 슬롯이 필요하지 않으며, 시간이 지남에 따라 떠다니는 파편이 그 안에 쌓일 수 있기 때문에 때때로 작동 문제를 일으킬 수 있습니다. 그 활용 분야는 여러 가지가 있지만, 본 연구의 범위는 오지형 여수로에만 수반되는 방사형 게이트로 제한됩니다.

부분적으로 열리면 래디얼 게이트 아래를 통과하는 흐름은 다양한 수리적 및 기하학적 요인의 영향을 받습니다. 따라서 정확한 배출 추정은 어려운 문제입니다. 이 문제는 주로 게이트 근처에서 유선형 ​​동작의 복잡성으로 인해 발생합니다.

유동 영역은 고도의 곡선 유선을 포함하기 때문에 유속에 대한 해석적 솔루션이 불가능합니다. 이러한 이유로 방전은 대부분 실험적 모델에서 조사되었으며 이에 따라 실증적 관계가 도출되었습니다.

방전 방정식은 유선의 총 에너지 변환과 관련된 베르누이 방정식을 기반으로 개발되었습니다. 게이트 바로 아래의 평균 속도는 에너지 방정식에서 추론할 수 있으며, 게이트 개방의 순 면적을 곱하면 체적 유량의 이론적인 값을 얻을 수 있습니다.

그러나 실제로는 바닥 게이트 립과 같은 날카로운 모서리를 유선이 완벽하게 따라갈 수 없고 마찰로 인해 이론 속도가 약간 감소하기 때문에 실제로 분사되는 워터젯의 단면적이 수축합니다.

이러한 효과 때문에 실제 배출량을 추정하기 위해 배출 계수라고 하는 경험적 보정 계수가 방정식에 도입됩니다(Tokyay, 2019). 사례 연구로 터키의 민간 엔지니어링 회사인 TEMELSU(2018)에서 수행한 Lower Kaleköy 댐에 속한 방사형 여수로의 수리학적 계산을 조사했습니다.

그들은 세계적으로 인기 있는 수력 설계 책인 ‘Design of Small Dams’에 제공된 배출 계수 등급 곡선을 사용하여 이러한 계산을 수행했습니다. 이러한 곡선을 기반으로 산출된 토출량 값을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램에서 생성한 수치모델 결과와 비교하였다.

게이트가 부분적으로 열린 경우 이러한 결과 사이에 명백한 불일치가 있는 것으로 관찰되었습니다. 일반적으로 제안된 경험식은 시뮬레이션에 비해 최대 20%까지 유량을 과소평가한다.

본 연구의 목적은 크게 두 가지이다. 첫 번째 목표는 언급된 실험식과 수치해석 간의 불일치 이유를 조사하는 것이고, 두 번째 목표는 어떤 수리적 및 기하학적 매개변수가 방사형 게이트 아래의 배출에 실제로 영향을 미치는지 탐구하는 것입니다.

먼저 METU 수력학 연구소에서 건설한 Lower Kaleköy 댐의 물리적 모델에서 미리 결정된 수문 개구부의 배출 값을 측정했습니다. 이러한 실험에서 얻은 데이터 세트를 수치 모델의 결과와 비교하여 일치 여부를 확인했습니다.

이러한 방식으로 수치적 결과를 검증한 후 원래 수력 조건이 동일하게 유지되는 경우 수치 모델의 게이트 위치, 배수로 형상과 같은 다양한 구성을 시뮬레이션했습니다.

분석은 연구 전반에 걸쳐 모델 규모로 수행되었습니다. 상술한 효과와 관련된 연구 결과, 수치해를 기반으로 새로운 방전방정식을 공식화하였다. 마지막으로 기존 실험식과 새로운 공식에서 얻은 결과를 수치해와 비교하여 정확도를 관찰하였다.

Figure 3.3 General View of the Experimental Setup
Figure 3.3 General View of the Experimental Setup
Figure 3.4 Upstream View of the Radial Gated-Spillway
Figure 3.4 Upstream View of the Radial Gated-Spillway
Figure 3.5 Side View of the Radial Gate During Operation
Figure 3.5 Side View of the Radial Gate During Operation
Figure 4.2 Mesh Detail of the 3D Models
Figure 4.2 Mesh Detail of the 3D Models
Figure 4.7 Mesh Details of the 2D Numerical Model
Figure 4.7 Mesh Details of the 2D Numerical Model
Figure 4.12 Velocity Magnitude Contours of T1, T2, T3 and T4 at the Design Head (d=10cm)
Figure 4.12 Velocity Magnitude Contours of T1, T2, T3 and T4 at the Design Head (d=10cm)
Dynamic Pressure at Flip Buckets of Chute Spillways

낙하 배수로의 플립 버킷에서의 동적 압력: 수치 해석

Dynamic Pressure at Flip Buckets of Chute Spillways: A Numerical Study

International Journal of Civil Engineering (2021)Cite this article

Abstract

이 연구는 이러한 구조물의 가장 중요한 설계 매개변수 중 하나인 슈트 여수로의 플립 버킷에서 동적 압력을 조사합니다. 첫째, 압력에 영향을 미치는 무차원 매개변수를 치수해석을 통해 결정하였다.

그 후, 플립 버킷으로 이어지는 슈트 여수로가 있는 선택된 댐의 특성에 따라 플립 버킷으로의 특정 Froude 수 간격과 슈트 경사 각도, 반경 및 플립 버킷 곡률 각도가 분석을 위해 선택되었습니다.

이러한 매개변수의 조합으로 FLOW-3D에서 총 137개 모델을 시뮬레이션하여 플립 버킷의 바닥 압력과 최대 압력 값을 얻었습니다.

다음으로 고려된 무차원 매개변수를 기반으로 다중 회귀 분석을 사용하여 슈트의 플립 버킷 다운스트림에서 바닥 압력과 최대 압력을 결정하기 위한 방정식이 제안되었습니다. 수치 모델링 실행 결과와 다중 회귀 분석을 사용하여 무차원 압력 관계의 미지의 계수를 결정하고 바닥 압력과 최대 압력에 대한 최종 방정식을 제시했습니다.

저압과 최고압을 결정하기 위해 제안된 식의 상관계수와 MAPE(Mean Absolute Percentage Error) 값은 각각 0.94와 0.96, 6.75%와 8.49%였습니다.

이 값은 제안된 방정식의 적절한 정확도를 나타냅니다. 제안된 방정식에서 Froude 수, 상대 곡률, 슈트 경사각, 이륙 각도 및 플립 버킷의 곡률 각도가 각각 저면 압력과 최대 압력에 가장 큰 영향을 미쳤습니다.

This study investigates the dynamic pressure at the flip buckets of chute spillways, which is one of the most important design parameters of these structures. First, the dimensionless parameters affecting pressure were determined by dimensional analysis. Following that, according to the characteristics of selected dams with chute spillways leading to flip buckets, certain Froude number intervals of inflow to the flip bucket, as well as the chute slope angle, radius, and flip bucket curvature angle were selected for analysis. The combination of these parameters resulted in a total of 137 models simulated in FLOW-3D to obtain bottom pressure and maximum pressure values in the flip bucket. Next, based on the dimensionless parameters considered, equations were proposed to determine the bottom pressure and maximum pressure in the flip bucket downstream of the chute, using multiple regression analysis. Using the numerical modeling run results, along with multiple regression analyses, the unknown coefficients of the dimensionless pressure relationship were determined, and final equations for the bottom pressure and maximum pressure were presented. The correlation coefficient and Mean Absolute Percentage Error (MAPE) values of the proposed equations for determining the bottom pressure and maximum pressure were 0.94 and 0.96, and, 6.75% and 8.49%, respectively. These values indicate the appropriate accuracy of the proposed equations. In the proposed equations, the Froude number, relative curvature, chute slope angle, takeoff angle, and flip bucket’s curvature angle, respectively, had the highest impacts on the bottom pressure and maximum pressure.

Keywords

  • Dam spillway
  • Flip bucket
  • Ski jump
  • Dynamic pressure
  • Numerical modeling
  • FLOW-3D
  • Fig. 1extended data figure 1
  • Fig. 2extended data figure 2
  • Fig. 3extended data figure 3
  • Fig. 4extended data figure 4
  • Fig. 5extended data figure 5
  • Fig. 6extended data figure 6
  • Fig. 7extended data figure 7
  • Fig. 8extended data figure 8
  • Fig. 9extended data figure 9
  • Fig. 10extended data figure 10

References

  1. 1.Vischer DL, Hager WH (1995) Energy dissipators. Balkema, Rotterdam, The NetherlandsGoogle Scholar 
  2. 2.Khatsuria RM (2005) Hydraulics of spillways and energy dissipators. CRC Press, Dekker, New YorkGoogle Scholar 
  3. 3.Novak P, Moffat AIB, Nalluri C, Narayanan R (2006) Hydraulics structures. Spon, LondonGoogle Scholar 
  4. 4.Chow VT (1959) Open channel hydraulics. McGraw-Hill Book Co., New YorkGoogle Scholar 
  5. 5.Balloffet A (1961) Pressures on spillway flip buckets. J Hydraul Div ASCE 87(5):87–98. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0000650Article Google Scholar 
  6. 6.Chen TC, Yu YS (1965) Pressure distribution on spillway flip buckets. J Hydraul Div ASCE 91(2):51–63. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0001228Article Google Scholar 
  7. 7.Lenau CW, Cassidy JJ (1969) Flow through spillway flip bucket. Journal of the Hydraulics Division ASCE 95(2):633–648. https://doi.org/10.1061/JYCEAJ.0002029Article Google Scholar 
  8. 8.Juon R, Hager WH (2000) Flip bucket without and with deflectors. J Hydraul Eng 126(11):837–845. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2000)126:11(837)Article Google Scholar 
  9. 9.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 
  10. 10.Heller V, Hager WH, Minor HE (2005) Ski jump hydraulics. J Hydraul Eng 131(5):347–355. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2005)131:5(347)Article Google Scholar 
  11. 11.Larese A, Rossi R, Onate E, Idelsohn SR (2008) Validation of the particle finite element method (PFEM) for simulation of free surface flows. Eng Comput 25(4):385–425. https://doi.org/10.1108/02644400810874976Article MATH Google Scholar 
  12. 12.Steiner R, Heller V, Hager WH, Minor HE (2008) Deflector ski jump hydraulics. J Hydraul Eng 134(5):562–571. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(2008)134:5(562)Article Google Scholar 
  13. 13.Kirkgoz MS, Akoz MS, Oner AA (2009) Numerical modeling of flow over a chute spillway. J Hydraul Res 47(6):790–797. https://doi.org/10.3826/jhr.2009.3467Article Google Scholar 
  14. 14.Jorabloo M, Maghsoodi R, Sarkardeh H (2011) 3D simulation of flow over flip buckets at dams. J Am Sci 7(6):931–936Google Scholar 
  15. 15.Nazari O, Jabbari E, Sarkardeh H (2015) Dynamic pressure analysis at chute flip buckets of five dam model studies. Int J Civil Eng 13(1):45–54. http://ijce.iust.ac.ir/article-1-951-en.html
  16. 16.Yamini OA, Kavianpour MR, Movahedi A (2015) Pressure distribution on the bed of the compound flip buckets. J Comput Multiphase Flows 7(3):181–194. https://doi.org/10.1260/1757-482X.7.3.181Article Google Scholar 
  17. 17.Hojjati SH, Mohammadiun S, Salehi Neyshabouri SAA (2016) Effects of different turbulence models on flow over a triangular flip- bucket. Modares Civil Eng J 16(4):69–81 (in Persian)Google Scholar 
  18. 18.Lauria A, Alfonsi G (2020) Numerical investigation of ski jump hydraulics. J Hydraul Eng 146(4):121–127. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0001718Article MATH Google Scholar 
  19. 19.Muralha A, Melo J, Ramos HM (2020) Assessment of CFD solvers and turbulent models for water free jets in spillways. Fluids 5(3):104. https://doi.org/10.3390/fluids5030104Article Google Scholar 
  20. 20.Novak P, Cabelka J (1981) Model in hydraulic engineering. Pitman Advanced Publishing Program, LondonGoogle Scholar 
  21. 21.Flow Science, Inc. FLOW-3D User Manual Version 11.2.
  22. 22.Water Research Institute (2003) Hydraulic model of Shafaroud Dam flood control system. Final Report, vol 5. Hydraulic structures Divisions, Tehran, Iran, Chapter 5, pp 1–35 (in Persian)Google Scholar
Design of Inductive Sensor System for Wear Particles in Oil

금속재료 표면의 잔류응력 초음파 측정법

Design of Inductive Sensor System for Wear Particles in Oil

NIU Ze, LI Kai, BAI Wenbin, SUN Yuanyuan, GONG Qingqing, HAN Yan
Shanxi Provincial Key Laboratory of Information Detection and Processing, North University of China, Taiyuan 030051

Abstract

오일의 연마 입자는 엔진 및 기타 장비의 마모 상태를 반영할 수 있습니다.오일 금속 연마 입자의 온라인 모니터링을 실현하기 위해 전자기 원리에 기반한 3코일 센서의 수학적 모델이 설정되었습니다. 유도 및 센서의 최적 구조 매개변수(내경), 간격, 너비 등), 간섭성 복조 모델을 사용하여 마모 입자 신호를 추출하고 마모 입자 신호의 생성 원리를 분석합니다. 

시스템은 다층 차폐 구조를 채택하여 외부 자기장 간섭을 효과적으로 줄일 수 있으며 설계된 센서 감지 시스템은 관련 테스트를 위해 팬 기어 박스의 오일 회로에 연결됩니다. 테스트 결과 시스템은 마모 입자 신호를 효과적으로 추출할 수 있으며 마모 입자 신호는 동시에 연마 입자의 속도와 크기에 영향을 받습니다.

1-18의 유속에서 187μm 강자성을 달성할 수 있습니다 L/min 금속 연마 입자 및 578μm 비강자성 금속 연마 입자의 검출은 BP 신경망과 결합되어 오일 금속 연마 입자의 특성 매개변수를 적응적으로 구별할 수 있으며, 이는 오일 연마 입자의 개발에 대한 이론적 지원을 제공합니다.

미래의 라인 모니터링 장비 그리고 기술 지원은 기계 장비의 고장 진단을 위한 중요한 기반을 제공합니다.

Key words

oil,wear particle detection,coherent demodulation,multilayer shielding

Reference

[1] 郭静英, 赵志龙, 陈森, 等. 二节螺线管式润滑油金属颗粒传感器研究[J]. 仪表技术与传感器, 2018(1):13-16. GUO Jingying, ZHAO Zhilong, CHEN Sen, et al. Research on two-section solenoid type lubricating oil metal particle sensor[J]. Instrument Technology and Sensor, 2018(1):13-16.
[2] 张勇, 司二伟, 李国盛, 等. 润滑油金属磨粒传感器设计及试验研究[J]. 润滑与密封, 2017, 42(4):89-94. ZHANG Yong, SI Erwei, LI Guosheng, et al. Design and experimental study of lubricating oil metal abrasive sensor[J]. Lubrication and Sealing, 2017, 42(4):89-94.
[3] 曾霖, 张洪朋, 滕怀波, 等. 一种船机油液多污染物检测新方法研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(12):125-132. ZENG Lin, ZHANG Hongpeng, TENG Huaibo, et al. Research on a new method for detecting multiple pollutants in marine oil[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(12):125-132.
[4] 孙衍山, 杨昊, 佟海滨, 等. 航空发动机滑油磨粒在线监测[J]. 仪器仪表学报, 2017, 38(7):1561-1569. SUN Yanshan, YANG Hao, TONG Haibin, et al. Online monitoring of aero-engine lubricant oil wear particles[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2017, 38(7):1561-1569.
[5] DING Y, WANG Y, XIANG J. An online debris sensor system with vibration resistance for lubrication analysis[J]. Review of entific Instruments, 2016, 87(2):1590-1597.
[6] 莫固良, 汪慧云, 李兴旺, 等. 飞机健康监测与预测系统的发展及展望[J]. 振动、测试与诊断, 2013, 33(6):925-930. MO Guliang, WANG Huiyun, LI Xingwang, et al. The development and prospect of aircraft health monitoring and prediction systems[J]. Vibration, Testing and Diagnosis, 2013, 33(6):925-930.
[7] 李萌, 郑长松, 李和言, 等. 电感式磨粒在线监测传感器的激励特性分析[J]. 传感器与微系统, 2014, 33(6):19-22, 30. LI Meng, ZHENG Changsong, LI Heyan, et al. Analysis of excitation characteristics of inductive wear particle online monitoring sensors[J]. Sensors and Microsystems, 2014, 33(6):19-22, 30.
[8] FAN X, LIANG M, YEAP T. A joint time-invariant wavelet transform and kurtosis approach to the improvement of in-line oil debris sensor capability[J]. Smart Materials & Structures, 2009, 18(8):1-13.
[9] MURALI S, JAGTIANI A V, XIA G, et al. A microfluidic Coulter counting device for metal wear detection in lubrication oil[J]. Review of Scientific Instruments, 2009, 80(1):016105.
[10] 孙广涛, 张洪朋, 顾长智, 等. 高精度微流体多参数液压油检测芯片设计[J]. 仪器仪表学报, 2019, 40(2):59-66. SUN Guangtao, ZHANG Hongpeng, GU Changzhi, et al. Design of high-precision microfluidic multi-parameter hydraulic oil detection chip[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2019, 40(2):59-66.
[11] 马来好, 张洪朋, 乔卫亮, 等. 双螺线管套管结构的液压油金属颗粒检测传感器[J]. 仪器仪表学报, 2019, 40(7):216-223. MA Laihao, ZHANG Hongpeng, QIAO Weiliang, et al. Hydraulic oil metal particle detection sensor with double solenoid casing structure[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2019, 40(7):216-223.
[12] 白晨朝, 张洪朋, 曾霖, 等. 双螺线圈式液压油微污染物检测传感器[J]. 仪器仪表学报, 2019, 40(6):16-22. BAI Chenchao, ZHANG Hongpeng, ZENG Lin, et al. Double spiral coil type hydraulic oil micro-pollutant detection sensor[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2019, 40(6):16-22.
[13] 史皓天, 张洪朋, 曾霖, 等. 采用柱形极板的电容式油液检测传感器[J]. 仪表技术与传感器, 2019(8):8-12. SHI Haotian, ZHANG Hongpeng, ZENG Lin, et al. Capacitive oil detection sensor using columnar plates[J]. Instrument Technology and Sensor, 2019(8):8-12.
[14] 虞子雷, 张洪朋, 曾霖, 等. 基于微流控谐振式芯片的金属颗粒检测[J]. 电子测量与仪器学报, 2017, 31(10):1627-1632. YU Zilei, ZHANG Hongpeng, ZENG Lin, et al. Metal particle detection based on microfluidic resonant chip[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrument, 2017, 31(10):1627-1632.
[15] 张洪朋, 白晨朝, 孙广涛, 等. 高通量微型多参数油液污染物检测传感器[J]. 光学精密工程, 2018, 26(9):2237-2245. ZHANG Hongpeng, BAI Chenchao, SUN Guangtao, et al. High-throughput miniature multi-parameter oil contaminant detection sensor[J]. Optics and Precision Engineering, 2018, 26(9):2237-2245.
[16] 郑长松, 李萌, 高震, 等. 电感式磨粒传感器磨感电动势提取方法[J]. 振动. 测试与诊断, 2016, 36(1):36-41, 196. ZHENG Changsong, LI Meng, GAO Zhen, et al. Method for extracting the electromotive force of the inductive wear sensor[J]. Vibration. Test and Diagnosis, 2016, 36(01):36-41, 196.
[17] 吴超, 郑长松, 马彪. 电感式磨粒传感器中铁磁质磨粒特性仿真研究[J]. 仪器仪表学报, 2011, 32(12):2774-2780. WU Chao, ZHENG Changsong, MA Biao. Simulation study on the characteristics of ferromagnetic wear particles in an inductive wear particle sensor[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2011, 32(12):2774-2780.
[18] 把鑫, 王吉芳, 左云波, 等. 基于FPGA的油液在线监测系统[J]. 仪表技术与传感器, 2015(6):103-106. BA Xin, WANG Jifang, ZUO Yunbo, et al. On-line oil monitoring system based on FPGA[J]. Instrumentation Technology and Sensors, 2015(6):103-106.
[19] 游修东, 陈勇, 陈遥沛. 近距离磁感应线圈的磁场计算与仿真分析[J]. 水雷战与舰船防护, 2017, 25(1):54-59. YOU Xiudong, CHEN Yong, CHEN Yaopei. Magnetic field calculation and simulation analysis of close-range magnetic induction coils[J]. Mine Warfare and Ship Protection, 2017, 25(1):54-59.
[20] 高震, 郑长松, 贾然, 等. 综合传动油液金属磨粒在线监测传感器研究[J]. 广西大学学报, 2017, 42(2):409-418. GAO Zhen, ZHENG Changsong, JIA Ran, et al. Research on on-line monitoring sensor for metal wear particles in comprehensive transmission oil[J]. Journal of Guangxi University, 2017, 42(2):409-418.
[21] 于振南, 刘倩, 高秀晓, 等. 基于低通滤波的相敏检波算法改进与实现[J]. 测井技术, 2018, 42(5):568-570, 576. YU Zhennan, LIU Qian, GAO Xiuxiao, et al. Improvement and realization of phase-sensitive detection algorithm based on low-pass filtering[J]. Logging Technology, 2018, 42(5):568-570, 576.
[22] 范红波, 张英堂, 李志宁, 等. 电感式磨粒传感器中铁磁质磨粒的磁特性研究[J]. 摩擦学学报, 2009, 29(5):452-457. FAN Hongbo, ZHANG Yingtang, LI Zhining, et al. Study on the magnetic properties of ferromagnetic wear particles in inductive wear particle sensors[J]. Acta Tribology, 2009, 29(5):452-457.
[23] FAN Hongbo, ZHANG Yingtang, LI Zhining, et al. Design and noise control of the portable wear debris concentration detector[C]//2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics AutomationICMTMA 2009:206-209.
[24] DUKA K, GERRIT J. Advanced oil debris monitoring for pipeline mechanical drive gas turbines[C/CD]//Asme Turbo Expo:Power for Land, Sea, & Air, 2000.
[25] 左云波, 谷玉海, 王立勇. 电磁式油液金属磨粒检测系统研究[J]. 设备管理与维修, 2018(13):21-23. ZUO Yunbo, GU Yuhai, WANG Liyong. Research on electromagnetic oil metal debris detection system[J]. Equipment Management and Maintenance, 2018(13):21-23.
[26] DU Li, ZHU Xiaoliang, HAN Yu, et al. Improving sensitivity of an inductive pulse sensor for detection of metallic wear debris in lubricants using parallel LC resonance method[J]. Measurement Science and Technology, 2013, 24(7):075106.
[27] CAO Yunpeng, LIU Rui, DU Jianwei, et al. Gas turbine bearing wear monitoring method based on magnetic plug inductance sensor[C/CD]//ASME Turbo Expo 2018:Turbomachinery Technical Conference and Exposition. 2018.

Numerical Simulation of the Geothechnical Effects on Local Scour in Inclined Pier Group with FLow-3D Softaware

FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 경사 교각 그룹의 국부 세굴에 대한 지반 공학 효과의 수치 시뮬레이션

Numerical Simulation of the Geothechnical Effects on Local Scour in Inclined Pier Group with FLow-3D Softaware

Authors

Abstract

1 Civil Engineering,Enginnering Faculty,,Univeristy of Qom.Qom.Iran
2 Civil Engineering Department,Engineering Faculty,Islamic Azad University of Lahijan,Iran

교각이 물의 흐름 앞에 위치하면 소용돌이가 형성되고 그 활동으로 교각 주변의 하상 재료가 침식되고 세굴 구멍이 생성됩니다. 기초 깊이와 교각 말뚝이 충분하지 않으면 교량은 실패합니다.

말뚝 캡의 다른 레벨링에서 유동층의 총 전단 응력 연구는 말뚝 캡 위치가 동일할 때 가장 높은 전단 응력이 생성됨을 보여줍니다. 강바닥과 같은 수준; 강바닥보다 낮은 위치에 파일 캡을 설치하여 최대 전단 응력을 감소시킵니다. 

이 경우에 해당하기 때문일 수 있습니다. 교각 그룹 사이의 거리가 증가하고 두 번째 교각의 존재는 교각 그룹의 유량을 감소시키고 한 교각 그룹의 다른 교각은 흐름 패턴 형성에서 두 개의 독립적인 교각으로 작용합니다. 

파일 캡의 다른 레벨링에서 세굴의 최종 길이 방향 단면을 비교함으로써 세굴 깊이의 가장 큰 감소는 에어로포일 모양의 파일 캡에서 발생하며 더 날카로운 노즈와 더 나은 공기 역학적 모양을 가진 파일 캡이 제어하기에 좋은 옵션이라는 결론을 내렸습니다. 말굽 와류를 제거하고 경사 교각 그룹 주변의 세굴 깊이를 줄입니다.

When the bridge piers are located in front of the water flow, vortices are formed against it and due to their activity, the materials of the river bed are eroded around the bridge piers and the scouring hole is created. If the foundation depth and bridge pier piles are insufficient, the bridge will fail.The study of total shear stress in the flow bed at different leveling of the pile caps shows that the highest shear stress is created when the pile cap position is at the same level as the river bed; by installing the pile cap at a lower level than the river bed, the maximum shear stress decreases. This may be due to the fact that in this case, the distance between the pier group increases and the presence of the second pier decreases the flow rate in the pier group and different pier in the one pier group acts as the two independent piers in the formation of the flow pattern. By comparing the final longitudinal sections of the scouring at different leveling of the pile cap, it is concluded that the largest reduction in scouring depth occurs in aerofoil-shaped pile caps and pile caps with the sharper nose and better aerodynamic shapes are good options to control the horseshoe vortices and will reduce the scouring depth around the inclined pier group.

Keywords

Figure 1. Photorealistic view of an inclined axis TAST (photo A. Stergiopoulou).

그리스 수로의 작은 수력 전위를 활용하는 관형 아르키메데스 스크류 터빈의 CFD 시뮬레이션

CFD Simulations of Tubular Archimedean Screw Turbines Harnessing the Small Hydropotential of Greek Watercourses

Alkistis Stergiopoulou1
, Vassilios Stergiopoulos2
1
Institut für Wasserwirtschaft, Hydrologie und Konstruktiven Wasserbau, B.O.K.U. University,
Muthgasse 18, 1190 Vienna, (actually Senior Process Engineer at the VTU Engineering in Vienna,
Zieglergasse 53/1/24, 1070 Vienna, Austria).
2 School of Pedagogical and Technological Education, Department of Civil Engineering Educators,
ASPETE Campus, Eirini Station, 15122 Amarousio, Athens, Greece.

Abstract

이 논문은 “그리스 아르키메데스의 부활: 아르키메데스 달팽이관 물레방아의 수리역학 및 유체역학적 거동 연구, 그리스 자연 및 기술 수로의 수력 잠재력 회복에 대한 기여”. 라는  제목의 최근 연구에서 수행한 최초의 아르키메데스 나사 터빈 CFD 모델링 결과에 대한 간략한 견해를 제시합니다.

FLOW-3D 코드를 기반으로 하는 이 CFD 분석은 일반적인 TAST(Tubular Archimedean Screw Turbines)에 관한 것으로, 그리스의 자연 및 기술 수로의 중요한 미개척 수력 잠재력을 활용하는 소규모 수력 발전 시스템에 대한 TWh/년 및 수천 MW 범위의 총 설치 용량등 몇 가지 유망한 성능을 보여줍니다.

This paper presents a short view of the first Archimedean Screw Turbines CFD modelling results, which were carried out within the recent research entitled “Rebirth of Archimedes in Greece: contribution to the study of hydraulic mechanics and hydrodynamic behavior of Archimedean cochlear waterwheels, for recovering the hydraulic potential of Greek natural and technical watercourses”. This CFD analysis, based to the Flow-3D code, concerns typical Tubular Archimedean Screw Turbines (TASTs) and shows some promising performances for such small hydropower systems harnessing the important unexploited hydraulic potential of natural and technical watercourses of Greece, of the order of several TWh / year and of a total installed capacity in the range of thousands MWs.

Keywords

CFD; Flow-3D; TAST; Small Hydro; Renewable Energy; Greek Watercourses.

Figure 1. Photorealistic view of an inclined axis TAST (photo A. Stergiopoulou).
Figure 1. Photorealistic view of an inclined axis TAST (photo A. Stergiopoulou).
Figure 4. Creation of the 3bladed Archimedean Screw with Solidworks.
Figure 4. Creation of the 3bladed Archimedean Screw with Solidworks.
Figure 8. Comparison of Archimedean Screw Turbine power performances P(W) for angle of orientation θ = 22ο and 32ο and for various water discharge values Q = 0.15, 0.30, 0.45 m3 /s.
Figure 8. Comparison of Archimedean Screw Turbine power performances P(W) for angle of orientation θ = 22ο and 32ο and for various water discharge values Q = 0.15, 0.30, 0.45 m3 /s.
Figure 12. Various performances of the Archimedean Screw (MKE/Mean Kinetic Energy, Torque, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation) for flow discharge Q = 0.45 m3 /s and an angle of orientation θ = 32ο .
Figure 12. Various performances of the Archimedean Screw (MKE/Mean Kinetic Energy, Torque, Turbulent Kinetic Energy, Turbulent Dissipation) for flow discharge Q = 0.45 m3 /s and an angle of orientation θ = 32ο .

References

[1] A. Stergiopoulou, Computational and experimental investigation of the hydrodynamic behaviour of
screw hydro turbine, Ph.D. Thesis, NTUA, 2017.
[2] B. Pelikan, A. Lashofer, Verbesserung der Strömungseigenschaften sowie Planungs-und
Betriebsoptimierung von Wasserkraftschnecken, Research Project, BOKU University, Vienna,
2012.
[3] G. Müller, J. Senior, Simplified theory of Archimedean screws, Journal of Hydraulic Research 47
(5) (2009) 666-669.
[4] C. Rorres, The turn of the screw: Optimal design of an Archimedes screw, Journal of Hydraulic
Engineering, 80 (2000) 72-80.
[5] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Return of Archimedes: Harnessing with new Archimedean
spirals the hydraulic potential of the Greek watercourses, in: Proceedings of the Conference for
Climate Change, Thessaloniki, 2009.
[6] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, from the old Archimedean screw pumps to the new
Archimedean screw turbines for hydropower production in Greece, in: Proceedings of CEMEPE
Conference, Mykonos, June 21-26, 2009.

