FLOW-3D HYDRO

FLOW-3D HYDRO

제품 개요

최근 FLOW Science, Inc에서는 토목 및 환경 엔지니어링 산업을위한 완벽한 CFD 모델링 솔루션인 FLOW-3D HYDRO 제품을 출시했습니다. 기존 FLOW-3D 사용자이거나 유압 엔지니어링 관행에 CFD 모델링 기능을 사용하시는 것에 관심이 있는 경우, 언제든지 아래 연락처로 연락주세요.
연락처 : 02-2026-0442
이메일 : flow3d@stikorea.co.kr

FLOW-3D HYDRO 는 더 높은 수준의 정확도와 모델 해상도를 제공하기 위해 3D 비 유압 모델링 기능이 필요한 경우 고급 모델링 도구로 사용할 수 있습니다. 일반적인 모델링 응용 분야는 소형 댐 / 인프라, 운송 수력학, 복잡한 3D 하천 수력학, 열 부력 연기, 배수구 및 오염 물질 수송과 관련됩니다. 

FLOW-3D HYDRO의 핵심 기능은 전체 3D 모델과 동적으로 연결될 수있는 얕은 물 모델입니다. 

이 기능을 통해 사용자는 멀티 스케일 모델링 애플리케이션을위한 모델 도메인을 확장하여 필요한 모델 해상도로 계산 효율성을 극대화 할 수 있습니다. FLOW-3D HYDRO  또한 강 및 환경 응용 분야에 특화된 추가 기능과 고급 물리학을 포함합니다.

시뮬레이션 템플릿

FLOW-3D HYDRO 의 작업 공간 템플릿으로 시간을 절약하고 실수를 방지하며 일관된 모델을 실행하십시오 . 작업 공간 템플릿은 일반적인 응용 분야에 대한 유체 속성, 물리적 모델, 수치 설정 및 시뮬레이션 출력을 미리로드합니다.

작업 공간 템플릿은 7 가지 모델 클래스에 사용할 수 있습니다.

  • 자유 표면 – TruVOF (기본값)
  • 공기 유입
  • 열 기둥
  • 퇴적물 수송
  • 얕은 물
  • 자유 표면 – 2 유체 VOF
  • 자유 표면 없음

사전로드 된 예제 시뮬레이션

FLOW-3D HYDRO 의 40 개 이상의 사전로드 된 물 중심 예제 시뮬레이션 라이브러리는 애플리케이션 모델링을위한 훌륭한 시작점을 제공합니다. 사전로드 된 예제 시뮬레이션은 모델러에게 모델 설정 및 모범 사례의 로드맵뿐만 아니라 대부분의 애플리케이션에 대한 자세한 시작점을 제공합니다.이전다음

비디오 튜토리얼

비디오 자습서는 새로운 사용자가 다양한 응용 프로그램을 모델링하는 방법을 빠르게 배울 수있는 훌륭한 경로를 제공합니다. FLOW-3D HYDRO 비디오 튜토리얼 기능 :

  • 광범위한 응용 및 물리학을위한 AZ 단계별 기록
  • “사용 방법”정보
  • 모범 사례를위한 팁
  • CAD / GIS 데이터, 시뮬레이션 파일 및 후 처리 파일

고급 솔버 개발

Tailings Model

새로운 Tailings Model은 tailings dam failure로 인한 tailings runout을 시뮬레이션하기위한 고급 기능을 제공합니다. tailings정의에 대한 다층 접근 방식과 함께 미세하고 거친 입자 구성을 나타내는 이중 모드 점도 모델은 모든 방법으로 건설 된 tailings 댐의 모델링을 허용합니다. 

얕은 물, 3D 및 하이브리드 3D / 얕은 물 메싱을 포함한 유연한 메싱을 통해 얕은 지역에서 빠른 솔루션을 제공하면서 다층 tailings의 복잡성을 정확하게 모델링 할 수 있습니다. 점성 경계층의 정확한 표현을 위해 얕은 물 메시에 2 층 Herschel-Bulkley 점도 모델을 사용할 수 있습니다.

