Figure 4. Field gate discharge experiment.

FLOW-3D Model Development for the Analysis of the Flow Characteristics of Downstream Hydraulic Structures

하류 유압 구조물의 유동 특성 분석을 위한 FLOW-3D 모델 개발

Beom-Jin Kim 1, Jae-Hong Hwang 2 and Byunghyun Kim 3,*
1 Advanced Structures and Seismic Safety Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute,
Daejeon 34057, Korea
2 Korea Water Resources Corporation (K-Water), Daejeon 34350, Korea
3 Department of Civil Engineering, Kyungpook National University, Daegu 41566, Korea

  • Correspondence: bhkimc@knu.ac.kr; Tel.: +82-53-950-7819

Abstract

Hydraulic structures installed in rivers inevitably create a water level difference between upstream and downstream regions. The potential energy due to this difference in water level is converted into kinetic energy, causing high-velocity flow and hydraulic jumps in the river. As a result, problems such as scouring and sloping downstream may occur around the hydraulic structures. In this study, a FLOW-3D model was constructed to perform a numerical analysis of the ChangnyeongHaman weir in the Republic of Korea. The constructed model was verified based on surface velocity measurements from a field gate operation experiment. In the simulation results, the flow discharge differed from the measured value by 9–15 m3/s, from which the accuracy was evaluated to be 82–87%. The flow velocity was evaluated with an accuracy of 92% from a difference of 0.01 to 0.16 m/s. Following this verification, a flow analysis of the hydraulic structures was performed according to boundary conditions and operation conditions for numerous scenarios. Since 2018, the ChangnyeongHaman weir gate has been fully opened due to the implementation of Korea’s eco-environmental policy; therefore, in this study, the actual gate operation history data prior to 2018 was applied and evaluated. The evaluation conditions were a 50% open gate condition and the flow discharge of two cases with a large difference in water level. As a result of the analysis, the actual operating conditions showed that the velocity and the Froude number were lower than the optimal conditions, confirming that the selected design was appropriate. It was also found that in the bed protection section, the average flow velocity was high when the water level difference was large, whereas the bottom velocity was high when the gate opening was large. Ultimately, through the reviewed status survey data in this study, the downstream flow characteristics of hydraulic structures along with adequacy verification techniques, optimal design techniques such as procedures for design, and important considerations were derived. Based on the current results, the constructed FLOW-3D-based model can be applied to creating or updating flow analysis guidelines for future repair and reinforcement measures as well as hydraulic structure design.

하천에 설치되는 수력구조물은 필연적으로 상류와 하류의 수위차를 발생시킨다. 이러한 수위차로 인한 위치에너지는 운동에너지로 변환되어 하천의 고속유동과 수압점프를 일으킨다. 그 결과 수력구조물 주변에서 하류의 세굴, 경사 등의 문제가 발생할 수 있다.

본 연구에서는 대한민국 창녕함안보의 수치해석을 위해 FLOW-3D 모델을 구축하였다. 구축된 모델은 현장 게이트 작동 실험에서 표면 속도 측정을 기반으로 검증되었습니다.

시뮬레이션 결과에서 유량은 측정값과 9~15 m3/s 차이가 나고 정확도는 82~87%로 평가되었다. 유속은 0.01~0.16m/s의 차이에서 92%의 정확도로 평가되었습니다.

검증 후 다양한 시나리오에 대한 경계조건 및 운전조건에 따른 수리구조물의 유동해석을 수행하였다. 2018년부터 창녕함안보 문은 한국의 친환경 정책 시행으로 전면 개방되었습니다.

따라서 본 연구에서는 2018년 이전의 실제 게이트 운영 이력 데이터를 적용하여 평가하였다. 평가조건은 50% open gate 조건과 수위차가 큰 2가지 경우의 유수방류로 하였다. 해석 결과 실제 운전조건은 속도와 Froude수가 최적조건보다 낮아 선정된 설계가 적합함을 확인하였다.

또한 베드보호구간에서는 수위차가 크면 평균유속이 높고, 수문개구가 크면 저저유속이 높은 것으로 나타났다. 최종적으로 본 연구에서 검토한 실태조사 자료를 통해 적정성 검증기법과 함께 수력구조물의 하류 유동특성, 설계절차 등 최적 설계기법 및 중요 고려사항을 도출하였다.