[7] V. Stergiopoulos, A. Stergiopoulou, E. Kalkani, Quo Vadis Archimedes Nowadays in Greece?
Towards Modern Archimedean Turbines for Recovering Greek Small Hydropower Potential, in:
Proceedings of 3rd International Scientific “Energy and Climate Change” Conference, Athens, 2010.
[8] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, E. Κalkani, Greece beyond the horizon of the era of transition:
Archimedean screw hydropower development terra incognita, International Journal of Energy and
Development, v.6, Issue 6, pp. 627-536, 2015.
[9] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, E. Κalkani, Experimental and theoretical research of zero head
innovative horizontal axis Archimedean screw turbines, Journal of Energy and Development, v.6,
Issue 5, pp. 471-478, 2015.
[10] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, E. Κalkani, Back to the Future: Rediscovering the Archimedean
screws as modern turbines for harnessing Greek small hydropower potential, in: Proceedings of the
Third International Conference CEMEPE 2011 & SECOTOX, Skiathos, 2011.
[11] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Educational Renewable Energy Screw Wheel Technologies for
Pico Hydropower Generation, Modern Environmental Science and Engineering, v.4, No.5, pp. 439-
445, May 2018.
[12] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Educational Renewable Energy Screw Wheel Technologies for
Pico Hydropower Generation, Modern Environmental Science and Engineering, v.4, No.5, pp. 439-
445, May 2018.
[13] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, Towards an inventory of the archimedean small hydropower
potential of Greece, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY AND ENVIRONMENT
Volume 11, Issue 2, 2020 pp.137-144.
[14] Flow Science, FLOW-3D Manual, 2013.
[15] K. Versteeg and W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Pearson,
2007.
[16] C. Hirsch, Numerical Computation of internal and external flows: The fundamentals of
Computational Fluid dynamics, John Wiley & Sons, 2007.
[17] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos and E. Kalkani, An eagle’s CFD view of Studying Innovative
Archimedean Screw Renewable Hydraulic Energy Systems, Proceedings of the 4th International
Conference on Environmental Management, Engineering, Planning and Economics (CEMEPE) and
SECOTOX Conference, Mykonos island, Greece, pp.454-460 June 24-28, 2013.
[18] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, A., E. Kalkani, Computational Fluid Dynamics Study on a 3D
Graphic Solid Model of Archimedean Screw Turbines, Fresenius Environmental Bulletin, vol.23-
No1, 2014.
[19] Α. Stergiopoulou, Kalkani E., “Towards a First C.F.D. Study of Innovative Archimedean Inclined
Axis Hydropower Turbines”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT),
Vol. 2 Issue 9, September – 2013, pp. 193-199.
[20] A. Stergiopoulou, V. Stergiopoulos, A first CFD study of small hydro energy recovery from the
Attica water supply network, INTERNATIONAL JOURNAL OF ENERGY AND
ENVIRONMENT, Volume 11, Issue 3, 2020 pp.157-166.

Figure 7 | Variation of flow field of elliptical bridge pier with different axis ratios under multi-year average flow. (a) Axis ratio ¼ 1. (b) Axis ratio ¼ 0.85. (c) Axis ratio ¼ 0.75. (d) Axis ratio ¼ 0.5. (e) Axis ratio ¼ 0.25. (f) Axis ratio ¼ 0.15. (continued.)

교각의 형태학적 변화가 물의 이동 특성에 미치는 영향에 관한 연구

Study on the effect of morphological changes of bridge piers on water movement properties

Xianqi Zhanga,b,c, Tao Wanga,* and Bingsen Duana
a Water Conservancy College, North china University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China
b Collaborative Innovation Center of Water Resources Efficient Utilization and Protection Engineering, Zhengzhou 450046, China c Technology Research Center of Water Conservancy and Marine Tra

ABSTRACT

하천을 가로지르는 교각의 다른 형태는 하천의 유동에 큰 영향을 미치며, 교각의 형태 변화가 물의 유동 특성에 미치는 영향에 대한 연구는 교량 설계 및 하천 범람에 큰 가치가 있습니다.

유체 역학 모델은 하천 흐름 패턴의 변화를 효과적으로 시뮬레이션하고 예측할 수 있으므로 하천 관리에 대한 과학적 데이터 지원을 제공할 수 있습니다.

본 논문은 Mike21을 기반으로 유체역학 모델을 구축하고 이를 황하 하류의 하천 유체역학 수치해석에 적용하고, 타원 교각을 예로 들어 교각 형태 변화가 유속에 미치는 영향을 모사한다. 강의 수위와 흐름장. 결과는 하천의 흐름 특성에 대한 타원형 교각 형태의 영향이 중요하다는 것을 보여줍니다.

동일한 유량에서 최대 축 비율에서 교각의 혼잡 값은 최소 축 비율의 1.65배이며 축 비율이 클수록 혼잡이 심각합니다. 최대 축 비율에서 유속의 차이는 최소 축 비율의 2.33배에 달할 수 있습니다.

The different shapes of bridge piers across rivers have a great influence on the river water movement, and the study of the influence of pier morphology changes on the water movement characteristics is of great value for bridge design and river flooding. The hydrodynamic model can effectively simulate and predict the changes of river flow patterns, which can provide scientific data support for river management. This paper constructs a hydrodynamic model based on Mike21 and applies it to the numerical simulation of river hydrodynamics in the lower reaches of the Yellow River, taking elliptical piers as an example, and simulates the effect of the change of pier morphology on the flow velocity, water level and flow field of the river. The results show that the effect of elliptical pier morphology on the flow characteristics of the river channel is significant; under the same flow rate, the congestion value of the pier at the maximum axis ratio is 1.65 times of the minimum axis ratio, and the larger the axis ratio, the more serious the congestion; the difference in flow velocity at the maximum axis ratio can reach 2.33 times of the minimum axis ratio.

Key words

bridge pier axial ratio, flow regime, MIKE21 flow model, numerical simulation, yellow river

Figure 2 | Location map of the study area.
Figure 2 | Location map of the study area.
Figure 7 | Variation of flow field of elliptical bridge pier with different axis ratios under multi-year average flow. (a) Axis ratio ¼ 1. (b) Axis ratio ¼ 0.85. (c) Axis ratio ¼ 0.75. (d) Axis ratio ¼ 0.5. (e) Axis ratio ¼ 0.25. (f) Axis ratio ¼ 0.15. (continued.)
Figure 7 | Variation of flow field of elliptical bridge pier with different axis ratios under multi-year average flow. (a) Axis ratio ¼ 1. (b) Axis ratio ¼ 0.85. (c) Axis ratio ¼ 0.75. (d) Axis ratio ¼ 0.5. (e) Axis ratio ¼ 0.25. (f) Axis ratio ¼ 0.15. (continued.)

REFERENCES

Bates, P. D., Horritt, M. S. & Hervouet, J. M. 2015 Investigating two-dimensional, finite element predictions of floodplain
inundation using fractal generated topography. Hydrological Processes 12(8), 1257–1277.
Costabile, P., Macchione, F., Natale, L. & Petaccia, G. 2015 Comparison of scenarios with and without bridges and analysis of
backwater effect in 1-D and 2-D river flood modeling. CMES-Computer Modeling in Engineering & Sciences 109–110(2),
81–103.
David, Y. Y., Dan, M. & Frangopol, 2019 Physics-based assessment of climate change impact on long-term regional bridge
scour risk using hydrologic modeling: application to Lehigh River watershed. Journal of Bridge Engineering 24(11).
Dimitriadis, P., Tegos, A., Oikonomou, A., Pagana, V., Koukouvinos, A., Mamassis, N., Koutsoyiannis, D. & Efstratiadis, A.
2016 Comparative evaluation of 1D and quasi-2D hydraulic models based on benchmark and real-world applications for
uncertainty assessment in flood mapping. Journal of Hydrology 534, 478–492.
Echeverribar, I., Morales-Hernández, M., Brufau, P. & García-Navarro, 2019 2D numerical simulation of unsteady flows for
large scale floods prediction in real time. Advances in Water Resources 134.
Hai, X. S. & Wei, P. L. 2018 Numerical simulation of turbulent width of square bridge pier in curved river channel. Water
Transport Engineering (01), 134–141.
Liu, X. C., Geng, P. C., Cao, L. & Sun, X. L. 2020 Mike21 simulates the influence of cross-river bridge on river regime. People’s
Yellow River 42(S1), 24–25 þ 29.
Luo, W. G., Lu, J. & Lai, H. 2015 Research on the backwater in front of multiple parallel bridge piers at equal distances. Journal
of Sichuan University: Engineering Science Editio 47(4), 6–13.
Majedul, M. M., Ekaterina, S. & Nynke, H. 2018 Modelling of river faecal indicator bacteria dynamics as a basis for faecal
contamination reduction. Journal of Hydrology 563.
Mao, M. X., Huang, H. M. & Wang, Y. G. 2018 Effects of grid size on numerical simulation of river hydrodynamics [J]. Influence
of grid size on numerical simulation of river hydrodynamics. Water Transport Engineering (3), 135–142.
Tang, Y. H. 2014 Application of TUFLOW in simulating the impact of bridge piers on flooding evaluation. Hydropower Energy
Science 32(02), 55–59.
Tewodros, A. N. & Abdusselam, A. 2019 Modeling the effect of urbanization on flood risk in Ayamama Watershed, Istanbul,
Turkey, using the MIKE 21 FM model. Natural Hazards 99(2).
Wan, L. M. & Li, P. J. 2018 Numerical simulation of navigable flow conditions of bridges across rivers. Water Conservancy
Science and Technology and Economy 24(02), 28–33.
Wang, W. & Jing, H. 2019 Effects of bridge piers on flood hazards: a case study on the Jialing river in China. Water 11(6), 1181.
Wang, Q. N., Peng, W. Q., Dong, F. & Nan, O. 2020 Simulating flow of an urban river course with complex cross sections based
on the MIKE21 FM model. Water 12(3).
Xu, T. 2010 Overview of Danish MIKE21 model and application examples. Water Technology and Economics 16(08), 867–869.
Yan, J. C., Xu, H. & Jiao, Z. X. 2020 Prediction and numerical simulation of bridge pier congestion based on conservation of
momentum. People’s Changjiang 51(S2), 280–284.
Yu, P. & Zhu, Z. W. 2019 Refinement of local scour simulation for tandem double cylindrical bridge piers. Chinese Journal of
Highways 32(01), 107–116.
Yuan, X. Y., Feng, S. L., Wang, Z. K., Xu, W. & Si, L. C. 2020 Two-dimensional numerical simulation of the effect of bridge pier
shape on water flow. People’s Yellow River 42(S2), 37–39 þ 42.
Zhang, S. G., Yin, J. B. & Zhang, G. G. 2020 Flow-3D-based simulation of local scour large eddies for cylindrical bridge piers.
Sediment Research 45(01), 67–73.
Zhang, X. Q., Wang, T. & Lu, X. B. 2021 Influence of bridge piers shapes on the flow of the lower Yellow River. Water Practice
& Technology 16(2), 661–680.

Figure 9. Scour morphology under different times for case 7.

Scour Characteristics and Equilibrium Scour Depth Prediction around Umbrella Suction Anchor Foundation under Random Waves

무작위 파동에서 우산 흡입 앵커 기초 주변의 세굴 특성 및 평형 세굴 깊이 예측

Ruigeng Hu 1
, Hongjun Liu 2
, Hao Leng 1
, Peng Yu 3 and Xiuhai Wang 1,2,*

1 College of Environmental Science and Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266000, China;
huruigeng@stu.ouc.edu.cn (R.H.); lh4517@stu.ouc.edu.cn (H.L.)
2 Key Lab of Marine Environment and Ecology (Ocean University of China), Ministry of Education,
Qingdao 266000, China; hongjun@ouc.edu.cn
3 Qingdao Geo-Engineering Survering Institute, Qingdao 266100, China; yp6650@stu.ouc.edu.cn

Abstract

무작위 파동 하에서 우산 흡입 앵커 기초(USAF) 주변의 국부 세굴을 연구하기 위해 일련의 수치 시뮬레이션이 수행되었습니다. 본 연구에서는 먼저 본 모델의 정확성을 검증하기 위해 검증을 수행하였다.

또한, 세굴 진화와 세굴 메커니즘을 각각 분석하였다. 또한 USAF 주변의 평형 세굴 깊이 Seq를 예측하기 위해 두 가지 수정된 모델이 제안되었습니다. 마지막으로 Seq에 대한 Froude 수 Fr과 Euler 수 Eu의 영향을 연구하기 위해 매개변수 연구가 수행되었습니다.

결과는 현재 수치 모델이 무작위 파동에서 세굴 형태를 묘사하는 데 정확하고 합리적임을 나타냅니다.

수정된 Raaijmaker의 모델은 KCs,p < 8일 때 본 연구의 시뮬레이션 결과와 잘 일치함을 보여줍니다. 수정된 확률적 모델의 예측 결과는 KCrms,a < 4일 때 n = 10일 때 가장 유리합니다. Fr과 Eu가 높을수록 둘 다 더 집중적 인 말굽 소용돌이와 더 큰 결과를 초래합니다.

Figure 1. The close-up of umbrella suction anchor foundation (USAF).
Figure 1. The close-up of umbrella suction anchor foundation (USAF).
Figure 2. (a) The sketch of seabed-USAF-wave three-dimensional model; (b) boundary condation:Wvwave boundary, S-symmetric boundary, O-outflow boundary; (c) USAF model.
Figure 2. (a) The sketch of seabed-USAF-wave three-dimensional model; (b) boundary condation:Wvwave boundary, S-symmetric boundary, O-outflow boundary; (c) USAF model.
Figure 5. Comparison of time evolution of scour between the present study and Khosronejad et al. [52], Petersen et al. [17].
Figure 5. Comparison of time evolution of scour between the present study and Khosronejad et al. [52], Petersen et al. [17].
Figure 9. Scour morphology under different times for case 7.
Figure 9. Scour morphology under different times for case 7.

References

  1. Sumer, B.M.; Fredsøe, J.; Christiansen, N. Scour Around Vertical Pile in Waves. J. Waterw. Port. Coast. Ocean Eng. 1992, 118, 15–31.
    [CrossRef]
  2. Rudolph, D.; Bos, K. Scour around a monopile under combined wave-current conditions and low KC-numbers. In Proceedings of
    the 6th International Conference on Scour and Erosion, Amsterdam, The Netherlands, 1–3 November 2006; pp. 582–588.
  3. Nielsen, A.W.; Liu, X.; Sumer, B.M.; Fredsøe, J. Flow and bed shear stresses in scour protections around a pile in a current. Coast.
    Eng. 2013, 72, 20–38. [CrossRef]
  4. Ahmad, N.; Bihs, H.; Myrhaug, D.; Kamath, A.; Arntsen, Ø.A. Three-dimensional numerical modelling of wave-induced scour
    around piles in a side-by-side arrangement. Coast. Eng. 2018, 138, 132–151. [CrossRef]
  5. Li, H.; Ong, M.C.; Leira, B.J.; Myrhaug, D. Effects of Soil Profile Variation and Scour on Structural Response of an Offshore
    Monopile Wind Turbine. J. Offshore Mech. Arct. Eng. 2018, 140, 042001. [CrossRef]
  6. Li, H.; Liu, H.; Liu, S. Dynamic analysis of umbrella suction anchor foundation embedded in seabed for offshore wind turbines.
    Géoméch. Energy Environ. 2017, 10, 12–20. [CrossRef]
  7. Fazeres-Ferradosa, T.; Rosa-Santos, P.; Taveira-Pinto, F.; Vanem, E.; Carvalho, H.; Correia, J.A.F.D.O. Editorial: Advanced research
    on offshore structures and foundation design: Part 1. Proc. Inst. Civ. Eng. Marit. Eng. 2019, 172, 118–123. [CrossRef]
  8. Chavez, C.E.A.; Stratigaki, V.; Wu, M.; Troch, P.; Schendel, A.; Welzel, M.; Villanueva, R.; Schlurmann, T.; De Vos, L.; Kisacik,
    D.; et al. Large-Scale Experiments to Improve Monopile Scour Protection Design Adapted to Climate Change—The PROTEUS
    Project. Energies 2019, 12, 1709. [CrossRef]
  9. Wu, M.; De Vos, L.; Chavez, C.E.A.; Stratigaki, V.; Fazeres-Ferradosa, T.; Rosa-Santos, P.; Taveira-Pinto, F.; Troch, P. Large Scale
    Experimental Study of the Scour Protection Damage Around a Monopile Foundation Under Combined Wave and Current
    Conditions. J. Mar. Sci. Eng. 2020, 8, 417. [CrossRef]
  10. Sørensen, S.P.H.; Ibsen, L.B. Assessment of foundation design for offshore monopiles unprotected against scour. Ocean Eng. 2013,
    63, 17–25. [CrossRef]
  11. Prendergast, L.; Gavin, K.; Doherty, P. An investigation into the effect of scour on the natural frequency of an offshore wind
    turbine. Ocean Eng. 2015, 101, 1–11. [CrossRef]
  12. Fazeres-Ferradosa, T.; Chambel, J.; Taveira-Pinto, F.; Rosa-Santos, P.; Taveira-Pinto, F.; Giannini, G.; Haerens, P. Scour Protections
    for Offshore Foundations of Marine Energy Harvesting Technologies: A Review. J. Mar. Sci. Eng. 2021, 9, 297. [CrossRef]
  13. Yang, Q.; Yu, P.; Liu, Y.; Liu, H.; Zhang, P.; Wang, Q. Scour characteristics of an offshore umbrella suction anchor foundation
    under the combined actions of waves and currents. Ocean Eng. 2020, 202, 106701. [CrossRef]
  14. Yu, P.; Hu, R.; Yang, J.; Liu, H. Numerical investigation of local scour around USAF with different hydraulic conditions under
    currents and waves. Ocean Eng. 2020, 213, 107696. [CrossRef]
  15. Sumer, B.M.; Christiansen, N.; Fredsøe, J. The horseshoe vortex and vortex shedding around a vertical wall-mounted cylinder
    exposed to waves. J. Fluid Mech. 1997, 332, 41–70. [CrossRef]
  16. Sumer, B.M.; Fredsøe, J. Scour around Pile in Combined Waves and Current. J. Hydraul. Eng. 2001, 127, 403–411. [CrossRef]
  17. Petersen, T.U.; Sumer, B.M.; Fredsøe, J. Time scale of scour around a pile in combined waves and current. In Proceedings of the
    6th International Conference on Scour and Erosion, Paris, France, 27–31 August 2012.
  18. Petersen, T.U.; Sumer, B.M.; Fredsøe, J.; Raaijmakers, T.C.; Schouten, J.-J. Edge scour at scour protections around piles in the
    marine environment—Laboratory and field investigation. Coast. Eng. 2015, 106, 42–72. [CrossRef]
  19. Qi, W.; Gao, F. Equilibrium scour depth at offshore monopile foundation in combined waves and current. Sci. China Ser. E Technol.
    Sci. 2014, 57, 1030–1039. [CrossRef]
  20. Larsen, B.E.; Fuhrman, D.R.; Baykal, C.; Sumer, B.M. Tsunami-induced scour around monopile foundations. Coast. Eng. 2017, 129,
    36–49. [CrossRef]
  21. Corvaro, S.; Marini, F.; Mancinelli, A.; Lorenzoni, C.; Brocchini, M. Hydro- and Morpho-dynamics Induced by a Vertical Slender
    Pile under Regular and Random Waves. J. Waterw. Port. Coast. Ocean Eng. 2018, 144, 04018018. [CrossRef]
  22. Schendel, A.; Welzel, M.; Schlurmann, T.; Hsu, T.-W. Scour around a monopile induced by directionally spread irregular waves in
    combination with oblique currents. Coast. Eng. 2020, 161, 103751. [CrossRef]
  23. Fazeres-Ferradosa, T.; Taveira-Pinto, F.; Romão, X.; Reis, M.; das Neves, L. Reliability assessment of offshore dynamic scour
    protections using copulas. Wind. Eng. 2018, 43, 506–538. [CrossRef]
  24. Fazeres-Ferradosa, T.; Welzel, M.; Schendel, A.; Baelus, L.; Santos, P.R.; Pinto, F.T. Extended characterization of damage in rubble
    mound scour protections. Coast. Eng. 2020, 158, 103671. [CrossRef]
  25. Tavouktsoglou, N.S.; Harris, J.M.; Simons, R.R.; Whitehouse, R.J.S. Equilibrium Scour-Depth Prediction around Cylindrical
    Structures. J. Waterw. Port. Coast. Ocean Eng. 2017, 143, 04017017. [CrossRef]
  26. Ettema, R.; Melville, B.; Barkdoll, B. Scale Effect in Pier-Scour Experiments. J. Hydraul. Eng. 1998, 124, 639–642. [CrossRef]
  27. Umeda, S. Scour Regime and Scour Depth around a Pile in Waves. J. Coast. Res. Spec. Issue 2011, 64, 845–849.
  28. Umeda, S. Scour process around monopiles during various phases of sea storms. J. Coast. Res. 2013, 165, 1599–1604. [CrossRef]
  29. Baykal, C.; Sumer, B.; Fuhrman, D.R.; Jacobsen, N.; Fredsøe, J. Numerical simulation of scour and backfilling processes around a
    circular pile in waves. Coast. Eng. 2017, 122, 87–107. [CrossRef]
  30. Miles, J.; Martin, T.; Goddard, L. Current and wave effects around windfarm monopile foundations. Coast. Eng. 2017, 121,
    167–178. [CrossRef]
  1. Miozzi, M.; Corvaro, S.; Pereira, F.A.; Brocchini, M. Wave-induced morphodynamics and sediment transport around a slender
    vertical cylinder. Adv. Water Resour. 2019, 129, 263–280. [CrossRef]
  2. Yu, T.; Zhang, Y.; Zhang, S.; Shi, Z.; Chen, X.; Xu, Y.; Tang, Y. Experimental study on scour around a composite bucket foundation
    due to waves and current. Ocean Eng. 2019, 189, 106302. [CrossRef]
  3. Carreiras, J.; Larroudé, P.; Seabra-Santos, F.; Mory, M. Wave Scour Around Piles. In Proceedings of the Coastal Engineering 2000,
    American Society of Civil Engineers (ASCE), Sydney, Australia, 16–21 July 2000; pp. 1860–1870.
  4. Raaijmakers, T.; Rudolph, D. Time-dependent scour development under combined current and waves conditions—Laboratory
    experiments with online monitoring technique. In Proceedings of the 4th International Conference on Scour and Erosion, Tokyo,
    Japan, 5–7 November 2008; pp. 152–161.
  5. Khalfin, I.S. Modeling and calculation of bed score around large-diameter vertical cylinder under wave action. Water Resour. 2007,
    34, 357. [CrossRef]
  6. Zanke, U.C.; Hsu, T.-W.; Roland, A.; Link, O.; Diab, R. Equilibrium scour depths around piles in noncohesive sediments under
    currents and waves. Coast. Eng. 2011, 58, 986–991. [CrossRef]
  7. Myrhaug, D.; Rue, H. Scour below pipelines and around vertical piles in random waves. Coast. Eng. 2003, 48, 227–242. [CrossRef]
  8. Myrhaug, D.; Ong, M.C.; Føien, H.; Gjengedal, C.; Leira, B.J. Scour below pipelines and around vertical piles due to second-order
    random waves plus a current. Ocean Eng. 2009, 36, 605–616. [CrossRef]
  9. Myrhaug, D.; Ong, M.C. Random wave-induced onshore scour characteristics around submerged breakwaters using a stochastic
    method. Ocean Eng. 2010, 37, 1233–1238. [CrossRef]
  10. Ong, M.C.; Myrhaug, D.; Hesten, P. Scour around vertical piles due to long-crested and short-crested nonlinear random waves
    plus a current. Coast. Eng. 2013, 73, 106–114. [CrossRef]
  11. Yakhot, V.; Orszag, S.A. Renormalization group analysis of turbulence. I. Basic theory. J. Sci. Comput. 1986, 1, 3–51. [CrossRef]
  12. Yakhot, V.; Smith, L.M. The renormalization group, the e-expansion and derivation of turbulence models. J. Sci. Comput. 1992, 7,
    35–61. [CrossRef]
  13. Mastbergen, D.R.; Berg, J.V.D. Breaching in fine sands and the generation of sustained turbidity currents in submarine canyons.
    Sedimentology 2003, 50, 625–637. [CrossRef]
  14. Soulsby, R. Dynamics of Marine Sands; Thomas Telford Ltd.: London, UK, 1998. [CrossRef]
  15. Van Rijn, L.C. Sediment Transport, Part I: Bed Load Transport. J. Hydraul. Eng. 1984, 110, 1431–1456. [CrossRef]
  16. Zhang, Q.; Zhou, X.-L.; Wang, J.-H. Numerical investigation of local scour around three adjacent piles with different arrangements
    under current. Ocean Eng. 2017, 142, 625–638. [CrossRef]
  17. Yu, Y.X.; Liu, S.X. Random Wave and Its Applications to Engineering, 4th ed.; Dalian University of Technology Press: Dalian,
    China, 2011.
  18. Pang, A.; Skote, M.; Lim, S.; Gullman-Strand, J.; Morgan, N. A numerical approach for determining equilibrium scour depth
    around a mono-pile due to steady currents. Appl. Ocean Res. 2016, 57, 114–124. [CrossRef]
  19. Higuera, P.; Lara, J.L.; Losada, I.J. Three-dimensional interaction of waves and porous coastal structures using Open-FOAM®.
    Part I: Formulation and validation. Coast. Eng. 2014, 83, 243–258. [CrossRef]
  20. Corvaro, S.; Crivellini, A.; Marini, F.; Cimarelli, A.; Capitanelli, L.; Mancinelli, A. Experimental and Numerical Analysis of the
    Hydrodynamics around a Vertical Cylinder in Waves. J. Mar. Sci. Eng. 2019, 7, 453. [CrossRef]
  21. Flow3D User Manual, version 11.0.3; Flow Science, Inc.: Santa Fe, NM, USA, 2013.
  22. Khosronejad, A.; Kang, S.; Sotiropoulos, F. Experimental and computational investigation of local scour around bridge piers. Adv.
    Water Resour. 2012, 37, 73–85. [CrossRef]
  23. Stahlmann, A. Experimental and Numerical Modeling of Scour at Foundation Structures for Offshore Wind Turbines. Ph.D. Thesis,
    Franzius-Institute for Hydraulic, Estuarine and Coastal Engineering, Leibniz Universität Hannover, Hannover, Germany, 2013.
  24. Breusers, H.N.C.; Nicollet, G.; Shen, H. Local Scour Around Cylindrical Piers. J. Hydraul. Res. 1977, 15, 211–252. [CrossRef]
  25. Schendel, A.; Hildebrandt, A.; Goseberg, N.; Schlurmann, T. Processes and evolution of scour around a monopile induced by
    tidal currents. Coast. Eng. 2018, 139, 65–84. [CrossRef]
Fig. 1  Layout of spillway tunnel

Experimental study and numerical simulation of hydraulic characteristics of ogee spillway tunnel

WU Jingxia1
, ZHANG Chunjin2,3
(1. Xi’an Water Conservancy Survey Design Institute, Xi’an  710054, Shaanxi, China; 2. Key Laboratory of
Yellow River Sediment Research, M. W. R. , Yellow River Institute of Hydraulic Research, Zhengzhou 
450003, Henan, China; 3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic
Engineering, Hohai University, Nanjing  210098, Jiangsu, China)

수치 시뮬레이션을 통해 오지 여수로 터널의 수리적 특성 연구의 타당성을 탐색하기 위해 황하 Xiaolangdi 수질 관리 프로젝트의 2번 오지 여수로 터널을 연구 대상으로 취한 다음 오지의 수리 특성 설계 및 점검 홍수 수준 조건에서 여수로 터널은 RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 배출 용량, 터널 크라운 잔류 공간, 단면 유속, 압전 수두, 유동 캐비테이션 수, 제트 흐름 범위 및 1 ∶ 40의 일반 수리 모델과 결합된 세굴 구덩이 깊이, 시뮬레이션 값과 실험 값 모두 비교됩니다.

연구결과 모의실험값이 실험값과 일치하여 오지 여수로터널의 수리적 특성을 수치모사를 통해 탐색할 수 있음을 확인하였다. 여수로터널 내부의 흐름은 안정적이고 터널 크라운 잔류 공간은 개방 흐름과 완전 흐름의 교대 흐름 패턴이 없는 25% 이상입니다.

체크 홍수 수위에서 시뮬레이션 값과 유량 계수의 실험 값은 모두 설계에서보다 높으므로 배출 용량은 홍수 제어 관련 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 오지 단면과 플립 단면의 유동 캐비테이션 수는 캐비테이션 손상이 발생할 가능성이 작기 때문에 캐비테이션 침식을 줄이기 위한 적절한 적절한 조치가 채택될 필요가 있습니다.

유압 모델의 고르지 않은 표면에 부압이 발생하면 표면 구조에 관련주의를 기울일 필요가 있습니다. 연구 결과는 여수로 터널의 설계 및 건설에 대한 관련 참고 및 이론적 근거를 제공할 수 있습니다.