모델 하이라이트

  • 미세 입자 및 거친 입자 광미 조성물을위한 이중 모드 점도 모델
  • 침전, 패킹 및 입자 종의 난류 확산을 포함한 Tailings  수송
  • 얕은 물 메시를위한 2 층 Herschel-Bulkley 점도 모델
  • 3D, 얕은 물, 3D / 얕은 물 하이브리드 메시를 포함한 유연한 메시 접근 방식
  • Multi-layer, variable composition tailings for general definition of tailings dam construction

Shallow Water

FLOW-3D HYDRO 의 얕은 물 모델링 기능은 3D 메시를 얕은 물 메시와 결합하여 탁월한 모델링 다양성을 제공하는 고유 한 하이브리드 메시를 사용합니다. 압력 솔버의 수치 개선으로 더 안정적이고 빠른 시뮬레이션이 가능합니다. 하이브리드 메쉬의 하단 전단 응력 계산이 크게 향상되어 정확도가 더욱 향상되었습니다. 지형에 거칠기를 적용하는 새로운 방법에는 Strickler, Chezy, Nikuradse, Colebrook-White, Haaland 및 Ramette 방정식이 포함됩니다.

Two-Fluid VOF Model

sharp 인터페이스가 있거나 없는 압축 가능 또는 비압축성 2 유체 모델은 항상 1 유체 자유 표면 모델과 함께 FLOW-3D 에서 사용할 수 있습니다 . 사실, sharp 인터페이스 처리는 TruVOF 기술을 자유 표면 모델과 공유하며 상용 CFD 소프트웨어에서 고유합니다. 최근 개발에는 2- 필드 온도 및 인터페이스 슬립 모델이 포함되었습니다. 이 모델은 오일 / 물, 액체 / 증기, 물 / 공기 및 기타 2 상 시스템에 성공적으로 적용되었습니다.

FLOW-3D HYDRO 는 2- 유체 솔루션의 정확성과 안정성에서 두 가지 중요한 발전을보고 있습니다. 운동량과 질량 보존 방정식의 강화 된 결합은 특히 액체 / 기체 흐름에서 계면에서 운동량 보존을 향상시킵니다. 연속성 방정식에서 제한된 압축성 항의 확장 된 근사값은 더 빠르고 안정적인 2 유체 압력 솔버를 만듭니다.

예를 들어, 터널 및 드롭 샤프트 설계와 같은 유압 응용 분야에서 공기가 종종 중요한 역할을 하기 때문에 두 개발 모두 FLOW-3D HYDRO 릴리스에 적시에 적용됩니다. 일반적으로 낮은 마하 수로 인해 이러한 경우 물과 공기에 제한된 압축성이 사용됩니다.

고성능 컴퓨팅 및 클라우드

고성능 컴퓨팅 FLOW-3D HYDRO

일반 워크스테이션 또는 랩톱으로 많은 작업을 수행 할 수 있지만, 대형 시뮬레이션과 고화질 시뮬레이션은 더 많은 CPU 코어를 활용함으로써 엄청난 이점을 얻을 수 있습니다. FLOW-3D CLOUD 및 고성능 컴퓨팅은 더 빠르고 정확한 모델을 실행할 수있는 더 빠른 런타임과 더 많은 선택권을 제공합니다.

하천 및 환경 중심 애플리케이션

TRANSPORTATION HYDRAULICS
SMALL DAMS AND DIVERSIONS
RIVER HYDRAULICS
SEDIMENT TRANSPORT AND DEPOSITION
OUTFALLS EFFLUENTS
THERMAL PLUMES BUOYANT FLOWS

Case Studies

Sturgeon Navigate Fish Ladder

Sturgeon Navigate Fish Ladder

 

This material was provided by Jean-François Mercier, ing., Manager, hydraulics and hydrology at AECOM Tecsult inc.

AECOM Tecsult inc.은 FLOW-3D를 이용하여 물리적 모델링을 사용하지 않고 철갑상어가 Fish ladder를 탐색할 수 있는 물고기 사다리 설계를 개선했습니다. 실험은 현장구현의 제한과 비용때문에 배제되었고 FLOW-3D의 수치 모델링 결과로 정확한 정보를 제공하는 것이 중요했습니다.

