The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model.

Numerical investigation of flow characteristics over stepped spillways

Güven, Aytaç
Mahmood, Ahmed Hussein
Water Supply (2021) 21 (3): 1344–1355.
https://doi.org/10.2166/ws.2020.283Article history

Abstract

Spillways are constructed to evacuate flood discharge safely so that a flood wave does not overtop the dam body. There are different types of spillways, with the ogee type being the conventional one. A stepped spillway is an example of a nonconventional spillway. The turbulent flow over a stepped spillway was studied numerically by using the Flow-3D package. Different fluid flow characteristics such as longitudinal flow velocity, temperature distribution, density and chemical concentration can be well simulated by Flow-3D. In this study, the influence of slope changes on flow characteristics such as air entrainment, velocity distribution and dynamic pressures distribution over a stepped spillway was modelled by Flow-3D. The results from the numerical model were compared with an experimental study done by others in the literature. Two models of a stepped spillway with different discharge for each model were simulated. The turbulent flow in the experimental model was simulated by the Renormalized Group (RNG) turbulence scheme in the numerical model. A good agreement was achieved between the numerical results and the observed ones, which are exhibited in terms of graphics and statistical tables.

배수로는 홍수가 댐 몸체 위로 넘치지 않도록 안전하게 홍수를 피할 수 있도록 건설되었습니다. 다른 유형의 배수로가 있으며, ogee 유형이 기존 유형입니다. 계단식 배수로는 비 전통적인 배수로의 예입니다. 계단식 배수로 위의 난류는 Flow-3D 패키지를 사용하여 수치적으로 연구되었습니다.

세로 유속, 온도 분포, 밀도 및 화학 농도와 같은 다양한 유체 흐름 특성은 Flow-3D로 잘 시뮬레이션 할 수 있습니다. 이 연구에서는 계단식 배수로에 대한 공기 혼입, 속도 분포 및 동적 압력 분포와 같은 유동 특성에 대한 경사 변화의 영향을 Flow-3D로 모델링 했습니다.

수치 모델의 결과는 문헌에서 다른 사람들이 수행한 실험 연구와 비교되었습니다. 각 모델에 대해 서로 다른 배출이 있는 계단식 배수로의 두 모델이 시뮬레이션되었습니다. 실험 모델의 난류 흐름은 수치 모델의 Renormalized Group (RNG) 난류 계획에 의해 시뮬레이션되었습니다. 수치 결과와 관찰 된 결과 사이에 좋은 일치가 이루어졌으며, 이는 그래픽 및 통계 테이블로 표시됩니다.

HIGHLIGHTS

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  • A numerical model was developed for stepped spillways.
  • The turbulent flow was simulated by the Renormalized Group (RNG) model.
  • Both numerical and experimental results showed that flow characteristics are greatly affected by abrupt slope change on the steps.

Keyword

CFDnumerical modellingslope changestepped spillwayturbulent flow

INTRODUCTION

댐 구조는 물 보호가 생활의 핵심이기 때문에 물을 저장하거나 물을 운반하는 전 세계에서 가장 중요한 프로젝트입니다. 그리고 여수로는 댐의 가장 중요한 부분 중 하나로 분류됩니다. 홍수로 인한 파괴 나 피해로부터 댐을 보호하기 위해 여수로가 건설됩니다.

수력 발전, 항해, 레크리에이션 및 어업의 중요성을 감안할 때 댐 건설 및 홍수 통제는 전 세계적으로 매우 중요한 문제로 간주 될 수 있습니다. 많은 유형의 배수로가 있지만 가장 일반적인 유형은 다음과 같습니다 : ogee 배수로, 자유 낙하 배수로, 사이펀 배수로, 슈트 배수로, 측면 채널 배수로, 터널 배수로, 샤프트 배수로 및 계단식 배수로.

그리고 모든 여수로는 입구 채널, 제어 구조, 배출 캐리어 및 출구 채널의 네 가지 필수 구성 요소로 구성됩니다. 특히 롤러 압축 콘크리트 (RCC) 댐 건설 기술과 더 쉽고 빠르며 저렴한 건설 기술로 분류 된 계단식 배수로 건설과 관련하여 최근 수십 년 동안 많은 계단식 배수로가 건설되었습니다 (Chanson 2002; Felder & Chanson 2011).

계단식 배수로 구조는 캐비테이션 위험을 감소시키는 에너지 소산 속도를 증가시킵니다 (Boes & Hager 2003b). 계단식 배수로는 다양한 조건에서 더 매력적으로 만드는 장점이 있습니다.

계단식 배수로의 흐름 거동은 일반적으로 낮잠, 천이 및 스키밍 흐름 체제의 세 가지 다른 영역으로 분류됩니다 (Chanson 2002). 유속이 낮을 때 nappe 흐름 체제가 발생하고 자유 낙하하는 낮잠의 시퀀스로 특징 지워지는 반면, 스키밍 흐름 체제에서는 물이 외부 계단 가장자리 위의 유사 바닥에서 일관된 흐름으로 계단 위로 흐릅니다.

또한 주요 흐름에서 3 차원 재순환 소용돌이가 발생한다는 것도 분명합니다 (예 : Chanson 2002; Gonzalez & Chanson 2008). 계단 가장자리 근처의 의사 바닥에서 흐름의 방향은 가상 바닥과 가상으로 정렬됩니다. Takahashi & Ohtsu (2012)에 따르면, 스키밍 흐름 체제에서 주어진 유속에 대해 흐름은 계단 가장자리 근처의 수평 계단면에 영향을 미치고 슈트 경사가 감소하면 충돌 영역의 면적이 증가합니다. 전이 흐름 체제는 나페 흐름과 스키밍 흐름 체제 사이에서 발생합니다. 계단식 배수로를 설계 할 때 스키밍 흐름 체계를 고려해야합니다 (예 : Chanson 1994, Matos 2000, Chanson 2002, Boes & Hager 2003a).

CFD (Computational Fluid Dynamics), 즉 수력 공학의 수치 모델은 일반적으로 물리적 모델에 소요되는 총 비용과 시간을 줄여줍니다. 따라서 수치 모델은 실험 모델보다 빠르고 저렴한 것으로 분류되며 동시에 하나 이상의 목적으로 사용될 수도 있습니다. 사용 가능한 많은 CFD 소프트웨어 패키지가 있지만 가장 널리 사용되는 것은 FLOW-3D입니다. 이 연구에서는 Flow 3D 소프트웨어를 사용하여 유량이 서로 다른 두 모델에 대해 계단식 배수로에서 공기 농도, 속도 분포 및 동적 압력 분포를 시뮬레이션합니다.

Roshan et al. (2010)은 서로 다른 수의 계단 및 배출을 가진 계단식 배수로의 두 가지 물리적 모델에 대한 흐름 체제 및 에너지 소산 조사를 연구했습니다. 실험 모델의 기울기는 각각 19.2 %, 12 단계와 23 단계의 수입니다. 결과는 23 단계 물리적 모델에서 관찰 된 흐름 영역이 12 단계 모델보다 더 수용 가능한 것으로 간주되었음을 보여줍니다. 그러나 12 단계 모델의 에너지 손실은 23 단계 모델보다 더 많았습니다. 그리고 실험은 스키밍 흐름 체제에서 23 단계 모델의 에너지 소산이 12 단계 모델보다 약 12 ​​% 더 적다는 것을 관찰했습니다.

Ghaderi et al. (2020a)는 계단 크기와 유속이 다른 정련 매개 변수의 영향을 조사하기 위해 계단식 배수로에 대한 실험 연구를 수행했습니다. 그 결과, 흐름 체계가 냅페 흐름 체계에서 발생하는 최소 scouring 깊이와 같은 scouring 구멍 치수에 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 또한 테일 워터 깊이와 계단 크기는 최대 scouring깊이에 대한 실제 매개 변수입니다. 테일 워터의 깊이를 6.31cm에서 8.54 및 11.82cm로 늘림으로써 수세 깊이가 각각 18.56 % 및 11.42 % 증가했습니다. 또한 이 증가하는 테일 워터 깊이는 scouring 길이를 각각 31.43 % 및 16.55 % 감소 시킵니다. 또한 유속을 높이면 Froude 수가 증가하고 흐름의 운동량이 증가하면 scouring이 촉진됩니다. 또한 결과는 중간의 scouring이 횡단면의 측벽보다 적다는 것을 나타냅니다. 계단식 배수로 하류의 최대 scouring 깊이를 예측 한 후 실험 결과와 비교하기 위한 실험식이 제안 되었습니다. 그리고 비교 결과 제안 된 공식은 각각 3.86 %와 9.31 %의 상대 오차와 최대 오차 내에서 scouring 깊이를 예측할 수 있음을 보여주었습니다.

Ghaderi et al. (2020b)는 사다리꼴 미로 모양 (TLS) 단계의 수치 조사를 했습니다. 결과는 이러한 유형의 배수로가 확대 비율 LT / Wt (LT는 총 가장자리 길이, Wt는 배수로의 폭)를 증가시키기 때문에 더 나은 성능을 갖는 것으로 관찰되었습니다. 또한 사다리꼴 미로 모양의 계단식 배수로는 더 큰 마찰 계수와 더 낮은 잔류 수두를 가지고 있습니다. 마찰 계수는 다양한 배율에 대해 0.79에서 1.33까지 다르며 평평한 계단식 배수로의 경우 대략 0.66과 같습니다. 또한 TLS 계단식 배수로에서 잔류 수두의 비율 (Hres / dc)은 약 2.89이고 평평한 계단식 배수로의 경우 약 4.32와 같습니다.

Shahheydari et al. (2015)는 Flow-3D 소프트웨어, RNG k-ε 모델 및 VOF (Volume of Fluid) 방법을 사용하여 배출 계수 및 에너지 소산과 같은 자유 표면 흐름의 프로파일을 연구하여 스키밍 흐름 체제에서 계단식 배수로에 대한 흐름을 조사했습니다. 실험 결과와 비교했습니다. 결과는 에너지 소산 율과 방전 계수율의 관계가 역으로 실험 모델의 결과와 잘 일치 함을 보여 주었다.

Mohammad Rezapour Tabari & Tavakoli (2016)는 계단 높이 (h), 계단 길이 (L), 계단 수 (Ns) 및 단위 폭의 방전 (q)과 같은 다양한 매개 변수가 계단식 에너지 ​​소산에 미치는 영향을 조사했습니다. 방수로. 그들은 해석에 FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 계단식 배수로에서 에너지 손실과 임계 흐름 깊이 사이의 관계를 평가했습니다. 또한 유동 난류에 사용되는 방정식과 표준 k-ɛ 모델을 풀기 위해 유한 체적 방법을 적용했습니다. 결과에 따르면 스텝 수가 증가하고 유량 배출량이 증가하면 에너지 손실이 감소합니다. 얻은 결과를 다른 연구와 비교하고 경험적, 수학적 조사를 수행하여 결국 합격 가능한 결과를 얻었습니다.

METHODOLOGY

ListenReadSpeaker webReader: ListenFor all numerical models the basic principle is very similar: a set of partial differential equations (PDE) present the physical problems. The flow of fluids (gas and liquid) are governed by the conservation laws of mass, momentum and energy. For Computational Fluid Dynamics (CFD), the PDE system is substituted by a set of algebraic equations which can be worked out by using numerical methods (Versteeg & Malalasekera 2007). Flow-3D uses the finite volume approach to solve the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equation, by applying the technique of Fractional Area/Volume Obstacle Representation (FAVOR) to define an obstacle (Flow Science Inc. 2012). Equations (1) and (2) are RANS and continuity equations with FAVOR variables that are applied for incompressible flows.

formula

(1)

formula

(2)where  is the velocity in xi direction, t is the time,  is the fractional area open to flow in the subscript directions,  is the volume fraction of fluid in each cell, p is the hydrostatic pressure,  is the density, is the gravitational force in subscript directions and  is the Reynolds stresses.

Turbulence modelling is one of three key elements in CFD (Gunal 1996). There are many types of turbulence models, but the most common are Zero-equation models, One-equation models, Two-equation models, Reynolds Stress/Flux models and Algebraic Stress/Flux models. In FLOW-3D software, five turbulence models are available. The formulation used in the FLOW-3D software differs slightly from other formulations that includes the influence of the fractional areas/volumes of the FAVORTM method and generalizes the turbulence production (or decay) associated with buoyancy forces. The latter generalization, for example, includes buoyancy effects associated with non-inertial accelerations.

The available turbulence models in Flow-3D software are the Prandtl Mixing Length Model, the One-Equation Turbulent Energy Model, the Two-Equation Standard  Model, the Two-Equation Renormalization-Group (RNG) Model and large Eddy Simulation Model (Flow Science Inc. 2012).In this research the RNG model was selected because this model is more commonly used than other models in dealing with particles; moreover, it is more accurate to work with air entrainment and other particles. In general, the RNG model is classified as a more widely-used application than the standard k-ɛ model. And in particular, the RNG model is more accurate in flows that have strong shear regions than the standard k-ɛ model and it is defined to describe low intensity turbulent flows. For the turbulent dissipation  it solves an additional transport equation:

formula

(3)where CDIS1, CDIS2, and CDIS3 are dimensionless parameters and the user can modify them. The diffusion of dissipation, Diff ɛ, is

formula

(4)where uv and w are the x, y and z coordinates of the fluid velocity; ⁠, ⁠,  and ⁠, are FLOW-3D’s FAVORTM defined terms;  and  are turbulence due to shearing and buoyancy effects, respectively. R and  are related to the cylindrical coordinate system. The default values of RMTKE, CDIS1 and CNU differ, being 1.39, 1.42 and 0.085 respectively. And CDIS2 is calculated from turbulent production (⁠⁠) and turbulent kinetic energy (⁠⁠).The kinematic turbulent viscosity is the same in all turbulence transport models and is calculated from

formula

(5)where ⁠: is the turbulent kinematic viscosity.  is defined as the numerical challenge between the RNG and the two-equation k-ɛ models, found in the equation below. To avoid an unphysically large result for  in Equation (3), since this equation could produce a value for  very close to zero and also because the physical value of  may approach to zero in such cases, the value of  is calculated from the following equation:

formula

(6)where ⁠: the turbulent length scale.

VOF and FAVOR are classifications of volume-fraction methods. In these two methods, firstly the area should be subdivided into a control volume grid or a small element. Each flow parameter like velocity, temperature and pressure values within the element are computed for each element containing liquids. Generally, these values represent the volumetric average of values in the elements.Numerous methods have been used recently to solve free infinite boundaries in the various numerical simulations. VOF is an easy and powerful method created based on the concept of a fractional intensity of fluid. A significant number of studies have confirmed that this method is more flexible and efficient than others dealing with the configurations of a complex free boundary. By using VOF technology the Flow-3D free surface was modelled and first declared in Hirt & Nichols (1981). In the VOF method there are three ingredients: a planner to define the surface, an algorithm for tracking the surface as a net mediator moving over a computational grid, and application of the boundary conditions to the surface. Configurations of the fluids are defined in terms of VOF function, F (x, y, z, t) (Hirt & Nichols 1981). And this VOF function shows the volume of flow per unit volume

formula

(7)

formula

(8)

formula

(9)where  is the density of the fluid, is a turbulent diffusion term,  is a mass source,  is the fractional volume open to flow. The components of velocity (u, v, w) are in the direction of coordinates (x, y, z) or (r, ⁠).  in the x-direction is the fractional area open to flow,  and  are identical area fractions for flow in the y and z directions. The R coefficient is based on the selection of the coordinate system.

The FAVOR method is a different method and uses another volume fraction technique, which is only used to define the geometry, such as the volume of liquid in each cell used to determine the position of fluid surfaces. Another fractional volume can be used to define the solid surface. Then, this information is used to determine the boundary conditions of the wall that the flow should be adapted for.

Case study

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In this study, the experimental results of Ostad Mirza (2016) was simulated. In a channel composed of two 4 m long modules, with a transparent sidewall of height 0.6 m and 0.5 m width. The upstream chute slope (i.e. pseudo-bottom angle) Ɵ1 = 50°, the downstream chute slope Ɵ2 = 30° or 18.6°, the step heights h = 0.06 m, the total number of steps along the 50° chute 41 steps, the total number of steps along the 30° chute 34 steps and the total number of steps along the 18.6° chute 20 steps.

The flume inflow tool contained a jetbox with a maximum opening set to 0.12 meters, designed for passing the maximum unit discharge of 0.48 m2/s. The measurements of the flow properties (i.e. air concentration and velocity) were computed perpendicular to the pseudo-bottom as shown in Figure 1 at the centre of twenty stream-wise cross-sections, along the stepped chute, (i.e. in five steps up on the slope change and fifteen steps down on the slope change, namely from step number −09 to +23 on 50°–30° slope change, or from −09 to +15 on 50°–18.6° slope change, respectively).

Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016).
Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016).

Sketch of the air concentration C and velocity V measured perpendicular to the pseudo-bottom used by Mirza (Ostad Mirza 2016).

Pressure sensors were arranged with the x/l values for different slope change as shown in Table 1, where x is the distance from the step edge, along the horizontal step face, and l is the length of the horizontal step face. The location of pressure sensors is shown in Table 1.Table 1

Location of pressure sensors on horizontal step faces

Θ(°)L(m)x/l (–)
50.0 0.050 0.35 0.64 – – – 
30.0 0.104 0.17 0.50 0.84 – – 
18.6 0.178 0.10 0.30 0.50 0.7 0.88 
Location of pressure sensors on horizontal step faces
Inlet boundary condition for Q = 0.235 m3/s and fluid elevation 4.21834 m.
Inlet boundary condition for Q = 0.235 m3/s and fluid elevation 4.21834 m.

Inlet boundary condition for Q = 0.235 m3/s and fluid elevation 4.21834 m.

Numerical model set-up

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A 3D numerical model of hydraulic phenomena was simulated based on an experimental study by Ostad Mirza (2016). The water surcharge and flow pressure over the stepped spillway was computed for two models of a stepped spillway with different discharge for each model. In this study, the package was used to simulate the flow parameters such as air entrainment, velocity distribution and dynamic pressures. The solver uses the finite volume technique to discretize the computational domain. In every test run, one incompressible fluid flow with a free surface flow selected at 20̊ was used for this simulation model. Table 2 shows the variables used in test runs.Table 2

Variables used in test runs

Test no.Θ1 (°)Θ2 (°)h(m)d0q (m3s1)dc/h (–)
50 18.6 0.06 0.045 0.1 2.6 
50 18.6 0.06 0.082 0.235 4.6 
50 30.0 0.06 0.045 0.1 2.6 
50 30.0 0.06 0.082 0.235 4.6 
Table 2 Variables used in test runs

For stepped spillway simulation, several parameters should be specified to get accurate simulations, which is the scope of this research. Viscosity and turbulent, gravity and non-inertial reference frame, air entrainment, density evaluation and drift-flux should be activated for these simulations. There are five different choices in the ‘viscosity and turbulent’ option, in the viscosity flow and Renormalized Group (RNG) model. Then a dynamical model is selected as the second option, the ‘gravity and non-inertial reference frame’. Only the z-component was inputted as a negative 9.81 m/s2 and this value represents gravitational acceleration but in the same option the x and y components will be zero. Air entrainment is selected. Finally, in the drift-flux model, the density of phase one is input as (water) 1,000 kg/m3 and the density of phase two (air) as 1.225 kg/m3. Minimum volume fraction of phase one is input equal to 0.1 and maximum volume fraction of phase two to 1 to allow air concentration to reach 90%, then the option allowing gas to escape at free surface is selected, to obtain closer simulation.

The flow domain is divided into small regions relatively by the mesh in Flow-3D numerical model. Cells are the smallest part of the mesh, in which flow characteristics such as air concentration, velocity and dynamic pressure are calculated. The accuracy of the results and simulation time depends directly on the mesh block size so the cell size is very important. Orthogonal mesh was used in cartesian coordinate systems. A smaller cell size provides more accuracy for results, so we reduced the number of cells whilst including enough accuracy. In this study, the size of cells in x, y and z directions was selected as 0.015 m after several trials.

Figure 3 shows the 3D computational domain model 50–18.6 slope change, that is 6.0 m length, 0.50 m width and 4.23 m height. The 3D model of the computational domain model 50–30 slope changes this to 6.0 m length, 0.50 m width and 5.068 m height and the size of meshes in x, y, and z directions are 0.015 m. For the 50–18.6 slope change model: both total number of active and passive cells = 4,009,952, total number of active cells = 3,352,307, include real cells (used for solving the flow equations) = 3,316,269, open real cells = 3,316,269, fully blocked real cells equal to zero, external boundary cells were 36,038, inter-block boundary cells = 0 (Flow-3D report). For 50–30 slope change model: both total number of active and passive cells = 4,760,002, total number of active cells equal to 4,272,109, including real cells (used for solving the flow equations) were 3,990,878, open real cells = 3,990,878 fully blocked real cells = zero, external boundary cells were 281,231, inter-block boundary cells = 0 (Flow-3D report).

The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model.
Figure3 The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model.

Figure 3VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model.

When solving the Navier-Stokes equation and continuous equations, boundary conditions should be applied. The most important work of boundary conditions is to create flow conditions similar to physical status. The Flow-3D software has many types of boundary condition; each type can be used for the specific condition of the models. The boundary conditions in Flow-3D are symmetry, continuative, specific pressure, grid overlay, wave, wall, periodic, specific velocity, outflow, and volume flow rate.

There are two options to input finite flow rate in the Flow-3D software either for inlet discharge of the system or for the outlet discharge of the domain: specified velocity and volume flow rate. In this research, the X-minimum boundary condition, volume flow rate, has been chosen. For X-maximum boundary condition, outflow was selected because there is nothing to be calculated at the end of the flume. The volume flow rate and the elevation of surface water was set for Q = 0.1 and 0.235 m3/s respectively (Figure 2).

The bottom (Z-min) is prepared as a wall boundary condition and the top (Z-max) is computed as a pressure boundary condition, and for both (Y-min) and (Y-max) as symmetry.

RESULTS AND DISCUSSION

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The air concentration distribution profiles in two models of stepped spillway were obtained at an acquisition time equal to 25 seconds in skimming flow for both upstream and downstream of a slope change 50°–18.6° and 50°–30° for different discharge as in Table 2, and as shown in Figure 4 for 50°–18.6° slope change and Figure 5 for 50°–30° slope change configuration for dc/h = 4.6. The simulation results of the air concentration are very close to the experimental results in all curves and fairly close to that predicted by the advection-diffusion model for the air bubbles suggested by Chanson (1997) on a constant sloping chute.

Figure 4 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 4.6. VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 4.6.
Figure 4 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 4.6. VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 4.6.

Figure 4VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 4.6.

Figure5 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +11, +19 and +22 along the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6.
Figure5 Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +11, +19 and +22 along the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6.

Figure 5VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Experimental and simulated air concentration distribution for steps number −5, +1, +5, +11, +19 and +22 along the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6.

Figure 6VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Figure 6 Experimental and simulated dimensionless velocity distribution for steps number −5, −1, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 2.6.
Figure 6 Experimental and simulated dimensionless velocity distribution for steps number −5, −1, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 2.6.

Experimental and simulated dimensionless velocity distribution for steps number −5, −1, +1, +5, +8, +11 and +15 along the 50°–18.6° slope change for dc/h = 2.6.

Figure 7 Experimental and simulated dimensionless velocity distribution for steps number −5, −1, +1, +5. +11, +15 and +22 along the 50°–30° slope change for dc/h = 2.6.
Figure 7 Experimental and simulated dimensionless velocity distribution for steps number −5, −1, +1, +5. +11, +15 and +22 along the 50°–30° slope change for dc/h = 2.6.

Figure 7VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Experimental and simulated dimensionless velocity distribution for steps number −5, −1, +1, +5. +11, +15 and +22 along the 50°–30° slope change for dc/h = 2.6.

But as is shown in all above mentioned figures it is clear that at the pseudo-bottom the CFD results of air concentration are less than experimental ones until the depth of water reaches a quarter of the total depth of water. Also the direction of the curves are parallel to each other when going up towards the surface water and are incorporated approximately near the surface water. For all curves, the cross-section is separate between upstream and downstream steps. Therefore the (-) sign for steps represents a step upstream of the slope change cross-section and the (+) sign represents a step downstream of the slope change cross-section.

The dimensionless velocity distribution (V/V90) profile was acquired at an acquisition time equal to 25 seconds in skimming flow of the upstream and downstream slope change for both 50°–18.6° and 50°–30° slope change. The simulation results are compared with the experimental ones showing that for all curves there is close similarity for each point between the observed and experimental results. The curves increase parallel to each other and they merge near at the surface water as shown in Figure 6 for slope change 50°–18.6° configuration and Figure 7 for slope change 50°–30° configuration. However, at step numbers +1 and +5 in Figure 7 there are few differences between the simulated and observed results, namely the simulation curves ascend regularly meaning the velocity increases regularly from the pseudo-bottom up to the surface water.

Figure 8 (50°–18.6° slope change) and Figure 9 (50°–30° slope change) compare the simulation results and the experimental results for the presented dimensionless dynamic pressure distribution for different points on the stepped spillway. The results show a good agreement with the experimental and numerical simulations in all curves. For some points, few discrepancies can be noted in pressure magnitudes between the simulated and the observed ones, but they are in the acceptable range. Although the experimental data do not completely agree with the simulated results, there is an overall agreement.

Figure 8 Comparison between simulated and experimental results for the dimensionless pressure for steps number  −1, −2, −3 and +1, +2 +3 and +20 on the horizontal step faces of 50°–18.6° slope change configuration, for dc/h = 4.6, x is the distance from the step edge.
Figure 8 Comparison between simulated and experimental results for the dimensionless pressure for steps number −1, −2, −3 and +1, +2 +3 and +20 on the horizontal step faces of 50°–18.6° slope change configuration, for dc/h = 4.6, x is the distance from the step edge.

Figure 8VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Comparison between simulated and experimental results for the dimensionless pressure for steps number −1, −2, −3 and +1, +2 +3 and +20 on the horizontal step faces of 50°–18.6° slope change configuration, for dc/h = 4.6, x is the distance from the step edge.

Figure 9 Comparison between simulated and experimental results for the dimensionless pressure for steps number  −1, −2, −3 and +1, +2 and +30, +31 on the horizontal step face of 50°–30° slope change configuration, for dc/h = 4.6, x is the distance from the step edge.
Figure 9 Comparison between simulated and experimental results for the dimensionless pressure for steps number −1, −2, −3 and +1, +2 and +30, +31 on the horizontal step face of 50°–30° slope change configuration, for dc/h = 4.6, x is the distance from the step edge.

Figure 9VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Comparison between simulated and experimental results for the dimensionless pressure for steps number −1, −2, −3 and +1, +2 and +30, +31 on the horizontal step face of 50°–30° slope change configuration, for dc/h = 4.6, x is the distance from the step edge.

The pressure profiles were acquired at an acquisition time equal to 70 seconds in skimming flow on 50°–18.6°, where p is the measured dynamic pressure, h is step height and ϒ is water specific weight. A negative sign for steps represents a step upstream of the slope change cross-section and a positive sign represents a step downstream of the slope change cross-section.

Figure 10 shows the experimental streamwise development of dimensionless pressure on the 50°–18.6° slope change for dc/h = 4.6, x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.3 on 18.6° sloping chute compared with the numerical simulation. It is obvious from Figure 10 that the streamwise development of dimensionless pressure before slope change (steps number −1, −2 and −3) both of the experimental and simulated results are close to each other. However, it is clear that there is a little difference between the results of the streamwise development of dimensionless pressure at step numbers +1, +2 and +3. Moreover, from step number +3 to the end, the curves get close to each other.

Figure 10 Comparison between experimental and simulated results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–18.6° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.3 on 18.6° sloping chute.
Figure 10 Comparison between experimental and simulated results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–18.6° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.3 on 18.6° sloping chute.

Figure 10VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Comparison between experimental and simulated results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–18.6° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.3 on 18.6° sloping chute.

Figure 11 compares the experimental and the numerical results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.17 on 30° sloping chute. It is apparent that the outcomes of the experimental work are close to the numerical results, however, the results of the simulation are above the experimental ones before the slope change, but the results of the simulation descend below the experimental ones after the slope change till the end.

Figure 11 Comparison between experimental and simulated results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.17 on 30° sloping chute.
Figure 11 Comparison between experimental and simulated results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.17 on 30° sloping chute.

Figure 11VIEW LARGEDOWNLOAD SLIDE

Comparison between experimental and simulated results for the streamwise development of the dimensionless pressure on the 50°–30° slope change, for dc/h = 4.6, and x/l = 0.35 on 50° sloping chute and x/l = 0.17 on 30° sloping chute.

CONCLUSION

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In this research, numerical modelling was attempted to investigate the effect of abrupt slope change on the flow properties (air entrainment, velocity distribution and dynamic pressure) over a stepped spillway with two different models and various flow rates in a skimming flow regime by using the CFD technique. The numerical model was verified and compared with the experimental results of Ostad Mirza (2016). The same domain of the numerical model was inputted as in experimental models to reduce errors as much as possible.

Flow-3D is a well modelled tool that deals with particles. In this research, the model deals well with air entrainment particles by observing their results with experimental results. And the reason for the small difference between the numerical and the experimental results is that the program deals with particles more accurately than the laboratory. In general, both numerical and experimental results showed that near to the slope change the flow bulking, air entrainment, velocity distribution and dynamic pressure are greatly affected by abrupt slope change on the steps. Although the extent of the slope change was relatively small, the influence of the slope change was major on flow characteristics.

The Renormalized Group (RNG) model was selected as a turbulence solver. For 3D modelling, orthogonal mesh was used as a computational domain and the mesh grid size used for X, Y, and Z direction was equal to 0.015 m. In CFD modelling, air concentration and velocity distribution were recorded for a period of 25 seconds, but dynamic pressure was recorded for a period of 70 seconds. The results showed that there is a good agreement between the numerical and the physical models. So, it can be concluded that the proposed CFD model is very suitable for use in simulating and analysing the design of hydraulic structures.

이 연구에서 수치 모델링은 두 가지 다른 모델과 다양한 유속을 사용하여 스키밍 흐름 영역에서 계단식 배수로에 대한 유동 특성 (공기 혼입, 속도 분포 및 동적 압력)에 대한 급격한 경사 변화의 영향을 조사하기 위해 시도되었습니다. CFD 기술. 수치 모델을 검증하여 Ostad Mirza (2016)의 실험 결과와 비교 하였다. 오차를 최대한 줄이기 위해 실험 모형과 동일한 수치 모형을 입력 하였다.

Flow-3D는 파티클을 다루는 잘 모델링 된 도구입니다. 이 연구에서 모델은 실험 결과를 통해 결과를 관찰하여 공기 혼입 입자를 잘 처리합니다. 그리고 수치와 실험 결과의 차이가 작은 이유는 프로그램이 실험실보다 입자를 더 정확하게 다루기 때문입니다. 일반적으로 수치 및 실험 결과는 경사에 가까워지면 유동 벌킹, 공기 혼입, 속도 분포 및 동적 압력이 계단의 급격한 경사 변화에 크게 영향을받는 것으로 나타났습니다. 사면 변화의 정도는 상대적으로 작았지만 사면 변화의 영향은 유동 특성에 큰 영향을 미쳤다.

Renormalized Group (RNG) 모델이 난류 솔버로 선택되었습니다. 3D 모델링의 경우 계산 영역으로 직교 메쉬가 사용되었으며 X, Y, Z 방향에 사용 된 메쉬 그리드 크기는 0.015m입니다. CFD 모델링에서 공기 농도와 속도 분포는 25 초 동안 기록되었지만 동적 압력은 70 초 동안 기록되었습니다. 결과는 수치 모델과 물리적 모델간에 좋은 일치가 있음을 보여줍니다. 따라서 제안 된 CFD 모델은 수력 구조물의 설계 시뮬레이션 및 해석에 매우 적합하다는 결론을 내릴 수 있습니다.

DATA AVAILABILITY STATEMENT

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REFERENCES

Boes R. M. Hager W. H. 2003a Hydraulic design of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering 129 (9), 671–679.
Google Scholar
Boes R. M. Hager W. H. 2003b Two-Phase flow characteristics of stepped spillways. Journal of Hydraulic Engineering 129 (9), 661–670.
Google Scholar
Chanson H. 1994 Hydraulics of skimming flows over stepped channels and spillways. Journal of Hydraulic Research 32 (3), 445–460.
Google Scholar
Chanson H. 1997 Air Bubble Entrainment in Free Surface Turbulent Shear Flows. Academic Press, London.
Google Scholar
Chanson H. 2002 The Hydraulics of Stepped Chutes and Spillways. Balkema, Lisse, The Netherlands.
Google Scholar
Felder S. Chanson H. 2011 Energy dissipation down a stepped spillway with nonuniform step heights. Journal of Hydraulic Engineering 137 (11), 1543–1548.
Google Scholar
Flow Science, Inc. 2012 FLOW-3D v10-1 User Manual. Flow Science, Inc., Santa Fe, CA.
Ghaderi A. Daneshfaraz R. Torabi M. Abraham J. Azamathulla H. M. 2020a Experimental investigation on effective scouring parameters downstream from stepped spillways. Water Supply 20 (5), 1988–1998.
Google Scholar
Ghaderi A. Abbasi S. Abraham J. Azamathulla H. M. 2020b Efficiency of trapezoidal labyrinth shaped stepped spillways. Flow Measurement and Instrumentation 72, 101711.
Google Scholar
Gonzalez C. A. Chanson H. 2008 Turbulence and cavity recirculation in air-water skimming flows on a stepped spillway. Journal of Hydraulic Research 46 (1), 65–72.
Google Scholar
Gunal M. 1996 Numerical and Experimental Investigation of Hydraulic Jumps. PhD Thesis, University of Manchester, Institute of Science and Technology, Manchester, UK.
Hirt C. W. Nichols B. D. 1981 Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. Journal of Computational Physics 39 (1), 201–225.
Google Scholar
Matos J. 2000 Hydraulic design of stepped spillways over RCC dams. In: Intl Workshop on Hydraulics of Stepped Spillways (H.-E. Minor & W. Hager, eds). Balkema Publ, Zurich, pp. 187–194.
Google Scholar
Mohammad Rezapour Tabari M. Tavakoli S. 2016 Effects of stepped spillway geometry on flow pattern and energy dissipation. Arabian Journal for Science & Engineering (Springer Science & Business Media BV) 41 (4), 1215–1224.
Google Scholar
Ostad Mirza M. J. 2016 Experimental Study on the Influence of Abrupt Slope Changes on Flow Characteristics Over Stepped Spillways. Communications du Laboratoire de Constructions Hydrauliques, No. 64 (A. J. Schleiss, ed.). Swiss Federal Institute of Technology Lausanne (EPFL), Lausanne, Switzerland.
Roshan R. Azamathulla H. M. Marosi M. Sarkardeh H. Pahlavan H. Ab Ghani A. 2010 Hydraulics of stepped spillways with different numbers of steps. Dams and Reservoirs 20 (3), 131–136.
Google Scholar
Shahheydari H. Nodoshan E. J. Barati R. Moghadam M. A. 2015 Discharge coefficient and energy dissipation over stepped spillway under skimming flow regime. KSCE Journal of Civil Engineering 19 (4), 1174–1182.
Google Scholar
Takahashi M. Ohtsu I. 2012 Aerated flow characteristics of skimming flow over stepped chutes. Journal of Hydraulic Research 50 (4), 427–434.
Google Scholar
Versteeg H. K. Malalasekera W. 2007 An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. Pearson Education, Harlow.
Google Scholar
© 2021 The Authors
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Licence (CC BY 4.0), which permits copying, adaptation and redistribution, provided the original work is properly cited (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).

图 6 各流量监测断面位置

Study on the downstream impact of the numerical simulation of tailings library based on FLOW-3D

Jiahao Hu1, Chengwei Na1 and Yi Wang1

Published under licence by IOP Publishing Ltd
IOP Conference Series: Earth and Environmental ScienceVolume 6432020 6th International Conference on Hydraulic and Civil Engineering 11-13 December 2020, Xi’an, ChinaCitation Jiahao Hu et al 2021 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 643 012052

Abstract

In order to study the impact of tailings reservoir dam failure on downstream villages,the effectiveness and
necessity of engineering measures are analyzed by comparing the changes in the flow rate of the point before and after
the engineering measures are taken and the flow rate through the section. In this paper,an actual tailings reservoir is
used as an example to simulate three -dimensional numerical values through FLOW -3D software. Taking a tailings
reservoir as an example,a three-dimensional numerical model of the physical terrain and houses and villages within 3
km of the tailings reservoir and its downstream is established,and the dynamic process of the gradual dam failure of
the tailings reservoir is simulated. And on the basis of the original tailings reservoir model,a dam is added at the foot
of the dam to compare and analyze the impact of dam failure on the downstream. The results showed that after the
engineering measures were taken,the water level of the monitoring point decreased significantly,the flow rate of the
section flow slowed down,and delays the section time at which the maximum flow rate occurs. It is proved that the
engineering measures are effective

Korea Abstract

Tailings reservoir 댐 고장이 하류 마을에 미치는 영향을 연구하기 위해 엔지니어링 조치를 취하기 전과 후 지점의 유량 변화와 섹션을 통한 유량을 비교하여 엔지니어링 조치의 효과 및 필요성을 분석합니다.

이 논문에서 실제 tailings reservoir는 FLOW-3D 소프트웨어를 통해 3 차원 수치 값을 시뮬레이션 하기 위한 예로 사용됩니다. tailings reservoir를 예로 들어, 물리적 지형과 그 안의 주택과 마을에 대한 3 차원 수치 모델 tailings reservoir의 3km와 그 하류가 확립되고, 광미 저수지의 점진적인 댐 고장의 동적 과정이 시뮬레이션됩니다.

그리고 원래 tailings reservoir 모델을 기반으로 댐 아래에 댐이 추가됩니다. 댐 고장이 하류에 미치는 영향을 비교하고 분석합니다.

결과는 엔지니어링 조치를 취한 후 모니터링 지점의 수위가 감소하는 것으로 나타났습니다. 대폭적으로 단면 흐름의 유속이 느려지고 최대 유속이 발생하는 구간 시간이 지연됩니다. 엔지니어링 조치가 효과적인 것으로 입증되었습니다.

Jiahao Hu1, Chengwei Na1 and Yi Wang1

Key words:Tailings pond, Gradual dam break, Sedimentation, FLOW-3D

图 3 尾矿坝剖面图
图 3 尾矿坝剖面图
图 4 尾矿库整体枢纽及下游村庄整体模型实体
图 4 尾矿库整体枢纽及下游村庄整体模型实体
图 6 各流量监测断面位置
图 6 各流量监测断面位置
(a)3-3 断面流量对比, (b)4-4 断面流量对比
(a)3-3 断面流量对比, (b)4-4 断面流量对比
图 8 采取工程措施前后各断面流量对比图
图 8 采取工程措施前后各断面流量对比图
表 3 采取工程措施前后各断面最大平均流速值对比
表 3 采取工程措施前后各断面最大平均流速值对比

Reference

[1]代永新,王运敏,李如忠,等. 尾矿库工程管理系统[J]. 金属
矿山,2005(07):21~22+52.
[2]梁萱. 尾矿库逐渐溃坝三维数值模拟研究[D]. 南昌:南昌大
学,2019.
[3]马海涛,张亦海,李京京. 国内尾矿库物理模型试验研究现
状分析[J]. 中国安全生产科学技术,2020,16(12):61~66.
[4]姜清辉,胡利民,林海. 尾矿库溃坝研究进展[J]. 水利水电科
技进展,2017,37(04):77~86.
[5]林长强. 基于 FLUENT 的土石坝逐渐溃坝水流模拟 [D]. 武
汉:华中科技大学,2011.
[6]联合国水电与可持续发展研讨会 [A]. 中国国家发展和改革
委员会、联合国经济与社会事务所、世界银行. 联合国水电
与可持续发展研讨会论文集 [C]. 中国国家发展和改革委员
会、联合国经济与社会事务所、世界银行,中国水利学会中
国水力发电工程学会中国大坝委员会,2004:10.
[7] M. Rico,G. Benito,A.R. Salgueiro,A. Dez-Herrero,H.G.
Pereira. Reported tailings dam failures a review of the
European incidents in the worldwide context [J] . Journal of
Hazardous Materials,2008,152(2):846~852.
[8]郑欣. 尾矿库溃坝风险研究[D]. 沈阳:东北大学,2013.
[9]李火坤,梁萱,刘瀚和,等. 基于 FLOW-3D 的尾矿库逐渐溃
坝三维数值模拟[J]. 南昌大学学报(工科版),2019,41(02):
120~126.
[10]陈宇豪. 坝垛工程根石走失数值模拟研究[D]. 南昌:南昌
大学,2017.

Figure 47: The course of the level on the physical model [22]

NUMERICAL MODELLING OF FLOW IN SPILLWAY

Author Svoboda, Jiří
Contributors Jandora, Jan (advisor); Holomek, Petr (referee)

Abstract

이 학위 논문의 주제는 Boskovice 상수도의 안전 배수로에서 유량 수치 모델링 솔루션입니다. 디플로마 논문의 소개에서는 기본 오버플로를 일반적으로 설명하고 모양과 유형에 따라 구분합니다. 수역에 사용되는 안전 배수로도 있습니다. 그 다음에는 오버 플로우 계산에 대한 설명, 수학적 모델링 및 사용 된 난류 모델에 대한 설명이 이어집니다. 또한이 작업은 Boskovice 상수도에 대한 기술적 설명, AutoCAD 2020 소프트웨어의 안전 배수로, 경사 및 미끄러짐의 가상 3D 모델 생성, Blender 소프트웨어에서의 검사 및 수리를 다룹니다. 결론적으로 Flow-3D 소프트웨어의 흐름 수치 모델링 결과와 토목 공학부 유압 공학과에서 수행 된 유압 모델 연구와의 후속 비교가 제시됩니다.

The goal of the diploma thesis is the numerical modelling of flow in planned spillway of the Boskovice dam. In the introduction of this diploma thesis are described and divided basic spillways according to their types and profiles. There are also mentioned emergency spillways. Then the thesis introduces the description of calculation of overflow quantity, the description of mathematic modelling and used turbulent models. The next part is concerned with the technical description of the Boskovice dam, the creation of virtual 3D model of spillway and spillway chute in the AutoCAD 2020 software and concerned with the control and revision of model in the Blender software. In the end of the thesis are mentioned results of numeric modelling of flow gained from the Flow-3D software and the comparison of results with the research of hydraulic model implemented at Water structures institute of Faculty of Civil Engineering of BUT.

Keywords: Spillway, numerical model, 3D model, FLOW-3D, Boskovice dam, rockfill dam.

Introduction

상수도 (VD)는 인구에게 식수 공급, 홍수 방지, 발전 등과 같은 긍정적 인 효과만 있는 것이 아닙니다. 안타깝게도 물 작업, 특히 더 많은 양의 물이 남아있는 작업도 중요한 위협 요소가 될 수 있습니다. 수술 중에 자연의 힘이나 심지어 인적 요인의 실패로 인해 사고가 발생할 수 있습니다. 흐름의 수치 모델링을 위해 안전 배수로를 선택한 VD Boskovice의 경우,이 작업은 1 차 범주에 포함됩니다.

이론적 사고는 극도로 높은 경제적 피해를 입히고 환경에 피해를 줄 수 있으며 국가 규모에 사회적 영향을 미치고 큰 인명 손실을 초래할 수 있습니다. 가설적인 사고는 여러 가지 이유로 발생할 수 있습니다. 예를 들어, 홍수가 극심한 동안의 배수로에서 배수로의 마루가 넘쳐 댐의 공기 경사면이 표면 침식으로 이어지고 이후 배수로가 파열 될 수 있습니다.

이러한 사고를 방지하기 위해 VD에 안전 유출 구조물을 구축하고 있으며, 유출이 넘치지 않도록 관련 VD 범주에 해당하는 충분한 용량이 있어야 합니다. 안타깝게도 VD 운영의 역사에서 안전 배수로에 충분한 용량이 없었고 극심한 홍수 흐름 중에 댐이 유출되고 VD 댐이 파열되는 경우가 있습니다. 이러한 이유로 안전 배수로를 설계하는 것은 비용과 시간이 많이 드는 프로세스입니다.

설계 중에는 설계 홍수파 (NPV) 및 제어 홍수파 (KPV)를 안전하게 전달하기 위해 충분한 용량이 사용됩니다. 적절한 설계를 확인하기 위해 안전 배수로의 흐름 모델링이 사용되며, 여기서 물리적 모델이 일반적으로 사용되며 실험실에서 축소 된 규모로 생성됩니다. 수년 동안 컴퓨터 기술 사용 가능성이 증가함에 따라 다양한 소프트웨어에서 수치 모델링을 사용하여 CFD (유체 흐름 시뮬레이션)를 사용하여 안전 배수로의 흐름을 모델링하여 재정 비용을 크게 줄일 수 있었습니다.

<중략>………….

Figure 1: Basic type of sharp-edged overflow (Bazin's overflow) [1]
Figure 1: Basic type of sharp-edged overflow (Bazin’s overflow) [1]
Figure 3: Overflow with a wide crown [1]
Figure 3: Overflow with a wide crown [1]
Figure 4: Schematic longitudinal section of shaft overflow [14]
Figure 4: Schematic longitudinal section of shaft overflow [14]
Figure 5: Overflow over overflow of general cross-section [1]
Figure 5: Overflow over overflow of general cross-section [1]
Figure 6: Imperfect overflow [1]
Figure 6: Imperfect overflow [1]
Figure 7: Types of overflows according to floor plan [1]
Figure 7: Types of overflows according to floor plan [1]
Figure 8: Lateral contraction and lateral constriction coefficient of pillars [1]
Figure 8: Lateral contraction and lateral constriction coefficient of pillars [1]
Figure 9: Schematic comparison of a pressureless jet surface with a pressure and vacuum surface [22]
Figure 9: Schematic comparison of a pressureless jet surface with a pressure and vacuum surface [22]
Figure 14: Situation of external relations of VD Boskovice [17]
Figure 14: Situation of external relations of VD Boskovice [17]
Figure 15: Air slope of VD Boskovice [24]
Figure 15: Air slope of VD Boskovice [24]
Figure 16: Guide slope of VD Boskovice [24]
Figure 16: Guide slope of VD Boskovice [24]
Figure 17: Sampling tower of VD Boskovice [24]
Figure 17: Sampling tower of VD Boskovice [24]
Figure 18: Fountain front safety spillway [24]
Figure 18: Fountain front safety spillway [24]
Figure 19: Sliding of the security object VD Boskovice [24]
Figure 19: Sliding of the security object VD Boskovice [24]
Figure 20: Slip and divergent broth of the security object VD Boskovice [24]
Figure 20: Slip and divergent broth of the security object VD Boskovice [24]
Figure 21: Probable course of the theoretical PV10 000 in Bělá in the profile of the VD Boskovice dam [6]
Figure 21: Probable course of the theoretical PV10 000 in Bělá in the profile of the VD Boskovice dam [6]
Figure 22: Floor plan of the safety spillway and part of the VD Boskovice slip [12]
Figure 22: Floor plan of the safety spillway and part of the VD Boskovice slip [12]
Figure 23: Longitudinal section of BP and slope in the plane of symmetry [12]
Figure 23: Longitudinal section of BP and slope in the plane of symmetry [12]
Figure 24: Modified floor plan of the overflow and chute of VD Boskovice for the creation of a 3D model
Figure 24: Modified floor plan of the overflow and chute of VD Boskovice for the creation of a 3D model
Figure 25: Created overflow structure without modification
Figure 25: Created overflow structure without modification
Figure 26: Created overflow structure after treatment
Figure 26: Created overflow structure after treatment
Figure 27: Detail of the modified overflow shape
Figure 27: Detail of the modified overflow shape
Figure 33: 3D model with normals shown in blue
Figure 33: 3D model with normals shown in blue
Figure 37: Improperly selected mesh block size
Figure 37: Improperly selected mesh block size
Figure 45: Flow profile in Flow-3D without 3D model displayed
Figure 45: Flow profile in Flow-3D without 3D model displayed
Figure 47: The course of the level on the physical model [22]
Figure 47: The course of the level on the physical model [22]
Figure 51: Comparison of levels in PFm4a
Figure 51: Comparison of levels in PFm4a
Figure 52: Isoline of overflow pressures at flow Q = 173.49 m3/s
Figure 52: Isoline of overflow pressures at flow Q = 173.49 m3/s

결론

이 학위 논문에서는 Flow-3D 소프트웨어에서 Boskovice 상수도의 계획된 안전 오버플로 흐름을 시뮬레이션했습니다. 계획된 안전 범람의 범람 가장자리 길이는 21.99m입니다. 그러나 VD Boskovice의 재건 내에서 VD Boskovice [7]의 수력 학적 모델 연구 결과에 따라 안전 개체 VD Boskovice [7]의 결론에 따라 24.60m로 증가했습니다.

MBH 수준 (해발 432.30m)에서는 최고 유량 Q10 000 = 186.5 m3 / s로 제어 홍수 파 KPV10 000의 안전한 전송이 없지만 유량 Q = 167.0 m3 / s 만 있기 때문에 에스. 이 진술은 Flow-3D에서 난류 RNG k – ε 모델을 사용한 수치 적 흐름 모델링에 의해 확인되었으며 MBH에서 173.49 m3 / s의 유속을보고했습니다.

따라서 수력학적 모델 연구 [7]와 Flow3D의 수치 적 흐름 모델링 간의 차이는 약 3.7 % 였는데, 이는 물리적 모델의 형상 또는 생성 된 형상의 가능한 오류와 같은 다양한 요인으로 인한 것일 수 있습니다. 가상 3D 모델. 또한 실제 모델에서 측정하는 동안 발생할 수 있는 오류 (예 : 오버플로 높이 또는 흐름 값을 결정할 때의 장치 오류). 수치 모델의 경우 차이는 사용 된 셀 네트워크 셀 크기, 거칠기, 전류 폭기의 무시, 수치 적 방법에 의해 주어진 불확실성 또는 3D 모델의 단순화로 인한 것일 수 있습니다.

이러한 요소는 Flow-3D 소프트웨어에서 시뮬레이션 된 레벨의 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. 일부 영역에서는 유압 모델 연구 [7]의 현재 깊이와 센티미터 단위 만 다릅니다. 그러나 일부 영역에서는 이러한 차이가 수십 센티미터 정도, 예외적으로 1m 측벽에서 더 두드러지며 이는 Flow-3D 소프트웨어의 유동 시뮬레이션에서는 발생하지 않았습니다.

Flow-3D의 흐름에 의한 수치 모델링에 따르면, Q10 000 = 186.5 m3 / s의 피크 흐름을 가진 제어 홍수 파 KPV10 000은 해발 432.40 m의 탱크 레벨에서만 안전 오버플로를 통해 전송됩니다. 즉, MBH 레벨보다 10cm 높음. 이 계산은 오버플로 가장자리 21.99m의 너비에 대해 수행되었지만 이미 재구성 된 안전 오버플로 VD Boskovice의 너비는 24.60m입니다.

이전 평가에서 생성 된 항목에 수치 모델링 만 사용하는 것이 완전히 신뢰할 수있는 것은 아님이 분명합니다. 민감도 분석 및 물리적 모델에 대한 수리적 연구와의 후속 비교가 없는 가상 3D 모델. 그러나 향후 몇 년 동안 물리적 모델로 평가할 필요 없이 수치 적 흐름 모델링의 결과가 충분히 신뢰할 수 있다면 실험실에서 수행되는 더 많은 비용이 드는 수력학적 모델 연구를 점진적으로 대체 할 수 있습니다.

Reference

[1] JANDORA, Jan a Jan ŠULC. Hydraulika: Modul 01. Brno: AKADEMICKÉ
NAKLADATELSTVÍ CERM, 2007. ISBN 978-80-7204-512-9.
[2] BOOR, B., J. KUNŠTÁTSKÝ a C. PATOČKA. Hydraulika pro vodohospodářské
stavby. Praha: SNTL, 1968. ISBN 04-710-68.
[3] STARA, Vlastimil a Helena KOUTKOVÁ. 3. Vodohospodářská konference
s mezinárodní účastí: Součinitel přepadu přelivu s kruhově zaoblenou korunou
z fyzikálních experimentů. Brno, 2003. ISBN 80-86433-26-9.
[4] ŘÍHA, Jaromír. Hydrotechnické stavby II: Modul 01 Přehrady. Studijní opora. FAST
VUT v Brně 2006.
[5] JANDORA, Jan. Matematické modelování ve vodním hospodářství. VUT v Brně, 2008.
[6] KŘÍŽ, Tomáš. Manipulační řád pro vodní dílo Boskovice na toku Bělá v km 7,400. Brno,
2020.
[7] ŠULC, Jan a Michal ŽOUŽELA. Hydraulický modelový výzkum bezpečnostního objektu
VD Boskovice na ÚVS Stavební fakulty VUT v Brně. Výzkumná zpráva, LVV-ÚVSFAST VUT v Brně, 2013
[8] Autodesk® AutoCAD® 2020 [Počítačový software]. (2019). https://www.autodesk.cz/
[9] Blender v2.90 [Počítačový software]. (2020). https://www.blender.org/
[10] FLOW-3D® verze 11.0.4 [Počítačový software]. (2015). Santa Fe, NM: Flow Science,
Inc. https://www.flow3d.com
[11] Why FLOW-3D? Flow-3D [online]. [cit. 2020-11-03]. Dostupné z:
https://www.flow3d.com/products/flow-3d/why-flow-3d/
[12] Podklady poskytnuté Ing. Petrem Holomkem (Povodí Moravy, s. p.)
[13] CHANSON, H. a J.S. MONTES. Journal of Irrigation and Drainage Engineering:
Overflow Characteristics of Circular Weirs: Effcets of Inflow Conditions. 3. Reston: The
American Society of Civil Engineers, 1998. ISBN 0733-9437.
[14] KRATOCHVÍL, Jiří, Miloš JANDA a Vlastimil STARA. Projektování přehrad:
Komplexní projekt HT. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 1988.
[15] STUDNIČKA, Tomáš. Matematické modelování odlehčovacích komor na stokových
sítích. Brno, 2013. Disertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební.
Vedoucí práce Ing. Petr Prax, Ph.D.
[16] ŘÍHA, Jaromír. Hydraulika podzemních vod: Modul 01. Studijní opora. FAST VUT
v Brně 2006.