Keywords

Xiaolangdi Water Control Project; ogee spillway tunnel; simulative calculation; hydraulic characteristics; turbulent
model

Fig. 1  Layout of spillway tunnel
Fig. 1  Layout of spillway tunnel
Fig. 4  Hydraulic modeling
Fig. 4  Hydraulic modeling
Fig. 6  Sectional surface profile distributions
Fig. 6  Sectional surface profile distributions
Fig. 7  Comparison between simulated results and experimental results for flow velocity of section-cross
Fig. 7  Comparison between simulated results and experimental results for flow velocity of section-cross

参考文献(References)

[1]  谢省宗, 吴一红, 陈文学. 我国高坝泄洪消能新技术的研究和创
新[J]. 水利学报, 2016, 47(3): 324-336.
XIE Shengzong, WU Yihong, CHEN Wenxue. New technology and
innovation on flood discharge and energy dissipation of high dams in
China [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2016, 47( 3): 324-
336.
[2]  刘嘉夫, 齐昕. 龙抬头水电站泄洪洞水力特性研究[ J]. 水利水
电技术, 2019, 50(2): 139-143.
LIU Jiafu, QI Xin. Study on hydraulic characteristics of ogee spillway
tunnel of hydropower station [ J]. Water Resources and Hydropower
Engineering, 2019, 50(2): 139-143.
[3]  范灵, 张宏伟, 刘之平, 等. 明流泄洪洞布置形式对水力特性影
响的数值研究[J]. 水力发电学报, 2009, 28(3): 126-131.
FAN Ling, ZHANG Hongwei, LIU Zhiping, et al. Numerical study
on hydraulic characteristic of free surface flow in spillway tunnel with
different configuration [ J ]. Journal of Hydroelectric Engineering,
2009, 28(3): 126-131.
[4]  张春晋, 李永业, 孙西欢. 明流泄洪洞水力特性的二维数值模拟
与试验研究[J]. 长江科学院院报, 2016, 33(1): 54-60.
ZHANG Chunjin, LI Yongye, SUN Xihuan. Two-dimensional numerical simulation and experimental research of hydraulic characteristics
in spillway tunnel with free water surface [ J]. Journal of Yangtze
River Scientific Research Institute, 2016, 33(1): 54-60.
[5]  徐国宾, 章环境, 刘昉, 等. 龙抬头泄洪洞水力特性的数值模拟
[J]. 长江科学院院报, 2015, 32(1): 84-87.
XU Guobin, ZHANG Huanjing, LIU Fang, et al. Numerical simulation on hydraulic characteristic of high head ogee spillway tunnel [J].
Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2015, 32(1):
84-87.
[6]  陈瑞华, 杨吉健, 马麟, 等. 小湾水电站泄洪洞洞身数值模拟
[J]. 排灌机械工程学报, 2017, 35(6): 488-494.
CHEN Ruihua, YANG Jijian, MA Lin, et al. Numerical simulation
of tunnel of Xiaowan Hydropower Station [ J]. Journal of Drainage
and Irrigation Machinery Engineering, 2017, 35(6): 488-494.
[7]  翟保林, 刘亚坤. 高水头明流泄洪洞三维数值模拟[ J]. 水利与
建筑工程学报, 2017, 15(3): 31-34.
ZHAI Baolin, LIU Yakun. 3-D Numerical simulation of high water
head spillway tunnel with free surface [ J ]. Journal of Water
Resources and Architectural Engineering, 2017, 15(3): 31-34.
[8]  姜 攀, 尹进步, 何武全, 等. 有压泄洪洞弯道压力特性数值模拟
与试验研究[J]. 水力发电, 2016, 42(2): 49-53.
JIANG Pan, YIN Jinbu, HE Wuquan, et al. Numerical simulation
and experimental research on pressure characteristic of curved section
of pressure spillway tunnel [J]. Water Power, 2016, 42(2): 49-53.
[9]  邓 军, 许唯临, 雷军, 等. 高水头岸边泄洪洞水力特性的数值模
拟[J]. 水利学报, 2005(10): 1209-1212.
DENG Jun, XU Weilin, LEI Jun, et al. Numerical simulation of
hydraulic characteristics of high head spillway tunnel [J]. Journal of
Hydraulic Engineering, 2005(10): 1209-1212.
[10] 史晓薇, 王长新, 李琳. 高流速泄洪隧洞水力特性的三维数值模
拟[J]. 新疆农业大学学报, 2015, 38(6): 495-501.
SHI Xiaowei, WANG Changxin, LI Lin. Three dimensional numerical
simulation of hydraulic characteristics of spillway tunnel with high flow
velocity [ J]. Journal of Xinjiang Agricultural University, 2015, 38
(6): 495-501.
[11] 叶茂, 伍平, 王波, 等. 泄洪洞掺气水流的数值模拟研究[J]. 水
力发电学报, 2014, 33(4): 105-110.
YE Mao, WU Ping, WANG Bo, et al. Numerical simulation of
aerated flow in hydraulic tunnel [ J ]. Journal of Hydroelectric
Engineering, 2014, 33(4): 105-110.
[12] 胡涛, 王均星, 杜少磊. 大流量泄洪洞掺气坎水力特性数值模拟
[J]. 武汉大学学报(工学版), 2014, 47(5): 615-620.
HU Tao, WANG Junxing, DU Shaolei. Numerical simulation of
hydraulic characteristics of aerators in spillway tunnel with large
discharge [J]. Engineering Journal of Wuhan University, 2014, 47
(5): 615-620.
[13] 孙鹏飞, 姜哲, 崔维成, 等. 基于 CFD 的全海深载人潜水器直航
阻力性能研究[J]. 中国造船, 2019, 60(2): 77-87.
SUN Pengfei, JIANG Zhe, CUI Weicheng, et al. Numerical simulation of a full ocean depth manned submersible based on CFD method
[J]. Shipbuilding of China, 2019, 60(2): 77-87.
[14] 宛鹏翔, 范俊, 韩省思, 等. 冲击射流流动换热超大涡模拟研究
[J]. 推进技术, 2020, 41(10): 2237-2247.
WAN Pengxiang, FAN Jun, HAN Xingsi, et al. Very-large eddy
simulation of impinging jet flow and heat transfer [ J]. Journal of
Propulsion Technology, 2020, 41(10): 2237-2247.
[15] 李国杰, 黄萌, 陈斌. 基于 PISO 算法的非结构化网格 VOF 算法
[J]. 工程热物理学报, 2013, 34(3): 476-479.
LI Guojie, HUANG Meng, CHEN Bing. VOF method on unstructured
grid using PISO algorithm [ J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2013, 34(3): 476-479.
[16] 董玮, 何庆南, 梁武科, 等. 双蜗壳离心泵泵腔轴向宽度与流动

DONG Wei, HE Qingnan, LIANG Wuke, et al. Relationship
between axial width and flow characteristics of pump chamber in
double volute centrifugal pump [ J ]. Journal of Northwestern
Polytechnical University, 2020, 38(6): 1322-1329.
[17] 陈恺, 张震宇, 王同光, 等. 基于 CFD 的水平轴风力机叶尖小翼
增功研究[J]. 太阳能学报, 2021, 42(1): 272-278.
CHEN Kai, ZHANG Zhenyu, WANG Tongguang, et al. CFD-Based
power enhancement of winglets for horizontal-axis wind turbines [ J].
Acta Energiae Solaris Sinica, 2021, 42(1): 272-278.
[18] 张志君, 金柱男, 辛相锦, 等. 基于 VOF 方法的湿式离合器润滑
油路 CFD 数值模拟[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2020, 41
(5): 716-722.
ZHANG Zhijun, JIN Zhunan, XIN Xiangjin, et al. VOF method
based CFD numerical simulation for wet clutch lubricating oil passage
[ J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2020, 41
(5): 716-722.
[19] 罗永钦, 刁明军, 何大明, 等. 高坝明流泄洪洞掺气减蚀三维数
值模拟分析[J]. 水科学进展, 2012, 23(1): 110-116.
LUO Yongqin, DIAO Mingjun, HE Daming, et al. Numerical simulation of aeration and cavitation in high dam spillway tunnels [ J].
Advances in Water Science, 2012, 23(1): 110-116.
[20] 许文海, 党彦, 李国栋, 等. 双洞式溢洪洞三维流动的数值模拟
[J]. 水力发电学报, 2007(1): 56-60.
XU Wenhai, DANG Yan, LI Guodong, et al. Three dimensional
numerical simulation of the bi-tunnel spillway flow [ J]. Journal of
Hydroelectric Engineering, 2007(1): 56-60.
[21] 李爱华, 王腾, 刘沛清. 溪洛渡坝区岩石河床冲刷过程数值模拟
[J]. 水力发电学报, 2012, 31(5): 154-158.
LI Aihua, WANG Teng, LIU Peiqing. Numerical simulation of rock
bed scour behind the dam of Xiluodu hydropower station [J]. Journal
of Hydroelectric Engineering, 2012, 31(5): 154-15

Flow velocity profiles for canals with a depth of 3 m and flow velocities of 5–5.3 m/s.

Optimization Algorithms and Engineering: Recent Advances and Applications

Mahdi Feizbahr,1 Navid Tonekaboni,2Guang-Jun Jiang,3,4 and Hong-Xia Chen3,4Show moreAcademic Editor: Mohammad YazdiReceived08 Apr 2021Revised18 Jun 2021Accepted17 Jul 2021Published11 Aug 2021

Abstract

Vegetation along the river increases the roughness and reduces the average flow velocity, reduces flow energy, and changes the flow velocity profile in the cross section of the river. Many canals and rivers in nature are covered with vegetation during the floods. Canal’s roughness is strongly affected by plants and therefore it has a great effect on flow resistance during flood. Roughness resistance against the flow due to the plants depends on the flow conditions and plant, so the model should simulate the current velocity by considering the effects of velocity, depth of flow, and type of vegetation along the canal. Total of 48 models have been simulated to investigate the effect of roughness in the canal. The results indicated that, by enhancing the velocity, the effect of vegetation in decreasing the bed velocity is negligible, while when the current has lower speed, the effect of vegetation on decreasing the bed velocity is obviously considerable.


강의 식생은 거칠기를 증가시키고 평균 유속을 감소시키며, 유속 에너지를 감소시키고 강의 단면에서 유속 프로파일을 변경합니다. 자연의 많은 운하와 강은 홍수 동안 초목으로 덮여 있습니다. 운하의 조도는 식물의 영향을 많이 받으므로 홍수시 유동저항에 큰 영향을 미칩니다. 식물로 인한 흐름에 대한 거칠기 저항은 흐름 조건 및 식물에 따라 다르므로 모델은 유속, 흐름 깊이 및 운하를 따라 식생 유형의 영향을 고려하여 현재 속도를 시뮬레이션해야 합니다. 근관의 거칠기의 영향을 조사하기 위해 총 48개의 모델이 시뮬레이션되었습니다. 결과는 유속을 높임으로써 유속을 감소시키는 식생의 영향은 무시할 수 있는 반면, 해류가 더 낮은 유속일 때 유속을 감소시키는 식생의 영향은 분명히 상당함을 나타냈다.

1. Introduction

Considering the impact of each variable is a very popular field within the analytical and statistical methods and intelligent systems [114]. This can help research for better modeling considering the relation of variables or interaction of them toward reaching a better condition for the objective function in control and engineering [1527]. Consequently, it is necessary to study the effects of the passive factors on the active domain [2836]. Because of the effect of vegetation on reducing the discharge capacity of rivers [37], pruning plants was necessary to improve the condition of rivers. One of the important effects of vegetation in river protection is the action of roots, which cause soil consolidation and soil structure improvement and, by enhancing the shear strength of soil, increase the resistance of canal walls against the erosive force of water. The outer limbs of the plant increase the roughness of the canal walls and reduce the flow velocity and deplete the flow energy in vicinity of the walls. Vegetation by reducing the shear stress of the canal bed reduces flood discharge and sedimentation in the intervals between vegetation and increases the stability of the walls [3841].

One of the main factors influencing the speed, depth, and extent of flood in this method is Manning’s roughness coefficient. On the other hand, soil cover [42], especially vegetation, is one of the most determining factors in Manning’s roughness coefficient. Therefore, it is expected that those seasonal changes in the vegetation of the region will play an important role in the calculated value of Manning’s roughness coefficient and ultimately in predicting the flood wave behavior [4345]. The roughness caused by plants’ resistance to flood current depends on the flow and plant conditions. Flow conditions include depth and velocity of the plant, and plant conditions include plant type, hardness or flexibility, dimensions, density, and shape of the plant [46]. In general, the issue discussed in this research is the optimization of flood-induced flow in canals by considering the effect of vegetation-induced roughness. Therefore, the effect of plants on the roughness coefficient and canal transmission coefficient and in consequence the flow depth should be evaluated [4748].

Current resistance is generally known by its roughness coefficient. The equation that is mainly used in this field is Manning equation. The ratio of shear velocity to average current velocity  is another form of current resistance. The reason for using the  ratio is that it is dimensionless and has a strong theoretical basis. The reason for using Manning roughness coefficient is its pervasiveness. According to Freeman et al. [49], the Manning roughness coefficient for plants was calculated according to the Kouwen and Unny [50] method for incremental resistance. This method involves increasing the roughness for various surface and plant irregularities. Manning’s roughness coefficient has all the factors affecting the resistance of the canal. Therefore, the appropriate way to more accurately estimate this coefficient is to know the factors affecting this coefficient [51].

To calculate the flow rate, velocity, and depth of flow in canals as well as flood and sediment estimation, it is important to evaluate the flow resistance. To determine the flow resistance in open ducts, Manning, Chézy, and Darcy–Weisbach relations are used [52]. In these relations, there are parameters such as Manning’s roughness coefficient (n), Chézy roughness coefficient (C), and Darcy–Weisbach coefficient (f). All three of these coefficients are a kind of flow resistance coefficient that is widely used in the equations governing flow in rivers [53].

The three relations that express the relationship between the average flow velocity (V) and the resistance and geometric and hydraulic coefficients of the canal are as follows:where nf, and c are Manning, Darcy–Weisbach, and Chézy coefficients, respectively. V = average flow velocity, R = hydraulic radius, Sf = slope of energy line, which in uniform flow is equal to the slope of the canal bed,  = gravitational acceleration, and Kn is a coefficient whose value is equal to 1 in the SI system and 1.486 in the English system. The coefficients of resistance in equations (1) to (3) are related as follows:

Based on the boundary layer theory, the flow resistance for rough substrates is determined from the following general relation:where f = Darcy–Weisbach coefficient of friction, y = flow depth, Ks = bed roughness size, and A = constant coefficient.

On the other hand, the relationship between the Darcy–Weisbach coefficient of friction and the shear velocity of the flow is as follows:

By using equation (6), equation (5) is converted as follows:

Investigation on the effect of vegetation arrangement on shear velocity of flow in laboratory conditions showed that, with increasing the shear Reynolds number (), the numerical value of the  ratio also increases; in other words the amount of roughness coefficient increases with a slight difference in the cases without vegetation, checkered arrangement, and cross arrangement, respectively [54].

Roughness in river vegetation is simulated in mathematical models with a variable floor slope flume by different densities and discharges. The vegetation considered submerged in the bed of the flume. Results showed that, with increasing vegetation density, canal roughness and flow shear speed increase and with increasing flow rate and depth, Manning’s roughness coefficient decreases. Factors affecting the roughness caused by vegetation include the effect of plant density and arrangement on flow resistance, the effect of flow velocity on flow resistance, and the effect of depth [4555].

One of the works that has been done on the effect of vegetation on the roughness coefficient is Darby [56] study, which investigates a flood wave model that considers all the effects of vegetation on the roughness coefficient. There are currently two methods for estimating vegetation roughness. One method is to add the thrust force effect to Manning’s equation [475758] and the other method is to increase the canal bed roughness (Manning-Strickler coefficient) [455961]. These two methods provide acceptable results in models designed to simulate floodplain flow. Wang et al. [62] simulate the floodplain with submerged vegetation using these two methods and to increase the accuracy of the results, they suggested using the effective height of the plant under running water instead of using the actual height of the plant. Freeman et al. [49] provided equations for determining the coefficient of vegetation roughness under different conditions. Lee et al. [63] proposed a method for calculating the Manning coefficient using the flow velocity ratio at different depths. Much research has been done on the Manning roughness coefficient in rivers, and researchers [496366] sought to obtain a specific number for n to use in river engineering. However, since the depth and geometric conditions of rivers are completely variable in different places, the values of Manning roughness coefficient have changed subsequently, and it has not been possible to choose a fixed number. In river engineering software, the Manning roughness coefficient is determined only for specific and constant conditions or normal flow. Lee et al. [63] stated that seasonal conditions, density, and type of vegetation should also be considered. Hydraulic roughness and Manning roughness coefficient n of the plant were obtained by estimating the total Manning roughness coefficient from the matching of the measured water surface curve and water surface height. The following equation is used for the flow surface curve:where  is the depth of water change, S0 is the slope of the canal floor, Sf is the slope of the energy line, and Fr is the Froude number which is obtained from the following equation:where D is the characteristic length of the canal. Flood flow velocity is one of the important parameters of flood waves, which is very important in calculating the water level profile and energy consumption. In the cases where there are many limitations for researchers due to the wide range of experimental dimensions and the variety of design parameters, the use of numerical methods that are able to estimate the rest of the unknown results with acceptable accuracy is economically justified.

FLOW-3D software uses Finite Difference Method (FDM) for numerical solution of two-dimensional and three-dimensional flow. This software is dedicated to computational fluid dynamics (CFD) and is provided by Flow Science [67]. The flow is divided into networks with tubular cells. For each cell there are values of dependent variables and all variables are calculated in the center of the cell, except for the velocity, which is calculated at the center of the cell. In this software, two numerical techniques have been used for geometric simulation, FAVOR™ (Fractional-Area-Volume-Obstacle-Representation) and the VOF (Volume-of-Fluid) method. The equations used at this model for this research include the principle of mass survival and the magnitude of motion as follows. The fluid motion equations in three dimensions, including the Navier–Stokes equations with some additional terms, are as follows:where  are mass accelerations in the directions xyz and  are viscosity accelerations in the directions xyz and are obtained from the following equations:

Shear stresses  in equation (11) are obtained from the following equations:

The standard model is used for high Reynolds currents, but in this model, RNG theory allows the analytical differential formula to be used for the effective viscosity that occurs at low Reynolds numbers. Therefore, the RNG model can be used for low and high Reynolds currents.

Weather changes are high and this affects many factors continuously. The presence of vegetation in any area reduces the velocity of surface flows and prevents soil erosion, so vegetation will have a significant impact on reducing destructive floods. One of the methods of erosion protection in floodplain watersheds is the use of biological methods. The presence of vegetation in watersheds reduces the flow rate during floods and prevents soil erosion. The external organs of plants increase the roughness and decrease the velocity of water flow and thus reduce its shear stress energy. One of the important factors with which the hydraulic resistance of plants is expressed is the roughness coefficient. Measuring the roughness coefficient of plants and investigating their effect on reducing velocity and shear stress of flow is of special importance.

Roughness coefficients in canals are affected by two main factors, namely, flow conditions and vegetation characteristics [68]. So far, much research has been done on the effect of the roughness factor created by vegetation, but the issue of plant density has received less attention. For this purpose, this study was conducted to investigate the effect of vegetation density on flow velocity changes.

In a study conducted using a software model on three density modes in the submerged state effect on flow velocity changes in 48 different modes was investigated (Table 1).Table 1 The studied models.

The number of cells used in this simulation is equal to 1955888 cells. The boundary conditions were introduced to the model as a constant speed and depth (Figure 1). At the output boundary, due to the presence of supercritical current, no parameter for the current is considered. Absolute roughness for floors and walls was introduced to the model (Figure 1). In this case, the flow was assumed to be nonviscous and air entry into the flow was not considered. After  seconds, this model reached a convergence accuracy of .

Figure 1 The simulated model and its boundary conditions.

Due to the fact that it is not possible to model the vegetation in FLOW-3D software, in this research, the vegetation of small soft plants was studied so that Manning’s coefficients can be entered into the canal bed in the form of roughness coefficients obtained from the studies of Chow [69] in similar conditions. In practice, in such modeling, the effect of plant height is eliminated due to the small height of herbaceous plants, and modeling can provide relatively acceptable results in these conditions.

48 models with input velocities proportional to the height of the regular semihexagonal canal were considered to create supercritical conditions. Manning coefficients were applied based on Chow [69] studies in order to control the canal bed. Speed profiles were drawn and discussed.

Any control and simulation system has some inputs that we should determine to test any technology [7077]. Determination and true implementation of such parameters is one of the key steps of any simulation [237881] and computing procedure [8286]. The input current is created by applying the flow rate through the VFR (Volume Flow Rate) option and the output flow is considered Output and for other borders the Symmetry option is considered.

Simulation of the models and checking their action and responses and observing how a process behaves is one of the accepted methods in engineering and science [8788]. For verification of FLOW-3D software, the results of computer simulations are compared with laboratory measurements and according to the values of computational error, convergence error, and the time required for convergence, the most appropriate option for real-time simulation is selected (Figures 2 and 3 ).

Figure 2 Modeling the plant with cylindrical tubes at the bottom of the canal.

Figure 3 Velocity profiles in positions 2 and 5.

The canal is 7 meters long, 0.5 meters wide, and 0.8 meters deep. This test was used to validate the application of the software to predict the flow rate parameters. In this experiment, instead of using the plant, cylindrical pipes were used in the bottom of the canal.

The conditions of this modeling are similar to the laboratory conditions and the boundary conditions used in the laboratory were used for numerical modeling. The critical flow enters the simulation model from the upstream boundary, so in the upstream boundary conditions, critical velocity and depth are considered. The flow at the downstream boundary is supercritical, so no parameters are applied to the downstream boundary.

The software well predicts the process of changing the speed profile in the open canal along with the considered obstacles. The error in the calculated speed values can be due to the complexity of the flow and the interaction of the turbulence caused by the roughness of the floor with the turbulence caused by the three-dimensional cycles in the hydraulic jump. As a result, the software is able to predict the speed distribution in open canals.

2. Modeling Results

After analyzing the models, the results were shown in graphs (Figures 414 ). The total number of experiments in this study was 48 due to the limitations of modeling.(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)Figure 4 Flow velocity profiles for canals with a depth of 1 m and flow velocities of 3–3.3 m/s. Canal with a depth of 1 meter and a flow velocity of (a) 3 meters per second, (b) 3.1 meters per second, (c) 3.2 meters per second, and (d) 3.3 meters per second.

Figure 5 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3 meters per second.

Figure 6 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3.1 meters per second.

Figure 7 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3.2 meters per second.

Figure 8 Canal diagram with a depth of 1 meter and a flow rate of 3.3 meters per second.(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)Figure 9 Flow velocity profiles for canals with a depth of 2 m and flow velocities of 4–4.3 m/s. Canal with a depth of 2 meters and a flow rate of (a) 4 meters per second, (b) 4.1 meters per second, (c) 4.2 meters per second, and (d) 4.3 meters per second.

Figure 10 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4 meters per second.

Figure 11 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4.1 meters per second.

Figure 12 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4.2 meters per second.

Figure 13 Canal diagram with a depth of 2 meters and a flow rate of 4.3 meters per second.(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(d)
(d)Figure 14 Flow velocity profiles for canals with a depth of 3 m and flow velocities of 5–5.3 m/s. Canal with a depth of 2 meters and a flow rate of (a) 4 meters per second, (b) 4.1 meters per second, (c) 4.2 meters per second, and (d) 4.3 meters per second.

To investigate the effects of roughness with flow velocity, the trend of flow velocity changes at different depths and with supercritical flow to a Froude number proportional to the depth of the section has been obtained.

According to the velocity profiles of Figure 5, it can be seen that, with the increasing of Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases.

According to Figures 5 to 8, it can be found that, with increasing the Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the models 1 to 12, which can be justified by increasing the speed and of course increasing the Froude number.

According to Figure 10, we see that, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases.

According to Figure 11, we see that, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of Figures 510, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

With increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases (Figure 12). But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher models (Figures 58 and 1011), which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

According to Figure 13, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of Figures 5 to 12, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

According to Figure 15, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases.

Figure 15 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5 meters per second.

According to Figure 16, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher model, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

Figure 16 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5.1 meters per second.

According to Figure 17, it is clear that, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher models, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

Figure 17 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5.2 meters per second.

According to Figure 18, with increasing Manning’s coefficient, the canal bed speed decreases. But this deceleration is more noticeable than the deceleration of the higher models, which can be justified by increasing the speed and, of course, increasing the Froude number.

Figure 18 Canal diagram with a depth of 3 meters and a flow rate of 5.3 meters per second.

According to Figure 19, it can be seen that the vegetation placed in front of the flow input velocity has negligible effect on the reduction of velocity, which of course can be justified due to the flexibility of the vegetation. The only unusual thing is the unexpected decrease in floor speed of 3 m/s compared to higher speeds.(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)Figure 19 Comparison of velocity profiles with the same plant densities (depth 1 m). Comparison of velocity profiles with (a) plant densities of 25%, depth 1 m; (b) plant densities of 50%, depth 1 m; and (c) plant densities of 75%, depth 1 m.

According to Figure 20, by increasing the speed of vegetation, the effect of vegetation on reducing the flow rate becomes more noticeable. And the role of input current does not have much effect in reducing speed.(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)Figure 20 Comparison of velocity profiles with the same plant densities (depth 2 m). Comparison of velocity profiles with (a) plant densities of 25%, depth 2 m; (b) plant densities of 50%, depth 2 m; and (c) plant densities of 75%, depth 2 m.

According to Figure 21, it can be seen that, with increasing speed, the effect of vegetation on reducing the bed flow rate becomes more noticeable and the role of the input current does not have much effect. In general, it can be seen that, by increasing the speed of the input current, the slope of the profiles increases from the bed to the water surface and due to the fact that, in software, the roughness coefficient applies to the channel floor only in the boundary conditions, this can be perfectly justified. Of course, it can be noted that, due to the flexible conditions of the vegetation of the bed, this modeling can show acceptable results for such grasses in the canal floor. In the next directions, we may try application of swarm-based optimization methods for modeling and finding the most effective factors in this research [27815188994]. In future, we can also apply the simulation logic and software of this research for other domains such as power engineering [9599].(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)(a)
(a)(b)
(b)(c)
(c)Figure 21 Comparison of velocity profiles with the same plant densities (depth 3 m). Comparison of velocity profiles with (a) plant densities of 25%, depth 3 m; (b) plant densities of 50%, depth 3 m; and (c) plant densities of 75%, depth 3 m.

3. Conclusion

The effects of vegetation on the flood canal were investigated by numerical modeling with FLOW-3D software. After analyzing the results, the following conclusions were reached:(i)Increasing the density of vegetation reduces the velocity of the canal floor but has no effect on the velocity of the canal surface.(ii)Increasing the Froude number is directly related to increasing the speed of the canal floor.(iii)In the canal with a depth of one meter, a sudden increase in speed can be observed from the lowest speed and higher speed, which is justified by the sudden increase in Froude number.(iv)As the inlet flow rate increases, the slope of the profiles from the bed to the water surface increases.(v)By reducing the Froude number, the effect of vegetation on reducing the flow bed rate becomes more noticeable. And the input velocity in reducing the velocity of the canal floor does not have much effect.(vi)At a flow rate between 3 and 3.3 meters per second due to the shallow depth of the canal and the higher landing number a more critical area is observed in which the flow bed velocity in this area is between 2.86 and 3.1 m/s.(vii)Due to the critical flow velocity and the slight effect of the roughness of the horseshoe vortex floor, it is not visible and is only partially observed in models 1-2-3 and 21.(viii)As the flow rate increases, the effect of vegetation on the rate of bed reduction decreases.(ix)In conditions where less current intensity is passing, vegetation has a greater effect on reducing current intensity and energy consumption increases.(x)In the case of using the flow rate of 0.8 cubic meters per second, the velocity distribution and flow regime show about 20% more energy consumption than in the case of using the flow rate of 1.3 cubic meters per second.

Nomenclature

n:Manning’s roughness coefficient
C:Chézy roughness coefficient
f:Darcy–Weisbach coefficient
V:Flow velocity
R:Hydraulic radius
g:Gravitational acceleration
y:Flow depth
Ks:Bed roughness
A:Constant coefficient
:Reynolds number
y/∂x:Depth of water change
S0:Slope of the canal floor
Sf:Slope of energy line
Fr:Froude number
D:Characteristic length of the canal
G:Mass acceleration
:Shear stresses.

Data Availability

All data are included within the paper.

Conflicts of Interest

The authors declare that they have no conflicts of interest.

Acknowledgments

This work was partially supported by the National Natural Science Foundation of China under Contract no. 71761030 and Natural Science Foundation of Inner Mongolia under Contract no. 2019LH07003.