Fish ladder는 James Bay, Quebec, Canada의 이스트 메인 강에 2005~2006년사이에 지어졌습니다. 2006년과 2007년에 실시된 후속 연구는, 다른 종의 물고기들이 이 사다리를 오를 수 있었던 반면, 철갑상어는 실패한 경우를 보여주었습니다. 기존의 Fish ladder에서 두 가지의 문제가 발견되었습니다. AECOM Tecsult inc에서의 물고기의 낮은 어획과 물의 빠른 속도가 문제가 되었습니다. 엔지니어들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D로 수치 모델링 연구를 수행하기로 결정했습니다.

 

Redesigning the fish ladder                          

AECOMTecsultinc. 엔지니어들은 물고기 사다리에 대한 최적의 설계 변경을 결정하기 위해 세가지 모델을 실행했습니다.

  • 유인을 극대화할 수 있는 강과 물고기 통로 사이의 흐름 분포를 평가하는 지역모델. 산란기 동안의 정상적인 조건에서 물고기 통로는 22m3/s의 유량흐름이 나타난다.
  • 슬롯 및 디플렉터의 개조를 위한 로컬 모델
  • 전체 길이에 걸쳐 수위 균형 유지를 위한 통로모델

Fish ladder specifications (before renovation)

Flow in fish passage before design optimization work

  • Length = 150 m
  • 17 basins
  • Drop = 3 m
  • Peak velocities of 2.6 m/s

Figure 1 – 45% of flow in fish passage shows velocities that are too high for the sturgeon to navigate

Figure 2 – 10% of flow in fish passage shows below the 1.8 m/s criteria required for sturgeon to navigate

Figure 3 – Tests were made with different additions of blocks (pink) and deflector plates (black) to find an optimum configuration

 

Validation of the numeric model

CFD모델을 실행한 후 엔지니어는 실험 데이터에 대해 숫자 결과를 검증했습니다. Flow-3D결과는 표면 높이를 비교하는 수문 기록과 비교되었습니다. 124개 중 80%가 유속이 일치했습니다.  동일한 위치 점에서 일치하지 않는 곳은 난류 영역이었습니다.

Velocity comparisons of measured data and FLOW-3D at specific locations

 

Meeting the criteria — modifications to flow rates

엔지니어들은 물고기가 곧장 바다로 가지 않도록 흐름을 15~20%로 줄이기 위해 Fish ladder를 개조하기로 결정했습니다. 그림 2는 그림과 비교하여 물고기 통로의 10% 유량으로 현저한 속도 감소를 보여 줍니다. 물고기 통로에 흐름의 45%를 가진 1. 그림 3은 흐름 속도를 늦추기 위한 블록 및 디플렉터를 보여 줍니다. 설정된 기준의 최대 속도는 1.8m/s 였습니다. 전체 흐름 조건은 그림 1과 2에서와 같이 모델로 잘 표현됩니다.

 

Conclusion

AECOM Tecsult inc 엔지니어들은 그들의 숫자 모델의 정확성을 검증할 수 있었고 FLOW-3D로부터 얻은 정보를 사용하였고 물고기 통로를 재설계하여 테스트와 관련된 높은 비용을 피할 수 있었습니다. 2008년 여름에 있었던 후속 연구에 따르면 철갑 상어가 높은 유량에도 불구하고 성공적으로 물고기 통로를 통과하고 있다는 것을 보여 주었습니다.

 

 

Fish Ladder Design

Fish Ladder Design

This article was contributed by Jason Duguay of Université de Sherbrooke (Sherbrooke, Québec)

 

Introduction

자리 잡은 배설물로 인한 어류 이동의 장벽은 북미 전역에 걸친 광범위한 도로망의 불행한 현실입니다.  지하배수로들은 부적절하게 설치된 지하배수로과 침전의 조합에서 비롯됩니다. 지하배수로 배출구에서 부식 과정은 과도하게 큰 입자구멍을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 지하배수로 리포트와 하류표면 사이에서 수직낙하가 발생할 수 있습니다. 몇 센티미터에서 몇 미터 사이에 수직적장벽은 계곡의 서식지에서 물고기 종의 분포에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 작은 수로 서식지 조각화의 주요 원인 중 하나입니다.