[17] ArcMap Desktop 10.5 Version: 10.5.0.6491, [Počítačový software]. (2016). Copyright ©
1995-2016 Esri
[18] VD Boskovice. Povodí Moravy [online]. Media Age Digital, s.r.o., 2010-2020. [cit. 2020-
09-08]. Dostupné z: http://www.pmo.cz/cz/o-podniku/vodni-dila/boskovice/.
[19] DESATOVÁ, Martina. Numerické modelování proudění v bezpečnostním přelivu
vybraného vodního díla. Brno, 2020. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jan Jandora, Ph.D.
[20] HOLINKA, Matouš. Numerické modelování proudění v bezpečnostním objektu vodního
díla. Brno, 2017. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební,
Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jan Jandora, Ph.D.
[21] KŘIVOHLÁVEK, Roman. Numerické modelování proudění v bezpečnostním přelivu
vodního díla Letovice. Brno, 2018. Diplomová práce. Vysoké učení technické v Brně,
Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Jan Jandora, Ph.D.
[22] ŠULC, Jan, Podklady k přednáškám předmětu CR053 Bezpečnostní objekty
hydrotechnických staveb. Brno, 2020.
[23] HOLEČEK, Miroslav. Hydraulika přelivu sypaných přehrad. Praha, 2006. České vysoké
učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra hydrotechniky.
[24] Místní šetření dne 17. 12. 2020 za účasti Bc. Jiří Svoboda a Milan Coufal
(Povodí Moravy, s. p.).
[25] JANDORA, Jan, Podklady k přednáškám předmětu CR005 Matematické modelování ve
vodním hospodářství. Brno, 2020.
[26] KOZUBKOVÁ, Milada, Modelování proudění tekutin, FLUENT, CFX. Vysoká škola
Báňská Technická univerzita Ostrava, 2008.

Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.

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

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

ABSTRACT

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

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

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

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

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

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

INTRODUCTION

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

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

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

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

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

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

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

<중략>………………

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

LITERATURE CITED

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

Figure 14. Results of 3D flow simulation for V = 0.82 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.

Experimental Method for the Measurements and Numerical Investigations of Force Generated on the Rotating Cylinder under Water Flow

by Teresa Abramowicz-Gerigk 1,*,Zbigniew Burciu 1,Jacek Jachowski 1,Oskar Kreft 2,Dawid Majewski 3,Barbara Stachurska 3,Wojciech Sulisz 3 andPiotr Szmytkiewicz 3

1Faculty of Navigation, Gdynia Maritime University, 81-225 Gdynia, Poland
2AREX Ltd., 81-212 Gdynia, Poland
3Institute of Hydro-Engineering of Polish Academy of Sciences, 80-328 Gdansk, Poland
*Author to whom correspondence should be addressed.
Academic Editor: Remco J. WiegerinkSensors202121(6), 2216; https://doi.org/10.3390/s21062216
Received: 20 January 2021 / Revised: 9 March 2021 / Accepted: 18 March 2021 / Published: 22 March 2021(This article belongs to the Special Issue Sensing in Flow Analysis)

Abstract

본 논문은 자유 표면 효과를 포함한 균일한 흐름 하에서 회전하는 실린더 (로터)에 발생하는 유체 역학적 힘의 실험 테스트 설정 및 측정 방법을 제시합니다. 실험 테스트 설정은 고급 유량 생성 및 측정 시스템을 갖춘 수로 탱크에 설치된 고유 한 구조였습니다.

테스트 설정은 로터 드라이브가 있는 베어링 장착 플랫폼과 유체 역학적 힘을 측정하는 센서로 구성되었습니다. 낮은 길이 대 직경 비율 실린더는 얕은 흘수 강 바지선의 선수 로터 방향타 모델로 선택되었습니다. 로터 역학은 최대 550rpm의 회전 속도와 최대 0.85m / s의 수류 속도에 대해 테스트되었습니다.

실린더의 낮은 종횡비와 자유 표면 효과는 생성 된 유체 역학적 힘에 영향을 미치는 현상에 상당한 영향을 미쳤습니다. 회전자 길이 대 직경 비율, 회전 속도 대 유속 비율 및 양력에 대한 레이놀즈 수의 영향을 분석했습니다. 실험 결과에 대한 계산 모델의 유효성이 표시됩니다. 결과는 시뮬레이션 및 실험에 대한 결과의 유사한 경향을 보여줍니다.

The paper presents the experimental test setup and measurement method of hydrodynamic force generated on the rotating cylinder (rotor) under uniform flow including the free surface effect. The experimental test setup was a unique construction installed in the flume tank equipped with advanced flow generating and measuring systems.

The test setup consisted of a bearing mounted platform with rotor drive and sensors measuring the hydrodynamic force. The low length to diameter ratio cylinders were selected as models of bow rotor rudders of a shallow draft river barge. The rotor dynamics was tested for the rotational speeds up to 550 rpm and water current velocity up to 0.85 m/s. The low aspect ratio of the cylinder and free surface effect had significant impacts on the phenomena influencing the generated hydrodynamic force. The effects of the rotor length to diameter ratio, rotational velocity to flow velocity ratio, and the Reynolds number on the lift force were analyzed. The validation of the computational model against experimental results is presented. The results show a similar trend of results for the simulation and experiment.

Keywords: rotating cylinderforce sensor with built-in amplifierstrain gauge sensorCFD analysis

Figure 1. The push barge model in 1:20 geometrical scale during field experiments.
Figure 1. The push barge model in 1:20 geometrical scale during field experiments.
Figure 2. Scheme of the measurement area.
Figure 2. Scheme of the measurement area.
Figure 3. The force measuring part of the experimental test setup: (a) side view: 1—bearing-mounted platform, 2—drive system, 3—cylinder, 4—support frame, 5—force sensors, and 6—adjusting screw; (b) top view.
Figure 3. The force measuring part of the experimental test setup: (a) side view: 1—bearing-mounted platform, 2—drive system, 3—cylinder, 4—support frame, 5—force sensors, and 6—adjusting screw; (b) top view.
Figure 4. Location of the rotor, rotor drive, and supporting frame in the wave flume.
Figure 4. Location of the rotor, rotor drive, and supporting frame in the wave flume.
Figure 5. Lift force obtained from the measurements in the wave flume for different flow velocities and cylinder diameters.
Figure 5. Lift force obtained from the measurements in the wave flume for different flow velocities and cylinder diameters.
Figure 6. Variation of the lift coefficient with rotation rate for various free stream velocities and various cylinder diameters—experimental results.
Figure 6. Variation of the lift coefficient with rotation rate for various free stream velocities and various cylinder diameters—experimental results.
Figure 7. Boundary conditions for rotor-generated flow field simulation—computing domain with free surface level.
Figure 7. Boundary conditions for rotor-generated flow field simulation—computing domain with free surface level.
Figure 8. General view and the close-up of the rotor wall sector applied for the rotor simulation.
Figure 8. General view and the close-up of the rotor wall sector applied for the rotor simulation.
Figure 9. Structured mesh used in FLOW-3D and the FAVORTM technique—the original shape of the rotor and the shape of the object after FAVOR discretization technique for 3 mesh densities.
Figure 9. Structured mesh used in FLOW-3D and the FAVORTM technique—the original shape of the rotor and the shape of the object after FAVOR discretization technique for 3 mesh densities.
Figure 10. Parameter y+ for the studied turbulence models and meshes.
Figure 10. Parameter y+ for the studied turbulence models and meshes.
Figure 11. Results of numerical computations in time for the cylinder with D2 diameter at 500 rpm rotational speed and current speed V = 0.82 m/s using LES model in dependence of mesh density: (a) FX and (b) FY
Figure 11. Results of numerical computations in time for the cylinder with D2 diameter at 500 rpm rotational speed and current speed V = 0.82 m/s using LES model in dependence of mesh density: (a) FX and (b) FY
Figure 12. Results of 3D flow simulation for V = 0.40 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.
Figure 12. Results of 3D flow simulation for V = 0.40 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.
Figure 13. Results of 3D flow simulation for V = 0.50 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.
Figure 13. Results of 3D flow simulation for V = 0.50 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.
Figure 14. Results of 3D flow simulation for V = 0.82 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.
Figure 14. Results of 3D flow simulation for V = 0.82 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.
Figure 15. Flow chart of validation of the computational model against experimental results.
Figure 15. Flow chart of validation of the computational model against experimental results.
Figure 16. Measured (EXP) and computed (CFD) lift force values.
Figure 16. Measured (EXP) and computed (CFD) lift force values.

References

  1. Abramowicz-Gerigk, T.; Burciu, Z.; Jachowski, J. An Innovative Steering System for a River Push Barge Operated in Environmentally Sensitive Areas. Pol. Marit. Res. 201724, 27–34. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Abramowicz-Gerigk, T.; Burciu, Z.; Krata, P.; Jachowski, J. Steering system for a waterborne inland unit. Patent 420664, 2017. [Google Scholar]
  3. Abramowicz-Gerigk, T.; Burciu, Z.; Jachowski, J. Parametric study on the flow field generated by river barge bow steering systems. Sci. J. Marit. Univ. Szczec. 201960, 9–17. [Google Scholar]
  4. Gerigk, M.; Wójtowicz, S. An Integrated Model of Motion, Steering, Positioning and Stabilization of an Unmanned Autonomous Maritime Vehicle. TransnavInt. J. Mar. Navig. Saf. Sea Transp. 20159, 591–596. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Thouault, N.; Breitsamter, C.; Adams, N.A.; Seifert, J.; Badalamenti, C.; Prince, S.A. Numerical Analysis of a Rotating Cylinder with Spanwise Disks. AIAA J. 201250, 271–283. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Badr, H.M.; Coutanceau, M.; Dennis, S.C.R.; Menard, C. Unsteady flow past a rotating circular cylinder at Reynolds numbers 10 3 and 10 4. J. Fluid Mech. 1990220, 459. [Google Scholar] [CrossRef]
  7. Karabelas, S.; Koumroglou, B.; Argyropoulos, C.; Markatos, N. High Reynolds number turbulent flow past a rotating cylinder. Appl. Math. Model. 201236, 379–398. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. Chen, W.; Rheem, C.-K. Experimental investigation of rotating cylinders in flow. J. Mar. Sci. Technol. 201924, 111–122. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Zhou, B.; Wang, X.; Guo, W.; Gho, W.M.; Tan, S.K. Experimental study on flow past a circular cylinder with rough surface. Ocean Eng. 2015109, 7–13. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Tokumaru, P.T.; Dimotakis, P.E. The lift of a cylinder executing rotary motions in a uniform flow. J. Fluid Mech. 1993255, 1–10. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. Wong, K.W.L.; Zhao, J.; Jacono, D.L.; Thompson, M.C.; Sheridan, J. Experimental investigation of flow-induced vibration of a rotating circular cylinder. J. Fluid Mech. 2017829, 486–511. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Bourguet, R.; Jacono, D.L. Flow-induced vibrations of a rotating cylinder. J. Fluid Mech. 2014740, 342–380. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Carstensen, S.; Mandviwalla, X.; Vita, L.; Schmidt, P. Lift of a Rotating Circular Cylinder in Unsteady Flows. J. Ocean Wind Energy 20141, 41–49. Available online: http://www.isope.org/publications (accessed on 15 January 2021).
  14. Wang, W.; Wang, Y.; Zhao, D.; Pang, Y.; Guo, C.; Wang, Y. Numerical and Experimental Analysis of the Hydrodynamic Performance of a Three-Dimensional Finite-Length Rotating Cylinder. J. Mar. Sci. Appl. 202019, 388–397. [Google Scholar] [CrossRef]
  15. Mobini, K.; Niazi, M. Simulation of unsteady flow around a rotating circular cylinder at various Reynolds numbers. JMEUT 201746, 249–257. Available online: https://www.researchgate.net/publication/323447030_Simulation_of_Unsteady_Flow_Around_a_Rotating_Circular_Cylinder_at_Various_Reynolds_Numbers (accessed on 15 January 2021).
  16. Babarit, A.; Delvoye, S.; Arnal, V.; Davoust, L.; Wackers, J. Wave and Current Generation in Wave Flumes Using Axial-Flow Pumps. In Proceedings of the 36th International Conference on Ocean, Offshore and Artic Engineering (OMAE2017), Trondheim, Norway, 25–30 June 2017; pp. 1–10. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Nortek Manuals. The Comprehensive Manual for Velocimeters. 2018. Available online: https://support.nortekgroup.com/hc/en-us/articles/360029839351-The-Comprehensive-Manual-Velocimeters (accessed on 15 January 2021).
  18. Stachurska, B.; Majewski, D. Propagation of Surface waves under currents—Analysis of measurements in wave flume of IBW PAN. IMiG 20144, 280–290. [Google Scholar]
  19. Lohrmann, A.; Cabrera, R.; Kraus, N. Acoustic-Doppler Velocimeter (ADV) for laboratory use. In Fundamentals and Advancements in Hydraulic Measuremensts and Experimentation; Buffalo: New York, NY, USA, 1994. [Google Scholar]
  20. Stachurska, B.; Majewski, D. Experimental Measurements of Current Velocity in Wave Flume of IBW PAN; Internal Report; Institute of Hydro-Engineering of Polish Academy of Sciences: Gdańsk, Poland, 2013. (In Polish) [Google Scholar]
  21. FLOW-3D. Available online: https://www.flow3d.com/ (accessed on 15 January 2021).
  22. He, J.W.; Glowinski, R.; Metcalfe, R.; Nordlander, A.; Periaux, J. Active control and drag optimization for flow past a circular cylinder: Oscillatory cylinder rotation. J. Comput. Phys. 2000163, 83–117. [Google Scholar] [CrossRef]
  23. Lebkowski, A. Analysis of the Use of Electric Drive Systems for Crew Transfer Vessels Servicing Offshore Wind Farms. Energies 202013, 1466. [Google Scholar] [CrossRef]
A photo of HeMOSU-1.

FLOW-3D를 이용한 해상 자켓구조물 주변의 세굴 수치모의 실험

Numerical Simulation Test of Scour around Offshore Jacket Structure using FLOW-3D

J Korean Soc Coast Ocean Eng. 2015;27(6):373-381Publication date (electronic) : 2015 December 31doi : https://doi.org/10.9765/KSCOE.2015.27.6.373Dong Hui Ko*Shin Taek Jeong,**Nam Sun Oh****Hae Poong Engineering Inc.**Department of Civil and Environmental Engineering, Wonkwang University***Ocean·Plant Construction Engineering, Mokpo Maritime National University
고동휘*, 정신택,**, 오남선***

*(주)해풍기술**원광대학교 토목환경공학과***목포해양대학교 해양·플랜트건설공학과

Abstract

해상풍력 기기, 해상 플랫폼과 같은 구조물이 해상에서 빈번하게 설치되면서 세굴에 관한 영향도 중요시되고 있다. 이러한 세굴 영향을 검토하기 위해 세굴 수치모의 실험을 수행한다. 일반적으로 수치모의 조건은 일방향 흐름에 대해서만 검토가 이뤄지고 있으며 서해안과 같은 왕복성 조류 흐름에 대해서는 검토되지 않는다. 본 연구에서는 서해안에 설치된 HeMOSU-1호 해상 자켓구조물 주변에서 발생하는 세굴 현상을 FLOW-3D를 이용하여 수치모의하였다. 해석 조건으로는 일방향 흐름과 조석현상을 고려한 왕복성 흐름을 고려하였으며, 이를 현장 관측값과 비교하였다. 10,000초 동안의 수치모의 결과, 일방향의 흐름 조건에서는 1.32 m의 최대 세굴심이 발생하였으며, 양방향 흐름 조건에서는 1.44 m의 최대 세굴심이 발생하였다. 한편, 현장 관측값의 경우 약 1.5~2.0 m의 세굴심이 발생하여 양방향의 흐름에 대한 해석 결과와 근사한 값을 보였다.

Keywords 세굴일방향 흐름왕복성 조류 흐름해상 자켓구조물FLOW-3D최대 세굴심, scouruni-directional flowbi-directional tidal current flowoffshore jacket substructureFlow-3Dmaximum scour depth

As offshore structures such as offshore wind and offshore platforms have been installed frequently in ocean, scour effects are considered important. To test the scour effect, numerical simulation of scour has been carried out. However, the test was usually conducted under the uni-directional flow without bi-directional current flow in western sea of Korea. Thus, in this paper, numerical simulations of scour around offshore jacket substructure of HeMOSU-1 installed in western sea of Korea are conducted using FLOW-3D. The conditions are uni-directional and bi-directional flow considering tidal current. And these results are compared to measured data. The analysis results for 10,000 sec show that under uni-directional conditions, maximum scour depth was about 1.32 m and under bi-directional conditions, about 1.44 m maximum scour depth occurred around the structure. Meanwhile, about 1.5~2.0 m scour depths occurred in field observation and the result of field test is similar to result under bi-directional conditions.

1. 서 론

최근 해상풍력기기, 해상플랫폼과 같은 해상구조물 설치가 빈번해지면서 해상구조물의 안정성을 저하시키는 요인에 대한 대응 연구가 필요하다. 특히 해상에서의 구조물 설치는 육상과 달리 수력학적 하중이 작용하게 되기 때문에 파랑에 의한 구조물과의 진동, 세굴 현상에 대하여 철저한 사전 검토가 요구된다. 특히, 해상 기초에서 발생하는 세굴은 조류 및 파랑 등 유체 흐름과 구조물 사이의 상호작용으로 인해 해저 입자가 유실되는 현상으로 정의할 수 있으며 해상 외력 조건에 포함되어 설계시 고려하도록 제안하고 있다(IEC, 2009).구조물을 해상에 설치하게 되면 구조물이 흐름을 방해하는 장애요인으로 작용하여 구조물 주위에 부분적으로 더 빠른 유속이 발생하게 된다. 이러한 유속 변화는 압력 분포 변화에 기인하게 되어 해양구조물 주위에 아래로 흐르는 유속(downflow), 말굽형 와류(horseshoe vortex) 그리고 후류 와류(wake vortex)가 나타난다. 결국, 유속과 흐름의 변화를 야기하고 하상전단응력과 유사이동 능력을 증가시켜 해저 입자를 유실시키며 구조물의 안정성을 위협하는 요인으로 작용하게 된다. 이러한 세굴 현상이 계속 진행되면 해상풍력 지지구조물 기초의 지지력이 감소하게 될 뿐만 아니라 지지면의 유실로 상부반력 작용에 편심을 유발하여 기초의 전도를 초래한다. 또한 세굴에 의한 기초의 부등 침하가 크게 발생하면 상부 해상풍력 지지구조물에 보다 큰 단면력이 작용하므로 세굴에 의한 붕괴가 발생할 수 있다. 이처럼 세굴은 기초지지구조물을 붕괴하고, 침하와 얕은 기초의 변형을 초래하며, 구조물의 동적 성능을 변화시키기 때문에 설계 및 시공 유지관리시 사전에 세굴심도 산정, 세굴 완화 대책 등을 고려하여야 한다.또한 각종 설계 기준서에서는 세굴에 대해 다양하게 제시하고 있다. IEC(2009)ABS(2013)BSH(2007)MMAF(2005)에서는 세굴에 대한 영향을 검토할 것을 주문하지만 심도 산정 등 세굴에 대한 구체적인 내용은 언급하지 않고 전반적인 내용만 수록하고 있다. 그러나 DNV(2010)CEM(2006)에서는 경험 공식을 이용한 세굴 심도 산정 등 구체적인 내용을 광범위하게 수록하고 있어 세굴에 대한 영향 검토시 활용가능하다. 그 외의 기준서에서는 수치 모델 등을 통한 세굴 검토를 주문하고 있어 사용자들이 직접 판단하도록 제안하고 있다.그러나 세굴은 유속, 수심, 구조물 폭, 형상, 해저입자 등에 의해 결정되기 때문에 세굴의 영향 정도를 정확하게 예측하기란 쉽지 않지만 수리 모형 실험 또는 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용한 수치 해석을 통해 지반 침식 및 퇴적으로 인한 지형변화를 예측할 수 있다. 한편, 침식과 퇴적 등 구조물 설치로 인한 해저 지형 변화를 예측하는 모델은 다양하지만, 본 연구에서는 Flowscience의 3차원 유동해석모델인 Flow-3D 모델을 사용하였다.해상 구조물은 목적에 따라 비교적 수심이 낮은 지역에 설치가 용이하다. 국내의 경우, 서남해안과 같이 비교적 연안역이 넓고 수심이 낮은 지역에 구조물을 설치하는 것이 비용 및 유지관리 측면에서 유리할 수 있다. 그러나 국내 서남해안 지역은 왕복성 흐름, 즉 조류가 발생하는 지역으로 흐름의 방향이 시간에 따라 변화하게 된다. 따라서, 세굴 수치 모의시 이러한 왕복성 흐름을 고려해야한다. 그러나 대부분의 수치 모델 적용시 조류가 우세한 지역에서도 일방향의 흐름에 대해서만 검토하며 왕복성 흐름에 의한 지층의 침식과 퇴적작용으로 인해 발생하는 해저 입자의 상호 보충 효과는 배제되게 된다. 또한 이로 인해 수치모델 결과에 많은 의구심이 발생하게 되며 현실성이 결여된 해석으로 보여질 수 있다. 이러한 왕복흐름의 영향을 검토하기 위해 Kim and Gang(2011)은 조류의 왕복류 흐름을 고려하여 지반의 수리 저항 성능 실험을 수행하였으며, 양방향이 일방향 흐름보다 세굴이 크게 발생하는 것을 발표하였다. 또한 Kim et al.(2012)은 흐름의 입사각에 따른 수리저항 실험을 수행하였으며 입사각이 커짐에 따라 세굴률이 증가하는 것으로 나타났다.본 연구에서는 단일방향 고정유속 그리고 양방향 변동유속조건에서 발생하는 지형 변화와 세굴 현상을 수치 모의하였으며, 이러한 비선형성 흐름변화에 따른 세굴 영향 정도를 검토하였다. 더불어 현장 관측 자료와의 비교를 통해 서남해안과 같은 왕복성 흐름이 발생하는 지역에서의 세굴 예측시 적절한 모델 수립 방안을 제안하고자 한다.

2. 수치해석 모형

본 연구에서는 Autodesk의 3D max 프로그램을 이용하여 지지구조물 형상을 제작하였으며, 수치해석은 미국 Flowscience가 개발한 범용 유동해석 프로그램인 FLOW-3D(Ver. 11.0.4.5)를 사용하였다. 좌표계는 직교 좌표계를 사용하였으며 복잡한 3차원 형상의 표현을 위하여 FAVOR 기법(Fractional Area/Volume Obstacle Representation Method)을 사용하였다. 또한 유한차분법에 FAVOR 기법을 도입한 유한체적법의 접근법을 사용하였으며 직교좌표계 에서 비압축성 유체의 3차원 흐름을 해석하기 위한 지배방정식으로는 연속방정식과 운동방정식이 사용되었다. 난류모형으로는 RNG(renormalized group)모델을 사용하였다.

2.1 FLOW-3D의 지배방정식

수식은 MathML 표현문제로 본 문서의 하단부의 원문바로가기 링크를 통해 원문을 참고하시기 바랍니다.

2.1.1 연속방정식

직교좌표계 (x,y,z)에서 비압축성 유체는 압축성 유체의 연속방정식에서 유도될 수 있으며 다음 식 (1)과 같다.

(1)

∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ
여기서, u, v, w는 (x,y,z) 방향별 유체속도, Ax, Ay, Az는 각 방향별 유체 흐름을 위해 확보된 면적비 (Area fraction), ρ는 유체 밀도, RSOR은 질량생성/소멸(Mass source/sink)항이다.

2.1.2 운동방정식

본 모형은 3차원 난류모형이므로 각각의 방향에 따른 운동량 방정식은 다음 식(2)~(4)와 같다.

(2)

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

(3)

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

(4)

∂w∂t+1VF(uAx∂w∂x+vAy∂w∂y+wAz∂w∂z)   =−1ρ∂p∂z+Gz+fz−bz−RSORρVFw∂w∂t+1VF(uAx∂w∂x+vAy∂w∂y+wAz∂w∂z)   =−1ρ∂p∂z+Gz+fz−bz−RSORρVFw여기서, RSOR은 질량생성/소멸(Mass source/sink)항, VF는 체적비 (Volume fraction), p는 압력, Gx, Gy, Gz는 방향별 체적력항, fx, fy, fz는 방향별 점성력항, bx, by, bz는 다공질 매체에서 방향별 흐름 손실이다.그리고 점성계수 µ에 대하여 점성력항은 다음 식 (5)~(7)과 같다.

(5)

ρVffx=wsx−{∂∂x(Axτxx)+R∂∂y(Ayτxy)+∂∂z(Azτxz)+ζx(Axτxx−Ayτyy)}ρVffx=wsx−{∂∂x(Axτxx)+R∂∂y(Ayτxy)+∂∂z(Azτxz)+ζx(Axτxx−Ayτyy)}

(6)

ρVffy=wsy−{∂∂x(Axτxy)+R∂∂y(Ayτyy)+∂∂z(Azτyz)+ζx(Axτxx−Ayτxy)}ρVffy=wsy−{∂∂x(Axτxy)+R∂∂y(Ayτyy)+∂∂z(Azτyz)+ζx(Axτxx−Ayτxy)}

(7)

ρVffz=wsz−{∂∂x(Axτxz)+R∂∂y(Ayτyz)+∂∂z(Azτzz)+ζx(Axτzz)}ρVffz=wsz−{∂∂x(Axτxz)+R∂∂y(Ayτyz)+∂∂z(Azτzz)+ζx(Axτzz)}여기서, wsx, wsy, wsz는 벽전단응력이며, 벽전단응력은 벽 근처에서 벽 법칙 (law of the wall)을 따르며, 식 (8)~(13)에 의해 표현되어진다.

(8)

τxx=−2μ{∂u∂x−13(∂u∂x+R∂v∂y+∂w∂z+ζux)}τxx=−2μ{∂u∂x−13(∂u∂x+R∂v∂y+∂w∂z+ζux)}

(9)

τyy=−2μ{R∂v∂y+ζux−13(∂u∂x+R∂v∂y+∂w∂z+ζux)}τyy=−2μ{R∂v∂y+ζux−13(∂u∂x+R∂v∂y+∂w∂z+ζux)}

(10)

τzz=−2μ{R∂w∂y−13(∂u∂x+R∂v∂y+∂w∂z+ζux)}τzz=−2μ{R∂w∂y−13(∂u∂x+R∂v∂y+∂w∂z+ζux)}

(11)

τxy=−μ{∂v∂x+R∂u∂y−ζvx}τxy=−μ{∂v∂x+R∂u∂y−ζvx}

(12)

τxz=−μ{∂u∂y+∂w∂x}τxz=−μ{∂u∂y+∂w∂x}

(13)

τyz=−μ{∂v∂z+R∂w∂y}τyz=−μ{∂v∂z+R∂w∂y}

2.1.3 Sediment scour model

Flow-3D 모델에서 사용하는 sediment scour model은 해저입자의 특성에 따라 해저 입자의 침식, 이송, 전단과 흐름 변화로 인한 퇴적물의 교란 그리고 하상 이동을 계산한다.

2.1.3.1 The critical Shields parameter

무차원 한계소류력(the dimensionless critical Shields parameter)은 Soulsby-Whitehouse 식에 의해 다음 식 (14)와 같이 나타낼 수 있다(Soulsby, 1997).

(14)

θcr,i=0.31+1.2R∗i+0.055[1−exp(−0.02R∗i)]θcr,i=0.31+1.2Ri*+0.055[1−exp(−0.02Ri*)]여기서 무차원 상수, R∗iRi*는 다음 식 (15)와 같다.

(15)

R∗i=ds,i0.1(ρs,i−ρf)ρf∥g∥ds,i−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√μfRi*=ds,i0.1(ρs,i−ρf)ρf‖g‖ds,iμf여기서 ρs, i는 해저 입자의 밀도, ρf는 유체 밀도, ds, i는 해저입자 직경, g는 중력가속도이다.한편, 안식각에 따라 한계소류력은 다음 식 (16)과 같이 표현될 수 있다.

(16)

θ′cr,i=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2ψi−sin2ψsin2β−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−√tanψiθcr,i′=θcr,icosψsinβ+cos2βtan2ψi−sin2ψsin2βtanψi여기서, β는 하상 경사각, ψi는 해저입자의 안식각, ψ는 유체와 해저경사의 사잇각이다.또한 local Shields number는 국부 전단응력, τ에 기초하여 다음 식 (17)과 같이 계산할 수 있다.

(17)

θi=τ∥g∥ds,i(ρs,i−ρf)θi=τ‖g‖ds,i(ρs,i−ρf)여기서, ||g||g 는 중력 벡터의 크기이며, τ는 식 (8)~(13)의 벽 법칙을 이용하여 계산할 수 있다.

2.1.3.2 동반이행(Entrainment)과 퇴적

다음 식은 해저 지반과 부유사 사이의 교란을 나타내는 동반이행과 퇴적 현상을 계산한다. 해저입자의 동반이행 속도의 계산식은 다음 식 (18)과 같으며 부유사로 전환되는 해저의 양을 계산한다.

(18)

ulift,i=αinsd0.3∗(θi−θ′cr,i)1.5∥g∥ds,i(ρs,i−ρf)ρf−−−−−−−−−−−−−−√ulift,i=αinsd*0.3(θi−θcr,i′)1.5‖g‖ds,i(ρs,i−ρf)ρf여기서, αi는 동반이행 매개변수이며, ns는 the packed bed interface에서의 법선벡터, µ는 유체의 동점성계수 그리고 d*은 무차원 입자 직경으로 다음 식 (19)와 같다.

(19)

d∗=ds,i[ρf(ρs,i−ρf)∥g∥μ2]1/3d*=ds,i[ρf(ρs,i−ρf)‖g‖μ2]1/3또한 퇴적 모델에서 사용하는 침강 속도 식은 다음 식 (20)같이 나타낼 수 있다.

(20)

usettling,i=νfds,i[(10.362+1.049d3∗)0.5−10.36]usettling,i=νfds,i[(10.362+1.049d*3)0.5−10.36]여기서, νf는 유체의 운동점성계수이다.

2.1.3.3 하상이동 모델(Bedload transport)

하상이동 모델은 해저면에 대한 단위 폭당 침전물의 체적흐름을 예측하는데 사용되며 다음 식 (21)과 같이 표현되어진다.

(21)

Φi=βi(θi−θ′cr,i)1.5Φi=βi(θi−θcr,i′)1.5여기서 Φi는 무차원 하상이동률이며 βi는 일반적으로 8.0의 값을 사용한다(van Rijn, 1984).단위 폭당 체적 하상이동률, qi는 다음 식 (22)와 같이 나타낼 수 있다.

(22)

qb,i=fb,i Φi[∥g∥(ρs,i−ρfρf)d3s,i]1/2qb,i=fb,i Φi[‖g‖(ρs,i−ρfρf)ds,i3]1/2여기서, fb, i는 해저층의 입자별 체적률이다.또한 하상이동 속도를 계산하기 위해 다음 식 (23)에 의해 해저면층 두께를 계산할 수 있다.

(23)

δi=0.3ds,id0.7∗(θiθ′cr,i−1)0.5δi=0.3ds,id*0.7(θiθcr,i′−1)0.5그리고 하상이동 속도 식은 다음 식 (24)와 같이 계산되어진다.

(24)

ubedload,i=qb,iδifb,iubedload,i=qb,iδifb,i

2.2 모델 구성 및 해역 조건

2.2.1 해역 조건 및 적용 구조물

본 수치해석은 위도와 안마도 사이의 해양 조건을 적용하였으며 지점은 Fig. 1과 같다.

jkscoe-27-6-373f1.gifFig. 1.Iso-water depth contour map in western sea of Korea.

본 해석 대상 해역은 서해안의 조석 현상이 뚜렷한 지역으로 조류 흐름이 지배적이며 위도의 조화분석의 결과를 보면 조석형태수가 0.21로서 반일주조 형태를 취한다. 또한 북동류의 창조류와 남서류의 낙조류의 특성을 보이며 조류의 크기는 대상 영역에서 0.7~1 m/s의 최강유속 분포를 보이는 것으로 발표된 바 있다. 또한 대상 해역의 시추조사 결과를 바탕으로 해저조건은 0.0353 mm 로 설정하였고(KORDI, 2011), 수위는 등수심도를 바탕으로 15 m로 하였다.한편, 풍황자원 분석을 통한 단지 세부설계 기초자료 제공, 유속, 조류 등 해양 환경변화 계측을 통한 환경영향평가 기초자료 제공을 목적으로 Fig. 2와 같이 해상기상탑(HeMOSU-1호)을 설치하여 운영하고 있다. HeMOSU-1호는 평균해수면 기준 100 m 높이이며, 중량은 100 톤의 자켓구조물로 2010년 설치되었다. 본 연구에서는 HeMOSU-1호의 제원을 활용하여 수치 모의하였으며, 2013년 7월(설치 후 약 3년 경과) 현장 관측을 수행하였다.

jkscoe-27-6-373f2.gifFig. 2.A photo of HeMOSU-1.

2.2.2 모델 구성

본 연구에서는 왕복성 조류의 영향을 살펴보기 위해 2 case에 대하여 해석하였다. 먼저, Case 1은 1 m/s의 고정 유속을 가진 일방향 흐름에 대한 해석이며, Case 2는 -1~1 m/s의 유속분포를 가진 양방향 흐름에 대한 해석이다. 여기서 (-)부호는 방향을 의미한다. Fig. 3은 시간대별 유속 분포를 나타낸 것이다.

jkscoe-27-6-373f3.gifFig. 3.Comparison of current speed conditions.

2.2.3 구조물 형상 및 격자

HeMOSU-1호 기상 타워 자켓 구조물 형상은 Fig. 4, 격자 정보는 Table 1과 같으며, 본 연구에서는 총 2,883,000 개의 직교 가변 격자체계를 구성하였다.

jkscoe-27-6-373f4.gifFig. 4.3 Dimensional plot of jacket structure.
Table 1.

Grid information of jacket structure

Xmin/Xmax(m)Ymin/Ymax(m)Zmin/Zmax(m)No. of x gridNo. of y gridNo. of z grid
−100/100−40/40−9/2031015560
Download Table

한편, 계산영역의 격자 형상은 Fig. 5와 같다.

jkscoe-27-6-373f5.gifFig. 5.3 dimensional grid of jacket structure.

2.3 계산 조건

계산영역의 경계 조건으로, Case 1의 경우, 유입부는 유속 조건을 주었으며 유출부는 outflow 조건을 적용하였다. 그리고 Case 2의 경우, 왕복성 흐름을 표현하기 위해 유입부와 유출부 조건을 유속 조건으로 설정하였다. 또한 2가지 경우 모두 상부는 자유수면을 표현하기 위해 pressure로 하였으며 하부는 지반 조건의 특성을 가진 wall 조건을 적용하였다. 양측면은 Symmetry 조건으로 대칭면으로 정의하여 대칭면에 수직한 방향의 에너지와 질량의 유출입이 없고 대칭면에 평행한 방향의 유동저항이 없는 경우로 조건을 설정하였다. 본 연구에서 케이스별 입력 조건을 다음 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Basic information of two scour simulation tests

CaseStructure typeVelocityDirectionAnalysis time
Case 1Jacket1 m/sUnidirectional10,000 sec
Case 2−1~1 m/sBidirectional
Download Table

FLOW-3D는 자유표면을 가진 유동장의 계산에서 정상상태 해석이 불가능하므로 비정상유동 난류해석을 수행하게 되는데 정지 상태의 조건은 조위를 설정하였다. 또한 유속의 초기 흐름은 난류상태의 비정상흐름이 되므로 본 해석에서는 정상상태의 해석 수행을 위해 1,000초의 유동 해석을 수행하였으며 그 후에 10,000초의 sediment scour 모델을 수행하였다. 해수의 밀도는 1,025 kg/m3의 점성유체로 설정하였으며 RNG(renormalized group) 난류 모델을 적용하였다.Go to : Goto

3. 수치모형 실험 결과

3.1 Case 1

본 케이스에서는 1 m/s의 유속을 가진 흐름이 구조물 주변을 흐를 때, 발생하는 세굴에 대해서 수치 모의하였다. Fig. 6은 X-Z 평면의 유속 분포도이고 Fig. 7은 X-Y 평면의 유속 분포이다. 구조물 주변에서 약간의 유속 변화가 발생했지만 전체적으로 1 m/s의 정상 유동 상태를 띄고 있다.

jkscoe-27-6-373f6.gifFig. 6.Current speed distribution in computational domain of case 1 at t = 10,000 sec (X–Z plane).
jkscoe-27-6-373f7.gifFig. 7.Current speed distribution in computational domain of case 1 at t = 10,000 sec (X–Y plane).

이러한 흐름과 구조물과의 상호 작용에 의한 세굴 현상이 발생되며 Fig. 8에 구조물 주변 지형 변화를 나타내었다. 유속이 발생하는 구조물의 전면부는 대체로 침식이 일어나 해저지반이 초기 상태보다 낮아진 것을 확인할 수 있으며, 또한 전면부의 지반이 유실되어 구조물 후면부에 최대 0.13 m까지 퇴적된 것을 확인할 수 있다.

jkscoe-27-6-373f8.gifFig. 8.Sea-bed elevation change of case 1 at t = 10,000 sec.

일방향 흐름인 Case 1의 경우에는 Fig. 9와 같이 10,000초 후 구조물 주변에 최대 1.32 m의 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 또한 구조물 뒤쪽으로는 퇴적이 일어났으며, 구조물 전면부에는 침식작용이 일어나고 있다.

jkscoe-27-6-373f9.gifFig. 9.Scour phenomenon around jacket substructure(Case 1).

3.2 Case 2

서해안은 조석현상으로 인해 왕복성 조류 흐름이 나타나고 있으며 대상해역은 -1~1 m/s의 유속분포를 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 고려한 왕복성 흐름에 대해서 수치모의하였다.다음 Fig. 10은 X-Z 평면의 유속 분포도이며 Fig. 11은 X-Y 평면의 유속 분포도이다.

jkscoe-27-6-373f10.gifFig. 10.Current speed distribution in computational domain of case 2 at t = 10,000 sec (X–Z plane).
jkscoe-27-6-373f11.gifFig. 11.Current speed distribution in computational domain of case 2 at t = 10,000 sec (X–Y plane).

양방향 흐름인 Case 2의 경우에는 Fig. 12와 같이 10,000초후 구조물 주변에 최대 1.44 m의 세굴이 발생하는 것으로 나타났다. 특히 구조물 내부에 조류 흐름 방향으로 침식 작용이 일어나고 있는 것으로 나타났다.

jkscoe-27-6-373f12.gifFig. 12.Sea-bed elevation change of case 2 at t = 10,000 sec.

Fig. 13은 3차원 수치해석 모의 결과이다.

jkscoe-27-6-373f13.gifFig. 13.Scour phenomenon around jacket substructure(Case 2).

3.3 현장 관측

본 연구에서는 수치모의 실험의 검증을 위해 HeMOSU-1호 기상 타워를 대상으로 하여 2013년 7월 1일 수심 측량을 실시하였다.HeMOSU-1호 주변의 수심측량은 Knudsen sounder 1620과 미국 Trimble사의 DGPS를 이용하여 실시하였다. 매 작업시 Bar-Check를 실시하고, 수중 음파속도는 1,500 m/s로 결정하여 조위 보정을 통해 수심을 측량하였다. 측량선의 해상위치자료는 DGPS를 사용하여 UTM 좌표계로 변환을 실시하였다. 한편, 수심측량은 해면이 정온할 때 실시하였으며 관측 자료의 변동성을 제거하기 위해 2013년 7월 1일 10시~13시에 걸쳐 수심 측량한 자료를 동시간대에 국립해양조사원에서 제공한 위도 자료를 활용해 조위 보정하였다. 다음 Fig. 14는 위도 조위 관측소의 현장관측시간대 조위 시계열 그래프이다.

jkscoe-27-6-373f14.gifFig. 14.Time series of tidal data at Wido (2013.7.1).

2013년 7월 1일 오전 10시부터 오후 1시에 걸쳐 수심측량한 결과를 이용하여 0.5 m 간격으로 등수심도를 작성하였으며 그 결과는 Fig. 15와 같다. 기상탑 내부 해역은 선박이 접근할 수 없기 때문에 측량을 실시하지 않고 Blanking 처리하였다.

jkscoe-27-6-373f15.gifFig. 15.Iso-depth contour map around HeMOSU-1.

대상 해역의 수심은 대부분 -15 m이나 4개의 Jacket 구조물 주변에서는 세굴이 발생하여 수심의 변화가 나타났다. 특히 L-3, L-4 주변에서 최대 1.5~2.0 m의 세굴이 발생한 것으로 보였으며, L-4 주변에서는 넓은 범위에 걸쳐 세굴이 발생하였다. 창조류는 북동, 낙조류는 남서 방향으로 흐르는 조류 방향성을 고려하였을 때, L-4 주변은 조류방향과 동일하게 세굴이 발생하고 있었으며, 보다 상세한 세굴형태는 원형 구조물 내부 방향의 세굴 심도를 측정하여 파악하여야 할 것으로 판단된다.관측결과 최대 1.5~2.0 m인 점을 고려하면 양방향 흐름을 대상으로 장기간에 걸쳐 모의실험을 진행하는 경우, 실제 현상에 더 근접하는 결과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.Go to : Goto

4. 결론 및 토의

본 연구에서는 자켓구조물인 해상기상탑 HeMOSU-1 주변에서 발생하는 세굴현상을 검토하기 위하여 2013년 7월 1일 현장 관측을 수행하고, FLOW-3D를 이용하여 수치모의 실험을 수행하였다. 실험 조건으로는 먼저 1 m/s의 유속을 가진 일방향 흐름과 -1~1 m/s의 흐름 분포를 가진 왕복성 흐름에 대해서 수치모의를 수행하였다. 그 결과 일방향 흐름의 경우, 10,000 초에 이르렀을 때 1.32 m, 왕복성 흐름의 경우 동일 시간에서 1.44 m의 최대 세굴심도가 발생하였다. 동일한 구조물에 대해서 현장 관측 결과는 1.5~2.0 m로 관측되어 일방향 흐름보다 왕복성 흐름의 경우 실제 현상에 더 근사한 것으로 판단되었다. 이는 일방향 흐름의 경우, Fig. 8에서 보는 바와 같이 구조물 후면에 퇴적과 함께 해저입자의 맞물림이 견고해져 해저 지반의 저항력이 커지는 현상에 기인한 것으로 판단된다. 반면 양방향 흐름의 경우, 흐름의 변화로 인해 맞물림이 약해지고 이로 인해 지반의 저항력이 일방향 흐름보다 약해져 세굴이 더 크게 발생하는 것으로 판단되었다.또한 장시간에 걸쳐 모델링을 수행하는 경우, 보다 근사한 결과를 얻을 수 있을 것을 사료되며, 신형식 기초 구조물을 개발하여 세굴을 저감할 수 있는 지 여부를 판단하는 등의 추가 연구가 필요하다.Go to : GotoInternational Electrotechnical Commission (IEC). (2009). IEC 61400-3: Wind turbines – Part 3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines, Edition 1.0, IEC.

감사의 글

본 연구는 지식경제 기술혁신사업인 “승강식 해상플랫폼을 가진 수직 진자운동형 30kW급 파력발전기 개발(과제번호 :20133010071570)”와 첨단항만건설기술개발사업인 “해상풍력 지지구조 설계기준 및 콘크리트 지지구조물 기술 개발(과제번호:20120093)”의 일환으로 수행되었습니다.Go to : Goto

References

American Bureau of Shipping (ABS). (2013). Guide for Building and Classing Bottom-Founded Offshore Wind turbine Installations.

API RP 2A WSD. (2005). Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design, API.

Det Norske Veritas (DNV). (2010). OS-J101 Design of Offshore Wind Turbine Structures.

Federal Maritime and Hydrographic Agency (BSH). (2007). Standard. Design of Offshore Wind Turbines.

FLOW SCIENCE. (2014). FLOW-3D User’s Manual, Version 11.0.4.5.

International Electrotechnical Commission (IEC). (2009). IEC 61400-3: Wind turbines – Part 3: Design Requirements for Offshore Wind Turbines, Edition 1.0, IEC.

International Organization for Standardization (ISO). (2007). ISO 19902: Petroleum and Natural Gas Industries – Fixed Steel Offshore Structures.

Kim, YS, Kang, GO. (2011). Experimental Study on Hydraulic Resistance of Sea Ground Considering Tidal Current Flow, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers. 23(1):118-125 (in Korean).

Kim, YS, Han, BD, Kang, GO. (2012). Effect of Incidence Angle of Current on the Hydraulic Resistance Capacity of Clayey Soil, Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers. 24(1):26-35 (in Korean).

KORDI. (2011). BSPN64710-2275-2. An Analysis on the Marine Characteristics and Design Supporting for Offshore Wind Power Plant (in Korean).

Ministry of Maritime Affairs and Fisheries. (2005). Harbor and fishery design criteria (in Korean).

Soulsby, R. (1997). Dynamics of marine sands. Thomas Telford Publications, London.

U.S. Army Corps of Engineers. (2006). Coastal Engineering Manual, Part II : Coastal Hydrodynamics, Chapter II–2, Meteorology and Wave Climate.

van Rijn, L. (1984). Sediment transport, Part II:bed load transport, Journal of Hydraulic Engineering, 110(10):1431-1456.

Figure 4. Structure of artificial neural network [37]

Turbulent Flow Modeling at Tunnel Spillway Concave Bends and Prediction of Pressure using Artificial Neural Network

터널 배수로 오목 굴곡에서 난류 유동 모델링 인공 신경망을 이용한 압력 예측 및 예측

Zeinab Bashari Moghaddam 1
Hossein Mohammad Vali Samani2
Seyed Habib Mousavi Jahromi 3

Abstract

터널 배수로는 높은 자유 표면 유속이 설정되는 배수로 유형 중 하나입니다. 회전 가속과 난류 흐름의 불규칙성으로 인해 오목한 수직 굽힘에서 압력이 증가합니다. 물리적 모델은 이 현상을 분석하는 가장 좋은 도구입니다.

모든 실제 프로토 타입 상태 분석을 포괄하는 데 필요한 물리적 모델의 수가 너무 많아 배치 및 비용 측면에서 비실용적입니다. 따라서 FLOW-3D 소프트웨어는 가능한 모든 실제 대안을 포괄하는 오목한 굴곡 터널의 난류 흐름 데이터베이스를 분석하고 생성하기 위해 선택되었습니다.

이 소프트웨어는 방전과 형상이 다른 다양한 터널을 시뮬레이션했습니다. 수치 결과는 Alborz Dam 터널 배수로의 건설 된 물리적 모델의 실험 결과로 검증되었으며 만족스러운 동의를 얻었습니다. 차원 분석은 문제의 관련 변수를 차원 없는 매개 변수로 그룹화하는 데 사용됩니다.

이러한 매개 변수는 인공 신경망 시뮬레이션에 사용됩니다. 결과는 Flow-3D 소프트웨어로 얻은 무 차원 매개 변수와 신경망에 의해 예측된 변수 사이의 상관 계수 R2 = 0.95를 보여 주었으며, 이와 관련하여 난류 모델링을 통해 얻은 데이터베이스를 기반으로 한 인공 신경망이 결론을 내릴 수있었습니다. 압력 예측을 위한 강력한 도구입니다.

Keywords: Flow-3D, Tunnel spillway concave bend, Numerical simulation, Turbulent flow,
Artificial neural network

본문 내용 생략 : 본문 내용은 내용 하단부에 첨부된 본문 링크를 참조하시기 바랍니다.

Figure 1. Flow in a concave curvature
Figure 1. Flow in a concave curvature
Figure 2. Flow in the curvature of the flip bucket
Figure 2. Flow in the curvature of the flip bucket
Figure 3. The location of piezometers on the bed of the concave curvature of tunnel spillway in Alborz Dam
Figure 3. The location of piezometers on the bed of the concave curvature of tunnel spillway in Alborz Dam
Figure 4. Structure of artificial neural network [37]
Figure 4. Structure of artificial neural network [37]
Figure 5. Correlation coefficient of the Neural Network simulation and Flow-3D in the training
stage
Figure 6. Correlation coefficient of the Neural Network simulation and Flow-3D in the validation stage
Figure 6. Correlation coefficient of the Neural Network simulation and Flow-3D in the validation stage
Figure 7. Comparison 0f the Simulated Neural Network and Flow-3D Results of the validation stage
Figure 7. Comparison 0f the Simulated Neural Network and Flow-3D Results of the validation stage
Figure 8. Correlation coefficient of the Flow-3D numerical results and Equation (1)
Figure 8. Correlation coefficient of the Flow-3D numerical results and Equation (1)
Figure 9. Correlation coefficient of the Flow-3D numerical results and Equation (2)
Figure 9. Correlation coefficient of the Flow-3D numerical results and Equation (2)
Figure 10. Correlation coefficient of the Flow-3D numerical results and Equation (3)
Figure 10. Correlation coefficient of the Flow-3D numerical results and Equation (3)

현재 연구에서 FLOW-3D 소프트웨어는 처음에 다양한 크기와 배출의 터널 배수로에서 난류 흐름을 시뮬레이션하는데 사용되었습니다. 결과는 이란 에너지부 물 연구소에서 제공한 Alborz 저장 댐에서 얻은 실제 데이터와 비교하여 검증되었습니다.

시뮬레이션에는 다양한 난류 모델이 사용되었으며 RNG 방법이 관찰된 실제 결과와 가장 잘 일치하는 것으로 나타났습니다. 직경이 3 ~ 15m 인 다양한 터널 배수로, 곡률 반경 3 개, 거의 모든 실제 사례를 포괄하는 3개의 배출이 시뮬레이션에 사용되었습니다.

차원 분석을 사용하여 무 차원 매개 변수를 생성하고 문제의 변수 수를 줄였으며 마지막으로 두 개의 주요 무 차원 그룹이 결정되었습니다. 이러한 무 차원 변수 간의 관계를 얻기 위해 신경망을 사용하고 터널 배수로의 오목한 굴곡에서 압력 예측 단계에서 0.95의 상관 계수를 얻었습니다.

압력 계산 결과는 다른 일반적인 방법으로 얻은 결과와 비교되었습니다. 비교는 신경망 결과가 훨씬 더 정확하고 배수로 터널의 오목한 곡률에서 압력을 예측하는 강력한 도구로 간주 될 수 있음을 나타냅니다.

References

  1. Kim, D. G., & Park, J. H. (2005). Analysis of flow structure over ogee-spillway in
    consideration of scale and roughness effects by using CFD model. KSCE Journal of Civil
    Engineering, 9(2), 161-169.
  2. Sabbagh-Yazdi, S. R., Rostami, F., & Mastorakis, N. E. (2008, March). Simulation of selfaeration at steep chute spillway flow using VOF technique in a 3D finite volume software. In
    Am. Conf. on Appl. Maths. Harvard, Mass, 24-28.
  1. Nohani, E. (2015). Numerical simulation of the flow pattern on morning glory spillways.
    International Journal of Life Sciences, 9(4): 28-31.
  2. Parsaie, A., Dehdar-Behbahani, S., & Haghiabi, A. H. (2016). Numerical modeling of
    cavitation on spillway’s flip bucket. Frontiers of Structural and Civil Engineering, 10(4),
    438-444.
  3. Teuber, K., Broecker, T., Bay´on, A., N¨utzmann, G. and Hinkelmann, R. (2019) ‘CFDmodelling of free surface flows in closed conduits’, Progress in Computational Fluid
    Dynamics, 19(6), 368–380.
  4. Ghazanfari-Hashemi, R.S., Namin, M.M., Ghaeini-Hessaroeyeh, M. and Fadaei-Kermani,
    E., 2020. A Numerical Study on Three-Dimensionality and Turbulence in Supercritical Bend
    Flow. International Journal of Civil Engineering, 18(3), 381-391.
  5. Sha, H. F., Wu, S. Q., & Zhou, H. (2009). Flow characteristics in a circular-section bend of
    high head spillway tunnel. Advances in Water Science, (6), 14.
  6. Liu, Z., Zhang, D., Zhang, H., & Wu, Y. (2011). Hydraulic characteristics of converse
    curvature section and aerator in high-head and large discharge spillway tunnel. Science
    China Technological Sciences, 54(1), 33-39.
  7. Zheng, Q. W., Luo, S. J., & Zhang, F. X. (2012). The Effect of Concave Types on the
    Hydraulic Characteristics in Spillway Tunnels with High-Speed Velocity. China Rural
    Water and Hydropower, 4.
  8. Hongmin, G. U. O., Jiang, L. I., Shan, Q. I. N., & Yang, X. I. E. (2014). Three-Dimensional
    Numerical Simulation on Spillway Tunnel of Pankou Hydropower Station. Water Resources
    and Power, (4), 22.
  9. Wan, W., Liu, B., & Raza, A. (2018). Numerical Prediction and Risk Analysis of Hydraulic
    Cavitation Damage in a High-Speed-Flow Spillway. Shock and Vibration, 2018.
  10. Wei, W., Deng, J. and Xu, W. (2020). Numerical investigation of air demand by the free
    surface tunnel flows. Journal of Hydraulic Research, 1-8.
  11. Xu, W., Dang, Y., Li, G., Shao, J. and Chen, G. (2007) ‘Three-dimensional numerical
    simulation of the bi-tunnel spillway flow [J] ‘, Journal of Hydroelectric Engineering, 1, 56-
    60.
  12. Huang, H.Y., Gong, A.M., Qiu, Y. and Wangliang, Z.A. (2015) ‘ 3D Numerical Simulation
    and Experimental Analysis of Spillway Tunnel’ In Applied Mechanics and Materials. Trans
    Tech Publications Ltd. 723, 171-175.
  13. Li, S., Zhang, J. M., Xu, W. L., Chen, J. G., Peng, Y., Li, J. N., & He, X. L. (2016).
    Simulation and experiments of aerated flow in curve-connective tunnel with high head and
    large discharge. International Journal of Civil Engineering, 14(1), 23-33.
  14. Shilpakar, R., Hua, Z., Manandhar, B., Shrestha, N., Zafar, M. R., Iqbal, T., & Hussain, Z.
    (2017, August). Numerical simulation on tunnel spillway of Jingping-I hydropower project
    with four aerators. In IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 82, 012013.
  15. Song, C. C., & Zhou, F. (1999). Simulation of free surface flow over spillway. Journal of
    Hydraulic Engineering, 125(9), 959-967.
  16. Fais, L.M.C.F., Filho, J.G.D., Genovez, A.I.B. (2015). Geometry influence and discharge
    curve correction in morning glory spillways. Proceedings of the 36th IAHR World
    Congress.
  17. Falvey, H. T. (1990). Cavitation in chutes and spillways. Denver: US Department of the
    Interior, Bureau of Reclamation. 49-57.
  18. Chaudhry, M. H. (2007). Open-channel flow. Springer Science & Business Media.
  1. Novak, P., Moffat, A. I. B., Nalluri, C., & Narayanan, R. (2007). Hydraulic structures.
    Fourth Edition, Taylor & Francis, New York , 246–265.
  2. Jorabloo, M., Maghsoodi, R., Sarkardeh, H., & Branch, G. (2011). 3D simulation of flow
    over flip buckets at dams. Journal of American Science, 7(6), 931-936.
  3. Khani, S., Moghadam, M. A., & Nikookar, M. (2017). Pressure Fluctuations Investigation
    on the Curve of Flip Buckets Using Analytical and Numerical Methods. Vol. 03(04), 165-
    171.
  4. McCulloch, W. S., & Pitts, W. (1943). A logical calculus of the ideas immanent in nervous
    activity. The bulletin of mathematical biophysics, 5(4), 115-133.
  5. Hopfield, J. J. (1982). Neural networks and physical systems with emergent collective
    computational abilities. Proceedings of the national academy of sciences, 79(8), 2554-2558.
  6. Wu,C.L. Huang, B. Xie, C.B. (2008) . Comparison of calculation methods for irrigation
    district water inlet, China Rural Water and Hydropower ,5 (71) ,74–77.
  7. Qiu,J. Huang, B.S. . Lai, G.W. (2002). Research and application of discharge coefficient of
    wide crest weir, China Rural Water and Hydropower ,9 ,41–42.
  8. Xiang, H.Q .Ba,D.D. Liu, J.J. (2012) . Acquiring of curved practical weir flow coefficient by
    curve-fitting based on Matlab, Hydropower Energy Sci. 3 ,97–99.
  9. Ye,Y.T. He,J.J.(2013).Experimental study on hydraulic calculation of discharge under plane
    gate on broad-crested weir, J. Water Resour. Archit. Eng. 11 (2), 138–141.
  10. Salmasi, F., Yıldırım, G., Masoodi, A., & Parsamehr, P. (2013). Predicting discharge
    coefficient of compound broad-crested weir by using genetic programming (GP) and
    artificial neural network (ANN) techniques. Arabian Journal of Geosciences, 6(7), 2709-
    2717.
  11. Noori, R.; Hooshyaripor, F. (2014). Effective prediction of scour downstream of ski-jump
    buckets using artificial neural networks. Water Resour. 41, 8–18.
  12. Flow-Science. (2014). FLOW-3D user manual. version11. In: Flow Science Santa Fe, NM.
  13. Yakhot, V. S. A. S. T. B. C. G., Orszag, S. A., Thangam, S., Gatski, T. B., & Speziale, C. G.
    (1992). Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique.
    Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, 4(7), 1510-1520.
  14. Report on the hydraulic model of Alborz dam reservoir. (2001). Iran Water Research
    Institute
  15. Lippman, R. (1987). An introduction to computing with neural nets. IEEE Assp magazine,
    4(2), pp.4-22.
  16. Baylar, A., Ozgur, K.I.S.I. and Emiroglu, M.E. (2009). Modeling air entrainment rate and
    aeration efficiency of weirs using ANN approach. Gazi University Journal of Science, 22(2),
    107-116.
  17. Maureen, C. and Caudill, M. (1989). Neural network primer: Part I. AI Expert, 2(12),
    p.1987.
Fig. 1 Fixed staff gauge for head measurement at the upstream side of the Yuanshanzi Flood Diversion Work in the Keelung River, Taiwan

Velocity distribution and discharge calculation at a sharp-crested weir

Shun-Chung Tsung • Jihn-Sung Lai •
Der-Liang Young

sharp-crested weir에서 속도 분포 및 배출 계산

개방 수로의 harp-crested 위어는 수두-방류 관계를 통해 방류를 계산하는데 유용한 장치입니다. 그러나 수위 측정 사이트와 배출 계수는 배출 계산 정확도에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 본 연구는 각각 16MHz MicroADV와 FLOW-3D를 사용하여 위어 부분의 속도 분포를 측정하고 시뮬레이션합니다. 감마 확률 밀도 함수를 사용하여 속도 분포를 특성화하기 위해 위어 섹션의 수심 및 표면 속도가 선택됩니다. 본 연구에서는 측정된 수심과 수면 속도에서 도출된 속도 분포를 기반으로 속도-면적 통합 방법으로 정확한 배출을 계산합니다. 이 연구의 주요 기여는 정확한 측정 사이트를 제공하고, 속도 분포와 방류를 연결하고, 방류 계수 영향을 피하고, 방류 계산 정확도를 향상시키는 것입니다.