현재의 결과를 바탕으로 구축된 FLOW-3D 기반 모델은 수력구조 설계뿐만 아니라 향후 보수 및 보강 조치를 위한 유동해석 가이드라인 생성 또는 업데이트에 적용할 수 있습니다.

Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 1. Effect of downstream riverbed erosion according to the type of weir foundation.
Figure 2. Changnyeong-Haman weir depth survey results (June 2015)
Figure 2. Changnyeong-Haman weir depth survey results (June 2015)
Figure 4. Field gate discharge experiment.
Figure 4. Field gate discharge experiment.
Figure 16. Analysis results for Case 7 and Case 8
Figure 16. Analysis results for Case 7 and Case 8

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Sketch of approach channel and spillway of the Kamal-Saleh dam

CFD modeling of flow pattern in spillway’s approach channel

Sustainable Water Resources Management volume 1, pages245–251 (2015)Cite this article

Abstract

Analysis of behavior and hydraulic characteristics of flow over the dam spillway is a complicated task that takes lots of money and time in water engineering projects planning. To model those hydraulic characteristics, several methods such as physical and numerical methods can be used. Nowadays, by utilizing new methods in computational fluid dynamics (CFD) and by the development of fast computers, the numerical methods have become accessible for use in the analysis of such sophisticated flows. The CFD softwares have the capability to analyze two- and three-dimensional flow fields. In this paper, the flow pattern at the guide wall of the Kamal-Saleh dam was modeled by Flow 3D. The results show that the current geometry of the left wall causes instability in the flow pattern and making secondary and vortex flow at beginning approach channel. This shape of guide wall reduced the performance of weir to remove the peak flood discharge.

댐 여수로 흐름의 거동 및 수리학적 특성 분석은 물 공학 프로젝트 계획에 많은 비용과 시간이 소요되는 복잡한 작업입니다. 이러한 수력학적 특성을 모델링하기 위해 물리적, 수치적 방법과 같은 여러 가지 방법을 사용할 수 있습니다. 요즘에는 전산유체역학(CFD)의 새로운 방법을 활용하고 빠른 컴퓨터의 개발로 이러한 정교한 흐름의 해석에 수치 방법을 사용할 수 있게 되었습니다. CFD 소프트웨어에는 2차원 및 3차원 유동장을 분석하는 기능이 있습니다. 본 논문에서는 Kamal-Saleh 댐 유도벽의 흐름 패턴을 Flow 3D로 모델링하였다. 결과는 왼쪽 벽의 현재 형상이 흐름 패턴의 불안정성을 유발하고 시작 접근 채널에서 2차 및 와류 흐름을 만드는 것을 보여줍니다. 이러한 형태의 안내벽은 첨두방류량을 제거하기 위해 둑의 성능을 저하시켰다.

Introduction

Spillways are one of the main structures used in the dam projects. Design of the spillway in all types of dams, specifically earthen dams is important because the inability of the spillway to remove probable maximum flood (PMF) discharge may cause overflow of water which ultimately leads to destruction of the dam (Das and Saikia et al. 2009; E 2013 and Novak et al. 2007). So study on the hydraulic characteristics of this structure is important. Hydraulic properties of spillway including flow pattern at the entrance of the guide walls and along the chute. Moreover, estimating the values of velocity and pressure parameters of flow along the chute is very important (Chanson 2004; Chatila and Tabbara 2004). The purpose of the study on the flow pattern is the effect of wall geometry on the creation transverse waves, flow instability, rotating and reciprocating flow through the inlet of spillway and its chute (Parsaie and Haghiabi 2015ab; Parsaie et al. 2015; Wang and Jiang 2010). The purpose of study on the values of velocity and pressure is to calculate the potential of the structure to occurrence of phenomena such as cavitation (Fattor and Bacchiega 2009; Ma et al. 2010). Sometimes, it can be seen that the spillway design parameters of pressure and velocity are very suitable, but geometry is considered not suitable for conducting walls causing unstable flow pattern over the spillway, rotating flows at the beginning of the spillway and its design reduced the flood discharge capacity (Fattor and Bacchiega 2009). Study on spillway is usually conducted using physical models (Su et al. 2009; Suprapto 2013; Wang and Chen 2009; Wang and Jiang 2010). But recently, with advances in the field of computational fluid dynamics (CFD), study on hydraulic characteristics of this structure has been done with these techniques (Chatila and Tabbara 2004; Zhenwei et al. 2012). Using the CFD as a powerful technique for modeling the hydraulic structures can reduce the time and cost of experiments (Tabbara et al. 2005). In CFD field, the Navier–Stokes equation is solved by powerful numerical methods such as finite element method and finite volumes (Kim and Park 2005; Zhenwei et al. 2012). In order to obtain closed-form Navier–Stokes equations turbulence models, such k − ε and Re-Normalisation Group (RNG) models have been presented. To use the technique of computational fluid dynamics, software packages such as Fluent and Flow 3D, etc., are provided. Recently, these two software packages have been widely used in hydraulic engineering because the performance and their accuracy are very suitable (Gessler 2005; Kim 2007; Kim et al. 2012; Milési and Causse 2014; Montagna et al. 2011). In this paper, to assess the flow pattern at Kamal-Saleh guide wall, numerical method has been used. All the stages of numerical modeling were conducted in the Flow 3D software.