본 연구에서 FLOW-3D는 수직통로를 제공함으로써 잃어버린 강가의 물고기 서식지를 되찾는 데 사용되었으며 또한, fish ladders 에서 사용되는 혁신적인 fish baffle의 설계에 중요한 역할을 했습니다. 이 연구는 캐나다 케백에 있는 Sherbrooke’s Civil Engineering Department에서 수행되었습니다. Flow-3D는 전체 Fish baffle과 fish ladder에 흐르는 수많은 변수를 조사하는 데 사용되었습니다.

 

Baffle Design and Fish Passage Criteria

baffle 설계는 그림 1에 제시된 기하학적 형태와 관련하여 arch baffle로 적절히 명명되었습니다. baffle 은 상, 하부 통로로 구성되어 있으며, 높은 곳과 낮은 곳에서 물고기가 지나갈 수 있습니다. baffle 설계 특징은 잔해로 인해 한 통로가 막히면 다른 통로가 물고기의 이동통로로 대체되는 것입니다. 각 baffle 의 큰 통로는 속도를 줄이기 위해 이전 baffle (그림 2참조)에 비해 엇갈리게 배치하였으며, Fish Ladder 전체에 걸쳐 저난류 재순환 구역을 개발하였습니다.

baffle 의 돌출된 아치는 물을 유지하고 웅덩이의 깊이를 증가시키기 위한 것입니다. Pool의 깊이가 커지면 pool의 체적 분산 파워(VDP)가 감소합니다. 농도, 중력 상수, 내부 유체의 체적이 계산됩니다. Pool과 인접한 업스트림 pool 사이를 비교합니다.

VDP는 일반적으로 평가되는 fish ladders 설계 기준입니다. Larnier등은 북미에 공통인 송어와 연어 종을 목표로 하는 어플리케이션에 대해 150 W/m3와 200 W/m3사이의 값을 권고합니다. Pool의 복잡한 기하학적 구조와 Fish ladder를 통과하는 유속에 대한 V의 의존성은 V가 Q의 함수로 어떻게 변하는 지에 대한 더 깊은 통찰없이 계산하기가 어렵습니다. FLOW-3D의 샘플링 볼륨 기능은 Eq.1에서 사용하기 위해 Pool안에 포함된 볼륨을 측정하는데 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 표본 추출량은 하류쪽 부분에 3개의 Pool에 배치하였고, 석회 녹색 직사각형 상자로 그림 2에서 볼 수 있습니다.

또한 fish ladder 설계는 arch baffle의 통로 및 Pool내부에서 속도 및 난류분포에 대해 검증했습니다. 상승된 속도는 물고기의 이동을 방해하고, 난류가 높은 지역은 방향을 잃을 수 있으며 급격히 변화하는 힘에 의해 이동 및 ladder를 오르는 능력에 영향을 줄 수 있습니다.

일정한 지면 거리를 통과하는 데 필요한 것은 지면에 비례하는 물고기의 속도와 주변 물고기의 평균 속도에 비례합니다. 따라서, 물고기가 요구하는 에너지 출력을 줄이고 통과의 가능성을 향상시키기 위해 설계에서 속도를 최소화하고자 합니다. 종종 설계는 특정 대상 종의 임계 수영속도를 초과하는 속도의 존재에 대해 평가됩니다. 물고기의 최대속도는 일반적으로 몇 초 동안만 유지될 수 있고 등반이 재개되기 전에 회복이 필요합니다. 북미에서 사회적, 경제적으로 중요한 다수 어류의 임계 속도는 그림 3에 나와 있습니다.

Simulation Parameters

Arch baffle 이 장착된 fish ladder 디자인은 두 개의 경사(8.5%및 10%)와 두 개의 유속(Q=0.062 m3/s및 0.150 m3/s)에서 시뮬레이션되었습니다. k–turbulence모델은 난류운동 에너지(TKE)의 공간적 분포를 얻기 위해 적용되었습니다. baffle은 반원형의 강판 암거에서 시뮬레이션 되었습니다. 5개의 baffle 을 Fish Ladder Pool사이가 0.2m가 되도록 적절하게 간격을 두어야 합니다.