References

  1. H. Yu, L. Jie, W. Gui et al., “Dynamic Gaussian bare-bones fruit fly optimizers with abandonment mechanism: method and analysis,” Engineering with Computers, vol. 20, pp. 1–29, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  2. X. Zhao, D. Li, B. Yang, C. Ma, Y. Zhu, and H. Chen, “Feature selection based on improved ant colony optimization for online detection of foreign fiber in cotton,” Applied Soft Computing, vol. 24, pp. 585–596, 2014.View at: Publisher Site | Google Scholar
  3. J. Hu, H. Chen, A. A. Heidari et al., “Orthogonal learning covariance matrix for defects of grey wolf optimizer: insights, balance, diversity, and feature selection,” Knowledge-Based Systems, vol. 213, Article ID 106684, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
  4. C. Yu, M. Chen, K. Chen et al., “SGOA: annealing-behaved grasshopper optimizer for global tasks,” Engineering with Computers, vol. 4, pp. 1–28, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
  5. W. Shan, Z. Qiao, A. A. Heidari, H. Chen, H. Turabieh, and Y. Teng, “Double adaptive weights for stabilization of moth flame optimizer: balance analysis, engineering cases, and medical diagnosis,” Knowledge-Based Systems, vol. 8, Article ID 106728, 2020.View at: Google Scholar
  6. J. Tu, H. Chen, J. Liu et al., “Evolutionary biogeography-based whale optimization methods with communication structure: towards measuring the balance,” Knowledge-Based Systems, vol. 212, Article ID 106642, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
  7. Y. Zhang, R. Liu, X. Wang et al., “Towards augmented kernel extreme learning models for bankruptcy prediction: algorithmic behavior and comprehensive analysis,” Neurocomputing, vol. 430, 2020.View at: Google Scholar
  8. H.-L. Chen, G. Wang, C. Ma, Z.-N. Cai, W.-B. Liu, and S.-J. Wang, “An efficient hybrid kernel extreme learning machine approach for early diagnosis of Parkinson׳s disease,” Neurocomputing, vol. 184, pp. 131–144, 2016.View at: Publisher Site | Google Scholar
  9. J. Xia, H. Chen, Q. Li et al., “Ultrasound-based differentiation of malignant and benign thyroid Nodules: an extreme learning machine approach,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 147, pp. 37–49, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
  10. C. Li, L. Hou, B. Y. Sharma et al., “Developing a new intelligent system for the diagnosis of tuberculous pleural effusion,” Computer Methods and Programs in Biomedicine, vol. 153, pp. 211–225, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
  11. X. Xu and H.-L. Chen, “Adaptive computational chemotaxis based on field in bacterial foraging optimization,” Soft Computing, vol. 18, no. 4, pp. 797–807, 2014.View at: Publisher Site | Google Scholar
  12. M. Wang, H. Chen, B. Yang et al., “Toward an optimal kernel extreme learning machine using a chaotic moth-flame optimization strategy with applications in medical diagnoses,” Neurocomputing, vol. 267, pp. 69–84, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
  13. L. Chao, K. Zhang, Z. Li, Y. Zhu, J. Wang, and Z. Yu, “Geographically weighted regression based methods for merging satellite and gauge precipitation,” Journal of Hydrology, vol. 558, pp. 275–289, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
  14. F. J. Golrokh, G. Azeem, and A. Hasan, “Eco-efficiency evaluation in cement industries: DEA malmquist productivity index using optimization models,” ENG Transactions, vol. 1, 2020.View at: Google Scholar
  15. D. Zhao, L. Lei, F. Yu et al., “Chaotic random spare ant colony optimization for multi-threshold image segmentation of 2D Kapur entropy,” Knowledge-Based Systems, vol. 8, Article ID 106510, 2020.View at: Google Scholar
  16. Y. Zhang, R. Liu, X. Wang, H. Chen, and C. Li, “Boosted binary Harris hawks optimizer and feature selection,” Engineering with Computers, vol. 517, pp. 1–30, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  17. L. Hu, G. Hong, J. Ma, X. Wang, and H. Chen, “An efficient machine learning approach for diagnosis of paraquat-poisoned patients,” Computers in Biology and Medicine, vol. 59, pp. 116–124, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
  18. L. Shen, H. Chen, Z. Yu et al., “Evolving support vector machines using fruit fly optimization for medical data classification,” Knowledge-Based Systems, vol. 96, pp. 61–75, 2016.View at: Publisher Site | Google Scholar
  19. X. Zhao, X. Zhang, Z. Cai et al., “Chaos enhanced grey wolf optimization wrapped ELM for diagnosis of paraquat-poisoned patients,” Computational Biology and Chemistry, vol. 78, pp. 481–490, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  20. Y. Xu, H. Chen, J. Luo, Q. Zhang, S. Jiao, and X. Zhang, “Enhanced Moth-flame optimizer with mutation strategy for global optimization,” Information Sciences, vol. 492, pp. 181–203, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  21. M. Wang and H. Chen, “Chaotic multi-swarm whale optimizer boosted support vector machine for medical diagnosis,” Applied Soft Computing Journal, vol. 88, Article ID 105946, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  22. Y. Chen, J. Li, H. Lu, and P. Yan, “Coupling system dynamics analysis and risk aversion programming for optimizing the mixed noise-driven shale gas-water supply chains,” Journal of Cleaner Production, vol. 278, Article ID 123209, 2020.View at: Google Scholar
  23. H. Tang, Y. Xu, A. Lin et al., “Predicting green consumption behaviors of students using efficient firefly grey wolf-assisted K-nearest neighbor classifiers,” IEEE Access, vol. 8, pp. 35546–35562, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  24. H.-J. Ma and G.-H. Yang, “Adaptive fault tolerant control of cooperative heterogeneous systems with actuator faults and unreliable interconnections,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 61, no. 11, pp. 3240–3255, 2015.View at: Google Scholar
  25. H.-J. Ma and L.-X. Xu, “Decentralized adaptive fault-tolerant control for a class of strong interconnected nonlinear systems via graph theory,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 66, 2020.View at: Google Scholar
  26. H. J. Ma, L. X. Xu, and G. H. Yang, “Multiple environment integral reinforcement learning-based fault-tolerant control for affine nonlinear systems,” IEEE Transactions on Cybernetics, vol. 51, pp. 1–16, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  27. J. Hu, M. Wang, C. Zhao, Q. Pan, and C. Du, “Formation control and collision avoidance for multi-UAV systems based on Voronoi partition,” Science China Technological Sciences, vol. 63, no. 1, pp. 65–72, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  28. C. Zhang, H. Li, Y. Qian, C. Chen, and X. Zhou, “Locality-constrained discriminative matrix regression for robust face identification,” IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, vol. 99, pp. 1–15, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  29. X. Zhang, D. Wang, Z. Zhou, and Y. Ma, “Robust low-rank tensor recovery with rectification and alignment,” IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 43, no. 1, pp. 238–255, 2019.View at: Google Scholar
  30. X. Zhang, J. Wang, T. Wang, R. Jiang, J. Xu, and L. Zhao, “Robust feature learning for adversarial defense via hierarchical feature alignment,” Information Sciences, vol. 560, 2020.View at: Google Scholar
  31. X. Zhang, R. Jiang, T. Wang, and J. Wang, “Recursive neural network for video deblurring,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 03, p. 1, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  32. X. Zhang, T. Wang, J. Wang, G. Tang, and L. Zhao, “Pyramid channel-based feature attention network for image dehazing,” Computer Vision and Image Understanding, vol. 197-198, Article ID 103003, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  33. X. Zhang, T. Wang, W. Luo, and P. Huang, “Multi-level fusion and attention-guided CNN for image dehazing,” IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 3, p. 1, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  34. L. He, J. Shen, and Y. Zhang, “Ecological vulnerability assessment for ecological conservation and environmental management,” Journal of Environmental Management, vol. 206, pp. 1115–1125, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
  35. Y. Chen, W. Zheng, W. Li, and Y. Huang, “Large group Activity security risk assessment and risk early warning based on random forest algorithm,” Pattern Recognition Letters, vol. 144, pp. 1–5, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
  36. J. Hu, H. Zhang, Z. Li, C. Zhao, Z. Xu, and Q. Pan, “Object traversing by monocular UAV in outdoor environment,” Asian Journal of Control, vol. 25, 2020.View at: Google Scholar
  37. P. Tian, H. Lu, W. Feng, Y. Guan, and Y. Xue, “Large decrease in streamflow and sediment load of Qinghai-Tibetan Plateau driven by future climate change: a case study in Lhasa River Basin,” Catena, vol. 187, Article ID 104340, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  38. A. Stokes, C. Atger, A. G. Bengough, T. Fourcaud, and R. C. Sidle, “Desirable plant root traits for protecting natural and engineered slopes against landslides,” Plant and Soil, vol. 324, no. 1, pp. 1–30, 2009.View at: Publisher Site | Google Scholar
  39. T. B. Devi, A. Sharma, and B. Kumar, “Studies on emergent flow over vegetative channel bed with downward seepage,” Hydrological Sciences Journal, vol. 62, no. 3, pp. 408–420, 2017.View at: Google Scholar
  40. G. Ireland, M. Volpi, and G. Petropoulos, “Examining the capability of supervised machine learning classifiers in extracting flooded areas from Landsat TM imagery: a case study from a Mediterranean flood,” Remote Sensing, vol. 7, no. 3, pp. 3372–3399, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
  41. L. Goodarzi and S. Javadi, “Assessment of aquifer vulnerability using the DRASTIC model; a case study of the Dezful-Andimeshk Aquifer,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering, vol. 2, no. 1, pp. 17–22, 2016.View at: Google Scholar
  42. K. Zhang, Q. Wang, L. Chao et al., “Ground observation-based analysis of soil moisture spatiotemporal variability across a humid to semi-humid transitional zone in China,” Journal of Hydrology, vol. 574, pp. 903–914, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  43. L. De Doncker, P. Troch, R. Verhoeven, K. Bal, P. Meire, and J. Quintelier, “Determination of the Manning roughness coefficient influenced by vegetation in the river Aa and Biebrza river,” Environmental Fluid Mechanics, vol. 9, no. 5, pp. 549–567, 2009.View at: Publisher Site | Google Scholar
  44. M. Fathi-Moghadam and K. Drikvandi, “Manning roughness coefficient for rivers and flood plains with non-submerged vegetation,” International Journal of Hydraulic Engineering, vol. 1, no. 1, pp. 1–4, 2012.View at: Google Scholar
  45. F.-C. Wu, H. W. Shen, and Y.-J. Chou, “Variation of roughness coefficients for unsubmerged and submerged vegetation,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 125, no. 9, pp. 934–942, 1999.View at: Publisher Site | Google Scholar
  46. M. K. Wood, “Rangeland vegetation-hydrologic interactions,” in Vegetation Science Applications for Rangeland Analysis and Management, vol. 3, pp. 469–491, Springer, 1988.View at: Publisher Site | Google Scholar
  47. C. Wilson, O. Yagci, H.-P. Rauch, and N. Olsen, “3D numerical modelling of a willow vegetated river/floodplain system,” Journal of Hydrology, vol. 327, no. 1-2, pp. 13–21, 2006.View at: Publisher Site | Google Scholar
  48. R. Yazarloo, M. Khamehchian, and M. R. Nikoodel, “Observational-computational 3d engineering geological model and geotechnical characteristics of young sediments of golestan province,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 03, 2017.View at: Google Scholar
  49. G. E. Freeman, W. H. Rahmeyer, and R. R. Copeland, “Determination of resistance due to shrubs and woody vegetation,” International Journal of River Basin Management, vol. 19, 2000.View at: Google Scholar
  50. N. Kouwen and T. E. Unny, “Flexible roughness in open channels,” Journal of the Hydraulics Division, vol. 99, no. 5, pp. 713–728, 1973.View at: Publisher Site | Google Scholar
  51. S. Hosseini and J. Abrishami, Open Channel Hydraulics, Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 2007.
  52. C. S. James, A. L. Birkhead, A. A. Jordanova, and J. J. O’Sullivan, “Flow resistance of emergent vegetation,” Journal of Hydraulic Research, vol. 42, no. 4, pp. 390–398, 2004.View at: Publisher Site | Google Scholar
  53. F. Huthoff and D. Augustijn, “Channel roughness in 1D steady uniform flow: Manning or Chézy?,,” NCR-days, vol. 102, 2004.View at: Google Scholar
  54. M. S. Sabegh, M. Saneie, M. Habibi, A. A. Abbasi, and M. Ghadimkhani, “Experimental investigation on the effect of river bank tree planting array, on shear velocity,” Journal of Watershed Engineering and Management, vol. 2, no. 4, 2011.View at: Google Scholar
  55. A. Errico, V. Pasquino, M. Maxwald, G. B. Chirico, L. Solari, and F. Preti, “The effect of flexible vegetation on flow in drainage channels: estimation of roughness coefficients at the real scale,” Ecological Engineering, vol. 120, pp. 411–421, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
  56. S. E. Darby, “Effect of riparian vegetation on flow resistance and flood potential,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 125, no. 5, pp. 443–454, 1999.View at: Publisher Site | Google Scholar
  57. V. Kutija and H. Thi Minh Hong, “A numerical model for assessing the additional resistance to flow introduced by flexible vegetation,” Journal of Hydraulic Research, vol. 34, no. 1, pp. 99–114, 1996.View at: Publisher Site | Google Scholar
  58. T. Fischer-Antze, T. Stoesser, P. Bates, and N. R. B. Olsen, “3D numerical modelling of open-channel flow with submerged vegetation,” Journal of Hydraulic Research, vol. 39, no. 3, pp. 303–310, 2001.View at: Publisher Site | Google Scholar
  59. U. Stephan and D. Gutknecht, “Hydraulic resistance of submerged flexible vegetation,” Journal of Hydrology, vol. 269, no. 1-2, pp. 27–43, 2002.View at: Publisher Site | Google Scholar
  60. F. G. Carollo, V. Ferro, and D. Termini, “Flow resistance law in channels with flexible submerged vegetation,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. 131, no. 7, pp. 554–564, 2005.View at: Publisher Site | Google Scholar
  61. W. Fu-sheng, “Flow resistance of flexible vegetation in open channel,” Journal of Hydraulic Engineering, vol. S1, 2007.View at: Google Scholar
  62. P.-f. Wang, C. Wang, and D. Z. Zhu, “Hydraulic resistance of submerged vegetation related to effective height,” Journal of Hydrodynamics, vol. 22, no. 2, pp. 265–273, 2010.View at: Publisher Site | Google Scholar
  63. J. K. Lee, L. C. Roig, H. L. Jenter, and H. M. Visser, “Drag coefficients for modeling flow through emergent vegetation in the Florida Everglades,” Ecological Engineering, vol. 22, no. 4-5, pp. 237–248, 2004.View at: Publisher Site | Google Scholar
  64. G. J. Arcement and V. R. Schneider, Guide for Selecting Manning’s Roughness Coefficients for Natural Channels and Flood Plains, US Government Printing Office, Washington, DC, USA, 1989.
  65. Y. Ding and S. S. Y. Wang, “Identification of Manning’s roughness coefficients in channel network using adjoint analysis,” International Journal of Computational Fluid Dynamics, vol. 19, no. 1, pp. 3–13, 2005.View at: Publisher Site | Google Scholar
  66. E. T. Engman, “Roughness coefficients for routing surface runoff,” Journal of Irrigation and Drainage Engineering, vol. 112, no. 1, pp. 39–53, 1986.View at: Publisher Site | Google Scholar
  67. M. Feizbahr, C. Kok Keong, F. Rostami, and M. Shahrokhi, “Wave energy dissipation using perforated and non perforated piles,” International Journal of Engineering, vol. 31, no. 2, pp. 212–219, 2018.View at: Publisher Site | Google Scholar
  68. M. Farzadkhoo, A. Keshavarzi, H. Hamidifar, and M. Javan, “Sudden pollutant discharge in vegetated compound meandering rivers,” Catena, vol. 182, Article ID 104155, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  69. V. T. Chow, Open-channel Hydraulics, Mcgraw-Hill Civil Engineering Series, Chennai, TN, India, 1959.
  70. X. Zhang, R. Jing, Z. Li, Z. Li, X. Chen, and C.-Y. Su, “Adaptive pseudo inverse control for a class of nonlinear asymmetric and saturated nonlinear hysteretic systems,” IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica, vol. 8, no. 4, pp. 916–928, 2020.View at: Google Scholar
  71. C. Zuo, Q. Chen, L. Tian, L. Waller, and A. Asundi, “Transport of intensity phase retrieval and computational imaging for partially coherent fields: the phase space perspective,” Optics and Lasers in Engineering, vol. 71, pp. 20–32, 2015.View at: Publisher Site | Google Scholar
  72. C. Zuo, J. Sun, J. Li, J. Zhang, A. Asundi, and Q. Chen, “High-resolution transport-of-intensity quantitative phase microscopy with annular illumination,” Scientific Reports, vol. 7, no. 1, pp. 7654–7722, 2017.View at: Publisher Site | Google Scholar
  73. B.-H. Li, Y. Liu, A.-M. Zhang, W.-H. Wang, and S. Wan, “A survey on blocking technology of entity resolution,” Journal of Computer Science and Technology, vol. 35, no. 4, pp. 769–793, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  74. Y. Liu, B. Zhang, Y. Feng et al., “Development of 340-GHz transceiver front end based on GaAs monolithic integration technology for THz active imaging array,” Applied Sciences, vol. 10, no. 21, p. 7924, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  75. J. Hu, H. Zhang, L. Liu, X. Zhu, C. Zhao, and Q. Pan, “Convergent multiagent formation control with collision avoidance,” IEEE Transactions on Robotics, vol. 36, no. 6, pp. 1805–1818, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  76. M. B. Movahhed, J. Ayoubinejad, F. N. Asl, and M. Feizbahr, “The effect of rain on pedestrians crossing speed,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 6, no. 3, 2020.View at: Google Scholar
  77. A. Li, D. Spano, J. Krivochiza et al., “A tutorial on interference exploitation via symbol-level precoding: overview, state-of-the-art and future directions,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 22, no. 2, pp. 796–839, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  78. W. Zhu, C. Ma, X. Zhao et al., “Evaluation of sino foreign cooperative education project using orthogonal sine cosine optimized kernel extreme learning machine,” IEEE Access, vol. 8, pp. 61107–61123, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  79. G. Liu, W. Jia, M. Wang et al., “Predicting cervical hyperextension injury: a covariance guided sine cosine support vector machine,” IEEE Access, vol. 8, pp. 46895–46908, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  80. Y. Wei, H. Lv, M. Chen et al., “Predicting entrepreneurial intention of students: an extreme learning machine with Gaussian barebone harris hawks optimizer,” IEEE Access, vol. 8, pp. 76841–76855, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  81. A. Lin, Q. Wu, A. A. Heidari et al., “Predicting intentions of students for master programs using a chaos-induced sine cosine-based fuzzy K-Nearest neighbor classifier,” Ieee Access, vol. 7, pp. 67235–67248, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  82. Y. Fan, P. Wang, A. A. Heidari et al., “Rationalized fruit fly optimization with sine cosine algorithm: a comprehensive analysis,” Expert Systems with Applications, vol. 157, Article ID 113486, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  83. E. Rodríguez-Esparza, L. A. Zanella-Calzada, D. Oliva et al., “An efficient Harris hawks-inspired image segmentation method,” Expert Systems with Applications, vol. 155, Article ID 113428, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  84. S. Jiao, G. Chong, C. Huang et al., “Orthogonally adapted Harris hawks optimization for parameter estimation of photovoltaic models,” Energy, vol. 203, Article ID 117804, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  85. Z. Xu, Z. Hu, A. A. Heidari et al., “Orthogonally-designed adapted grasshopper optimization: a comprehensive analysis,” Expert Systems with Applications, vol. 150, Article ID 113282, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  86. A. Abbassi, R. Abbassi, A. A. Heidari et al., “Parameters identification of photovoltaic cell models using enhanced exploratory salp chains-based approach,” Energy, vol. 198, Article ID 117333, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  87. M. Mahmoodi and K. K. Aminjan, “Numerical simulation of flow through sukhoi 24 air inlet,” Computational Research Progress in Applied Science & Engineering (CRPASE), vol. 03, 2017.View at: Google Scholar
  88. F. J. Golrokh and A. Hasan, “A comparison of machine learning clustering algorithms based on the DEA optimization approach for pharmaceutical companies in developing countries,” ENG Transactions, vol. 1, 2020.View at: Google Scholar
  89. H. Chen, A. A. Heidari, H. Chen, M. Wang, Z. Pan, and A. H. Gandomi, “Multi-population differential evolution-assisted Harris hawks optimization: framework and case studies,” Future Generation Computer Systems, vol. 111, pp. 175–198, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  90. J. Guo, H. Zheng, B. Li, and G.-Z. Fu, “Bayesian hierarchical model-based information fusion for degradation analysis considering non-competing relationship,” IEEE Access, vol. 7, pp. 175222–175227, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  91. J. Guo, H. Zheng, B. Li, and G.-Z. Fu, “A Bayesian approach for degradation analysis with individual differences,” IEEE Access, vol. 7, pp. 175033–175040, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  92. M. M. A. Malakoutian, Y. Malakoutian, P. Mostafapour, and S. Z. D. Abed, “Prediction for monthly rainfall of six meteorological regions and TRNC (case study: north Cyprus),” ENG Transactions, vol. 2, no. 2, 2021.View at: Google Scholar
  93. H. Arslan, M. Ranjbar, and Z. Mutlum, “Maximum sound transmission loss in multi-chamber reactive silencers: are two chambers enough?,,” ENG Transactions, vol. 2, no. 1, 2021.View at: Google Scholar
  94. N. Tonekaboni, M. Feizbahr, N. Tonekaboni, G.-J. Jiang, and H.-X. Chen, “Optimization of solar CCHP systems with collector enhanced by porous media and nanofluid,” Mathematical Problems in Engineering, vol. 2021, Article ID 9984840, 12 pages, 2021.View at: Publisher Site | Google Scholar
  95. Z. Niu, B. Zhang, J. Wang et al., “The research on 220GHz multicarrier high-speed communication system,” China Communications, vol. 17, no. 3, pp. 131–139, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  96. B. Zhang, Z. Niu, J. Wang et al., “Four‐hundred gigahertz broadband multi‐branch waveguide coupler,” IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 14, no. 11, pp. 1175–1179, 2020.View at: Publisher Site | Google Scholar
  97. Z.-Q. Niu, L. Yang, B. Zhang et al., “A mechanical reliability study of 3dB waveguide hybrid couplers in the submillimeter and terahertz band,” Journal of Zhejiang University Science, vol. 1, no. 1, 1998.View at: Google Scholar
  98. B. Zhang, D. Ji, D. Fang, S. Liang, Y. Fan, and X. Chen, “A novel 220-GHz GaN diode on-chip tripler with high driven power,” IEEE Electron Device Letters, vol. 40, no. 5, pp. 780–783, 2019.View at: Publisher Site | Google Scholar
  99. M. Taleghani and A. Taleghani, “Identification and ranking of factors affecting the implementation of knowledge management engineering based on TOPSIS technique,” ENG Transactions, vol. 1, no. 1, 2020.View at: Google Scholar
Probabilistic investigation of cavitation occurrence in chute spillway based on the results of Flow-3D numerical modeling

Flow-3D 수치 모델링 결과를 기반으로 하는 슈트 여수로의 캐비테이션 발생 확률적 조사

Probabilistic investigation of cavitation occurrence in chute spillway based on the results of Flow-3D numerical modeling

Amin Hasanalipour Shahrabadi1*, Mehdi Azhdary Moghaddam2

1-University of Sistan and Baluchestan،amin.h.shahrabadi@gmail.com

2-University of Sistan and Baluchestan،Mazhdary@eng.usb.ac.ir

Abstract

Probabilistic designation is a powerful tool in hydraulic engineering. The uncertainty caused by random phenomenon in hydraulic design may be important. Uncertainty can be expressed in terms of probability density function, confidence interval, or statistical torques such as standard deviation or coefficient of variation of random parameters. Controlling cavitation occurrence is one of the most important factors in chute spillways designing due to the flow’s high velocity and the negative pressure (Azhdary Moghaddam & Hasanalipour Shahrabadi, ۲۰۲۰). By increasing dam’s height, overflow velocity increases on the weir and threats the structure and it may cause structural failure due to cavitation (Chanson, ۲۰۱۳). Cavitation occurs when the fluid pressure reaches its vapor pressure. Since high velocity and low pressure can cause cavitation, aeration has been recognized as one of the best ways to deal with cavitation (Pettersson, ۲۰۱۲). This study, considering the extracted results from the Flow-۳D numerical model of the chute spillway of Darian dam, investigates the probability of cavitation occurrence and examines its reliability. Hydraulic uncertainty in the design of this hydraulic structure can be attributed to the uncertainty of the hydraulic performance analysis. Therefore, knowing about the uncertainty characteristics of hydraulic engineering systems for assessing their reliability seems necessary (Yen et al., ۱۹۹۳). Hence, designation and operation of hydraulic engineering systems are always subject to uncertainties and probable failures. The reliability, ps, of a hydraulic engineering system is defined as the probability of safety in which the resistance, R, of the system exceeds the load, L, as follows (Chen, ۲۰۱۵): p_s=P(L≤R) (۱) Where P(۰) is probability. The failure probability, p_f, is a reliability complement and is expressed as follows: p_f=P[(L>R)]=۱- p_s (۲) Reliability development based on analytical methods of engineering applications has come in many references (Tung & Mays, ۱۹۸۰ and Yen & Tung, ۱۹۹۳). Therefore, based on reliability, in a control method, the probability of cavitation occurrence in the chute spillway can be investigated. In reliability analysis, the probabilistic calculations must be expressed in terms of a limited conditional function, W(X)=W(X_L ,X_R)as follows: p_s=P[W(X_L ,X_R)≥۰]= P[W(X)≥۰] (۳) Where X is the vector of basic random variables in load and resistance functions. In the reliability analysis, if W(X)> ۰, the system will be secure and in the W(X) <۰ system will fail. Accordingly, the eliability index, β, is used, which is defined as the ratio of the mean value, μ_W, to standard deviation, σ_W, the limited conditional function W(X) is defined as follows (Cornell, ۱۹۶۹): β=μ_W/σ_W (۴) The present study was carried out using the obtained results from the model developed by ۱:۵۰ scale plexiglass at the Water Research Institute of Iran. In this laboratory model, which consists of an inlet channel and a convergent thrower chute spillway, two aerators in the form of deflector were used at the intervals of ۲۱۱ and ۲۷۰ at the beginning of chute, in order to cope with cavitation phenomenon during the chute. An air duct was also used for air inlet on the left and right walls of the spillway. To measure the effective parameters in cavitation, seven discharges have been passed through spillway. As the pressure and average velocity are determined, the values of the cavitation index are calculated and compared with the values of the critical cavitation index, σ_cr. At any point when σ≤σ_cr, there is a danger of corrosion in that range (Chanson, ۱۹۹۳). In order to obtain uncertainty and calculate the reliability index of cavitation occurrence during a chute, it is needed to extract the limited conditional function. Therefore, for a constant flow between two points of flow, there would be the Bernoulli (energy) relation as follows (Falvey, ۱۹۹۰): σ= ( P_atm/γ- P_V/γ+h cos⁡θ )/(〖V_۰〗^۲/۲g) (۵) Where P_atm is the atmospheric pressure, γ is the unit weight of the water volume, θ is the angle of the ramp to the horizon, r is the curvature radius of the vertical arc, and h cos⁡θ is the flow depth perpendicular to the floor. Therefore, the limited conditional function can be written as follows: W(X)=(P_atm/γ- P_V/γ+h cos⁡θ )/(〖V_۰〗^۲/۲g) -σ_cr (۶) Flow-۳D is a powerful software in fluid dynamics. One of the major capabilities of this software is to model free-surface flows using finite volume method for hydraulic analysis. The spillway was modeled in three modes, without using aerator, ramp aerator, and ramp combination with aeration duct as detailed in Flow-۳D software. For each of the mentioned modes, seven discharges were tested. According to Equation (۶), velocity and pressure play a decisive and important role in the cavitation occurrence phenomenon. Therefore, the reliability should be evaluated with FORM (First Order Reliable Method) based on the probability distribution functions For this purpose, the most suitable probability distribution function of random variables of velocity and pressure on a laboratory model was extracted in different sections using Easy fit software. Probability distribution function is also considered normal for the other variables in the limited conditional function. These values are estimated for the constant gravity at altitudes of ۵۰۰ to ۷۰۰۰ m above the sea level for the unit weight, and vapor pressure at ۵ to ۳۵° C. For the critical cavitation index variable, the standard deviation is considered as ۰.۰۱. According to the conducted tests, for the velocity random variable, GEV (Generalized Extreme Value) distribution function, and for the pressure random variable, Burr (۴P) distribution function were presented as the best distribution function. The important point is to not follow the normal distribution above the random variables. Therefore, in order to evaluate the reliability with the FORM method, according to the above distributions, they should be converted into normal variables based on the existing methods. To this end, the non-normal distributions are transformed into the normal distribution by the method of Rackwitz and Fiiessler so that the value of the cumulative distribution function is equivalent to the original abnormal distribution at the design point of x_(i*). This point has the least distance from the origin in the standardized space of the boundary plane or the same limited conditional function. The reliability index will be equal to ۰.۴۲۰۴ before installing the aerator. As a result, reliability, p_s, and failure probability, p_f, are ۰.۶۶۲۹ and ۰.۳۳۷۱, respectively. This number indicates a high percentage for cavitation occurrence. Therefore, the use of aerator is inevitable to prevent imminent damage from cavitation. To deal with cavitation as planned in the laboratory, two aerators with listed specifications are embedded in a location where the cavitation index is critical. In order to analyze the reliability of cavitation occurrence after the aerator installation, the steps of the Hasofer-Lind algorithm are repeated. The modeling of ramps was performed separately in Flow-۳D software in order to compare the performance of aeration ducts as well as the probability of failure between aeration by ramp and the combination of ramps and aeration ducts. Installing an aerator in combination with a ramp and aerator duct greatly reduces the probability of cavitation occurrence. By installing aerator, the probability of cavitation occurrence will decrease in to about ۴ %. However, in the case of aeration only through the ramp, the risk of failure is equal to ۱۰%.

확률적 지정은 수력 공학에서 강력한 도구입니다. 유압 설계에서 임의 현상으로 인한 불확실성이 중요할 수 있습니다. 불확실성은 확률 밀도 함수, 신뢰 구간 또는 표준 편차 또는 무작위 매개변수의 변동 계수와 같은 통계적 토크로 표현될 수 있습니다. 캐비테이션 발생을 제어하는 ​​것은 흐름의 높은 속도와 음압으로 인해 슈트 여수로 설계에서 가장 중요한 요소 중 하나입니다(Azhdary Moghaddam & Hasanalipour Shahrabadi, ۲۰۲۰). 댐의 높이를 높이면 둑의 범람속도가 증가하여 구조물을 위협하고 캐비테이션으로 인한 구조물의 파손을 유발할 수 있다(Chanson, ۲۰۱۳). 캐비테이션은 유체 압력이 증기압에 도달할 때 발생합니다. 높은 속도와 낮은 압력은 캐비테이션을 유발할 수 있으므로, 통기는 캐비테이션을 처리하는 가장 좋은 방법 중 하나로 인식되어 왔습니다(Pettersson, ۲۰۱۲). 본 연구에서는 Darian 댐의 슈트 여수로의 Flow-۳D 수치모델에서 추출된 결과를 고려하여 캐비테이션 발생 확률을 조사하고 그 신뢰성을 조사하였다. 이 수력구조의 설계에서 수력학적 불확실성은 수력성능 해석의 불확실성에 기인할 수 있다. 따라서 신뢰성을 평가하기 위해서는 수력공학 시스템의 불확도 특성에 대한 지식이 필요해 보인다(Yen et al., ۱۹۹۳). 따라서 수력 공학 시스템의 지정 및 작동은 항상 불확실성과 가능한 고장의 영향을 받습니다. 유압 공학 시스템의 신뢰성 ps는 저항 R, 시스템의 부하 L은 다음과 같이 초과됩니다(Chen, ۲۰۱۵): p_s=P(L≤R)(۱) 여기서 P(۰)은 확률입니다. 고장 확률 p_f는 신뢰도 보완이며 다음과 같이 표현됩니다. Mays, ۱۹۸۰ 및 Yen & Tung, ۱۹۹۳). 따라서 신뢰성을 기반으로 제어 방법에서 슈트 여수로의 캐비테이션 발생 확률을 조사할 수 있습니다. 신뢰도 분석에서 확률적 계산은 제한된 조건부 함수 W(X)=W(X_L , X_R)은 다음과 같습니다. p_s=P[W(X_L,X_R)≥۰]= P[W(X)≥۰] (۳) 여기서 X는 부하 및 저항 함수의 기본 랜덤 변수 벡터입니다. 신뢰도 분석에서 W(X)> ۰이면 시스템은 안전하고 W(X) <۰에서는 시스템이 실패합니다. 따라서 표준편차 σ_W에 대한 평균값 μ_W의 비율로 정의되는 신뢰도 지수 β가 사용되며, 제한된 조건부 함수 W(X)는 다음과 같이 정의됩니다(Cornell, ۱۹۶۹). β= μ_W/σ_W (۴) 본 연구는 이란 물연구소의 ۱:۵۰ scale plexiglass로 개발된 모델로부터 얻은 결과를 이용하여 수행하였다. 이 실험 모델에서, 입구 수로와 수렴형 투수 슈트 여수로로 구성되며 슈트 중 캐비테이션 현상에 대처하기 위해 슈트 초기에 ۲۱۱과 ۲۷۰ 간격으로 편향기 형태의 2개의 에어레이터를 사용하였다. 여수로 좌우 벽의 공기 유입구에도 공기 덕트가 사용되었습니다. 캐비테이션의 효과적인 매개변수를 측정하기 위해 7번의 배출이 방수로를 통과했습니다. 압력과 평균 속도가 결정되면 캐비테이션 지수 값이 계산되고 임계 캐비테이션 지수 σ_cr 값과 비교됩니다. σ≤σ_cr일 때 그 범위에서 부식의 위험이 있다(Chanson, ۱۹۹۳). 슈트 중 캐비테이션 발생의 불확실성을 구하고 신뢰도 지수를 계산하기 위해서는 제한된 조건부 함수를 추출할 필요가 있다. 따라서 두 지점 사이의 일정한 흐름에 대해 다음과 같은 Bernoulli(에너지) 관계가 있습니다(Falvey, ۱۹۹۰). σ= ( P_atm/γ- P_V/γ+h cos⁡θ )/(〖V_۰〗 ^۲/۲g) (۵) 여기서 P_atm은 대기압, γ는 물의 단위 중량, θ는 수평선에 대한 경사로의 각도, r은 수직 호의 곡률 반경, h cos⁡ θ는 바닥에 수직인 흐름 깊이입니다. 따라서 제한된 조건부 함수는 다음과 같이 쓸 수 있습니다. W(X)=(P_atm/γ- P_V/γ+h cos⁡θ )/(〖V_۰〗^۲/۲g) -σ_cr (۶) Flow-۳D는 유체 역학의 강력한 소프트웨어. 이 소프트웨어의 주요 기능 중 하나는 수리학적 해석을 위해 유한 체적 방법을 사용하여 자유 표면 흐름을 모델링하는 것입니다. 방수로는 Flow-۳D 소프트웨어에 자세히 설명된 바와 같이 폭기 장치, 램프 폭기 장치 및 폭기 덕트가 있는 램프 조합을 사용하지 않고 세 가지 모드로 모델링되었습니다. 언급된 각 모드에 대해 7개의 방전이 테스트되었습니다. 식 (۶)에 따르면 속도와 압력은 캐비테이션 발생 현상에 결정적이고 중요한 역할을 합니다. 따라서 확률분포함수에 기반한 FORM(First Order Reliable Method)으로 신뢰도를 평가해야 한다 이를 위해 실험실 모델에 대한 속도와 압력의 확률변수 중 가장 적합한 확률분포함수를 Easy fit을 이용하여 구간별로 추출하였다. 소프트웨어. 확률 분포 함수는 제한된 조건부 함수의 다른 변수에 대해서도 정상으로 간주됩니다. 이 값은 단위 중량의 경우 해발 ۵۰۰ ~ ۷۰۰۰ m 고도에서의 일정한 중력과 ۵ ~ ۳۵ ° C에서의 증기압으로 추정됩니다. 임계 캐비테이션 지수 변수의 표준 편차는 ۰.۰۱으로 간주됩니다. . 수행된 시험에 따르면 속도 확률변수는 GEV(Generalized Extreme Value) 분포함수로, 압력변수는 Burr(۴P) 분포함수가 가장 좋은 분포함수로 제시되었다. 중요한 점은 확률 변수 위의 정규 분포를 따르지 않는 것입니다. 따라서 FORM 방법으로 신뢰도를 평가하기 위해서는 위의 분포에 따라 기존 방법을 기반으로 정규 변수로 변환해야 합니다. 이를 위해, 비정규분포를 Rackwitz와 Fiiessler의 방법에 의해 정규분포로 변환하여 누적분포함수의 값이 x_(i*)의 설계점에서 원래의 비정상분포와 같도록 한다. 이 점은 경계면의 표준화된 공간 또는 동일한 제한된 조건부 함수에서 원점으로부터 최소 거리를 갖습니다. 신뢰성 지수는 폭기 장치를 설치하기 전의 ۰.۴۲۰۴과 같습니다. 그 결과 신뢰도 p_s와 고장확률 p_f는 각각 ۰.۶۶۲۹과 ۰.۳۳۷۱이다. 이 숫자는 캐비테이션 발생의 높은 비율을 나타냅니다. 따라서 캐비테이션으로 인한 즉각적인 손상을 방지하기 위해 폭기 장치의 사용이 불가피합니다. 실험실에서 계획한 대로 캐비테이션을 처리하기 위해, 나열된 사양을 가진 두 개의 폭기 장치는 캐비테이션 지수가 중요한 위치에 내장되어 있습니다. 폭기장치 설치 후 캐비테이션 발생의 신뢰성을 분석하기 위해 Hasofer-Lind 알고리즘의 단계를 반복합니다. 경사로의 모델링은 폭기 덕트의 성능과 경사로에 의한 폭기 및 경사로와 폭기 덕트의 조합 사이의 실패 확률을 비교하기 위해 Flow-۳D 소프트웨어에서 별도로 수행되었습니다. 경사로 및 ​​폭기 덕트와 함께 폭기 장치를 설치하면 캐비테이션 발생 가능성이 크게 줄어듭니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다. 폭기 설치 후 캐비테이션 발생의 신뢰성을 분석하기 위해 Hasofer-Lind 알고리즘의 단계를 반복합니다. 경사로의 모델링은 폭기 덕트의 성능과 경사로에 의한 폭기 및 경사로와 폭기 덕트의 조합 사이의 실패 확률을 비교하기 위해 Flow-۳D 소프트웨어에서 별도로 수행되었습니다. 경사로 및 ​​폭기 덕트와 함께 폭기 장치를 설치하면 캐비테이션 발생 가능성이 크게 줄어듭니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다. 폭기장치 설치 후 캐비테이션 발생의 신뢰성을 분석하기 위해 Hasofer-Lind 알고리즘의 단계를 반복합니다. 경사로의 모델링은 폭기 덕트의 성능과 경사로에 의한 폭기 및 경사로와 폭기 덕트의 조합 사이의 실패 확률을 비교하기 위해 Flow-۳D 소프트웨어에서 별도로 수행되었습니다. 경사로 및 ​​폭기 덕트와 함께 폭기 장치를 설치하면 캐비테이션 발생 가능성이 크게 줄어듭니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다. 경사로의 모델링은 폭기 덕트의 성능과 경사로에 의한 폭기 및 경사로와 폭기 덕트의 조합 사이의 실패 확률을 비교하기 위해 Flow-۳D 소프트웨어에서 별도로 수행되었습니다. 경사로 및 ​​폭기 덕트와 함께 폭기 장치를 설치하면 캐비테이션 발생 가능성이 크게 줄어듭니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다. 경사로의 모델링은 폭기 덕트의 성능과 경사로에 의한 폭기 및 경사로와 폭기 덕트의 조합 사이의 실패 확률을 비교하기 위해 Flow-۳D 소프트웨어에서 별도로 수행되었습니다. 경사로 및 ​​폭기 덕트와 함께 폭기 장치를 설치하면 캐비테이션 발생 가능성이 크게 줄어듭니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다. 에어레이터를 설치하면 캐비테이션 발생 확률이 약 ۴%로 감소합니다. 그러나 램프를 통한 폭기의 경우 실패 위험은 ۱۰%와 같습니다.