Materials and methods

Firstly, a three-dimensional model was constructed according to two-dimensional map that was prepared for designing the spillway. Then a small model was prepared with scale of 1:80 and entered into the Flow 3D software; all stages of the model construction was conducted in AutoCAD 3D. Flow 3D software numerically solved the Navier–Stokes equation by finite volume method. Below is a brief reference on the equations that used in the software. Figure 1 shows the 3D sketch of Kamal-Saleh spillway and Fig. 2 shows the uploading file of the Kamal-Saleh spillway in Flow 3D software.

figure 1
Fig. 1
figure 2
Fig. 2

Review of the governing equations in software Flow 3D

Continuity equation at three-dimensional Cartesian coordinates is given as Eq (1).

vf∂ρ∂t+∂∂x(uAx)+∂∂x(vAy)+∂∂x(wAz)=PSORρ,vf∂ρ∂t+∂∂x(uAx)+∂∂x(vAy)+∂∂x(wAz)=PSORρ,

(1)

where uvz are velocity component in the x, y, z direction; A xA yA z cross-sectional area of the flow; ρ fluid density; PSOR the source term; v f is the volume fraction of the fluid and three-dimensional momentum equations given in Eq (2).

∂u∂t+1vf(uAx∂u∂x+vAy∂u∂y+wAz∂u∂z)=−1ρ∂P∂x+Gx+fx∂v∂t+1vf(uAx∂v∂x+vAy∂v∂y+wAz∂v∂z)=−1ρ∂P∂y+Gy+fy∂w∂t+1vf(uAx∂w∂x+vAy∂w∂y+wAz∂w∂z)=−1ρ∂P∂y+Gz+fz,∂u∂t+1vf(uAx∂u∂x+vAy∂u∂y+wAz∂u∂z)=−1ρ∂P∂x+Gx+fx∂v∂t+1vf(uAx∂v∂x+vAy∂v∂y+wAz∂v∂z)=−1ρ∂P∂y+Gy+fy∂w∂t+1vf(uAx∂w∂x+vAy∂w∂y+wAz∂w∂z)=−1ρ∂P∂y+Gz+fz,

(2)

where P is the fluid pressure; G xG yG z the acceleration created by body fluids; f xf yf z viscosity acceleration in three dimensions and v f is related to the volume of fluid, defined by Eq. (3). For modeling of free surface profile the VOF technique based on the volume fraction of the computational cells has been used. Since the volume fraction F represents the amount of fluid in each cell, it takes value between 0 and 1.

∂F∂t+1vf[∂∂x(FAxu)+∂∂y(FAyv)+∂∂y(FAzw)]=0∂F∂t+1vf[∂∂x(FAxu)+∂∂y(FAyv)+∂∂y(FAzw)]=0

(3)

Turbulence models

Flow 3D offers five types of turbulence models: Prantl mixing length, k − ε equation, RNG models, Large eddy simulation model. Turbulence models that have been proposed recently are based on Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. This approach involves statistical methods to extract an averaged equation related to the turbulence quantities.