Hardware Information

시뮬레이션은 RAM 64GB가 장착된 XeonE5-1650 3.2GHz 6코어 워크 스테이션에서 실행되었습니다. 도메인의 총 셀 카운트는 약 250만개(0.025 m 셀 크기)였으며 20초의 흐름을 시뮬레이션하는 데 약 5시간이 소요되었습니다.

Results and Discussion

정상 상태 조건을 얻은 후, 후처리 및 유동흐름 시각화하기위해 결과 값을 Flowsight로 가져왔습니다. 속도와 난류의 공간 분포는 색상이 지정된 유선형을 따라 평가되었습니다. 속도 등급 분포의 예 이미지는 TKE의 공간 분포와 함께 그림 4a와 4c(낮은 유량 0.062 m3/s, 높은 유량 0.150 m3/s)에 제시되어 있습니다. (그림 4b, 4d는 각각 낮은 유량 및 높은 유량).

그림 4a와 4c의 속도 크기를 그림 3에서 제시한 속도와 비교하여, Fish Ladder는 시험된 유속에서 제공되는 물고기 종의 대부분에 대해 속도장벽을 일으키지 않을 것입니다. 그림 4a와 4b를 자세히 보면 아치형 배플의 바로 하류에서 낮은 속도와 낮은 TKE 값 (약 0.045 J/kg 풀에서 관찰되는 최대 TKE에 비례함)을 특징으로 하는 재순환구역 (레이블 1)이 나타납니다. Arch baffle 바로 아래쪽 재순환 구역은 기본 또는 보조 경로 중 하나를 통해 업스트림을 시도하고 정지하는데 이상적이라고 여겨집니다. 또 다른 저속, 낮은 난류공간이 arch baffle의 바로 상류쪽에 위치한 것으로 확인되었습니다(label 2 in Figure 4a). 이 구역은 물고기가 고속 통로를 통해 수영하거나 점프할 때 방향을 바꿀 수 있는 저속구역을 제공할 가능성이 높습니다.

높은 유량에서 결과에 따르면 돌출된 아치는 Pool의 볼륨을 증가시키고 VDP를 허용가능한 수준으로 유지하는 기능을 가집니다. 설명을 위해 Q=0.062 m3/s시뮬레이션에서 VDP가 60W/m3으로 관측되었으며 이는 0.153 m3/s과 117 m3/s와 비교됩니다. VDF는 95% 증가했음에도 불구하고 유속이 140% 증가하였고 Pool 내의 난류흐름을 줄였습니다.

Conclusion

전반적으로, Flow-3D는 fish ladder 의 흐름 영역에서 많은 baffle 설계 반복의 영향을 신속하게 평가할 수 있는 유연한 도구임이 입증되었습니다. Flow-3D의 FALTRize기능을 사용하여 시뮬레이션을 광범위하게 다시 작성하거나 리모델링을 하지 않고도 baffle 형상을 수정하고 기존 모델내에서 신속하게 넣을 수 있었습니다. 이 연구의 결과는 arch baffle 과 수반되는 fish ladder 디자인으로 설계된 물고기 통로를 개선할 수 있는 많은 잠재적인 이점을 제공한다는 것을 보여줍니다. 가까운 미래에 arch baffle은 캐나다 온타리오의 수십년의 암거에서 설명한 것과 유사한 방식으로 다수의 어류 통로에서 테스트될 예정입니다.

*The idea for the double passageway arch baffle form is credited to Ken Hannaford, biologist with the Newfoundland Government, Canada.

 

References

Bell, M. C. (1990). Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria. U.S. Army Corps of Engineers, 3rd edition.

Larinier, M., Porcher, J., Travade, F., and Gosset, C. (1994). Passes a` poissons -Expertises et conception des ouvrages de franchissement. Conseil Supe´rior de la peˆche.

Sturgeon Navigate Fish Ladder

Sturgeon Navigate Fish Ladder

 

This material was provided by Jean-François Mercier, ing., Manager, hydraulics and hydrology at AECOM Tecsult inc.

AECOM Tecsult inc.은 FLOW-3D를 이용하여 물리적 모델링을 사용하지 않고 철갑상어가 Fish ladder를 탐색할 수 있는 물고기 사다리 설계를 개선했습니다. 실험은 현장구현의 제한과 비용때문에 배제되었고 FLOW-3D의 수치 모델링 결과로 정확한 정보를 제공하는 것이 중요했습니다.