Keywords

Aerator Probable Failure Reliability Method FORM Flow ۳D. 

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.

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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

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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.

A 3-D numerical simulation of the characteristics of open channel flows with submerged rigid vegetation

A 3-D numerical simulation of the characteristics of open channel flows with submerged rigid vegetation

수중 강성 식생이 있는 개방 수로 흐름의 특성에 대한 3차원 수치 시뮬레이션

Journal of Hydrodynamics (2021)Cite this article

Abstract

이 논문은 FLOW-3D를 적용하여 다양한 흐름 배출 및 식생 시나리오가 유속(종방향, 횡방향 및 수직 속도 포함)에 미치는 영향을 조사합니다.

실험적 측정을 통한 검증 후 식생직경, 식생높이, 유출량에 대한 민감도 분석을 수행하였습니다. 종방향 속도의 경우 흐름 구조에 대한 가장 큰 영향은 배출보다는 식생 직경에서 비롯됩니다.

그러나 식생 높이는 수직 분포의 변곡점을 결정합니다. 식생 지역, 즉 상류와 하류의 두 위치에서 횡단 속도를 비교하면 수심을 따라 대칭 패턴이 식별됩니다. 식생 지역의 횡단 및 수직 유체 순환 패턴을 포함하여 흐름 또는 식생 시나리오에 관계없이 수직 속도에서도 동일한 패턴이 관찰됩니다.

또한 식생 직경이 클수록 이러한 패턴이 더 분명해집니다. 상부 순환은 식생 캐노피 근처에서 발생합니다. 식생 지역의 가로 세로 방향 순환에 관한 이러한 발견은 수중 식생을 통한 3차원 흐름 구조를 밝혀줍니다.

This paper applies the Flow-3D to investigate the impacts of different flow discharge and vegetation scenarios on the flow velocity (including the longitudinal, transverse and vertical velocities). After the verification by using experimental measurements, a sensitivity analysis is conducted for the vegetation diameter, the vegetation height and the flow discharge. For the longitudinal velocity, the greatest impact on the flow structure originates from the vegetation diameter, rather than the discharge. The vegetation height, however, determines the inflection point of the vertical distribution. Comparing the transverse velocities at two positions in the vegetated area, i.e., the upstream and the downstream, a symmetric pattern is identified along the water depth. The same pattern is also observed for the vertical velocity regardless of the flow or vegetation scenario, including both transverse and vertical fluid circulation patterns in the vegetated area. Moreover, the larger the vegetation diameter is, the more evident these patterns become. The upper circulation occurs near the vegetation canopy. These findings regarding the circulations along the transverse and vertical directions in the vegetated region shed light on the 3-D flow structure through the submerged vegetation.

Key words

  • Submerged rigid vegetation
  • longitudinal velocity
  • transverse velocity
  • vertical velocity

References

  1. [1]Angelina A., Jordanova C. S. J. Experimental study of bed load transport through emergent vegetation [J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 2003, 129(6): 474–478.Article Google Scholar 
  2. [2]Li Y., Wang Y., Anim D. O. et al. Flow characteristics in different densities of submerged flexible vegetation from an open-channel flume study of artificial plants [J]. Geomorphology, 2014, 204: 314–324.Article Google Scholar 
  3. [3]Bai F., Yang Z., Huai W. et al. A depth-averaged two dimensional shallow water model to simulate flow-rigid vegetation interactions [J]. Procedia Engineering, 2016, 154: 482–489.Article Google Scholar 
  4. [4]Huai W. X., Song S., Han J. et al. Prediction of velocity distribution in straight open-channel flow with partial vegetation by singular perturbation method [J]. Applied Mathematics and Mechanics (Engilsh Editon), 2016, 37(10): 1315–1324.MathSciNet Article Google Scholar 
  5. [5]Wang P. F., Wang C. Numerical model for flow through submerged vegetation regions in a shallow lake [J]. Journal of Hydrodynamics, 2011, 23(2): 170–178.Article Google Scholar 
  6. [6]Wang W. J., Cui X. Y., Dong F. et al. Predictions of bulk velocity for open channel flow through submerged vegetation [J]. Journal of Hydrodynamics, 2020, 32(4): 795–799.Article Google Scholar 
  7. [7]Zhang M., Li C. W., Shen Y. Depth-averaged modeling of free surface flows in open channels with emerged and submerged vegetation [J]. Applied Mathematical Modelling, 2013, 37(1–2): 540–553.MathSciNet Article Google Scholar 
  8. [8]Huai W., Wang W., Hu Y. et al. Analytical model of the mean velocity distribution in an open channel with double-layered rigid vegetation [J]. Advances in Water Resources, 2014, 69: 106–113.Article Google Scholar 
  9. [9]Panigrahi K., Khatua K. K. Prediction of velocity distribution in straight channel with rigid vegetation [J]. Aquatic Procedia, 2015, 4: 819–825.Article Google Scholar 
  10. [10]Huai W. X., Zeng Y. H., Xu Z. G. et al. Three-layer model for vertical velocity distribution in open channel flow with submerged rigid vegetation [J]. Advances in Water Resources, 2009, 32(4): 487–492.Article Google Scholar 
  11. [11]Chen S. C., Kuo Y. M., Li Y. H. Flow characteristics within different configurations of submerged flexible vegetation [J]. Journal of Hydrology, 2011, 398(1–2): 124–134.Article Google Scholar 
  12. [12]Yagci O., Tschiesche U., Kabdasli M. S. The role of different forms of natural riparian vegetation on turbulence and kinetic energy characteristics [J]. Advances in Water Resources, 2010, 33(5): 601–614.Article Google Scholar 
  13. [13]Wu F. S. Characteristics of flow resistance in open channels with non-submerged rigid vegetation [J]. Journal of Hydrodynamics, 2008, 20(2): 239–245.Article Google Scholar 
  14. [14]Huai W., Hu Y., Zeng Y. et al. Velocity distribution for open channel flows with suspended vegetation [J]. Advances in Water Resources, 2012, 49: 56–61.Article Google Scholar 
  15. [15]Pu J. H., Hussain A., Guo Y. K. et al. Submerged flexible vegetation impact on open channel flow velocity distribution: An analytical modelling study on drag and friction [J]. Water Science and Engineering, 2019, 12(2): 121–128.Article Google Scholar 
  16. [16]Zhang M. L., Li C. W., Shen Y. M. A 3D non-linear k-ε turbulent model for prediction of flow and mass transport in channel with vegetation [J]. Applied Mathematical Modelling, 2010, 34(4): 1021–1031.MathSciNet Article Google Scholar 
  17. [17]Anjum N., Tanaka N. Numerical investigation of velocity distribution of turbulent flow through vertically double-layered vegetation [J]. Water Science and Engineering, 2019, 12(4): 319–329.Article Google Scholar 
  18. [18]Wang W., Huai W. X., Gao M. Numerical investigation of flow through vegetated multi-stage compound channel [J]. Journal of Hydrodynamics, 2014, 26(3): 467–473.Article Google Scholar 
  19. [19]Ghani U., Anjum N., Pasha G. A. et al. Numerical investigation of the flow characteristics through discontinuous and layered vegetation patches of finite width in an open channel [J]. Environmental Fluid Mechanics, 2019, 19(6): 1469–1495.Article Google Scholar 
  20. [20]Aydin M. C., Emiroglu M. E. Determination of capacity of labyrinth side weir by CFD [J]. Flow Measurement and Instrumentation, 2013, 29: 1–8.Article Google Scholar 
  21. [21]Hao W. L., Wu W. Q., Zhu C. J. et al. Experimental study on vertical distribution of flow velocity in vegetated river channel [J]. Water Resources and Power, 2015, 33(2): 85–88(in Chinese).Google Scholar 
  22. [22]Pietri L., Petroff A., Amielh M. et al. Turbulent flows interacting with varying density canopies [J]. Mécanique and Industries, 2009, 10(3–4): 181–185.Article Google Scholar 
  23. [23]Li Y., Du W., Yu Z. et al. Impact of flexible emergent vegetation on the flow turbulence and kinetic energy characteristics in a flume experiment [J]. Journal of Hydro-environment Research, 2015, 9(3): 354–367.Article Google Scholar 
  24. [24]Li W. Q., Wang D., Jiao J. L. et al. Effects of vegetation patch density on flow velocity characteristics in an open channel [J]. Journal of Hydrodynamics, 2018, 31(5): 1052–1059.Article Google Scholar 
  25. [25]Langre E. D., Gutierrez A., Cossé J. On the scaling of drag reduction by reconfiguration in plants [J]. Comptes Rendus Mécanique, 2012, 340(1–2): 35–40.Article Google Scholar 
  26. [26]Fathi-Maghadam M., Kouwen N. Nonrigid, nonsubmerged, vegetative roughness on floodplains [J]. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1997, 123(1): 51–57.Article Google Scholar 
  27. [27]Liang D., Wu X. A random walk simulation of scalar mixing in flows through submerged vegetations [J]. Journal of Hydrodynamics, 2014, 26(3): 343–350.MathSciNet Article Google Scholar 
  28. [28]Ghisalberti M., Nepf H. Mass transport in vegetated shear flows [J]. Environmental Fluid Mechanics, 2005, 5(6): 527–551.
Figures-Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding

알루미늄 합금 겹침 용접 중 용접 형성, 용융 흐름 및 입자 구조에 대한 사인파 발진 레이저 빔의 영향

Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding

Lin Chen, Gaoyang Mi, Xiong Zhang, Chunming Wang
School of Materials Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan, 430074, China

Abstract

레이저 사인파 진동(사인) 용접 및 레이저 용접(SLW)에서 1.5mm 6061/5182 알루미늄 합금 박판 랩 조인트의 수치 모델이 온도 분포와 용융 흐름을 시뮬레이션하기 위해 개발되었습니다.

SLW의 일반적인 에너지 분포와 달리 레이저 빔의 사인파 진동은 에너지 분포를 크게 균질화하고 에너지 피크를 줄였습니다. 에너지 피크는 사인 용접의 양쪽에 위치하여 톱니 모양의 단면이 형성되었습니다. 이 논문은 시뮬레이션을 통해 응고 미세구조에 대한 온도 구배(G)와 응고 속도(R)의 영향을 설명했습니다.

결과는 사인 용접의 중심이 낮은 G/R로 더 넓은 영역을 가짐으로써 더 넓은 등축 결정립 영역의 형성을 촉진하고 더 큰 GR로 인해 주상 결정립이 더 가늘다는 것을 나타냅니다. 다공성 및 비관통 용접은 레이저 사인파 진동에 의해 얻어졌습니다.

그 이유는 용융 풀의 부피가 확대되고 열쇠 구멍의 부피 비율이 감소하며 용융 풀의 난류가 완만해졌기 때문이며, 이는 용융 흐름의 고속 이미징 및 시뮬레이션 결과에서 관찰되었습니다. 두 용접부의 인장시험에서 융착선을 따라 인장파괴 형태를 보였고 사인 용접부의 인장강도가 SLW 용접부보다 유의하게 우수하였습니다.

이는 등축 결정립 영역이 넓을수록 균열 경향이 감소하고 파단 위치에 근접한 입자 크기가 미세하기 때문입니다. 결함이 없고 우수한 용접은 신에너지 자동차 산업에 매우 중요합니다.

A numerical model of 1.5 mm 6061/5182 aluminum alloys thin sheets lap joints under laser sinusoidal oscillation (sine) welding and laser welding (SLW) weld was developed to simulate temperature distribution and melt flow. Unlike the common energy distribution of SLW, the sinusoidal oscillation of laser beam greatly homogenized the energy distribution and reduced the energy peak. The energy peaks were located at both sides of the sine weld, resulting in the tooth-shaped sectional formation. This paper illustrated the effect of the temperature gradient (G) and solidification rate (R) on the solidification microstructure by simulation. Results indicated that the center of the sine weld had a wider area with low G/R, promoting the formation of a wider equiaxed grain zone, and the columnar grains were slenderer because of greater GR. The porosity-free and non-penetration welds were obtained by the laser sinusoidal oscillation. The reasons were that the molten pool volume was enlarged, the volume proportion of keyhole was reduced and the turbulence in the molten pool was gentled, which was observed by the high-speed imaging and simulation results of melt flow. The tensile test of both welds showed a tensile fracture form along the fusion line, and the tensile strength of sine weld was significantly better than that of the SLW weld. This was because that the wider equiaxed grain area reduced the tendency of cracks and the finer grain size close to the fracture location. Defect-free and excellent welds are of great significance to the new energy vehicles industry.

Keywords

Laser weldingSinusoidal oscillatingEnergy distributionNumerical simulationMolten pool flowGrain structure

Figures-Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding
Figures-Effects of sinusoidal oscillating laser beam on weld formation, melt flow and grain structure during aluminum alloys lap welding
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.

Numerical study of the dam-break waves and Favre waves down sloped wet rigid-bed at laboratory scale

Numerical study of the dam-break waves and Favre waves down sloped wet rigid-bed at laboratory scale

WenjunLiua  BoWangb  YakunGuoc

a State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu, 610065, China
State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, College Of Water Resource and Hydropower, Chengdu, 610065, China
faculty of Engineering & Informatics, University of Bradford, BD7 1DP, UK

Abstract

The bed slope and the tailwater depth are two important ones among the factors that affect the propagation of the dam-break flood and Favre waves. Most previous studies have only focused on the macroscopic characteristics of the dam-break flows or Favre waves under the condition of horizontal bed, rather than the internal movement characteristics in sloped channel. The present study applies two numerical models, namely, large eddy simulation (LES) and shallow water equations (SWEs) models embedded in the CFD software package FLOW-3D to analyze the internal movement characteristics of the dam-break flows and Favre waves, such as water level, the velocity distribution, the fluid particles acceleration and the bed shear stress, under the different bed slopes and water depth ratios. The results under the conditions considered in this study show that there is a flow state transition in the flow evolution for the steep bed slope even in water depth ratio α = 0.1 (α is the ratio of the tailwater depth to the reservoir water depth). The flow state transition shows that the wavefront changes from a breaking state to undular. Such flow transition is not observed for the horizontal slope and mild bed slope. The existence of the Favre waves leads to a significant increase of the vertical velocity and the vertical acceleration. In this situation, the SWEs model has poor prediction. Analysis reveals that the variation of the maximum bed shear stress is affected by both the bed slope and tailwater depth. Under the same bed slope (e.g., S0 = 0.02), the maximum bed shear stress position develops downstream of the dam when α = 0.1, while it develops towards the end of the reservoir when α = 0.7. For the same water depth ratio (e.g., α = 0.7), the maximum bed shear stress position always locates within the reservoir at S0 = 0.02, while it appears in the downstream of the dam for S0 = 0 and 0.003 after the flow evolves for a while. The comparison between the numerical simulation and experimental measurements shows that the LES model can predict the internal movement characteristics with satisfactory accuracy. This study improves the understanding of the effect of both the bed slope and the tailwater depth on the internal movement characteristics of the dam-break flows and Favre waves, which also provides a valuable reference for determining the flood embankment height and designing the channel bed anti-scouring facility.

댐붕괴 홍수와 파브르 파도의 전파에 영향을 미치는 요인 중 하상경사와 후미수심은 두 가지 중요한 요소이다. 대부분의 선행 연구들은 경사 수로에서의 내부 이동 특성보다는 수평층 조건에서 댐파괴류나 Favre파동의 거시적 특성에만 초점을 맞추었다.

본 연구에서는 CFD 소프트웨어 패키지 FLOW-3D에 내장된 LES(Large Eddy Simulation) 및 SWE(Shallow Water Equation) 모델의 두 가지 수치 모델을 적용하여 댐-파괴 흐름 및 Favre 파도의 내부 이동 특성을 분석합니다.

수위, 속도 분포, 유체 입자 가속도 및 층 전단 응력, 다양한 층 경사 및 수심 비율로. 본 연구에서 고려한 조건하의 결과는 수심비 α = 0.1(α는 저수지 수심에 대한 tailwater 깊이의 비율)에서도 급경사면에 대한 유동상태 전이가 있음을 보여준다. 유동 상태 전이는 파면이 파단 상태에서 비정형으로 변하는 것을 보여줍니다.

수평 경사와 완만한 바닥 경사에서는 이러한 흐름 전이가 관찰되지 않습니다. Favre 파의 존재는 수직 속도와 수직 가속도의 상당한 증가로 이어집니다. 이 상황에서 SWE 모델은 예측이 좋지 않습니다.

분석에 따르면 최대 바닥 전단 응력의 변화는 바닥 경사와 꼬리 수심 모두에 영향을 받습니다. 동일한 바닥 경사(예: S0 = 0.02)에서 최대 바닥 전단 응력 위치는 α = 0.1일 때 댐의 하류에서 발생하고 α = 0.7일 때 저수지의 끝쪽으로 발생합니다.

동일한 수심비(예: α = 0.7)에 대해 최대 바닥 전단 응력 위치는 항상 S0 = 0.02에서 저수지 내에 위치하는 반면, S0 = 0 및 0.003에 대해 흐름이 진화한 후 댐 하류에 나타납니다. 수치적 시뮬레이션과 실험적 측정을 비교한 결과 LES 모델이 내부 움직임 특성을 만족스러운 정확도로 예측할 수 있음을 알 수 있습니다.

본 연구는 댐 파절류 및 Favre파의 내부 이동 특성에 대한 하상 경사 및 후미 수심의 영향에 대한 이해를 향상 시키며, 이는 또한 제방 높이를 결정하고 수로 저반위 설계를 위한 귀중한 참고자료를 제공한다.

Keywords

Figure Numerical study of the dam-break waves and Favre waves down sloped wet rigid-bed at laboratory scale
Figure Numerical study of the dam-break waves and Favre waves down sloped wet rigid-bed at laboratory scale

Dam-break flow, Bed slope, Wet bed, Velocity profile, Bed shear stress, Large eddy simulation
댐파괴유동, 하상경사, 습상, 유속분포, 하상전단응력, 대와류 시뮬레이션

Fig. 1. Hydraulic jump flow structure.

Performance assessment of OpenFOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump

낮은 레이놀즈 수 유압 점프의 수치 모델링에서 OpenFOAM 및 FLOW-3D의 성능 평가

ArnauBayona DanielValerob RafaelGarcía-Bartuala Francisco ​JoséVallés-Morána P. AmparoLópez-Jiméneza

Abstract

A comparative performance analysis of the CFD platforms OpenFOAM and FLOW-3D is presented, focusing on a 3D swirling turbulent flow: a steady hydraulic jump at low Reynolds number. Turbulence is treated using RANS approach RNG k-ε. A Volume Of Fluid (VOF) method is used to track the air–water interface, consequently aeration is modeled using an Eulerian–Eulerian approach. Structured meshes of cubic elements are used to discretize the channel geometry. The numerical model accuracy is assessed comparing representative hydraulic jump variables (sequent depth ratio, roller length, mean velocity profiles, velocity decay or free surface profile) to experimental data. The model results are also compared to previous studies to broaden the result validation. Both codes reproduced the phenomenon under study concurring with experimental data, although special care must be taken when swirling flows occur. Both models can be used to reproduce the hydraulic performance of energy dissipation structures at low Reynolds numbers.

CFD 플랫폼 OpenFOAM 및 FLOW-3D의 비교 성능 분석이 3D 소용돌이치는 난류인 낮은 레이놀즈 수에서 안정적인 유압 점프에 초점을 맞춰 제시됩니다. 난류는 RANS 접근법 RNG k-ε을 사용하여 처리됩니다.

VOF(Volume Of Fluid) 방법은 공기-물 계면을 추적하는 데 사용되며 결과적으로 Eulerian-Eulerian 접근 방식을 사용하여 폭기가 모델링됩니다. 입방체 요소의 구조화된 메쉬는 채널 형상을 이산화하는 데 사용됩니다. 수치 모델 정확도는 대표적인 유압 점프 변수(연속 깊이 비율, 롤러 길이, 평균 속도 프로파일, 속도 감쇠 또는 자유 표면 프로파일)를 실험 데이터와 비교하여 평가됩니다.

모델 결과는 또한 결과 검증을 확장하기 위해 이전 연구와 비교됩니다. 소용돌이 흐름이 발생할 때 특별한 주의가 필요하지만 두 코드 모두 실험 데이터와 일치하는 연구 중인 현상을 재현했습니다. 두 모델 모두 낮은 레이놀즈 수에서 에너지 소산 구조의 수리 성능을 재현하는 데 사용할 수 있습니다.

Keywords

CFDRANS, OpenFOAM, FLOW-3D ,Hydraulic jump, Air–water flow, Low Reynolds number

References

Ahmed, F., Rajaratnam, N., 1997. Three-dimensional turbulent boundary layers: a
review. J. Hydraulic Res. 35 (1), 81e98.
Ashgriz, N., Poo, J., 1991. FLAIR: Flux line-segment model for advection and interface
reconstruction. Elsevier J. Comput. Phys. 93 (2), 449e468.
Bakhmeteff, B.A., Matzke, A.E., 1936. .The hydraulic jump in terms dynamic similarity. ASCE Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 101 (1), 630e647.
Balachandar, S., Eaton, J.K., 2010. Turbulent dispersed multiphase flow. Annu. Rev.
Fluid Mech. 42 (2010), 111e133.
Bayon, A., Lopez-Jimenez, P.A., 2015. Numerical analysis of hydraulic jumps using

OpenFOAM. J. Hydroinformatics 17 (4), 662e678.
Belanger, J., 1841. Notes surl’Hydraulique, Ecole Royale des Ponts et Chaussees
(Paris, France).
Bennett, N.D., Crok, B.F.W., Guariso, G., Guillaume, J.H.A., Hamilton, S.H.,
Jakeman, A.J., Marsili-Libelli, S., Newhama, L.T.H., Norton, J.P., Perrin, C.,
Pierce, S.A., Robson, B., Seppelt, R., Voinov, A.A., Fath, B.D., Andreassian, V., 2013.
Characterising performance of environmental models. Environ. Model. Softw.
40, 1e20.
Berberovic, E., 2010. Investigation of Free-surface Flow Associated with Drop
Impact: Numerical Simulations and Theoretical Modeling. Imperial College of
Science, Technology and Medicine, UK.
Bidone, G., 1819. Report to Academie Royale des Sciences de Turin, s  eance. Le 
Remou et sur la Propagation des Ondes, 12, pp. 21e112.
Biswas, R., Strawn, R.C., 1998. Tetrahedral and hexahedral mesh adaptation for CFD
problems. Elsevier Appl. Numer. Math. 26 (1), 135e151.
Blocken, B., Gualtieri, C., 2012. Ten iterative steps for model development and
evaluation applied to computational fluid dynamics for environmental fluid
mechanics. Environ. Model. Softw. 33, 1e22.
Bombardelli, F.A., Meireles, I., Matos, J., 2011. Laboratory measurements and multiblock numerical simulations of the mean flow and turbulence in the nonaerated skimming flow region of steep stepped spillways. Springer Environ.
Fluid Mech. 11 (3), 263e288.
Bombardelli, F.A., 2012. Computational multi-phase fluid dynamics to address flows
past hydraulic structures. In: 4th IAHR International Symposium on Hydraulic
Structures, 9e11 February 2012, Porto, Portugal, 978-989-8509-01-7.
Borges, J.E., Pereira, N.H., Matos, J., Frizell, K.H., 2010. Performance of a combined
three-hole conductivity probe for void fraction and velocity measurement in
airewater flows. Exp. fluids 48 (1), 17e31.
Borue, V., Orszag, S., Staroslesky, I., 1995. Interaction of surface waves with turbulence: direct numerical simulations of turbulent open channel flow. J. Fluid
Mech. 286, 1e23.
Boussinesq, J., 1871. Theorie de l’intumescence liquide, applelee onde solitaire ou de
translation, se propageantdans un canal rectangulaire. Comptes Rendus l’Academie Sci. 72, 755e759.
Bradley, J.N., Peterka, A.J., 1957. The hydraulic design of stilling Basins : hydraulic
jumps on a horizontal Apron (Basin I). In: Proceedings ASCE, J. Hydraulics
Division.
Bradshaw, P., 1996. Understanding and prediction of turbulent flow. Elsevier Int. J.
heat fluid flow 18 (1), 45e54.
Bung, D.B., 2013. Non-intrusive detection of airewater surface roughness in selfaerated chute flows. J. Hydraulic Res. 51 (3), 322e329.
Bung, D., Schlenkhoff, A., 2010. Self-aerated Skimming Flow on Embankment
Stepped Spillways-the Effect of Additional Micro-roughness on Energy Dissipation and Oxygen Transfer. IAHR European Congress.
Caisley, M.E., Bombardelli, F.A., Garcia, M.H., 1999. Hydraulic Model Study of a Canoe
Chute for Low-head Dams in Illinois. Civil Engineering Studies, Hydraulic Engineering Series No-63. University of Illinois at Urbana-Champaign.
Carvalho, R., Lemos, C., Ramos, C., 2008. Numerical computation of the flow in
hydraulic jump stilling basins. J. Hydraulic Res. 46 (6), 739e752.
Celik, I.B., Ghia, U., Roache, P.J., 2008. Procedure for estimation and reporting of
uncertainty due to discretization in CFD applications. ASME J. Fluids Eng. 130
(7), 1e4.
Chachereau, Y., Chanson, H., 2011. .Free-surface fluctuations and turbulence in hydraulic jumps. Exp. Therm. Fluid Sci. 35 (6), 896e909.
Chanson, H. (Ed.), 2015. Energy Dissipation in Hydraulic Structures. CRC Press.
Chanson, H., 2007. Bubbly flow structure in hydraulic jump. Eur. J. Mechanics-B/
Fluids 26.3(2007) 367e384.
Chanson, H., Carvalho, R., 2015. Hydraulic jumps and stilling basins. Chapter 4. In:
Chanson, H. (Ed.), Energy Dissipation in Hydraulic Structures. CRC Press, Taylor
& Francis Group, ABalkema Book.
Chanson, H., Gualtieri, C., 2008. Similitude and scale effects of air entrainment in
hydraulic jumps. J. Hydraulic Res. 46 (1), 35e44.
Chanson, H., Lubin, P., 2010. Discussion of “Verification and validation of a
computational fluid dynamics (CFD) model for air entrainment at spillway
aerators” Appears in the Canadian Journal of Civil Engineering 36(5): 826-838.
Can. J. Civ. Eng. 37 (1), 135e138.
Chanson, H., 1994. Drag reduction in open channel flow by aeration and suspended
load. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 32, 87e101.
Chanson, H., Montes, J.S., 1995. Characteristics of undular hydraulic jumps: experimental apparatus and flow patterns. J. hydraulic Eng. 121 (2), 129e144.
Chanson, H., Brattberg, T., 2000. Experimental study of the airewater shear flow in
a hydraulic jump. Int. J. Multiph. Flow 26 (4), 583e607.
Chanson, H., 2013. Hydraulics of aerated flows: qui pro quo? Taylor & Francis
J. Hydraulic Res. 51 (3), 223e243.
Chaudhry, M.H., 2007. Open-channel Flow, Springer Science & Business Media.
Chen, L., Li, Y., 1998. .A numerical method for two-phase flows with an interface.
Environ. Model. Softw. 13 (3), 247e255.
Chow, V.T., 1959. Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill Book Company, Inc, New
York.
Daly, B.J., 1969. A technique for including surface tension effects in hydrodynamic
calculations. Elsevier J. Comput. Phys. 4 (1), 97e117.
De Padova, D., Mossa, M., Sibilla, S., Torti, E., 2013. 3D SPH modeling of hydraulic
jump in a very large channel. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 51 (2), 158e173.
Dewals, B., Andre, S., Schleiss, A., Pirotton, M., 2004. Validation of a quasi-2D model 
for aerated flows over stepped spillways for mild and steep slopes. Proc. 6th Int.
Conf. Hydroinformatics 1, 63e70.
Falvey, H.T., 1980. Air-water flow in hydraulic structures. NASA STI Recon Tech. Rep.
N. 81, 26429.
Fawer, C., 1937. Etude de quelquesecoulements permanents 
a filets courbes (‘Study
of some Steady Flows with Curved Streamlines’). Thesis. Imprimerie La Concorde, Lausanne, Switzerland, 127 pages (in French).
Gualtieri, C., Chanson, H., 2007. .Experimental analysis of Froude number effect on
air entrainment in the hydraulic jump. Springer Environ. Fluid Mech. 7 (3),
217e238.
Gualtieri, C., Chanson, H., 2010. Effect of Froude number on bubble clustering in a
hydraulic jump. J. Hydraulic Res. 48 (4), 504e508.
Hager, W., Sinniger, R., 1985. Flow characteristics of the hydraulic jump in a stilling
basin with an abrupt bottom rise. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 23 (2),
101e113.
Hager, W.H., 1992. Energy Dissipators and Hydraulic Jump, Springer.
Hager, W.H., Bremen, R., 1989. Classical hydraulic jump: sequent depths. J. Hydraulic
Res. 27 (5), 565e583.
Hartanto, I.M., Beevers, L., Popescu, I., Wright, N.G., 2011. Application of a coastal
modelling code in fluvial environments. Environ. Model. Softw. 26 (12),
1685e1695.
Hirsch, C., 2007. Numerical Computation of Internal and External Flows: the Fundamentals of Computational Fluid Dynamics. Butterworth-Heinemann, 1.
Hirt, C., Nichols, B., 1981. .Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free
boundaries. J. Comput. Phys. 39 (1), 201e225.
Hyman, J.M., 1984. Numerical methods for tracking interfaces. Elsevier Phys. D.
Nonlinear Phenom. 12 (1), 396e407.
Juez, C., Murillo, J., Garcia-Navarro, P., 2013. Numerical assessment of bed-load
discharge formulations for transient flow in 1D and 2D situations.
J. Hydroinformatics 15 (4).
Keyes, D., Ecer, A., Satofuka, N., Fox, P., Periaux, J., 2000. Parallel Computational Fluid
Dynamics’ 99: towards Teraflops, Optimization and Novel Formulations.
Elsevier.
Kim, J.J., Baik, J.J., 2004. A numerical study of the effects of ambient wind direction
on flow and dispersion in urban street canyons using the RNG keε turbulence
model. Atmos. Environ. 38 (19), 3039e3048.
Kim, S.-E., Boysan, F., 1999. Application of CFD to environmental flows. Elsevier
J. Wind Eng. Industrial Aerodynamics 81 (1), 145e158.
Liu, M., Rajaratnam, N., Zhu, D.Z., 2004. Turbulence structure of hydraulic jumps of
low Froude numbers. J. Hydraulic Eng. 130 (6), 511e520.
Lobosco, R., Schulz, H., Simoes, A., 2011. Analysis of Two Phase Flows on Stepped
Spillways, Hydrodynamics – Optimizing Methods and Tools. Available from. :
http://www.intechopen.com/books/hyd rodynamics-optimizing-methods-andtools/analysis-of-two-phase-flows-on-stepped-spillways. Accessed February
27th 2014.
Long, D., Rajaratnam, N., Steffler, P.M., Smy, P.R., 1991. Structure of flow in hydraulic
jumps. Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 29 (2), 207e218.
Ma, J., Oberai, A.A., Lahey Jr., R.T., Drew, D.A., 2011. Modeling air entrainment and
transport in a hydraulic jump using two-fluid RANS and DES turbulence
models. Heat Mass Transf. 47 (8), 911e919.
Matos, J., Frizell, K., Andre, S., Frizell, K., 2002. On the performance of velocity 
measurement techniques in air-water flows. Hydraulic Meas. Exp. Methods
2002, 1e11. http://dx.doi.org/10.1061/40655(2002)58.
Meireles, I.C., Bombardelli, F.A., Matos, J., 2014. .Air entrainment onset in skimming
flows on steep stepped spillways: an analysis. J. Hydraulic Res. 52 (3), 375e385.
McDonald, P., 1971. The Computation of Transonic Flow through Two-dimensional
Gas Turbine Cascades.
Mossa, M., 1999. On the oscillating characteristics of hydraulic jumps, Journal of
Hydraulic Research. Taylor &Francis 37 (4), 541e558.
Murzyn, F., Chanson, H., 2009a. Two-phase Gas-liquid Flow Properties in the Hydraulic Jump: Review and Perspectives. Nova Science Publishers.
Murzyn, F., Chanson, H., 2009b. Experimental investigation of bubbly flow and
turbulence in hydraulic jumps. Environ. Fluid Mech. 2, 143e159.
Murzyn, F., Mouaze, D., Chaplin, J.R., 2007. Airewater interface dynamic and free
surface features in hydraulic jumps. J. Hydraulic Res. 45 (5), 679e685.
Murzyn, F., Mouaze, D., Chaplin, J., 2005. Optical fiber probe measurements of
bubbly flow in hydraulic jumps. Elsevier Int. J. Multiph. Flow 31 (1), 141e154.
Nagosa, R., 1999. Direct numerical simulation of vortex structures and turbulence
scalar transfer across a free surface in a fully developed turbulence. Phys. Fluids
11, 1581e1595.
Noh, W.F., Woodward, P., 1976. SLIC (Simple Line Interface Calculation), Proceedings
of the Fifth International Conference on Numerical Methods in Fluid Dynamics
June 28-July 2. 1976 Twente University, Enschede, pp. 330e340.
Oertel, M., Bung, D.B., 2012. Initial stage of two-dimensional dam-break waves:
laboratory versus VOF. J. Hydraulic Res. 50 (1), 89e97.
Olivari, D., Benocci, C., 2010. Introduction to Mechanics of Turbulence. Von Karman
Institute for Fluid Dynamics.
Omid, M.H., Omid, M., Varaki, M.E., 2005. Modelling hydraulic jumps with artificial
neural networks. Thomas Telford Proc. ICE-Water Manag. 158 (2), 65e70.
OpenFOAM, 2011. OpenFOAM: the Open Source CFD Toolbox User Guide. The Free
Software Foundation Inc.
Peterka, A.J., 1984. Hydraulic design of spillways and energy dissipators. A water
resources technical publication. Eng. Monogr. 25.
Pope, S.B., 2000. Turbulent Flows. Cambridge university press.
Pfister, M., 2011. Chute aerators: steep deflectors and cavity subpressure, Journal of
hydraulic engineering. Am. Soc. Civ. Eng. 137 (10), 1208e1215.
Prosperetti, A., Tryggvason, G., 2007. Computational Methods for Multiphase Flow.
Cambridge University Press.
Rajaratnam, N., 1965. The hydraulic jump as a Wall Jet. Proc. ASCE, J. Hydraul. Div. 91
(HY5), 107e132.
Resch, F., Leutheusser, H., 1972. Reynolds stress measurements in hydraulic jumps.
Taylor & Francis J. Hydraulic Res. 10 (4), 409e430.
Romagnoli, M., Portapila, M., Morvan, H., 2009. Computational simulation of a
hydraulic jump (original title, in Spanish: “Simulacioncomputacional del
resaltohidraulico”), MecanicaComputacional, XXVIII, pp. 1661e1672.
Rouse, H., Siao, T.T., Nagaratnam, S., 1959. Turbulence characteristics of the hydraulic jump. Trans. ASCE 124, 926e966.
Rusche, H., 2002. Computational Fluid Dynamics of Dispersed Two-phase Flows at
High Phase Fractions. Imperial College of Science, Technology and Medicine, UK.
Saint-Venant, A., 1871. Theorie du movement non permanent des eaux, avec
application aux crues des riviereset a l’introduction de mareesdansleurslits.
Comptesrendus des seances de l’Academie des Sciences.
Schlichting, H., Gersten, K., 2000. Boundary-layer Theory. Springer.
Spalart, P.R., 2000. Strategies for turbulence modelling and simulations. Int. J. Heat
Fluid Flow 21 (3), 252e263.
Speziale, C.G., Thangam, S., 1992. Analysis of an RNG based turbulence model for
separated flows. Int. J. Eng. Sci. 30 (10), 1379eIN4.
Toge, G.E., 2012. The Significance of Froude Number in Vertical Pipes: a CFD Study.
University of Stavanger, Norway.
Ubbink, O., 1997. Numerical Prediction of Two Fluid Systems with Sharp Interfaces.
Imperial College of Science, Technology and Medicine, UK.
Valero, D., García-Bartual, R., 2016. Calibration of an air entrainment model for CFD
spillway applications. Adv. Hydroinformatics 571e582. http://dx.doi.org/
10.1007/978-981-287-615-7_38. P. Gourbesville et al. Springer Water.
Valero, D., Bung, D.B., 2015. Hybrid investigations of air transport processes in
moderately sloped stepped spillway flows. In: E-Proceedings of the 36th IAHR
World Congress, 28 June e 3 July, 2015 (The Hague, the Netherlands).
Van Leer, B., 1977. Towards the ultimate conservative difference scheme III. Upstream-centered finite-difference schemes for ideal compressible flow. J.
Comput. Phys 23 (3), 263e275.
Von Karman, T., 1930. MechanischeAhnlichkeit und Turbulenz, Nachrichten von der
Gesellschaft der WissenschaftenzuGottingen. Fachgr. 1 Math. 5, 58 € e76.
Wang, H., Murzyn, F., Chanson, H., 2014a. Total pressure fluctuations and two-phase
flow turbulence in hydraulic jumps. Exp. Fluids 55.11(2014) Pap. 1847, 1e16
(DOI: 10.1007/s00348-014-1847-9).
Wang, H., Felder, S., Chanson, H., 2014b. An experimental study of turbulent twophase flow in hydraulic jumps and application of a triple decomposition
technique. Exp. Fluids 55.7(2014) Pap. 1775, 1e18. http://dx.doi.org/10.1007/
s00348-014-1775-8.
Wang, H., Chanson, H., 2015a. .Experimental study of turbulent fluctuations in
hydraulic jumps. J. Hydraul. Eng. 141 (7) http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)
HY.1943-7900.0001010. Paper 04015010, 10 pages.
Wang, H., Chanson, H., 2015b. Integral turbulent length and time scales in hydraulic
jumps: an experimental investigation at large Reynolds numbers. In: E-Proceedings of the 36th IAHR World Congress 28 June e 3 July, 2015, The
Netherlands.
Weller, H., Tabor, G., Jasak, H., Fureby, C., 1998. A tensorial approach to computational continuum mechanics using object-oriented techniques. Comput. Phys.
12, 620e631.
Wilcox, D., 1998. Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries. La Canada, California (USA).
Witt, A., Gulliver, J., Shen, L., June 2015. Simulating air entrainment and vortex
dynamics in a hydraulic jump. Int. J. Multiph. Flow 72, 165e180. ISSN 0301-