A sharp-crested weir in open channel is a useful device to calculate discharge via head-discharge relationship. However, water stage measurement site and discharge coefficient significantly influence discharge calculation accuracy. Therefore, this study measures and simulates velocity distribution at the weir section using 16-MHz MicroADV and FLOW-3D, respectively. The water depth and surface velocity at the weir section are selected to characterize velocity distribution using gamma probability density function. In this study, accurate discharge is calculated by velocity–area integration method based on velocity distribution derived from measured water depth and surface velocity. The main contributions of this study are to give an exact measurement site, link velocity distribution and discharge, avoid discharge coefficient influence, and improve discharge calculation accuracy.

Fig. 1 Fixed staff gauge for head measurement at the upstream side of the Yuanshanzi Flood Diversion Work in the Keelung River, Taiwan
Fig. 1 Fixed staff gauge for head measurement at the upstream side of the Yuanshanzi Flood Diversion Work in the Keelung River, Taiwan

References

  • Ackers P, White WR, Perkins JA, Harrison AJM (1978) Weirs and flumes for flow measurement. Wiley, New York
  • Bagheri S, Heidarpour M (2010) Application of free vortex theory to estimating discharge coefficient for sharp-crested weirs. Biosyst Eng 105:423–427
  • Chanson H, Montes JS (1998) Overflow characteristics of circular weirs: effects of inflow conditions. J Irrig Drain Eng 124(3):152–162
  • Costa JE, Cheng RT, Haeni FP, Melcher N, Spicer KR, Hayes E, Plant W, Hayes K, Teague C, Barrick D (2006) Use of radars to monitor stream discharge by noncontact methods. Water Resour Res 42:1–14
  • Ferrari A (2010) SPH simulation of free surface flow over a sharpcrested weir. Adv Water Resour 33:270–276
  • Ghodsian M (2003) Supercritical flow over a rectangular side weir. Can J Civ Eng 30:596–600
  • Hirt CW, Nichols BD (1981) Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J Comput Phys 39:201–225
  • Hirt CW, Sicilian JM (1985) A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes. In: Proc. 4th Int. Conf. Ship Hydrodynamics, National Academy of Science, Washington, DChttp://www.flow3d.com/. Accessed 20 Nov 2012
  • Kindsvater CE, Carter R (1957) Discharge characteristics of rectangular thin-plate weirs. J Hydraul Div 83(3):1–36
  • Lai JS, Tsorng SC, Tan YC, Hwang CY (2008) Measurements and analysis of flow field over sharp-crested weir. Taiwan Water Conservancy 56(1):49–59 (in Chinese)
  • Lin C, Huang WY, Suen HF, Hsieh SC (2002) Study on the characteristics of velocity field of free overfalls over a vertical drop. In: Proc. Hydraul Meas Exp Methods Conf, Estes Park, CO, USA
  • Muson BR, Young DF, Okiishi TH (1990) Fundamentals of fluid mechanics. Wiley, New York
  • Qu J, Ramamurthy AS, Tadayon R, Chen Z (2009) Numerical simulation of sharp-crested weir flows. Can J Civ Eng 36:1530–1534
  • Rajaratnam N, Muralidhar D (1971) Pressure and velocity distribution for sharp-crested weirs. J Hydraul Res 9(2):241–248
  • Ramamurthy AS, Tim US, Rao MV (1987) Flow over sharp-crested weirs. J Irrig Drain Eng 113(2):163–172
  • Rehbock T (1929) Discussion of ‘‘precise weir measurements’’ by Schoder EW and Turner KB Trans ASCE 93: 1143–1162
  • Rouse H (1936) Discharge characteristics of the free overfall. Civ Eng ASCE 6(4):257–260
  • Samani AK, Ansari A, Borghei SM (2010) Hydraulic behaviour of flow over an oblique weir. J Hydraul Res 48(5):669–673
  • Sargisonl JE, Percy A (2009) Hydraulics of broad-crested weirs with varying side slopes. J Irrig Drain Eng 135(1):115–118
  • Subramanya K (1986) Flow in open channels. Tata McGraw-Hill, New Delhi
  • Swamee PK (1988) Generalized rectangular weir equation. J Hydraul Eng 114(8):945–949
  • Tadayon R, Ramamurthy AS (2009) Turbulence modeling of flows over circular spillways. J Irrig Drain Eng 135(4):493–498
  • U.S. Bureau of Reclamation (1997) Water measurement manual. 3rd (ed.), U.S. Government Printing Office, Washington, DC
  • Versteeg HK, Malalasekera W (1995) An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. Longman Scientific & Technical, UK
  • Zhang X, Yuan L, Peng R, Chen Z (2010) Hydraulic relations for clinging flow of sharp-crested weir. J Hydraul Eng 136(6): 385–390
Figure 2.1. Test Setup.The test setup consists of a clear plastic scale model tank attached to a rigid aluminum frame by three multi-axis load cells driven by a position-controlled servo hydraulic system.(Data acquisition cabling removed for clarity).

Coupled Simulation of Vehicle Dynamics and Tank Slosh. Phase 1 Report. Testing and Validation of Tank Slosh Analysis

Prepared byGlenn R. WendelSteven T. GreenRussell C. Burkey

Abstract:

차량 동력학의 컴퓨터 시뮬레이션은 차량 설계에서 귀중한 도구가 되었다. 그러나 그들은 차량의 탱크에서 유체 슬로싱의 복잡한 역학을 정확하게 시뮬레이션할 수 없다. 

유체 슬로쉬를 예측할 수 있는 컴퓨터 유체역학 CFD 분석 소프트웨어를 이용할 수 있지만, 군용 차량 애플리케이션용 유체 슬로쉬를 정확하게 예측하는데 이 소프트웨어의 사용은 입증되지 않았다. 이것은 차량 역학 분석과 결합된 CFD 분석의 사용을 개발 및 입증하여 유체 수송 시스템의 역학을 보다 정확하게 예측하는 다중 효소 프로그램의 첫 번째 단계다. 

이 단계의 목적은 일반적인 기동에 직면한 차량의 움직임에 따른 탱크에서 슬로시 역학을 예측하는 CFD 분석을 검증하는 것이다. 이를 위해, 5톤 FMTV 트럭을 시뮬레이션하는 시험 설비뿐만 아니라, 1/4 규모의 TOD 탱크 모델이 건설되었다. CFD 분석과 실험실 시험의 반응력과 유동 운동을 차선 변경과 요철을 포함한 6가지 모의 차량 기동에서 비교했다. 

CFD 분석은 상용 소프트웨어 패키지인 FLOW-3D-로 수행되었다. 테스트 탱크의 해당 측정값과 비교하기 위해 빈 탱크의 강체 동적 해석의 힘과 모멘트 예측에 순유체 힘과 모멘트 예측이 추가되었다. 

전반적으로, 그 결과는 CFD가 트럭에 탑재된 수상 수송 탱크의 유체 운동 및 유체 구조 상호작용 연구에 성공적으로 적용될 수 있음을 보여준다. 예측된 롤 모멘트와 측정된 롤 모멘트 사이에는 좋은 상관관계가 있다. 

여기에 제시된 CFD 시뮬레이션의 빠른 전환 시간을 감안할 때, 전술에 대한 전체 차량 반응의 높은 충실도 시뮬레이션을 위해 차량 강체 차체 동적 분석을 유체 역학 분석과 결합하는 것이 바람직하다는 전망이 나온다.

Computer simulation of vehicle dynamics has become a valuable tool in the design of vehicles. They are, however, unable to accurately simulate the complex dynamics of fluid sloshing in a tank on the vehicle. Computational Fluid Dynamics CFD analysis software is available that can predict fluid slosh, however, the use of this software in accurately predicting fluid slosh for a military vehicle application has not been demonstrated. This is the first phase of a multiphase program to develop and demonstrate the use of CFD analysis, coupled with vehicle dynamics analysis, to more accurately predict the dynamics of a fluid transport system. The objective of this phase is to validate the CFD analysis in predicting slosh dynamics on a tank subjected to motions of a vehicle encountering typical maneuvers. To accomplish this, a one-quarter-scale model of a TOLD tank was constructed, as well as a test fixture to simulate a five-ton FMTV truck. The reaction forces and the fluid motions of the CFD analysis and the laboratory test were compared for six simulated vehicle maneuvers including lane changes and bumps. The CFD analysis was conducted with the commercially available software package, FLOW-3D-. The net fluid force and moment predictions were added to the force and moment predictions of a rigid body dynamic analysis of the empty tank alone to compare to the corresponding measured values for the test tank. Overall, the results show that CFD can successfully be applied to the study of fluid motions and the fluid- structure interactions in truck-mounted water transport tanks. There is good correlation between the predicted and measured roll moment. Given the rapid turnaround time for the CFD simulations presented here, the outlook is encouraging for coupling a vehicle rigid body dynamics analysis to a fluid dynamics analysis for a high fidelity simulation of the complete vehicle response to maneuvers.

Keywords

Keywords: COMPUTATIONAL,FLUID,DYNAMICS,VEHICLES,*SLOSHING,TEST,AND,EVALUATION,COMPUTER,PROGRAMS,COMPUTERIZED,SIMULATION,COUPLING(INTERACTION),SIMULATION,ROLL,LABORATORY,TESTS,PREDICTIONS,VALIDATION,INTERACTIONS,MILITARY,VEHICLES,REACTION,TIME,MOTION,RESPONSE,TRANSPORT,MILITARY,APPLICATIONS,FLUIDS,TRUCKS,MANEUVERS,RIGIDITY,TEST,FIXTURES,WATER,TANKS

CFD 분석과 실험실 테스트의 작용력과 유체 운동은 다음과 같은 시뮬레이션 된 차량 기동에 대해 비교되었습니다.

  • AVTP Lane Change at 20 mph
  • AVTP Lane Change at 40 mph
  • 9” Half-Round Symmetric Bump at 10 mph
  • 12” Half-Round Symmetric Bump at 5 mph
  • 9” Trapezoidal Asymmetric Bump at 15 mph
  • 12” Trapezoidal Asymmetric Bump at 10 mph

CFD 분석은 상용 소프트웨어 패키지 FLOW-3D를 사용하여 수행되었습니다.

Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change.
Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change.
Figure 2.1.  Test Setup.The test setup consists of a clear plastic scale model tank attached to a rigid aluminum frame by three multi-axis load cells driven by a position-controlled servo hydraulic system.(Data acquisition cabling removed for clarity).
Figure 2.1. Test Setup.The test setup consists of a clear plastic scale model tank attached to a rigid aluminum frame by three multi-axis load cells driven by a position-controlled servo hydraulic system.(Data acquisition cabling removed for clarity).
Figure 2.2.  Test Setup Drawing.The load cell locations and the coordinate systems used in the testing and analysis are defined as shown.
Figure 2.2. Test Setup Drawing.The load cell locations and the coordinate systems used in the testing and analysis are defined as shown.
Figure 3.1.  Computational Mesh Definition
Figure 3.1. Computational Mesh Definition
Figure 3.2.  Rear Axle Roll Moment, 20-mph Lane Change
Figure 3.2. Rear Axle Roll Moment, 20-mph Lane Change
Figure 3.3.  Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change
Figure 3.3. Rear Axle Roll Moment, 40-mph Lane Change
Figure 3.4.  Rear Axle Roll Moment, 9” Trapezoidal Bump at 15 mph
Figure 3.4. Rear Axle Roll Moment, 9” Trapezoidal Bump at 15 mph
Figure 3.5.  Rear Axle Roll Moment, 12” Trapezoidal Bump at 10 mph
Figure 3.5. Rear Axle Roll Moment, 12” Trapezoidal Bump at 10 mph
Figure 3.8.  Fluid Configuration for 20-mph Lane Change.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction.  Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.
Figure 3.8. Fluid Configuration for 20-mph Lane Change.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction. Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.
Figure 3.9.  Fluid Configuration for 12” Trapezoidal Bump at 10 mph.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction.  Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.
Figure 3.9. Fluid Configuration for 12” Trapezoidal Bump at 10 mph.The viewpoint in these images is from the front of the vehicle looking in the negative y-direction. Theinset in the video image is viewing the tank from the left side of the vehicle.

REFERENCES

Abramson, H.N. [1966], The Dynamic Behavior of Liquids in Moving Containers,NASA SP-106.Flow Science, Inc. [2001], FLOW-3D, Version 8.0.1, Santa Fe, New Mexico.Working Model, Inc. [1997], Working Model 3D, Version 2.0, San Mateo, California.Coleman, H.W., Steele, W.G. [1989], Experimentation and Uncertainty Analysis forEngineers, John Wiley and Sons, New York, 1989

Fig. 4 Current lines in the horizontal level in: a 0.70 and b 14 cm from the streambed in tandem pies

3D numerical simulation of flow field around twin piles

트윈 말뚝 주위의 유동장 3D 수치 시뮬레이션

Amini, A; Parto, AA
Amini, A (reprint author), AREEO, Kurdistan Agr & Nat Resources Res & Educ Ctr, Sanandaj, Iran.
, 2017; 65 (6): 1243

Abstract

이 연구에서는, 파일 그룹 주위의 흐름 패턴과 국소적 스크루 메커니즘을 식별하기 위해, 플로우 필드를 FLOW-3D 소프트웨어를 사용해 시뮬레이션했다. 편평한 침대 채널에 나란히 배열되어 있는 한 쌍의 말뚝이 조사되었다. Navier-Stokes 방정식을 확립하기 위해 RNGk-epsilon 난류 모델을 사용하였고 실험 데이터를 사용하여 결과를 검증하였다. FLOW-3D 기능의 경우, 소프트웨어가 파일 그룹 간의 예상 상호작용을 적절히 시뮬레이션할 수 있는 것으로 확인되었다. 플로우 필드 시뮬레이션 결과는 레이놀즈 숫자와 말뚝 간격이 vortices 형성에 가장 큰 영향을 미치는 변수라는 것을 보여주었다. 탠덤 더미 주변의 흐름과 웨이크 바이크 주변의 하향 흐름은 측면 배치와 단일 더미에 비해 더 강렬하고 복잡했다.

In this study to identify the flow pattern and local scour mechanism around pile groups, the flow field was simulated using FLOW-3D software. A pair of pile on a flat-bed channel with side by side and tandem arrangements was investigated. To establish Navier–Stokes equations, the RNGk-e turbulence model was used and the results were verified using experimental data. In case of FLOW-3D capability, it was found that the software was able to properly simulate the expected interaction between the pile groups. The results of flow field simulation showed that Reynolds number and the pile spacing are the most influential variables in forming vortices. The flow around tandem pile and the downward flow around wake vortices were more intense and complicate in comparison with side by side arrangements and single pile.

Keywords : Bridge, Sediment, Flow pattern, Pile group, Local scour

Fig. 1 General view of the channel and measured points a side by side b tandem arrangement
Fig. 1 General view of the channel and measured points a side by side b tandem arrangement
Fig. 2 Meshing around the two side by side piles: a plan and b side view
Fig. 2 Meshing around the two side by side piles: a plan and b side view
Fig. 3 Meshing around the two tandem piles: a plan and b side view
Fig. 3 Meshing around the two tandem piles: a plan and b side view
Fig. 4 Current lines in the horizontal level in: a 0.70 and b 14 cm from the streambed in tandem pies
Fig. 4 Current lines in the horizontal level in: a 0.70 and b 14 cm from the streambed in tandem pies
Fig. 5 Current lines in the horizontal level in: a 0.70 cm, and b 14 cm from the streambed in side by side piles
Fig. 5 Current lines in the horizontal level in: a 0.70 cm, and b 14 cm from the streambed in side by side piles
Fig. 6 Comparing iso-velocity line in longitudinal direction (u): a observed in 0.7 cm; b observed in 14 cm; c simulated in 0.7 cm and d simulated in 14 cm
Fig. 6 Comparing iso-velocity line in longitudinal direction (u): a observed in 0.7 cm; b observed in 14 cm; c simulated in 0.7 cm and d simulated in 14 cm
Fig. 7 Comparing iso-velocity line in latitudinal direction (v): a observed in 0.7 cm; b observed in 14 cm; c simulated in 0.7 cm and d simulated in 14 cm
Fig. 7 Comparing iso-velocity line in latitudinal direction (v): a observed in 0.7 cm; b observed in 14 cm; c simulated in 0.7 cm and d simulated in 14 cm
Fig. 8 3D velocity profiles in x–z plane in the center of the pile (Y = 0): a x = - 1.65D; b x = - 6.59D; c x = 0.69D; d x = 1.32D; e x = 3.69D and f x = 7.60D
Fig. 8 3D velocity profiles in x–z plane in the center of the pile (Y = 0): a x = – 1.65D; b x = – 6.59D; c x = 0.69D; d x = 1.32D; e x = 3.69D and f x = 7.60D
Fig. 9 Comparison of simulated and observed velocity in x–y plane in center of piles
Fig. 9 Comparison of simulated and observed velocity in x–y plane in center of piles

References

  • Akilli AA, Karakus C (2004) Flow characteristics of circular cylinders arranged side-by- side in shallow water. Flow Meas Instrum 15(4):187–189
  • Amini A, Mohammad TM (2017) Local scour prediction in complex pier. Mar Georesour Geotechnol 35(6):857–864
  • Amini A, Melville B, Thamer M, Halim G (2012) Clearwater local scour around pile groups in shallow-water flow. J Hydraul Eng (ASCE) 138(2):177–185
  • Amini A, Mohd TA, Ghazali H, Bujang H, Azlan A (2011) A local scour prediction method for pile cap in complex piers. ICE-water Manag. 164(2):73–80
  • Aslani A (2008) Experimental evaluation of flow pattern around double piles. MSc thesis, Sharif University, Tehran
  • Gu ZF, Sun TF (1999) On interference between two circular cylinders in staged arrangement at high sub-critical Reynolds numbers. J Wind Eng Ind Aerodyn 80:287–309
  • Hang-Wook P, Hyun P, Yang-Ki C (2014) Evaluation of the applicability of pier local scour formulae using laboratory and field data. Mar Georesour Geotechnol. https://doi.org/10.1080/ 1064119X.2014.954658
  • Hannah CR (1978) Scour at pile groups. Research Rep. No. 78-3, Civil Engineering, Univ. of Canterbury, Christchurch
  • Hosseini R, Amini A (2015) Scour depth estimation methods around pile groups. J Civ Eng KSCE 19(7):2144–2156
  • Lanca R, Fael C, Maia R, Peˆgo J, Cardoso A (2013) Clear-water scour at pile groups. J Hydraul Eng. ttps://doi.org/10.1061/ (ASCE)HY.1943-7900.0000770
  • Mohamed HI (2013) Numerical simulation of flow and local scour at two submerged-emergent tandem cylindrical piers. J Eng Sci 41(1):1–19
  • Palau-Salvador G, Stoesser T, Rodi W (2008) LES of the flow around two cylinders in tandem. J Fluids Struct 24(8):1304–1312
  • Papaionannou GV, Yuea DKP, Triantafylloua MS, Karniadakis GE (2008) On the effect of spacing on the vortex-induced vibrations of tandem cylinders. J Fluids Struct 24:833–854
  • Price SJ, Paidoussis MP (1989) The flow induced response of a single flexible cylinder in an in-line array of rigid cylinder. J Fluid Struct 3:61–82
  • Raudkivi AJ (1998) Loose boundary hydraulics. A. A. Balkema, Rotterdam, pp 8–28. https://doi.org/10.1080/02508069608686502
  • Salim MS, Cheah SC (2009) Wall y ? strategy for dealing with wallbounded turbulent flows. In: Proceedings of the international multiconference of engineers and computer scientists, vol II, IMECS, Hong Kong
  • Shin JH, Park HI (2010) Neural network formula for local scour at piers using field data. Mar Georesour Geotechnol 28(1):37–48
  • Sicilian JM, Hirt CW, Harper RP (1987) FLOW-3D. Computational modeling power for scientists and engineers. Report FSI-87-00-Flow Science. Los Alamos, NM
  • Solaimani N, Amini A, Banejad H, Taheri P (2017) The effect of pile spacing and arrangement on bed formation and scour hole dimensions in pile groups. Int J River Basin Manag 15(2):219–225
  • Sumer BM, Fredsøe J (2002) The mechanics of scour in the marine environment. World Scientific, Farrer Road, Singapore
  • Sumer B, Chua L, Cheng N, Fredsøe J (2003) Influence of turbulence on bed load sediment transport. J Hydraul Eng. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-9429(2003)129:8(585)
  • Sun TF, Gu ZF, He DX, Zhang LL (1992) Fluctuating pressure on two circular cylinder at high Reynolds number. J Wind Eng Ind Aero. 42:577–588
Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze

FLOW-3D software for substantiation the layout of the port water area

항구 수역의 레이아웃을 입증하기 위한 FLOW-3D 소프트웨어

B Pan1

  • and N Belyaev2
    1 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia
    pan3.b@edu.spbstu.ru

Abstract

방파제 설계시 항만 내 수역 및 접안 시설에서 중대한 파도 발생을 배제 할 필요가 있다. 이 기사는 항구 지역의 물 이동 계산 결과를 제시합니다. 항구 입구의 위치와 주어진 물체의 크기에 대한 가장 안전한 옵션이 확인되었습니다. FLOW – 3D 프로그램을 사용하여 항구 수역의 예비 배치 단계에서 계획되고 건설적인 솔루션을 선택할 가능성이 입증되었습니다.

Introduction

항구를 설계 할 때 계류선의 가장 합리적인 구성과 항구 수역의 레이아웃을 선택하여 항구의 영토를 배치하는 것이 필요합니다. 러시아 연방의 항구 수역 배치는 항구 수역 요소에 대한 사양을 포함하는 해로, 페어웨이 및 기동 구역에 대한 설계 표준의 요구 사항에 따라 수행됩니다 [1, 2].

항구 물은 파도, 퇴적물 축적 및 얼음으로부터 보호되어야 합니다. 항구 계획을 작성할 때, 선박의 기동 및 연안 계류 중뿐만 아니라 선적 및 하역 및 기타 항구 운영 중에 선박 계류에 대한 정상적인 조건이 생성되도록 파도로부터 수역을 보호하는 정도를 제공해야 합니다.

설계 결정은 새로운 포트를 설계하거나 기존 포트를 개발할 때 물리적 또는 수학적 모델링을 기반으로 합니다 [2]. 항구 수역에서 계산 된 물 흐름의 매개 변수는 수문 기상 조사, 장기 현장 관찰 및 실험실 연구의 결과를 기반으로 하도록 권장됩니다.

공학 수문 기상 측량 데이터가 불충분하면 계산 방법을 기반으로 설계 폭풍의 파도 매개 변수를 결정할 수 있습니다. 사용된 계산 방법이 국제 실무에서 동일한 목적으로 채택된 방법 (모델)에 부합하는지 표시하는 것이 좋습니다 [3].

Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze
Figure 2. The location of the port entrance on Lake Hongze: a – variant 1; b – variant 2; c – variants 3-5
Figure 2. The location of the port entrance on Lake Hongze: a – variant 1; b – variant 2; c – variants 3-5
Figure 3. Port water area plan
Figure 3. Port water area plan
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area
Figure 4. Modeling of variant 1 with the movement of waves in the port water area
Figure 5. Modeling of variant 2: a is prevailing movement of water towards the enclosed water area; b is prevailing reverse movement of water
Figure 5. Modeling of variant 2: a is prevailing movement of water towards the enclosed water area; b is prevailing reverse movement of water
Figure 6. Modeling of variant 3
Figure 6. Modeling of variant 3
Figure 7. Modeling of variant 4
Figure 7. Modeling of variant 4
Figure 8. Modeling of variant 5
Figure 8. Modeling of variant 5
Figure 9. Plan of the port water area with design points
Figure 9. Plan of the port water area with design points
Figure 10. Change in water depth at point A: a – variant 1; b – variant 2
Figure 10. Change in water depth at point A: a – variant 1; b – variant 2
Figure 11. Change in water depth at point A: a – variant 3; b – variant 4; c – variant 5
Figure 11. Change in water depth at point A: a – variant 3; b – variant 4; c – variant 5
Figure 12. Change in water depth at points A (a) and C (b) for variant 3
Figure 12. Change in water depth at points A (a) and C (b) for variant 3
Figure 13. Change in water depth at points A (a) and B (b) for variant 3
Figure 13. Change in water depth at points A (a) and B (b) for variant 3
Figure 14. Scheme of vessel traffic: a – variant 3; b – variant 4
Figure 14. Scheme of vessel traffic: a – variant 3; b – variant 4

References
[1] SP 350.1326000.2018. 2018 Norms for technological design of sea ports (Moscow:
Standartinform) p 226
[2] SP 444.1326000.2019. 2019 Standards for the design of sea channels, fairways and
maneuvering areas (Moscow: Standartinform) p 62
[3] SP 38.13330.2012. 2014 Loads and impacts on Hydraulic structures (from wave, ice and ships)
(Moscow: Ministry of Regional Development of the Russian Federation) p 112
[4] Rijnsdorp D P Smit P B and Zijlema M 2012 Non-hydrostatic modelling of infragravity waves
using SWASH. Proceedings of 33rd Conference on Coastal Engineering. pp 1287–1299
[5] Kantardgi I G Zheleznyak M J 2016 Laboratory and numerical study of waves in the port area.
Magazine of Civil Engineering No 6 pp 49–59 DOI: 10.5862/MCE.66.5
[6] Zheleznyak M J Kantardgi I G Sorokin M S and Polyakov A I 2015 Resonance properties of
seaport water areas Magazine of Civil Engineering № 5(57) pp 3-19 DOI:10.5862/MCE.57.1
[7] Kantarzhi I Zuev N Shunko N 2014 Numerical and physical modelling of the waves inside the
new marina in Gelendjik (Black Sea) Application of physical modelling to port and coastal
protection. Proceedings of 5th international conference Coastlab (Varna) Vol 2 pp 253–262
[8] Makarov K N and Chebotarev A G 2015 Breakwater placement at the root of a seawall
Magazine of Civil Engineering № 3(55) pp 67-78 DOI: 10.5862/MCE.55.8
[9] Belyaev N D Lebedev V V and Alexeeva A V 2017 Investigation of the soil structure changes
under the tsunami waves impact on the marine hydrotechnical structures V 10 № 4 pp 44-52
DOI: 10.7868/S2073667317040049
[10] Lebedev V V Nudner I S and Belyaev N D 2018 The formation of the seabed surface relief near
the gravitational object Magazine of Civil Engineering No 79(3) pp 120–131 DOI:
10.18720/MCE.79.13
[11] Kofoed-Hansen H Sloth P Sørensen O R Fuchs J 2000 Combined numerical and physical
modelling of seiching in exposed new marina Proceedings of 27th international conference of
coastal engineering pp 3600–3614
[12] Smit P Stelling G and Zijlema M 2011 Assessment of nonhydrostatic wave-flow model
SWASH for directionally spread waves propagating through a barred basin Proceedings of
ACOMEN 2011 pp 1–10
[13] Zijlema M Stelling G Smit P 2011 SWASH: An operational public domain code for simulating
wave fields and rapidly varied flows in coastal waters. Coastal Engineering. № 10(58). pp 992–
1012
[14] FLOW-3D® 2008 User’s Manual Version 9.3 Flow Science Inc p 821
[15] Pan Bayan and Belyaev N D 2019 Week of Science SPbPU: Proceedings of an international
scientific conference The best reports. pp 3-7
[16] Girgidov A A 2011 Hybrid simulation in hydrotechnical facilities design and FLOW-3D as a
tool its realization Magazine of Civil Engineering №3 pp 21-27
[17] Girgidov A A 2010 Proceeding of the VNIIG vol 260. pp 12-19

[18] Vasquez J A Walsh B W 2009 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow,
33rd IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment, © 2009 by
International Association of Hydraulic Engineering & Research (IAHR) ISBN: 978-94-90365-
01-1.
[19] Shan-Hwei Ou Tai-Wen Hsu and Jian-Feng Lin 2010 Experimental and Numerical Studies on
Wave Transformation over Artificial Reefs Proceedings of the International Conference on
Coastal Engineering (Shanghai, China) No 32
[20] Hirt C and Nichols B 1980 Volume of Fluid Method for the Dynamics of Free Boundaries
Journal Comp. Phys 39 p 201.

Figure 7. Formation of incident and reflected waves.

Investigate Impact Force of Dam-Break Flow against Structures by Both 2D and 3D Numerical Simulations

2D 및 3D 수치 시뮬레이션에 의한 댐 붕괴유동의 구조물 충격력 조사

1 Faculty of Water Resources Engineering, Thuyloi University, 175 Tay Son, Dong Da, Ha Noi 116705, Vietnam
2 Hydraulic Construction Institute, 3/95 Chua Boc, Dong Da, Ha Noi 116705, Vietnam
* Author to whom correspondence should be addressed.
Academic Editor: Costanza Aricò
Water 2021, 13(3), 344;

Abstract

본 논문의 목적은 일부 2D 및 3D 수치 모델이 침수 지역에 고립된 건물 또는 건물 배열이 있는 곳에서 홍수 파동을 시뮬레이션하는 능력을 조사하는 것이었습니다.

먼저, 제안된 2D 수치 모델은 구조화된 메시에서 2D 얕은 물 방정식(2D-SWEs)을 해결하기 위한 유한 볼륨 방법(FVM)을 기반으로 했습니다.

FDS (flux-difference splitting)은 정확한 질량 균형을 얻기 위해 사용되었고 Roe 체계는 Riemann 문제를 근사하기 위해 호출되었습니다.

둘째, 상업적으로 이용 가능한 3D CFD 소프트웨어 패키지가 선택되었으며, 여기에는 두 가지 난류 모델이 포함된 Flow 3D 모델이 포함되어 있습니다.

RNG(Renormalized Group) 및 LES(Large-eddy Simulation)를 사용하는 레이놀즈 평균 Navier-Stokes(RAN)입니다. 댐 붕괴 흐름으로 인한 장애물에 대한 충격력의 수치 결과는 3D 솔루션이 2D 솔루션보다 훨씬 낫다는 것을 보여주었습니다.

건물 배열에 작용하는 충격력의 3D 수치 힘 결과를 보유하고 있는 실험 데이터와 비교함으로써, 속도 유도력이 동적 힘에 미치는 영향은 Froude 숫자의 함수와 사고 파동의 수심 함수에 의해 정량화 되었습니다. 또한, 우리는 힘의 강도의 피크 값의 3D 계산 결과에 대한 초기 물 단계와 댐 붕괴 폭의 영향을 조사했습니다.

The aim of this paper was to investigate the ability of some 2D and 3D numerical models to simulate flood waves in the presence of an isolated building or building array in an inundated area. Firstly, the proposed 2D numerical model was based on the finite-volume method (FVM) to solve 2D shallow-water equations (2D-SWEs) on structured mesh. The flux-difference splitting method (FDS) was utilized to obtain an exact mass balance while the Roe scheme was invoked to approximate Riemann problems. Secondly, the 3D commercially available CFD software package was selected, which contained a Flow 3D model with two turbulent models: Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANs) with a renormalized group (RNG) and a large-eddy simulation (LES). The numerical results of an impact force on an obstruction due to a dam-break flow showed that a 3D solution was much better than a 2D one. By comparing the 3D numerical force results of an impact force acting on building arrays with the existence experimental data, the influence of velocity-induced force on a dynamic force was quantified by a function of the Froude number and the water depth of the incident wave. Furthermore, we investigated the effect of the initial water stage and dam-break width on the 3D-computed results of the peak value of force intensity.

Keywords: dam-break wave2D numerical modelFlow 3D modelstructuresimpact force

Introduction

홍수 위험 분석에 따른 도시 계획은 최근에 큰 연구 과제였습니다.

건물 또는 건물 그룹에 대한 홍수 파동의 영향에 대한 연구는 하류 지역에 대한 조기 경고 또는 안전 의식 향상에 중요한 역할을 했습니다. 기본적으로 댐 파괴 흐름에 대한 연구는 실험 측정이나 수치 시뮬레이션을 통해 추정 할 수 있습니다 [1,2,3,4,5,6].

컴퓨터 처리 능력의 증가로 인해 불연속 흐름에 대한 수치 연구가 비용 효율적이되었습니다. 지난 10 년 동안 얕은 물 솔버는 정확성과 계산 능력면에서 크게 향상되었습니다. 침수 가능 지역의 수심 및 속도 프로파일과 같은 유체 역학적 매개 변수에 많은주의를 기울였습니다 [1,2,3,4,5,6,7,8].

Migot et al. [9]는 도시 홍수의 실험적 모델링에 관한 많은 기사를 검토했습니다. 그 논문에 언급 된 45 개의 작품 중 단 4 개의 프로젝트 만이 장애물에 가해지는 일정한 또는 비정상적인 흐름의 힘 또는 압력을 측정했습니다.

또한 물리적 및 2D 수치 모델에서 건물 또는 건물 그룹에 돌발 홍수가 미치는 영향에 대한 연구는 거의 없었습니다. 얕은 물 모델은 [10,11]에서 고립된 장애물에 대한 충격의 힘을 예측하는데 사용되었습니다.

한편 Shige-eda [12]는 액체와 건물 배열 간의 상호 작용을 결정하기 위해 물리적 모델과 2D 수치 체계를 선택했습니다. Aureli와 Shige-eda는 수직 속도와 가속도를 무시하기 때문에 댐 파괴 흐름의 힘을 추정하기 위한 2D 얕은 물 방정식 (SWE)의 단점을 보여주었습니다 [10,12].

Migot [9]은 또한 장애물 주변의 시뮬레이션된 홍수 흐름에 대한 2D SWE에 대한 여러 출판물이 있었지만 이 주제에 대한 3D 수치 모델에 대한 연구는 거의 없다고 지적했습니다. 최근 전산 유체 역학 (CFD) 3D 시뮬레이션은 유체 흐름과 관련된 문제를 해결하기위한 광범위한 도구가되었습니다.

댐 파괴 파의 특성은 [13,14,15,16]에 의해 주목되었고 Issakhov [17]는 다양한 종류의 장애물이 압력 분포에 미치는 영향을 조사하기 위해 CFD 방법을 사용했습니다. 그들은 분포가 댐 표면에서 3 배 더 낮다는 것을 밝혔다.

Aureli [10]는 댐 파괴 파가 구조물에 미치는 영향의 정적 힘을 평가하기 위해 실험 테스트와 2D 및 3D 수치 모델을 사용했습니다. Mokarani [18]는 댐 브레이크 흐름 영향의 VOF 시뮬레이션에서 피크 압력 안정성 조건을 연구했습니다.

앞서 언급한 작품에서 구조물이나 구조물 군에 작용하는 힘은 압력에 의한 정 수력 또는 정력이었다. 한편, 급류에서 속도로 인한 힘은 압력 력보다 크거나 같았습니다 [19]. Armanini [20]는 정상 흐름에 대해이 항을 추정하기 위한 분석적 표현 만을 제시했습니다. 우리가 아는 한, 건물 그룹에 작용하는 비정상 흐름의 동적 힘을 생성하기 위해 2D 및 3D 수학적 모델을 모두 사용하는 작업은 없습니다.

따라서 본 연구에서는 제안된 2D 수치 모델과 3D 수학적 모델 모두에 의해 고립 된 장애물 또는 장애물 그룹에 대한 급격한 비정상 흐름의 테스트 사례를 재현했습니다. 수심 및 유속 수문 그래프와 같은 몇 가지 수력 학적 특성이 추정되었으며 측정 된 데이터와 매우 잘 일치했습니다.

특히 댐 브레이크 흐름이 서로 다른 건물에 가하는 동적인 힘도 시뮬레이션했습니다. 속도 유도 힘이 동적 힘에 미치는 영향 수준을 나타내는 매개 변수는 Froude 수와 입사 파동의 수심의 함수인 것으로 밝혀졌습니다. 또한 붕괴된 댐 사이트 폭 (b)과 초기 수위 (h0)는 충격력의 최대 값에 영향을 미치는 변수로 고려되었습니다.

Figure 1. (a) Configuration of experiment test (dimension in meters); (b) Gauges on the vertical front face of building.
Figure 1. (a) Configuration of experiment test (dimension in meters); (b) Gauges on the vertical front face of building.
Figure 2. (a) Distributed pressure profiles at centerline of front face of column; (b) Comparison of load-time histories simulated by different numerical models
Figure 2. (a) Distributed pressure profiles at centerline of front face of column; (b) Comparison of load-time histories simulated by different numerical models
Figure 3. Group of buildings in flooded area.
Figure 3. Group of buildings in flooded area.
Figure 4. Water depth and u-velocity profiles at gauge b.
Figure 4. Water depth and u-velocity profiles at gauge b.
Figure 5. Water hydrographs at gauges a and c.
Figure 5. Water hydrographs at gauges a and c.
Figure 6. Velocity component profiles at gauges a and c.
Figure 6. Velocity component profiles at gauges a and c.
Figure 7. Formation of incident and reflected waves.
Figure 7. Formation of incident and reflected waves.
Figure 8. Snapshots of streamlines of Froude number at different times: 1.0 s, 2.0 s, 5.0 s and 10 s.
Figure 8. Snapshots of streamlines of Froude number at different times: 1.0 s, 2.0 s, 5.0 s and 10 s.
Figure 9. Force in the flow direction exerted on 6 buildings.
Figure 9. Force in the flow direction exerted on 6 buildings.
Figure 10. The linear regression between forces per unit width (F) and q2b/h0.
Figure 10. The linear regression between forces per unit width (F) and q2b/h0.

Conclusions

댐 붕괴 흐름으로 인한 홍수 파도는 높은 속도 또는 큰 깊이가 관련되었을 때 건물에 큰 영향을 미칩니다. 본 논문에서는 2D 및 3D 수치 모델의 건물 및 건물 그룹에 대한 빠른 흐름에 의해 발생하는 유압 특성과 충격 부하를 추정할 수 있는 능력을 조사했습니다. 얕은 물 방정식에 기초한 2D 수학 모델은 FDS 방법으로 해결되었으며, FDS 방법은 최신 버전의 Flow 3D 유체 역학 모델과 함께 사용되었습니다. 연구의 주요 발견은 다음과 같습니다.
(1) 수심 또는 속도 프로파일을 공식화하기 위해 2D 및 3D 수치 솔루션은 모두 매우 유사합니다. 제안된 2D 수치 모델은 정적 힘의 최대 값 뿐만 아니라 수심 및 속도 구성 요소를 포함하는 유압 특성을 예측하는 데 적합합니다. 그러나 LES 및 RAN 난류 모듈이 포함된 3D 유체역학 모델은 2D 얕은 흐름 모델이 1개만 제공하는 동안 두 개의 최고 충격 부하를 잘 포착할 수 있습니다. 일반적으로 3D 결과는 실험 결과와 더 가깝습니다.
(2) 여러 건물에 대한 정적 및 동적 힘은 모두 LES 모듈을 사용하여 Flow 3D에 의해 계산되었습니다. 건물에서 속도에 의한 힘과 압력의 역할은 위치에 따라 다릅니다. 댐 현장 근처에서, 속도 유도 힘은 댐 파괴 파동의 주 방향에서 멀리 떨어져 있거나 두 번째 배열에서 압력 힘이 더 중요합니다. 속도 유도 힘의 영향은 매개 변수 α에 의해 정량화되며, 이는 사고파의 Froude 숫자와 수심 함수로 수행됩니다. q2b/h0과 정적 힘과 동적 힘의 피크 강도 사이의 선형 회귀 관계는 합리적인 R-제곱 양으로 해결됩니다.

추가 연구에서, 제시된 2D 수치 모델의 견고성과 효과는 더 명확하게 드러날 것입니다. 대규모 도메인에 대한 홍수 흐름을 시뮬레이션하는 데 쉽게 적용할 수 있습니다. 또한, α 매개변수의 제안된 방정식(21)은 실제 사례 연구에서 다운스트림 영역의 건물에 대한 속도 유도 힘의 영향을 정확하게 평가하기 위한 매우 의미가 있습니다. 이 매개 변수의 정확도 수준을 높이려면 서로 다른 조건에서 장애물에 작용하는 여러 가지 힘 실험이 구현되어야 합니다.

References

  1. Testa, G.; Zuccala, D.; Alcrudo, F.; Mulet, J.; Frazao, S.S. Flash flood flow experiment in a simplifed urban district. J. Hydraul. Res. 200745, 37–44. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Soares-Frazao, S.; Zech, Y. Dam-break flow through an idealized city. J. Hydraul. Res. 200846, 648–665. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Soares-Frazão, S.; Zech, Y. Experimental study of dam-break flow against an isolated obstacle. J. Hydraul. Res. 200745, 27–36. [Google Scholar] [CrossRef]
  4. Soares-Frazão, S. Experiments of dam-break wave over a triangular bottom sill. J. Hydraul. Res. 200745, 19–26. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. di Cristo, C.; Evangelista, S.; Greco, M.; Iervolino, M.; Leopardi, A.; Vacca, A. Dam-break waves over an erodible embankment: Experiments and simulations. J. Hydraul. Res. 201856, 196–210. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Evangelista, S. Experiments and numerical simulations of dike erosion due to a wave impact. Water 20157, 5831–5848. [Google Scholar] [CrossRef]
  7. Li, Y.L.; Yu, C.H. Research on dam break flow induced front wave impacting a vertical wall based on the CLSVOF and level set methods. Ocean Eng. 2019178, 442–462. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. Özgen, I.; Zhao, J.; Liang, D.; Hinkelmann, R. Urban flood modeling using shallow water equations with depth-dependent anisotropic porosity. J. Hydrol. 2016541, 1165–1184. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Mignot, E.; Li, X.; Dewals, B. Experimental modelling of urban flooding: A review. J. Hydrol. 2019568, 334–342. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Aureli, F.; Dazzi, A.; Maranzoni, A.; Mignosa, P.; Vacondio, R. Experimental and numerical evaluation of the force due to the impact of a dam break wave on a structure. Adv. Water Resour. 201576, 29–42. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. Milanesi, L.; Pilotti, M.; Belleri, A.; Marini, A.; Fuchs, S. Vulnerability to flash floods: A simplified structural model for masonry buldings. Water Resour. Res. 201854, 7177–7197. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Shige-eda, M.; Akiyama, J. Numerical and experimental study on two dimensional flood flows with and without structures. J. Hydraul. Eng. 2003129, 817–821. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Cagatay, H.O.; Kocaman, S. Dam break flows during initial stage using SWE and RANs approaches. J. Hydraul. Res. 201048, 603–611. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Yang, S.; Yang, W.; Qin, S.; Li, Q.; Yang, B. Numerical study on characteristics of dam break wave. Ocean Eng. 2018159, 358–371. [Google Scholar] [CrossRef]
  15. Robb., D.M.; Vasquez., J.A. Numerical simulation of dam break flows using depth averaged hydrodynamic and three dimensional CFD models. In Proceedings of the 22nd Canadian Hydrotechnical Conference, Ottawa, ON, Canada, 28–30 April 2015. [Google Scholar]
  16. Kocaman, S.; Evangelista, S.; Viccione, G.; Guzel, H. Experimental and Numerical analysis of 3D dam break waves in an enclosed domain with a single oriented obstacles. Environ. Sci. Proc. 20202, 35. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Issakhov, A.; Zhandaulet, Y.; Nogaeva, A. Numerical simulation of dambreak flow for various forms of the obstacle by VOF method. Int. J. Multiph. Flow 2018109, 191–206. [Google Scholar] [CrossRef]
  18. Mokarani, C.; Abadie, S. Conditions for peak pressure stability in VOF simulations of dam break flow impact. J. Fluids Struct. 201662, 86–103. [Google Scholar] [CrossRef]
  19. Liu, L.; Sun, J.; Lin, B.; Lu, L. Building performance in dam break flow—an experimental sudy. Urban Water J. 201815, 251–258. [Google Scholar] [CrossRef]
  20. Armanini, A.; Larcher, M.; Odorizzi, M. Dynamic impact of a debris flow front against a vertical wall. In Proceedings of the 5th international conference on debris-flow hazards mitigation: Mechanics, prediction and assessment, Padua, Italy, 14–17 June 2011. [Google Scholar] [CrossRef]
  21. Hubbard, M.E.; Garcia Navarro, P. Flux difference splitting and the balancing of source terms and flux gradients. J. Comput. Phys. 2000165, 89–125. [Google Scholar] [CrossRef]
  22. Roe, P.L. A basis for upwind differencing of the two-dimensional unsteady Euler equations. In Numerical Methods in Fluids Dynamics II; Oxford University Press: Oxford, UK, 1986. [Google Scholar]
  23. Bradford, S.F.; Sander, B. Finite volume model for shallow water flooding of arbitrary topography. J. Hydraul. Eng. (ASCE) 2002128, 289–298. [Google Scholar] [CrossRef]
  24. Brufau, P.; Garica-Navarro, P. Two dimensional dam break flow simulation. Int. J. Numer. Meth. Fluids 200033, 35–57. [Google Scholar] [CrossRef]
  25. Hien, L.T.T. 2D Numerical Modeling of Dam-Break Flows with Application to Case Studies in Vietnam. Ph.D. Thesis, Brescia University, Brescia, Italy, 2014. [Google Scholar]
  26. Hien, L.T.T.; Tomirotti, M. Numerical modeling of dam break flows over complex topography. Case studies in Vietnam. In Proceedings of the 19th IAHR-APD Congress 2014, Hanoi, Vietnam, 21–24 September 2014; ISBN 978-604-82-1383-1. [Google Scholar]
  27. Flow-3D, Version 12.0; User Mannual; Flow Science Inc.: Santa Fe, NM, USA, 2020.
  28. Guney, M.S.; Tayfur, G.; Bombar, G.; Elci, S. Distorted physical model to study sudden partial dam break flow in an urban area. J. Hydraul. Eng. 2014140, 05014006. [Google Scholar] [CrossRef]
  29. Shige-eda, M.; Akiyama, J. Discussion and Closure to “Numerical and experimental study on two dimensional flood flows with and without structures” by Mirei Shige-eda and Juichiro Akiyama. J. Hydraul. Eng. 2005131, 336–337. [Google Scholar] [CrossRef]
  30. Ritter, A. Die Fortpflanzung der Wasserwelle (Generation of the water wave). Z. Ver. Dtsch. Ing. 189236, 947–954. [Google Scholar]
Figure 1. Geometries and bed topography settings of the nine computational fluid dynamics (CFD) simulations with channel curvature (C) changed from 0.77 to 0

The Straightening of a River Meander Leads to Extensive Losses in Flow Complexity and Ecosystem Services

Abstract

하천 복원 노력을 지원하기 위해 우리는 하천 파괴 속도를 늦출 필요가 있습니다. 이 연구는 하천 곡률 보호를 위해 구불 구불 한 하천이 곧게 펴질 때 수리적 복잡성 손실에 대한 자세한 설명을 제공합니다.

전산 유체 역학 (CFD) 모델링을 사용하여 채널 곡률 (C)이 잘 확립된 사행 굽힘 (C = 0.77)에서 곡률이 없는 직선 채널 (C = 0)로 저하되는 9 개의 시뮬레이션에서 유동 역학의 차이를 문서화했습니다.

공변량을 제어하고 수리적 복잡성에 대한 손실률을 늦추기 위해 각 9 개 채널 구현은 동등한 베드 형태 지형을 가졌습니다. 분석된 수력학적 변수에는 흐름 표면 고도, 흐름 방향 및 횡단 단위 배출, 흐름 방향, 가로 방향 및 수직 방향의 유속, 베드 전단 응력, 흐름 함수 및 채널 베드에서의 수직 저 유량 유속 비율이 포함되었습니다.

수력 복잡성의 손실은 처음에 수로를 C = 0.77에서 C = 0.33 (즉, 수로의 반경이 수로 폭의 3 배임) 할 때 점차적으로 발생했으며, 추가 직선화는 수력 복잡성에 대한 급속한 손실을 초래했습니다.

다른 연구에서는 수리적 복잡성이 중요한 하천 서식지를 제공하고 생물 다양성과 양의 상관 관계가 있음을 보여주었습니다. 이 연구는 강을 풀 때 수력학적 복잡성이 점진적으로 사라졌다가 빠르게 사라지는 방법을 보여줍니다.

To assist river restoration efforts we need to slow the rate of river degradation. This study provides a detailed explanation of the hydraulic complexity loss when a meandering river is straightened in order to motivate the protection of river channel curvature. We used computational fluid dynamics (CFD) modeling to document the difference in flow dynamics in nine simulations with channel curvature (C) degrading from a well-established tight meander bend (C = 0.77) to a straight channel without curvature (C = 0). To control for covariates and slow the rate of loss to hydraulic complexity, each of the nine-channel realizations had equivalent bedform topography. The analyzed hydraulic variables included the flow surface elevation, streamwise and transverse unit discharge, flow velocity at streamwise, transverse, and vertical directions, bed shear stress, stream function, and the vertical hyporheic flux rates at the channel bed. The loss of hydraulic complexity occurred gradually when initially straightening the channel from C = 0.77 to C = 0.33 (i.e., the radius of the channel is three-times the channel width), and additional straightening incurred rapid losses to hydraulic complexity. Other studies have shown hydraulic complexity provides important riverine habitat and is positively correlated with biodiversity. This study demonstrates how hydraulic complexity can be gradually and then rapidly lost when unwinding a river, and hopefully will serve as a cautionary tale.

Figure 1. Geometries and bed topography settings of the nine computational fluid dynamics (CFD) simulations with channel curvature (C) changed from 0.77 to 0
Figure 1. Geometries and bed topography settings of the nine computational fluid dynamics (CFD) simulations with channel curvature (C) changed from 0.77 to 0
Figure 2. Flow surface elevation (h) normalized by H at C = 0.77, C = 0.33, and C = 0 conditions. n denotes the lateral coordination with n = 0 at channel center and B denotes the channel width.
Figure 2. Flow surface elevation (h) normalized by H at C = 0.77, C = 0.33, and C = 0 conditions. n denotes the lateral coordination with n = 0 at channel center and B denotes the channel width.
Figure 3. Normalized flow surface profiles for the nine simulations at the point bar apex 1.5 s/B. The insert plot shows the second order derivative of normalized flow surface elevation in the transverse direction, Fh00(n/B), which gives the convexity or concavity of the surface profile curves.
Figure 3. Normalized flow surface profiles for the nine simulations at the point bar apex 1.5 s/B. The insert plot shows the second order derivative of normalized flow surface elevation in the transverse direction, Fh00(n/B), which gives the convexity or concavity of the surface profile curves.
Figure 4. Streamwise unit discharge qs/UH for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 4. Streamwise unit discharge qs/UH for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 5. Transverse unit discharge qn/UH for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 5. Transverse unit discharge qn/UH for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.