Fish ladder는 James Bay, Quebec, Canada의 이스트 메인 강에 2005~2006년사이에 지어졌습니다. 2006년과 2007년에 실시된 후속 연구는, 다른 종의 물고기들이 이 사다리를 오를 수 있었던 반면, 철갑상어는 실패한 경우를 보여주었습니다. 기존의 Fish ladder에서 두 가지의 문제가 발견되었습니다. AECOM Tecsult inc에서의 물고기의 낮은 어획과 물의 빠른 속도가 문제가 되었습니다. 엔지니어들은 이러한 문제에 대한 해결책을 찾기 위해 FLOW-3D로 수치 모델링 연구를 수행하기로 결정했습니다.

 

Redesigning the fish ladder                          

AECOMTecsultinc. 엔지니어들은 물고기 사다리에 대한 최적의 설계 변경을 결정하기 위해 세가지 모델을 실행했습니다.

  • 유인을 극대화할 수 있는 강과 물고기 통로 사이의 흐름 분포를 평가하는 지역모델. 산란기 동안의 정상적인 조건에서 물고기 통로는 22m3/s의 유량흐름이 나타난다.
  • 슬롯 및 디플렉터의 개조를 위한 로컬 모델
  • 전체 길이에 걸쳐 수위 균형 유지를 위한 통로모델

Fish ladder specifications (before renovation)

Flow in fish passage before design optimization work

  • Length = 150 m
  • 17 basins
  • Drop = 3 m
  • Peak velocities of 2.6 m/s

Figure 1 – 45% of flow in fish passage shows velocities that are too high for the sturgeon to navigate

Figure 2 – 10% of flow in fish passage shows below the 1.8 m/s criteria required for sturgeon to navigate

Figure 3 – Tests were made with different additions of blocks (pink) and deflector plates (black) to find an optimum configuration

 

Validation of the numeric model

CFD모델을 실행한 후 엔지니어는 실험 데이터에 대해 숫자 결과를 검증했습니다. Flow-3D결과는 표면 높이를 비교하는 수문 기록과 비교되었습니다. 124개 중 80%가 유속이 일치했습니다.  동일한 위치 점에서 일치하지 않는 곳은 난류 영역이었습니다.

Velocity comparisons of measured data and FLOW-3D at specific locations

 

Meeting the criteria — modifications to flow rates

엔지니어들은 물고기가 곧장 바다로 가지 않도록 흐름을 15~20%로 줄이기 위해 Fish ladder를 개조하기로 결정했습니다. 그림 2는 그림과 비교하여 물고기 통로의 10% 유량으로 현저한 속도 감소를 보여 줍니다. 물고기 통로에 흐름의 45%를 가진 1. 그림 3은 흐름 속도를 늦추기 위한 블록 및 디플렉터를 보여 줍니다. 설정된 기준의 최대 속도는 1.8m/s 였습니다. 전체 흐름 조건은 그림 1과 2에서와 같이 모델로 잘 표현됩니다.

 

Conclusion

AECOM Tecsult inc 엔지니어들은 그들의 숫자 모델의 정확성을 검증할 수 있었고 FLOW-3D로부터 얻은 정보를 사용하였고 물고기 통로를 재설계하여 테스트와 관련된 높은 비용을 피할 수 있었습니다. 2008년 여름에 있었던 후속 연구에 따르면 철갑 상어가 높은 유량에도 불구하고 성공적으로 물고기 통로를 통과하고 있다는 것을 보여 주었습니다.

 

 

Fish Ladder Design

Fish Ladder Design

This article was contributed by Jason Duguay of Université de Sherbrooke (Sherbrooke, Québec)

 

Introduction

자리 잡은 배설물로 인한 어류 이동의 장벽은 북미 전역에 걸친 광범위한 도로망의 불행한 현실입니다.  지하배수로들은 부적절하게 설치된 지하배수로과 침전의 조합에서 비롯됩니다. 지하배수로 배출구에서 부식 과정은 과도하게 큰 입자구멍을 발생시킬 수 있으며, 이로 인해 지하배수로 리포트와 하류표면 사이에서 수직낙하가 발생할 수 있습니다. 몇 센티미터에서 몇 미터 사이에 수직적장벽은 계곡의 서식지에서 물고기 종의 분포에 중요한 영향을 미치는 것으로 알려져 있고 작은 수로 서식지 조각화의 주요 원인 중 하나입니다.