  1. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2015.02.012. http://www.
    sciencedirect.com/science/article/pii/S0301932215000336.
    Wood, I.R., 1991. Air Entrainment in Free-surface Flows, IAHR Hydraulic Design
    Manual No.4, Hydraulic Design Considerations. Balkema Publications, Rotterdam, The Netherlands.
    Yakhot, V., Orszag, S., Thangam, S., Gatski, T., Speziale, C., 1992. Development of
    turbulence models for shear flows by a double expansion technique, Physics of
    Fluids A: fluid Dynamics (1989-1993). AIP Publ. 4 (7), 1510e1520.
    Youngs, D.L., 1984. An interface tracking method for a 3D Eulerian hydrodynamics
    code. Tech. Rep. 44 (92), 35e35.
    Zhang, G., Wang, H., Chanson, H., 2013. Turbulence and aeration in hydraulic jumps:
    free-surface fluctuation and integral turbulent scale measurements. Environ.
    fluid Mech. 13 (2), 189e204.
    Zhang, W., Liu, M., Zhu, D.Z., Rajaratnam, N., 2014. Mean and turbulent bubble
    velocities in free hydraulic jumps for small to intermediate froude numbers.
    J. Hydraulic Eng.
Stability and deformations of deposited layers in material extrusion additive manufacturing

Conflict resolution in the multi-stakeholder stepped spillway design under uncertainty by machine learning techniques

Md TusherMollah, Raphaël Comminal, Marcin P.Serdeczny, David B.Pedersen, Jon Spangenberg
Department of Mechanical Engineering, Technical University of Denmark, Kgs. Lyngby, Denmark

Abstract

This paper presents computational fluid dynamics simulations of the deposition flow during printing of multiple layers in material extrusion additive manufacturing. The developed model predicts the morphology of the deposited layers and captures the layer deformations during the printing of viscoplastic materials. The physics is governed by the continuity and momentum equations with the Bingham constitutive model, formulated as a generalized Newtonian fluid. The cross-sectional shapes of the deposited layers are predicted, and the deformation of layers is studied for different constitutive parameters of the material. It is shown that the deformation of layers is due to the hydrostatic pressure of the printed material, as well as the extrusion pressure during the extrusion. The simulations show that a higher yield stress results in prints with less deformations, while a higher plastic viscosity leads to larger deformations in the deposited layers. Moreover, the influence of the printing speed, extrusion speed, layer height, and nozzle diameter on the deformation of the printed layers is investigated. Finally, the model provides a conservative estimate of the required increase in yield stress that a viscoplastic material demands after deposition in order to support the hydrostatic and extrusion pressure of the subsequently printed layers.

이 논문은 재료 압출 적층 제조에서 여러 레이어를 인쇄하는 동안 증착 흐름의 전산 유체 역학 시뮬레이션을 제공합니다. 개발된 모델은 증착된 레이어의 형태를 예측하고 점소성 재료를 인쇄하는 동안 레이어 변형을 캡처합니다.

물리학은 일반화된 뉴턴 유체로 공식화된 Bingham 구성 모델의 연속성 및 운동량 방정식에 의해 제어됩니다. 증착된 층의 단면 모양이 예측되고 재료의 다양한 구성 매개변수에 대해 층의 변형이 연구됩니다. 층의 변형은 인쇄물의 정수압과 압출시 압출압력으로 인한 것임을 알 수 있다.

시뮬레이션에 따르면 항복 응력이 높을수록 변형이 적은 인쇄물이 생성되는 반면 플라스틱 점도가 높을수록 증착된 레이어에서 변형이 커집니다. 또한 인쇄 속도, 압출 속도, 층 높이 및 노즐 직경이 인쇄된 층의 변형에 미치는 영향을 조사했습니다.

마지막으로, 이 모델은 후속 인쇄된 레이어의 정수압 및 압출 압력을 지원하기 위해 증착 후 점소성 재료가 요구하는 항복 응력의 필요한 증가에 대한 보수적인 추정치를 제공합니다.

Stability and deformations of deposited layers in material extrusion additive manufacturing
Stability and deformations of deposited layers in material extrusion additive manufacturing

Keywords

Viscoplastic MaterialsMaterial Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM)Multiple-Layers DepositionComputational Fluid Dynamics (CFD)Deformation Control

Conflict resolution in the multi-stakeholder stepped spillway design under uncertainty by machine learning techniques

기계 학습 기술에 의한 불확실성 하에서 다중 이해 관계자 계단형 배수로 설계의 충돌 해결

Conflict resolution in the multi-stakeholder stepped spillway design under uncertainty by machine learning techniques

Mehrdad GhorbaniMooseluaMohammad RezaNikoobParnian HashempourBakhtiaribNooshin BakhtiariRayanicAzizallahIzadyd
aDepartment of Engineering Sciences, University of Agder, Norway
bDepartment of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
cSchool of Engineering, Department of Civil and Environmental Engineering, Shiraz University, Shiraz, IrandWater Research Center, Sultan Qaboos University, Muscat, Oman

Abstract

The optimal spillway design is of great significance since these structures can reduce erosion downstream of the dams. This study proposes a risk-based optimization framework for a stepped spillway to achieve an economical design scenario with the minimum loss in hydraulic performance. Accordingly, the stepped spillway was simulated in the FLOW-3D® model, and the validated model was repeatedly performed for various geometric states.

The results were used to form a Multilayer Perceptron artificial neural network (MLP-ANN) surrogate model. Then, a risk-based optimization model was formed by coupling the MLP-ANN and NSGA-II. The concept of conditional value at risk (CVaR) was utilized to reduce the risk of the designed spillway malfunctions in high flood flow rates, while minimizing the construction cost and the loss in hydraulic performance.

Lastly, given the conflicting objectives of stakeholders, the non-cooperative graph model for conflict resolution (GMCR) was applied to achieve a compromise on the Pareto optimal solutions. Applicability of the suggested approach in the Jarreh Dam, Iran, resulted in a practical design scenario, which simultaneously minimizes the loss in hydraulic performance and the project cost and satisfies the priorities of decision-makers.

Keywords

Stepped spillway, FLOW-3D® ,CVaR-based optimization model, GMCR-plus, NSGA-II

최적의 배수로 설계는 이러한 구조가 댐 하류의 침식을 줄일 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 본 연구에서는 유압 성능 손실을 최소화하면서 경제적인 설계 시나리오를 달성하기 위해 계단형 여수로에 대한 위험 기반 최적화 프레임워크를 제안합니다. 따라서 FLOW-3D® 모델에서 계단식 배수로를 시뮬레이션하고 다양한 기하학적 상태에 대해 검증된 모델을 반복적으로 수행했습니다.

결과는 다층 퍼셉트론 인공 신경망(MLP-ANN) 대리 모델을 형성하는 데 사용되었습니다. 그런 다음 MLP-ANN과 NSGA-II를 결합하여 위험 기반 최적화 모델을 구성했습니다. 위험 조건부 값(CVaR)의 개념은 높은 홍수 유량에서 설계된 방수로 오작동의 위험을 줄이는 동시에 건설 비용과 수리 성능 손실을 최소화하기 위해 활용되었습니다.

마지막으로 이해관계자의 상충되는 목표를 고려하여 파레토 최적해에 대한 절충안을 달성하기 위해 갈등 해결을 위한 비협조적 그래프 모델(GMCR)을 적용하였다. 이란 Jarreh 댐에서 제안된 접근 방식의 적용 가능성은 수력 성능 손실과 프로젝트 비용을 동시에 최소화하고 의사 결정자의 우선 순위를 만족시키는 실용적인 설계 시나리오로 귀결되었습니다.

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)

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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

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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.

Figure 17. Longitudinal turbulent kinetic energy distribution on the smooth and triangular macroroughnesses: (A) Y/2; (B) Y/6.

Numerical Simulations of the Flow Field of a Submerged Hydraulic Jump over Triangular Macroroughnesses

Triangular Macroroughnesses 대한 잠긴 수압 점프의 유동장 수치 시뮬레이션

by Amir Ghaderi 1,2,Mehdi Dasineh 3,Francesco Aristodemo 2 andCostanza Aricò 4,*1Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Zanjan, Zanjan 537138791, Iran2Department of Civil Engineering, University of Calabria, Arcavacata, 87036 Rende, Italy3Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering, University of Maragheh, Maragheh 8311155181, Iran4Department of Engineering, University of Palermo, Viale delle Scienze, 90128 Palermo, Italy*Author to whom correspondence should be addressed.Academic Editor: Anis YounesWater202113(5), 674; https://doi.org/10.3390/w13050674

Abstract

The submerged hydraulic jump is a sudden change from the supercritical to subcritical flow, specified by strong turbulence, air entrainment and energy loss. Despite recent studies, hydraulic jump characteristics in smooth and rough beds, the turbulence, the mean velocity and the flow patterns in the cavity region of a submerged hydraulic jump in the rough beds, especially in the case of triangular macroroughnesses, are not completely understood. The objective of this paper was to numerically investigate via the FLOW-3D model the effects of triangular macroroughnesses on the characteristics of submerged jump, including the longitudinal profile of streamlines, flow patterns in the cavity region, horizontal velocity profiles, streamwise velocity distribution, thickness of the inner layer, bed shear stress coefficient, Turbulent Kinetic Energy (TKE) and energy loss, in different macroroughness arrangements and various inlet Froude numbers (1.7 < Fr1 < 9.3). To verify the accuracy and reliability of the present numerical simulations, literature experimental data were considered.

Keywords: submerged hydraulic jumptriangular macroroughnessesTKEbed shear stress coefficientvelocityFLOW-3D model

수중 유압 점프는 강한 난류, 공기 동반 및 에너지 손실로 지정된 초임계에서 아임계 흐름으로의 급격한 변화입니다. 최근 연구에도 불구하고, 특히 삼각형 거시적 거칠기의 경우, 평활 및 거친 베드에서의 수압 점프 특성, 거친 베드에서 잠긴 수압 점프의 공동 영역에서 난류, 평균 속도 및 유동 패턴이 완전히 이해되지 않았습니다.

이 논문의 목적은 유선의 종방향 프로파일, 캐비티 영역의 유동 패턴, 수평 속도 프로파일, 스트림 방향 속도 분포, 두께를 포함하여 서브머지드 점프의 특성에 대한 삼각형 거시 거칠기의 영향을 FLOW-3D 모델을 통해 수치적으로 조사하는 것이었습니다.

내부 층의 층 전단 응력 계수, 난류 운동 에너지(TKE) 및 에너지 손실, 다양한 거시 거칠기 배열 및 다양한 입구 Froude 수(1.7 < Fr1 < 9.3). 현재 수치 시뮬레이션의 정확성과 신뢰성을 검증하기 위해 문헌 실험 데이터를 고려했습니다.

 Introduction

격렬한 난류 혼합과 기포 동반이 있는 수압 점프는 초임계에서 아임계 흐름으로의 변화 과정으로 간주됩니다[1]. 자유 및 수중 유압 점프는 일반적으로 게이트, 배수로 및 둑과 같은 수력 구조 아래의 에너지 손실에 적합합니다. 매끄러운 베드에서 유압 점프의 특성은 널리 연구되었습니다[2,3,4,5,6,7,8,9].

베드의 거칠기 요소가 매끄러운 베드와 비교하여 수압 점프의 특성에 어떻게 영향을 미치는지 예측하기 위해 거시적 거칠기에 대한 자유 및 수중 수력 점프에 대해 여러 실험 및 수치 연구가 수행되었습니다. Ead와 Rajaratnam[10]은 사인파 거대 거칠기에 대한 수리학적 점프의 특성을 조사하고 무차원 분석을 통해 수면 프로파일과 배출을 정규화했습니다.

Tokyayet al. [11]은 두 사인 곡선 거대 거칠기에 대한 점프 길이 비율과 에너지 손실이 매끄러운 베드보다 각각 35% 더 작고 6% 더 높다는 것을 관찰했습니다. Abbaspur et al. [12]는 6개의 사인파형 거대 거칠기에 대한 수력학적 점프의 특성을 연구했습니다. 그 결과, 꼬리수심과 점프길이는 평상보다 낮았고 Froude 수는 점프길이에 큰 영향을 미쳤습니다.

Shafai-Bejestan과 Neisi[13]는 수압 점프에 대한 마름모꼴 거대 거칠기의 영향을 조사했습니다. 결과는 마름모꼴 거시 거칠기를 사용하면 매끄러운 침대와 비교하여 꼬리 수심과 점프 길이를 감소시키는 것으로 나타났습니다. Izadjoo와 Shafai-Bejestan[14]은 다양한 사다리꼴 거시 거칠기에 대한 수압 점프를 연구했습니다.

그들은 전단응력계수가 평활층보다 10배 이상 크고 점프길이가 50% 감소하는 것을 관찰하였습니다. Nikmehr과 Aminpour[15]는 Flow-3D 모델 버전 11.2[16]를 사용하여 사다리꼴 블록이 있는 거시적 거칠기에 대한 수력학적 점프의 특성을 조사했습니다. 결과는 거시 거칠기의 높이와 거리가 증가할수록 전단 응력 계수뿐만 아니라 베드 근처에서 속도가 감소하는 것으로 나타났습니다.

Ghaderi et al. [17]은 다양한 형태의 거시 거칠기(삼각형, 정사각형 및 반 타원형)에 대한 자유 및 수중 수력 점프 특성을 연구했습니다. 결과는 Froude 수의 증가에 따라 자유 및 수중 점프에서 전단 응력 계수, 에너지 손실, 수중 깊이, 미수 깊이 및 상대 점프 길이가 증가함을 나타냅니다.

자유 및 수중 점프에서 가장 높은 전단 응력과 에너지 손실은 삼각형의 거시 거칠기가 존재할 때 발생했습니다. Elsebaie와 Shabayek[18]은 5가지 형태의 거시적 거칠기(삼각형, 사다리꼴, 2개의 측면 경사 및 직사각형이 있는 정현파)에 대한 수력학적 점프의 특성을 연구했습니다. 결과는 모든 거시적 거칠기에 대한 에너지 손실이 매끄러운 베드에서보다 15배 이상이라는 것을 보여주었습니다.

Samadi-Boroujeni et al. [19]는 다양한 각도의 6개의 삼각형 거시 거칠기에 대한 수력 점프를 조사한 결과 삼각형 거시 거칠기가 평활 베드에 비해 점프 길이를 줄이고 에너지 손실과 베드 전단 응력 계수를 증가시키는 것으로 나타났습니다.

Ahmed et al. [20]은 매끄러운 베드와 삼각형 거시 거칠기에서 수중 수력 점프 특성을 조사했습니다. 결과는 부드러운 침대와 비교할 때 잠긴 깊이와 점프 길이가 감소했다고 밝혔습니다. 표 1은 다른 연구자들이 제시한 과거의 유압 점프에 대한 실험 및 수치 연구의 세부 사항을 나열합니다.

Table 1. Main characteristics of some past experimental and numerical studies on hydraulic jumps.

ReferenceShape Bed-Channel Type-
Jump Type
Channel Dimension (m)Roughness (mm)Fr1Investigated Flow
Properties
Ead and Rajaratnam [10]-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free jumpCL1 = 7.60
CW2 = 0.44
CH3 = 0.60
-Corrugated sheets (RH4 = 13 and 22)4–10-Upstream and tailwater depths-Jump length-Roller length-Velocity-Water surface profile
Tokyay et al. [11]-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free jumpCL = 10.50
CW = 0.253
CH = 0.432
-Two sinusoidal corrugated (RH = 10 and 13)5–12-Depth ratio-Jump length-Energy loss
Izadjoo and Shafai-Bejestan [14]-Smooth and rough beds-Two rectangular-channel-Free jumpCL = 1.2, 9
CW = 0.25, 0.50
CH = 0.40
Baffle with trapezoidal cross section
(RH: 13 and 26)
6–12-Upstream and tailwater depths-Jump length-Velocity-Bed shear stress coefficient
Abbaspour et al. [12]-Horizontal bed with slope 0.002-Rectangular channel—smooth and rough beds-Free jumpCL = 10
CW = 0.25
CH = 0.50
-Sinusoidal bed (RH = 15,20, 25 and 35)3.80–8.60-Water surface profile-Depth ratio-Jump length-Energy loss-Velocity profiles-Bed shear stress coefficient
Shafai-Bejestan and Neisi [13]-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free jumpCL = 7.50
CW = 0.35
CH = 0.50
Lozenge bed4.50–12-Sequent depth-Jump length
Elsebaie and Shabayek [18]-Smooth and rough beds-Rectangular channel-With side slopes of 45 degrees for two trapezoidal and triangular macroroughnesses and of 60 degrees for other trapezoidal macroroughnesses-Free jumpCL = 9
CW = 0.295
CH = 0.32
-Sinusoidal-Triangular-Trapezoidal with two side-Rectangular-(RH = 18 and corrugation wavelength = 65)50-Water surface profile-Sequent depth-Jump length-Bed shear stress coefficient
Samadi-Boroujeni et al. [19]-Rectangular channel-Smooth and rough beds-Free jumpCL = 12
CW = 0.40
CH = 0.40
-Six triangular corrugated (RH = 2.5)6.10–13.10-Water surface profile-Sequent depth-Jump length-Energy loss-Velocity profiles-Bed shear stress coefficient
Ahmed et al. [20]-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Submerged jumpCL = 24.50
CW = 0.75
CH = 0.70
-Triangular corrugated sheet (RH = 40)1.68–9.29-Conjugated and tailwater depths-Submerged ratio-Deficit depth-Relative jump length-Jump length-Relative roller jump length-Jump efficiency-Bed shear stress coefficient
Nikmehr and Aminpour [15]-Horizontal bed with slope 0.002-Rectangular channel-Rough bed-Free jumpCL = 12
CW = 0.25
CH = 0.50
-Trapezoidal blocks (RH = 2, 3 and 4)5.01–13.70-Water surface profile-Sequent depth-Jump length-Roller length-Velocity
Ghaderi et al. [17]-Smooth and rough beds-Rectangular channel-Free and submerged jumpCL = 4.50
CW = 0.75
CH = 0.70
-Triangular, square and semi-oval macroroughnesses (RH = 40 and distance of roughness of I = 40, 80, 120, 160 and 200)1.70–9.30-Horizontal velocity distributions-Bed shear stress coefficient-Sequent depth ratio and submerged depth ratio-Jump length-Energy loss
Present studyRectangular channel
Smooth and rough beds
Submerged jump
CL = 4.50
CW = 0.75
CH = 0.70
-Triangular macroroughnesses (RH = 40 and distance of roughness of I = 40, 80, 120, 160 and 200)1.70–9.30-Longitudinal profile of streamlines-Flow patterns in the cavity region-Horizontal velocity profiles-Streamwise velocity distribution-Bed shear stress coefficient-TKE-Thickness of the inner layer-Energy loss

CL1: channel length, CW2: channel width, CH3: channel height, RH4: roughness height.

이전에 논의된 조사의 주요 부분은 실험실 접근 방식을 기반으로 하며 사인파, 마름모꼴, 사다리꼴, 정사각형, 직사각형 및 삼각형 매크로 거칠기가 공액 깊이, 잠긴 깊이, 점프 길이, 에너지 손실과 같은 일부 자유 및 수중 유압 점프 특성에 어떻게 영향을 미치는지 조사합니다.

베드 및 전단 응력 계수. 더욱이, 저자[17]에 의해 다양한 형태의 거시적 거칠기에 대한 수력학적 점프에 대한 이전 발표된 논문을 참조하면, 삼각형의 거대조도는 가장 높은 층 전단 응력 계수 및 에너지 손실을 가지며 또한 가장 낮은 잠긴 깊이, tailwater를 갖는 것으로 관찰되었습니다.

다른 거친 모양, 즉 정사각형 및 반 타원형과 부드러운 침대에 비해 깊이와 점프 길이. 따라서 본 논문에서는 삼각형 매크로 거칠기를 사용하여(일정한 거칠기 높이가 T = 4cm이고 삼각형 거칠기의 거리가 I = 4, 8, 12, 16 및 20cm인 다른 T/I 비율에 대해), 특정 캐비티 영역의 유동 패턴, 난류 운동 에너지(TKE) 및 흐름 방향 속도 분포와 같은 연구가 필요합니다.

CFD(Computational Fluid Dynamics) 방법은 자유 및 수중 유압 점프[21]와 같은 복잡한 흐름의 모델링 프로세스를 수행하는 중요한 도구로 등장하며 수중 유압 점프의 특성은 CFD 시뮬레이션을 사용하여 정확하게 예측할 수 있습니다 [22,23 ].

본 논문은 초기에 수중 유압 점프의 주요 특성, 수치 모델에 대한 입력 매개변수 및 Ahmed et al.의 참조 실험 조사를 제시합니다. [20], 검증 목적으로 보고되었습니다. 또한, 본 연구에서는 유선의 종방향 프로파일, 캐비티 영역의 유동 패턴, 수평 속도 프로파일, 내부 층의 두께, 베드 전단 응력 계수, TKE 및 에너지 손실과 같은 특성을 조사할 것입니다.

Figure 1. Definition sketch of a submerged hydraulic jump at triangular macroroughnesses.
Figure 1. Definition sketch of a submerged hydraulic jump at triangular macroroughnesses.

Table 2. Effective parameters in the numerical model.

Bed TypeQ
(l/s)
I
(cm)
T (cm)d (cm)y1
(cm)
y4
(cm)
Fr1= u1/(gy1)0.5SRe1= (u1y1)/υ
Smooth30, 4551.62–3.839.64–32.101.7–9.30.26–0.5039,884–59,825
Triangular macroroughnesses30, 454, 8, 12, 16, 20451.62–3.846.82–30.081.7–9.30.21–0.4439,884–59,825
Figure 2. Longitudinal profile of the experimental flume (Ahmed et al. [20]).
Figure 2. Longitudinal profile of the experimental flume (Ahmed et al. [20]).

Table 3. Main flow variables for the numerical and physical models (Ahmed et al. [20]).

ModelsBed TypeQ (l/s)d (cm)y1 (cm)u1 (m/s)Fr1
Numerical and PhysicalSmooth4551.62–3.831.04–3.701.7–9.3
T/I = 0.54551.61–3.831.05–3.711.7–9.3
T/I = 0.254551.60–3.841.04–3.711.7–9.3
Figure 3. The boundary conditions governing the simulations.
Figure 3. The boundary conditions governing the simulations.
Figure 4. Sketch of mesh setup.
Figure 4. Sketch of mesh setup.

Table 4. Characteristics of the computational grids.

MeshNested Block Cell Size (cm)Containing Block Cell Size (cm)
10.551.10
20.651.30
30.851.70

Table 5. The numerical results of mesh convergence analysis.