Steps of solving a problem in Flow 3D software

(1) Preparing the 3D model of spillway by AutoCAD software. (2) Uploading the file of 3D model in Flow 3D software and defining the problem in the software and checking the final mesh. (3) Choosing the basic equations that should be solved. (4) Defining the characteristics of fluid. (5) Defining the boundary conditions; it is notable that this software has a wide range of boundary conditions. (6) Initializing the flow field. (7) Adjusting the output. (8) Adjusting the control parameters, choice of the calculation method and solution formula. (9) Start of calculation. Figure 1 shows the 3D model of the Kamal-Saleh spillway; in this figure, geometry of the left and right guide wall is shown.

Figure 2 shows the uploading of the 3D spillway dam in Flow 3D software. Moreover, in this figure the considered boundary condition in software is shown. At the entrance and end of spillway, the flow rate or fluid elevation and outflow was considered as BC. The bottom of spillway was considered as wall and left and right as symmetry.

Model calibration

Calibration of the Flow 3D for modeling the effect of geometry of guide wall on the flow pattern is included for comparing the results of Flow 3D with measured water surface profile. Calibration the Flow 3D software could be conducted in two ways: first, changing the value of upstream boundary conditions is continued until the results of water surface profile of the Flow 3D along the spillway successfully covered the measurement water surface profile; second is the assessment the mesh sensitivity. Analyzing the size of mesh is a trial-and-error process where the size of mesh is evaluated form the largest to the smallest. With fining the size of mesh the accuracy of model is increased; whereas, the cost of computation is increased. In this research, the value of upstream boundary condition was adjusted with measured data during the experimental studies on the scaled model and the mesh size was equal to 1 × 1 × 1 cm3.

Results and discussion

The behavior of water in spillway is strongly affected by the flow pattern at the entrance of the spillway, the flow pattern formation at the entrance is affected by the guide wall, and choice of an optimized form for the guide wall has a great effect on rising the ability of spillway for easy passing the PMF, so any nonuniformity in flow in the approach channel can cause reduction of spillway capacity, reduction in discharge coefficient of spillway, and even probability of cavitation. Optimizing the flow guiding walls (in terms of length, angle and radius) can cause the loss of turbulence and flow disturbances on spillway. For this purpose, initially geometry proposed for model for the discharge of spillway dam, Kamal-Saleh, 80, 100, and 120 (L/s) were surveyed. These discharges of flow were considered with regard to the flood return period, 5, 100 and 1000 years. Geometric properties of the conducting guidance wall are given in Table 1.Table 1 Characteristics and dimensions of the guidance walls tested

Full size table

Results of the CFD simulation for passing the flow rate 80 (L/s) are shown in Fig. 3. Figure 3 shows the secondary flow and vortex at the left guide wall.

figure 3
Fig. 3

For giving more information about flow pattern at the left and right guide wall, Fig. 4 shows the flow pattern at the right side guide wall and Fig. 5 shows the flow pattern at the left side guide wall.

figure 4
Fig. 4
figure 5
Fig. 5

With regard to Figs. 4 and 5 and observing the streamlines, at discharge equal to 80 (L/s), the right wall has suitable performance but the left wall has no suitable performance and the left wall of the geometric design creates a secondary and circular flow, and vortex motion in the beginning of the entrance of spillway that creates cross waves at the beginning of spillway. By increasing the flow rate (Q = 100 L/s), at the inlet spillway secondary flows and vortex were removed, but the streamline is severely distorted. Results of the guide wall performances at the Q = 100 (L/s) are shown in Fig. 6.

figure 6
Fig. 6

Also more information about the performance of each guide wall can be derived from Figs. 7 and 8. These figures uphold that the secondary and vortex flows were removed, but the streamlines were fully diverted specifically near the left side guide wall.

figure 7
Fig. 7
figure 8
Fig. 8

As mentioned in the past, these secondary and vortex flows and diversion in streamline cause nonuniformity and create cross wave through the spillway. Figure 9 shows the cross waves at the crest of the spillway.