본 연구에서 FLOW-3D는 수직통로를 제공함으로써 잃어버린 강가의 물고기 서식지를 되찾는 데 사용되었으며 또한, fish ladders 에서 사용되는 혁신적인 fish baffle의 설계에 중요한 역할을 했습니다. 이 연구는 캐나다 케백에 있는 Sherbrooke’s Civil Engineering Department에서 수행되었습니다. Flow-3D는 전체 Fish baffle과 fish ladder에 흐르는 수많은 변수를 조사하는 데 사용되었습니다.

 

Baffle Design and Fish Passage Criteria

baffle 설계는 그림 1에 제시된 기하학적 형태와 관련하여 arch baffle로 적절히 명명되었습니다. baffle 은 상, 하부 통로로 구성되어 있으며, 높은 곳과 낮은 곳에서 물고기가 지나갈 수 있습니다. baffle 설계 특징은 잔해로 인해 한 통로가 막히면 다른 통로가 물고기의 이동통로로 대체되는 것입니다. 각 baffle 의 큰 통로는 속도를 줄이기 위해 이전 baffle (그림 2참조)에 비해 엇갈리게 배치하였으며, Fish Ladder 전체에 걸쳐 저난류 재순환 구역을 개발하였습니다.

baffle 의 돌출된 아치는 물을 유지하고 웅덩이의 깊이를 증가시키기 위한 것입니다. Pool의 깊이가 커지면 pool의 체적 분산 파워(VDP)가 감소합니다. 농도, 중력 상수, 내부 유체의 체적이 계산됩니다. Pool과 인접한 업스트림 pool 사이를 비교합니다.

VDP는 일반적으로 평가되는 fish ladders 설계 기준입니다. Larnier등은 북미에 공통인 송어와 연어 종을 목표로 하는 어플리케이션에 대해 150 W/m3와 200 W/m3사이의 값을 권고합니다. Pool의 복잡한 기하학적 구조와 Fish ladder를 통과하는 유속에 대한 V의 의존성은 V가 Q의 함수로 어떻게 변하는 지에 대한 더 깊은 통찰없이 계산하기가 어렵습니다. FLOW-3D의 샘플링 볼륨 기능은 Eq.1에서 사용하기 위해 Pool안에 포함된 볼륨을 측정하는데 유용한 것으로 밝혀졌습니다. 표본 추출량은 하류쪽 부분에 3개의 Pool에 배치하였고, 석회 녹색 직사각형 상자로 그림 2에서 볼 수 있습니다.

또한 fish ladder 설계는 arch baffle의 통로 및 Pool내부에서 속도 및 난류분포에 대해 검증했습니다. 상승된 속도는 물고기의 이동을 방해하고, 난류가 높은 지역은 방향을 잃을 수 있으며 급격히 변화하는 힘에 의해 이동 및 ladder를 오르는 능력에 영향을 줄 수 있습니다.

일정한 지면 거리를 통과하는 데 필요한 것은 지면에 비례하는 물고기의 속도와 주변 물고기의 평균 속도에 비례합니다. 따라서, 물고기가 요구하는 에너지 출력을 줄이고 통과의 가능성을 향상시키기 위해 설계에서 속도를 최소화하고자 합니다. 종종 설계는 특정 대상 종의 임계 수영속도를 초과하는 속도의 존재에 대해 평가됩니다. 물고기의 최대속도는 일반적으로 몇 초 동안만 유지될 수 있고 등반이 재개되기 전에 회복이 필요합니다. 북미에서 사회적, 경제적으로 중요한 다수 어류의 임계 속도는 그림 3에 나와 있습니다.