ParametersAmounts
fs1 (-)7.15
fs2 (-)6.88
fs3 (-)6.19
K (-)5.61
E32 (%)10.02
E21 (%)3.77
GCI21 (%)3.03
GCI32 (%)3.57
GCI32/rp GCI210.98
Figure 5. Time changes of the flow discharge in the inlet and outlet boundaries conditions (A): Q = 0.03 m3/s (B): Q = 0.045 m3/s.
Figure 5. Time changes of the flow discharge in the inlet and outlet boundaries conditions (A): Q = 0.03 m3/s (B): Q = 0.045 m3/s.
Figure 6. The evolutionary process of a submerged hydraulic jump on the smooth bed—Q = 0.03 m3/s.
Figure 6. The evolutionary process of a submerged hydraulic jump on the smooth bed—Q = 0.03 m3/s.
Figure 7. Numerical versus experimental basic parameters of the submerged hydraulic jump. (A): y3/y1; and (B): y4/y1.
Figure 7. Numerical versus experimental basic parameters of the submerged hydraulic jump. (A): y3/y1; and (B): y4/y1.
Figure 8. Velocity vector field and flow pattern through the gate in a submerged hydraulic jump condition: (A) smooth bed; (B) triangular macroroughnesses.
Figure 8. Velocity vector field and flow pattern through the gate in a submerged hydraulic jump condition: (A) smooth bed; (B) triangular macroroughnesses.
Figure 9. Velocity vector distributions in the x–z plane (y = 0) within the cavity region.
Figure 9. Velocity vector distributions in the x–z plane (y = 0) within the cavity region.
Figure 10. Typical vertical distribution of the mean horizontal velocity in a submerged hydraulic jump [46].
Figure 10. Typical vertical distribution of the mean horizontal velocity in a submerged hydraulic jump [46].
Figure 11. Typical horizontal velocity profiles in a submerged hydraulic jump on smooth bed and triangular macroroughnesses.
Figure 11. Typical horizontal velocity profiles in a submerged hydraulic jump on smooth bed and triangular macroroughnesses.
Figure 12. Horizontal velocity distribution at different distances from the sluice gate for the different T/I for Fr1 = 6.1
Figure 12. Horizontal velocity distribution at different distances from the sluice gate for the different T/I for Fr1 = 6.1
Figure 13. Stream-wise velocity distribution for the triangular macroroughnesses with T/I = 0.5 and 0.25.
Figure 13. Stream-wise velocity distribution for the triangular macroroughnesses with T/I = 0.5 and 0.25.
Figure 14. Dimensionless horizontal velocity distribution in the submerged hydraulic jump for different Froude numbers in triangular macroroughnesses.
Figure 14. Dimensionless horizontal velocity distribution in the submerged hydraulic jump for different Froude numbers in triangular macroroughnesses.
Figure 15. Spatial variations of (umax/u1) and (δ⁄y1).
Figure 15. Spatial variations of (umax/u1) and (δ⁄y1).
Figure 16. The shear stress coefficient (ε) versus the inlet Froude number (Fr1).
Figure 16. The shear stress coefficient (ε) versus the inlet Froude number (Fr1).
Figure 17. Longitudinal turbulent kinetic energy distribution on the smooth and triangular macroroughnesses: (A) Y/2; (B) Y/6.
Figure 17. Longitudinal turbulent kinetic energy distribution on the smooth and triangular macroroughnesses: (A) Y/2; (B) Y/6.
Figure 18. The energy loss (EL/E3) of the submerged jump versus inlet Froude number (Fr1).
Figure 18. The energy loss (EL/E3) of the submerged jump versus inlet Froude number (Fr1).

Conclusions

  • 본 논문에서는 유선의 종방향 프로파일, 공동 영역의 유동 패턴, 수평 속도 프로파일, 스트림 방향 속도 분포, 내부 층의 두께, 베드 전단 응력 계수, 난류 운동 에너지(TKE)를 포함하는 수중 유압 점프의 특성을 제시하고 논의했습니다. ) 및 삼각형 거시적 거칠기에 대한 에너지 손실. 이러한 특성은 FLOW-3D® 모델을 사용하여 수치적으로 조사되었습니다. 자유 표면을 시뮬레이션하기 위한 VOF(Volume of Fluid) 방법과 난류 RNG k-ε 모델이 구현됩니다. 본 모델을 검증하기 위해 평활층과 삼각형 거시 거칠기에 대해 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 비교했습니다. 본 연구의 다음과 같은 결과를 도출할 수 있다.
  • 개발 및 개발 지역의 삼각형 거시 거칠기의 흐름 패턴은 수중 유압 점프 조건의 매끄러운 바닥과 비교하여 더 작은 영역에서 동일합니다. 삼각형의 거대 거칠기는 거대 거칠기 사이의 공동 영역에서 또 다른 시계 방향 와류의 형성으로 이어집니다.
  • T/I = 1, 0.5 및 0.33과 같은 거리에 대해 속도 벡터 분포는 캐비티 영역에서 시계 방향 소용돌이를 표시하며, 여기서 속도의 크기는 평균 유속보다 훨씬 작습니다. 삼각형 거대 거칠기(T/I = 0.25 및 0.2) 사이의 거리를 늘리면 캐비티 영역에 크기가 다른 두 개의 소용돌이가 형성됩니다.
  • 삼각형 거시조도 사이의 거리가 충분히 길면 흐름이 다음 조도에 도달할 때까지 속도 분포가 회복됩니다. 그러나 짧은 거리에서 흐름은 속도 분포의 적절한 회복 없이 다음 거칠기에 도달합니다. 따라서 거시 거칠기 사이의 거리가 감소함에 따라 마찰 계수의 증가율이 감소합니다.
  • 삼각형의 거시적 거칠기에서, 잠수 점프의 지정된 섹션에서 최대 속도는 자유 점프보다 높은 값으로 이어집니다. 또한, 수중 점프에서 두 가지 유형의 베드(부드러움 및 거친 베드)에 대해 깊이 및 와류 증가로 인해 베드로부터의 최대 속도 거리는 감소합니다. 잠수 점프에서 경계층 두께는 자유 점프보다 얇습니다.
  • 매끄러운 베드의 난류 영역은 게이트로부터의 거리에 따라 생성되고 자유 표면 롤러 영역 근처에서 발생하는 반면, 거시적 거칠기에서는 난류가 게이트 근처에서 시작되어 더 큰 강도와 제한된 스위프 영역으로 시작됩니다. 이는 반시계 방향 순환의 결과입니다. 거시 거칠기 사이의 공간에서 자유 표면 롤러 및 시계 방향 와류.
  • 삼각 거시 거칠기에서 침지 점프의 베드 전단 응력 계수와 에너지 손실은 유입구 Froude 수의 증가에 따라 증가하는 매끄러운 베드에서 발견된 것보다 더 큽니다. T/I = 0.50 및 0.20에서 최고 및 최저 베드 전단 응력 계수 및 에너지 손실이 평활 베드에 비해 거칠기 요소의 거리가 증가함에 따라 발생합니다.
  • 거의 거칠기 요소가 있는 삼각형 매크로 거칠기의 존재에 의해 주어지는 점프 길이와 잠긴 수심 및 꼬리 수심의 감소는 결과적으로 크기, 즉 길이 및 높이가 감소하는 정수조 설계에 사용될 수 있습니다.
  • 일반적으로 CFD 모델은 다양한 수력 조건 및 기하학적 배열을 고려하여 잠수 점프의 특성 예측을 시뮬레이션할 수 있습니다. 캐비티 영역의 흐름 패턴, 흐름 방향 및 수평 속도 분포, 베드 전단 응력 계수, TKE 및 유압 점프의 에너지 손실은 수치적 방법으로 시뮬레이션할 수 있습니다. 그러나 거시적 차원과 유동장 및 공동 유동의 변화에 ​​대한 다양한 배열에 대한 연구는 향후 과제로 남아 있다.

References

  1. White, F.M. Viscous Fluid Flow, 2nd ed.; McGraw-Hill University of Rhode Island: Montreal, QC, Canada, 1991. [Google Scholar]
  2. Launder, B.E.; Rodi, W. The turbulent wall jet. Prog. Aerosp. Sci. 197919, 81–128. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. McCorquodale, J.A. Hydraulic jumps and internal flows. In Encyclopedia of Fluid Mechanics; Cheremisinoff, N.P., Ed.; Golf Publishing: Houston, TX, USA, 1986; pp. 120–173. [Google Scholar]
  4. Federico, I.; Marrone, S.; Colagrossi, A.; Aristodemo, F.; Antuono, M. Simulating 2D open-channel flows through an SPH model. Eur. J. Mech. B Fluids 201234, 35–46. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Khan, S.A. An analytical analysis of hydraulic jump in triangular channel: A proposed model. J. Inst. Eng. India Ser. A 201394, 83–87. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Mortazavi, M.; Le Chenadec, V.; Moin, P.; Mani, A. Direct numerical simulation of a turbulent hydraulic jump: Turbulence statistics and air entrainment. J. Fluid Mech. 2016797, 60–94. [Google Scholar] [CrossRef]
  7. Daneshfaraz, R.; Ghahramanzadeh, A.; Ghaderi, A.; Joudi, A.R.; Abraham, J. Investigation of the effect of edge shape on characteristics of flow under vertical gates. J. Am. Water Works Assoc. 2016108, 425–432. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. Azimi, H.; Shabanlou, S.; Kardar, S. Characteristics of hydraulic jump in U-shaped channels. Arab. J. Sci. Eng. 201742, 3751–3760. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. De Padova, D.; Mossa, M.; Sibilla, S. SPH numerical investigation of characteristics of hydraulic jumps. Environ. Fluid Mech. 201818, 849–870. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Ead, S.A.; Rajaratnam, N. Hydraulic jumps on corrugated beds. J. Hydraul. Eng. 2002128, 656–663. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. Tokyay, N.D. Effect of channel bed corrugations on hydraulic jumps. In Proceedings of the World Water and Environmental Resources Congress 2005, Anchorage, AK, USA, 15–19 May 2005; pp. 1–9. [Google Scholar]
  12. Abbaspour, A.; Dalir, A.H.; Farsadizadeh, D.; Sadraddini, A.A. Effect of sinusoidal corrugated bed on hydraulic jump characteristics. J. Hydro-Environ. Res. 20093, 109–117. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Shafai-Bejestan, M.S.; Neisi, K. A new roughened bed hydraulic jump stilling basin. Asian J. Appl. Sci. 20092, 436–445. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Izadjoo, F.; Shafai-Bejestan, M. Corrugated bed hydraulic jump stilling basin. J. Appl. Sci. 20077, 1164–1169. [Google Scholar] [CrossRef]
  15. Nikmehr, S.; Aminpour, Y. Numerical Simulation of Hydraulic Jump over Rough Beds. Period. Polytech. Civil Eng. 201764, 396–407. [Google Scholar] [CrossRef]
  16. Flow Science Inc. FLOW-3D V 11.2 User’s Manual; Flow Science Inc.: Santa Fe, NM, USA, 2016. [Google Scholar]
  17. Ghaderi, A.; Dasineh, M.; Aristodemo, F.; Ghahramanzadeh, A. Characteristics of free and submerged hydraulic jumps over different macroroughnesses. J. Hydroinform. 202022, 1554–1572. [Google Scholar] [CrossRef]
  18. Elsebaie, I.H.; Shabayek, S. Formation of hydraulic jumps on corrugated beds. Int. J. Civil Environ. Eng. IJCEE–IJENS 201010, 37–47. [Google Scholar]
  19. Samadi-Boroujeni, H.; Ghazali, M.; Gorbani, B.; Nafchi, R.F. Effect of triangular corrugated beds on the hydraulic jump characteristics. Can. J. Civil Eng. 201340, 841–847. [Google Scholar] [CrossRef]
  20. Ahmed, H.M.A.; El Gendy, M.; Mirdan, A.M.H.; Ali, A.A.M.; Haleem, F.S.F.A. Effect of corrugated beds on characteristics of submerged hydraulic jump. Ain Shams Eng. J. 20145, 1033–1042. [Google Scholar] [CrossRef]
  21. Viti, N.; Valero, D.; Gualtieri, C. Numerical simulation of hydraulic jumps. Part 2: Recent results and future outlook. Water 201911, 28. [Google Scholar] [CrossRef]
  22. Gumus, V.; Simsek, O.; Soydan, N.G.; Akoz, M.S.; Kirkgoz, M.S. Numerical modeling of submerged hydraulic jump from a sluice gate. J. Irrig. Drain. Eng. 2016142, 04015037. [Google Scholar] [CrossRef]
  23. Jesudhas, V.; Roussinova, V.; Balachandar, R.; Barron, R. Submerged hydraulic jump study using DES. J. Hydraul. Eng. 2017143, 04016091. [Google Scholar] [CrossRef]
  24. Rajaratnam, N. The hydraulic jump as a wall jet. J. Hydraul. Div. 196591, 107–132. [Google Scholar] [CrossRef]
  25. Hager, W.H. Energy Dissipaters and Hydraulic Jump; Kluwer Academic Publisher: Dordrecht, The Netherlands, 1992; pp. 185–224. [Google Scholar]
  26. Long, D.; Steffler, P.M.; Rajaratnam, N. LDA study of flow structure in submerged Hydraulic jumps. J. Hydraul. Res. 199028, 437–460. [Google Scholar] [CrossRef]
  27. Chow, V.T. Open Channel Hydraulics; McGraw-Hill: New York, NY, USA, 1959. [Google Scholar]
  28. Wilcox, D.C. Turbulence Modeling for CFD, 3rd ed.; DCW Industries, Inc.: La Canada, CA, USA, 2006. [Google Scholar]
  29. Hirt, C.W.; Nichols, B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comput. Phys. 198139, 201–225. [Google Scholar] [CrossRef]
  30. Pourshahbaz, H.; Abbasi, S.; Pandey, M.; Pu, J.H.; Taghvaei, P.; Tofangdar, N. Morphology and hydrodynamics numerical simulation around groynes. ISH J. Hydraul. Eng. 2020, 1–9. [Google Scholar] [CrossRef]
  31. Choufu, L.; Abbasi, S.; Pourshahbaz, H.; Taghvaei, P.; Tfwala, S. Investigation of flow, erosion, and sedimentation pattern around varied groynes under different hydraulic and geometric conditions: A numerical study. Water 201911, 235. [Google Scholar] [CrossRef]
  32. Zhenwei, Z.; Haixia, L. Experimental investigation on the anisotropic tensorial eddy viscosity model for turbulence flow. Int. J. Heat Technol. 201634, 186–190. [Google Scholar]
  33. Carvalho, R.; Lemos Ramo, C. Numerical computation of the flow in hydraulic jump stilling basins. J. Hydraul. Res. 200846, 739–752. [Google Scholar] [CrossRef]
  34. Bayon, A.; Valero, D.; García-Bartual, R.; López-Jiménez, P.A. Performance assessment of Open FOAM and FLOW-3D in the numerical modeling of a low Reynolds number hydraulic jump. Environ. Model. Softw. 201680, 322–335. [Google Scholar] [CrossRef]
  35. Daneshfaraz, R.; Ghaderi, A.; Akhtari, A.; Di Francesco, S. On the Effect of Block Roughness in Ogee Spillways with Flip Buckets. Fluids 20205, 182. [Google Scholar] [CrossRef]
  36. Ghaderi, A.; Abbasi, S. CFD simulation of local scouring around airfoil-shaped bridge piers with and without collar. Sādhanā 201944, 216. [Google Scholar] [CrossRef]
  37. Ghaderi, A.; Daneshfaraz, R.; Dasineh, M.; Di Francesco, S. Energy Dissipation and Hydraulics of Flow over Trapezoidal–Triangular Labyrinth Weirs. Water 202012, 1992. [Google Scholar] [CrossRef]
  38. Ghaderi, A.; Abbasi, S.; Abraham, J.; Azamathulla, H.M. Efficiency of trapezoidal labyrinth shaped stepped spillways. Flow Meas. Instrum. 202072, 101711. [Google Scholar] [CrossRef]
  39. Yakhot, V.; Orszag, S.A. Renormalization group analysis of turbulence. I. basic theory. J. Sci. Comput. 19861, 3–51. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]
  40. Biscarini, C.; Di Francesco, S.; Ridolfi, E.; Manciola, P. On the simulation of floods in a narrow bending valley: The malpasset dam break case study. Water 20168, 545. [Google Scholar] [CrossRef]
  41. Ghaderi, A.; Daneshfaraz, R.; Abbasi, S.; Abraham, J. Numerical analysis of the hydraulic characteristics of modified labyrinth weirs. Int. J. Energy Water Resour. 20204, 425–436. [Google Scholar] [CrossRef]
  42. Alfonsi, G. Reynolds-averaged Navier–Stokes equations for turbulence modeling. Appl. Mech. Rev. 200962. [Google Scholar] [CrossRef]
  43. Abbasi, S.; Fatemi, S.; Ghaderi, A.; Di Francesco, S. The Effect of Geometric Parameters of the Antivortex on a Triangular Labyrinth Side Weir. Water 202113, 14. [Google Scholar] [CrossRef]
  44. Celik, I.B.; Ghia, U.; Roache, P.J. Procedure for estimation and reporting of uncertainty due to discretization in CFD applications. J. Fluids Eng. 2008130, 0780011–0780013. [Google Scholar]
  45. Khan, M.I.; Simons, R.R.; Grass, A.J. Influence of cavity flow regimes on turbulence diffusion coefficient. J. Vis. 20069, 57–68. [Google Scholar] [CrossRef]
  46. Javanappa, S.K.; Narasimhamurthy, V.D. DNS of plane Couette flow with surface roughness. Int. J. Adv. Eng. Sci. Appl. Math. 2020, 1–13. [Google Scholar] [CrossRef]
  47. Nasrabadi, M.; Omid, M.H.; Farhoudi, J. Submerged hydraulic jump with sediment-laden flow. Int. J. Sediment Res. 201227, 100–111. [Google Scholar] [CrossRef]
  48. Pourabdollah, N.; Heidarpour, M.; Abedi Koupai, J. Characteristics of free and submerged hydraulic jumps in different stilling basins. In Water Management; Thomas Telford Ltd.: London, UK, 2019; pp. 1–11. [Google Scholar]
  49. Rajaratnam, N. Turbulent Jets; Elsevier Science: Amsterdam, The Netherlands, 1976. [Google Scholar]
  50. Aristodemo, F.; Marrone, S.; Federico, I. SPH modeling of plane jets into water bodies through an inflow/outflow algorithm. Ocean Eng. 2015105, 160–175. [Google Scholar] [CrossRef]
  51. Shekari, Y.; Javan, M.; Eghbalzadeh, A. Three-dimensional numerical study of submerged hydraulic jumps. Arab. J. Sci. Eng. 201439, 6969–6981. [Google Scholar] [CrossRef]
  52. Khan, A.A.; Steffler, P.M. Physically based hydraulic jump model for depth-averaged computations. J. Hydraul. Eng. 1996122, 540–548. [Google Scholar] [CrossRef]
  53. De Dios, M.; Bombardelli, F.A.; García, C.M.; Liscia, S.O.; Lopardo, R.A.; Parravicini, J.A. Experimental characterization of three-dimensional flow vortical structures in submerged hydraulic jumps. J. Hydro-Environ. Res. 201715, 1–12. [Google Scholar] [CrossRef]
Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Fig. 3. Breakwaters model in Flow-3D with meshing geometry and boundary (a) circular slots (b) square slots.

Study of Unconventional Alternatives to Vertical Breakwater

수직 방파제에 대한 비전통적 대안 연구

Karim Badr Hussein and Mohamed Ibrahim
Lecturer of Irrigation and Hydraulics, Faculty of Engineering, Al-Azhar University
Corresponding author E-mail: badrkarim713@yahoo.com

Abstract

방파제의 주요 목적은 항만 내부의 안정을 유지하여 선박의 안전과 운영의 용이성을 달성하는데 도움이 되기 때문에 강한 파도와 폭풍으로부터 항만, 해변 또는 해변 시설을 보호하는 것입니다.

이 연구는 수직 방파제에 대한 비전통적인 대안을 연구하는 것을 목표로 합니다. 이 연구에서는 유체역학적 성능의 연구 및 평가를 위해 구현된 수직파 장벽의 두 가지 다른 모델을 선택했습니다.

첫 번째 모델은 원형 슬롯이 있는 수직 벽이고 두 번째 모델은 사각형 슬롯이 있는 수직 벽입니다. 두 모델을 비교한 결과 정사각형 슬롯은 원형 슬롯보다 파동의 전송을 5~20% 감소시키는 것으로 나타났습니다.

두 개의 원형 홈이 있는 벽을 사용하면 단일 벽에 비해 파동 전송이 최대 30% 감소하고 파동 에너지 분산이 최대 40% 증가합니다. 상대 길이(h/L)가 증가함에 따라 수평파력이 증가합니다.

다공성 = 0.25에서 상대파력(F/Fo)은 다공성 = 0.50에서보다 10~30% 더 컸습니다. 개구부에서 파동 속도가 높고 파동 에너지 소산 계수도 높습니다. 파동 진폭이 클수록 파동 에너지 소산 계수가 커집니다.

Key words: Coastal, Breakwater, FLOW-3D, Numerical Models, Energy Dissipation, Vertical Wall.

Introduction

모든 국가에서 해안 지역은 가장 중요하고 중요한 지역 중 하나입니다. 연안지역과 항만은 대외무역 촉진, 연안관광 개발 및 활성화 등 다양한 분야에 기여하고 있어 경제적 파급효과가 매우 크며, 일자리 창출은 물론 도시근린 정착 및 안정에도 기여한다. 젊은이들에게 강력한 수익을 제공하는 가능성과 어항을 건설하여 어획량을 늘리는 것입니다. [1].

그러나 해안선 부근의 파도, 바람, 조수, 조류 등의 자연 현상은 해변과 해안 지역의 안정성에 영향을 미칩니다. 따라서 연안 보전 서비스는 연안 환경의 균형을 유지하고 보존하는 데 중요한 역할을 합니다. 거센 파도로부터 항구와 해변 시설을 보호하는 방파제 방파제. 방파제는 선박이 안전하게 정박할 수 있는 조용한 지역을 제공하고 건설 및 석유 및 광물 발견 동안 임시 보호를 제공합니다.

파도는 방파제에 부딪힐 때 많은 에너지를 잃습니다. 방파제는 눈에 보이거나 떠 있거나 수중일 수 있으며 다양한 크기, 재료 및 출력 표준이 있습니다[11]. 전통적인 장벽 또는 눈에 보이는 격벽은 매우 효율적이지만 해변의 미적 비전을 가립니다. 많은 건축 자재가 필요하고 건설 비용이 증가합니다[9].

이에 반해 부유방벽은 자재가 필요없고 공사비가 저렴하지만 그 효과는 제한적입니다. 결과적으로 수중 파티션은 이러한 종류의 단점을 방지하기 때문에 더 나은 옵션 중 하나로 간주됩니다.

수중 방벽은 가장 중요한 해변 방어 시설 중 하나이며, 수중 방벽의 장점 중 하나는 투명 방벽에 비해 건설 비용이 비교적 저렴하고 물이 앞에서 뒤로 흐를 수 있다는 것입니다[3].

멤브레인 아래에서 물이 재생됩니다. 또한 바다의 미적 이미지를 왜곡하지 않고 조망을 방해하지 않아 인근 해변에 미치는 영향도 미미하다[18]. 반면에 잠긴 방파제는 건설 후 가라앉으면서 파도 에너지를 분산시키고 해안선을 방어하는 효과를 잃습니다. 장벽의 품질은 높은 수위의 영향도 받습니다.

결과적으로 해안 보호의 가장 중요한 측면 중 하나는 수중 방파제의 효율성을 향상시키는 것입니다. 수직 방파제 이러한 유형의 방파제는 바다를 향한 수직면이 있는 설비입니다[10]. 이러한 장벽은 파도 에너지의 일부가 해안이나 보호할 수역에 도달하는 것을 방지하여 파도를 진정시키는 역할을 합니다[16].

수직 방파제는 블록, 케이슨, 시트 파일 또는 셀룰러로 구성될 수 있습니다. 이 연구는 정사각형 및 원형 구멍이 있는 천공된 수직 방파제의 유체역학적 성능에 대한 연구를 제시하는 것을 목적으로 합니다.

이 논문은 또한 제안된 모델의 유체역학적 효율뿐만 아니라 이 분야의 유사한 연구와 비교되었습니다. 이것은 다음 헤드라인으로 이 백서에 나와 있습니다.

 Materials and methods.
 Results and discussion.
 Conclusions and recommendations.

Fig. 1. The open channel
Fig. 1. The open channel
Fig. 2. Breakwaters model (a) perforated wall with circular slots and (b) perforated wall with square slots.
Fig. 2. Breakwaters model (a) perforated wall with circular slots and (b) perforated wall with square slots.
Fig. 3. Breakwaters model in Flow-3D with meshing geometry and boundary (a) circular slots (b) square slots.
Fig. 3. Breakwaters model in Flow-3D with meshing geometry and boundary (a) circular slots (b) square slots.
Fig. 4. Details and dimensions of proposed breakwater
Fig. 4. Details and dimensions of proposed breakwater
Fig 5 .Wave profiles using (Flow-3D) at wave period (T) = 1.2 sec for perforated walls with circular slots at behind model (Ht).
Fig 5 .Wave profiles using (Flow-3D) at wave period (T) = 1.2 sec for perforated walls with circular slots at behind model (Ht).
Fig. 11. Velocity distribution through slots at (a) quarter wave period, (b) half wave period and (c) three quarters wave period.
Fig. 11. Velocity distribution through slots at (a) quarter wave period, (b) half wave period and (c) three quarters wave period.
Fig. 13. Velocity vectors at front, between and behind barriers.
Fig. 13. Velocity vectors at front, between and behind barriers.

Conclusion & Recommendations

얻어진 결과에 대한 이전 분석을 바탕으로 도달한 결론은 다음과 같습니다.
 결과와 연구에 따르면 FLOW-3D는 수직으로 구멍이 뚫린 벽이 있는 선형 파동과 파동의 관계를 설명하는 강력한 능력을 가지고 있습니다. 또한 실험실 데이터 및 반분석 결과의 가장 중요한 측면을 복제할 수 있습니다. FLOW-3D에 의해 생성된 수치적 결과는 훌륭합니다.
 사각슬롯은 원형슬롯에 비해 파동의 투과율이 5:20% 감소합니다.
 한 쌍의 원형 슬롯 벽을 사용하면 단일 벽에 비해 파동 투과율이 최대 30% 감소하고 파동 에너지 분산이 최대 40% 증가합니다.
 수평파력은 상대길이(h/L)가 증가할수록 증가한다. 다공성 = 0.25에서 상대파력(F/Fo)은 다공성 = 0.50에서보다 10~30% 더 높았다.
 파도가 원 모양으로 움직이고 큰 원이 위쪽에 있었다가 점차 아래쪽으로 내려갑니다.  개구부에서 파동 속도가 높았고 파동 에너지 소산 계수도 높았습니다. 파동 진폭이 높을수록 파동 에너지 소산 계수가 높아집니다.

REFERENCES

[1] Bahaa Elsharnouby and Mohamed, E. (2012). “Study of environment
friendly porous suspended breakwater for the Egyptian Northwestern
Coast” J. of Ocean Engineering, Vol. 48, 47-58.
[2] Huang Z. (2007) “Wave interaction with one or two rows of closely
spaced rectangular cylinders” J. Ocean Eng Vol. 34,1584–1591.
[3] Huang, C. J.; Chang, H. H.; and Hwung, H. H., 2003. “Structural
permeability effects on the interaction of a solitary wave and a
submerged breakwater,” Coastal Engineering. Vol. 49, pp. 1-24.
[4] Hsu, H-H. & Wu, Y-C., 1999. “Numerical solution for the second-order
wave interaction with porous structures.” International Journal for
Numerical Methods in Fluids, Vol. 29 Issue 3, pp. 265-288.
[5] Isaacson, M., Baldwim, J., Premasiro, S. and Yang, G., (1999) “Wave
interaction with double slotted barriers.” J. Applied Ocean Research,
Vol. 21, No. 2, pp. 81-91.
[6] Isaacson, M., Premasiro, S. and Yang, G. (1998) “Wave Interaction with
Vertical Slotted Barrier” J. Waterway, Port, Coastal and Ocean Eng.,
ASCE, Vol. 124, No. 3.
[7] Ji, C.H. and Suh, K.D. (2010) “Wave interactions with multiple-row
curtainwall-pile breakwaters” J.Coastal Engineering vol. 57 issue 5, p.
500-512.
[8] Koraim, A. S., Iskander, M.M. and Elsayed, W. R. (2014)
“Hydrodynamic performance of double rows of piles suspending
horizontal c shaped bars” J. Coastal Engineering, Vol. 84, P. 81-96.
[9] Koraim, A. S., Iskander, M.M. and Elsayed, W. R. (2013)
“Hydrodynamic performance of double rows of piles suspending
horizontal c shaped bars” J. Coastal Engineering, Vol. 84, P. 81-96.
[10] Koraim, A. S. and Salem, T. N. (2012) “The hydrodynamic
characteristics of a single suspended row of half pipes under regular
waves” J. Ocean Engineering, Vol. 50, P. 1-9.
[11] Laju, K., Sundar, V. & Sundaravadivelu, R., 2011. “Hydrodynamic
characteristics of pile supported skirt breakwater models.” Journal of
Ocean Re, 33,12-22.
[12] Lin, P.; and Karunarathna, .S.A., 2007. “Numerical study of solitary
wave interaction with porous breakwaters,” J. of waterway, port,
coastal and ocean engineering. , pp. 352-363.
[13] Moh. Ibrahim (2017) “Linear Wave Interaction with Permeable
Breakwaters” A Thesis Submitted for Partial Fulfillment of Doctor of
Philosophy Degree in Civil Eng., al-Azhar University.
[14] Mansard, E .P. D. & Funke, E. R., 1980. “The measurement of incident
and reflected spectra using a least squares method.” In Proc. 17th
Coastal Eng. Conf., Sydney, Australia, pp 159-174.
[15] Nadji Chioukh et al (2017) “Reflection and Transmission of Regular
Waves from/Through Single and Double Perforated Thin Walls”
China Ocean Eng., 2017, Vol. 31, No. 4, P. 466–475.
[16] Rageh, O., Koraim, A. (2010b). “Hydraulic performance of vertical
walls with horizontal slots used as breakwater”. J.Coastal Engineering,
Vol. 57, 745–746. 12.
[17] Suh KD, Jung HY and Pyun CK (2007) “Wave reflection and
transmission by curtain wall–pile breakwaters using circular piles”. J.
Ocean Eng,Vol. 34(14–15), 2100–2106.
[18] Suh, K. D., Shin, S. & Cox, D. T., 2006. “Hydrodynamic
characteristics of Pile-Supported vertical wall breakwaters.” J. of
Waterways, Port, Coastal and Ocean Engineering, Vol.132, No.2,
pp.83-96.

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

Laser powder bed fusion Figure

A study of transient and steady-state regions from single-track deposition in laser powder bed fusion

SubinShrestha KevinChou

J.B. Speed School of Engineering, University of Louisville, Louisville, KY 40292, United States

Abstract

The surface morphology of parts made by the laser powder bed fusion (L-PBF) process is governed by the flow of the melt pool. The nature of the molten metal flow depends on the material properties, process parameters, and powder-bed particles, etc., and may result in potentially significant variations along a laser scanning path.

This study investigates the formation of transient and steady-state zones through a single-track l-PBF experiment using Inconel 625 powder. Single tracks with lengths of 1 mm and 2 mm were fabricated using 195 W laser power and scan speeds of 400 mm/s or 800 mm/s. The surface morphology of the track was analyzed using a white light interferometer (WLI), and an individual single track can be divided into three distinct zones based on the track width and height.

The initial transient region has a wider and taller solidified track geometry, the region near the end of a scan has a tapered profile with a decreasing track width and height, while the steady-state region in the middle has a smaller variation in the width and height.

A mesoscale numerical model was further developed using FLOW-3D to examine the formation of the transient and steady-state zones. At the start of a scan, strong flow occurs outward and backward, leading to the formation of a wider track with a bump. As the scan continues, the thermal gradient stabilizes, leading to a steady state, which resulted in a very small fluctuation in the width. Furthermore, the tapered end of the scan track is due to the half-lemniscate shape of the melt pool during laser scanning.

L-PBF(Laser Powder Bed fusion) 공정으로 만든 부품의 표면 형태는 용융 풀의 흐름에 따라 결정됩니다. 용융 금속 흐름의 특성은 재료 특성, 공정 매개변수 및 분말층 입자 등에 따라 달라지며 레이저 스캐닝 경로를 따라 잠재적으로 상당한 변동이 발생할 수 있습니다.