figure 9
Fig. 9

The performance of guide walls at the Q = 120 (L/s) also was assessed. The result of simulation is shown in Fig. 10. Figures 11 and 12 show a more clear view of the streamlines near to right and left side guide wall, respectively. As seen in Fig. 12, the left side wall still causes vortex flow and creation of and diversion in streamline.

figure 10
Fig. 10
figure 11
Fig. 11
figure 12
Fig. 12

The results of the affected left side guide wall shape on the cross wave creation are shown in Fig. 13. As seen from Fig. 3, the left side guide wall also causes cross wave at the spillway crest.

figure 13
Fig. 13

As can be seen clearly in Figs. 9 and 13, by moving from the left side to the right side of the spillway, the cross waves and the nonuniformity in flow is removed. By reviewing Figs. 9 and 13, it is found that the right side guide wall removes the cross waves and nonuniformity. With this point as aim, a geometry similar to the right side guide wall was considered instead of the left side guide wall. The result of simulation for Q = 120 (L/s) is shown in Fig. 14. As seen from this figure, the proposed geometry for the left side wall has suitable performance smoothly passing the flow through the approach channel and spillway.

figure 14
Fig. 14

More information about the proposed shape for the left guide wall is shown in Fig. 15. As seen from this figure, this shape has suitable performance for removing the cross waves and vortex flows.

figure 15
Fig. 15

Figure 16 shows the cross section of flow at the crest of spillway. As seen in this figure, the proposed shape for the left side guide wall is suitable for removing the cross waves and secondary flows.

figure 16
Fig. 16

Conclusion

Analysis of behavior and hydraulic properties of flow over the spillway dam is a complicated task which is cost and time intensive. Several techniques suitable to the purposes of study have been undertaken in this research. Physical modeling, usage of expert experience, usage of mathematical models on simulation flow in one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional techniques, are some of the techniques utilized to study this phenomenon. The results of the modeling show that the CFD technique is a suitable tool for simulating the flow pattern in the guide wall. Using this tools helps the designer for developing the optimal shape for hydraulic structure which the flow pattern through them are important.

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Author information

Authors and Affiliations

  1. Department of Water Engineering, Lorestan University, Khorram Abad, IranAbbas Parsaie, Amir Hamzeh Haghiabi & Amir Moradinejad

Corresponding author

Correspondence to Abbas Parsaie.

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Parsaie, A., Haghiabi, A.H. & Moradinejad, A. CFD modeling of flow pattern in spillway’s approach channel. Sustain. Water Resour. Manag. 1, 245–251 (2015). https://doi.org/10.1007/s40899-015-0020-9

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  • Received28 April 2015
  • Accepted28 August 2015
  • Published15 September 2015
  • Issue DateSeptember 2015
  • DOIhttps://doi.org/10.1007/s40899-015-0020-9

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Keywords

  • Approach channel
  • Kamal-Saleh dam
  • Guide wall
  • Flow pattern
  • Numerical modeling
  • Flow 3D software
    Fig. 8. Comparison of the wave pattern for : (a) Ship wave only; (b) Ship wave in the presence of a following current.

    균일한 해류가 존재하는 선박 파도의 수치 시뮬레이션

    Numerical simulation of ship waves in the presence of a uniform current

    CongfangAiYuxiangMaLeiSunGuohaiDongState Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian, 116024, China

    Highlights

    • Ship waves in the presence of a uniform current are studied by a non-hydrostatic model.

    • Effects of a following current on characteristic wave parameters are investigated.

    • Effects of an opposing current on characteristic wave parameters are investigated.

    • The response of the maximum water level elevation to the ship draft is discussed.

    Abstract

    이 논문은 균일한 해류가 존재할 때 선박파의 생성 및 전파를 시뮬레이션하기 위한 비정역학적 모델을 제시합니다. 선박 선체의 움직임을 표현하기 위해 움직이는 압력장 방법이 모델에 통합되었습니다.

    뒤따르거나 반대 방향의 균일한 흐름이 있는 경우의 선박 파도의 수치 결과를 흐름이 없는 선박 파도의 수치 결과와 비교합니다. 추종 또는 반대 균일 전류가 존재할 때 계산된 첨단선 각도는 분석 솔루션과 잘 일치합니다. 추종 균일 전류와 반대 균일 전류가 특성파 매개변수에 미치는 영향을 제시하고 논의합니다.