Simulation Parameters

Arch baffle 이 장착된 fish ladder 디자인은 두 개의 경사(8.5%및 10%)와 두 개의 유속(Q=0.062 m3/s및 0.150 m3/s)에서 시뮬레이션되었습니다. k–turbulence모델은 난류운동 에너지(TKE)의 공간적 분포를 얻기 위해 적용되었습니다. baffle은 반원형의 강판 암거에서 시뮬레이션 되었습니다. 5개의 baffle 을 Fish Ladder Pool사이가 0.2m가 되도록 적절하게 간격을 두어야 합니다.

Hardware Information

시뮬레이션은 RAM 64GB가 장착된 XeonE5-1650 3.2GHz 6코어 워크 스테이션에서 실행되었습니다. 도메인의 총 셀 카운트는 약 250만개(0.025 m 셀 크기)였으며 20초의 흐름을 시뮬레이션하는 데 약 5시간이 소요되었습니다.

Results and Discussion

정상 상태 조건을 얻은 후, 후처리 및 유동흐름 시각화하기위해 결과 값을 Flowsight로 가져왔습니다. 속도와 난류의 공간 분포는 색상이 지정된 유선형을 따라 평가되었습니다. 속도 등급 분포의 예 이미지는 TKE의 공간 분포와 함께 그림 4a와 4c(낮은 유량 0.062 m3/s, 높은 유량 0.150 m3/s)에 제시되어 있습니다. (그림 4b, 4d는 각각 낮은 유량 및 높은 유량).

그림 4a와 4c의 속도 크기를 그림 3에서 제시한 속도와 비교하여, Fish Ladder는 시험된 유속에서 제공되는 물고기 종의 대부분에 대해 속도장벽을 일으키지 않을 것입니다. 그림 4a와 4b를 자세히 보면 아치형 배플의 바로 하류에서 낮은 속도와 낮은 TKE 값 (약 0.045 J/kg 풀에서 관찰되는 최대 TKE에 비례함)을 특징으로 하는 재순환구역 (레이블 1)이 나타납니다. Arch baffle 바로 아래쪽 재순환 구역은 기본 또는 보조 경로 중 하나를 통해 업스트림을 시도하고 정지하는데 이상적이라고 여겨집니다. 또 다른 저속, 낮은 난류공간이 arch baffle의 바로 상류쪽에 위치한 것으로 확인되었습니다(label 2 in Figure 4a). 이 구역은 물고기가 고속 통로를 통해 수영하거나 점프할 때 방향을 바꿀 수 있는 저속구역을 제공할 가능성이 높습니다.

높은 유량에서 결과에 따르면 돌출된 아치는 Pool의 볼륨을 증가시키고 VDP를 허용가능한 수준으로 유지하는 기능을 가집니다. 설명을 위해 Q=0.062 m3/s시뮬레이션에서 VDP가 60W/m3으로 관측되었으며 이는 0.153 m3/s과 117 m3/s와 비교됩니다. VDF는 95% 증가했음에도 불구하고 유속이 140% 증가하였고 Pool 내의 난류흐름을 줄였습니다.

Conclusion

전반적으로, Flow-3D는 fish ladder 의 흐름 영역에서 많은 baffle 설계 반복의 영향을 신속하게 평가할 수 있는 유연한 도구임이 입증되었습니다. Flow-3D의 FALTRize기능을 사용하여 시뮬레이션을 광범위하게 다시 작성하거나 리모델링을 하지 않고도 baffle 형상을 수정하고 기존 모델내에서 신속하게 넣을 수 있었습니다. 이 연구의 결과는 arch baffle 과 수반되는 fish ladder 디자인으로 설계된 물고기 통로를 개선할 수 있는 많은 잠재적인 이점을 제공한다는 것을 보여줍니다. 가까운 미래에 arch baffle은 캐나다 온타리오의 수십년의 암거에서 설명한 것과 유사한 방식으로 다수의 어류 통로에서 테스트될 예정입니다.

*The idea for the double passageway arch baffle form is credited to Ken Hannaford, biologist with the Newfoundland Government, Canada.

 

References

Bell, M. C. (1990). Fisheries Handbook of Engineering Requirements and Biological Criteria. U.S. Army Corps of Engineers, 3rd edition.

Larinier, M., Porcher, J., Travade, F., and Gosset, C. (1994). Passes a` poissons -Expertises et conception des ouvrages de franchissement. Conseil Supe´rior de la peˆche.