Reference : https://www.mdpi.com/2073-4441/12/6/1680

Figure 6. Transverse unit discharge averaged over the transverse direction. The inset shows the R2 of transverse unit discharge < qn/UH > between each curvature, C, and the straight channel condition (C = 0, R2 = 1); a lower R2 suggests greater hydraulic complexity for transverse unit discharge.
Figure 6. Transverse unit discharge averaged over the transverse direction. The inset shows the R2 of transverse unit discharge < qn/UH > between each curvature, C, and the straight channel condition (C = 0, R2 = 1); a lower R2 suggests greater hydraulic complexity for transverse unit discharge.
Figure 7. Normalized depth averaged streamwise velocity <vs>/U for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 7. Normalized depth averaged streamwise velocity /U for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 8. The first moment of normalized depth averaged streamwise velocity <vs>/U, which represents center of gravity of the streamwise flow distribution, along the channel. The inset shows the R2 of the first moment of <vs>/U between each curvature and the straight channel condition (C = 0, R2 = 1); a lower R2 suggests greater hydraulic complexity for the first moment of depth averaged streamwise velocity.
Figure 8. The first moment of normalized depth averaged streamwise velocity /U, which represents center of gravity of the streamwise flow distribution, along the channel. The inset shows the R2 of the first moment of /U between each curvature and the straight channel condition (C = 0, R2 = 1); a lower R2 suggests greater hydraulic complexity for the first moment of depth averaged streamwise velocity.
Figure 9. Distribution of river channel bed shear Cf for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 9. Distribution of river channel bed shear Cf for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions.
Figure 10. Normalized vertical hyporheic flux vzbed/U at 2 mm below sediment surface for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions. Positive indicates upwelling of groundwater into the river channel.
Figure 10. Normalized vertical hyporheic flux vzbed/U at 2 mm below sediment surface for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions. Positive indicates upwelling of groundwater into the river channel.
Figure 11. Normalized vertical velocity <vz>/U for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions, with positive values upward flows, negative values downward flows.
Figure 11. Normalized vertical velocity /U for channel curvature C = 0.77, 0.33, and 0 conditions, with positive values upward flows, negative values downward flows.
Figure 12. Transverse stream function distribution ψ/UBH reveals the secondary circulation of transverse flow cells rotating at the meander apex 1.5 s/B for channel curvature C = 0.77 (A), C = 0.33 (B), and C = 0 (C), with positive values representing clockwise rotation direction when facing upstream, and negative values representing counter-clockwise rotation when facing upstream.
Figure 12. Transverse stream function distribution ψ/UBH reveals the secondary circulation of transverse flow cells rotating at the meander apex 1.5 s/B for channel curvature C = 0.77 (A), C = 0.33 (B), and C = 0 (C), with positive values representing clockwise rotation direction when facing upstream, and negative values representing counter-clockwise rotation when facing upstream.

References

  1. Paper 422-H); U.S. Government Printing Office: Washington, DC, USA, 1966.
  2. Leopold, L.B.; Wolman, M.G. River meanders. Bull. Geol. Soc. Am. 196071, 769–793. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Wohl, E. Rivers in the Landscape; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2020. [Google Scholar]
  4. Dietrich, W.E.; Smith, J.D. Influence of the point bar on flow through curved channels. Water Resour. Res. 198319, 1173–1192. [Google Scholar] [CrossRef]
  5. Harvey, J.W.; Bencala, K. The effects of streambed topography on surface-subsurface water exchange in mountains catchments. Water Resour. Res. 199329, 89–98. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Bridge, J.S. Rivers and Floodplains: Forms, Processes, and Sedimentary Record; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, USA, 2009. [Google Scholar]
  7. Schumm, S.A. Patterns of alluvial rivers. Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 198513, 5–27. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. Vermeulen, B.; Hoitink, A.J.F.; Labeur, R.J. Flow structure caused by a local cross-sectional area increase and curvature in a sharp river bend. J. Geophys. Res. Earth Surf. 2015120, 1771–1783. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Konsoer, K.M.; Rhoads, B.L.; Best, J.L.; Langendoen, E.J.; Abad, J.D.; Parsons, D.R.; Garcia, M.H. Three-dimensional flow structure and bed morphology in large elongate meander loops with different outer bank roughness characteristics. Water Resour. Res. 201652, 9621–9641. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Li, B.D.; Zhang, X.H.; Tang, H.S.; Tsubaki, R. Influence of deflection angles on flow behaviours in openchannel bends. J. Mt. Sci. 201815, 2292–2306. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. Gualtieri, C.; Abdi, R.; Ianniruberto, M.; Filizola, N.; Endreny, T.A. A 3D analysis of spatial habitat metrics about the confluence of Negro and Solimões rivers, Brazil. Ecohydrology 202013, e2166. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Gualtieri, C.; Ianniruberto, M.; Filizola, N.; Santos, R.; Endreny, T. Hydraulic complexity at a large river confluence in the Amazon basin. Ecohydrology 201710, e1863. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Kozarek, J.; Hession, W.; Dolloff, C.; Diplas, P. Hydraulic complexity metrics for evaluating in-stream brook trout habitat. J. Hydraul. Eng. 2010136, 1067–1076. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. McCoy, E.D.; Bell, S.S.; Mushinsky, H.R. Habitat structure: Synthesis and perspectives. In Habitat Structure; Springer: Berlin, Germany, 1991; pp. 427–430. [Google Scholar]
  15. Re-Engineering Britain’s Rivers. The Economist. 6 March 2020. Available online: https://www.latestnigeriannews.com/news/8279579/reengineering-britains-rivers.html (accessed on 12 April 2020).
  16. Palmer, M.A.; Bernhardt, E.; Allan, J.; Lake, P.S.; Alexander, G.; Brooks, S.; Carr, J.; Clayton, S.; Dahm, C.; Follstad Shah, J.; et al. Standards for ecologically successful river restoration. J. Appl. Ecol. 200542, 208–217. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Abad, J.D.; Rhoads, B.L.; Güneralp, İ.; García, M.H. Flow structure at different stages in a meander-bend with bendway weirs. J. Hydraul. Eng. 2008134, 1052–1063. [Google Scholar] [CrossRef]
  18. Blanckaert, K.; Schnauder, I.; Sukhodolov, A.; van Balen, W.; Uijttewaal, W. Meandering: Field Experiments, Laboratory Experiments and Numerical Modeling. Technical Report. 2009. Available online: https://infoscience.epfl.ch/record/146621/files/2009-695-Blanckaert_et_al-Meandering_field_experiments_laboratory_experiments_and_numerical.pdf (accessed on 12 April 2020).
  19. Constantinescu, G.; Koken, M.; Zeng, J. The structure of turbulent flow in an open channel bend of strong curvature with deformed bed: Insight provided by detached eddy simulation. Water Resour. Res. 201147. [Google Scholar] [CrossRef]
  20. Sawyer, A.H.; Bayani Cardenas, M.; Buttles, J. Hyporheic exchange due to channel-spanning logs. Water Resour. Res. 201147. [Google Scholar] [CrossRef]
  21. Zhou, T.; Endreny, T. Meander hydrodynamics initiated by river restoration deflectors. Hydrol. Process. 201226, 3378–3392. [Google Scholar] [CrossRef]
  22. 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]
  23. Van Balen, W.; Uijttewaal, W.; Blanckaert, K. Large-eddy simulation of a curved open-channel flow over topography. Phys. Fluids 201022, 075108. [Google Scholar] [CrossRef]
  24. Blanckaert, K. Topographic steering, flow recirculation, velocity redistribution, and bed topography in sharp meander bends. Water Resour. Res. 201046. [Google Scholar] [CrossRef]
  25. Zeng, J.; Constantinescu, G.; Blanckaert, K.; Weber, L. Flow and bathymetry in sharp open-channel bends: Experiments and predictions. Water Resour. Res. 200844. [Google Scholar] [CrossRef]
  26. Elliott, A.H.; Brooks, N.H. Transfer of nonsorbing solutes to a streambed with bed forms: Laboratory experiments. Water Resour. Res. 199733, 137–151. [Google Scholar] [CrossRef]
  27. Zhou, T.; Endreny, T.A. Reshaping of the hyporheic zone beneath river restoration structures: Flume and hydrodynamic experiments. Water Resour. Res. 201349, 5009–5020. [Google Scholar] [CrossRef]
  28. Lane, S.; Bradbrook, K.; Richards, K.; Biron, P.; Roy, A. The application of computational fluid dynamics to natural river channels: Three-dimensional versus two-dimensional approaches. Geomorphology 199929, 1–20. [Google Scholar] [CrossRef]
  29. Vardy, A. Fluid Principles; McGraw-Hill International Series in Civil Engineering; McGraw-Hill: London, UK, 1990. [Google Scholar]
  30. Rozovskii, I.L. Flow of Water in Bends of Open Channels; Academy of Sciences of the Ukrainian SSR: Kiev, Ukraine, 1957. [Google Scholar]
  31. Blanckaert, K.; De Vriend, H.J. Secondary flow in sharp open-channel bends. J. Fluid Mech. 2004498, 353–380. [Google Scholar] [CrossRef]
  32. Johannesson, H.; Parker, G. Linear theory of river meanders. River Meand. 198912, 181–213. [Google Scholar] [CrossRef]
  33. Camporeale, C.; Perona, P.; Porporato, A.; Ridolfi, L. Hierarchy of models for meandering rivers and related morphodynamic processes. Rev. Geophys. 200745. [Google Scholar] [CrossRef]
  34. He, L. Distribution of primary and secondary currents in sine-generated bends. Water SA 201844, 118–129. [Google Scholar] [CrossRef]
  35. Liao, J.C.; Beal, D.N.; Lauder, G.V.; Triantafyllou, M.S. Fish exploiting vortices decrease muscle activity. Science 2003302, 1566–1569. [Google Scholar] [CrossRef]
  36. Crispell, J.K.; Endreny, T.A. Hyporheic exchange flow around constructed in-channel structures and implications for restoration design. Hydrol. Process. 20091168, 1158–1168. [Google Scholar] [CrossRef]
  37. Hester, E.T.; Gooseff, M.N. Moving Beyond the Banks: Hyporheic Restoration Is Fundamental to Restoring Ecological Services and Functions of Streams. Environ. Sci. Technol. 201044, 1521–1525. [Google Scholar] [CrossRef]
Figure 12 Experimental set-up of particle image velocimetry (PIV) system.

A comparison study between CFD analysis and PIV technique for velocity distribution over the Standard Ogee crested spillways

Rizgar Ahmed Karim 1Jowhar Rasheed Mohammed 2Affiliations expand

Free PMC article

Abstract

실험 및 수치 모델을 사용하여 표준 Ogee-crested 여수로에서 유속, 평균 속도, 수직 속도 분포 및 최대 속도 dm이 발생하는 위치를 비교하기 위해 포괄적인 연구가 수행되었습니다. 미국 육군 공병대 (USACE)의 사양에 따라 rigid foam으로 5 가지 다른 모델이 제작되었습니다.

유동의 속도는 0.50, 1.00 및 1.33의 다른 비 차원 수두 비 H/Hd를 갖는 모든 모델에 대해 모델의 하류 곡선을 따라 기록되었습니다. 입자 이미지 유속계 (PIV)를 사용하여 유속을 측정했습니다. 속도 분포는 Matlab 코드를 사용하여 캡처된 일련의 이미지를 분석하여 얻었습니다.

시판되는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어 패키지인 Flow-3D가 실험 모델 설정을 모델링하는데 사용되었습니다. Flow-3D는 레이놀즈 평균 Navier-Stokes 방정식을 분석하고 배수로 흐름 분석 분야에서 사용하기 위해 널리 검증되었습니다.

수치와 실험의 최대 차이는 수두비의 모든 값에 대해 6.2 %를 초과하지 않는 평균 속도 값을 나타냅니다. PIV 기법에 의해 기록 된 최대 속도의 보간된 값은 수치적으로 계산 된 값보다 작습니다.

낮은 d m 위치에서 이 지역 간의 백분율 차이는 -8.65 %에 이릅니다. 상위 위치는 2.87 %입니다. 수직 위치 (d m)는 상류 수두가 증가하면 아래쪽 위치로 떨어지고 배수로 축으로부터의 거리가 선형으로 감소합니다.

A comprehensive study was performed to compare flow rate, mean velocity, vertical velocity distribution, and locations where the maximum velocity, d m , occurs on standard Ogee-crested spillways using experimental and numerical models. Five different models were constructed from rigid foam according to the specifications of the United States Army Corps of Engineers (USACE). The velocity of the flow was recorded along the downstream curve of the model for all models with different non-dimensional head ratios H/H d of 0.50, 1.00, and 1.33. Particle Image Velocimetry (PIV) was used to measure the flow velocities. Velocity distributions were obtained by analyzing a series of captured images using Matlab codes. A commercially available Computational Fluid Dynamics (CFD) software package, Flow-3D, was used for modelling the experimental model setups. Flow-3D analyzes the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and is widely verified for use in the field of spillway flow analysis. The maximum difference between numerical and experimental results in mean velocity values that do not exceed 6.2% for all values of head ratios. The interpolated values of recorded maximum velocity by the PIV technique are smaller than those values numerically computed. In the lower d m locations, the percent difference between these regions reaches -8.65%; the upper locations are 2.87%. The vertical location (d m ) drops to the lower location when the upstream head increases, and the distance from the spillway axis decreases linearly.

Keywords: Applied fluid mechanics; Civil engineering; Computational fluid dynamics; Finite element methods; Hydraulics; Hydrodynamics; Ogee-crested spillway; Particle image velocimetry; Physical model; Velocity distribution.

Figure 1 Dimensions of standard ogee-crested spillway, (a) dimensions and flow parameters, and (b) detail of upstream quadrant.
Figure 1 Dimensions of standard ogee-crested spillway, (a) dimensions and flow parameters, and (b) detail of upstream quadrant.
Figure 2 Side view of the experimental model.
Figure 2 Side view of the experimental model.
Figure 3 Laboratory setup.
Figure 3 Laboratory setup.
Figure 4 Discharge Coefficients of Experimental and Numerical results plotted together with USACE-WES Published Data, (a) for model No. 1, (b) for model No. 3.
Figure 4 Discharge Coefficients of Experimental and Numerical results plotted together with USACE-WES Published Data, (a) for model No. 1, (b) for model No. 3.
Figure 5 Rating curves of theoretical discharge and flowmeter reading.
Figure 5 Rating curves of theoretical discharge and flowmeter reading.
Figure 6 Mesh geometry.
Figure 6 Mesh geometry.
Figure 7 Numerical model geometry.
Figure 7 Numerical model geometry.
Figure 8 Mesh geometry.
Figure 8 Mesh geometry.
Figure 9 Boundary conditions of the Modeling.
Figure 9 Boundary conditions of the Modeling.
Figure 10 Normalized discharge comparison.
Figure 10 Normalized discharge comparison.
Figure 11 Relative percent difference in discharge.
Figure 11 Relative percent difference in discharge.
Figure 12 Experimental set-up of particle image velocimetry (PIV) system.
Figure 12 Experimental set-up of particle image velocimetry (PIV) system.
Figure 13 (a) Spillway Model setup, (b) Raw Image, and (c) Post-processed Image.
Figure 13 (a) Spillway Model setup, (b) Raw Image, and (c) Post-processed Image.
Figure 14 Cross-correlation algorithm.
Figure 14 Cross-correlation algorithm.
Figure 15 Velocity field and streamlines measured by PIV and simulated with CFD for flow over ogee spillway, (a) model no. 1 and (b) model no. 3.
Figure 15 Velocity field and streamlines measured by PIV and simulated with CFD for flow over ogee spillway, (a) model no. 1 and (b) model no. 3.
Figure 16 Comparison of head-mean velocity of experimental and numerical analysis for all models.
Figure 16 Comparison of head-mean velocity of experimental and numerical analysis for all models.
Figure 17 Sketch of velocity profile and its position for model no. 1.
Figure 17 Sketch of velocity profile and its position for model no. 1.
Figure 18 Vertical Distribution of Velocity for Different Runs of model No. 1.
Figure 18 Vertical Distribution of Velocity for Different Runs of model No. 1.
Figure 19 Vertical location of maximum velocity.
Figure 19 Vertical location of maximum velocity.

Conclusions

이 연구는 최대 속도를위한 수직 위치를 선택하는 동시에 설계 헤드보다 높은 수두에 대해 제어 된 환경에서 Ogee 볏이있는 배수로의 흐름을 더 잘 이해하는 데 기여하기 위해 수행되었습니다. 여기에서 5 개의 실험 모델이 USACE-WES 표준 여수로 모양에 따라 설계 및 제작되었으며 실험실 수로에서 테스트되었습니다. PIV 카메라는 유속을 측정하는 데 사용되었으며 CFD 소프트웨어는 실험 설정을 모델링하는 데 사용되었습니다.

수치 결과는 실험과 잘 일치했습니다. 등급 곡선 결과는 수치 값과 PIV 값의 최대 차이가 평균 속도 값이 모든 수 두비 값에 대해 5.59 %를 초과하지 않음을 나타냅니다. 정규화 된 WES 공개 데이터와 실험 결과 간의 최대 차이는 -7.54 %였습니다.

PIV 카메라로 기록 된 평균 속도는 CFD 모델에서 수치 적으로 분석되었으며, 비교 결과는 수치 데이터와 실험 데이터가 잘 일치 함을 보여줍니다. 최대 차이는 모든 헤드 비율에 대해 6.54 %를 초과하지 않습니다.

속도 비 (v / vmax.)의 실험적 보간 데이터는 dm 이하의 위치에서 수치 적으로 계산 된 데이터보다 작지만 반대로 dm보다 높은 위치에 있습니다. 이 현상은 수치 모델링에서 표면 거칠기를 고려하지 않았기 때문에 발생합니다. 방수로 모델의 표면은 매끄러운 표면으로 가정되었습니다. 최대 속도가 발생하는 수직 위치는 상류 수두가 증가함에 따라 낮은 위치에 있습니다. 위치는 방수로 축으로부터의 거리에 따라 거의 선형 적으로 증가합니다.

필요한 메시 미세 조정 및 구성은 원하는 데이터 유형에 따라 다릅니다. 일반적으로 속도 프로파일을 모델링하는 데는 0.33cm 메쉬로 충분했으며 더 작은 그리드 크기도 평가했지만 변경 사항은 없습니다.

실험적 모델링과 수치 적 모델링의 비교와 관련하여 실험적 모델링이 여전히 더 확립되어 있음이 분명합니다. CFD 모델은 실험 모델보다 속도와 난류에 대해 더 자세한 정보를 제공 할 수 있지만 경우에 따라 더 경제적 일 수 있습니다.

References

  • Adrian R.J. Particle-imaging techniques for experimental fluid mechanics. Annu. Rev. Fluid Mech. 1991;23(1):261–304. [Google Scholar]
  • Adrian L., Adrian R.J., Westrweel J. Cambridge University Press; 2011. Particle Image Velocimetry. [Google Scholar]
  • Chanel P.G. University of Manitoba; Winnipeg, Manitoba, Canada: 2009. An Evaluation of Computational Fluid Dynamics for Spillway Modeling.http://hdl.handle.net/1993/3112 M.Sc. Thesis. [Google Scholar]
  • Engineers U.A. C.o. Waterways Experiment Station Vicksburg, Miss. 1952. Corps of Engineers hydraulic design criteria. [Google Scholar]
  • Fujita I. Large-scale particle image velocimetery for flow analysis in hydraulic engineering applications. J. Hydraul. Res. 1998;36(3):397–414. [Google Scholar]
  • Ho D.K. Taylor and Francis group; London, UK: 2006. Application of Numerical Modelling to Spillways in Australia; pp. 951–959. [Google Scholar]
  • Kanyabujinja P.N. Stellenbosch university; Stellenbosch, South Africa: 2015. CFD Modelling of Ogee Spillway Hydraulics and Comparison with Experimental Mosel Tests.http://hdl.handle.net/10019.1/96787 M.Sc. thesis. [Google Scholar]
  • Khatsuria R.M. CRC Press; 2004. Hydraulics of Spillways and Energy Dissipators. [Google Scholar]
  • Kim D.G., Park J.H. Analysis of flow structure over ogee-spillway in considration of scale and roughness effects by using CFD model. KSCE J. Civil Eng. 2005;9(2):161–169. [Google Scholar]
  • Kuok K.k., Chiu P.C. Application of particle image velocimetry (PIV) for measuring water velocity in laboratory sedimentation tank” IRA Int. J. Technol. Eng. 2017;9(3):16–26. [Google Scholar]
  • Maynord S.T. Technical Report HL-85-1, US Army Engineering Waterways Experiment Station, Vicksburg, Mississippi. 1985. General spillway investigation: hydraulic model investigation.https://apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a156686.pdf [Google Scholar]
  • Peltier Y. 2nd International Workshop on Hydraulic Structure. Coimbra; Portugal: 2015. Pressure and velocity on an ogee spillway crest operating at high head ratio: experimental measurements and validation; pp. 128–136. [Google Scholar]
  • Peltier Y., Dewals B., Archambeau P., Pirotton M., Erpicum S. Pressure and velocity on an ogee spillway crest operating at high head ratio: experimental measurements and validation. J. Hydro-Environ. Res. 2018;19:128–136. [Google Scholar]
  • Savage B.M., Johnson M.C. Flow over ogee spillway:experimental and numerical model case study” J. Hydraul. Eng. 2001;127(8):640–649. [Google Scholar]
  • Sveen J.K., Cowen E.A. Advances in Coastal and Ocean/Engineering PIV and Water Waves. Would Scientific; 2004. Quantitative imaging techniques and their application to wavy flows, in PIV and water waves” pp. 1–49. [Google Scholar]
  • U.S. Bureau of Reclamation . Water Resources Technical Publication, U.S. Department of the Interior, Bureau of Reclamation; 1987. Design of Small Dams. [Google Scholar]
  • Willey J., Ewing T., Wark B., Lesleighter E. Commission International Des Grands Barrages,Kyoto. 2012. Complementary use of experimental and numerical modelling techniques in spillway design refinement; pp. 1–22.https://books.google.com_books_about_An_Introduction_to_Computati [Google Scholar]
Figure 1. Experimental flume used (a) Side view of the flume; (b) Pool detail.

Modelling of Pool-Type Fishways Flows: Efficiency and Scale Effects Assessment

by Ana L. Quaresma *OrcID andAntónio N. PinheiroOrcID
CERIS—Civil Engineering for Research and Innovation for Sustainability, Instituto Superior Técnico (IST), Universidade de Lisboa, 1049-001 Lisboa, Portugal*
Author to whom correspondence should be addressed.
Academic Editor: Bommanna Krishnappan
Water 2021, 13(6), 851; https://doi.org/10.3390/w13060851
Received: 16 January 2021 / Revised: 8 March 2021 / Accepted: 18 March 2021 / Published: 20 March 2021
(This article belongs to the Special Issue Ecohydraulics of Pool-Type Fishways)

Abstract

이 연구에서는 전산 유체 역학 (CFD) 소프트웨어 (FLOW-3D®)를 사용하여 바닥 오리피스가 있는 풀형 어로에서 흐름의 3D 수치 모델링을 수행했습니다. 수치 결과는 음향 도플러 속도계 (ADV) 및 입자 이미지 속도계 (PIV) 측정에서 얻은 실험 데이터와 비교되었습니다.

흐름 깊이, 흐름 패턴, 수속, 난류 운동 에너지, Reynolds 수직 응력 및 바닥 구성 요소에 평행한 Reynolds 전단 응력과 같이 어로 효율에 영향을 미치는 여러 유체 역학적 변수를 정성 및 정량적으로 비교했습니다.

수치 모델은 복잡한 유동장을 정확하게 재현하여 수치 모델 예측과 분석 된 변수에 대한 실험 데이터 사이에 전반적으로 좋은 일치를 보여줍니다. 분석중인 모든 매개 변수에 대한 수치 모델 검증 수행의 중요성이 강조되었습니다.

또한 프로토 타입 어로의 업 스케일 된 수치 모델을 실행하여 스케일링 효과를 분석했습니다. 스케일 효과의 증거없이 실제 모델과 프로토 타입 치수 모두에 대해 유사한 정확도로 모델을 수행했습니다.

현재 연구는 CFD 모델 (즉, FLOW-3D®)이 새로운 수영장 유형 어로 형상을 위한 적절하고 효율적인 설계 및 분석 도구로 사용될 수 있으며 물리적 모델 테스트를 줄이고 보완 할 수 있다고 결론지었습니다.

In this study, the 3D numerical modelling of flow in a pool-type fishway with bottom orifices was performed using computational fluid dynamics (CFD) software (FLOW-3D®). Numerical results were compared with experimental data obtained from acoustic Doppler velocimetry (ADV) and particle image velocimetry (PIV) measurements. Several hydrodynamic variables that influence fishways efficiencies, such as flow depths, flow patterns, water velocity, turbulent kinetic energy, Reynolds normal stresses, and Reynolds shear stress parallel to the bottom component, were qualitatively and quantitatively compared. The numerical model accurately reproduced the complex flow field, showing an overall good agreement between the numerical model predictions and the experimental data for the analysed variables. The importance of performing a numerical model validation for all the parameters under analyses was highlighted. Additionally, scaling effects were analysed by running an upscaled numerical model of the prototype fishway. The model performed with similar accuracy for both physical model and prototype dimensions with no evidence of scale effects. The present study concludes that CFD models (namely FLOW-3D®) may be used as an adequate and efficient design and analysis tool for new pool-type fishways geometries, reducing and complementing physical model testing.Keywords: pool-type fishways3D numerical modellingLESscale effectsflow patternsCFD model assessment

Introduction

강의 종단 연결성을 복원하는 것은 담수 생태계의 회복에있어 여전히 중요한 문제입니다 [1,2]. 잘 설계되고 건설된 경우 어로는 물고기가 댐과 둑을 지나 계속 이동할 수 있는 경로를 제공합니다.

물고기 통과 효율성에 대한 검토에서 Noonan et al. [3]은 기존의 많은 어로의 설계 특성이 어종의 요구를 적절하게 충족시키지 못했지만, 풀형 어로가 모든 어류 그룹에 대해 가장 높은 효율성을 보여 주었다는 것을 발견했습니다.
여러 어종에 적합한 수영 조건을 제공하는 것은 어항의 흐름과 난류 패턴이 성공에 중요한 역할을 하기 때문에 다소 어려운 일입니다 [2,4,5,6,7,8,9,10,11,12].

물리적 모델링은 풀형 유형 어로의 유체 역학을 연구하기 위한 주요 접근 방식이었습니다 (예 : [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22]). 그러나 물리적 실험은 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 따라서 컴퓨터 기술의 발전으로 인해 물리적 모델 테스트를 줄이기 위해 복잡한 기하학적 구조를 가진 유압 구조의 흐름 패턴을 분석하는 데 전산 유체 역학 (CFD) 3 차원 (3D) 모델이 점점 더 많이 사용되고 있습니다 [23,24].

따라서 이러한 모델은 어로 유체 역학 연구 및 효율적인 어로 설계에 필수적인 역할을 할 수 있습니다.
어로에 대한 수치 모델링 연구는 주로 수직 슬롯 어로에 초점을 맞추고 있습니다 [12,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37]. 수영장의 주요 부분에서 수직 슬롯 어로 흐름은 거의 2 차원 (2D)이고 수직 속도 구성 요소가 수평 요소 [26]보다 훨씬 작기 때문에 이러한 연구의 대부분은 2D 모델을 사용했습니다.

바닥 오리피스가있는 수영장 유형 어로에서는 흐름이 매우 복잡하고 3D이므로 정확한 유동장 특성화를 얻기 위해 3D 모델을 사용해야합니다. 이 어로 구성을 모델링하는 것은 높은 속도 구배, 높은 와도 및 높은 전단 영역을 포함하기 때문에 다소 어렵습니다.

이 연구에서는 FLOW-3D® (Flow Science, Inc., Santa Fe, NM, USA)를 사용하여 바닥 오리피스가 있는 수영장 유형 어로의 3D 수치 시뮬레이션을 수행하여 흐름 깊이, 속도 및 난류 패턴을 예측하는 능력을 평가했습니다. .

최근 몇 년 동안 실내에 가까운 프로토 타입 수영장 형 어로가 사이프 린드 종의 행동과 움직임을 연구하는데 사용되었습니다 [1,7,8,11,38,39,40,41,42,43]. Silva et al. [38]은 노치, 급락 및 스트리밍에 대한 두 가지 다른 유동 체제와 관련하여 조정 가능한 치수를 가진 침수된 오리피스와 표면 노치의 동시 존재에 대한 Iberian barbel Luciobarbus bocagei (Steindachner, 1864)의 반응을 평가했습니다.

이 연구의 결과는 이베리아 바벨이 어로를 협상하기 위해 오리피스 (76 %)를 선호했으며 어로에 들어가는 데 걸리는 시간도 오리피스에 비해 훨씬 적다는 것을 보여주었습니다.

Silva et al. [39] 오프셋 및 직선 오리피스가있는 수영장 유형 어로의 이베리아 바벨에 대한 적합성을 테스트했습니다. 이 연구는 오프셋 구성이 직선 오리피스 레이아웃 (28 %)에 비해 물고기 통과 성공률 (68 %)이 훨씬 더 높음을 발견했습니다. 어로를 성공적으로 협상하는 데 걸리는 시간도 오프셋 구성, 특히 작은 성인의 경우 훨씬 더 낮았습니다.

이 연구에서는 유속과 난류 매개 변수가 물고기 수영 성능에 미치는 영향을 분석했습니다. 수영장의 유동장을 특성화하기 위해 음향 도플러 속도계가 사용되었습니다.

이 연구의 결과에 따르면 레이놀즈 전단 응력은 어로 내 이베리아 미늘의 움직임에 가장 큰 영향을 미치는 매개 변수임이 입증되었습니다. Branco et al. [40] 두 가지 다른 흐름을 가진 오리피스와 노치가 있는 풀형 유형 어로에서 형태 학적 및 생태학적 특성이 다른 두 종, 바닥 지향 이베리아 바벨 Luciobarbus bocagei 및 물기둥 수영 자 Iberian chub Squalius pyrenaicus의 거동과 성능을 평가했습니다.

풀의 유체 역학을 특성화하기 위해 음향 도플러 속도계가 사용되었습니다. 결과는 두 종 모두 흐름 흐름이있는 노치를 선호했으며 이 흐름 체제로 상류로 이동하는데 더 성공적이었습니다.
이 연구에서는 이 시설의 1 : 2.5 스케일 어로 모델을 사용하여 Silva et al.에 의해 테스트된 바닥 오리피스 구성이 있는 풀형 유형 어로의 속도와 난류를 측정했습니다.

[7,38] 효과가 입증된 바벨 사용. 2D 입자 이미지 속도계 (PIV) 시스템 및 음향 도플러 속도계 (ADV)를 사용하여 순간 속도의 광범위한 측정을 수행하고, 후 처리하고, 수치 모델 정확도를 평가하는 데 사용했습니다.

Haque et al. [44] 대부분의 경우 수치 모델의 검증에 사용할 수있는 실험 데이터 세트에 높은 측정 오류가 있고 / 또는 측정 메시가 너무 거칠어 서 이들의 예측 기능을 올바르게 평가할 수없는 문제를 언급했습니다.

모델. Blocken과 Gualtieri [23]는 검증 및 검증 연구가 필수적이며 CFD 연구를 검증하기위한 데이터를 제공하기 위해 고품질 실험이 필요하다고 언급합니다.

Fuentes-Pérez et al. [35]는 특히 난류 메트릭에 대한 어로 연구에서 수치 모델 검증 데이터를 찾는 데 어려움을 언급합니다. 두 가지 측정 기술을 사용하고 상당한 양의 실험 데이터를 얻었기 때문에 이 연구에서는 이러한 문제를 극복했습니다.

물리적 모델은 종종 Froude 수 유사성을 기반으로하며, 두 유사성 법칙을 모두 충족하는 데 어려움이있어 무시되는 레이놀즈 수 유사성입니다. 프로토 타입 레이놀즈 수가 일반적으로 훨씬 더 크기 때문에 레이놀즈 수 관련 스케일 효과가 도입될 수 있습니다.

레이놀즈 수 증가는 속도 분포와 경계층 속성에 영향을 미칠 수 있습니다 [45]. 척도 효과를 평가하기 위해 수치 시뮬레이션을 사용할 수 있습니다 [46,47]. 따라서 본 연구에서는 바닥 오리피스 흐름이있는 풀형어도에 대한 스케일 효과를 분석하기 위해 두 가지 크기의 수치 모델을 개발했습니다.

프로토 타입 치수의 대형 모델과 물리적 모델 치수의 스케일 된 소형 모델입니다. .
바닥 오리피스가있는 수영장 형 어로의 유동장은 수직 슬롯 어로 (VSF)의 유동장보다 매우 3 차원 적이며 훨씬 더 복잡합니다. 이는 어로 수치 모델 검증에 대한 이전 연구에서 더 자주 고려 된 설계입니다 [26, 27,28,29,35].

저자가 아는 한, 이것은 바닥 오리피스가있는 풀형 어로에 대한 최초의 CFD 연구이며, 여기에는 실험 속도 데이터와 풀형 어로에 대한 3 차원 수치 모델링 결과 간의 가장 광범위한 비교도 포함됩니다. 두 가지 다른 측정 기술 (PIV 및 ADV)이 사용되어 자세한 비교가 가능하고 이러한 유형의 유동장에 대한 CFD 시뮬레이션 결과에 대한 확신을 제공합니다.

이 연구는 다른 어로 유형의 이전 수치 모델 연구에서 제시되지 않았던 난류 매개 변수를 포함하여 수치 모델 결과와 측정 간의 일치에 대한 통계적 테스트를 통해 정성적 비교 뿐만 아니라 상세한 정량적 비교도 제공합니다. 스케일 효과도 다룹니다.

따라서 이 연구는 전 세계적으로 가장 많이 사용되는 풀 유형 어로의 CFD 모델 검증을 원활하게 할 것이며 [10] 설계자들의 사용을 장려 할 것입니다.
또한 새로운 풀 유형 어로 형상을 위한 설계 도구로 CFD 모델 (즉, FLOW 3D®)을 사용하는 방법에 대해 설명합니다.

Figure 1. Experimental flume used (a) Side view of the flume; (b) Pool detail.
Figure 1. Experimental flume used (a) Side view of the flume; (b) Pool detail.
Figure 2. Three dimensional representations of a pool showing the measurement planes and the acoustic Doppler velocimetry (ADV) measurement grid (a) measurement planes parallel to the flume bottom; (b) vertical measurement planes (ADV measurement grid is only shown in one plane).
Figure 2. Three dimensional representations of a pool showing the measurement planes and the acoustic Doppler velocimetry (ADV) measurement grid (a) measurement planes parallel to the flume bottom; (b) vertical measurement planes (ADV measurement grid is only shown in one plane).
Figure 3. Computational domain, showing Pool 3 mesh block.
Figure 3. Computational domain, showing Pool 3 mesh block.
Figure 4. Streamlines of time-averaged velocities (left: PIV; right: mesh Amodel): (a,b) plane 2 (z = 0.088 m); (c,d) plane 5 (y = 0.20 m).
Figure 4. Streamlines of time-averaged velocities (left: PIV; right: mesh Amodel): (a,b) plane 2 (z = 0.088 m); (c,d) plane 5 (y = 0.20 m).
Figure 5. Longitudinal variation of velocity components: (a,c,e) planes 1 and 6 intersection (y = 0.36 m and z = 0.04 m); (b,d,f) planes 2 and 5 intersection (y = 0.20 m and z = 0.088 m).
Figure 5. Longitudinal variation of velocity components: (a,c,e) planes 1 and 6 intersection (y = 0.36 m and z = 0.04 m); (b,d,f) planes 2 and 5 intersection (y = 0.20 m and z = 0.088 m).
Figure 6. Longitudinal variation of Reynolds normal stress components and Reynolds shear stress parallel to the bottom component: (a,c,e,g) planes 1 and 6 intersection (y = 0.36 m and z = 0.04m); (b,d,f,h) planes 2 and 5 intersection (y = 0.20 m and z = 0.088 m).
Figure 6. Longitudinal variation of Reynolds normal stress components and Reynolds shear stress parallel to the bottom component: (a,c,e,g) planes 1 and 6 intersection (y = 0.36 m and z = 0.04m); (b,d,f,h) planes 2 and 5 intersection (y = 0.20 m and z = 0.088 m).

References

  1. Santos, J.M.; Branco, P.J.; Silva, A.T.; Katopodis, C.; Pinheiro, A.N.; Viseu, T.; Ferreira, M.T. Effect of two flow regimes on the upstream movements of the Iberian barbel (Luciobarbus bocagei) in an experimental pool-type fishway. J. Appl. Ichthyol. 2012, 29, 425–430. [CrossRef]
  2. Williams, J.G.; Armstrong, G.; Katopodis, C.; Larinier, M.; Travade, F. Thinking like a fish: A key ingredient for development of
    effective fish passage facilities at river obstructions. River Res. Appl. 2012, 28, 407–417. [CrossRef]
  3. Noonan, M.J.; Grand, J.W.A.; Jackson, C.D. A quantitative assessment of fish passage efficiency. Fish Fish. 2012, 13, 450–464. [CrossRef]
  4. Haro, A.; Kynard, B. Video Evaluation of Passage Efficiency of American Shad and Sea Lamprey in a Modified Ice Harbor Fishway. N. Am. J. Fish. Manag. 1997, 17, 981–987. [CrossRef]
  5. Odeh, M.; Noreika, J.F.; Haro, A.; Maynard, A.; Castro-Santos, T. Evaluation of the Effects of Turbulence on the Behavior of Migratory Fish; Contract no. 00000022, Project no. 200005700 (BPA Report DOE/BP-00000022-1); Report to the Bonneville Power
    Administration: Portland, Oregon, 2002.
  6. Enders, E.C.; Boisclair, D.; Roy, A.G. The effect of turbulence on the cost of swimming for juveniles of Atlantic Salmon (Salmo salar). Can. J. Fish. Aquat. Sci. 2003, 60, 1149–1160. [CrossRef]
  7. Silva, A.T.; Santos, J.M.; Ferreira, M.T.; Pinheiro, A.N.; Katopodis, C. Effects of water velocity and turbulence on the behaviour of Iberian barbel (Luciobarbus bocagei, Steindachner, 1864) in an experimental pool-type fishway. River Res. Appl. 2011, 27, 360–373. [CrossRef]
  8. Silva, A.T.; Katopodis, C.; Santos, J.M.; Ferreira, M.T.; Pinheiro, A.N. Cyprinid swimming behaviour in response to turbulent flow. Ecol. Eng. 2012, 44, 314–328. [CrossRef]
  9. Lacey, R.W.J.; Neary, V.S.; Liao, J.C.; Enders, E.C.; Tritico, H.M. The IPOS framework: Linking fish swimming performance in altered flows from laboratory experiments to rivers. River Res. Appl. 2012, 28, 429–443. [CrossRef]
  10. Santos, J.M.; Silva, A.T.; Katopodis, C.; Pinheiro, P.J.; Pinheiro, A.N.; Bochechas, J.; Ferreira, M.T. Ecohydraulics of pool-type fishways: Getting past the barriers. Ecol. Eng. 2012, 48, 38–50. [CrossRef]
  11. Branco, P.J.; Santos, J.M.; Katopodis, C.; Pinheiro, A.N.; Ferreira, M.T. Effect of flow regime hydraulics on passage performance of Iberian chub (Squalius pyrenaicus) (Günther, 1868) in an experimental pool-and-weir fishway. Hydrobiologia 2013, 714,
    145–154. [CrossRef]
  12. Gao, Z.; Andersson, H.I.; Dai, H.; Jiang, F.; Zhao, L. A new Eulerian-Lagrangian agent method to model fish paths in a vertical slot fishways. Ecol. Eng. 2016, 88, 217–225. [CrossRef]
  13. Rajaratnam, N.; Katopodis, C.; Mainali, M. Pool-orifice and pool-orifice-weir fishways. Can. J. Civ. Eng. 1989, 16, 774–777. [CrossRef]
  14. Wu, S.; Rajaratnam, N.; Katopodis, C. Structure of flow in vertical slot fishway. J. Hydraul. Eng. 1999, 125, 351–360. [CrossRef]
  15. Kim, J.H. Hydraulic characteristics by weir type in a pool-weir fishway. Ecol. Eng. 2001, 16, 425–433. [CrossRef]
  16. Ead, S.A.; Katopodis, C.; Sikora, G.J.; Rajaratnam, N. Flow regimes and structure in pool and weir fishways. J. Environ. Eng. Sci. 2004, 3, 379–390. [CrossRef]
  17. Puertas, J.; Pena, L.; Teijeiro, T. Experimental approach to the hydraulics of vertical slot fishways. J. Hydraul. Eng. 2004, 130,10–23. [CrossRef]
  18. Liu, M.; Rajaratnam, N.; Zhu, D.D. Mean flow and turbulence structure in vertical slot fishways. J. Hydraul. Eng. 2006, 132,765–777. [CrossRef]
  19. Yagci, O. Hydraulic aspects of pool-weir fishways as ecologically friendly water structure. Ecol. Eng. 2010, 36, 36–46. [CrossRef]
  20. Tarrade, L.; Pineau, G.; Calluaud, D.; Texier, A.; David, L.; Larinier, M. Detailed experimental study of hydrodynamic turbulent flows generated in vertical slot fishways. Environ. Fluid Mech. 2011, 11, 1–21. [CrossRef]
  21. Calluaud, D.; Pineau, G.; Texier, A.; David, L. Modification of vertical slot fishway flow with a supplementary cylinder. J. Hydraul. Res. 2014, 52, 614–629. [CrossRef]
  22. Ballu, A.; Calluaud, D.; Pineau, G.; David, L. Experimental study of the influence of macro-roughnesses on vertical slot fishway flows. La Houille Blanche 2017, 2, 9–14. [CrossRef]
  23. Blocken, B.; Gualtieri, C. Ten iterative steps for model development and evaluation applied to computational fluid dynamics for
    environmental fluid mechanics. Environ. Model. Softw. 2012, 33, 1–22. [CrossRef]
  24. Zhang, J.; Tejada-Martínez, A.E.; Zhang, Q. Developments in computational fluid dynamics-based modeling for disinfection
    technologies over the last two decades: A review. Environ. Model. Softw. 2014, 58, 71–85. [CrossRef]
  25. Khan, L.A. A Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) Model Analysis of Free Surface Hydrodynamics and Fish Passage Energetics in a Vertical-Slot Fishway. N. Am. J. Fish. Manag. 2006, 26, 255–267. [CrossRef]
  26. Cea, L.; Pena, L.; Puertas, J.; Vazquez-Cendon, M.E.; Peña, E. Application of several depth-averaged turbulence models to simulate flow in vertical slot fishways. J. Hydraul. Eng. 2007, 133, 160–172. [CrossRef]
  27. Barton, A.F.; Keller, R.J.; Katopodis, C. Verification of a numerical model for the prediction of low slope vertical slot fishway hydraulics. Aust. J. Water Res. 2009, 13, 53–60. [CrossRef]
  28. Chorda, J.; Maubourguet, M.M.; Roux, H.; George, J.; Larinier, M.; Tarrade, L.; David, L. Two-dimensional free surface flow numerical model for vertical slot fishways. J. Hydraul. Res. 2010, 48, 141–151. [CrossRef]
  29. Bombaˇc, M.; Novak, G.; Rodiˇc, P.; Cetina, M. Numerical and physical model study of a vertical slot fishway. ˇ J. Hydrol. Hydromech.
    2014, 62, 150–159. [CrossRef]
  30. Bombaˇc, M.; Novak, G.; Mlacnik, J.; Cetina, M. Extensive field measurements of flow in vertical slot fishway as data for validation ˇ of numerical simulations. Ecol. Eng. 2015, 84, 476–484. [CrossRef]
  31. Bombaˇc, M.; Cetina, M.; Novak, G. Study on flow characteristics in vertical slot fishways regarding slot layout optimization. ˇ Ecol.
    Eng. 2017, 107, 126–136. [CrossRef]
  32. Marriner, B.A.; Baki, A.B.M.; Zhu, D.Z.; Thiem, J.D.; Cooke, S.J.; Katopodis, C. Field and numerical assessment of turning pool hydraulics in a vertical slot fishway. Ecol. Eng. 2014, 63, 88–101. [CrossRef]
  33. Marriner, B.A.; Baki, A.B.M.; Zhu, D.Z.; Cooke, S.J.; Katopodis, C. The hydraulics of a vertical slot fishway: A case study on the multi-species Vianney-Legendre fishway in Quebec, Canada. Ecol. Eng. 2016, 90, 190–202. [CrossRef]
  34. Quaranta, E.; Katopodis, C.; Revelli, R.; Comoglio, C. Turbulent flow field comparison and related suitability for fish passage of a standard and a simplified low-gradient vertical slot fishway. River Res. Appl. 2017, 33, 1295–1305. [CrossRef]
  35. Fuentes-Pérez, J.F.; Silva, A.T.; Tuhtan, J.A.; García-Vega, A.; Carbonell-Baeza, R.; Musall, M.; Kruusmaa, M. 3D modelling of
    non-uniform and turbulent flow in vertical slot fishways. Environ. Model. Softw. 2018, 99, 156–169. [CrossRef]
  36. Stamou, A.; Mitsopoulos, G.; Rutschmann, P.; Bui, M. Verification of a 3D CFD model for vertical slot fish-passes. Environ. Fluid
    Mech. 2018, 18, 1435–1461. [CrossRef]
  37. Sanagiotto, D.; Rossi, J.; Bravo, J. Applications of computational fluid dynamics in the design and rehabilitation of nonstandard
    vertical slot fishways. Water 2019, 11, 199. [CrossRef]
  38. Silva, A.T.; Santos, J.M.; Franco, A.C.; Ferreira, M.T.; Pinheiro, A.N. Selection of Iberian barbel Barbus bocagei (Steindachner, 1864)
    for orifices and notches upon different hydraulic configurations in an experimental pool-type fishway. J. Appl. Ichthyol. 2009, 25,
    173–177. [CrossRef]
  39. Silva, A.T.; Santos, J.M.; Ferreira, M.T.; Pinheiro, A.N.; Katopodis, C. Passage efficiency of offset and straight orifices for upstream movements of Iberian barbel in a pool-type fishway. River Res. Appl. 2012, 28, 529–542. [CrossRef]
  40. Branco, P.; Santos, J.M.; Katopodis, C.; Pinheiro, A.; Ferreira, M.T. Pool-Type Fishways: Two Different Morpho-Ecological Cyprinid Species Facing Plunging and Streaming Flows. PLoS ONE 2013, 8, e65089. [CrossRef]
  41. Romão, F.; Quaresma, A.L.; Branco, P.; Santos, J.M.; Amaral, S.; Ferreira, M.T.; Katopodis, C.; Pinheiro, A.N. Passage performance
    of two cyprinids with different ecological traits in a fishway with distinct vertical slot configurations. Ecol. Eng. 2017, 105, 180–188. [CrossRef]
  42. Romão, F.; Branco, P.; Quaresma, A.L.; Amaral, S.; Pinheiro, A.N. Effectiveness of a multi-slot vertical slot fishway versus a standard vertical slot fishway for potamodromous cyprinids. Hydrobiologia 2018, 816, 153–163. [CrossRef]
  43. Romão, F.; Quaresma, A.L.; Santos, J.M.; Branco, P.; Pinheiro, A.N. Cyprinid passage performance in an experimental multislot fishway across distinct seasons. Mar. Freshw. Res. 2019, 70, 881–890. [CrossRef]
  44. Haque, M.M.; Constantinescu, G.; Weber, L. Validation of a 3D RANS model to predict flow and stratification effects related to fish passage at hydropower dams. J. Hydraul. Res. 2007, 45, 787–796. [CrossRef]
  45. Dargahi, B. Flow characteristics of bottom outlets with moving gates. J. Hydraul. Res. 2010, 48, 476–482. [CrossRef]
  46. Huang, W.; Yang, Q.; Xiao, H. CFD modelling of scale effects on turbulence flow and scour around bridge piers. Comput. Fluids 2009, 38, 1050–1058. [CrossRef]
  47. Heller, V. Scale effects in physical hydraulic engineering models. J. Hydraul. Res. 2011, 49, 293–306. [CrossRef]
  48. Larinier, M. Pool fishways, pre-barrages and natural bypass channels. Bull. Français de la Pêche et de la Piscic. 2002, 364, 54–82. [CrossRef]
  49. Quaresma, A.L.; Ferreira, R.M.L.; Pinheiro, A.N. Comparative analysis of particle image velocimetry and acoustic Doppler
    velocimetry in relation to a pool-type fishway flow. J. Hydraul. Res. 2017, 55, 582–591. [CrossRef]
  50. Flow Science, Inc. Flow-3D Version 11.2 User Manual; Flow Science, Inc.: Los Alamos, NM, USA, 2016.
  51. Hirt, C.W.; Sicilian, J.M. A porosity technique for the definition of obstacles in rectangular cell meshes. In Proceedings of the International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, Washington, DC, USA, 4 September 1985.
  52. Savage, B.M.; Johnson, M.C. Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. J. Hydraul. Eng. 2001, 127, 640–649. [CrossRef]
  53. Abad, J.D.; Rhoads, B.L.; Güneralp, I.; García, M.H. Flow structure at different stages in a meander-bend with bendway weirs. J. Hydraul. Eng. 2008, 134, 1052–1063. [CrossRef]
  54. Bombardelli, F.A.; Meireles, I.; Matos, J. Laboratory measurements and multi-block numerical simulations of the mean flow and
    turbulence in the non-aerated skimming flow region of steep stepped spillways. Environ. Fluid Mech. 2011, 11, 263–288. [CrossRef]
  55. 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]
  56. Duguay, J.M.; Lacey, R.W.J.; Gaucher, J. A case study of a pool and weir fishway modeled with OpenFOAM and FLOW-3D. Ecol. Eng. 2017, 103, 31–42. [CrossRef]
  1. Hirt, C.W.; Nichols, B.D. Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries. J. Comp. Phys. 1981, 39, 201–225. [CrossRef]
  2. Van Leer, B. Towards the ultimate conservative difference scheme. IV. A new approach to numerical convection. J. Comp. Phys. 1977, 23, 276–299. [CrossRef]
  3. Celik, I.B.; Ghia, U.; Roache, P.J.; Freitas, C.J.; Coleman, H.; Raad, P.E. Procedure for Estimation and Reporting of Uncertainty Due
    to Discretization in CFD Applications. J. Fluids Eng. 2008, 130, 078001 (4pages). [CrossRef]
  4. Smagorinsky, J. General circulation experiments with the primitive equations: I. The Basic Experiment. Mon. Weather Rev. 1963,
    91, 99–164. [CrossRef]
  5. Meyers, J.; Geurts, B.J.; Baelmans, M. Database analysis of errors in large-eddy simulation. Phys. Fluids 2003, 15, 2740–2755.[CrossRef]
  6. Celik, I.B.; Cehreli, Z.N.; Yavuz, I. Index of Resolution Quality for Large Eddy Simulations. J. Fluids Eng. 2005, 127, 949–958. [CrossRef]
  7. Freitag, M.; Klein, M. An improved method to assess the quality of large eddy simulations in the context of implicit filtering. J. Turbul. 2006, 7, 1–11. [CrossRef]
  8. Gousseau, P.; Blocken, B.; van Heijst, G.J.F. Quality assessment of Large-Eddy Simulation of wind flow around a high-rise building: Validation and solution verification. Comput. Fluids 2013, 79, 120–133. [CrossRef]
  9. Celik, I.; Li, J.; Hu, G.; Shaffer, C. Limitations of Richardson Extrapolation and Some Possible Remedies. J. Fluids Eng. 2005, 127, 795–805. [CrossRef]
  10. Pope, S.B. Turbulent Flows; Cambridge University Press: Cambridge, UK, 2000.
  11. Legates, D.R.; McCabe, G.J., Jr. Evaluating the use of “goodness-of-fit” Measures in hydrologic and hydroclimatic model validation. Water Resour. Res. 1999, 35, 233–241. [CrossRef]
  12. 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.; et al. Characterising performance of environmental models. Environ. Model. Softw. 2013, 40, 1–20. [CrossRef]
  13. Willmott, C.J.; Robeson, S.M.; Matsuura, K. A refined index of model performance. Int. J. Climatol. 2012, 32, 2088–2094. [CrossRef]
  14. Lane, S.N.; Richards, K.S. The “validation” of hydrodynamic models: Some critical perspectives. In Model Validation for Hydrological
    and Hydraulic Research; Bates, P.D., Anderson, M.G., Eds.; John Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2001; pp. 413–438.
  15. Bradbrook, K.F.; Biron, P.M.; Lane, S.N.; Richards, K.S.; Roy, A.G. Investigation of controls on secondary circulation in a simple confluence geometry using a three-dimensional numerical model. Hydrol. Process. 1998, 12, 1371–1396. [CrossRef]
  16. Bradbrook, K.F.; Lane, S.N.; Richards, K.S.; Biron, P.M.; Roy, A.G. Role of bed discordance at asymmetrical river confluences. J. Hydraul. Eng. 2001, 127, 351–368. [CrossRef]
  17. Ferguson, R.I.; Parsons, D.R.; Lane, S.N.; Hardy, R.J. Flow in meander bends with recirculation at the inner bank. Water Resour. Res. 2003, 39, 1322–1334. [CrossRef]
  18. Haltigin, T.W.; Biron, P.M.; Lapointe, M.F. Predicting equilibrium scour-hole geometry near angled stream deflectors using a three-dimensional numerical flow model. J. Hydraul. Eng. 2007, 133, 983–988. [CrossRef]
  19. Haltigin, T.W.; Biron, P.M.; Lapointe, M.F. Three-dimensional numerical simulation of flow around stream deflectors: The effects of obstruction angle and length. J. Hydraul. Res. 2007, 45, 227–238. [CrossRef]
  20. Han, S.S.; Biron, P.M.; Ramamurthy, A.S. Three-dimensional modelling of flow in sharp open-channel bends with vanes. J. Hydraulic Res. 2011, 49, 64–72. [CrossRef]
  21. Klein, M. An Attempt to assess the quality of large eddy simulations in the context of implicit filtering. Flow Turbul. Combust. 2005, 75, 131–147. [CrossRef]
Figure 5. Flow pattern of operating condition 1: (a) Physical model flow diagram; (b) Simulation model flow.

Numerical Study of Fluctuating Pressure on Stilling Basin Slab with Sudden Lateral Enlargement and Bottom Drop

급격한 측면 확대 및 바닥 낙하에 따른 정류지(stilling basin) 슬래브의 변동 압력에 대한 수치 연구

by Yangliang Lu,Jinbu Yin *OrcID,Zhou Yang,Kebang Wei andZhiming Liu
College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Weihui Road, Yangling 712100, China*
Author to whom correspondence should be addressed.
Water 2021, 13(2), 238; https://doi.org/10.3390/w13020238
Received: 6 November 2020 / Revised: 7 January 2021 / Accepted: 11 January 2021 / Published: 19 January 2021
(This article belongs to the Special Issue Physical Modelling in Hydraulics Engineering)

Abstract

갑작스런 확장 및 바닥 낙하가 있는 고요한 정류지(stilling basin) 유역은 복잡한 수력 특성, 특히 3D 공간 수력 점프 아래에서 변동하는 압력 분포로 이어집니다.