    선박 흘수에 대한 최대 수위 상승의 응답은 추종 또는 반대의 균일한 흐름이 있는 경우에도 표시되며 흐름이 없는 선박 파도의 응답과 비교됩니다. 선박 선체 측면의 최대 수위 상승은 Froude 수 Fr’=Us/gh의 특정 범위에 대해 다음과 같은 균일한 흐름의 존재에 의해 증가될 수 있음이 밝혀졌습니다.

    여기서 Us는 선박 속도이고 h는 물입니다. 깊이. 균일한 해류를 무시하면 추종류나 반대류가 존재할 때 선박 흘수에 대한 최대 수위 상승의 응답이 과소평가될 수 있습니다.

    본 연구는 선박파의 해석에 있어 균일한 해류의 영향을 고려해야 함을 시사합니다.

    This paper presents a non-hydrostatic model to simulate the generation and propagation of ship waves in the presence of a uniform current. A moving pressure field method is incorporated into the model to represent the movement of a ship hull. Numerical results of ship waves in the presence of a following or an opposing uniform current are compared with those of ship waves without current. The calculated cusp-line angles in the presence of a following or opposing uniform current agree well with analytical solutions. The effects of a following uniform current and an opposing uniform current on the characteristic wave parameters are presented and discussed. The response of the maximum water level elevation to the ship draft is also presented in the presence of a following or an opposing uniform current and is compared with that for ship waves without current. It is found that the maximum water level elevation lateral to the ship hull can be increased by the presence of a following uniform current for a certain range of Froude numbers Fr′=Us/gh, where Us is the ship speed and h is the water depth. If the uniform current is neglected, the response of the maximum water level elevation to the ship draft in the presence of a following or an opposing current can be underestimated. The present study indicates that the effect of a uniform current should be considered in the analysis of ship waves.

    Keywords

    Ship waves, Non-hydrostatic model, Following current, Opposing current, Wave parameters

    1. Introduction

    Similar to wind waves, ships sailing across the sea can also create free-surface undulations ranging from ripples to waves of large size (Grue, 20172020). Ship waves can cause sediment suspension and engineering structures damage and even pose a threat to flora and fauna living near the embankments of waterways (Dempwolff et al., 2022). It is quite important to understand ship waves in various environments. The study of ship waves has been conducted over a century. A large amount of research (Almström et al., 2021Bayraktar and Beji, 2013David et al., 2017Ertekin et al., 1986Gourlay, 2001Havelock, 1908Lee and Lee, 2019Samaras and Karambas, 2021Shi et al., 2018) focused on the generation and propagation of ship waves without current. When a ship navigates in the sea or in a river where tidal flows or river flows always exist, the effect of currents should be taken into account. However, the effect of currents on the characteristic parameters of ship waves is still unclear, because very few publications have been presented on this topic.

    Over the past two decades, many two-dimensional (2D) Boussinesq-type models (Bayraktar and Beji, 2013Dam et al., 2008David et al., 2017Samaras and Karambas, 2021Shi et al., 2018) were developed to examine ship waves. For example, Bayraktar and Beji (2013) solved Boussinesq equations with improved dispersion characteristics to simulate ship waves due to a moving pressure field. David et al. (2017) employed a Boussinesq-type model to investigate the effects of the pressure field and its propagation speed on characteristic wave parameters. All of these Boussinesq-type models aimed to simulate ship waves without current except for that of Dam et al. (2008), who investigated the effect of currents on the maximum wave height of ship waves in a narrow channel.

    In addition to Boussinesq-type models, numerical models based on the Navier-Stokes equations (NSE) or Euler equations are also capable of resolving ship waves. Lee and Lee (20192021) employed the FLOW-3D model to simulate ship waves without current and ship waves in the presence of a uniform current to confirm their equations for ship wave crests. FLOW-3D is a computational fluid dynamics (CFD) software based on the NSE, and the volume of fluid (VOF) method is used to capture the moving free surface. However, VOF-based NSE models are computationally expensive due to the treatment of the free surface. To efficiently track the free surface, non-hydrostatic models employ the so-called free surface equation and can be solved efficiently. One pioneering application for the simulation of ship waves by the non-hydrostatic model was initiated by Ma (2012) and named XBeach. Recently, Almström et al. (2021) validated XBeach with improved dispersive behavior by comparison with field measurements. XBeach employed in Almström et al. (2021) is a 2-layer non-hydrostatic model and is accurate up to Kh=4 for the linear dispersion relation (de Ridder et al., 2020), where K=2π/L is the wavenumber. L is the wavelength, and h is the still water depth. However, no applications of non-hydrostatic models on the simulation of ship waves in the presence of a uniform current have been published. For more advances in the numerical modelling of ship waves, the reader is referred to Dempwolff et al. (2022).