이 연구는 Inconel 625 분말을 사용하여 단일 트랙 l-PBF 실험을 통해 과도 및 정상 상태 영역의 형성을 조사합니다. 1 mm 및 2 mm 길이의 단일 트랙은 195 W 레이저 출력과 400 mm/s 또는 800 mm/s의 스캔 속도를 사용하여 제작되었습니다. 트랙의 표면 형태는 백색광 간섭계(WLI)를 사용하여 분석되었으며 개별 단일 트랙은 트랙 너비와 높이에 따라 3개의 별개 영역으로 나눌 수 있습니다.

초기 과도 영역은 더 넓고 더 높은 응고된 트랙 형상을 가지며, 스캔 끝 근처의 영역은 트랙 너비와 높이가 감소하는 테이퍼 프로파일을 갖는 반면, 중간의 정상 상태 영역은 너비와 높이에서 더 작은 변동을 가집니다. 신장. 중간 규모 수치 모델은 과도 및 정상 상태 영역의 형성을 조사하기 위해 FLOW-3D를 사용하여 추가로 개발되었습니다.

스캔이 시작될 때 강한 흐름이 바깥쪽과 뒤쪽으로 발생하여 범프가 있는 더 넓은 트랙이 형성됩니다. 스캔이 계속됨에 따라 열 구배가 안정화되어 정상 상태로 이어지며 폭의 변동이 매우 작습니다. 또한 스캔 트랙의 끝이 가늘어지는 것은 레이저 스캔 중 용융 풀의 반-렘니케이트 모양 때문입니다.

A study of transient and steady-state regions from single-track deposition in laser powder bed fusion
A study of transient and steady-state regions from single-track deposition in laser powder bed fusion

Keywords

Additive manufacturing, Laser powder bed fusion, Numerical modelling, Transient region

Fig. 1. Nysted Offshore Wind Farm

FLOW-3D 모형을 이용한 해상풍력기초 세굴현상 분석

박영진1, 김태원2*1 서일대학교 토목공학과, 2 (주)지티이

Analysis of Scour Phenomenon around Offshore Wind Foundation using Flow-3D Mode

Abstract

국내․외에서 다양한 형태의 석유 대체에너지는 온실효과 가스를 배출하지 않는 청정에너지로 개발되고 있으며, 특히 해상풍력은 풍력 자원이 풍부하고 육상보다 풍력 감소가 상대적으로 작아 다양하게 연구되고 있다. 본 연구에서는 해상 풍력기초의 세굴현상을 분석하기 위해서 Flow-3D 모형을 이용하여 모노 파일과 삼각대 파일 기초에 대하여 수치모의를 수행 하였다. 직경이 다른(D=5.0 m, d=1.69 m) 모노 파일 형식과 직경이 동일한(D=5.0 m) 모노파일에 대하여 세굴현상을 평가하 였다. 수치해석 결과, 동일한 직경을 가진 모노파일에서 하강류가 증가되었으며, 최대세굴심은 약 1.7배 이상 발생하였다. 삼각대 파일에 대하여 관측유속과 극치파랑 조건을 상류경계조건으로 각각 적용한 후 세굴현상을 평가하였다. 극치파랑조건 을 적용한 경우 최대 세굴심은 약 1.3배 정도 깊게 발생하였다. LES 모형을 적용하였을 경우 세굴심은 평형상태에 도달한 반면, RNG  모형은 해석영역 내 전반적으로 세굴현상이 발생하였으며, 세굴심은 평형상태에 도달하지 않았다. 해상풍 력기초에 대하여 세굴현상을 평가하기 위해서 수치모형 적용시 파랑조건 및 LES 난류모형을 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

Various types of alternative energy sources to petroleum are being developed both domestically and internationally as clean energy that does not emit greenhouse gases. In particular, offshore wind power has been studied because the wind resources are relatively limitless and the wind power is relatively smaller than onshore. In this study, to analyze the scour phenomenon around offshore wind foundations, mono pile and tripod pile foundations were simulated using a FLOW-3D model. The scour phenomenon was evaluated for mono piles: one is a pile with a 5 m diameter and d=1.69 m and the other is a pile with a 5 m diameter. Numerical analysis showed that in the latter, the falling-flow increased and the maximum scour depth occurred more than 1.7 times. For a tripod pile foundation, the measured velocity and the maximum wave condition were applied to the upstream boundary condition, respectively, and the scour phenomenon was evaluated. When the maximum wave condition was applied, the maximum scour depth occurred more than about 1.3 times. When the LES model was applied, the scour depth reached equilibrium, whereas the numerical results of the RNG model show that the scour phenomenon occurred in the entire boundary area and the scour depth did not reach equilibrium. To evaluate the scour phenomenon around offshore wind foundations, it is reasonable to apply the wave condition and the LES turbulence model to numerical model applications.

Keywords : Flow-3D, LES model, Mono pile, Offshore wind foundation, RNG k-e model, Scour phenomenon, Tripod pile

서론

지구환경문제에 대한 관심이 증가되고 있는 현실에 서, 풍력발전은 석유 대체에너지로서 뿐만 아니라, 이산 화탄소 등 온실효과 가스를 배출하지 않는 청청에너지의 발전방식으로 국내․외에서 개발이 증가되고 있다. 특 히, 해상풍력은 풍력 자원이 풍부하고, 육상보다 풍력 감 소가 상대적으로 작아 전기 출력량이 크기 때문에 신재 생에너지원 확보 차원에서 국내․외 해상풍력단지 사업 계획이 수립되어 추진되고 있는 실정이다. Fig. 1은 세계 최대 네델란드 해상풍력단지인 Nysted Offshore Wind Farm의 사진이다.

Fig. 1. Nysted Offshore Wind Farm
Fig. 1. Nysted Offshore Wind Farm

하천 내 교각 주변에서 세굴 현상은 발생하며 교각의 안정성 측면에서 세굴보호공을 설치한다. 해양에서 해상 풍력발전 기초를 설치할 경우 구조물로 인해 교란된 흐 름은 세굴을 유발시킨다. 따라서 해상풍력기초를 계획할 경우 안정성 측면에서 세굴현상을 검토할 필요가 있다. 특히 하천의 경우 교각 세굴보호공에 대하여 다양한 공 법들이 설계에 반영되고 있으나, 해양구조물 기초에 대 한 연구는 미흡한 상태이다.

이에 본 연구에서는 수치모 형을 이용하여 해상풍력기초에 대한 세굴현상을 분석하 였다. 수치모형을 이용하여 세굴현상을 예측함에 있어서 본 연구와 연관된 연구동향으로는 양원준과 최성욱(2002) 은 FLOW-3D 모형을 이용하여 세굴영향 평가를 함에 있어서 난류모형을 비교․분석 하였다. 전반적으로 수리 모형실험 자료와 좀 더 잘 일치하는 난류모형은 LES 모 형으로 분석되었다[1]. 여창건 등(2010)은 세굴영향 평 가를 위해 FLOW-3D 모형을 이용할 경우 세굴에 미치 는 중요한 인자에 대하여 매개변수 민감도분석을 수행하 였다.

검토결과, 세굴에 민감한 변수는 유사의 입경, 세 굴조절계수, 안식각 등의 순서로 민감한 것으로 검토되 었다[2]. 오명학 등(2012)은 해상풍력발전기초 시설 주 변에서 FLOW-3D 모형을 이용하여 세굴영향 검토를 수 행하였다. 오명학 등이 검토한 지역은 본 연구 지역과 동 일한 지역이나 경계조건 및 세굴평가에서 가장 중요한 평균입경이 다르다. 세굴검토를 위해 수치모형에 입력한 경계조건은 대조기 창조 최강유속 1.0 m/s을 상류경계조 건으로, 평균입경은 0.0353 mm를 적용하였다. 이와 같은 조건에서 모노파일에서 발생하는 최대세굴심은 약 5.24 m로 분석되었다[3].

Stahlmann과 Schlurmann(2010)은 본 과업에서 적용할 해상풍력기초와 유사한 기초를 가진 구조물에 대하여 수리모형실험을 수행하였다. 연구대상 지역은 독일 해안가에 의한 해상풍력단지에 대하여 삼각 대 형식의 해상풍력기초에 대하여 1/40과 1/12 축척으로 각각 수리모형실험을 수행하였다. 1/40과 1/12 축척에 따라서 세굴분포양상 및 최대세굴심의 위치가 다르게 관 측되었다[4].

본 연구에서는 3차원 수치모형인 Flow-3D를 이용하 여 세굴현상을 평가함에 있어서, 파일 형상 변화, 경계조 건이 다른 경우 및 서로 다른 난류모형을 적용하였을 경 우에 대하여 수치해석이 국부세굴 현상에 미치는 영향을 검토하였다. 이와 같은 연구는 향후 수치모형을 이용하 여 해상풍력발전 기초에 대하여 세굴현상을 평가함에 있 어서 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 2. Shape of Pile
Fig. 2. Shape of Pile
Fig. 3. Boundary Area and Grid of Flow-3D
Fig. 3. Boundary Area and Grid of Flow-3D
Fig. 4. Scour around Monopile
Fig. 4. Scour around Monopile
Fig. 5. Velocity Development around Monopile
Fig. 5. Velocity Development around Monopile
Fig. 6. Flow Phenomenon and Scour around Tripod Pile Foundation
Fig. 6. Flow Phenomenon and Scour around Tripod Pile Foundation
Fig. 7. Scour according to Turbulence Models(RNG k-e & LES Model)
Fig. 7. Scour according to Turbulence Models(RNG k-e & LES Model)

결론

본 연구에서는 해상풍력기초 형식이 모노파일과 삼각 대 파일일 경우 세굴현상을 평가하기 위해서 3차원 수치 모형인 Flow-3D를 이용하였다. 직경이 서로 다른(D=5.0 m, d=1.69 m) 모노파일과 직경이 동일한(D=5.0 m) 모노파일에 대하여 LES 모형 을 적용하여 세굴현상을 평가하였다. 서로 다른 직경을 가진 모노파일 주변에서 최대 세굴심은 4.13 m, 동일한 직경을 가진 모노파일 주변에서는 7.13 m의 최대 세굴 심이 발생하였다. 또한 동일한 직경을 가진 파일에서 하 강류가 증가되어 최대세굴심이 증가된 것으로 분석되었 다. 수치해석 결과, 세굴에 대한 기초의 안정성 측면에서 서로 다른 직경을 가진 기초 형식이 유리한 것으로 분석 되었다. 수치모형을 이용하여 세굴현상을 평가함에 있어서 경 계조건 및 난류모형의 선정은 중요하다. 본 연구에서는 서로 다른 직경을 가진 삼각대 형식의 해상풍력기초에 대하여 상류경계조건으로 관측유속과 극치파랑조건을 각각 적용하였을 경우 세굴현상을 평가하였다. 극치파랑 조건을 적용하였을 경우가 최대세굴심이 약 1.3배 정도 깊게 발생하였다. 또한 극치파랑조건에서 RNG 과 LES 모형을 적용하여 세굴현상을 평가하였다. LES 모 형을 적용하였을 경우 파일 주변에서 세굴현상이 발생하 였으며, 세굴심은 일정시간이 경과된 후에는 증가되지 않는 평형상태에 도달하였다. 그러나 RNG 모형을 적용한 경우는 평형상태에 도달하지 않고 계속해서 세굴 이 진행되어 세굴심을 평가할 수 없었다. 현재 해양구조 물 기초에 대한 세굴현상 연구는 미흡한 상태로 하천에 서 교각 세굴현상을 검토하기 위해서 적용되는 경계조건 을 적용하기보다는 해상 조건인 파랑조건을 적용하여 검 토하는 것이 기초의 안정성 측면에서 유리할 것으로 판 단된다. 또한 정확한 세굴현상을 예측하기 위해서는 RNG 모형보다는 LES 모형을 적용하는 것이 타당 할 것으로 판단된다. 향후 해상풍력기초에 대한 세굴관측을 수행하여 수치 모의 결과와 비교․분석이 필요하며, 또한 다양한 파랑 조건에서 난류모형에 대한 비교․분석이 필요할 것으로 생각된다.

References

[1] W. J. Yang, S. U. Choi. “Three- Dimensional Numerical
Simulation of Local Scour around the Bridge Pier using
Large Eddy Simulation”, Journal of KWRA, vol. 22, no.
4-B, pp. 437-446, 2002.
[2] C. G. Yeo, J. E. Lee, S. O. Lee, J. W. Song. “Sensitivity
Analysis of Sediment Scour Model in Flow-3D”,
Proceedings of KWRA, pp. 1750-1754, 2010.
[3] M. H. Oh, O. S. Kwon, W. M. Jeong, K. S. Lee.
“FLOW-3D Analysis on Scouring around Offshore Wind
Foundation”, Journal of KAIS, vol. 13, no. 3, pp.
1346-1351, 2012.
DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.3.1346

[4] A. Stahlmann, T. Schlurmann, “Physical Modeling of
Scour around Tripod Foundation Structures for Offshore
Wind Energy Converters”, Proceedings of 32nd
Conference on Coastal Engineering, Shanghai, China,
no. 32, pp. 1-12, 2010.
[5] Flow Science. Flow-3D User’s Manual. Los Alamos,
NM, USA, 2016.
[6] KEPRI. 『Test Bed for 2.5GW Offshore Wind Farm at
Yellow Sea』 Interim Design Report(in Korea), 2014.
[7] Germanischer Lloyd. Guideline for the Certification of
Offshore Wind Turbines. Hamburg, Germany, 2005.
[8] B. M. Sumer, J. Fredsøe, The Mechanics of Scour in the
Marine Environment. World Scientific Publishing Co.
Pte. Ltd. 2002.
[9] S. J. Ahn, U. Y. Kim, J. K. Lee. “Experimental Study
for Scour Protection around Bridge Pier by Falling-Flow
Interruption”, Journal of KSCE, vol. 19, no. II-1, pp.
57-65, 1999.
[10] V. Yakhot, S. A. Orszag, S. Thangam, T. B. Gatski, C.
G. Speziale, “Development of turbulence models for
shear flows by a double expansion technique”, Physics
of Fluids, vol. 4, no. 7, pp. 1510-1520, 1992.
DOI: https://doi.org/10.1063/1.858424

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.

FLOW DEM

FLOW-3D DEM Module 개요

FLOW DEM 은 FLOW-3D 의 기체 및 액체 유동 해석에 DEM(Discrete Element Method : 개별 요소법)공법인 입자의 거동을 분석해주는 모듈입니다.

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주요 기능 : 고체 요소의 충돌, 스프링(Spring) / 대시 포트(Dash Pot) 모델 적용 Void, 1 fluid, 2 fluid(자유 계면 포함) 각각의 모드에 대응 가변 밀도 / 가변 직경 입자 크기조절로 입자 특성을 유지하면서 입자 수를 감소 독립적인 DEM의 Sub Time Step 이용

Discrete Element Method : 개별 요소법

다수의 고체 요소의 충돌 운동을 분석하는 데 유용합니다. 유동 해석과 함께 사용하면 광범위한 용도에 응용을 할 수 있습니다.

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입자 간의 충돌

Voigt model은 스프링(Spring) 및 대시 포트(Dash pot)의 조합에 의해 입자 충돌 시의 힘을 평가합니다. 탄성력 부분은 스프링 모델에서,
비탄성 충돌의 에너지 소산부분은 대시 포트 모델에서 시뮬레이션되고 있으며, 중량 및 항력은 작용하는 외력으로 고려 될 수 있습니다.

분석 모드

기본적으로 이용하는 운동 방정식은 FLOW-3D 에 사용되는 질량 입자의 운동 방정식과 같은 것이지만, 여기에 DEM으로
평가되는 항목이 추가되기 형태로되어 있으며, 실제 시뮬레이션으로는 ‘void + DEM’, ‘1 Fluid + DEM’ , ‘ 1 Fluid 자유계면 + DEM ‘을 기본 유동 모드로 취급이 가능합니다.

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입자 유형

입자 타입도 표준 기능의 질량 입자 모델처럼 입자 크기 (반경)와 밀도가 동일한 것 외, 크기는 같지만 밀도가 다른 것이나 밀도는 같지만 크기가 다른 것 등도 취급 가능합니다. 이로 인해 표준 질량 입자 모델에서는 입자 간의 상호 작용이 고려되어 있지 않기 때문에 모든 아래에 가라 앉아 버리고 있었지만, FLOW DEM을 이용하여 기하학적 관계를 평가하는 것이 가능합니다.

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응용 분야

1. Mechanical Engineering 분야

수지 충전, 스쿠류 이송, 분말 이송 / Resin filling, screw conveyance, powder conveyance

2. Civil Engineering분야

3. Civil Engineering 분야

파편, 자갈, 낙 성/ Debris flow, gravel, falling rock

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3. Chemical Engineering, Pharmaceutics 분야

유동층, 사이클론, 교반기 / Fluidized bed, cyclone, stirrer

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4. MEMS, Electrical Engineering 분야

하전 입자를 포함한 전기장 해석 등

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입자 그룹 가시화

그룹 가시화

DEM은 일반적으로 다수의 입자를 필요로하는 분석을 상정하고 있습니다. 
다만 이 경우, 계산 부하가 높아 지므로 현실적인 계산자원을 고려하면, 입자 수가 너무 많아 현실적으로 취급 할 수 없는 경우 입자의 특성은 유지하고 숫자를 줄여 가시화할 필요가 있습니다 .
일반적인 유동해석 계산의 메쉬 해상도에 해당합니다.
메쉬 수 많음 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)
입자 수 다 (계산 부하 큼) → 소 (계산 부하 적음)

원래 입자수

입자 사이즈를 키운경우

그룹 가시화

  • 입자 수를 줄이기 위해 그대로 입경을 크게했을 경우와 그룹 가시화 한 경우의 비교.
  • 입자 크기를 크게하면 개별 입자 특성이 달라지기 때문에 거동이 달라진다. (본 사례에서는 부력이 커진다.)
  • 그룹 가시화의 경우 개별 특성은 동일 원래의 거동과 대체로 일치한다.

주조 시뮬레이션에 DEM 적용

그룹 가시화 비교 예

그룹 가시화한 경우와 입경을 크게하여 수를 줄인 경우, 입경을 크게하면
개별 입자 특성이 변화하여 거동이 바뀌어 버리기 때문에 실제 계산으로는 사용할 수 어렵습니다.

중자 모래 분사 분석

DEM에서의 계산부하를 생각할 때는 입자모델에 의한 안정제한을 고려해야 하지만 서브타임스텝이라는 개념을 도입함으로써 입자의 경우와 유체의 경우의 타임스텝을 바꾸고 필요이상으로 계산시간을 들이지 않고 효율적으로 계산하는 것을 가능하게 하고 있습니다.

이를 통해 예를 들어 중자사 분사 시뮬레이션 실험에서는 이러한 문제로 자주 이용되는 빙엄 유체에서는 실험과의 정합성이 별로 좋지 않기 때문에 당사에서는 이전부터 입상류 모델이라는 모델을 개발하고 연속체로부터의 접근에서도 실험과의 높은 정합성을 실현할 수 있는 모델화를 해왔는데, 이번에 DEM을 사용해도 그것과 거의 같은 결과를 얻습니다. 할 수 있음을 확인할 수 있었다.

Reference :

  • Lefebvre D., Mackenbrock A., Vidal V., Pavan V. and Haigh PM, 2004,
  • Development and use of simulation in the Design of Blown Cores and Moulds

FLOW-3D AM

flow3d AM-product
FLOW-3D AM-product

와이어 파우더 기반 DED | Wire Powder Based DED

일부 연구자들은 부품을 만들기 위해 더 넓은 범위의 처리 조건을 사용하여 하이브리드 와이어 분말 기반 DED 시스템을 찾고 있습니다. 예를 들어, 이 시뮬레이션은 다양한 분말 및 와이어 이송 속도를 가진 하이브리드 시스템을 살펴봅니다.

와이어 기반 DED | Wire Based DED

와이어 기반 DED는 분말 기반 DED보다 처리량이 높고 낭비가 적지만 재료 구성 및 증착 방향 측면에서 유연성이 떨어집니다. FLOW-3D AM 은 와이어 기반 DED의 처리 결과를 이해하는데 유용하며 최적화 연구를 통해 빌드에 대한 와이어 이송 속도 및 직경과 같은 최상의 처리 매개 변수를 찾을 수 있습니다.

FLOW-3D AM은 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF), 바인더 제트 및 DED (Directed Energy Deposition)와 같은 적층 제조 공정 ( additive manufacturing )을 시뮬레이션하고 분석하는 CFD 소프트웨어입니다. FLOW-3D AM 의 다중 물리 기능은 공정 매개 변수의 분석 및 최적화를 위해 분말 확산 및 압축, 용융 풀 역학, L-PBF 및 DED에 대한 다공성 형성, 바인더 분사 공정을 위한 수지 침투 및 확산에 대해 매우 정확한 시뮬레이션을 제공합니다.

3D 프린팅이라고도하는 적층 제조(additive manufacturing)는 일반적으로 층별 접근 방식을 사용하여, 분말 또는 와이어로 부품을 제조하는 방법입니다. 금속 기반 적층 제조 공정에 대한 관심은 지난 몇 년 동안 시작되었습니다. 오늘날 사용되는 3 대 금속 적층 제조 공정은 PBF (Powder Bed Fusion), DED (Directed Energy Deposition) 및 바인더 제트 ( Binder jetting ) 공정입니다.  FLOW-3D  AM  은 이러한 각 프로세스에 대한 고유 한 시뮬레이션 통찰력을 제공합니다.

파우더 베드 융합 및 직접 에너지 증착 공정에서 레이저 또는 전자 빔을 열원으로 사용할 수 있습니다. 두 경우 모두 PBF용 분말 형태와 DED 공정용 분말 또는 와이어 형태의 금속을 완전히 녹여 융합하여 층별로 부품을 형성합니다. 그러나 바인더 젯팅(Binder jetting)에서는 결합제 역할을 하는 수지가 금속 분말에 선택적으로 증착되어 층별로 부품을 형성합니다. 이러한 부품은 더 나은 치밀화를 달성하기 위해 소결됩니다.

FLOW-3D AM 의 자유 표면 추적 알고리즘과 다중 물리 모델은 이러한 각 프로세스를 높은 정확도로 시뮬레이션 할 수 있습니다. 레이저 파우더 베드 융합 (L-PBF) 공정 모델링 단계는 여기에서 자세히 설명합니다. DED 및 바인더 분사 공정에 대한 몇 가지 개념 증명 시뮬레이션도 표시됩니다.

레이저 파우더 베드 퓨전 (L-PBF)

LPBF 공정에는 유체 흐름, 열 전달, 표면 장력, 상 변화 및 응고와 같은 복잡한 다중 물리학 현상이 포함되어 공정 및 궁극적으로 빌드 품질에 상당한 영향을 미칩니다. FLOW-3D AM 의 물리적 모델은 질량, 운동량 및 에너지 보존 방정식을 동시에 해결하는 동시에 입자 크기 분포 및 패킹 비율을 고려하여 중규모에서 용융 풀 현상을 시뮬레이션합니다.

FLOW-3D DEM FLOW-3D WELD 는 전체 파우더 베드 융합 공정을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다. L-PBF 공정의 다양한 단계는 분말 베드 놓기, 분말 용융 및 응고,이어서 이전에 응고 된 층에 신선한 분말을 놓는 것, 그리고 다시 한번 새 층을 이전 층에 녹이고 융합시키는 것입니다. FLOW-3D AM  은 이러한 각 단계를 시뮬레이션하는 데 사용할 수 있습니다.

파우더 베드 부설 공정

FLOW-3D DEM을 통해 분말 크기 분포, 재료 특성, 응집 효과는 물론 롤러 또는 블레이드 움직임 및 상호 작용과 같은 기하학적 효과와 관련된 분말 확산 및 압축을 이해할 수 있습니다. 이러한 시뮬레이션은 공정 매개 변수가 후속 인쇄 공정에서 용융 풀 역학에 직접적인 영향을 미치는 패킹 밀도와 같은 분말 베드 특성에 어떻게 영향을 미치는지에 대한 정확한 이해를 제공합니다.

다양한 파우더 베드 압축을 달성하는 한 가지 방법은 베드를 놓는 동안 다양한 입자 크기 분포를 선택하는 것입니다. 아래에서 볼 수 있듯이 세 가지 크기의 입자 크기 분포가 있으며, 이는 가장 높은 압축을 제공하는 Case 2와 함께 다양한 분말 베드 압축을 초래합니다.

파우더 베드 분포 다양한 입자 크기 분포
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용하여 파우더 베드 배치
파우더 베드 압축 결과
세 가지 다른 입자 크기 분포를 사용한 분말 베드 압축

입자-입자 상호 작용, 유체-입자 결합 및 입자 이동 물체 상호 작용은 FLOW-3D DEM을 사용하여 자세히 분석 할 수도 있습니다 . 또한 입자간 힘을 지정하여 분말 살포 응용 분야를 보다 정확하게 연구 할 수도 있습니다.

FLOW-3D AM  시뮬레이션은 이산 요소 방법 (DEM)을 사용하여 역 회전하는 원통형 롤러로 인한 분말 확산을 연구합니다. 비디오 시작 부분에서 빌드 플랫폼이 위로 이동하는 동안 분말 저장소가 아래로 이동합니다. 그 직후, 롤러는 분말 입자 (초기 위치에 따라 색상이 지정됨)를 다음 층이 녹고 구축 될 준비를 위해 구축 플랫폼으로 펼칩니다. 이러한 시뮬레이션은 저장소에서 빌드 플랫폼으로 전송되는 분말 입자의 선호 크기에 대한 추가 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

Melting | 파우더 베드 용해

DEM 시뮬레이션에서 파우더 베드가 생성되면 STL 파일로 추출됩니다. 다음 단계는 CFD를 사용하여 레이저 용융 공정을 시뮬레이션하는 것입니다. 여기서는 레이저 빔과 파우더 베드의 상호 작용을 모델링 합니다. 이 프로세스를 정확하게 포착하기 위해 물리학에는 점성 흐름, 용융 풀 내의 레이저 반사 (광선 추적을 통해), 열 전달, 응고, 상 변화 및 기화, 반동 압력, 차폐 가스 압력 및 표면 장력이 포함됩니다. 이 모든 물리학은 이 복잡한 프로세스를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 TruVOF 방법을 기반으로 개발되었습니다.

레이저 출력 200W, 스캔 속도 3.0m / s, 스폿 반경 100μm에서 파우더 베드의 용융 풀 분석.

용융 풀이 응고되면 FLOW-3D AM  압력 및 온도 데이터를 Abaqus 또는 MSC Nastran과 같은 FEA 도구로 가져와 응력 윤곽 및 변위 프로파일을 분석 할 수도 있습니다.

Multilayer | 다층 적층 제조

용융 풀 트랙이 응고되면 DEM을 사용하여 이전에 응고된 층에 새로운 분말 층의 확산을 시뮬레이션 할 수 있습니다. 유사하게, 레이저 용융은 새로운 분말 층에서 수행되어 후속 층 간의 융합 조건을 분석 할 수 있습니다.

해석 진행 절차는 첫 번째 용융층이 응고되면 입자의 두 번째 층이 응고 층에 증착됩니다. 새로운 분말 입자 층에 레이저 공정 매개 변수를 지정하여 용융 풀 시뮬레이션을 다시 수행합니다. 이 프로세스를 여러 번 반복하여 연속적으로 응고된 층 간의 융합, 빌드 내 온도 구배를 평가하는 동시에 다공성 또는 기타 결함의 형성을 모니터링 할 수 있습니다.

다층 적층 적층 제조 시뮬레이션

LPBF의 키홀 링 | Keyholing in LPBF

키홀링 중 다공성은 어떻게 형성됩니까? 이것은 TU Denmark의 연구원들이 FLOW-3D AM을 사용하여 답변한 질문이었습니다. 레이저 빔의 적용으로 기판이 녹으면 기화 및 상 변화로 인한 반동 압력이 용융 풀을 압박합니다. 반동 압력으로 인한 하향 흐름과 레이저 반사로 인한 추가 레이저 에너지 흡수가 공존하면 폭주 효과가 발생하여 용융 풀이 Keyholing으로 전환됩니다. 결국, 키홀 벽을 따라 온도가 변하기 때문에 표면 장력으로 인해 벽이 뭉쳐져서 진행되는 응고 전선에 의해 갇힐 수 있는 공극이 생겨 다공성이 발생합니다. FLOW-3D AM 레이저 파우더 베드 융합 공정 모듈은 키홀링 및 다공성 형성을 시뮬레이션 하는데 필요한 모든 물리 모델을 보유하고 있습니다.

바인더 분사 (Binder jetting)

Binder jetting 시뮬레이션은 모세관 힘의 영향을받는 파우더 베드에서 바인더의 확산 및 침투에 대한 통찰력을 제공합니다. 공정 매개 변수와 재료 특성은 증착 및 확산 공정에 직접적인 영향을 미칩니다.

Scan Strategy | 스캔 전략

스캔 전략은 온도 구배 및 냉각 속도에 영향을 미치기 때문에 미세 구조에 직접적인 영향을 미칩니다. 연구원들은 FLOW-3D AM 을 사용하여 결함 형성과 응고된 금속의 미세 구조에 영향을 줄 수 있는 트랙 사이에서 발생하는 재 용융을 이해하기 위한 최적의 스캔 전략을 탐색하고 있습니다. FLOW-3D AM 은 하나 또는 여러 레이저에 대해 시간에 따른 방향 속도를 구현할 때 완전한 유연성을 제공합니다.

Beam Shaping | 빔 형성

레이저 출력 및 스캔 전략 외에도 레이저 빔 모양과 열유속 분포는 LPBF 공정에서 용융 풀 역학에 큰 영향을 미칩니다. AM 기계 제조업체는 공정 안정성 및 처리량에 대해 다중 코어 및 임의 모양의 레이저 빔 사용을 모색하고 있습니다. FLOW-3D AM을 사용하면 멀티 코어 및 임의 모양의 빔 프로파일을 구현할 수 있으므로 생산량을 늘리고 부품 품질을 개선하기 위한 최상의 구성에 대한 통찰력을 제공 할 수 있습니다.

이 영역에서 수행 된 일부 작업에 대해 자세히 알아 보려면 “The Next Frontier of Metal AM”웨비나를 시청하십시오.

Multi-material Powder Bed Fusion | 다중 재료 분말 베드 융합

이 시뮬레이션에서 스테인리스 강 및 알루미늄 분말은 FLOW-3D AM 이 용융 풀 역학을 정확하게 포착하기 위해 추적하는 독립적으로 정의 된 온도 의존 재료 특성을 가지고 있습니다. 시뮬레이션은 용융 풀에서 재료 혼합을 이해하는 데 도움이됩니다.

다중 재료 용접 사례 연구

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사

GM과 University of Utah의 연구원들은 FLOW-3D WELD 를 사용 하여 레이저 키홀 용접을 통한 이종 금속의 혼합을 이해했습니다. 그들은 반동 압력 및 Marangoni 대류와 관련하여 구리와 알루미늄의 혼합 농도에 대한 레이저 출력 및 스캔 속도의 영향을 조사했습니다. 그들은 시뮬레이션을 실험 결과와 비교했으며 샘플 내의 절단 단면에서 재료 농도 사이에 좋은 일치를 발견했습니다.

이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사
이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사
참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056
참조 : Wenkang Huang, Hongliang Wang, Teresa Rinker, Wenda Tan, 이종 금속의 레이저 키홀 용접에서 금속 혼합 조사 , Materials & Design, Volume 195, (2020). https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109056

방향성 에너지 증착

FLOW-3D AM 의 내장 입자 모델 을 사용하여 직접 에너지 증착 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다. 분말 주입 속도와 고체 기질에 입사되는 열유속을 지정함으로써 고체 입자는 용융 풀에 질량, 운동량 및 에너지를 추가 할 수 있습니다. 다음 비디오에서 고체 금속 입자가 용융 풀에 주입되고 기판에서 용융 풀의 후속 응고가 관찰됩니다.

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