이 논문은 FLOW-3D 소프트웨어를 기반으로 한 LES (Large Eddy Simulation) 모델과 TruVOF 방법을 사용하여 시간 평균 압력, 변동 압력의 RMS (Root Mean Square), 정물(stilling basin) 조 슬래브의 최대 및 최소 압력을 시뮬레이션했습니다.

실제 모델 결과와 비교하여 시뮬레이션 결과는 LES 모델이 정물 유역의 변동하는 수류 압력을 안정적으로 시뮬레이션 할 수 있음을 보여줍니다. 변동 압력의 RMS의 최대 값은 정수조 전면과 측벽의 연장선 부근에 나타납니다.

이 논문은 변동 압력의 생성 메커니즘과 Navier-Stokes 방정식에서 파생된 Poisson 방정식을 기반으로 영향 요인 (변동 속도, 속도 구배, 변동 와도)의 정량 분석과 특성의 정성 분석을 결합하는 연구 방법을 제공합니다.

변동하는 압력의. 정류 지의 소용돌이 영역과 벽에 부착 된 제트 영역의 변동 압력 분포는 주로 각각 와류 및 변동 유속의 영향을 받으며 충돌 영역의 분포는 변동 속도, 속도 구배 및 변동에 의해 발생합니다.

A stilling basin with sudden enlargement and bottom drop leads to complicated hydraulic characteristics, especially a fluctuating pressure distribution beneath 3D spatial hydraulic jumps. This paper used the large eddy simulation (LES) model and the TruVOF method based on FLOW-3D software to simulate the time-average pressure, root mean square (RMS) of fluctuating pressure, maximum and minimum pressure of a stilling basin slab. Compared with physical model results, the simulation results show that the LES model can simulate the fluctuating water flow pressure in a stilling basin reliably. The maximum value of RMS of fluctuating pressure appears in the vicinity of the front of the stilling basin and the extension line of the side wall. Based on the generating mechanism of fluctuating pressure and the Poisson Equation derived from the Navier–Stokes Equation, this paper provides a research method of combining quantitative analysis of influencing factors (fluctuating velocity, velocity gradient, and fluctuating vorticity) and qualitative analysis of the characteristics of fluctuating pressure. The distribution of fluctuating pressure in the swirling zone of the stilling basin and the wall-attached jet zone is mainly affected by the vortex and fluctuating flow velocity, respectively, and the distribution in the impinging zone is caused by fluctuating velocity, velocity gradient and fluctuating vorticity. 

Keywords: submerged jumpsudden lateral enlargement and bottom droplarge eddy simulationvortexfluctuating pressure

Figure 1. Schematic design of model test: (a) Sectional view; (b) Plan view.
Figure 1. Schematic design of model test: (a) Sectional view; (b) Plan view.
Figure 2. Model layout in laboratory: (a) Discharge chute; (b) The stilling basin.
Figure 2. Model layout in laboratory: (a) Discharge chute; (b) The stilling basin.

Table 1. Operating conditions.

ConditionFlow Discharge
(m3/s)
Inflow Froude NumberInflow Velocity (m/s)Inflow Water Depth (m)
10.9425.2955.6110.114
20.6434.5454.4890.097
30.2324.2273.0180.052
Figure 3. Schematic diagram of fluctuating pressure data-processing process.
Figure 3. Schematic diagram of fluctuating pressure data-processing process.
Figure 4. 3D simulation model: (a) Boundary conditions; (b) Grid mesh.
Figure 4. 3D simulation model: (a) Boundary conditions; (b) Grid mesh.

Table 2. Grid independence test.

GridContaining Block Cell Size (m)Nested Block Cell Size (m)Discharge
(m3/s)
Relative Error (%)
10.0500.0250.9905.10
20.0400.0200.9692.70
30.0300.0150.9561.49
40.0200.0100.9521.06
Figure 5. Flow pattern of operating condition 1: (a) Physical model flow diagram; (b) Simulation model flow.
Figure 5. Flow pattern of operating condition 1: (a) Physical model flow diagram; (b) Simulation model flow.
Figure 6. Numerical simulation of water surface profile and x-z plane flow rate vector.
Figure 6. Numerical simulation of water surface profile and x-z plane flow rate vector.
Figure 7. Comparison of bottom velocity.
Figure 7. Comparison of bottom velocity.
Figure 8. Comparison of pressure at 10 pressure measurement points: (a) Comparison of root mean square (RMS) of fluctuating and time-average pressure; (b) Comparison of maximum and minimum pressure.
Figure 8. Comparison of pressure at 10 pressure measurement points: (a) Comparison of root mean square (RMS) of fluctuating and time-average pressure; (b) Comparison of maximum and minimum pressure.
Figure 9. The distribution diagram of time-average pressure and RMS of fluctuating pressure of bottom of stilling basin under three cases.
Figure 9. The distribution diagram of time-average pressure and RMS of fluctuating pressure of bottom of stilling basin under three cases.
Figure 10. Speed vector in stilling basin at z = 40 cm horizontal plane and bottom plate plane in three cases.
Figure 10. Speed vector in stilling basin at z = 40 cm horizontal plane and bottom plate plane in three cases.
Figure 11. Distribution of fluctuating velocity and vorticity in the horizontal section of the stilling basin slab: (a) Distribution of fluctuating velocity; (b) Distribution of fluctuating vorticity.
Figure 11. Distribution of fluctuating velocity and vorticity in the horizontal section of the stilling basin slab: (a) Distribution of fluctuating velocity; (b) Distribution of fluctuating vorticity.
Figure 12. Distribution of root time-average square fluctuating pressure of x = 50 cm cross-section of bottom plate: (a) Distributions of fluctuating velocity and fluctuating pressure; (b) Distributions of fluctuating vorticity and fluctuating pressure.
Figure 12. Distribution of root time-average square fluctuating pressure of x = 50 cm cross-section of bottom plate: (a) Distributions of fluctuating velocity and fluctuating pressure; (b) Distributions of fluctuating vorticity and fluctuating pressure.
Figure 13. Variance of fluctuating pressure coefficient (Cp′).
Figure 13. Variance of fluctuating pressure coefficient (Cp′).

References

  1. Liu, P.Q.; Dong, J.R.; Yu, C. Experimental investigation of fluctuation uplift on rock blocks at the bottom of the scour pool downstream of Three-Gorges spillway. J. Hydraul. Res. 199836, 55–68. [Google Scholar] [CrossRef]
  2. Liu, P.Q.; Li, A.H. Model discussion of pressure fluctuations propagation within lining slab joints in stilling basins. J. Hydraul. Eng. 2007133, 618–624. [Google Scholar] [CrossRef]
  3. Mousavi, S.N.; Júnior, R.S.; Teixeira, E.D.; Bocchiola, D.; Nabipour, N.; Mosavi, A.; Shamshirband, S. Predictive Modeling the Free Hydraulic Jumps Pressure through Advanced Statistical Methods. Mathematics 20208, 323. [Google Scholar] [CrossRef]
  4. Sun, S.-K.; Liu, H.-T.; Xia, Q.-F.; Wang, X.-S. Study on stilling basin with step down floor for energy dissipation of hydraulic jump in high dams. J. Hydraul. Eng. 200536, 1188–1193. (In Chinese) [Google Scholar]
  5. Li, Q.; Li, L.; Liao, H. Study on the Best Depth of Stilling Basin with Shallow-Water Cushion. Water 201810, 1801. [Google Scholar] [CrossRef]
  6. Luo, Y.-Q.; He, D.-M.; Zhang, S.-C.; Bai, S. Experimental Study on Stilling Basin with Step-down for Floor Slab Stability Characteristics. J. Basic Sci. Eng. 201220, 228–236. (In Chinese) [Google Scholar]
  7. Zhang, J.; Zhang, Q.; Wang, T.; Li, S.; Diao, Y.; Cheng, M.; Baruch, J. Experimental Study on the Effect of an Expanding Conjunction Between a Spilling Basin and the Downstream Channel on the Height After Jump. Arab. J. Sci. Eng. 201742, 4069–4078. [Google Scholar] [CrossRef]
  8. Ram, K.V.S.; Prasad, R. Spatial B-jump at sudden channel enlargements with abrupt drop. J. Hydraul. Eng. -Asce 1998124, 643–646. [Google Scholar] [CrossRef]
  9. Hassanpour, N.; Hosseinzadeh Dalir, A.; Farsadizadeh, D.; Gualtieri, C. An Experimental Study of Hydraulic Jump in a Gradually Expanding Rectangular Stilling Basin with Roughened Bed. Water 20179, 945. [Google Scholar] [CrossRef]
  10. Siuta, T. The impact of deepening the stilling basin on the characteristics of hydraulic jump. Czas. Tech. 2018. [Google Scholar] [CrossRef]
  11. Babaali, H.; Shamsai, A.; Vosoughifar, H. Computational Modeling of the Hydraulic Jump in the Stilling Basin with Convergence Walls Using CFD Codes. Arab. J. Sci. Eng. 201440, 381–395. [Google Scholar] [CrossRef]
  12. Dehdar-behbahani, S.; Parsaie, A. Numerical modeling of flow pattern in dam spillway’s guide wall. Case study: Balaroud dam, Iran. Alex. Eng. J. 201655, 467–473. [Google Scholar] [CrossRef]
  13. Macián-Pérez, J.F.; García-Bartual, R.; Huber, B.; Bayon, A.; Vallés-Morán, F.J. Analysis of the Flow in a Typified USBR II Stilling Basin through a Numerical and Physical Modeling Approach. Water 202012, 227. [Google Scholar] [CrossRef]
  14. Tajabadi, F.; Jabbari, E.; Sarkardeh, H. Effect of the end sill angle on the hydrodynamic parameters of a stilling basin. Eur. Phys. J. Plus 2018133. [Google Scholar] [CrossRef]
  15. Valero, D.; Bung, D.B.; Crookston, B.M. Energy Dissipation of a Type III Basin under Design and Adverse Conditions for Stepped and Smooth Spillways. J. Hydraul. Eng. 2018144. [Google Scholar] [CrossRef]
  16. Liu, D.; Fei, W.; Wang, X.; Chen, H.; Qi, L. Establishment and application of three-dimensional realistic river terrain in the numerical modeling of flow over spillways. Water Supply 201818, 119–129. [Google Scholar] [CrossRef]
  17. Epely-Chauvin, G.; De Cesare, G.; Schwindt, S. Numerical Modelling of Plunge Pool Scour Evolution In Non-Cohesive Sediments. Eng. Appl. Comput. Fluid Mech. 20158, 477–487. [Google Scholar] [CrossRef]
  18. Zhang, J.-M.; Chen, J.-G.; Xu, W.-L.; Peng, Y. Characteristics of vortex structure in multi-horizontal submerged jets stilling basin. Proc. Inst. Civ. Eng. Water Manag. 2014167, 322–333. [Google Scholar] [CrossRef]
  19. Li, L.-X.; Liao, H.-S.; Liu, D.; Jiang, S.-Y. Experimental investigation of the optimization of stilling basin with shallow-water cushion used for low Froude number energy dissipation. J. Hydrodyn. 201527, 522–529. [Google Scholar] [CrossRef]
  20. Ferreri, G.B.; Nasello, C. Hydraulic jumps at drop and abrupt enlargement in rectangular channel. J. Hydraul. Res. 201040, 491–505. [Google Scholar] [CrossRef]
  21. Naseri, F.; Sarkardeh, H.; Jabbari, E. Effect of inlet flow condition on hydrodynamic parameters of stilling basins. Acta Mech. 2017229, 1415–1428. [Google Scholar] [CrossRef]
  22. Zhou, Z.; Wang, J.-X. Numerical Modeling of 3D Flow Field among a Compound Stilling Basin. Math. Probl. Eng. 2019, 5934274. [Google Scholar] [CrossRef]
  23. Qian, Z.; Hu, X.; Huai, W.; Amador, A. Numerical simulation and analysis of water flow over stepped spillways. Sci. China Ser. E Technol. Sci. 200952, 1958–1965. [Google Scholar] [CrossRef]
  24. Liu, F. Study on Characteristics of Fluctuating Wall-Pressure and Its Similarity Law. Ph.D. Thesis, Tianjin University, Tianjin, China, May 2007. (In Chinese). [Google Scholar]
  25. Yan, Z.-M.; Zhou, C.-T.; Lu, S.-Q. Pressure fluctuations beneath spatial hydraulic jumps. J. Hydrodyn. 200618, 723–726. [Google Scholar] [CrossRef]
  26. Moin, P.; Kim, J. Numerical investigation of turbulent channel flow. J. Fluid Mech. 2006118. [Google Scholar] [CrossRef]
  27. Rezaeiravesh, S.; Liefvendahl, M. Effect of grid resolution on large eddy simulation of wall-bounded turbulence. Phys. Fluids 201830. [Google Scholar] [CrossRef]
  28. Stamou, A.I.; Chapsas, D.G.; Christodoulou, G.C. 3-D numerical modeling of supercritical flow in gradual expansions. J. Hydraul. Res. 201046, 402–409. [Google Scholar] [CrossRef]
  29. Savage, B.M.; Crookston, B.M.; Paxson, G.S. Physical and Numerical Modeling of Large Headwater Ratios for a 15 degrees Labyrinth Spillway. J. Hydraul. Eng. 2016142. [Google Scholar] [CrossRef]
  30. Aydin, M.C.; Ozturk, M. Verification and validation of a computational fluid dynamics (CFD) model for air entrainment at spillway aerators. Can. J. Civ. Eng. 200936, 826–836. [Google Scholar] [CrossRef]
  31. Ma, B.; Liang, S.; Liang, C.; Li, Y. Experimental Research on an Improved Slope Protection Structure in the Plunge Pool of a High Dam. Water 20179, 671. [Google Scholar] [CrossRef]
  32. Bai, L.; Zhou, L.; Han, C.; Zhu, Y.; Shi, W.D. Numerical Study of Pressure Fluctuation and Unsteady Flow in a Centrifugal Pump. Processes 20197, 354. [Google Scholar] [CrossRef]
  33. Guven, A. A predictive model for pressure fluctuations on sloping channels using support vector machine. Int. J. Numer. Methods Fluids 201166, 1371–1382. [Google Scholar] [CrossRef]
Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.
Figure 6. Scour depth (in negative value) at different views around pier

Three-dimensional numerical simulation of local scour around circular bridge pier using Flow-3D software

Flow-3D 소프트웨어를 이용한 원형 교각 주변 지역 scour의 3 차원 수치 시뮬레이션

To cite this article: Halah Kais Jalal and Waqed H. Hassan 2020 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 745 012150

Halah Kais Jalal1
, Waqed H. Hassan2
1 Graduate student, Civil Engineering Department, University of Kerbala, Kerbala, Iraq.
2 Professor, University of Kerbala, Kerbala, Iraq.
E-mail: halah.q@s.uokerbala.edu.iq, Waaqidh@uokerbala.edu.iq

Abstract

주어진 값의 내부 드리프트를 나타내는 다항식 순서 또는 자체 정의 함수 목록을 제공 할 수 있습니다. 이 드리프트는 kriging 보간 동안 내부적으로 적합합니다. 다음에서는 선형 드리프트가 추가된 인공 데이터를 생성합니다. 그런 다음 결과 샘플은 Universal kriging의 입력으로 사용됩니다. 그런 다음 보간 중에 “선형”드리프트가 추정됩니다. 추정된 평균 / 드리프트에만 액세스하기 위해 호출 루틴에 스위치 only_mean을 제공합니다. 원형 교각 주변의 국부 수색 문제는 Flow-3D 모델을 사용하여 전산 유체 역학 (CFD)에서 국부적 진화를 나타냅니다. 교각 설계에서 중요한 scour 및 scour 구멍의 최대 깊이. 이 연구의 목적은 교각 주변의 수색 깊이를 정확하게 시뮬레이션하고 예측하는 수치 시뮬레이션 모델 Flow-3D의 능력을 검증하는 것입니다. 이 검증은 수치 결과를 Melville 실험실 실험 모델과 비교하여 수행됩니다. 30 분후 수치 결과에서 얻은 원형 부두 주변의 최대 scour 깊이는 3.6cm이고 Melville 모델에서 얻은 scour 깊이는 4cm입니다. 이 결과에 따르면 수치 모델과 실험 모델 간의 오류율 비율은 10 %에 가깝습니다. 결과는 실험 결과와 함께 좋은 검증을 보여주었습니다. 마지막으로 제안 된 Flow-3D 모델은 교각 주변의 수색 깊이를 예측하고 시뮬레이션 하는데 효과적인 도구를 고려하고 잠재적인 결과를 예측하는 경제적인 방법을 고려했습니다.

The problem of local scouring around circular bridge pier has been studied numerically
by Computational Fluid Dynamics (CFD) using Flow-3D model to represent the evolution of local
scour and the maximum depth of the scour hole which is important in the bridge pier design. The
aim of this study is to verify the ability of the numerical simulation model Flow-3D to accurately
simulate and predict the scour depth around the bridge pier. This verification is conducted by
comparison the numerical results with Melville laboratory experimental model. The maximum
scours depth around the circular pier obtained from numerical results after 30 min is 3.6 cm, while
the scouring depth obtained from Melville model is 4 cm. According to these results, the error rate
ratio between the numerical and experimental models is close to 10%. The results showed a good
validation with experimental results. Finally, the proposed Flow-3D model considered an effective
tool in predicting and simulating the scour depth around bridge pier and considered an economic
method to predict potential results.
Keywords: Local scour, Flow-3D, CFD, Verfication

scour은 흐르는 물의 침식 작용으로 정의 할 수 있으며, 이는 가까운 교각 및 교각에서 베드를 제거하고 침식합니다 [1]. 다리의 교각 주변을 scour하는 것은 다리의 실패 원인이 충돌 및 과부하와 함께 엄청난 인명 손실과 경제적 영향으로 이어지는 주요 원인 중 하나로 간주됩니다 [2], 지역 scour 예측, 특히 최대 scour 깊이는 다음과 같습니다.

교량 설계, 유지 보수 및 평가에 필수적입니다. 전 세계의 많은 연구자들은 다양한 관점과 다양한 조건에서 광범위하게 scour 문제를 연구했습니다.

교량 부지에서 만든 scour에는 일반적으로 세 가지 유형이 포함되어 있습니다. 일반 scour, 수축 scour 및 국부 scour [3], 세 가지 scour 유형 중, scour는 다리와 관련된 위험에서 가장 중요한 역할을 하기 때문에, local scour는 이 연구의 중요한 부분으로 간주됩니다.

많은 선행 연구가 경험적 테스트를 사용하여 교량의 국부 scour을 분석하는 기술과 방법론을 목표로 했습니다 [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11] . 이러한 경험적 scour 테스트의 대부분은 비용이 많이 들고 노동 집약적이기 때문에 크고 중요한 교량에서 종종 수행됩니다.

그러나 가장 인기 있는 고속도로 교량의 경우 경험적 테스트가 적용되지 않지만 이러한 일반 교량에서 scour이 자주 발생하지만 일부 연구에서는 경제적이고 실용적인 목적으로 교량 scour에 대한 분석 솔루션을 조사했습니다.

지난 몇 년 동안 전산 유체 역학 (CFD를 사용하여 산업 및 환경 응용 분야에서 유체 흐름 동작을 결정하는 데 사용)을 더 많이 사용할 수 있는 컴퓨터 및 소프트웨어의 기능이 증가함에 따라 scour의 3 차원 시뮬레이션 방법이 더욱 널리 보급되었습니다.

FLUENT, CFX, PHOENIX와 같은 CFD 소프트웨어는 실험 설정과 여러면에서 유사하므로 이 수치 시뮬레이션의 원래 개념은 속도계와 같은 확장된 부속품을 사용하여 물리적 모델을 설계하고 구성하는 것입니다. 복잡한 모델 실험실 조건에서 모델링하기 어려운 모델은 수치 시뮬레이션을 사용하여 간단하게 모델링 할 수 있습니다.

좋은 수치 모델은 확실히 모델 테스트를 보완 할 수 있으며 설계 엔지니어가 모델 테스트를 수행 할 수 있는 가장 중요한 사례를 식별하는 데 도움이 될 수 있다는 것이 널리 알려져 있습니다.

복잡한 문제와 대규모 모델 연구를 해결할 수 있는 매력적인 아이디어입니다. 실제 결과를 결정하기 위해 추가 작업자 또는 기존의 대규모 설정이 필요하지 않습니다.

CFD (Computational Fluid Dynamics) 방법은 Navier-Stokes의 이산화 및 해석과 계산 셀의 연속성 방정식을 통해 유동 프로세스 시뮬레이션에 항상 사용됩니다. 현재 연구에서 상용 코드 Flow-3D는 교각 주변의 scour 깊이를 모델링하는 데 사용됩니다.

Flow-3D 모델은 유압 공학 응용을 위한 특수 장치가 있는 CFD 패키지입니다. 수치 기법은 다중 스케일 다중 물리 흐름 문제를 얻기 위해 과도 및 3 차원 솔루션에 대한 유체 운동 방정식을 해결하는 데 사용됩니다.

물리적 옵션과 수치 옵션의 조합을 통해 사용자는 Flow-3D를 광범위한 유체 흐름 및 열 전달 현상에 적용 할 수 있으며 다양한 유압 문제를 해결하는 데 널리 사용됩니다 [12]. Flow-3D에 의한 scour의 수치 시뮬레이션은 많은 연구자들에 의해 제안 되었습니다.

Flow-3D에 의한 Scour의 수치 시뮬레이션은 많은 연구자들에 의해 제안 되었습니다.

예를 들어, [13]은 Scour Hole 내의 원형 브리지 부두의 기초에서 발생하는 흐름을 시뮬레이션하기 위해 Flow-3D를 사용했고, [14]는 조수 아래의 복잡한 브리지 피어에서 국소 스캐닝을 시뮬레이션하기 위해 숫자 모델을 사용했고 [15]는 Flow-3D를 사용했습니다.다양한 조건에서 국부적 골절 깊이의 더미 모양과 [16] CFD 코드를 사용하여 3D 흐름과 다양한 모양의 교량 부두 주위의 국부적 스캐닝을 시뮬레이션했습니다.

이 모든 연구는 맑은 물 조건에서 흐르는 물이 주로 흐름과 강바닥 사이의 대부분의 상호 작용으로 이어진다는 가설을 세웠습니다.

본 논문에서는 [4]의 실험실 모델에 의한 수치 시뮬레이션 검증을 통해 교량 주변의 국부 scour 실험 결과를 CFD 코드 Flow-3D의 수치 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증을 목적으로 합니다. 이 검증의 주요 목적은 교량 부두 주변의 scour 깊이를 예측할 때 수치 모델 Flow-3D의 효과를 테스트하는 것입니다.

Figure 1. Plan view of Melville experimental setup [4]
Figure 1. Plan view of Melville experimental setup [4]
Figure 2. Geometry of the numerical model configured by the FLOW-3D
Figure 2. Geometry of the numerical model configured by the FLOW-3D
Figure 3. Effect of Cell Size on Scour Depth
Figure 3. Effect of Cell Size on Scour Depth
Figure 4. Meshing Plane Structure Around a Circular Pier
Figure 4. Meshing Plane Structure Around a Circular Pier
Figure 6. Scour depth (in negative value) at different views around pier
Figure 6. Scour depth (in negative value) at different views around pier
Figure 7. Contour Lines Represented the Depth of Scour Around Circular Bridge Pier for Melville Model
Figure 7. Contour Lines Represented the Depth of Scour Around Circular Bridge Pier for Melville Model
Figure 8. Contour Lines Represented the Depth of Scour Around the bridge Pier for the Numerical model
Figure 8. Contour Lines Represented the Depth of Scour Around the bridge Pier for the Numerical model
Figure 9. Scour depth against time around cylindrical pier.
Figure 9. Scour depth against time around cylindrical pier.
Figure 10. Contour map of flow velocity around a pier at 30 min resulted by Melville [4]
Figure 10. Contour map of flow velocity around a pier at 30 min resulted by Melville [4]
Figure 11. Contour map of flow velocity distribution around a pier at 30 min resulted by numerical simulation.
Figure 11. Contour map of flow velocity distribution around a pier at 30 min resulted by numerical simulation.

Conclusion

이 연구는 교각에서 scour깊이의 발달을 예측하는 데 있어 이 수치 시뮬레이션의 효과를 검증하는 것을 목표로 합니다. 검증은 30 분의 scour 깊이 공식화 후 Flow-3D의 수치 결과를 Melville 실험 모델과 비교하여 결론을 내립니다.

결과의 비교는 최대 수세공 깊이에 대한 오류율이 10 %임을 나타내며,이 관찰은 수치 및 실험 작업 사이에 좋은 검증을 보여 주므로 수치 시뮬레이션은 scour 깊이를 성공적으로 재현합니다.

이러한 결과에 따르면 제안된 수치 모델 Flow-3D는 교각 주변의 scour 깊이와 유동장을 시뮬레이션하고 예측하는데 효과적인 도구로 간주되었습니다.

References
[1] Breusers Nicollet and Shen 1977 Local scour around cylindrical piers Journal of Hydraulic
Research, IAHR,15 (3): 211-252.
[2] Shepherd R. and Frost J D 1995 Failures in civil engineering: Structural, foundation and
geoenvironmental case studies Journal of Hydraulic Engineering, Puolisher ASCE.
[3] Cheremisinoff N P and Cheng S L 1987 Hydraulic mechanics 2 Civil Engineering Practice,
Technomic Published Company, Lancaster, Pennsylvania, U.S.A. 780 p.
[4] Melville B W 1975 Local scour at bridge sites University of Auckland, New Zealand, phd. Thesis,
Dept. of Civil eng., Rep. No. 117.
[5] Abdul-Nour M 1990 Scouring depth around multiple M.Sc. Thesis , Department of Irrigation and
Drainage , University of Baghdad.
[6] Hosny M M 1995 Experimental study of local scour around circular bridge piers in cohesive soils
Colorado State University, Fort Collins.
[7] Ansari S A Kothyari U C and Ranga Raju K G 2002 Influence of cohesion on scour around bridge
piers Journal of Hydraulic Research, IAHR, pp. 40(6): 717-729.
[8] Khsaf S I 2010 A study of scour around Al-Kufa bridge piers Kufa Engineering
Journal.Vol.1No.1,2010, University of Kufa / College Engineering / Civil Department.
[9] Hassan W H Jassem M H and Mohammed S S 2018 A GA-HP Model for the Optimal Design of
Sewer Networks Water Resour. Manag., vol. 32, no. 3, pp. 865–879.
[10] Hassan W H 2017 Application of a genetic algorithm for the optimization of a cutoff wall under
hydraulic structures J. Appl. Water Eng. Res., vol. 5, no. 1, pp. 22–30, Jan.
[11] Ataie-Ashtiani B 2013 Flow field around single and tandem piers Flow Turbulence and Combustion
Journal of Hydraulic Engineering,volume 9429.
[12] Flow -3D manual 2014 Flow-3D user manual version 11, Flow Science Santa Fe, NM.
[13] Richardson J E and Panchang V G 1998 Three-Dimensional Simulation of Scour Inducing Flow at
Bridge Piers Journal of Hydraulic Engineering, 124(5), pp. 530–540. doi: 10.1061/(asce)0733-
9429(1998)124:5(530).
[14] Vasquez J and Walsh B 2009 CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow
Proceedings of the thirty-third IAHR Congress: Water Engineering for a Sustainable Environment,
(604), pp. 913–920.
[15] W H H and Halah k Jalal 2019 Effect of Bridge Pier Shape on Depth of Scour Iop, Conf. Ser.,(under
puplication).
[16] Obeid Z H 2016 3D numerical simulation of local scouring and velocity distributions around bridge
piers with different shapes A Peer Reviewed International Journal of Asian Academic Research
Associates, 20(16), p. 2801. doi: 10.1186/1757-7241-20-67.
[17] Drikakis D 2003 Advances in turbulent flow computations using high-resolution methods Progress
in Aerospace Sciences, 39(6–7), pp. 405–424. doi: 10.1016/S03760421(03)00075-7.
[18] Yakhot and Orszag 1986 Renormalization Group Analysis of Turbulence, Basic Theory Journal of
Scientific Computing, pp. 3–51. 1, pp. 3–51.
[19] Mastbergen D R and Van Den Berg J H 2003 Breaching in fine sands and the generation of
sustained turbidity currents in submarine canyons Sedimentology, 50(4), pp. 625–637. doi:
10.1046/j.1365-3091.2003.00554.x.
[20] Soulsby R L and Whitehouse R J S W 1997 Threshold of sediment motion in Coastal Environments
Proc. Combined Australian Coastal Engineering and Port Conference, EA, pp. 149-154.
[21] Meyer-Peter E and Müller R 1948 Formulas for bed-load transport Proceedings of the 2nd Meeting
of the International Association for Hydraulic Structures Research, 39– 64.
[22] Wei G Brethour J Grünzner M and Burnham J 2014 Sedimentation Scour Model Flow Science
Report 03-14.

Abb. 3 Detail des Rechens am Vorversuch zum Seilrechen – Blick in Fließrichtung

Implementation of an angled trash rack in the 3D-numerical simulation with FLOW-3D

Abstract

Sebastian Krzyzagorski · Roman Gabl · Jakob Seibl · Heidi Böttcher · Markus Aufleger
Online publiziert: 17. Februar 2016
© Die Autor(en) 2016. Dieser Artikel ist auf Springerlink.com mit Open Access verfügbar.

지난 몇 년 동안 과학자와 엔지니어는 기초 연구와 유압 구조 계획에 3D 수리적 흐름 시뮬레이션을 점점 더 많이 사용해 왔다. 그러나 수력발전소 취수장 앞의 쓰레기통은 수치 시뮬레이션에 있어 특별한 문제를 나타낸다. 그 이유는 다른 건축 요소들에 비해 trash rack bars들의 기하학적 구조가 특히 단편화되었기 때문이다. 폐기물 랙 손실을 FLOW-3D로 3D 수리적 시뮬레이션에 포함시키기 위한 대안적 접근법으로 배플을 사용할 수 있다. 월디 외 연구진(Exsterreichische Wasser- und Abfallwichtschaft 67:1–2, 2015)은 그러한 배플이 쓰레기 수거함의 손실을 모형화하는 유망한 방법임을 입증했다. 서로 다른 개념의 이러한 비교는 계산면을 따라 그리드 방향을 갖는 수직 쓰레기장으로 제한되었다. 실제 논문은 각이 진 쓰레기 보관대의 배플을 이용하여 쓰레기 보관대 손실을 모델링하는 것에 초점을 맞추고 있으며, 따라서 월디 외 연구소의 조사를 업그레이드한다

Over the last years, scientists and engineers have used more and more 3D-numerical flow simulations for basic research and the planning of hydraulic constructions. However, trash racks in front of the intakes of hydroelectric power plants represent a particular problem for numerical simulations. The reason for this is the especially fragmented geometry of the trash rack bars in comparison to other construction elements. As an alternative approach to include trash rack losses into a 3D-numerical simulation with FLOW-3D a baffle can be used. Waldy et al. (Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 67:1–2, 2015) demonstrated that such a baffle is a promising method to model the losses at trash racks. These comparisons of different concepts were limited to a vertical trash rack, which had its grid orientation along the computational plane. The actual paper focuses on the modelling of the trash rack losses by means of a baffle at an angled trash rack and thus upgrades the survey of Waldy et al. (Österreichische Wasser- und Abfallwirtschaft 67:1–2, 2015).

Vertikal geneigte Rechenstäbe mit Winkel a nach Definition von  Meusburger (2002) und b Seilrechen mit  Winkel d
Vertikal geneigte Rechenstäbe mit Winkel a nach Definition von Meusburger (2002) und b Seilrechen mit Winkel d
Abb. 2 Modellgeometrie, Grundriss (GR) und Schnitte für den geraden Rechen und exemplarisch der GR für den 30° geneigten  Rechen – Einheiten in [m]
Abb. 2 Modellgeometrie, Grundriss (GR) und Schnitte für den geraden Rechen und exemplarisch der GR für den 30° geneigten Rechen – Einheiten in [m]
Abb. 3 Detail des Rechens am Vorversuch zum Seilrechen – Blick in Fließrichtung
Abb. 3 Detail des Rechens am Vorversuch zum Seilrechen – Blick in Fließrichtung
3D-Ansicht der Nullvariante, geneigter Rechen, d=30°, Netz N4
3D-Ansicht der Nullvariante, geneigter Rechen, d=30°, Netz N4
 Zellenweise Auswertung der Wasserspiegelhöhen ohne Interpolation mit  MATLAB für die Nullvariante, geneigter Rechen, d=30°, Netz N4
Zellenweise Auswertung der Wasserspiegelhöhen ohne Interpolation mit MATLAB für die Nullvariante, geneigter Rechen, d=30°, Netz N4
Auswertung Einfluss der Rechenneigung für Netz N4
Auswertung Einfluss der Rechenneigung für Netz N4
Grundriss mit tiefengemittelten Geschwindigkeiten und Geschwindigkeitsvektoren, geneigter Rechen, d=30°, Netz N
Grundriss mit tiefengemittelten Geschwindigkeiten und Geschwindigkeitsvektoren, geneigter Rechen, d=30°, Netz N
Figure 4.9 Flow analysis results using FLOW3D of the metal flow and solidification in the main cavity. (The velocity is in m/s.)

Numerical Analysis of Die-Casting Process in Thin Cavities Using Lubrication Approximation

Alexandre Reikher
A Dissertation Submitted in
Partial Fulfillment of the
Requirements for the Degree of
Doctor of Philosophy
In Engineering
at
The University of Wisconsin Milwaukee
December 2012

ABSTRACT

얇은 벽 부품의 주조는 오늘날 다이 캐스트 산업의 현실이 되었습니다. 전산 유체 역학 분석은 생산 개발 프로세스의 필수적인 부분입니다. 일반적으로 에너지 방정식과 결합 된 3 차원 Navier-Stokes 방정식은 유동 및 응고 패턴, 유동 선단의 위치, 함수로서 고체-액체 인터페이스의 위치를 ​​이해하기 위해 해결되어야 합니다.

캐비티 충전 및 응고 과정에서 시간. 얇은 벽 주조에 대한 지배 방정식의 일반적인 솔루션에는 많은 수의 계산 셀이 필요하므로 솔루션을 생성하는 데 비현실적으로 오랜 시간이 걸립니다.

Hele Shaw 유동 모델링 접근법을 사용하면 평면 외 유동을 무시함으로써 얇은 캐비티의 유동 문제 해결을 단순화 할 수 있습니다. 추가적인 이점으로, 문제는 3 차원 문제에서 2 차원 문제로 축소됩니다. 그러나 Hele-Shaw 근사는 흐름의 점성력이 관성력보다 훨씬 더 높아야하며,이 경우 Navier-Stokes 방정식은 Reynolds의 윤활 방정식으로 축소됩니다.

그러나 다이 캐스트 공정의 빠른 사출 속도로 인해 관성력을 무시할 수 없습니다. 따라서 윤활 방정식은 흐름의 관성 효과를 포함하도록 수정되어야 합니다.

이 박사 학위 논문에서는 얇은 공동에서 응고와 함께 액체 금속의 정상 상태 및 과도 흐름을 모델링하기 위한 빠른 수치 알고리즘이 개발되었습니다. 설명된 문제는 저온 챔버, 고압 다이 캐스트 공정, 특히 얇은 환기 채널에서 관찰되는 금속 흐름 현상과 밀접한 관련이 있습니다.

채널의 금속 흐름 속도가 고체-액체 계면 속도보다 훨씬 높다는 사실을 사용하여 두께에 따른 열 전달을 처리하면서 금속 흐름을 주어진 시간 단계에서 안정된 것으로 처리하여 새로운 수치 알고리즘을 개발했습니다.

일시적인 방향. 얇은 캐비티의 흐름은 채널 두께에 대한 운동량과 연속성 방정식을 통합 한 후 2 차원으로 처리되고 열 전달은 두께 방향의 1 차원 현상으로 모델링 됩니다. 엇갈린 격자 배열은 유동 지배 방정식을 이산화하는데 사용되며 결과적인 편미분 방정식 세트는 SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 알고리즘을 사용하여 해결됩니다.

상 변화를 수반하는 두께 방향 열 전달 문제는 제어 볼륨 공식을 사용하여 해결됩니다. 고체-액체 계면의 위치와 모양은 솔루션의 일부로 Stefan 조건을 사용하여 찾을 수 있습니다. 시뮬레이션 결과는 응고와 함께 전체 3 차원 흐름 및 열 전달 방정식을 해결하는 상용 소프트웨어 FLOW-3D®의 예측과 잘 비교되는 것으로 나타났습니다.

제안된 수치 알고리즘은 또한 얇은 채널에서 일시적인 금속 충전 및 응고 문제를 해결하기 위해 적용되었습니다. 움직이는 고체-액체 인터페이스의 존재는 이제 반복적으로 해결되는 일련의 흐름 방정식에 비선형 성을 도입합니다.

다시 한번, FLOW3D®의 예측과 잘 일치하는 것이 관찰되었습니다.

이 두 연구는 제안 된 관성 수정 레이놀즈의 윤활 방정식과 함께 두께를 통한 열 손실 및 응고 모델을 성공적으로 구현하여 다이 캐스트 공정 중에 얇은 채널에서 액체 금속의 유동 및 응고에 대한 빠른 분석을 제공 할 수 있음을 나타냅니다. CPU 시간을 대폭 절약하여 얻은 이러한 시뮬레이션 결과는 다이 캐스트 다이의 환기 채널을 설계하는 동안 빠른 초기 분석을 제공하는 데 사용할 수 있습니다.

Figure 1.3. Schematic representation of steps in the hot chamber die-cast process: a.  plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; b. after  solidification process is complete, the die opens; c. the part is ejected from the cavity.
Figure 1.3. Schematic representation of steps in the hot chamber die-cast process: a. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; b. after solidification process is complete, the die opens; c. the part is ejected from the cavity.
Figure 1.5. Schematic representation of steps in the cold chamber die-cast process: a.  molten metal is ladled into the shot sleeve; b. hydraulic cylinder applies pressure on  plunger; c. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the  cavity; d. high pressure is maintained during solidification; e. after solidification is  complete, the die opens; f. the part is ejected from the cavity.
Figure 1.5. Schematic representation of steps in the cold chamber die-cast process: a. molten metal is ladled into the shot sleeve; b. hydraulic cylinder applies pressure on plunger; c. plunger pushes metal from the sleeve through the gating system into the cavity; d. high pressure is maintained during solidification; e. after solidification is complete, the die opens; f. the part is ejected from the cavity.
Figure 4.6 A schematic of a die-cast die with shot sleeve and plunger: 1) Shot  sleeve, 2) Plunger, 3) Stationary half of the die-cast die, 4) Ejector half of the die-cast die,  5) Mold cavity, 6) Ventilation channel.
Figure 4.6 A schematic of a die-cast die with shot sleeve and plunger: 1) Shot sleeve, 2) Plunger, 3) Stationary half of the die-cast die, 4) Ejector half of the die-cast die, 5) Mold cavity, 6) Ventilation channel.
Figure 4.8 A picture (a ‘full shot’) of a part made using the die-cast process. The  overflows are created when the metal front, after filling the main cavity, fills up the  machined ‘overflow’ pockets in the die-cast mold. Ventilation channel is last to fill-up.
Figure 4.8 A picture (a ‘full shot’) of a part made using the die-cast process. The overflows are created when the metal front, after filling the main cavity, fills up the machined ‘overflow’ pockets in the die-cast mold. Ventilation channel is last to fill-up.
Figure 4.9 Flow analysis results using FLOW3D of the metal flow and solidification in the main cavity. (The velocity is in m/s.)
Figure 4.9 Flow analysis results using FLOW3D of the metal flow and solidification in the main cavity. (The velocity is in m/s.)
Figure 4.10 Temperature distribution in the considered cavity of the die-cast die, filled  with liquid metal at the end of the fill process. (The temperature is in 0C.)
Figure 4.10 Temperature distribution in the considered cavity of the die-cast die, filled with liquid metal at the end of the fill process. (The temperature is in 0C.)
Figure 4.16 Experimentally observed solidified metal in the ventilation channel; a)  Measured length of metal flow in the ventilation channel after solidification stops it; b)  Enlarged image of the solidified metal in the channel
Figure 4.16 Experimentally observed solidified metal in the ventilation channel; a) Measured length of metal flow in the ventilation channel after solidification stops it; b) Enlarged image of the solidified metal in the channel
Figure 2.6 ESI apparatus for offline analysis with microscope imaging.

MODELING AND CHARACTERIZATION OF MICROFABRICATED EMITTERS: IN PURSUIT OF IMPROVED ESI-MS PERFORMANCE

미세 가공 방사체의 모델링 및 특성화 : 개선된 ESI-MS 성능 추구

by XINYUN WU

A thesis submitted to the Department of Chemistry in conformity with the requirements for the degree of Master of Science Queen’s University Kingston, Ontario, Canada December, 2011 Copyright © Xinyun Wu, 2011

Abstract

ESI (Electrospray ionization)는 특히 탁월한 감도, 견고성 및 단순성으로 대형 생체 분자를 분석하는 데있어 질량 분석 (MS)에 매우 귀중한 기술이었습니다. ESI 기술 개발에 많은 노력을 기울였습니다. 그 형태와 기하학적 구조가 전기 분무 성능과 추가 MS 감지에 중추적 인 것으로 입증 되었기 때문입니다.

막힘 및 낮은 처리량을 포함하여 전통적인 단일 홀 이미터의 본질적인 문제는 기술의 적용 가능성을 제한합니다. 이 문제를 해결하기 위해 현재 프로젝트는 향상된 ESI-MS 분석을위한 다중 전자 분무(MES) 방출기를 개발하는데 초점을 맞추고 있습니다.

이 논문에서는 스프레이 전류 측정을 위한 전기 분무와 오프라인 전기 분무 실험을 위한 전산 유체 역학 (CFD) 시뮬레이션의 공동 작업이 수행되었습니다. 전기 분무 성능에 대한 다양한 이미터 설계의 영향을 테스트하기 위해 수치 시뮬레이션이 사용되었으며 실험실 결과는 가이드 및 검증으로 사용되었습니다.

CFD 코드는 Taylor-Melcher 누설 유전체 모델(LDM)을 기반으로 하며 과도 전기 분무 공정이 성공적으로 시뮬레이션되었습니다.

이 방법은 750 μm 내경 (i.d.) 이미 터를 통해 먼저 검증되었으며 20 μm i.d.에 추가로 적용되었습니다. 모델. 전기 분무 공정의 여러 단계가 시각적으로 시연되었으며 다양한 적용 전기장 및 유속에서 분무 전류의 변화에 ​​대한 정량적 조사는 이전 시뮬레이션 및 측정과 잘 일치합니다.

단일 조리개 프로토 타입을 기반으로 2 홀 및 3 홀 이미터로 MES 시뮬레이션을 수행했습니다. 시뮬레이션 예측은 실험 결과와 유사하게 비교되었습니다. 이 작업의 증거는 CFD 시뮬레이션이 MES의 이미 터 설계를 테스트하는 효과적인 수치 도구로 사용될 수 있음을 입증했습니다.

이 작업에서 달성 된 마이크로 스케일 에미 터 전기 분무의 성공적인 시뮬레이션에 대한 벤치마킹 결과는 현재까지 발표 된 전기 분무에 대한 동적 시뮬레이션의 가장 작은 규모로 여겨집니다.

Co-Authorship

공동 저자: 이 논문에 대한 모든 연구는 Natalie M. Cann 박사와 Richard D. Oleschuk 박사의 지도하에 완료되었습니다. 다중 전자 분무에 관한 4 장에서 제시된 연구 작업의 일부는 Ramin Wright가 공동 저술했으며, 이 작업은 press에서 다음 논문에서 인용되었습니다.

ibson,G.T.T.; Wright, R.D.; Oleschuk, R.D. Multiple electrosprays generated from a single poly carbonate microstructured fibre. Journal of Mass Spectrometry, 2011, in press.

Chapter 1 Introduction

소프트 이온화 방법으로 ESI (electrospray ionization)의 도입은 질량 분석법 (MS)의 적용 가능성에 혁명을 일으켰습니다. 이 기술의 부드러운 특징은 상대적으로 높은 전하를 가진 이온을 생성하는 고유한 이점으로 인해 액상에서 직접 펩티드 및 단백질과 같은 큰 생체 분자를 분석 할 수 있게했습니다 [1].

지난 10 년 동안 ESI-MS는 놀라운 성장을 보였으며 현재는 단백질 체학, 대사 체학, 글리코 믹스, 합성 화학자를 위한 식별 도구 등 다양한 생화학 분야에서 광범위하게 채택되고 있습니다 [2-3].

ESI-MS는 겔 전기 영동과 같은 생물학적 분자에 대한 기존의 질량 측정 기술보다 훨씬 빠르고 민감하며 정확합니다. 또한, 액체상에서 직접 분석 할 수 있는 큰 비 휘발성 분자의 능력은 고성능 액체 크로마토 그래피 (HPLC) 및 모세관 전기 영동 (CE)과 같은 업스트림 분리 기술과의 결합을 가능하게합니다 [4].

일반적인 ESI 공정은 일반적으로 액적 형성, 액적 수축 및 기상 이온의 최종 형성을 포함합니다. 일렉트로 스프레이의 성능에 영향을 미치는 많은 요소 중에서 스프레이를 위한 이미터의 구조 (즉, 기하학, 모양 등)가 중요한 요소입니다.

전통적인 전기 분무 이미터는 일반적으로 풀링 또는 에칭 기술로 제작 된 단일 채널 테이퍼 형 또는 비 테이퍼 형입니다. 그러나 이러한 이미터는 종종 막힘, 부적절한 처리량 등과 같은 문제로 어려움을 겪습니다. [5]

향상된 감도 및 샘플 활용을 위해 다중 스프레이를 생성하는 새로운 이미터 설계 개발로 분명한 발전이 있었습니다. 새로운 ESI 이미터 설계에 대한 연구는 실험적으로나 이론적으로 큰 관심을 불러 일으켰습니다 [3]. 그러나 ESI의 복잡한 물리적 과정은 팁 형상 외에도 많은 다른 변수에 의존하기 때문에 연구간 직접 비교의 어려움은 장애물이 됩니다.

또한 새로운 나노 이미터 제조 및 테스트 비용이 상당히 높을 수 있습니다. 이 논문은 CFD 시뮬레이션 도구를 활용하여 가상 랩을 설정함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 다른 매개 변수로 인해 상호 연결된 변경 없이 다양한 이미터 설계를 비교할 수 있도록 이상적으로 균일한 물리적 조건을 제공합니다.

맞춤 제작된 프로토 타입의 실험 측정 값도 수집되어 더 나은 계산 체계를 형성하는 데 도움이 되는 지침과 검증을 모두 제공합니다. 특히 이 분야의 주요 미래 플랫폼으로 여겨지는 다중 노즐 이미 터 설계에 중점을 둘 것입니다.

전기 분무 거동에 영향을 미치는 요인에 대한 추가 기본 연구는 다양한 기하학적 및 작동 매개 변수와 관련하여 수행됩니다. 이는 보다 효율적이고 견고한 이미터의 개발을 가능하게 할 뿐만 아니라 더 넓은 영역에서 ESI의 적용을 향상시킬 수 있습니다.

Figure 1.1Schematic setup for ESI-MS technique
Figure 1.1Schematic setup for ESI-MS technique
Figure 1.2 Schematic of major processes occurring in electrospray [5].
Figure 1.2 Schematic of major processes occurring in electrospray [5].
Figure 1.3 Illustration of detailed geometric parameters of a spraying Taylor cone wherera is the radius of curvature of the best fitting circle at the tip of the cone; re is the radius of the emission region for droplets at the tip of a Taylor cone;is the liquid cone angle.
Figure 1.3 Illustration of detailed geometric parameters of a spraying Taylor cone wherera is the radius of curvature of the best fitting circle at the tip of the cone; re is the radius of the emission region for droplets at the tip of a Taylor cone;is the liquid cone angle.
Figure 1.4 (A)Externally tapered emitter  (B) Optical image of a clogged tapered emitter with normal use [46].
Figure 1.4 (A)Externally tapered emitter (B) Optical image of a clogged tapered emitter with normal use [46].
Figure 1.5 (A)Three by three configuration of an emitter array made with polycarbonate using laser ablation; (B) Photomicrograph of nine stable electrosprays generated from the nine-emitter array [52]
Figure 1.5 (A)Three by three configuration of an emitter array made with polycarbonate using laser ablation; (B) Photomicrograph of nine stable electrosprays generated from the nine-emitter array [52]
Figure 1.6 SEM images of the distal ends of four multichannel nanoelectrospray emitters and a tapered emitter: (A) 30 orifice emitter; (B) 54 orifice emitter; (C) 84 orifice emitter; (D) 168 orifice emitter; Scale bars in A, B, and C represent 50 μm, and 100 μm in D[54]
Figure 1.6 SEM images of the distal ends of four multichannel nanoelectrospray emitters and a tapered emitter: (A) 30 orifice emitter; (B) 54 orifice emitter; (C) 84 orifice emitter; (D) 168 orifice emitter; Scale bars in A, B, and C represent 50 μm, and 100 μm in D[54]
Figure 1.7 Photomicrographs of electrospray from of a 168-hole MCN emitter at different flow rates. (A) A traditional integrated Taylor cone observed from offline electrospray of water with 0.1% formic acid at 300 nL/min; (B) A mist of coalesced Taylor cones observed from offline electrospray at 25 nL/min[54]
Figure 1.7 Photomicrographs of electrospray from of a 168-hole MCN emitter at different flow rates. (A) A traditional integrated Taylor cone observed from offline electrospray of water with 0.1% formic acid at 300 nL/min; (B) A mist of coalesced Taylor cones observed from offline electrospray at 25 nL/min[54]
Figure 1.8 Circular arrays of etched emitters for better electric field homogeneity [53].
Figure 1.8 Circular arrays of etched emitters for better electric field homogeneity [53].
Figure 2.6 ESI apparatus for offline analysis with microscope imaging.
Figure 2.6 ESI apparatus for offline analysis with microscope imaging.
Figure 3.9 Typical panel for displaying instant simulation result during simulation process.
Figure 3.9 Typical panel for displaying instant simulation result during simulation process.
Figure 5.3 Generation of a Taylor cone-jet mode (simulation) plotted with iso-potential lines at times    (Top to bottom panels correspond to 0.002 s, 0.012 s, 0.018 s, 0.08 s respectively).
Figure 5.3 Generation of a Taylor cone-jet mode (simulation) plotted with iso-potential lines at times (Top to bottom panels correspond to 0.002 s, 0.012 s, 0.018 s, 0.08 s respectively).
Figure 5.8 (A) Taylor cone-jet profiles with different contact angle of 30 degrees and 20 degrees (B) under the same physical conditions of 6 kV and 0.04 m/s. (C) Cone-jet profile generated from a tapered tip with a 20 degree contact angle at 6 kV and 0.04 m/s (as a comparison with (B)).
Figure 5.8 (A) Taylor cone-jet profiles with different contact angle of 30 degrees and 20 degrees (B) under the same physical conditions of 6 kV and 0.04 m/s. (C) Cone-jet profile generated from a tapered tip with a 20 degree contact angle at 6 kV and 0.04 m/s (as a comparison with (B)).

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Bibliography

1. Mclafferty, F.W., Tandem Fourier-Transform Mass-Spectrometry of Large Molecules.Abstracts of Papers of the American Chemical Society, 1986. 192: p. 21-Anyl. 2. Griffiths, W.J. and Y.Q. Wang, Mass spectrometry: from proteomics to metabolomics and lipidomics. Chemical Society Reviews, 2009. 38(7): p. 1882-1896. 3. Gibson, G.T.T., S.M. Mugo, and R.D. Oleschuk, Nanoelectrospray Emitters: Trends and Perspective. Mass Spectrometry Reviews, 2009. 28(6): p. 918-936. 4. Cech, N.B. and C.G. Enke, Practical implications of some recent studies in electrospray ionization fundamentals. Mass Spectrometry Reviews, 2001. 20(6): p. 362-387. 5. Su, S., Development and Application of Non-tapered Electrospray Emitters for Nano-ESI Mass Spectrometry, in Chemistry. 2008, Queen’s University: Kingston. p. 185. 6. Zeleny, J., The electrical discharge from liquid points, and a hydrostatic method of measuring the electric intensity at their surfaces. Physical Review, 1914. 3(2): p. 69-91. 7. Dole, M., L.L. Mack, and R.L. Hines, Molecular Beams of Macroions. Journal of Chemical Physics, 1968. 49(5): p. 2240-&. 8. Yamashita, M. and J.B. Fenn, Negative-Ion Production with the Electrospray Ion-Source.Journal of Physical Chemistry, 1984. 88(20): p. 4671-4675. 9. Kebarle, P. and U.H. Verkerk, Electrospray: From Ions in Solution to Ions in the Gas Phase, What We Know Now. Mass Spectrometry Reviews, 2009. 28(6): p. 898-917. 10. Taylor, G., Disintegration of Water Drops in Electric Field. Proceedings of the Royal Society of London Series a-Mathematical and Physical Sciences, 1964. 280(138): p. 383. 11. Cole, R.B., Some tenets pertaining to electrospray ionization mass spectrometry. Journal of Mass Spectrometry, 2000. 35(7): p. 763-772. 12. Rayleigh, L., On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity.Philos. Mag., 1882. 14: p. 184-186. 13. Mack, L.L., et al., Molecular Beams of Macroions .2. Journal of Chemical Physics, 1970. 52(10): p. 4977-&. 14. Gamero-Castano, M. and J.F. de la Mora, Kinetics of small ion evaporation from the charge and mass distribution of multiply charged clusters in electrosprays. Journal of Mass Spectrometry, 2000. 35(7): p. 790-803. 15. Gamero-Castano, M. and J.F. de la Mora, Modulations in the abundance of salt clusters in electrosprays. Analytical Chemistry, 2000. 72(7): p. 1426-1429. 16. Loscertales, I.G. and J.F. Delamora, Experiments on the Kinetics of Field Evaporation of Small Ions from Droplets. Journal of Chemical Physics, 1995. 103(12): p. 5041-5060. 17. Rohner, T.C., N. Lion, and H.H. Girault, Electrochemical and theoretical aspects of electrospray ionisation. Physical Chemistry Chemical Physics, 2004. 6(12): p. 3056-3068.