    This paper investigates ship waves in the presence of a uniform current by using a non-hydrostatic model (Ai et al., 2019), in which a moving pressure field method is incorporated to represent the movement of a ship hull. The model solves the incompressible Euler equations by using a semi-implicit algorithm and is associated with iterating to solve the Poisson equation. The model with two, three and five layers is accurate up to Kh= 7, 15 and 40, respectively (Ai et al., 2019) in resolving the linear dispersion relation. To the best of our knowledge, ship waves in the presence of currents have been studied theoretically (Benjamin et al., 2017Ellingsen, 2014Li and Ellingsen, 2016Li et al., 2019.) and numerically (Dam et al., 2008Lee and Lee, 20192021). However, no publications have presented the effects of a uniform current on characteristic wave parameters except for Dam et al. (2008), who investigated only the effect of currents on the maximum wave height in a narrow channel for the narrow relative Froude number Fr=(Us−Uc)/gh ranging from 0.47 to 0.76, where Us is the ship speed and Uc is the current velocity. To reveal the effect of currents on the characteristic parameters of ship waves, the main objectives of this paper are (1) to validate the capability of the proposed model to resolve ship waves in the presence of a uniform current, (2) to investigate the effects of a following or an opposing current on characteristic wave parameters including the maximum water level elevation and the leading wave period in the ship wave train, (3) to show the differences in characteristic wave parameters between ship waves in the presence of a uniform current and those without current when the same relative Froude number Fr is specified, and (4) to examine the response of the maximum water level elevation to the ship draft in the presence of a uniform current.

    The remainder of this paper is organized as follows. The non-hydrostatic model for ship waves is described in Section 2. Section 3 presents numerical validations for ship waves. Numerical results and discussions about the effects of a uniform current on characteristic wave parameters are provided in Section 4, and a conclusion is presented in Section 5.

    2. Non-hydrostatic model for ship waves

    2.1. Governing equations

    The 3D incompressible Euler equations are expressed in the following form:(1)∂u∂x+∂v∂y+∂w∂z=0(2)∂u∂t+∂u2∂x+∂uv∂y+∂uw∂z=−∂p∂x(3)∂v∂t+∂uv∂x+∂v2∂y+∂vw∂z=−∂p∂y(4)∂w∂t+∂uw∂x+∂vw∂y+∂w2∂z=−∂p∂z−gwhere t is the time; u(x,y,z,t), v(x,y,z,t) and w(x,y,z,t) are the velocity components in the horizontal x, y and vertical z directions, respectively; p(x,y,z,t) is the pressure divided by a constant reference density; and g is the gravitational acceleration.

    The pressure p(x,y,z,t) can be expressed as(5)p=ps+g(η−z)+qwhere ps(x,y,t) is the pressure at the free surface, η(x,y,t) is the free surface elevation, and q(x,y,z,t) is the non-hydrostatic pressure.

    η(x,y,t) is calculated by the following free-surface equation:(6)∂η∂t+∂∂x∫−hηudz+∂∂y∫−hηvdz=0where z=−h(x,y) is the bottom surface.

    To generate ship waves, ps(x,y,t) is determined by the following slender-body type pressure field (Bayraktar and Beji, 2013David et al., 2017Samaras and Karambas, 2021):

    For −L/2≤x’≤L/2,−B/2≤y’≤B/2(7)ps(x,y,t)|t=0=pm[1−cL(x′/L)4][1−cB(y′/B)2]exp⁡[−a(y′/B)2]where x′=x−x0 and y′=y−y0. (x0,y0) is the center of the pressure field, pm is the peak pressure defined at (x0,y0), and L and B are the lengthwise and breadthwise parameters, respectively. cL, cB and a are set to 16, 2 and 16, respectively.