18. Iribarne, J.V. and B.A. Thomson, Evaporation of Small Ions from Charged Droplets.Journal of Chemical Physics, 1976. 64(6): p. 2287-2294. 19. Meng, C.K. and J.B. Fenn, Formation of Charged Clusters during Electrospray Ionization of Organic Solute Species. Organic Mass Spectrometry, 1991. 26(6): p. 542-549. 20. Nohmi, T. and J.B. Fenn, Electrospray Mass-Spectrometry of Poly(Ethylene Glycols) with Molecular-Weights up to 5 Million. Journal of the American Chemical Society, 1992. 114(9): p. 3241-3246. 21. de la Mora, J.F., Electrospray ionization of large multiply charged species proceeds via Dole’s charged residue mechanism. Analytica Chimica Acta, 2000. 406(1): p. 93-104. 22. Iavarone, A.T., J.C. Jurchen, and E.R. Williams, Supercharged protein and peptide lone formed by electrospray ionization. Analytical Chemistry, 2001. 73(7): p. 1455-1460. 23. Hogan, C.J., et al., Charge carrier field emission determines the number of charges on native state proteins in electrospray ionization. Journal of the American Chemical Society, 2008. 130(22): p. 6926-+. 24. Nguyen, S. and J.B. Fenn, Gas-phase ions of solute species from charged droplets of solutions. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2007. 104(4): p. 1111-1117. 25. Luedtke, W.D., et al., Nanojets, electrospray, and ion field evaporation: Molecular dynamics simulations and laboratory experiments. Journal of Physical Chemistry A, 2008. 112(40): p. 9628-9649. 26. Enke, C.G., A predictive model for matrix and analyte effects in electrospray ionization of singly-charged ionic analytes. Analytical Chemistry, 1997. 69(23): p. 4885-4893. 27. Maze, J.T., T.C. Jones, and M.F. Jarrold, Negative droplets from positive electrospray.Journal of Physical Chemistry A, 2006. 110(46): p. 12607-12612. 28. Kebarle, P. and M. Peschke, On the mechanisms by which the charged droplets produced by electrospray lead to gas phase ions. Analytica Chimica Acta, 2000. 406(1): p. 11-35. 29. Loeb, L.B., A.F. Kip, and G.G. Hudson, Pulses in negative point-to-plane corona.Physical Review, 1941. 60(10): p. 714-722. 30. Cole, R.B., Electrospray ionization mass spectrometry : fundamentals, instrumentation, and applications. 1997, New York: Wiley. xix, 577 p. 31. Smith, D.P.H., The Electrohydrodynamic Atomization of Liquids. Ieee Transactions on Industry Applications, 1986. 22(3): p. 527-535. 32. Taylor, G.I. and A.D. Mcewan, Stability of a Horizontal Fluid Interface in a Vertical Electric Field. Journal of Fluid Mechanics, 1965. 22: p. 1-&. 33. Ikonomou, M.G., A.T. Blades, and P. Kebarle, Electrospray Mass-Spectrometry of Methanol and Water Solutions Suppression of Electric-Discharge with Sf6 Gas. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1991. 2(6): p. 497-505.

34. Wampler, F.M., A.T. Blades, and P. Kebarle, Negative-Ion Electrospray Mass-Spectrometry of Nucleotides – Ionization from Water Solution with Sf6 Discharge Suppression. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1993. 4(4): p. 289-295. 35. Marginean, I., P. Nemes, and A. Vertes, Order-chaos-order transitions in electrosprays: The electrified dripping faucet. Physical Review Letters, 2006. 97(6): p. -. 36. Marginean, I., P. Nemes, and A. Vertes, Astable regime in electrosprays. Physical Review E, 2007. 76(2): p. -. 37. Nemes, P., I. Marginean, and A. Vertes, Spraying mode effect on droplet formation and ion chemistry in electrosprays. Analytical Chemistry, 2007. 79(8): p. 3105-3116. 38. Marginean, I., et al., Electrospray characteristic curves: In pursuit of improved performance in the nanoflow regime. Analytical Chemistry, 2007. 79(21): p. 8030-8036. 39. Page, J.S., et al., Subambient pressure ionization with nanoelectrospray source and interface for improved sensitivity in mass spectrometry. Analytical Chemistry, 2008. 80(5): p. 1800-1805. 40. Delamora, J.F. and I.G. Loscertales, The Current Emitted by Highly Conducting Taylor Cones. Journal of Fluid Mechanics, 1994. 260: p. 155-184. 41. Ganan-Calvo, A.M., On the general scaling theory for electrospraying. Journal of Fluid Mechanics, 2004. 507: p. 203-212. 42. Smith, D.R., G. Sagerman, and T.D. Wood, Design and development of an interchangeable nanomicroelectrospray source for a quadrupole mass spectrometer.Review of Scientific Instruments, 2003. 74(10): p. 4474-4477. 43. Barnidge, D.R., S. Nilsson, and K.E. Markides, A design for low-flow sheathless electrospray emitters. Analytical Chemistry, 1999. 71(19): p. 4115-4118. 44. Guzzetta, A.W., R.A. Thakur, and I.C. Mylchreest, A robust micro-electrospray ionization technique for high-throughput liquid chromatography/mass spectrometry proteomics using a sanded metal needle as an emitter. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2002. 16(21): p. 2067-2072. 45. Wilm, M. and M. Mann, Analytical properties of the nanoelectrospray ion source.Analytical Chemistry, 1996. 68(1): p. 1-8. 46. Covey, T.R. and D. Pinto, Practical Spectroscopy. Vol. 32. 2002. 47. Kelly, R.T., et al., Nanoelectrospray emitter arrays providing interemitter electric field uniformity. Analytical Chemistry, 2008. 80(14): p. 5660-5665. 48. Choi, Y.S. and T.D. Wood, Polyaniline-coated nanoelectrospray emitters treated with hydrophobic polymers at the tip. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2007. 21(13): p. 2101-2108. 49. Tojo, H., Properties of an electrospray emitter coated with material of low surface energy. Journal of Chromatography A, 2004. 1056(1-2): p. 223-228.

50. Liu, J., et al., Electrospray ionization with a pointed carbon fiber emitter. Analytical Chemistry, 2004. 76(13): p. 3599-3606. 51. Sen, A.K., et al., Modeling and characterization of a carbon fiber emitter for electrospray ionization. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006. 16(3): p. 620-630. 52. Tang, K.Q., et al., Generation of multiple electrosprays using microfabricated emitter arrays for improved mass spectrometric sensitivity. Analytical Chemistry, 2001. 73(8): p. 1658-1663. 53. Deng, W. and A. Gomez, Influence of space charge on the scale-up of multiplexed electrosprays. Journal of Aerosol Science, 2007. 38(10): p. 1062-1078. 54. Su, S.Q., et al., Microstructured Photonic Fibers as Multichannel Electrospray Emitters.Analytical Chemistry, 2009. 81(17): p. 7281-7287. 55. Sen, A.K., J. Darabi, and D.R. Knapp, Simulation and parametric study of a novel multi-spray emitter for ESI-MS applications. Microfluidics and Nanofluidics, 2007. 3(3): p. 283-298. 56. Hayati, I., A. Bailey, and T.F. Tadros, Investigations into the Mechanism of Electrohydrodynamic Spraying of Liquids .2. Mechanism of Stable Jet Formation and Electrical Forces Acting on a Liquid Cone. Journal of Colloid and Interface Science, 1987. 117(1): p. 222-230. 57. Glonti, G.A., On the Theory of the Stability of Liquid Jets in an Electric Field. Soviet Physics Jetp-Ussr, 1958. 7(5): p. 917-918. 58. Nayyar, N.K. and G.S. Murty, The Stability of a Dielectric Liquid Jet in the Presence of a Longitudinal Electric Field. Proceedings of the Physical Society of London, 1960. 75(483): p. 369-373. 59. Allan, R.S. and S.G. Mason, Particle Behaviour in Shear and Electric Fields .1. Deformation and Burst of Fluid Drops. Proceedings of the Royal Society of London Series a-Mathematical and Physical Sciences, 1962. 267(1328): p. 45-&. 60. Melcher, J.R. and G.I. Taylor, Electrohydrodynamics – a Review of Role of Interfacial Shear Stresses. Annual Review of Fluid Mechanics, 1969. 1: p. 111-&. 61. Saville, D.A., Electrohydrodynamics: The Taylor-Melcher leaky dielectric model. Annual Review of Fluid Mechanics, 1997. 29: p. 27-64. 62. Carretero Benignos, J.A. and Massachusetts Institute of Technology. Dept. of Mechanical Engineering., Numerical simulation of a single emitter colloid thruster in pure droplet cone-jet mode. 2005. p. 117 leaves. 63. Hartman, R.P.A., et al., The evolution of electrohydrodynamic sprays produced in the cone-jet mode, a physical model. Journal of Electrostatics, 1999. 47(3): p. 143-170. 64. Hartman, R.P.A., et al., Electrohydrodynamic atomization in the cone-jet mode physical modeling of the liquid cone and jet. Journal of Aerosol Science, 1999. 30(7): p. 823-849.

65. Yoon, S.S., et al., Modeling multi-jet mode electrostatic atomization using boundary element methods. Journal of Electrostatics, 2001. 50(2): p. 91-108. 66. Zeng, J., D. Sobek, and T. Korsmeyer, Electro-hydrodynamic modeling of electrospray ionization: Cad for a mu fluidic device – Mass spectrometer interface. Boston Transducers’03: Digest of Technical Papers, Vols 1 and 2, 2003: p. 1275-1278, 1938. 67. Lastow, O. and W. Balachandran, Numerical simulation of electrohydrodynamic (EHD) atomization. Journal of Electrostatics, 2006. 64(12): p. 850-859. 68. http://www.flow3d.com. 69. Valaskovic, G.A., et al., Attomole-Sensitivity Electrospray Source for Large-Molecule Mass-Spectrometry. Analytical Chemistry, 1995. 67(20): p. 3802-3805. 70. Kriger, M.S., K.D. Cook, and R.S. Ramsey, Durable Gold-Coated Fused-Silica Capillaries for Use in Electrospray Mass-Spectrometry. Analytical Chemistry, 1995. 67(2): p. 385-389. 71. Fang, L.L., et al., Online Time-of-Flight Mass-Spectrometric Analysis of Peptides Separated by Capillary Electrophoresis. Analytical Chemistry, 1994. 66(21): p. 3696-3701. 72. Cao, P. and M. Moini, A novel sheathless interface for capillary electrophoresis/electrospray ionization mass spectrometry using an in-capillary electrode. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1997. 8(5): p. 561-564. 73. Fong, K.W.Y. and T.W.D. Chan, A novel nonmetallized tip for electrospray mass spectrometry at nanoliter flow rate. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1999. 10(1): p. 72-75. 74. Emmett, M.R. and R.M. Caprioli, Micro-Electrospray Mass-Spectrometry – Ultra-High-Sensitivity Analysis of Peptides and Proteins. Journal of the American Society for Mass Spectrometry, 1994. 5(7): p. 605-613. 75. Gatlin, C.L., et al., Protein identification at the low femtomole level from silver-stained gels using a new fritless electrospray interface for liquid chromatography microspray and nanospray mass spectrometry. Analytical Biochemistry, 1998. 263(1): p. 93-101. 76. Aturki, Z., et al., On-line CE-MS using pressurized liquid junction nanoflow electrospray interface and surface-coated capillaries. Electrophoresis, 2006. 27(23): p. 4666-4673. 77. Edwards, J.L., et al., Negative mode sheathless capillary electrophoresis electrospray ionization-mass spectrometry for metabolite analysis of prokaryotes. Journal of Chromatography A, 2006. 1106(1-2): p. 80-88. 78. http://www.kiriama.com/kiriama%20single-mode%20polymer%20fibers_009.htm. 79. Wilm, M.S. and M. Mann, Electrospray and Taylor-Cone Theory, Doles Beam of Macromolecules at Last. International Journal of Mass Spectrometry, 1994. 136(2-3): p. 167-180.

80. Hirt, C.W. and B.D. Nichols, Volume of Fluid (Vof) Method for the Dynamics of Free Boundaries. Journal of Computational Physics, 1981. 39(1): p. 201-225. 81. Melcher, J.R., Continuum electromechanics. 1981, Cambridge, Mass.: MIT Press. 1 v. (various pagings). 82. http://www.flow3d.com/cfd-101/cfd-101-FAVOR.html. 83. http://www.flow3d.com/cfd-101/cfd-101-FAVOR-no-loss.html. 84. Savage, B.M. and M.C. Johnson, Flow over ogee spillway: Physical and numerical model case study. Journal of Hydraulic Engineering-Asce, 2001. 127(8): p. 640-649. 85. http://www.flow3d.com/cfd-101/cfd-101-free-surface-fluid-flow.html. 86. Graham T. T. Gibson, R.D.W.a.R.D.O., Multiple electrosprays generated from a single poly carbonate microstructured fibre. Mass Spectrometry, 2011. 87. Smith, R.D., et al., Analytical characterization of the electrospray ion source in the nanoflow regime. Analytical Chemistry, 2008. 80(17): p. 6573-6579. 88. Hirt, C.W., Electro-hydrodynamics of semi-conductive fluids: with application to electro-spraying. Flow Science Technical Note, 2004. 70(FSI–04–TN70): p. 1-7. 89. de la Mora, J.F., The fluid dynamics of Taylor cones. Annual Review of Fluid Mechanics, 2007. 39: p. 217-243. 90. Cloupeau, M. and B. Prunetfoch, Electrostatic Spraying of Liquids in Cone-Jet Mode.Journal of Electrostatics, 1989. 22(2): p. 135-159. 91. Hayati, I., A.I. Bailey, and T.F. Tadros, Investigations into the Mechanisms of Electrohydrodynamic Spraying of Liquids .1. Effect of Electric-Field and the Environment on Pendant Drops and Factors Affecting the Formation of Stable Jets and Atomization. Journal of Colloid and Interface Science, 1987. 117(1): p. 205-221. 92. FLOW-3D User Manual, Ver. 9.4. 93. Sen, A.K., J. Darabi, and D.R. Knapp, Analysis of Droplet Generation in Electrospray Using a Carbon Fiber Based Microfluidic Emitter. Journal of Fluids Engineering-Transactions of the Asme, 2011. 133(7).

ANSI/HI 9.8 Pump Intake Design

Hydraulic Jump in a Trench Type Pump Sump

트렌치 형 펌프 배수 조의 유압 점프

이 기사는 Ibis Group의 대표인 Steve Saunders가 기고했습니다.

유압 점프는 개방형 채널 애플리케이션으로 작업하는 사람들에게 친숙한 흐름 현상입니다. Wikipedia는 수력 점프를 “개방형 채널 흐름이 초-임계에서 아임계로 갑자기 변환되는 조건”으로 정의합니다. 점프가 발생하는 위치에서 속도 헤드가 수면 상승으로 거래되는 것을 관찰 할 수 있습니다. 방수로와 같은 흐름 제어 응용 분야에서 수압 점프는 침식을 완화하기 위해 에너지를 소산하는 수단으로 의도적으로 설정됩니다. 또한 레크리에이션 목적으로 사용됩니다. 유압 점프로 생성된 정상 파도는 어떤 바다에서든 수천 마일 떨어진 서핑 공원에서 타는 방법을 서퍼를 훈련시키는데 사용됩니다. 유압 점프의 새로운 응용 분야는 점프의 에너지 전달이 다시 중단되고 정상적인 펌핑 작업 중에 침전된 고형물을 제거하는 자가 세척 트렌치 유형 펌프 섬프(sump)입니다.

트렌치 유형 집수 펌프 시뮬레이션
FLOW-3D는 유압 점프 시뮬레이션에서 신뢰할 수 있는 도구로 입증되었으며 자가 세척 트렌치 유형 펌프 섬프의 설계 및 시연에 사용되었습니다. 트렌치 형 펌프 섬프는 펌프 흡입 라인이 있는 좁은 채널로 구성됩니다. 일반적인 응용 분야는 들어오는 물에서 모래와 자갈을 걸러내는 입구 스크린이 없는 빗물 수집입니다. 아래 회로도에 예가 나와 있습니다.

ANSI/HI 9.8 Pump Intake Design
ANSI/HI 9.8 Pump Intake Design

이 수치는 ANSI / HI 9.8 펌프 흡기 설계 매뉴얼에서 발췌한 것이며 4 개의 펌프가 설치된 섬프의 평면도 및 입면도를 보여줍니다. 유입 암거, 웅덩이 바닥 및 펌프 흡입 바닥을 벗어난 높이의 배열은 이 설계 유형의 자체 청소 기능에 매우 중요합니다. 유입 암거는 최소 작동 웅덩이 수위보다 높은 고도에 있습니다. 또한 유입단의 ​​트렌치 벽은 Ogee 모양입니다. 마지막으로, 트렌치의 맨 끝에 있는 펌프 흡입 벨은 상류 펌프의 절반 높이에 설정됩니다.

Designing for Storm Events

폭풍이 닥친 후 모래와 자갈이 웅덩이 바닥에 쌓입니다. 그들은 점진적인 유압 점프를 통해 다시 매달리고 빠져 나갑니다. 청소 주기 동안 물은 유입 암거를 통해 유입되는 것보다 더 빠른 속도로 트렌치의 맨 끝에 있는 하부 펌프에 의해 배출됩니다.

이 시퀀스 동안 유압 점프는 두 가지 중요한 역할을 수행합니다. 점프 업스트림의 초임계 부분은 섬프 바닥의 모래와 자갈을 휘감아 펌핑이 되도록 다시 일시 중단합니다. 애니메이션의 색상 스케일을 보면 ogee 바닥의 수색 속도가 약 9ft/sec에 가깝다는 것을 알 수 있습니다. 한편, 점프 하류의 계단식 수면 상승은 하단 펌프에 충분한 잠수를 제공하여 섬프가 펌핑 될 때까지 계속 작동합니다.

물이 최소 정상 작동 수준 아래로 떨어지면 유입이 Ogee 모양의 벽 아래로 가속되어 궁극적으로 초임계가됩니다. 섬프의 수위가 바닥에 가까워지면 수압 점프가 형성되고 하단 원단 펌프가 흡입력을 잃을 때까지 섬프를 따라 진행됩니다. 아래 애니메이션에서 이런 일이 일어나는 것을 관찰 할 수 있습니다.

The Magnolia Storm Water Pumping Station

이 자체 세척 섬프 응용 분야에 FLOW-3D를 사용하면 트렌치 형상을 쉽게 조정하여 유압 점프 동작을 최적화 할 수 있습니다. 텍사스 엘파소에있는 Magnolia Storm Water Pumping Station은 FLOW-3D가 설계 및 평가 도구로 사용 된 예입니다. 2016 년에 시운전 된 Magnolia Storm Water Pumping Station은 폭우시 고속도로 10 번의 홍수를 방지하기 위해 건설되었습니다.

Magnolia 스테이션은자가 세척 트렌치 유형 섬프에 3 개의 대형 수직 터빈 펌프로 구성됩니다. 섬프 설계 과정에서 FLOW-3D를 사용하여 몇 가지 기하학적 변형을 평가하여 자체 세척 기능을 통해 펌프 작동 효율성 및 유지 보수 용이성에 이상적인 구성에 도달했습니다.

수자원/수처리/환경분야

수자원 분야

Water & Environmental

FLOW-3D는 작은 하수 처리 시스템부터 대형 수력 발전 프로젝트까지 수처리 및 환경 산업에 직면한 광범위한 문제를 해결할 수 있는 뛰어난 CFD 소프트웨어 입니다. FLOW-3D는 시뮬레이션의 복잡성을 감소시키고 최적의 솔루션에 대해 노력을 집중할 수 있도록 해줍니다. 이를 통해 통해 파악된 가치 있는 통찰력은 귀하의 상당한 시간과 비용을 절약 할 수 있습니다.

실제 지형을 적용하여 3차원 shallow water hybrid model을 이용한 댐 붕괴 시뮬레이션

FLOW-3D는 자유표면 흐름이 있는 수치해석 알고리듬에 의해 유동의 표면이 시공간적으로 변하는 모사를 위한 이상적인 도구라고 할 수 있습니다. 자유 표면은 물과 공기 같은 높은 비율의 밀도 변화를 가지는 유체들 사이의 특정한 경계를 일컫습니다. 자유 표면 흐름을 모델링하는 것은 일반적인 유동방정식과 난류 모델이 결합된 고급 알고리즘을 필요로 합니다. 이 기능은 FLOW-3D로 하여금 침수 구조에 의해 형성된 방수, 수력 점프 및 수면 변화의 흐름의 궤적을 포착 할 수 있습니다.


Bibliography & Technical Data

The 3D computational domain model (50–18.6) slope change, and boundary condition for (50–30 slope change) model.

Numerical investigation of flow characteristics over stepped spillways

Güven, AytaçMahmood, Ahmed HusseinWater Supply (2021) 21 (3): 1344–1355.https://doi.org/10.2166/ws.2020.283Article history Abstract Spillways are constructed to evacuate flood discharge safely so ...
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图 6 各流量监测断面位置

Study on the downstream impact of the numerical simulation of tailings library based on FLOW-3D

Jiahao Hu1, Chengwei Na1 and Yi Wang1 Published under licence by IOP Publishing LtdIOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Volume ...
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Gambar 1-6 : Banjir Di Jalan Pagarsih Akibat Banjir Sungai Citepus

연구 제안-혁신적 생산적 연구 자금 (RISPRO) INVITATION

홍수 재해 완화 기술 정책 개발 반둥 분지 지역 이 제안된 연구의 제목, 즉 반둥 분지 지역의 홍수 재해 완화를 ...
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Figure 47: The course of the level on the physical model [22]

NUMERICAL MODELLING OF FLOW IN SPILLWAY

Author Svoboda, JiříContributors Jandora, Jan (advisor); Holomek, Petr (referee) Abstract 이 학위 논문의 주제는 Boskovice 상수도의 안전 배수로에서 유량 수치 ...
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Figure 6. Maximum inundation field in simulations with (a) no barrier on the seawall (red line), (b) a 1 m barrier across the entire sea wall, and (c) a 1.7 m barrier partially installed on the seawall.

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

Jae-Seol Shim†, Jinah Kim†, Dong-Chul Kim‡, Kiyoung Heo†, Kideok Do†, Sun-Jung Park ‡† Coastal Disaster Research Center,Korea Institute of Ocean ...
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Figure 14. Results of 3D flow simulation for V = 0.82 m/s: (a) perspective view of velocity field on the free surface, (b) top view of velocity field on the free surface, (c) velocity field in the horizontal plane at half-length section of the rotor, and (d) velocity field in the rotor symmetry plane.

Experimental Method for the Measurements and Numerical Investigations of Force Generated on the Rotating Cylinder under Water Flow

by Teresa Abramowicz-Gerigk 1,*,Zbigniew Burciu 1,Jacek Jachowski 1,Oskar Kreft 2,Dawid Majewski 3,Barbara Stachurska 3,Wojciech Sulisz 3 andPiotr Szmytkiewicz 3 1Faculty ...
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Figure 4. Structure of artificial neural network [37]

Turbulent Flow Modeling at Tunnel Spillway Concave Bends and Prediction of Pressure using Artificial Neural Network

터널 배수로 오목 굴곡에서 난류 유동 모델링 인공 신경망을 이용한 압력 예측 및 예측 Zeinab Bashari Moghaddam 1Hossein Mohammad Vali ...
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Fig. 1 Fixed staff gauge for head measurement at the upstream side of the Yuanshanzi Flood Diversion Work in the Keelung River, Taiwan

Velocity distribution and discharge calculation at a sharp-crested weir

Shun-Chung Tsung • Jihn-Sung Lai •Der-Liang Young sharp-crested weir에서 속도 분포 및 배출 계산 개방 수로의 harp-crested 위어는 수두-방류 관계를 ...
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Fig. 4 Current lines in the horizontal level in: a 0.70 and b 14 cm from the streambed in tandem pies

3D numerical simulation of flow field around twin piles

트윈 말뚝 주위의 유동장 3D 수치 시뮬레이션 Amini, A; Parto, AAAmini, A (reprint author), AREEO, Kurdistan Agr & Nat Resources ...
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Figure 1. Sketch map of the port Laozi on Lake Hongze

FLOW-3D software for substantiation the layout of the port water area

항구 수역의 레이아웃을 입증하기 위한 FLOW-3D 소프트웨어 B Pan1 and N Belyaev21 Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University, St ...
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FLOW-3D Water & Environmental Brochure (FSI) Bibliography

Models

Case Studies

Conference Proceedings

유압 헤드 계산에서는 유선이 평행하다고 가정

FLOW-3D Output variables(출력 변수)

Output variables(출력 변수)

FLOW-3D에서 주어진 시뮬레이션의 정확한 출력은 어떤 물리적 모델, 출력 위젯에 정의된 추가 출력 및 특정 구성 요소별 출력에 따라 달라집니다. 이 문서는 FLOW-3D의 출력에 대해 좀 더 복잡한 출력 변수 중 일부를 참조하는 역할을 합니다.

FLOW-3D Additional output
FLOW-3D Additional output

Distance Traveled by Fluid(유체로 이동 한 거리)

때로는 유체 입자가 이동한 거리가 중요한 경우도 있습니다. FLOW-3D에서 사용자는 모델 설정 ‣ 출력 위젯에서 유체가 이동한 거리에 대한 출력을 요청할 수 있습니다. 이 기능은 유체가 흐름 영역(경계 또는 질량 소스를 통해)에 들어간 시간 또는 유체가 도메인을 통해 이동한 거리를 계산합니다. 이 기능은 모든 시뮬레이션에도 사용할 수 있으며, 특별한 모델을 사용할 필요가 없으며, 흐름에도 영향을 미치지 않습니다. 이 모델을 사용하려면 출력 위젯으로 이동하고 추가 출력 섹션에서 “Distance traveled by fluid” 옆의 체크상자를 선택하십시오.

 노트

추가 출력 섹션은 출력 위젯의 모든 탭에서 사용할 수 있습니다.

유체 도착 시간

유체 도착 시간을 아는 것은 종종 유용합니다. 예를 들어 주조 시뮬레이션에서 주입 시간을 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 제어 볼륨은 충전 프로세스 동안 여러 번 채워지고 비워지기 때문에 계산 셀이 채워지는 처음과 마지막 시간 모두 기록되고, 후 처리를 위해 저장될 수 있습니다. 이 작업은 출력 위젯과 추가 출력 섹션 내에서 유체 도착 시간 확인란을 선택하여 수행됩니다.

 노트

이 출력 옵션은 1 유체 자유 표면 흐름에만 사용할 수 있습니다.

유체 체류 시간

때로는 유체가 계산 영역 내에서 보내는 시간인 체류시간을 아는 것이 유용합니다. 이는 출력 ‣ Output ‣ Additional Output ‣ Fluid residence time 확인란을 선택하여 수행합니다. 여기서 S로 지정된 이 변수에 대한 전송 방정식은 단위 소스 항과 함께 Solve됩니다.

유체 체류 시간(Fluid residence time)
유체 체류 시간(Fluid residence time)

여기에서 t는 시간이며 u는 유체 속도입니다.

S의 단위는 시간이다. 계산 도메인에 들어가는 모든 유체에 대한 S의 초기값은 0입니다.

의 값은 항상 second order체계를 가진 데이터로부터 근사치를 구합니다.

이 출력 옵션은 1 유체 및 2 유체 유량 모두에 사용할 수 있습니다.

 노트

경계 조건 또는 소스에서 도메인으로 유입되는 유체가 이미 도메인에 있는 유체와 혼합될 때 체류가 감소하는 것처럼 보일 수 있습니다.

Wall Contact Time

벽면 접촉 시간 출력은 (1)개별 유체 요소가 특정 구성 요소와 접촉하는 시간 및 (2)특정 구성 요소가 유체와 접촉하는 시간을 추적합니다. 이 모델은 액체 금속이 모래 오염물과 접촉했을 때 오염과 상관 관계가 있는 proxy 변수를 제공하기 위한 것입니다. 이 출력은 최종 주조물에서 오염된 유체가 어디에 있는지 확인하는 데 사용될 수 있습니다. 접촉 시간 모델의 또 다른 해석은, 예를 들어, 용해를 통해 다소 일정한 비율로 화학물질을 방출하는 물에 잠긴 물체에 의한 강의 물의 오염입니다.

모델은 Model Setup ‣ Output ‣ Wall contact time 박스를 확인하여 활성화됩니다. 또한 Model Setup ‣ Output ‣ Geometry Data section의 각 구성요소에 대해 해당 구성요소를 계산에 포함하기 위해 반드시 설정해야 하는 Contact time flag가 있습니다.

 추가 정보

Wall Contact Time with Fluid and Component Properties: Contact Time with Fluid for more information on the input variables를 참조하십시오.

 노트

이 모델은 실제 구성 요소, 즉 고체, 다공성 매체, 코어 가스 및 충전 퇴적물 구성 요소로 제한됩니다. 접촉 시간은 유체 # 1과 관련해서만 계산됩니다.

2. 형상 데이터
2. 형상 데이터

Component wetted are

Fluid 1과 접촉하는 구성 요소의 표면 영역은 관심 구성 요소에 대한 Model Setup ‣ Output ‣ Geometry Data ‣ Wetted area 옵션을 활성화하여 History Data로 출력 될 수 있습니다.

구성 요소의 힘과 토크

Forces

Model Setup ‣ Output ‣ Geometry Data ‣ Forces 옵션을 활성화하면 부품에 대한 압력, 전단력, 탄성 및 벽 접착력을 History Data에 출력할 수 있습니다.

압력을 가지지 않은 셀(즉, 도메인 외부에 있거나 다른 구성 요소 안에 있는 셀)이 구성 요소 주변의 각 셀에 대한 압력 영역 제품을 합산하는 동안 어떻게 처리되는지를 제어하는 압력 계산에 대한 몇 가지 추가 옵션이 있습니다. 기본 동작은 이러한 셀에서 사용자 정의 기준 압력을 사용하는 것입니다. 지정되지 않은 경우 기준 압력은 초기 무효 압력인 PVOID로 기본 설정됩니다. 또는, 코드는 Reference pressure is code calculated 옵션을 선택하여 구성요소의 노출된 표면에 대한 평균 압력을 사용할 수 있습니다.

마지막으로, 일반 이동 물체의 경우, 규정된/제약을 받는 대로 물체를 이동시키는 힘을 나타내는 잔류 힘의 추가 출력이 있습니다.

Torques

Model Setup ‣ Output ‣ Force 옵션이 활성화되면 구성 요소의 토크가 계산되고 History Data에 출력됩니다. 토크는 힘-모멘트에 대한 기준점 X, 힘-모멘트에 대한 기준점 Y, 정지 구성 요소에 대한 힘-모멘트 입력에 대한 기준점 Z에 의해 지정된 지점에 대해 보고됩니다. 참조점의 기본 위치는 원점입니다.

General Moving Objects에는 몇 가지 추가 참고 사항이 있습니다. 첫째, 토크는 (1) 6-DOF 동작의 질량 위치 중심 또는 (2)고정축 및 고정점 회전의 회전 축/점에 대해 보고됩니다. 힘에서 행해지는 것과 마찬가지로, 규정된/제한된 바와 같이 물체를 이동시키는 토크를 나타내는 잔류 토크의 출력도 있습니다.

 노트

힘 및 토크 출력은 각 지오메트리 구성 요소의 일반 히스토리 데이터에 기록됩니다. 출력은 개별 힘/토크 기여 (예: 압력, 전단, 탄성, 벽 접착) 및 개별 기여도의 합으로 계산된 총 결합력/토크로 제공됩니다.

Buoyancy center and metacentric height (부력 중심 및 메타 중심 높이)

일반 이동 객체의 부력과 안정성에 대한 정보는 각 구성 요소에 대해 모델 설정 Setup 출력 ‣ 기하학적 데이터 ‣ 부력 중심 및 도량형 높이 옵션을 활성화하여 History Data에서 출력할 수 있습니다. 이렇게 하면 구성 요소의 중심 위치와 중심 높이가 출력됩니다.

  1. Advanced

FLOW-3D Advanced Output Option
FLOW-3D Advanced Output Option

Fluid vorticity & Q-criterion(유체 와동 및 Q 기준)

와동구성 요소뿐만 아니라 와동 구조를 위한 Q-criterion을 계산하고 내보내려면 Model Setup ‣ Output ‣ Advanced 탭에서 해당 확인란을 클릭하여 유체 와동 & Q-criterion을 활성화하십시오.

여기에서:

:  소용돌이 벡터의 다른 구성 요소

 Q-criterion은 속도 구배 텐서의 2차 불변성을 갖는 연결된 유체 영역으로 소용돌이를 정의합니다. 이는 전단 변형률과 와류 크기 사이의 국부적 균형을 나타내며, 와류 크기가 변형률의 크기보다 큰 영역으로 와류를 정의합니다.

Hydraulic Data and Total Hydraulic Head 3D

Hydraulic Data

깊이 기준 유압 데이터를 요청하려면 출력 ‣ 고급으로 이동한 후 유압 데이터 옆의 확인란을 선택하십시오(심층 평균 값과 중력을 -Z 방향으로 가정).

이 옵션은 FLOW-3D가 유압 시뮬레이션에 유용할 수 있는 추가 깊이 평균 데이터를 출력하도록 합니다.

  • Flow depth
  • Maximum flow depth
  • Free surface elevation
  • Velocity
  • Offset velocity
  • Froude number
  • Specific hydraulic head
  • Total hydraulic head

이 수량 각각에 대해 하나의 값 이 메쉬의 모든 (x, y) 위치에서 계산되고 수직 열의 모든 셀에 저장됩니다 (이 수량이 깊이 평균이기 때문에 z 방향으로 데이터의 변화가 없습니다). 변수는 정확도를 보장하기 위해주기마다 계산됩니다. 모든 경우에,  깊이 평균 속도, z- 방향  의 중력 가속도, 유체 깊이, 및 컬럼 내 유체의 최소 z- 좌표입니다.

  • 자유 표면 고도는 수직 기둥의 맨 위 유체 요소에 있는 자유 표면의 z-좌표로 계산됩니다.
  • The Froude number 은   

식으로 계산됩니다.

  • 유체 깊이는 깊이 평균 메쉬 열의 모든 유체의 합으로 계산됩니다.

특정 유압 헤드 

및 총 유압 헤드

변수는 다음에서 계산됩니다.  

 노트

  • 깊이 기준 유압 출력 옵션은 예리한 인터페이스가 있고 중력이 음의 z 방향으로 향할 때에만 유체 1에 유효합니다.
  • 유압 헤드 계산은 스트림 라인이 평행하다고 가정한다는 점을 유념해야 합니다. 예를 들어 플럭스 표면이 재순환 흐름 영역에 배치되는 경우 이 문제가 발생할 수 있습니다. 이 경우, 유량 표면에서 보고된 유량 평균 유압 헤드는 헤드의 계산에서 흐름 방향이 무시되기 때문에 예상보다 클 수 있습니다.

Total Hydraulic Head 3D(총 유압 헤드 3D)

또한 총 유압 헤드 3D 옵션을 확인하여 국부적(3D) 속도 필드, 플럭스 표면에서의 유압 에너지(배플 참조) 및 플럭스 기반 유압 헤드를 사용하여 유체 1의 총 헤드를 계산할 수 있다. 3D 계산은 국부 압력을 사용하여 수행되며(즉, 압력이 유체 깊이와 관련이 있다고 가정하지 않음) 원통 좌표와 호환됩니다.

 노트

  • 유압 헤드 계산은 스트림 라인이 평행하다고 가정한다는 점을 유념해야 한다. 예를 들어 플럭스 표면이 재순환 흐름 영역에 배치되는 경우 문제가 발생할 수 있습니다. 이 경우, 플럭스 표면에서 보고된 유량 평균 유압 헤드는 헤드의 계산 시 흐름 방향이 무시되기 때문에 예상보다 클 수 있습니다.
  • 3D 유압 헤드 계산은 입력 파일에 중력이 정의되지 않은 경우 중력 벡터의 크기를 1로 가정합니다.

Flux-averaged hydraulic head

특정 위치 (즉, 배플)의 플럭스 평균 유압 헤드는 다음과 같이 계산됩니다.

Flux-averaged hydraulic head
Flux-averaged hydraulic head

유압 헤드 계산에서는 유선이 평행하다고 가정합니다. 예를 들어 플럭스 표면이 재순환 흐름 영역에 배치된 경우 (예: 아래에 표시된 것과 같이) 문제가 될 수 있습니다.

유압 헤드 계산에서는 유선이 평행하다고 가정




유압 헤드 계산에서는 유선이 평행하다고 가정

이 경우 플럭스 표면에 보고된 플럭스 평균 유압 헤드는 헤드 계산 시 흐름 방향이 무시되므로 예상보다 클 수 있습니다.

FLOW-3D에는 History Probes, Flux surface, Sampling Volumes의 세 가지 주요 측정 장치가 있습니다. 이러한 장치를 시뮬레이션에 추가하는 방법은 모델 설정 섹션에 설명되어 있습니다(측정 장치 참조). 이들의 출력은 기록 데이터 편집 시간 간격으로 flsgrf 파일의 일반 기록 데이터 카탈로그에 저장됩니다. 이러한 결과는 Analyze ‣ Probe 탭에서 Probe Plots을 생성하여 액세스할 수 있습니다.

히스토리 프로브 출력

히스토리 프로브를 생성하는 단계는 모델 설정 섹션에 설명되어 있습니다(기록 프로브 참조). 시뮬레이션에 사용된 물리 모델에 따라 각각의 History Probe에서 서로 다른 출력을 사용할 수 있습니다. 프로브를 FSI/TSE로 지정하면 유한 요소 메시 안에 들어가야 하는 위치에서 응력/스트레인 데이터만 제공한다. 유체 프로브가 솔리드 형상 구성 요소에 의해 차단된 영역 내에 위치하는 경우, 기하학적 구조와 관련된 수량(예: 벽 온도)만 계산된다. 일반적으로 프로브 좌표에 의해 정의된 위치에서 이러한 양을 계산하려면 보간이 필요하다.

플럭스 표면 출력

플럭스 표면은 이를 통과하는 수량의 흐름을 측정하는데 사용되는 특별한 물체입니다. 플럭스 표면을 만드는 단계는 모델 설정 섹션에 설명되어 있습니다(플럭스 표면 참조). 각 플럭스 표면에 대해 계산된 수량은 다음과 같습니다.

  • Volume flow rate for fluid #1
  • Volume flow rate for fluid #2 (for two-fluid problems only)
  • Combined volume flow rate (for two-fluid problems only)
  • Total mass flow rate
  • Flux surface area wetted by fluid #1
  • Flux-averaged hydraulic head when 3D Hydraulic Head is requested from additional output options
  • Hydraulic energy flow when hydraulic data output is requested
  • Total number of particles of each defined species in each particle class crossing flux surface when the particle model is active
  • Flow rate for all active and passive scalars this includes scalar quantities associated with active physical models (eg. suspended sediment, air entrainment, ect.)

 노트

  • 유속과 입자수의 기호는 유동 표면을 설명하는 함수의 기호에 의해 정의된 대로 흐름이나 입자가 플럭스 표면의 음에서 양으로 교차할 때 양의 부호가 됩니다.
  • 플럭스 표면은 각 표면의 유량과 입자 수가 정확하도록 그들 사이에 적어도 두 개의 메쉬 셀이 있어야 합니다.
  • 유압 데이터 및 총 유압 헤드 3D 옵션을 사용할 때는 유압 헤드 계산이 스트림 라인이 평행하다고 가정한다는 점을 유념해야 한다. 예를 들어 플럭스 표면이 재순환 흐름 영역에 배치되는 경우 이 문제가 발생할 수 있습니다. 이 경우, 유량 표면에서 보고된 유량 평균 유압 헤드는 헤드의 계산에서 흐름 방향이 무시되기 때문에 예상보다 클 수 있습니다.

샘플링 볼륨 출력

샘플링 볼륨은 해당 범위 내에서 볼륨을 측정하는 3 차원 데이터 수집 영역입니다. 샘플링 볼륨을 만드는 단계는 모델 설정 섹션에 설명되어 있습니다(샘플링 볼륨 참조). 각 샘플링 볼륨의 계산 수량은 다음과 같습니다.

  • 시료채취량 내에서 #1 유체 총량
  • 시료채취량 내 #1 유체질량 중심
  • 샘플링 용적 가장자리에 위치한 솔리드 표면을 포함하여 샘플링 용적 내의 모든 벽 경계에 작용하는 좌표계의 원점에 상대적인 유압력 및 모멘트.
  • 샘플링 용적 내 총 스칼라 종량: 이것은 부피 적분으로 계산되므로 스칼라 양이 질량 농도를 나타내면 샘플링 용적 내의 총 질량이 계산된다. 거주 시간과 같은 일부 종의 경우, 평균 값이 대신 계산됩니다.
  • 샘플링 볼륨 내의 입자 수: 각 샘플링 볼륨 내에 있는 각 입자 등급의 정의된 각 종별 입자 수(입자 모델이 활성화된 경우)
  • 운동 에너지, 난류 에너지, 난류 소실율 및 와류에 대한 질량 평균
  • 표본 체적의 6개 경계 각각에서 열 유속: 유체 대류, 유체 및 고체 성분의 전도 및 유체/구성 요소 열 전달이 포함됩니다. 각 플럭스의 기호는 좌표 방향에 의해 결정되는데, 예를 들어, 양방향의 열 플럭스도 양수입니다. 출력에서 확장 또는 최대 디버그 수준을 선택하지 않는 한 이러한 디버그 수준은 fsplt에 자동으로 표시되지 않습니다.

FLOW-3D 및TruVOF는 미국 및 기타 국가에서 등록 상표입니다.

Figure 1. Right: Absolute velocities in the vertical sluice gate fish pass. Level difference between the pools is 0.20 m. Left: Isosurface of the surface structure (blue), Right and left: Isosurface of absolute velocity 1.50 m/s (yellow)

Success Criterion for Fish Passages |수력 발전소 물고기 통로

São Roque 수력 발전소 물고기 통로

이 기사는 Matthias Haselbauer, RMD Consult  및 Carlos Barreira Martinez (  Minas Gerais 연방 대학교) 가 기고했습니다  .

브라질에서는 지난 150 년 동안 지표수의 사용이 지속적으로 증가했습니다. 항행성을 유지하고, 수력을 생성하고, 홍수를 방지하기 위해 자연 흐름을 방해하는 많은 장애물과 우회로가 세워졌습니다. 강에 서식하는 물고기 및 기타 작은 동물은 이러한 변화로 고통 받습니다. 일부 종의 멸종 시점까지 어류 수가 크게 감소한 것이 관찰되었습니다. 어류, 조류 및 포유류 개체수가 동시에 감소함에 따라 먹이 사슬에 대한 인간의 엄청난 영향이 분명해졌습니다.

강을 물고기를 위해 개방하기 위해 브라질에 많은 수의 물고기 통로가 건설되었지만 생물학적 및 기술적 측면에서 효율성이 떨어지는 경우가 많았습니다. 종종 1 차원적이고 경험적인 가정을 사용하여 설계된 통로의 흐름 상황은 과도한 선택과 열악한 위치를 초래합니다. 전통적인 1 차원 디자인의 물고기 통로와 달리 오늘날 더 적절한 도구를 사용할 수 있습니다. CFD (전산 유체 역학) 시뮬레이션을 사용하면 평균 속도 필드 뿐만 아니라 물고기 통로의 유용성에 상당한 영향을 미치는 과도 흐름 효과를 조사 할 수 있습니다. 최적의 결과를 얻으려면 설계 프로세스에서 수력 학적 고려 사항과 생물학적 고려 사항의 결합이 필수적입니다.

이 연구에서는주기적인 수직 수문 물고기 통로 내부의 난류 응집 구조에 대해 논의합니다. 길이가 4.50m이고 너비가 각각 3.30 인 두 개의 웅덩이 사이에서 흐름은 0.50m의 확장이 있는 작은 수직 개구부를 통과해야 합니다 (그림 1). 

CFD 시뮬레이션은 FLOW-3D 로 수행되었습니다 . 흐름 방향의 주기적 경계 조건에서 달성 가능한 해상도는 약 2.5cm입니다. 두 웅덩이 사이의 수면 Δh의 레벨 차이는 20cm였다. 따라서 절대 속도의 최대 값은 약 2m / s ≈ Δh * 2g입니다. 전체 위치 에너지는 운동 에너지로 변환되고 나중에 풀에서 소멸됩니다. 제트가 벽에서 분리되는 고속 영역이 형성됩니다.

절대 속도 수문 물고기 통과
그림 1. 오른쪽 : 수직 수문 물고기 통과의 절대 속도. 수영장 사이의 레벨 차이는 0.20m입니다. 왼쪽 : 표면 구조의 등면 (파란색), 오른쪽 및 왼쪽 : 절대 속도 1.50m / s (노란색)의 등면

LES (Large Eddy Simulation)를 통해 순간 흐름 영역에 대한 자세한 분석이 가능했습니다. 속도 및 난류 장의 분포와 풀 내의 일관된 난류 구조는 물고기의 행동을 더 잘 이해할 수있게했습니다.

난류 압력 변동

순간 속도 또는 압력 필드는 평균 값과 해당 변동으로 나눌 수 있습니다. 변동 압력에 대한 각 방정식은 다음과 같습니다.

{\tilde{p}}’=\tilde{p}-\left\langle {\tilde{p}} \right\rangle

난류 압력 장을 살펴보면 와류 내부의 난류 압력이 음수임을 알 수 있습니다. 난류 압력의 국부적 최소값은 그림 2와 같이 대규모 와류의 코어를 나타냅니다. 물고기 통로에서 여러 개의 수평 롤러가 관찰 될 수 있습니다. 와류는 수 문의 전 단층 내부에 형성됩니다. 정점의 주행 거리가 증가하면 와류 직경이 증가하고 난류 압력 진폭이 감소하여 롤러 내부의 난류 압력이 증가합니다.

일관된 구조와 관련하여 개방 채널 흐름의 난류 압력을 분석하는 것은 매우 어렵습니다. 대규모 와류는 직접 관찰로 거의 감지 할 수 없습니다. 이는 수면의 변동과 전체 전류 내부의 관련 압력 변동 때문입니다. 표면파에 의해 유발 된 압력 변동은 다음 지수 법칙에 따라 수심 z에 따라 감소합니다 [Kundu, 2004] :

{p}’\propto {{e}^{{-kz}}}

난류 압력 장을 살펴보면 와류 내부의 난류 압력이 음수임을 알 수 있습니다. 난류 압력의 국부적 최소값은 그림 2와 같이 대규모 와류의 코어를 나타냅니다. 물고기 통로에서 여러 개의 수평 롤러가 관찰 될 수 있습니다. 와류는 수 문의 전 단층 내부에 형성됩니다. 정점의 주행 거리가 증가하면 와류 직경이 증가하고 난류 압력 진폭이 감소하여 롤러 내부의 난류 압력이 증가합니다.

개방 채널 흐름의 난류 압력
그림 2 : 난류 압력 변동의 등면 = -500 Pa.

일관된 구조와 관련하여 개방 채널 흐름의 난류 압력을 분석하는 것은 매우 어렵습니다. 대규모 와류는 직접 관찰로 거의 감지 할 수 없습니다. 이는 수면의 변동과 전체 전류 내부의 관련 압력 변동 때문입니다. 표면파에 의해 유발 된 압력 변동은 다음 지수 법칙에 따라 수심 z에 따라 감소합니다 [Kundu, 2004] :

서로 다른 압력 변동의 중첩으로 인해 표면 근처의 대규모 일관된 구조를 감지하기가 어렵습니다.

Q- 기준

와류 감지를위한 또 다른 도구는 Dubrief (2000)와 Hunt (1988)가 제안했으며, 이들은 압력, 와도 및 Q- 기준의 등면을 비교했습니다. Q- 기준은 다음과 같이 계산됩니다.

\displaystyle {{\tilde{\Omega }}{{ij}}}=\frac{1}{2}\left( {\frac{{\partial {{{\tilde{U}}}{i}}}}{{{{x}{j}}}}-\frac{{{{{\tilde{U}}}{j}}}}{{\partial {{x}_{i}}}}} \right)

\displaystyle {\tilde{\Omega }}{ij}=\frac{1}{2}\left( {\frac{\tilde{U}{i}} {x}{j}-\frac{\tilde{U}{j}} {x}_{i}} \right)

공간적으로 필터링 된 속도 구배의 비대칭 및 대칭 부분. 그림 3에서는 Q ~ = 50s-2의 계산 된 등가 곡면이 표시됩니다. Q- 기준으로 소규모 와류가 감지됩니다. 난류 압력 변동과는 달리, Q- 기준 계산을 위해 자유 표면 상태는 탐지 가능성을 방해하지 않습니다. 이는 ∇²p 계산에 선형 정압 분포가 사용되지 않기 때문 입니다. 흐름에서 흐름 방향으로 작은 헤어 라인 소용돌이를 볼 수 있습니다.

Isosurfaces 난류 압력 변동
그림 3 : 난류 압력 변동의 등면

토론

다른 스케일의 소용돌이를 시각화하면 엔지니어는 물고기가 수로를 통과해야하는 일관된 구조에 대해 좋은 느낌을 갖게됩니다. 감지 된 대규모 롤러가 주요 구조입니다. 물고기는 이러한 구조에 대한 흐름에서 안정화되어야합니다. 이 롤러의 축은 메인 스트림 방향에 부분적으로 수직이므로 물고기가 안정화를 위해 메인 핀을 사용할 수 있습니다.

소규모 구조물은 물고기의 수영 방향과 평행합니다. 물고기는 이러한 와류에서 안정화를 위해 수직 지느러미 만 사용할 수 있기 때문에 대규모 롤러보다 안정화를 위해 더 많은 노력을 기울여야합니다.

계산 된 LES 결과를 사용하여 물고기 통과 내부의 흐름 조건에 대한 생물 학자와 엔지니어 간의 예비 토론을 시작할 수 있습니다. 감지 된 난류 구조는 물고기 통과의 성공에 중요합니다. 이러한 구조를 통과하는 데는 고속 영역을 통과하는 것보다 더 많은 에너지가 필요할 수 있습니다.

다음 달에 브라질 벨루 오리 존치에있는 미나스 제 라이스 연방 대학교에서 이러한 난류 구조와 물고기가 이러한 구조를 탐색하는 능력 사이의 상관 관계를 확인하기 위해 일련의 실험실 실험이 수행 될 것입니다.

참고 문헌

Dubrief, Yves; Delcayre, Frank: On Coherent-vortex identification in turbulence. In: Journal of Turbulence 1 (2000), pp. 1-22

Haselbauer M.: Geräuscharme Fischaufstiegsgerinne – Experimentelle und numerische Analyse des Fischpasses vom Typ periodische Schütze. PhD-Thesis, Fachgebiet Hydromechanik, TU München, 2008

Hunt, J.C.R.; Wray, A.A.; Moin, P.: Eddies, streams, and convergence zones in turbulent flows. In: CTR-S88 (1988), pp. 193-208

Kundu, Pijush K; Cohen, Ira M: Fluid Mechanics. San Diego: Elsevier Academic Press, 2004

Wilczak, J. M: Large-scale eddies in the unstably stratified atmospheric surface layer. Part I: Velocity and temperature structure. In: J. Atmos. Sci. 41 (1984), pp. 3537-3550

Acknowledgement: All results were post-processed with Paraview.

Figure 1. Alaska requires minimum water depth for fish passage to be 2.5 times the height of the caudal fin (D) (Hotchkiss and Frei 2007).

EFECTS OF HYDRAULIC STRUCTURES ON FISH PASSAGE: AN EVALUATION OF 2D VS 3D HYDRAULIC ANALYSIS METHODS

물고기 통로 유압 구조효과 :2D VS 3D 유압 분석 방법의 평가

ABSTRACT

채널 스패닝 유압 구조물은 상류 물고기 이동에 대한 장벽 역할을 할 수 있습니다. 이러한 종단 적 서식지 연결의 중단과 관련된 부정적인 결과는 정확하고 실행 가능한 평가 기술의 필요성을 강조합니다.

3 차원 평가 방법은 인스트림 구조에서 복잡한 흐름을 해결하고 물고기 움직임을 정확하게 예측하는 것으로 나타났습니다. 그러나 3 차원 모델링은 시간과 리소스 요구 사항으로 인해 비실용적 일 수 있습니다.

이 연구는 2 차원 전산 유체 역학 모델과 통계 분석을 사용하여 콜로라도 주 리옹에있는 화이트 워터 공원 구조의 수력 조건을 설명하는 것을 조사합니다. 물고기의 움직임 관찰은 잠재적 인 수영 경로를 나타내는 공간적으로 명시적이고 연속적인 경로를 따라 결과 수력 변수와 쌍을 이룹니다.

로지스틱 회귀 분석은 흐름 깊이와 속도가 어류 통과와 밀접한 관련이 있음을 나타냅니다. 결합 된 깊이 및 속도 변수무지개 송어 (92 %를 정확하게 예측Oncorhynchus mykiss) 및 갈색 송어 (Salmo trutta)는 이 유압 구조에서) 움직임 관찰을 합니다.

이 연구의 결과는 2 차원 분석 방법이 3 차원 분석이 불가능한 경우 유사한 수력 학적 구조가 어류 통과에 미치는 영향을 평가하는 비용 효율적인 접근 방식을 제공할 수 있음을 시사합니다. 또한,이 연구의 결론은 비교적 낮은 수영 성능을 가진 송어와 물고기 모두에 대한 관리 및 설계 결정을 안내하는 데 사용할 수 있습니다.

서문

수력 구조물은 수생 생물의 종 방향 서식지 연결을 의도적으로든 우연히든 효과적으로 차단할 수 있습니다. 의도적 장벽은 일반적으로 침입성 종의 도입 또는 교잡을 방지하기 위해 관리자에 의해 배치됩니다 (Holthe et al. 2005; Fausch et al. 2006). 그러나 구조물을 설계하고 설치할 때 물고기 통행 촉진을 고려하지 않았기 때문에 장벽이 더 자주 생성됩니다. 따라서 인위적 장애로 인해 전 세계 수로가 분열되었습니다 (Williams et al. 2012). 철새 어종의 성공적인 수명주기를 위해서는 종단 서식지 연결이 필수적입니다 (Schlosser and Angermeier 1995). 상류 이동에 대한 지연 또는 종료는 인구에 부정적인 영향을 미치고 생태계 기능을 방해 할 수 있습니다 (Beechie et al. 2010). 

수로를 가로 지르는 수력 구조물은 어류 통행에 미치는 영향을 철저히 평가하지 않고 하천과 강에 계속 배치됩니다 (Cada 1998; Noonan et al. 2012). 그러나 강 조각화와 관련된 문제에 대한 인식이 높아짐에 따라 설계 프로세스 전반에 걸쳐 물고기 통과 문제가 해결되는 방식에서 패러다임 전환이 일어나고 있습니다 (Katopodis and Williams 2012). 비 연어 종은 경제적 가치가 높은 종을 선호하는 경우가 많지만, 칼륨 종의 상류 이동 요구가 점점 더 중요하게 고려되고 있습니다 (Santos et al. 2012; Silva et al 2012) (Katopodis 2005; Roscoe and Hinch 2010). . 천연 자원 관리자는 제안 된 수력 구조물에 대해 의견을 제시하고 허용하도록 자주 요청받으며 (Kondratieff 2015),이 검토 과정에서 엔지니어와 과학자는 설계에 대한 예상 어류 통과 성능에 대한 모델 기반 증거를 제공하도록 요청받을 수 있습니다. 어류 통행과 관련하여 기존의 수력 구조물을 평가하고 우선 순위를 정하는 여러 방법이 현재 사용 가능하지만 (Kemp et al. 2010), 이전에 이 중요한 지점에서 제안된 구조물의 통행 효율성을 평가할 수있는 정확하고 실행 가능한 승인 및 설치 도구가 필요합니다.  

이러한 요구를 해결하는 데 초점을 맞춘 이전 작업은 3D 수력 모델링 기술이 상류 어류 이동을 평가할 목적으로 채널 스패닝 구조의 복잡한 유체 역학을 적절하게 해결할 수 있음을 보여주었습니다 (Stephens 2014).

이러한 새로운 3D 분석 방법은 전체 예측 정확도가 80 % 이상 (Stephens 2014)으로 매우 효과적 일 수 있지만 3D CFD (전산 유체 역학) 모델을 개발하는 데는 시간과 리소스가 많이 사용됩니다.

추가 데이터 수집, 소프트웨어 라이선스, 모델링 전문 지식 등에 대한 필요성은 많은 하천 관리 결정에 3D 분석을 비실용적으로 만들 수 있습니다. 다양한 2D 모델 플랫폼이 홍수 배출을 추정하고 (Horritt and Bates 2002; Merwade et al. 2008) 인스 트림 평가에 광범위하게 사용 되었기 때문에 실무 엔지니어와 과학자는 대부분의 수력 구조물 프로젝트에서 2D 수력 모델링을 수행 할 가능성이 더 높습니다.

물고기 서식지 (Clark et al. 2008; Katopodis 2012). 2D 및 3D 유압 모델의 실제 비교가보고되었지만 (Lane et al. 1999; Shen and Diplas 2008; Kolden 2013), 어류 통과에 대한 2D 및 3D 모델 기반 평가의 효능을 조사한 연구는 현재에서 발견되지 않았습니다.

목표

천연 자원 관리자와 설계 엔지니어가 Stephens (2014)의 매우 효과적인 3D 방법에 더 쉽게 접근 할 수 있도록하기 위해이 연구는 자유롭게 사용할 수있는 산업 표준 2D CFD 모델 인 River2D (Steffler and Blackburn 2002)를 사용하여 타당성을 조사합니다. 수력 구조가 어류 통로에 미치는 영향을 평가합니다.

유사한 접근 방식을 기반으로하고 이전의 수력 학 및 어류 이동 데이터 세트 (Fox 2013, Kolden 2013, Stephens 2014)를 사용하여 이 2 개의 연구는 2D 분석 방법을 사용하여 St. Vrain River의 WWP (화이트 워터 파크) 구조를 평가합니다. Lyons, CO.이 연구의 구체적인 목표는 다음과 같습니다. 

1. WWP 구조에서 복잡한 유압 환경을 설명하는 2D CFD 모델을 개발합니다. 

2.이 2D CFD 모델의 결과를 사용하여 WWP 구조를 통해 잠재적 인 물고기 이동 경로를 따라 연속적이고 공간적으로 명시적인 수력 학적 설명을 생성합니다. 

3. 무지개 송어 (대해 사용 가능한 어류 이동 데이터와 가장 밀접하게 관련된 수리적 변수를 결정Oncorhynchus mykiss) 및 갈색 송어 (Salmo trutta)에합니다. 

4. 이전에 개발 된 3D 접근 방식 (Stephens 2014)의 PIT (Passive Integrated Transponder) 태그 연구의 움직임 데이터를 기반으로 한 예측 평가 능력을이 연구의 2D 접근 방식과 비교합니다. 

5. 어류 통행의 관점에서 수력 구조물에 대한 비용 효율적인 평가를 통해 천연 자원 관리자 및 설계자를 지원하기위한 권장 사항을 제공합니다.

배경

상류 어류 이동에 대한 장벽은 유속 깊이, 유속 또는 유속과 거리의 조합을 포함한 다양한 물리적 조건에 의해 생성 될 수 있습니다 (Coffman 2005; Cahoon et al. 2005). 깊이 장벽은 일반적으로 흐름 깊이가 너무 얕아 통과 시도를 허용하지 않을 때 생성됩니다.

깊이 장벽은 또한 자리 잡은 구조물의 낙하 높이 및 플런지 풀 깊이가 도약 제약으로 인해 통과를 허용하지 않을 때 존재할 수 있습니다. 유속이 구조물을 통과하려는 물고기의 수영 능력을 초과 할 때 속도 장벽이 생성되어 상류 진행을 방해합니다. 수력 구조물에 의해 생성 된 난류는 물고기의 통과에도 역할을 할 수 있습니다. 조건에 따라 난류는 물고기 수영에 긍정적 인 영향과 부정적인 영향을 모두 미칠 수 있습니다 (Liao 2007; Cotel and Webb 2012; Lacey et al. 2012).  

수영 성능 지표는 종종 기존의 수력 학적 구조가 물고기 통행의 장벽으로 작용하는지 여부를 평가하는 데 사용됩니다. 이러한 메트릭 중 가장 일반적인 것은 달리기 속도라고도 하는 버스트 수영 속도와 지구력 곡선입니다 (Castro-Santos et al. 2013).

물고기는 지속, 연장, 파열의 세 가지 수영 모드를 나타냅니다 (Peake et al. 1997). 지속적인 수영은 이론적으로 무한정 유지 될 수 있지만 장시간 및 버스트 수영 속도는 제한된 시간 동안만 유지 될 수 있습니다.

지구력 곡선은 세 가지 수영 모드 (Videler and Wardle 1991)에 걸쳐 연속적으로 수영 속도와 피로 시간 사이의 역 관계를 설명하여 생성됩니다. 버스트 수영 속도는 속도 장벽을 식별 할 때 유용하며 (Haro et al. 2004) 지구력 곡선은 잠재적 인 완전 장벽을 식별하는 데 도움이됩니다 (Castro-Santos et al. 2013). 현재 물고기 수영 성능과 난류 임계 값 또는 분포 사이의 물리적 관계는 잘 알려져 있지 않습니다 (Liao 2007).

그러나 총 운동 에너지 (TKE), 총 수력 변형, 레이놀즈 전단 응력 및 와도와 같은 일부 프록시 변수는 난류가 어류에 미치는 영향을 정량화 할 때 유용한 것으로 나타났습니다 (Nestler et al. 2008; Cotel and Webb 2012; Lacey et al. 2012; Silva et al. 2012). 

장벽은 완전 할 수 있으며, 물고기 통행을 허용하지 않거나 선택적 통행 성공이 생리적 또는 수리적 특성에 따라 결정되는 경우 부분적 일 수 있습니다. 이 연구의 목적을 위해 총 시도 횟수에 대한 성공적인 통과 횟수를 기반으로 한 인구 수준의 통과 효율을 사용하여 유압 구조로 인한 상류 이동 억제 정도를 정량화합니다 (Haro et al. 2004). 다양한 방법 개발되었습니다. 

장벽이 물고기 통로 (켐프와 O’Hanley 2010)에 영향을 미치는 방법을 정량화하기 위해  한 가지 접근 방식은 통계 모델을 사용하여 통과 효율 추정치를 0 ~ 100 %의 연속 척도로 표현할 수 있습니다. 과거에는 규칙 기반 또는 회귀 기법을 사용하여 암거 (Coffman 2005; Burford et al. 2009), 도로 횡단 (Warren and Pardew 1998) 또는 수로 실험 설정 (Haro et al. 2004)을 다양한 성공으로 평가했습니다.

통계적 방법은 다양한 척도에서 수리적 변수에 대한 정보를 결합하여 통과에 큰 영향을 미치는 변수를 식별 할 수 있습니다 (Kemp and O’Hanley 2010). 이러한 모델은 현장 기반 어류 이동 관찰을 사용하여 검증 할 수도 있습니다 (Coffman 2005; Burford 2009).

2014 년에 Stephens는 3D CFD 모델 출력 (Kolden 2013)을 활용하여 수력 구조물에서 물고기 통과를 평가하기위한 연속적이고 공간적으로 명시적인 분석 방법을 만드는 새로운 통계 방법을 개발했습니다. 이 방법은 콜로라도에있는 3 개의 파도 생성, 인공 화이트 워터 파크 (WWP) 구조물에서 수집 한 수력 측정 및 PIT 태그 통과 관찰 (Fox 2013)을 통해 검증되었습니다. 통계 결과에 따르면 Stephens (2014) 방법은 전체 정확도가 80 % 이상인 통과 효율을 예측할 수 있습니다. 

Stephens는 3D CFD 모델의 결과를 사용했지만 다른 연구에서는 2D CFD 모델을 사용하여 물고기와 관련된 규모의 복잡한 흐름을 설명하는 데 초점을 맞추 었습니다 (Lane et al. 1999; Crowder and Diplas 2000; Shen and Diplas 2008). 2D CFD 모델링의 주요 관심사는 물고기 서식지 및 수영 성능에 중요한 중간 규모 기능과 관련된 복잡성을 포착 할 수 있는지 여부였습니다 (Crowder and Diplas 2000).

혼합된 결과는 서식지 평가를 위해 모델링되는 도달 범위의 특성에 따라 2D CFD 모델이 수력 조건에 대한 적절한 설명을 제공하거나 제공하지 않을 수 있음을 보여줍니다 (Clark et al. 2008; Shen and Diplas 2008; Kozarek et al. 2010) . 서식지 또는 지형 모델링에 중점을 두는 경우 깊이 평균 2D 모델과 직접 비교할 때 3D 모델 사용이 선호되었습니다 (Lane et al. 1999; Shen and Diplas 2008). 그러나 수력 구조물에서 상류 어류의 움직임을 평가할 때 2D 및 3D 모델의 성능을 비교 평가 한 연구는 거의 없습니다. 

이 연구에서 CFD 모델의 비교는 2D 소프트웨어 River2D와 3D 소프트웨어 FLOW-3D에 중점을 둡니다 (Flow Science, 2009). 2D 모델과 3D 모델의 가장 큰 차이점은 2D 모델은 각 계산 노드에서 유압 변수의 값을 깊이 평균한다는 것입니다. 이 깊이 평균은 구조물의 물고기 친화성에 큰 영향을 미칠 수있는 중요한 흐름 특징과 경계층 효과를 배제 할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다.

예를 들어, 수심 평균 속도 값은 WWP 구조 하류의 수력 조건이 동일한 도달 범위 내의 자연 풀에있는 것과 유사하다고 잘못 제안 할 수 있습니다. 실제로 두 유동장은 어류 개체군에 다르게 영향을 미칠 수있는 고유 한 특성을 가지고 있습니다 (Kolden 2013). River2D는 또한 정수압과 일정한 수평 속도 분포를 가정하는 반면 FLOW-3D는 이러한 가정을 피할 수 있습니다.

대부분의 2D CFD 모델링 프로그램 (Toombes and Chanson 2011)에서 요구하는 정수압 가정은 가파른 경사 (> 10 %)와 급변하는 경사 (Steffler and Blackburn 2002)에서 계산 정확도를 제한합니다. 속도 분포가 일정하다는 가정은 수직 속도 구성 요소가 무시할 수 있음을 의미하며 본질적으로 2D CFD 모델을 사용하여 2 차 흐름 및 강한 순환을 분석하는 기능을 제거합니다 (Steffler and Blackburn 2002; Toombes and Chanson 2011).

이러한 가정과 2D 물리적 표현의 단순화 된 특성을 고려할 때 2D CFD 모델이 물고기 통과 예측 평가를 위해 채널 스패닝 구조의 복잡한 유체 역학을 적절하게 해결할 수 있는지 여부는 불분명합니다.

Figure 1. Alaska requires minimum water depth for fish passage to be 2.5 times the height of the caudal fin (D) (Hotchkiss and Frei 2007).
Figure 1. Alaska requires minimum water depth for fish passage to be 2.5 times the height of the caudal fin (D) (Hotchkiss and Frei 2007).
Figure 2. Depth (m) and velocity magnitude (m/s) River2D contours for 0.42 cms.
Figure 2. Depth (m) and velocity magnitude (m/s) River2D contours for 0.42 cms.

구체적인 내용은 아래 원문을 참고하시기 바랍니다.

그림 9. 이 시뮬레이션은 에너지 소산의 추정치를 제공하기 위해 평면과 원통형 흐름 배플이 어디에 위치했는지를 나타낸다.

Hydraulic Energy Losses|유압 에너지 손실

유압 에너지 손실

이 기사는 Laurent Bilodeau, ing에 의해 기고되었습니다. Conception des aménagements de production  Hydro-Québec Équipement .

이 내용은 특히 유압 에너지 소산율 평가를 위해 FLOW-3D가 제공하는 유압 에너지 흐름과 총 수두의 연산을 검토한다. FLOW-3D 에서는 모델 출력에서 직접 시각화할 수 있는 변수 중 총 유압 헤드가 포함되었다. 그림 1은 강 우회 터널(a river diversion tunnel)을 통한 절토에 걸친 총 유압 헤드 분포(total hydraulic head distribution)를 보여준다. 버전 10에서 FLOW-3D는 플럭스 배플로 계산하고 시계열로 시각화하고 외부 도구로 분석할 수 있는 일체형 값으로 유압 에너지 흐름과 총 수두를 도입했다.

하천변환터널을 통한 단면내 총 유압높이 분포
그림 1. 하천변환터널을 통한 단면내 총 유압높이 분포

총 유압 에너지

베르누이의 방정식

수압 에너지, eG는 흐름에서 물의 입자의 잠재력과 운동 에너지의 합이다. 에너지 밀도로서 J/m³으로 표현되며, 베르누이의 방정식(Eq. 1)에 의해 주어진다.

(1) \displaystyle {{e}_{G}}\quad =\quad p\ -g\rho z+\rho \frac{{\left( {{{u}^{2}}+{{v}^{2}}+{{w}^{2}}} \right)}}{2}

기호 의미가 있는 곳

e G유압 에너지 밀도(J/m3 )
p압력(Pa ≡ N/m2 ≡ J/m3 )
g중력의 가속도( – 9,81m/s2 )
ρ밀도(kg/m3)
u, v, wx, y 및 z(m/s) 단위의 속도
z일부 기준 수준 이상의 높이(m) 또는 고도

수력 에너지 단순화된 계단식

일반적으로 에너지는 스스로를 변형시키지만 결코 손실되지 않는 전통적인 양으로 간주된다. 토목 공학에서 물의 흐름을 나타내기 위해, 에너지 변환을 중력 전위 에너지로 시작하여 운동 에너지로 변환한 다음 열 에너지로 변환하는 계단식 에너지로 상상하기에 충분한 경우가 많다. 또한 처음 두 형태(잠재성과 운동성)의 양만을 명시적으로 모델링하여 에너지 캐스케이드의 범위를 더욱 제한하는 것이 일반적이다.

상층 분지에서 보를 거쳐 정지 분지로 이동하는 물 입자의 일부 궤적.
그림 2. 상층 분지에서 보를 거쳐 정지 분지로 이동하는 물 입자의 일부 궤적.

수압 에너지 캐스케이드는 그림 2와 같이 보에서 풀로의 유량이 떨어지는 경우에 잘 나타난다.

그림에 표시된 입자의 트랙을 따라가십시오.

  • 위치 A에서는 저수지의 상류에서 물 입자는 거의 움직이지 않고 있다.
  • 위치 B에서 입자는 B 위의 자유 표면이 약간 낮아짐에 따라 일부 위치 에너지를 희생하여 속도를 얻었다.
  • 위치 C에서는 입자가 자유 낙하 궤적으로 유체를 따르므로 더 많은 위치 에너지가 운동에너지로 변형되었다.
  • 하강 흐름이 하부 풀의 물과 접촉하면 활발한 모멘텀 교환이 이루어지며 초기 유압 에너지의 상당 부분이 격동의 에너지 폭포와 점성 공정을 통해 열로 손실되었다.
  • 위치 D에서 입자는 위치 A, B, C에 비해 낮은 유압 에너지로 영역을 떠난다.

A에서 B, C로 이동하는 동안, 점성과 난류 과정은 대개 흐름에 거의 영향을 미치지 않는다. 총 유압 에너지 eG는 필요시 작은 손실 조건을 고려하여 질량처럼 보존된 양으로 취급될 수 있다. C의 다운 스트림에서, 이 전통적인 수력 에너지(conservative hydraulic energy)의 모델은 더 큰 규모의 에너지 손실 조건과 흐름에 미치는 영향을 고려함으로써 확장될 수 있다.

질량 및 에너지 예산

볼륨 컨트롤

eG와 질량 밀도 ρ의 수송은 모두 나중에 분명해질 이유로 감시되어야 한다; 이것은 단순히 당연하게 여겨지고 있다.

흐름에 의한 eG와 질량밀도 ρ의 수송은 아래 CV로 표기된 제어량 및 가우스의 발산 법칙의 도움으로 분석하기 쉽다.

eG와 질량 밀도 ρ의 수송은 모두 나중에 분명해질 이유로 감시되어야 한다; 이것은 단지 지금 당연하게 여겨지고 있다. 흐름에 의한 eG와 질량밀도 ρ의 수송은 아래 CV로 표기된 제어량 및 가우스의 발산 법칙의 도움으로 분석하기 쉽다.
eG와 질량 밀도 ρ의 수송은 모두 나중에 분명해질 이유로 감시되어야 한다; 이것은 단지 지금 당연하게 여겨지고 있다. 흐름에 의한 eG와 질량밀도 ρ의 수송은 아래 CV로 표기된 제어량 및 가우스의 발산 법칙의 도움으로 분석하기 쉽다.

CV는 다음 규칙을 따르는 한 하나의 선택사항의 정의 표면으로 둘러싸인 볼륨이다.

  • 정의 표면은 스스로 교차하지 않는 한 임의의 형태를 가질 수 있다.
  • 표면은 각 패치가 다른 패치와 물샐틈없는 가장자리로 연결되어 있는 한 패치로 구성될 수 있다.

CV의 부피는 밀폐된 질량이나 에너지와 같은 적분, 자체 보존 수량을 계산하는 데 사용된다.

CV의 표면은 들어오고 나가는 플럭스를 정의하기 위해 사용되며, 밀폐된 수량에 대한 예산을 세우고 그 시간 이력을 감시할 수 있다.

그림 3은 떨어지는 물 분사기의 특성을 분석하는 데 사용할 수 있는 제어 부피의 예를 제시한다. 이 제어 볼륨으로 유입되고 유출되는 유일한 것은 제트기 자체로서 왼쪽 상단에서 들어오고 오른쪽 하단에서 떠난다.

FLOW-3D의 고정형상 제어량

FLOW-3D를 사용하면 고정된 형태와 위치의 CV를 세 가지 기본 형태의 플럭스 배플의 도움을 받아 쉽게 정의할 수 있다.

  • 구(Sphere)들은 닫힌 표면이다.
  • 실린더는 양끝이 개방되어 있으므로, 실린더의 끝이 흐르지 않도록 유량 한계 밖으로 뻗어나가도록 주의해야 한다.
  • 전체 흐름 영역 또는 하위 도메인을 교차시켜 CV를 조립하는 데 사용할 수 있는 평면 직사각형 패치

그림 4는 세 가지 유형의 플럭스 배플을 계산 메쉬로 렌더링한 후에 볼 수 있는 실제 모델에서 그린 예다. 그것들은 불투명한 것으로 렌더링되지만 그것들이 배플을 측정하는 유일한 플럭스로 정의된다면 흐름에 완전히 스며들 수 있다.

(2) hG≡eG/-gρ

(3) hG=z+

그림 4. 표본 망사 내에 렌더링된 평면, 원통형 및 구형 형상의 플럭스 배플 예제
그림 4. 표본 망사 내에 렌더링된 평면, 원통형 및 구형 형상의 플럭스 배플 예제
그림 5. 튜브 또는 펜스톡을 절단하는 수직 단면 쌍을 결합하여 정의된 두 개의 제어 볼륨. 흐름은 총 유압 헤드에 따라 색상이 지정된다.
그림 5. 튜브 또는 펜스톡을 절단하는 수직 단면 쌍을 결합하여 정의된 두 개의 제어 볼륨. 흐름은 총 유압 헤드에 따라 색상이 지정된다.

그림 5는 평면 배플 표면을 사용하여 두 가지 제어 볼륨을 정의하는 방법을 보여준다.

  • 제어 볼륨 DC, 긴 입방형 모양은 6개의 면으로 구성되어 있다. 반대편 두 면은 C와 D라고 불리는 배플이다. 밑면과 윗면이 그려지고 그 위치는 흐름 영역보다 훨씬 위아래 있는 한 중요하지 않다. 앞면과 뒷면은 큐브의 남은 두 면이며, 그들의 위치 또한 앞과 뒤가 잘 있는 한 중요하지 않다. 흐름 영역의
  • 제어 볼륨 BA도 마찬가지로 정의된다. 그것은 자유로운 표면 흐름을 포함하는 하위 도메인인 입구 포탈의 일부를 둘러싸고 있다. 자유 표면 흐름은 면 B와 A의 유입량 차이가 수위(및 수량)에 변화 속도를 부여하고 진동을 유발하여 천천히 감쇠하거나 전혀 감쇠하지 않기 때문에 진정한 안정 상태에 이르기 더 어렵다. 이 경우, 질량과 에너지의 신뢰할 수 있는 예산은 성질의 진화가 정지해 있는 에피소드를 식별하고 평균화를 수행하기 위해 흐름의 시계열을 처리함으로써 이루어진다.

그림 5의 수직 플럭스 배플은 사용 가능한 수직 표면(DB, DA, CB, CA)의 순열을 사용하여 몇 개의 다른 CV를 정의하는데 사용할 수 있다.

에너지 예산

수력 에너지 균형은 점성 열 생성을 손실로 명시적으로 표시하기 때문에 정의에 따라 누출된다. 이상적으로, 수력 에너지 캐스케이드는 다른 원인으로 인해 에너지를 잃지 않아야 하며 어떤 것도 얻지 않아야 한다. 여기서 다시 수치 모델로 연습하면 약간 다른 그림이 그려진다. 모든 수치 모델에는 인위적인 소스 또는 수력 에너지 싱크가 있다.

예를 들어, 셀 크기가 에너지 전달 흐름 특징보다 훨씬 작을 때 계산 메쉬에 흐름 간섭이 발생한다. 셀 크기가 충분히 작지 않을 때, 속도 대비는 자연 흐름에서보다 더 큰 공간 범위에 걸쳐 확산된다. 그 확산은 운동 에너지를 약간 작게 만들고 자연 현상보다는 그리드 효과에 기인하는 에너지 방산 역할을 한다.

에너지 예산을 모니터링하면 모델의 신뢰성에 대한 단서를 얻을 수 있으며 다른 매개변수 값이나 그리드 셀 크기를 사용하는 런을 비교하는 데 사용할 수 있다. 인위적인 손익이 관리되고 있을 때 유압 에너지 소산 속도는 종종 수치 모델에서 얻은 중요한 결과 중 하나이며 설계 변동을 구별하는 데 중요하다.

총 유압 헤드

에너지 밀도로서의 총 유압 헤드

아래 hG로 상징되는 총 유압 헤드는 Eq. 1의 총 유압 에너지 eG를 단순히 (-g ρ )로 나눈 값이다.

(2) \displaystyle {{h}_{G}}~\equiv ~{{e}_{G}}/\text{ }-g\text{ }\rho

(3) \displaystyle {{h}_{G}}\ =\quad z\ \ +\frac{p}{{-g\rho }}\ \ +\frac{{\left( {{{u}^{2}}+{{v}^{2}}+{{w}^{2}}} \right)}}{{-2g}}

다음과 같은 경우를 제외하고 기호가 모두 이미 소개된 경우:

hG, 총 유압 헤드(m)

총 유압 헤드는 다음과 같은 합이기 때문에 합계로 인정된다.

  • 입면체 헤드 z + p/(-gρ)
  • 운동 에너지 헤드 u²/(-2g)

유량에서 측정한 입압 헤드는 물의 국부적 자유 표면 고도를 잘 측정할 수 있는 것으로 간주된다.

저수지 및 강의 평온한 범위에서는 흐름 속도가 운동 에너지 헤드가 무시해도 될 정도로 충분히 낮아서 때때로 hG가 입압 헤드와 동일하다고 간주될 수 있다.

총 유압 헤드 hG는 때로 정체 높이라고 불리기도 한다. 흐름 내에 유체의 입자가 있는 경우, 모든 속도가 갑자기 위쪽으로 향하게 되고 주변 유체가 장애물이 되지 않을 경우 입자가 도달하는 최종 높이다.

총 유압 헤드 hG는 교각과 교대 등 유압 설계에 있어 유비쿼터스 변수다. 그것은 또한 채널과 펜스탁과 같이 에너지가 관리된 방식으로 전달되거나 소멸되어야 할 때마다 흐름의 수압 에너지를 나타낸다. hG는 다른 엔지니어링 작업의 키 높이와 동일한 고도 척도를 사용하여 엔지니어링 도면에 주석으로 나타날 수 있기 때문에 선택의 변수다.

총 유압헤드의 통합값으로부터의 유압에너지 소산

두 흐름 단면 A와 B 사이에 발생하는 에너지 소산에 대한 일체적 접근방식은 흐름의 하향 방향에서 HG의 감소로부터 계산된다.

HG의 도움을 받아 A와 B 사이의 에너지 소산을 계산하기 위해 각 단면에서의 HG 값을 먼저 –ρg에 곱하여 에너지 밀도 흐름으로 만든 다음 Q에 곱하여 총 유압 에너지 흐름으로 주조한다.
두 횡단면의 에너지 흐름의 차이를 보면, 두 횡단면에서 부피 흐름 Q가 동일한 상황에서, 아래와 같이 상류 횡단면에서 다운스트림 단면으로 이동하는 흐름에서 발생하는 유압 에너지 손실을 산출한다.

그림 6. 터널을 통해 흐르는 강물 회항, 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 흐름 속도에 따라 채색된다.
그림 6. 터널을 통해 흐르는 강물 회항, 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 흐름 속도에 따라 채색된다.
그림 7. 같은 강물 전환, 교차점을 측정하는 물과 유동성만 보여준다.
그림 7. 같은 강물 전환, 교차점을 측정하는 물과 유동성만 보여준다.

업스트림 리치는 유입과 배출 흐름의 차이에 따라 수위가 변동하는 볼륨 밸런스의 예를 제시한다. 동시에, 터널을 통과하는 유량의 비율은 상류와 하류 사이의 압력 균형에서 기인하며, 터널 벽의 마찰과 분리된 구조물에서의 흐름 에너지 손실과 통로를 따라의 전환이 큰 역할을 한다. 그림 10은 FLOW-3D에서 플럭스 배플로 알려진 수많은 흐름 측정 단면을 보여준다. 이들의 용도는 다음과 같다.

  • 추가 분석을 위한 유용한 기준으로 특정 모델 실행의 흐름 체계의 안정성 평가
  • 종단 종단 수위 및 수력 에너지 흐름의 그래프 작성 및 분석(수력 에너지 소산율 포함)
  • 설계 변이 간 미세 비교 허용
  • 일반적으로 흐름 동작이 예상에 부합하는지 검증하고, 체크하지 않을 경우 흐름의 진부도를 감소시킬 수 있는 수치적 아티팩트를 검출하고 수정한다.

예제 2 – 자연 암석 표면을 통한 고속 자유 주행

그림 8은 자연 암석의 유유히트레이스와 자유 주행의 예를 보여준다.

이 모델은 지표면의 단위 면적당 수압 에너지 소산율을 평가하는 것을 목적으로 했다. 이 속도는 W/m² 단위로, 자유 주행을 따라 암석 표면의 침식 잠재력을 평가하기 위한 입력값이었다.

그림 8. 플럭스 배플이 어떻게 사용될 수 있는가에 대한 예는 자연 암석에 대한 유출로의 꼬리표에서 찾을 수 있다. 목적은 지표면의 단위 면적당 유압 에너지 소산율을 평가하는 것이다.
그림 8. 플럭스 배플이 어떻게 사용될 수 있는가에 대한 예는 자연 암석에 대한 유출로의 꼬리표에서 찾을 수 있다. 목적은 지표면의 단위 면적당 유압 에너지 소산율을 평가하는 것이다.
그림 9. 이 시뮬레이션은 에너지 소산의 추정치를 제공하기 위해 평면과 원통형 흐름 배플이 어디에 위치했는지를 나타낸다.
그림 9. 이 시뮬레이션은 에너지 소산의 추정치를 제공하기 위해 평면과 원통형 흐름 배플이 어디에 위치했는지를 나타낸다.

그림 9는 도구 자체를 확인하고 소산율 평가를 수행하는 데 사용된 계량장치를 나타낸다. 망사블록도 윤곽이 잡힌다.

원하는 소산 속도를 측정하고, 마찬가지로 중요한 것은 흐름의 품질 및 측정 도구의 평가를 위해 평면 및 원통형 플럭스 배플의 종류가 배치되었다.

평면 플럭스 배플은 제어 볼륨을 구성하고 이를 사용하여 CV 내에서 볼륨 흐름의 안정성과 에너지 소산을 모니터링할 수 있다. 테일레이스에서는 사이드월(sidewall)에 의해 흐름이 잘 담겨 있고 횡단면을 가로질러 상당히 균일하다. 에너지 소산율은 25~50kW/m²이었다.

배출 관문 발치에 원통형 유동 배플이 위치한다. 실린더를 통과하는 평균 체적 유량은 정상적인 유량 변동 때문에 시간 경과에 따라 가변적이었지만 적절한 평균 구간을 취할 때 0이 되는 경향이 있었다. 배플을 통한 순유압 에너지 흐름에 대해 동일한 평균을 취했을 때, 예상대로 음의 값이 산출되었고, 이는 면적으로 나누면 30 kW/m²에 가까웠다. 타원형 수평 단면으로 확장된 또 다른 원통형 흐름 배플도 꼬리 경주가 끝날 무렵에 위치했다. 거기서 만들어진 유사한 검증도 비슷한 합의를 보여주었다.

원통형 유동 배플이 유압 에너지 소산 측정에 예상대로 작용했다는 결론이 나왔다. 그런 다음 방산이 가장 높을 것으로 예상되었던 아래쪽 경사면에 놓인 원통형 배플에 주의를 돌렸다.

그림 10은 자유 주행 위에 위치한 원통형 배플 번호 3을 통해 순 부피와 에너지 흐름의 시계열로, 꼬리표에서 자연 암석 표면으로의 전환 근처를 보여준다. 그림은 두 흐름의 높은 진폭 변동이 존재하며 그 흐름들에 의해 어떤 경향도 잘 숨겨져 있음을 보여준다.

그림 10. 시간의 함수로서, 두 번째 예제의 원통형 플럭스 배플 번호 3을 통한 순 부피 흐름(m³/s) 및 순 유압 에너지 흐름(W)
그림 10. 시간의 함수로서, 두 번째 예제의 원통형 플럭스 배플 번호 3을 통한 순 부피 흐름(m³/s) 및 순 유압 에너지 흐름(W)

그림 11은 그림 10의 순 부피와 에너지 플럭스의 시간 통합을 나타낸다. 시간 통합은 부피(m³)와 에너지(J)의 값을 산출한다. 볼륨 시계열은 정권이 정지해 있는 시간 간격을 선택할 수 있고, 순 볼륨 변화가 0에 가까워지도록 통합 시간 경계를 선택할 수 있다. 에너지 시계열은 에너지 소산의 예상대로 정기적으로 하향 추세를 보여준다. W/s 단위의 추세의 기울기는 소산율을 추정한다. 그런 다음 원통형 배플 인클로저 베이스의 표면적 영역으로 나누어 면적 단위당 원하는 산란율을 얻을 수 있다. 실린더의 반지름을 선택하여 면적이 100m²에 가까울 수 있도록 했다. 이 경우 소산율이 286kW/m²로 나타났다.

그림 11. 원통형 배플의 부피와 총 에너지는 시간 통합에 의해 얻어진 시간의 함수로써, 임의의 값으로 상쇄되어 영값이 단순히 존재하는 초기 수량이며 알 수 없다.
그림 11. 원통형 배플의 부피와 총 에너지는 시간 통합에 의해 얻어진 시간의 함수로써, 임의의 값으로 상쇄되어 영값이 단순히 존재하는 초기 수량이며 알 수 없다.

이러한 결과는 다른 분야의 엔지니어들과의 토론에서 사용되었다. 다른 요인 중에서도 암석 표면이 예비 추정에서 비롯된 공기 주입식 개미가 아니었기 때문에 불확실성의 여백이 크다는 것이 명백해졌다. 또한 수압 에너지가 바위가 아닌 물 속에서 소멸되고, 최대 소산의 위치가 반드시 바위에 대한 최대 작용의 위치가 아니라는 것도 모듈러에 의해 지적되었다. 위에 제시된 분석의 미니어처는 상당한 부담이었지만, 배플이 모델러에게 참신한 방법으로 사용되고 있기 때문에 필요하다고 여겨졌다. 학문 간 논의와 값의 규모 순서는 수치 그 자체보다는 모형의 가장 유용한 결과였다.

결론

FLOW-3D의 플럭스 배플은 이를 통과하는 부피와 유압 에너지 순 흐름에 대한 정밀한 평가를 제공한다. 이들의 연산 알고리즘은 제어 볼륨 접근방식과 함께 사용되는 FLOW-3D의 기본 수치 체계로 정교하게 조정되며, 높은 수준의 일관성이 요구되는 상황에서 대량 보존에 관한 FLOW-3D 자체의 성능 검증을 포함한 수많은 측정을 위해 잘 설계되어 있다.

토탈 유압 헤드의 연산은 수많은 방법으로 이루어질 수 있는데, 토목 및 유압 엔지니어에게 수량의 매우 높은 유용성을 볼 때 놀라운 일이 아니다. FLOW-3D가 제공하는 방법 중 하나는 플럭스 평균 총 유압 헤드의 배플 유량 면적에 대한 계산이다. 여기에서 주어진 유량관을 가로지르는 두 플럭스 배플에서의 값 사이의 차이로 측정한 유량에서의 수압 에너지 손실률은 가우스 발산 정리에 의해 원시 유량 변수와 연결된 제어 볼륨 접근법으로 계산될 수 있는 유량 손실률이 정확히 여기에 나타난다.

논문자료 알아보기

Figure 9. formation of scour and deposition around the spur dike in the original model.

Flow-3D 모델을 이용한 수력 조건의 변화가 하천 벤드의 L 자형 스퍼 제방 주변 속도 분포에 미치는 영향

Effect of Changes in the Hydraulic Conditions on the Velocity Distribution around a L-Shaped Spur Dike at the River Bend Using Flow-3D model

Technical Journal of Engineering and Applied SciencesAvailable online at www.tjeas.com©2013 TJEAS Journal-2013-3-16/1862-1868ISSN 2051-0853 ©2013 TJEAS
Abdulmajid Matinfard(Kabi)1, Mohammad Heidarnejad1*, Javad Ahadian21. Departmentof Irrigation, Science and Research Branch, Islamic Azad University,Khuzestan, Iran2. Assistant Professor, Department of Water Sciences, Shahid Chamran University, Ahwaz, IranCorresponding Author:Mohammad Heidarnejad

ABSTRACT

하천 및 관련 구조물의 특성 및 흐름 거동에 대한 평가는 소프트웨어 사용이 불가피한 복잡한 현상입니다.

Spur dike는 굴곡과 직선 경로에서 하천 조직, 침식 제어 및 강둑 보호에 사용되는 간단한 유압 구조입니다. 이 논문에서, 굴곡부에 지정된 간격을 가진 불 침투성 Spur 둑 주변의 흐름 패턴은 다양한 배출 및 흐름 폭의 다른 좁힘 비율에 대해 평가되고, 서로 비교됩니다.

또한 L 자형 스퍼 제방 주변의 속도 분포는 유한 체적 방법을 사용하여 2 차원 및 3 차원으로 평가됩니다.

수행된 실험에 따르면 최대 속도 제한 및 이에 따라 30 ° 각도의 첫 번째 스퍼 제방에서 강 굴곡에서 90 ° 각도의 물 흐름 방향으로 마지막 스퍼 제방까지 수 세량이 감소했습니다. 그리고 흐름이 마지막 스퍼 제방에 도달하면 흐름의 모든 난류가 손실됩니다.

흐름이 마지막 스퍼 제방까지 도달할 때 흐름의 모든 난류가 손실됩니다.

원본 논문 : Phytoremediation of Lead from Soil by Lepidium sativum (flow3d.com)

Figure 1. Example of 180-degree bends of the Karun River
. The effect of the spur dike series and ineffectiveness of some of them on the scour and deposition
. The effect of the spur dike series and ineffectiveness of some of them on the scour and deposition
Figure 3. Meshing of the tested area and around a quintuple series of the spur dike in flow3D software
Figure 3. Meshing of the tested area and around a quintuple series of the spur dike in flow3D software
Figure 4. Distribution of speed around the spur dike series
Figure 4. Distribution of speed around the spur dike series
Figure 5. Speed distribution around two initial spur dikes
Figure 5. Speed distribution around two initial spur dikes
Figure 6. Distribution of the flow rate around the spur dikes with a discharge of 18 liters per second
Figure 6. Distribution of the flow rate around the spur dikes with a discharge of 18 liters per second
Figure 7. Distribution of the flow rate around the spur dike with a discharge of 25 liters per second
Figure 7. Distribution of the flow rate around the spur dike with a discharge of 25 liters per second
Figure 8. Flow pattern around the spur dikes in three dimensional form at numerical model
Figure 8. Flow pattern around the spur dikes in three dimensional form at numerical model
Figure 9. formation of scour and deposition around the spur dike in the original model.
Figure 9. formation of scour and deposition around the spur dike in the original model.

REFERENCES
Abasi Chenari S, Kamanbedast A, Ahadian J. 2011. Numerical Investigation of Angle and Geometric of L-Shape Groin on the Flow and
Erosion Regime at River Bends, World Applied Sciences Journal 15(2), ISSN 1818-4952, pp. 279–284.
Garde RJ, Subramanya K, Nambudripad KD.1961. Study of scour around spur dikes, ASCE J. the Hydraulics Division, 87(HY6), pp. 23–37.
Gray DH, Leiser AT.1982. Biotechnical Slope Protection and Erosion Control, Van Nostrand Reinhold Company, New York, NY, ISBN-10:
0442212224, pp. 259–263.
Hashemi Najafi F. 2008.Experimental investigation of scouring around L-head Groynes under Clear Water Condition, M.Sc. Thesis, Iran,
Tarbiat Modarres University.
Jahromi AR, Jahromi H, Haghighi S. 2010. Numerical simulation of flow and sediment around spur dike at a bend of 180 degrees using CFD
software, 5th National Congress on Civil Engineering, Ferdowsi University of Mashhad.
Karami H , Saneie M, Ardeshir A. 2006. Experimental Investigation of Time Effect on Local Scouring Around Groynes, 7th International
River Engineering Conference, Ahwaz, Iran.
Kuhnle RA, Alonso CV, Shields FD.1999. Geometry of scour holes associated with 90-degree spur dikes, Journal of Hydraulics
Engineering, Vol. 125(9), Sep, ASCE, pp. 972–978.
Mahmoudi Zanganeh A, Sanei M. 2007. The effect of the length and distance of spur dike on scour pattern, 6th Iranian Hydraulic
Conference, Shahrekord University.
Melville BW.1992. Local Scour at Bridge Abutments, Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 118(4). April, ASCE, pp. 615–631.
Mesbahi J. 1992. On Combined Scour near Groynes in River Bends, M.Sc. Thesis, Netherlands, Delft University, Hydraulics Report, HH
132.

Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).

조수 흐름이 있는 복잡한 교각에서 scour CFD 시뮬레이션

CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow

J. A. Vasquez1,2, and B. W. Walsh1,3
1 Northwest Hydraulic Consultants, 30 Gostick Place, North Vancouver, BC, Canada,
V7M 3G3; PH (604) 980-6011; FAX (604) 980-9264;
2 email: JVasquez@nhc-van.com
3 email: BWalsh@nhc-van.com

ABSTRACT

우리는 상용 CFD (Computational Fluid Dynamics) 모델 Flow-3D를 사용하여 조수 흐름 아래의 복잡한 교각에서 지역 scour의 질적 시뮬레이션을 보고합니다. 이 모델은 대형 piles 캡과 10 개의 원통형 piles로 구성된 복잡한 부두에서 scour 개발의 초기 단계를 계산하는 데 적용되었습니다. Flow-3D는 piles 사이에서 예상되는 상호 작용을 정확하게 재현 할 수있었습니다. CFD 모델은 또한 조류 역류 하에서 3- piles 그룹의 scour 시뮬레이션을 위해 적용되었습니다. 그 결과는 문헌에보고 된 측정치와 질적으로 일치하여 Flow-3D가 다양한 흐름 조건에서 복잡한 교각을위한 유압 설계 도구로서의 잠재력을 가지고 있음을 보여줍니다.

INTRODUCTION

캐나다 밴쿠버에 있는 프레이저 강과 피트 강 모두에서 현재 여러 다리가 건설 중이거나 최종 설계 단계에 있습니다. 이 다리는 상대적으로 크고 300m에서 1000m 사이의 수로 폭에 걸쳐 있으며 강바닥에 위치한 여러 개의 큰 교각에서 지원됩니다.

일반적으로 케이슨 또는 코퍼 댐을 사용하여 지어진 말뚝 위에 세워진 거대한 단단한 교각이 있는 오래된 교량과 달리, 새로운 교각은 일반적으로 떠 다니는 바지선에서 원통형 말뚝을 땅으로 밀어내어 지어집니다.

말뚝 상단의 수평 말뚝 캡은 수면에 위치하며 상부 구조에서 말뚝 기초까지 힘을 전달하고 선박 충돌을 방지하는 데 사용됩니다. piles 캡의 높이는 하단 및 상단 높이가 최저 및 최고 수위를 덮도록 설계되어 모든 흐름 조건에서 볼 수 있습니다.

piles 캡의 기하학적 구조와 piles의 레이아웃은 다소 복잡 할 수 있으며, 반드시 로컬 scour 예측 변수에서 가정 한 고전적인 교각 모양을 따르는 것은 아닙니다. 그림 1은 6 각형 패턴으로 배열된 두 그룹의 piles 위에 아령 모양의 piles 캡이 있는 프레이저 강의 교각 부두의 예를 보여줍니다.

지속 가능한 환경을 위한 물 공학 (그림 2) 두 개의 다른 직경으로 만들어진 10 개의 piles 위에 둥근 끝이 있는 직사각형 piles 캡으로 만들어진 피트 강의 교각 부두. 복잡한 교각에서 scour을 계산하기위한 일부 분석 공식이 존재합니다.

예를 들어, HEC-18 매뉴얼 (Richardson and Davis 2001)은 교각 스템, piles 캡 및 piles 그룹에 의해 생성된 세 가지 scour 구성 요소를 추가하여 총 scour 깊이를 계산합니다.

말뚝 그룹은 폭이 그룹에 있는 말뚝의 투영된 폭과 동일한 솔리드 말뚝으로 대체되고 말뚝 간격 및 정렬된 행 수의 효과에 대한 수정 계수를 곱합니다. Ataie-Ashtiani와 Beheshti (2006)는 지역 scour (piles 캡이 없는)에서 piles 그룹화의 효과를 연구했습니다.

그들의 실험 결과는 나란히 배열된 매우 밀접하게 배치된 말뚝의 경우 scour 깊이가 50 % 증가할 수 있음을 보여주었습니다. 탠덤 배열의 경우 전면 piles의 scour이 증가하고 후면 차폐 piles의 경우 감소합니다.

어쨌든 말뚝 사이의 간격 S가 말뚝 직경 D의 4 배 (S/D> 4)보다 크면 scour 증폭 효과가 사라지는 경향이 있습니다. 그러나 이러한 공식은 piles이 격자 모양의 레이아웃으로 균일하게 배치되어 있다고 가정합니다.

이는 그림 1과 2에 표시된 교각에서는 분명히 해당되지 않습니다. 문제를 더욱 복잡하게 하기 위해 프레이저 강과 특히 피트 강이 대상입니다.

Figure 1. Example of bridge pier with dumbbell-shaped pile cap and hexagonal pile layout, showing also scour hole measured in a physical model.

교각의 조석 scour은 단방향 scour과 동일한 세부 사항으로 연구되지 않았지만 실제로 주제에 대한 몇 가지 주목할 만한 연구가 있습니다.

Escarameia (1998)는 흐름 방향, 조수주기 기간, 수심, 교각 모양 및 퇴적물 크기에 대한 역전의 영향을 단일 원형 및 직사각형 교각의 국부 scour에 미치는 영향을 평가하여 조류 흐름 조건 하에서 국부 scour의 실험적 조사를 수행했습니다. 예상대로 퇴적물 크기는 국부 scour 깊이에 영향을 미치지 않았습니다.

조수 조건에서 최대 수세 깊이는 베드 폼이 존재하지 않는 경우 일방향 흐름에 대해 항상 평형 scour 깊이 아래로 유지되었습니다 (맑은 물 수세미). 직사각형 교각의 scour 깊이는 정사각형 교각보다 10 ~ 14 % 더 작은 것으로 나타났습니다. 정사각형 교각에서는 조수주기 동안 교각의 상류와 하류에 생성된 scour 구멍이 병합되는데 교각이 직사각형 인 경우에는 발생하지 않습니다.

May and Escarameia (2002)는 정사각형 및 정현파 조수를 사용하여 조수 조건 하에서 지역 scour의 시간적 진화를 연구했습니다. 그들은 맑은 물 scour에서 조수 흐름의 수력 학적 구조에서의 평형 scour이 일방향 유동을 사용하는 scour보다 훨씬 적을 수 있다고 결론지었습니다. 그러나 라이브 베드 scour에서 평형 깊이는 각 조수주기에서 scour 구멍이 더 빠르게 발생하고 구조물 주변에 모래 언덕이 형성되어 단방향 흐름 값에 가까울 수 있습니다.

Margheritini et al. (2006) 은 퇴적물 이동 (살상 조건)과 함께 단방향 및 조수 흐름에서 대 구경 말뚝 주변의 국부 scour 실험을 수행했습니다. 두 경우의 최종 평형 scour은 비슷했습니다. 조수 흐름의 scour 구멍은 대칭이며 원형 모양이고 일방향 scour 구멍보다 부피가 더 큽니다.

현재 물리적 모델링은 사용 가능한 scour 방정식의 가정을 따르지 않는 복잡한 모양을 가진 교각에서 로컬 scour를 평가하기위한 유일한 실용적인 엔지니어링 도구로 보입니다.

3 차원 (3D) 수치 모델링은 단일 원통형 말뚝에서 국부 scour을 재현하기 위해 성공적으로 적용되었지만, 복잡한 교각의 모델 scour이나 조류 역류 하의 말뚝 그룹에는 적용되지 않았습니다. 이 논문의 목적은 상업적으로 이용 가능한 3D 전산 유체 역학 (CFD) 모델을 사용하여 실제 복잡한 부두와 조수 역전 하에서 이상적인 3 파일 그룹에서 지역 scour의 예비 정성 결과를 제시하는 것입니다.

NUMERICAL MODELING OF PIER SCOUR

Olsen과 Melaan (1993)의 초기 작업 이후 여러 3D 수치 모델이 단일 원통형 부두에서 국소 scour을 모델링하는 데 성공적으로 적용되었습니다 (Roulund et al. 2005의 검토 참조). 그러나 복잡한 교각에서 3D scour 시뮬레이션은 거의 시도되지 않았습니다. 그 이유는 두 가지입니다.

대부분의 모델은 복잡한 교각의 형상을 수용하기 어려운 구조화된 곡선 형 경계 맞춤 그리드를 기반으로 합니다. 또 다른 중요한 제한 사항은 계산 시간이며, 이는 실제 모델에서 로컬 scour 테스트를 수행하는 데 필요한 시간보다 훨씬 큽니다.

그럼에도 불구하고 수치 모델은 귀중한 정보를 제공할 수 있으며 컴퓨터 속도가 더욱 향상될 것으로 예상되는 미래에 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 여기에 사용된 CFD 모델은 뉴 멕시코 주 산타페의 Flow Science에서 개발한 Flow-3D입니다. Flow-3D는 유압 엔지니어링 애플리케이션을 위한 특수 모듈이 포함된 상용 CFD 패키지입니다.

구조화된 직교 그리드를 사용함에도 불구하고, 직사각형 계산 셀이 장애물에 의해 부분적으로 차단될 수 있도록 하는 FAVOR (fractional area/volume method)를 적용하여 복잡한 형상을 모델링 할 수 있습니다. 날카로운 자유 표면 (예: 수압 점프, 공기 중 자유 제트)은 VOF (Volume-of-Fluid) 방법으로 모델링 됩니다.

Flow-3D는 Brethour (2001)에 의해 자세히 설명된 대로 지역 scour을 모델링하는 고유 한 기능도 가지고 있습니다. 이러한 기능은 그림 2에 설명되어 있으며, 모델이 맑은 물 조건에서 복잡한 부두의 형상과 scour 개발의 초기 단계를 재현할 수 있는 방법을 보여줍니다.

그림 2에 표시된 복잡한 부두는 길이 51.5m, 너비 12.5m, 두께 6.7m의 끝이 둥근 파일 캡을 포함합니다. 파일 캡 아래에는 세 개의 개별 파일 그룹이 있습니다. 직경이 2.4m 인 3 개의 파일로 구성된 두 그룹 (U & D)은 파일 캡의 상류 및 하류 끝에 위치하며, 4 개의 작은 1.8m 파일 (C)은 중앙 주위에 있습니다.

파일 캡의 바닥은 침대 위 약 13m입니다. 수치 메쉬는 길이 115m, 너비 50m, 높이 22m였으며 균일 한 셀 크기는 0.5m (46,176 셀)입니다. 시뮬레이션은 수심 15.8m, 일정한 유속 1.5m/s, 퇴적물 크기 0.35mm에 대해 수행되었습니다. Flow-3D는 지역 scour에 대한 파일 간섭의 영향을 평가하는 데 사용되었습니다. 과도한 계산 시간이 필요하여 장기 시뮬레이션을 수행할 수 없었기 때문에 처음 1 시간 동안 scour 시작 만 시뮬레이션 했습니다.

말뚝 사이의 상대적 간격 S/D를 고려할 때, 그림 2에 표시된 Flow3D 결과는 Ataie-Ashtiani와 Beheshti (2006)가보고 한 말뚝 간의 상호 작용에 관한 실험적 관찰과 매우 잘 일치합니다. 결과는 부두 중심 주변의 C 말뚝이 2 쌍처럼 나란히 행동한다는 것을 시사합니다.

왼쪽과 오른짝이었는 두 쌍의 말뚝 사이에 간섭이 없는 것으로 보입니다 (C1-C2 및 C3-C4, S/D = 4); 파일 C1 (C2)은 scour (S/D = 2.3)으로부터 파일 C3 (C4)를 보호하는 것처럼 보입니다.

그림 2는 또한 파일 캡의 양쪽 끝에 있는 3 개 파일 그룹 U 및 D의 수세공 구멍이 이미 병합되어 3 개 파일 간의 강력한 상호 작용을 시사합니다 (S/D = 0.9). 또한 3- 파일 그룹 U는 더 작은 파일 C를 보호하지 않는 것 같습니다 (S/D> 5).

Figure 2. Initial scour development computed by Flow-3D in complex pier.

최대 평형 scour 깊이를 계산할 수는 없었지만, 복잡한 부두에서 말뚝과 말뚝 캡 사이의 상호 작용에 대해 얻은 통찰력은 scour 과정과 scour 대책의 잠재적 설계를 이해하는 데 여전히 중요합니다.

MODELING TIDAL SCOUR OF PILE GROUP

지속 가능한 환경을위한 물 공학 말뚝 그룹의 조수 조사 모델링 불안정한 조수 흐름의 잠재적 영향을 평가하기 위해 Flow-3D를 사용한 정성 시뮬레이션이 수행되었습니다.

전체 교각을 시뮬레이션하는 것이 불가능했기 때문에 이상화된 3- piles 그룹 (piles 캡 없음)이 거친 메시를 사용하여 재현되었습니다. 원통형 piles의 직경은 최소 간격 S / D = 0.95로 삼각형 패턴으로 배열 된 2m였습니다. 메쉬 셀 크기는 0.5m입니다.

이러한 메쉬 크기는 piles 주변 흐름의 모든 3D 세부 사항을 해결하기에 충분한 해상도를 제공하지 않지만 계산 시간을 관리 가능한 수준으로 유지하는 데 필요한 것으로 간주되었습니다.

따라서 이러한 예비 시뮬레이션은 정 성적이며 Flow-3D의 기능을 대략적으로 평가하기위한 탐색 적 특성을 가지고 있습니다. 수로는 길이 40m, 너비 16m, 높이 6.5m였습니다. 입구 / 출구의 첫 번째와 마지막 10m는 난류의 완전한 발달을 허용하기 위해 단단한 거친 베드로 만들어졌습니다.

3 개의 말뚝이있는 수로의 중앙 부분은 0.75mm의 모래로 만들어졌습니다. 수심은 2.5m였습니다. 유속의 조석 반전은 정사각형 및 정현파 조석을 사용하여 시뮬레이션되었습니다 (그림 3). 제곱 조는 Escarameia (1998)와 Margheritini et al. (2006). 단방향 흐름의 경우 조수 피크 (2m / s)를 사용했습니다.

Figure 3. idealized tidal velocity used for numerical simulations.

900 초에서 채널 중심선을 따라 세로로 된 베드 프로piles은 그림 4에서 단방향 흐름과 사인 곡선에 대해 보여집니다. 그림 5는 제곱 조수 시나리오에 대해 300 초마다 일련의 3D 이미지를 보여 주지만 화살표는 흐름 방향을 나타냅니다. 마지막으로, 세 가지 흐름 시나리오에 대한 scour의 시간적 진화가 그림 6에 나와 있습니다.

Figure 4. Computed centerline bed profiles after 900 s for unidirectional flow (left) and sinusoidal tide (right).

Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 5. 3D view of scour under square tide conditions (every 300 s).
Figure 6. Temporal evolution of maximum scour depth under steady and tidal flow conditions (grid resolution is 0.5 m)
Figure 6. Temporal evolution of maximum scour depth under steady and tidal
flow conditions (grid resolution is 0.5 m)

단방향 흐름에서 scour는 상류에서 발생하고 퇴적물은 더미 뒤에 축적됩니다 (그림 4). 조수 조건에서 흐름 반전은 이전 조수주기에서 개발 된 scour hole을 일시적으로 채웁니다. scour의 계산 된 시간적 진화 (그림 6)는 Margheritini et al.의 실험과 유사합니다(2006). 조석 수조는 처음에 증가하지만 흐름이 역전되면 약간 감소하여 다음주기에 다시 자라납니다.

Flow-3D는 Escarameia (1998)와 일치하여 시뮬레이션의 맑은 물 조건에 대해 조석 정찰이 단방향 정찰보다 약간 낮다고 예측했습니다. 그러나 사용된 거친 0.5m 메시 해상도로 인해 정확한 scour 감소 크기를 정확하게 해결할 수 없습니다. 또한, 모델은 평형 scour 깊이를 달성 할만큼 충분히 오래 실행되지 않았습니다.

CONCLUSION

Flow-3D는 구조화된 경계 맞춤 그리드의 일반적인 제한없이 복잡한 구조에서 로컬 scour을 모델링 할 수 있는 기능을 갖춘 최초의 CFD 상용 모델 일 것입니다.

큰 piles 캡과 여러 개의 piles로 구성된 복잡한 부두에 적용했을 때 Flow-3D는 piles 간의 상호 작용을 정확하게 예측할 수 있었으며 실제 엔지니어링 응용 프로그램을 위한 설계 도구로서의 잠재력을 보여주었습니다.

Flow-3D를 사용하여 맑은 물의 조수 흐름 하에서 이상적인 3- piles 그룹의 정 성적 시뮬레이션은 동일한 최고 속도의 단방향 흐름에 비해 흐름 반전이 있는 조수 조건에서 scour 깊이가 감소함을 보여주었습니다.

이러한 수치 결과는 실험 데이터와 일치합니다. 그러나 모델을 정량적으로 검증하려면 더 미세한 그리드를 사용하는 추가 연구가 필요합니다. 현재 Flow-3D 및 일반적으로 CFD 모델의 주요 실제 제한은 계산 시간입니다.

구조를 모델링하는 데 매우 큰 그리드가 필요한 경우 장기 평형 조사를 계산하려면 물리적 모델을 실행하는 데 필요한 것보다 훨씬 더 많은 계산 시간이 필요할 수 있습니다.

논문 원본 링크 : CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow

기타 참고 자료 : https://flow3d.co.kr/scouring-knowledge/

REFERENCES

Ataie-Ashtiani, B. and Beheshti, A.A. (2006). “Experimental investigation of clearwater local scour at pile groups”. J. Hyd. Eng., ASCE, 132(10), 1100-1104.
Brethour, J. M. (2001). Transient 3-D model for lifting, transporting and depositing
solid material. 2001 International Symposium on Environmental Hydraulics,
Tempe, Arizona (http://flow3d.info/pdfs/tp/wat_env_tp/FloSci-Bib28-01.pdf).
Escarameia, M. (1998). Laboratory investigation of scour around large structures in
tidal waters. Conf. Basics of Sediment Transport and Scouring. HR
Wallingford (http://kfki.baw.de/conferences/ICHE/1998-Cottbus/55.pdf).
May, R.W.P. and Escarameia, M. (2002). Local scour around structures in tidal flows.
First International Conference on Scour Foundations, Texas A&M University.
Margheritini, L., Martinelli, L., Lamberti, A. and Frigaard, P. (2006). Erosione
indotta da onde e correnti di marea attorno a pali di grande diametro. XXX
Convegni di Idraulica e Construzioni Idrauliche, Rome, September 2006
(http://www.idra2006.it/referee/files/L356.pdf).

Scouring Tip2

유체유동이 일어나지 않는 경사면의 scouring 현상에 대한 이해

해석 조건

  • Inflow : velocity=1.23m/s
  • Outflow : Air pressure
  • Sediment condition
Scouring Tip1
Scouring Tip2
  1. 유체유동이 일어나지 않는 경사면에 scouring이 일어나는 이유가 무엇인가?
  2. Sediment가 점착력이 있는 경우(clay)는 어떤 변수로 입력해야 하는가?

Tip 1)유동이없는부분에 scouring이나타나는이유:

현재 scouring model은 물에잠겨있는 부분에 대해 해석을 하게되어 있으므로 packed sediment부분은 fluid region(with infinite drag)이 존재하게됩니다. 그러므로 fluid region이 없다 하더라도 packed sediment가 경사면에 존재하면 중력에 의해  내부유체의 유동이 생겨 위 예제와 같이 미소한  scouring이 표면에 물이 없는 경사면에서도 발생하는것입니다. 그러므로 이를 없애기 위해서는 물이 없는 경사면 부분은 별도의 solid로 규정하면 이 문제를 피할수 있습니다.

Tip2 ) clay가 sticky하면 일반적으로 유동의 상대운동이 감소될것이므로 drag coefficient 나 Richardson Zaki coefficient multiplier를 증가시켜 변화를 조사해 볼 수 있습니다.

<기타 Scouring 자료>

Coastal & Maritime Bibliography

Water & Environmental Bibliography

Sediment Transport Model

CFD simulation of local scour in complex piers under tidal flow

Numerical Simulations of Sediment Transport and Scour Around Mines

The Numerical Investigation of Free Falling Jet’s Effect on the Scour of Plunge Pool

Current-induced seabed scour around a pile-supported horizontal-axis tidal stream turbine

Numerical Investigation of Angle and Geometric of L-Shape Groin on the Flow and Erosion Regime at River Bends

Comparison of CFD Models for Multiphase Flow Evolution in Bridge Scour Processes

Schematic section view of siphon spillway

사이폰 여수로 | Siphon Spillways

Siphon Spillways

This article was contributed by Ali Habibzadeh (Project Engineer) and Jose (Pepe) Vasquez (Principal Engineer) at Northwest Hydraulic Consultants.

원문 : https://www.flow3d.com/siphon-spillways/

CFD 모델링은 여수로 구조물의 수력학 설계를 평가하기 위한 강력한 도구입니다. 설계 흐름에서 여수로의 용량은 댐 안전성 측면에서 가장 중요합니다(USBR 1987). 노스웨스트 수력학 컨설턴트는 기존 또는 새로운 여수로 설계에 대한 수많은 사례 연구에 CFD 모델링을 적용했습니다. 다음 글은 기존의 사이펀 여수로에서 수행한 샘플 사례 연구를 보여줍니다.

공기 조절식 사이펀 여수로는 상류 수위에 따라 다른 유압 조건에서 작동합니다(McBirney 1957). 유출로의 파고(crest) 위에 있는 비교적 작은 머리들의 경우, 사이펀은 사이펀 배럴 내부에 대기압을 가진 자유 위어처럼 작동합니다(즉, discharge 은 h에w3/2 비례합니다). 헤드가 증가하면 사이펀 배럴 내부의 흐름이 가압된 흐름으로 전환됩니다.

사이펀 배럴은 하위 대기압으로 프라이밍됩니다. 그 단계에서 사이펀 배럴을 통한 배출은 오리피스의 배출과 같습니다(즉o1/2 배출은 h에 비례한다). 프라이밍된 사이펀을 통과하는 드라이빙 헤드는 사이펀 출구의 상류 수위와 하류 바로 아래 수위 사이의 디퍼렌셜 헤드와 동일합니다. 

프라이밍드 사이펀(ho)의 유효 헤드는 일반적으로 프리 사이펀(hw)보다 상당히 크기 때문에 프라이밍된 사이펀은 상류 수위(Ervine 1976년)가 약간 증가한 프리 사이펀과 비교할 때 상당히 많은 양의 흐름을 전달할 수 있다. 

그러나 이는 사이펀이 실제로 프리임(Tadayon and Ramamurthy, 2013)을 할 경우에만 해당됩니다. 홍수와 비상사태 때, 인간의 개입이 없는 사이펀의 작동은 지극히 중요하지만, 이것이 항상 일어나는 것은 아닙니다.

프라이밍을 강화하기 위해 종종 디플렉터를 사이펀 바닥에 설치하여 제한된 공기량을 둘러싸기 위해 반대쪽 벽을 향해 향하는 제트를 생성합니다. 제트에 의해 발생되는 증가된 난기류는 점차적으로 제한된 공기를 제거하여 통 안의 압력을 떨어뜨립니다.

상류 수위가 내려가면서 사이펀 내 원수가 끊기고 유량이 다시 대기압으로 전환됩니다. 이 전환이 일어나면 헤드 방전 관계가 오리피스에서 보로 전환되면서 배출이 크게 감소합니다.

Schematic section view of siphon spillway
Schematic section view of siphon spillway; weir flow (left) and orifice flow (right).

FLOW-3D Modeling of a Siphon Spillway

노스웨스트 수리학 컨설턴트는 FLOW-3D를 사용하여 기존 3피트 높이의 직사각형 사이펀 유출로의 배출 용량을 평가하였습니다. 기존 사이펀은 홍수 때 셀프 프라이밍 문제가 발생했기 때문에 입구의 후드형 환기구와 배럴 내 바닥 디플렉터가 추가되었습니다. 아래의 첫 번째 애니메이션은 상류 수위 상승과 함께 사이펀의 단면 모델을 보여줍니다.

첫 번째 애니메이션은 기존 유출로의 현장 관찰에서 결정된 고정된 상류 수위(水位)로 진행되었습니다. 플로어 디플렉터에 의한 흐름의 편향으로 인해 배럴 내에 공기량이 제한됩니다. 시간이 지남에 따라 이 공기는 유동에 의해 유입되어 배럴 내의 절대 압력이 대기권(~2,115 lb/ft2)에서 대기권(약 1,500 lb/ft2)으로 떨어집니다. 압력이 배럴 내에서 떨어지면서 공기가 제거되고 물로 대체됩니다. 사이펀을 통한 배출은 사이펀이 프라이밍되면 1cfs 미만에서 16cf 이상으로 증가하며, 배럴은 가득 차게 작동됩니다.

두 번째 애니메이션은 상류 수면 표고가 감소함에 따라 사이펀 프라임 브레이크 액션을 보여줍니다. 사이펀 프라임 브레이크 과정은 사이펀 배럴의 크라운에서 대기 외압과 압력 간의 차이가 사이펀에 공기를 삽입하는 데 필요한 차동 헤드를 초과할 때 발생합니다. 따라서 사이펀 프라임은 깨지고 공기가 배럴 내의 액체를 대체합니다. 이 애니메이션에서 볼 수 있듯이, 사이펀 프라임 브레이크 액션이 완료된 후 배럴을 통한 내부 압력과 방전이 원래의 위어 흐름 값으로 돌아갑니다.

FLOW-3D의 결과는 노스웨스트 유압 컨설턴트의 수력학 연구소에서 수행한 물리적 모델 연구에 의해 확인되었습니다. 

References

Ervine, D. A., (1976). “The Design and Modelling of Air-Regulated Siphon Spillways.”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Vol. 61, pp. 383-400.

McBirney, W. B. (1957). “Some Experiments with Emergency Siphon Spillways.”, US Bureau of Reclamation, PAP-97.

Tadayon, R. and Ramamurthy, A. S., (2013). “Discharge Coefficient for Siphon Spillways.”, ASCE Journal of Irrigation and Drainage Engineering, Vol. 139, No. 3, pp. 267-270.

USBR. (1987). “Design of Small Dams.”, 3rd Ed., U.S. Government Printing Office, Washington, DC.

FLOW-3D HYDRO Conveyance Infrastructure

FLOW-3D & computational fluid dynamics for civil engineering

Conveyance systems

  • Tunnels
  • Overflows
  • Hydraulic controls
    • Gates
    • Weirs
    • Orifice
  • Drop structures
  • Flow splitting
  • Open channel conveyance
  • Pumps
  • Flap gates (moving objects)
  • Air flow / air supply
  • Entrained air (entrainment, evolution, drift flux, buoyancy, bulking, de-aeration)

Baffle dropshaft

Tangential dropshaft

Sample GUI packaged conveyance examples

Conveyance systems: simulation outputs

해석 결과로 얻을 수 있는 Simulation outputs

  • Pressure, velocity field
  • Water elevation profiles
  • 3D transient behaviors
  • Surges & sloshing
  • Pump approach flow
  • Pump discharge & operations
  • Air phase
  • Entrained air
  • Forces & coupled motion for moving objects

FLOW-3D HYDRO- Dams & Spillways

Dams & spillways Long history of success

  • Government regulators
  • Hydro-power utilities
  • Engineering consultants
  • Hydraulics laboratories
  • CFD consultants
  • Academia

Dams & spillways

•Wide range of applications

•Wide range of flow conditions:
–Open channel
–Pressurized –Mixed

•Wide range of models
FLOW-3D HYDRO is a solution that is:

  • Versatile
  • Robust
  • Accurate

Spillway rating curve
Draft tube exit hydraulics
Flow distribution at turbine entrance
Head loss & energy dissipation
Forces on dams
Aerated flows
Spillway approach conditions
Jet deflection on upper spillway
Spillway water profile
Fish passage hydraulics
Forces on Spillways
Sediment & Scour

Limitless dam, spillway & stilling basin configurations

–Weirs & hydraulic controls
–Ogee
–Gated
–Staircase
–Siphon
–Bucket
–Morning glory
–Labyrinth
–Piano Key weir
–Arced weirs
–…

FLOW-3D HYDRO에는 수십 가지 예가 사전 탑재되어 있어 응용 프로그램 모델링을 시작할 수 있는 좋은 출발점을 제공합니다.

Ray-tracing an upcoming post-processing feature

Fishways

기하학적 또는 흐름 구성에 대한 제한 없음: FLOW-3D HYDO는 속도, 공기 흡입 및 난류장과 같은 중요한 흐름 특성을 매우 정확하게 표현합니다.

  • Natural fishways
  • Pool & weir
  • Pool & orifice
  • Larinier
  • Ice-harbor
  • Natural
  • Baffle
  • Vertical slot
  • Denil •…
  • Simulation outputs
  • Detail of velocity field
  • Water elevation profiles

Spatial mapping of turbulence intensity

Determination of flow conditions:
–Skimming
–Plunging
–Intermittent

Figure 4 A view of the ogee spillway and Type 2 piers in the 3D CFD model

NUMERICAL ANALYSIS AND THE REAL WORLD : IT LOOKS PRETTY BUT IS IT RIGHT?

D. K. H. Ho, S. M. Donohoo, K. M. Boyes and C. C. Lock
Advanced Analysis, Worley Pty Limited
L7, 116 Miller Street, North Sydney, NSW 2060 Australia
Tel: +61 2 8923 6817 e-mail: david.ho@worley.com.au

Abstract

엔지니어링 설계에서 유한 요소, 유한 차분 및 전산 유체 역학 분석 소프트웨어와 같은 수치 도구의 일상적인 사용이 최근 몇 년 동안 증가했습니다. 소프트웨어 및 하드웨어 기술의 발전은보다 비선형적이고 복잡한 3 차원 분석이 수행되고 있음을 의미합니다.

그러나 본질적으로 “블랙 박스”인 이러한 강력한 소프트웨어는 “컴퓨팅”기술을 보유하고 있지만 광범위한 엔지니어링 경험이 필요하지 않은 분석가의 손에 “컴퓨터 보조 재해”로 이어질 수 있습니다. 품질 보증 절차의 엄격한 구현은 수치 모델이나 분석 기법이 정확한지 확인할 필요가 없을 수 있습니다.

이 백서에서는 복잡성이 증가하는 세 가지 실제 토목 공학 응용 프로그램에서 수치 분석 결과를 검증하는 방법을 설명합니다. 여기에는 유한 요소법을 이용한 수조 탱크의 구조 해석, 전산 유체 역학법을 이용한 수력 구조물 위의 홍수 조사, 유한 ​​차분법을 이용한 안벽 시공 시뮬레이션 등이 있습니다. 입력 데이터의 불확실성 수준과 각 사례에 대한 계산 결과의 신뢰성에 대해 논의합니다. 분석 과정에서 몇 가지 흥미로운 결과가 발견되었습니다.

첫 번째 사례 연구는 시공의 질이 구조물의 성능에 상당한 영향을 미친다는 것을 보여주었습니다. 그러나 설계자는 설계 단계에서 이러한 상황을 수량화하고 분석하지 못할 수도 있습니다. 필요할 경우 향후 역분석은 물론 설계 검증의 기준점이 될 수 있도록 공사 종료 시 모니터링의 중요성이 필수적입니다. 유한 요소 분석은 복잡한 문제를 분석할 수 있는 강력한 수치 도구이지만, 분석가들은 문제의 행동이 단순하고 잘 이해되는 것처럼 보일 수 있는 상황에서 예상치 못한 결과를 만날 수 있도록 준비해야 합니다.

두 번째 사례 연구에서는 중요한 배수로 구조에 전산 유체 역학 분석이 처음으로 적용 되었기 때문에 엄격한 검증 프로세스가 강조됩니다. 그것은 2D ogee 방수로 프로파일로 시작하여 문제의 방수로의 3D 모델을 분석하기 위해 진행되는 방식으로 수행되었습니다.
계산된 결과를 각 단계에서 이론 및 물리적 테스트 데이터와 비교했습니다. 유체 흐름 문제의 비선형적 특성에도 불구하고, 분석은 확신을 가지고 실제 설계 목적에 적합한 결과를 제공할 수 있었습니다.

최종 사례 연구에서는 안벽의 거동이 시공 이력과 매립 방식에 영향을 받은 것으로 나타났습니다. 벽의 움직임은 매우 가변적인 토양 속성에도 불구하고 질적으로도 단순한 비선형 토양 모델을 사용하여 정확하게 예측되었습니다. 지속적인 모니터링 기록이 없기 때문에 검증은 어려웠습니다. 계산된 결과를 검증하는 열쇠는 수치 소프트웨어 도구를 사용하지 않는 독립적인 계산을 찾는 것입니다. 대부분의 경우 이러한 솔루션을 사용할 수 있습니다. 그러나 다른 경우에는 실험실 또는 현장 관찰에만 의존할 수 있습니다.

Introduction

오늘날 수치 해석은 대부분의 엔지니어링 설계에서 필수적인 부분을 형성합니다. 따라서 결과 검증의 필요성은 분석 기술 / 방법론을 신뢰할 수 있고 설계자가 계산 된 결과에 대한 확신을 가질 수 있도록 설계 프로세스 전반에 걸쳐 매우 중요합니다.

일반적인 관행은 고전 이론, 실험 데이터, 게시 된 데이터, 유사한 구조의 성능 및 다른 사람이 수행 한 수치 계산에 대해 결과를 검증하는 것입니다. 때때로 소프트웨어 개발자가 제공 한 벤치 마크 또는 검증 예제가 이러한 목적으로 사용될 수 있지만 전체 범위의 문제를 포괄 할만큼 포괄적 인 경우는 거의 없습니다.

수치 해석을 시작하기 전에 분석가는 입력 데이터의 신뢰성, 소프트웨어 도구가 문제의 문제를 해결할 수 있는지 여부 및 결과를 검증하는 방법을 결정해야합니다. 검증 프로세스가 많은 실무자들에 의해 품질 보증 절차의 일부로 채택되었지만 비용이 많이 드는 실패가 여전히 발생했습니다 [1].

Validation

결과 검증의 필요성은 수치 분석의 사용 (남용)에서 일부 나쁜 업계 관행을 관찰함으로써 강화 될 수 있습니다. 수치 계산을 수행하기 위해 고용 된 일부 엔지니어 / 분석가는 계산 뒤에있는 기본 이론을 완전히 이해하지 못하거나 숨겨진 함정을 처리 할 수있는 실제 엔지니어링 경험이 충분하지 않을 수 있습니다.

일부 소프트웨어가 “CAD와 유사”해지고 많은 사람들이 작동하기 쉽다고 주장하기 때문에 엔지니어링 회사가 대학원 엔지니어 대신 초보를 고용하여 수치 모델링 및 분석을 수행하는 경향이 점차 증가하고 있습니다.

사용자는 복잡한 지오메트리 모델을 생성하고, 적절한 요소와 메시를 만들고, 각 하중 케이스에 대한 경계 조건 (접촉, 하중 및 고정)을 적용하고, 속성을 할당하고, 제출에 필요한 모든 플래그 / 스위치 / 버튼을 설정하는 데 상당한 노력을 기울일 것입니다.

분석이 실행됩니다. 자체 검사를위한 일부 품질 보증 절차는 전처리 단계에서 따를 수 있지만 계산이 완료되고 결과가 후 처리 될 때까지 많은 사용자는 출력이 어느 정도 정확하다고 쉽게 믿을 것입니다. 지오메트리 생성은 수치 모델링 프로세스의 일부일뿐입니다. 가장 어려운 문제 중 하나는 전체 설계 프로세스에서 불확실성을 다루는 것입니다. 재료 속성 및 로딩 순서와 같은 입력과 관련된 불확실성이 있습니다.

예를 들어 모델이 선형 또는 비선형 방식으로 동작하는지 여부와 같이 솔루션 유형의 적절성과 관련된 불확실성이 있습니다. 마지막으로 결과 해석과 관련된 불확실성이 있습니다. 수치 분석에서 결과를 검증하고 문제를 발견하는 데있어 분석가를위한 좋은 방법에 대한 간단한 지침은 없습니다. 그러나 다음 방법을 통해 점차적으로 달성 할 수 있습니다.

• 수치 적 방법 과정에 대한 좋은 이해 – 이것은 학부 및 / 또는 대학원 수준의 공식 교육을 통해 얻을 수 있으며 지속적인 전문성 개발의 일환으로 자습을 통해 더욱 향상 될 수 있습니다.
• 특정 유형의 문제에 대한 기본 이론과 해결책의 범위를 잘 이해합니다. 이 역시 위와 같은 교육을 통해 이루어질 수 있습니다.
• 실제 문제를 해결하는 데 공학적 판단을 사용하고 수치 분석을 수행 한 경험이 있습니다. 이는 숙련 된 엔지니어가 분석가를 적절하게 감독하는 환경에서 작업함으로써 얻을 수 있습니다.

품질 보증 시스템의 구현이 실행 가능한 솔루션으로 이어지는 엔지니어링 판단을 대체하는 것은 아니라는 점에 유의해야합니다. 복잡한 대규모 모델을 분석하기 전에 시뮬레이션 기술과 문제의 근본적인 동작을 완전히 이해하기 위해 간단한 테스트 모델을 사용하여 수치 “실험”을 수행해야하는 경우가 매우 많습니다.

경험에 따르면 때때로 테스트 모델 자체가 분석가가 최종 설계 솔루션에 도달 할 수있는 충분한 정보를 제공 할 수 있습니다. 해당 대형 복합 모델의 분석은 설계 기대치를 확인하는 것입니다. 다음 사례 연구는 결과 검증이 수행 된 방법과 신뢰 수준 및 불확실성이 해결된 방법을 보여줍니다.

Applications

일반적인 토목 공학 프로젝트에서 수치 분석은 구조 역학, 기하학 및 유체 역학의 세 가지 기본 분야 중 하나 또는 조합을 포함 할 수 있습니다. 문제의 성격은 토양-구조 상호 작용, 유체-구조 상호 작용 또는 토양-유체 상호 작용 중 하나로 분류 될 수 있습니다.

어떤 경우에는 세 가지 모두를 포함 할 수 있습니다. 잠재적 인 복잡성을 고려하여, 정확도를 잃지 않고 실제 목적을 위해 중요한 동작을 캡처하지 않고 문제를 단순화하기 위해 몇 가지 가정과 이상화가 이루어져야합니다. 이러한 문제를 해결할 수있는 범용 및 특수 수치 분석 소프트웨어가 있습니다. 두 가지 유형의 소프트웨어가 사례 연구에 사용되었습니다.

Case 1 – Deflection of a steel water tank

직경 약 90m의 대형 원형 강철 물 탱크는 처음 채울 때 큰 벽면이 휘어지면서 탱크의 장기적인 구조적 무결성에 대한 우려를 불러 일으켰습니다.

물의 높이는 전체 저장 용량에서 약 10m였습니다. 지붕 구조는 탱크 내부에있는 기둥으로 거의 전적으로지지되었습니다. 스트레이크(strakes)는 벽의 바닥 1/3이 더 두꺼운 고급 강판으로 구성되었습니다. 1 차 윈드 거더는 탱크 상단 주위에 용접되었고 2 차 윈드 거더는베이스 위 2/3에 위치했습니다. 하단 스트레이 크는 환형베이스 플레이트에 필렛 용접되었습니다. 내부 기둥의 기초를 제외한 전체 바닥은 용접 된 강판으로 덮여있었습니다.

이 탱크는 유능한 중간층 사암과 미사암 기반암 위에 압축된 채움물 위에 세워졌습니다. 일련의 축 대칭 유한 요소 분석 (FEA)을 수행하여 관찰된 처짐을 예측할 수 있는지 여부를 결정하고 매일 물을 채우고 비울 때 피로 파괴가 발생할 가능성으로 인해 벽 바닥의 응력 상태를 계산했습니다.

내부 기둥과 지붕 빔을 포함하는 탱크의 12 분의 1 섹터에 대한 3 차원 모델을 처음에 분석하여 벽이 얼마나 많은 지붕 자중을지지하고 축 대칭 가정의 타당성을 조사했는지 조사했습니다. 이 분석의 결과는 지붕 구조의 강성 기여도가 중요하지 않아 후속 축 대칭 모델에 포함되지 않았 음을 보여주었습니다.

그러나 지붕 자체 무게의 작은 부분이 벽에 적용됩니다. 축 대칭 모델은 모든 강철 섹션, 필렛 및 맞대기 용접 및 기초로 구성되었습니다 (그림 1). 그것들은 몇 개의 3 노드 삼각형 축 대칭 요소가있는 4 노드 비 호환 모드 사변형으로 이산화되었습니다.

용접 재료를 통해서만 하중 전달이 허용되도록 용접이 모델링되었습니다. 용접 연결부에 미세한 메시를 사용하여 응력 상태를 정확하게 포착했습니다. 롤러 지지대는 모델의 측면 및 하단 경계에 적용되었습니다. 다음과 같은 하중이 적용되었습니다 :

철골 구조물의 자중, 지붕 자중, 벽의 정수압, 수위에 따른 바닥의 균일 한 압력. 한 모델은 용접 또는베이스의 강판이 플라스틱 힌지를 형성하기 위해 항복되었다고 가정했습니다. 이 경우 벽 바닥에서 핀 연결이 모델링되었습니다.

Partial FE mesh of tank/foundation. Insert shows mesh and stress distribution at wall base
그림2 Partial FE mesh of tank/foundation. Insert shows mesh and stress distribution at wall base

벽 처짐은 그림 2에 나와 있습니다. 측정 범위와 계산 된 결과는 비교 목적으로 표시됩니다. 계산 된 벽 처짐을 검증하기 위해 두 벽 두께에 대한 Timoshenko 및 Woinowsky-Krieger [2]에 기반한 고전 이론도 그림에 표시되었습니다. 계산 된 편향은 이론적 계산에 의해 제한됨을 관찰 할 수 있습니다.

벽 두께의 변화로 인한 전이가 분석에서 포착되었습니다. 이것은 유한 요소 모델에 대한 확신을 제공했습니다. 윈드 거더와 구속 된베이스의 영향도 볼 수 있습니다. 윈드 거더 설치로 인해 초기 변형이 발생하여 공사가 끝날 때 벽 상단이 안쪽으로 당겨질 수 있습니다. 굽힘 동작이 발생한베이스 근처를 제외하고는 후프 동작이 벽 동작을 지배했습니다.

계산된 최대 처짐이 측정된 순서와 동일하더라도 최대 돌출이 발생한 높이는 예측되지 않았습니다. 실제로 조사 데이터는 몇 가지 가능한 시나리오를 제안했습니다.베이스에 플라스틱 힌지 형성 (그러나이 영역에서 계산 된 응력은 항복 강도를 초과하지 않았습니다). 지반 재료의 국부적 인 베어링 고장 (다시 현장에서 균열과 같은 명백한 지시 신호가 보이지 않음); 또는 탱크 건설이 끝날 때 내장 된 기하학적 결함이있었습니다. 사전 변형 된 탱크에서 역 분석을 수행하여 측정 된 처짐이 정수압 하에서 “회복”되었습니다. 그러나 계산된 응력은 수율을 훨씬 초과했습니다. 불행히도 탱크는 완성 후 첫 번째 충전 전에 즉시 조사되지 않았습니다.

Figure 2 Wall deflection of water tank
Figure 2 Wall deflection of water tank

탱크의 원래 디자인과 건설이 2000 년대 초에 수행되었다는 점은 흥미 롭습니다. 설계 계산에 관련 표준 [3]을 사용했습니다. 이 표준은 탱크 벽이 후프 동작만으로 작용한다고 가정하고이 구조의 경우가 아닌베이스의 제약 조건을 무시합니다. 벽 처짐의 크기는 기초 강성을 고려한 Rish [4]가 개발 한 고전 이론 [2] 또는 FEA와 같은 수치 분석에 의해 결정될 수 있습니다. 고급 강철을 사용하면 설계자는 강도에는 적합하지만 서비스 가능성에는 필요하지 않은 더 얇은 섹션을 선택해야합니다. 굽힘 강성은 큐브 두께에 의해 결정됩니다. 수중 부하에서 후속 벽 변형 프로파일은 제작 품질에 영향을받습니다. 이것은 설계 단계에서 추정하기 어려웠을 것입니다.

사례 2 – 배수로 배출

호주의 많은 댐 구조는 제한된 수 문학적 정보로 1950 년대와 60 년대에 설계 및 건설되었습니다. 이러한 기존 방수로 구조는 수정 된 가능한 최대 홍수 수준에 대처하기 위해 크기가 작습니다. 증가 된 홍수 조건 하에서 방수로 꼭대기에 대한 음압 생성과 같은 잠재적 인 문제가 발생할 수 있습니다. 이는 방수로 및 게이트 구조에 불안정성 또는 캐비테이션 손상을 유발할 수 있습니다. 역사적으로 스케일링 된 물리적 모델은 이러한 동작을 연구하기 위해 수력 학 실험실에서 구성되었지만 비용이 많이 들고 시간이 많이 걸리며 스케일링 효과와 관련된 많은 어려움이 있습니다. 오늘날 고성능 컴퓨터와보다 효율적인 전산 유체 역학 (CFD) 코드를 사용하여 수리적 구조의 동작을 합리적인 시간과 비용으로 수치 적으로 조사 할 수 있습니다. 이 분석 기법은 대도시 지역에 주요 상수원을 제공하는 가장 큰 콘크리트 중력 댐에 호주에서 처음으로 적용 되었기 때문에 검증을 수행 할 필요가있었습니다. 이것은 그림 3과 같이 조사 프로세스에 통합되었습니다. 순서도는 간단한 2D에서 상세한 3D 방수로 모델로 어떻게 발전했는지 보여줍니다.

Figure 3 Flowchart showing the validation process
Figure 3 Flowchart showing the validation process

미 육군 공병대 [5]에서 발표 한 광범위한 데이터가 있기 때문에 검증을 위해 ogee 방수로 프로필 (그림 4 참조)이 선택되었습니다. 계산 된 결과는 조사의 각 단계에서 검토되었습니다. 게시 된 데이터에서 크게 벗어나면 프로젝트가 중단됩니다. 이것은 프로젝트가 시작되기 전에 고객과 상호 합의되었습니다.

Figure 4 A view of the ogee spillway and Type 2 piers in the 3D CFD model
Figure 4 A view of the ogee spillway and Type 2 piers in the 3D CFD model

이러한 종류의 분석의 초기 어려움 중 하나는 개방 채널 중력 흐름 문제에서 자유 표면의 정확한 계산이었습니다. 자유 표면을 추적하는 데 적응 형 메싱 및 반복 방법을 사용하는 것은 일부 유한 체적 CFD 코드에서 사용되었지만 성공은 제한적이었습니다. 본 연구에 사용 된 코드는 SOLA-VOF 방법으로 Navier-Stokes 방정식을 해결합니다. 유체 운동의 과도 동작을 해결하기 위해 유한 차분 방법이 사용되었습니다. 유체의 부피 (VOF) 함수는 자유 표면 운동을 계산하는 데 사용됩니다 [6].

분석에 대한 자세한 내용은 [7]에 설명되어 있습니다. 계산 된 파고 압력 분포, 자유 표면 프로파일 및 정상 상태에서의 배출 속도는 검증 목적으로 사용되었습니다. 다른 상류 수두 (H) 아래의 배수로 꼭대기를 따라 압력 분포가 그림 5에 나와 있습니다. 일부 압력 진동은 코드가 일반 메시와 곡선 배수로 장애물 사이의 인터페이스에서 계산을 처리하는 방식에 기인 할 수 있습니다. 훨씬 더 미세한 메쉬는 이러한 불규칙성을 부드럽게 만들었습니다. 압력 분포에 대한 교각의 영향은 3D 모델에서 올바르게 예측되었습니다 (그림 6).

계산된 자유 표면 프로파일 (그림 7)도 게시 된 데이터와 잘 일치했습니다. Savage와 Johnson [8]은 분석 기법에 대한 신뢰도를 높이는 동일한 CFD 코드를 사용하여 유사한 유효성 검사를 수행했습니다. 문제의 배수로에 대한 후속 분석은 스케일링 된 물리적 모델 테스트에서 얻은 결과와 비교할 때 상당히 좋은 결과를 제공했습니다.

Figure 5 Comparison of crest pressure for various heads (2D model), Hd is the design head
Figure 5 Comparison of crest pressure for various heads (2D model), Hd is the design head
Figure 6 Comparison of crest pressure next to pier (3D model)
Figure 6 Comparison of crest pressure next to pier (3D model)
Figure 7 Upper nappe profile next to pier
Figure 7 Upper nappe profile next to pier

분석에서 배수로의 기하학적 구조와 물 속성이 잘 정의되었습니다. 물은 비압축성이며 고정 된 온도에서 일정한 특성을 가지고 있다고 가정했습니다. 실제로 좋은 품질의 콘크리트 표면 마감을 얻을 수 있기 때문에 배수로 경계는 매끄럽다 고 가정했습니다. 불확실성은 메쉬 밀도와 적절한 난류 모델의 선택이라는 두 가지 소스에서 비롯됩니다. 메쉬 크기는 메모리 양과 컴퓨터의 클럭 속도에 의해 제한됩니다.

높은 레이놀즈 수의 난류 흐름은 소용돌이와 소용돌이의 형성을 포착 할 수있는 매우 미세한 메시로 계산할 수 있지만 현재 메시 밀도는 검증 및 설계 목적에 필요한 변수를 예측하기에 충분히 미세했습니다. 조사 결과는 큰 와류, k-ε 및 RNG 모델과 같은 난류 모델의 선택에 의해 크게 영향을받지 않는 것으로 나타났습니다. 분명히 벽 거칠기와 난류 모델의 도입은 방전율을 감소시킬 것입니다. 그러나 다시 분석 결과는 사용 된 메시에 거의 영향을 미치지 않음을 보여줍니다. 향후 분석은 다른 메쉬 밀도로 인한 이산화 오류를 조사 할 것입니다.

사례 3 – 안벽 건설
주요 컨테이너 항구 시설은 설계 단계에서 최소한의 수치 분석을 수행하여 약 25 년 전에 건설되었습니다. 당시에는 이러한 분석 도구를 사용하는 것이 비용 효율적이지 않은 것으로 간주되었습니다. 다수의 컨테이너 크레인이 측면을 따라 이어지는 2km 길이의 안벽을 건설하기 위해 광범위한 준설 및 매립 작업이 수행되었습니다.

시설이 완공 된 이후 일련의 콘크리트 카운터 포트 유닛으로 구성된 안벽과 후방 크레인 빔은 크레인이 할 수 있도록 후방 빔에 대한 레벨 조정 작업이 수행 될 정도로 지속적으로 이동하고 있습니다. 정상적으로 작동합니다. 그러나 영향을받는 두 구조물의 움직임을 저지하기 위해보다 영구적 인 해결책을 모색했습니다. 토양-구조 상호 작용 및 시공 시뮬레이션을 처리 할 수있는 명시 적 유한 차이 분석을 사용하여 다양한 교정 옵션의 순위를 지정했습니다.

그라우트 기둥, 타이백 앵커 및 말뚝 지지대와 같은 다양한 제안 된 개선을 분석하기 전에, 토양 및 구조적 특성과 시공 과정의 선택이 적절하도록 계산 모델을 관찰에 대해 보정해야한다고 결정했습니다. 지질 및 지질 공학 정보는 현장 및 실험실 테스트 데이터를 포함하는 현장 조사 보고서에서 평가되었습니다. 시설의 범위를 고려할 때 현장에서 만나는 특정 토양 유형에 대해 상당한 분산 테스트 데이터가 예상됩니다. 수력 모래 충전재에 대한 표준 침투 테스트 (SPT) 블로우 횟수 (N) 및 콘 침투 테스트 (CPT) 저항 (qc)에 대한 몇 가지 일반적인 기록이 그림 8과 9에 나와 있습니다.

Figure 8 SPT ‘N’ profiles
Figure 8 SPT ‘N’ profiles
Figure 9 CPT profiles
Figure 9 CPT profiles

이 결과로부터 평균 해수면 위와 아래에있는 모래 채우기의 강도와 강성의 대비를 관찰 할 수 있습니다. 이 현상은 배치 방법에 기인한다고 제안되었다 [9]. 또한 기초 수준에서 진동 압축 된 모래의 특성에도 변동이있었습니다. 분석을 위해 선택된 토양 특성은 테스트 데이터, 인근 사이트의 경험 및 유사한 토양 조건에 대한 발표 된 데이터를 기반으로합니다. 그것들은 표 1에 요약되어 있습니다. 일반적으로 시설의 건설 순서는 다음과 같습니다.

  1. Removal of pockets of soft marine clay by dredging
  2. Dredging of sand to the required level
  3. Vibro-compaction of the sand on which the counterfort units were to be founded
  4. Placement of gravel for the quay wall foundation.
  5. Placement of concrete counterfort units weighing 360 tonne each
  6. Placement of hydraulic sand fill behind the units
  7. Surcharging the fill just behind the capping beam
  8. Construct capping beam and place more sand fill to the finished level
  9. Additional surcharge prior to the operation of container cranes.

Table 1 Soil properties used in the construction
simulation of the quay wall

Table 1 Soil properties used in the construction simulation of the quay wal
Table 1 Soil properties used in the construction simulation of the quay wal

2D 평면 변형 모델의 수치 시뮬레이션에서 구성 순서 (그림 10)와 하중은 다음 단계에 따라 단순화 / 이상적입니다.

  1. The starting condition of the seabed consisted of the vibrocompacted sand, gravel bed, native sand, clay and fissured clay at depth. The “in-situ” stresses were also switched on in this step.
  2. Placement of counterfort unit (using equivalent linear elastic beam elements) with a vertical force applied through the centre of gravity of the unit to represent the buoyant self-weight.
  3. Sequentially placing hydraulic sand fill behind the unit to the level prior to surcharging.
  4. Apply an equivalent trapezoidal pressure to represent the surcharge.
  5. Placement of capping beam and the sand fill to the required level.
  6. Apply additional surcharge.
  7. Application of repeated loads from the crane seaward and landward legs.
Figure 10 Construction sequence
Figure 10 Construction sequence

분석에서는 침수 된 물질과 평균 해수면 위에있는 물질을 나타 내기 위해 적절한 밀도를 사용했습니다. 안벽의 장기적인 움직임이 중요했기 때문에 배수 된 토양 매개 변수가 사용되었습니다. 토양은 분석에서 Mohr-Coulomb 실패 기준을 따르는 것으로 가정되었습니다. 단순한 탄성-완전 소성 응력-변형 거동이 가정되었습니다. 일련의 강체 다이어그램으로 표현 된 안벽 이동의 역사는 그림 11에 나와 있습니다. 벽의 상단과 바닥에서 계산 된 수직 및 수평 이동은 그림 12와 13에 표시됩니다. 수치는 모니터링 된 데이터와 해당 상한 및 하한 (해당 상자에 표시됨)입니다. 측정에서 산란의 양에도 불구하고 벽 건설에 대해 계산 된 움직임은 합리적으로 잘 비교되었습니다. 조사 데이터와 예측을 일치시키기 위해 분석에서 토양 속성을 변경하려는 시도가 없었습니다. 반복되는 크레인 하중의 래칫 효과를 관찰 할 수 있습니다. 불행히도 반복적 인 크레인 하중 하에서 벽 이동에 대한 기준이 없었기 때문에 이러한 예상 이동을 비교할 수 없었습니다. 문제의 복잡성과 고도로 가변적 인 토양 특성을 고려할 때 계산 된 결과는 매우 고무적입니다.

Figure 11 Wall deformations
Figure 11 Wall deformations

토양에서 플라스틱 구역의 발달도 분석에서 계산되었습니다. 벽의 발가락 아래의 토양이 여러 번 과도하게 압박을받는 것으로 밝혀졌습니다. 접촉 압력은 경사 하중으로 인한 베어링 고장에 대한 안전 지표 (FOS)를 결정하는 데 사용되었습니다. 지지력은 계산 방법에 의해 크게 영향을 받았다고보고되었습니다 [10]. 원래의 기초 디자인은 덴마크 코드 [11]를 기반으로했기 때문에이 경우 일관성을 위해 사용되었습니다. 편심의 함수로서 FOS의 발전과 수평 대 수직 추력 (H / V)의 비율이 각각 그림 14와 15에 나와 있습니다.

Figure 12 Wall top movements
Figure 12 Wall top movements
Figure 13 Wall base movements
Figure 13 Wall base movements
Figure 14 ‘FOS’ vs. eccentricity
Figure 14 ‘FOS’ vs. eccentricity
Figure 15 ‘FOS’ vs. H/V ratio
Figure 15 ‘FOS’ vs. H/V ratio

그림은 벽이 추가 요금과 반복적 인 적재 단계 동안 국부적 인 베어링 고장에 가까웠음을 보여줍니다. 크레인 하중 하에서 FOS의 명백한 증가는 벽에 대한 수직 하중이 증가하는 반면 유지된 토양의 수평 압력이 다소 일정하게 유지됨에 따라 편심이 감소했기 때문입니다.

끝 맺는 말
세 가지 매우 다른 실제 응용 프로그램의 유효성 검사 프로세스가 설명되었습니다. 각 사례의 주요 특징과 결과는 표 2에 요약되어 있습니다. 재료 및 하중 불확도 및 예상 결과가 강조 표시됩니다. 건설 품질은 구조의 성능에 상당한 영향을 미치는 것으로 나타났습니다.

이는 분석가가 프로젝트의 설계 단계에서 정량화하고 정확하게 분석하지 못할 수도 있습니다. 구조가 완료된 직후 모니터링의 중요성을 간과해서는 안됩니다. 이것은 미래의 역 분석을위한 유용한 자료가 될 것입니다. 수치 도구가 이러한 복잡한 문제를 분석 할 수 있다는 사실에도 불구하고 분석가는 어떤 매개 변수가 중요하거나 중요하지 않은지 식별 할 준비가되어 있어야합니다.

익숙하지 않은 문제를 분석 할 때 유효성 검사 프로세스를 점진적으로 수행해야합니다. 아마도 검증 방법을 찾는 핵심은 수치 분석 도구를 사용하지 않고 솔루션에 도달 할 수있는 다른 방법이 있는지 묻는 것입니다. 많은 경우 이러한 솔루션은 광범위한 문헌 검색 후에 존재합니다. 그러나 다른 경우에는 실험실 테스트와 현장 관찰이 유일한 대안이 될 것입니다.

자세한 내용은 원문을 참고하시기 바랍니다.

References
[1] Puri, S.P.S. (1998) “Avoiding Engineering Failures Caused by Computer-Related Errors”, J. Comp. in Civil Engineering, ASCE, 12(4), 170-172.
[2] Timoshenko, S.P. and Woinowsky-Krieger, S. (1959) Theory of Plates and Shells, 2nd edition, McGraw-Hill Kogakusha. p.580.
[3] BS2654 (1989) Manufacturing of vertical steel welded non-refrigerated storage tanks with butt-welded shells for the petroleum industry.
[4] Rish, R.F. (1977) “Design of Cylindrical Tanks on Elastic Foundations”, Civil Engineering Transactions, The Institution of Engineers, Australia, 192-195.
[5] US Army Corps of Engineers (1990) Hydraulic Design of Spillways, Engineer Manual No. 1110-2-1603.
[6] Hirt, C.W. and Nichols, B.D. (1981) “Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries”, J. Comp. Phys. 39, 201- 225.
[7] Ho, D.K.H., Boyes, K.M and Donohoo, S.M. (2001) “Investigation of Spillway Behaviour under Increased Maximum Flood by Computational Fluid Dynamics Technique”, Proc. Conf. 14th Australasian Fluid Mechanics, Adelaide, December, 577-580.
[8] Savage, B.M. and Johnson, M.C. (2001) “Flow over Ogee Spillway: Physical and Numerical Model Case Study”, J. Hydraulic Engineering, ASCE, 127(8), 640-649.
[9] Lee, K.M., Shen, C.K., Leung, D.H.K. and Mitchell, J.K. (1999) “Effects of placement method on geotechnical behaviour of hydraulic fill sands” J. Geotech. and Geoenviron. Engineering, ASCE, 125(10), 832-846.
[10] Sieffert, J.G. and Bay-Gress, Ch. (2000) “Comparison of European bearing capacity calculation methods for shallow foundations”, Proceedings of the Institution of Civil Engineers, Geotechnical Engineering, 143, April, 65-74.
[11] DS 415 (1984) Code of Practice for Foundation Engineering. Table 2 Summary of findings for the three case studies

Cavitation | 캐비테이션

캐비테이션이란 무엇입니까?

The spillways of the Glen Canyon dam in 1983 (Lee and Hoopes, 1996).

캐비테이션은 유체 흐름의 매우 낮은 압력 또는 포화 압력을 높이는 온도 상승으로 인해 유체 내에서 증기 또는 기포가 빠르게 발생하는 것입니다. 기포의 갑작스런 출현 (및 후속 붕괴)은 비압축성 유체 내에서 압력의 급격한 변화를 일으켜 심각한 기계적 손상을 일으킬 수 있습니다. 캐비테이션에 의해 유도 된 힘은 1983 년 Glen Canyon 댐의 배수로에서 경험 한 손상에서 볼 수 있듯이 며칠 내에 수 피트의 암석을 침식 할 가능성이 있습니다 (Lee and Hoopes, 1996).

또한 고압 다이 캐스팅에서 캐비테이션이 발생할 수 있습니다. 다이의 수축 및 곡선을 통한 용융 합금의 빠른 이동은 급속한 압력 강하를 초래하고 후속 캐비테이션으로 이어질 수 있습니다. 생성된 증기 기포는 최종 주조에서 다공성을 유발하거나 더 나쁜 경우 다이에 손상을 일으켜 주조품을 훼손시키고 다이 수명을 감소시킬 수 있습니다.

캐비테이션은 터빈과 파이프에 손상을 줄 수 있고, 댐의 배수로에서 콘크리트를 침식하는 등의 원인이 될 수 있습니다. 아래 이미지는 댐의 배수로 바닥 근처의 콘크리트 침식을 보여줍니다. 댐에 사용되는 콘크리트는 일반적으로 강도가 높지만 캐비테이션은 여전히 그것을 부식시킬 수 있습니다.

Eroded concrete due to cavitation on the spillway of a dam

캐비테이션은 때때로 오염 물질과 유기 분자를 분해하고, 소수성 화학 물질을 결합하고, 캐비테이션 기포의 파열로 인해 생성 된 충격파를 통해 신장 결석을 파괴하고, 혼합을위한 난류를 증가시켜 수질 정화와 같은 특정 산업 응용 분야에서 의도적으로 유도됩니다.

따라서 캐비테이션이 발생할 가능성이있는 위치와 그 강도를 이해하는 것이 중요합니다. 캐비테이션을 실험을 수행하거나 실험 결과의 현상을 시각화하는 것이 어렵고, 잠재적으로 손상 될 수 있으므로 수치해석 시뮬레이션으로 검토하는 것이 매우 필요하고, 유용합니다.

Real-World Applications | 실제 응용 분야

  • 물 및 환경 구조 내에서 손상을 주는 캐비테이션 시뮬레이션
  • 다이 손상 및 주조 다공성을 유발할 수 있는 고압 다이 캐스팅 중 캐비테이션 시뮬레이션
  • MEMS 장치 내의 열 거품 형성 시뮬레이션
  • 열 전달 표면의 비등 거동 예측
  • 캐비테이션 역학으로 인한 혼합 예측

Modeling Cavitation in FLOW-3D

FLOW-3D의 캐비테이션 모델은 thermal bubble jets 와 MEMS devices를 시뮬레이션하는데 성공적으로 사용되었습니다. FLOW-3D는 “active”또는 “passive” 모델 옵션을 제공합니다. Active 모델은 기포 영역을 열고 수동 모델은 흐름을 통해 캐비테이션 기포의 존재를 추적하고 전파하지만, 기포 영역의 형성을 시작하지는 않습니다.

Active모델은 더 큰 캐비테이션 영역이 예상되고 유동장에 영향을 미치는 경우에 가장 적합하며, Passive모델은 작은 기포의 간단한 모양이 예상되는 시뮬레이션에 가장 적합합니다. 활성 모델과 에너지 전송 계산을 통해 위상 변화도 옵션입니다. 기포는 계면에서의 증발 또는 응축으로 인해 추가로 팽창하거나 수축 할 수 있습니다.

Sample Results

아래 시뮬레이션은 수축 노즐을 보여줍니다. 애니메이션은 매우 일시적인 진동 동작을 보여주는 캐비테이션 버블의 진화를 보여줍니다. 캐비테이션 부피 분율은 초기 연속 액체에서 캐비테이션의 시작을 시각화하기 위해 플롯됩니다.

아래 애니메이션은 진입 속도가 8m/s이고 수렴 기울기가 18 °이고 발산 기울기가 8 ° 인 벤츄리 내의 캐비테이션을 보여줍니다. 다시 말하지만, 캐비테이션의 과도 동작은 잘 모델링되어 있으며, 모델은 22ms의 실험 결과와 비교하여 17.4ms의 캐비테이션주기 기간을 예측합니다 (Stutz and Reboud 1997).

Cavitation in a venturi

물 탱크를 통해 이동하는 고속 발사체를 시뮬레이션하여 발사체 후류에서 생성 된 저압 영역의 공동 기둥을 보여줍니다. 발사체의 초기 속도는 600m / s입니다. 아래는 탱크의 움직임과 후행하는 캐비테이션 유체의 애니메이션입니다. 발사체가 감속함에 따라 캐비테이션 기둥의 반경이 좁아집니다.

@

High-speed bullet

References

Lee, W., Hoopes, J.A., 1996, Prediction of Cavitation Damage for Spillways, Journal of Hydraulic Engineering, 122(9): 481-488.

Plesset, M.S., Prosperetti, A., 1977, Bubble Dynamics and Cavitation, Annual Revue of Fluid Mech, 9: 145-185.

Rouse, H., 1946. Elementary Mechanics of Fluids, New York: Dover Publications, Inc.

Stutz, B., Reboud, J.L., 1997, Experiments on unsteady cavitation, Experiments in Fluids, 22: 191-198.

Oil & Gas Separators

Oil & Gas Separators

FLOW-3D는 오일 및 물과 같은 혼합 불가능한 유체를 모델링할 수 있으며, 개방된 환경(주변 공기)에 관련된 구성 요소 간의 고유한 인터페이스를 정확하게 추적할 수 있습니다.

전체 영역에 영향을 미치는 역학 관계로 유체가 자유롭게 혼합될 수 있습니다. 시간이 지남에 따라 유체는 연속 위상과 분산 위상 사이의 표류 관계에 따라 다시 분리됩니다.

중력 분리기의 성능은 CFD 모델링을 통해 향상 될 수 있습니다 :

  • Develop vessel inlet configurations to improve uniformity of gas and liquid flows and avoid mixing of oil & water due to wave-induced sloshing
  • Determine the influence of internal equipment on hydraulic efficiency and separation performance
  • Gauge the effects of changes in operating conditions
  • Accurately model small-scale phenomena (multi-phase flows, drops, particles, bubbles)

Stormwater

Stormwater

Stormwater

FLOW-3D is an industry leader in free-surface flow modeling and is used extensively by civil engineering professionals for the design and analysis of stormwater collection and treatment systems. Highly accurate 3D simulations provide advanced investigations of conveyance through hydraulic control structures, sewers and wet tunnel designs. FLOW-3D is optimized for modeling both free-surface and constrained flow patterns and seamlessly models situations that switch between free-surface, pressurized, sub-critical, and super-critical flow conditions.

Combined-sewer-overflow
Combined sewer overflow

Engineers can seamlessly navigate the transition between flow regimes with advanced analysis of combined sewer overflow structures with complex shifts in hydraulic controls throughout the system. FLOW-3D accurately models energy dissipating structures, including complex, highly turbulent and aerated flow features in addition to the particle tracking model used to evaluate the efficiency of hydrodynamic separator devices.

Aerated flow feature
Aerated flow feature

Applications include:

  • Hydraulic control structures
  • Combined sewer overflows
  • Detention/Retention basins
  • Hydrodynamics separators
  • Filtration systems
  • Pump stations
  • Wet tunnel hydraulics
  • Entrained air flow bulking
Hydrodynamic separator
Hydrodynamic separator

FLOW FSAI

F.SAI module

FSAI는 유체-구조 연성해석을 쉽게 할 수 있는 프로그램으로 FLOW-3D / FLOW-3D MP 해석 결과 데이터(유체 압력, 유체 온도, 벽 온도)를 구조 해석의 유한 요소(FEM) Mesh에 출력할 수 있습니다.  반대로 구조 해석의 유한 요소(FEM) Mesh 데이터를 FLOW-3D Solid 형상으로 읽어 처리 할 수 있습니다.

F.SAI는 FLOW Science Japan 개발 제품입니다.

F.SAI module Features

  • Transfer fluid pressures , temperature, and wall temperature
  • FLOW-3D® & FLOW-3D ®/MP support (Multi block support)
  • Support for Solid / Shell FEA meshes ( can be intermixed )
  • Node probe search distance
  • Automatic local interpolation on element faces
  • Add default value for nodes with no probe values
  • Limit the probe values to a given Min/Max values of the probe output
  • Runs in standalone mode ( does not require FLOW-3D ® or FEA package to be installed on the same machine )
  • Platforms: Windows 64 bit / Linux 64 bit

F.SAI module Features (Supported Features)

  • NASTRAN  (Bulk Data)
  • SIMULA  Abaqus ( version 6 and above )
  • MSC Mentat Marc 2012 (comma separated / fixed column format)
  • Altair HyperWorks OptiStruct
  • Altair HyperWorks Radioss
  • Calclix