    2.2. Numerical algorithms

    In this study, the generation of ship waves is incorporated into the semi-implicit non-hydrostatic model developed by Ai et al. (2019). The 3D grid system used in the model is built from horizontal rectangular grids by adding horizontal layers. The horizontal layers are distributed uniformly along the water depth, which means the layer thickness is defined by Δz=(η+h)/Nz, where Nz is the number of horizontal layers.

    In the solution procedure, the first step is to generate ship waves by implementing Eq. (7) together with the prescribed ship track. In the second step, Eqs. (1)(2)(3)(4) are solved by the pressure correction method, which can be subdivided into three stages. The first stage is to compute intermediate velocities un+1/2, vn+1/2, and wn+1/2 by solving Eqs. (2)(3)(4), which contain the non-hydrostatic pressure at the preceding time level. In the second stage, the Poisson equation for the non-hydrostatic pressure correction term is solved on the graphics processing unit (GPU) in conjunction with the conjugate gradient method. The third stage is to compute the new velocities un+1, vn+1, and wn+1 by correcting the intermediate values after including the non-hydrostatic pressure correction term. In the discretization of Eqs. (2)(3), the gradient terms of the water surface ∂η/∂x and ∂η/∂y are discretized by means of the semi-implicit method (Vitousek and Fringer, 2013), in which the implicitness factor θ=0.5 is used. The model is second-order accurate in time for free-surface flows. More details about the model can be found in Ai et al. (2019).

    3. Model validation

    In this section, we validate the proposed model in resolving ship waves. The numerical experimental conditions are provided in Table 1 and Table 2. In Table 2, Case A with the current velocity of Uc = 0.0 m/s represents ship waves without current. Both Case B and Case C correspond to the cases in the presence of a following current, while Case D and Case E represent the cases in the presence of an opposing current. The current velocities are chosen based on the observed currents at 40.886° N, 121.812° E, which is in the Liaohe Estuary. The measured data were collected from 14:00 on September 18 (GMT + 08:00) to 19:00 on September 19 in 2021. The maximum flood velocity is 1.457 m/s, and the maximum ebb velocity is −1.478 m/s. The chosen current velocities are between the maximum flood velocity and the maximum ebb velocity.

    Table 1. Summary of ship speeds.

    CaseWater depth h (m)Ship speed Us (m/s)Froude number Fr′=Us/gh
    16.04.570.6
    26.05.350.7
    36.06.150.8
    46.06.900.9
    56.07.0930.925
    66.07.280.95
    76.07.4760.975
    86.07.861.025
    96.08.061.05
    106.08.2431.075
    116.08.451.1
    126.09.201.2
    136.09.971.3
    146.010.751.4
    156.011.501.5
    166.012.301.6
    176.013.051.7
    186.013.801.8
    196.014.601.9
    206.015.352.0

    Table 2. Summary of current velocities.

    CaseABCDE
    Current velocity
    Uc (m/s)
    0.00.51.0−0.5−1.0

    Notably, the Froude number Fr′=Us/gh presented in Table 1 is defined by the ship speed Us only and is different from the relative Froude number Fr when a uniform current is presented. According to the theory of Lee and Lee (2021), with the same relative Froude number, the cusp-line angles in the presence of a following or an opposing uniform current are identical to those without current. As a result, for the test cases presented in Table 1Table 2, all calculated cusp-line angles follow the analytical solution of Havelock (1908), when the relative Froude number Fr is introduced.

    As shown in Fig. 1, the dimensions of the computational domain are −420≤x≤420 m and −200≤y≤200 m, which are similar to those of David et al. (2017). The ship track follows the x axis and ranges from −384 m to 384 m. The ship hull is represented by Eq. (7), in which the length L and the beam B are set to 14.0 m and 7.0 m, respectively, and the peak pressure value is pm= 5000 Pa. In the numerical simulations, grid convergence tests reveal that the horizontal grid spacing of Δx=Δy= 1.0 m and two horizontal layers are adequate. The numerical results with different numbers of horizontal layers are shown in the Appendix.

    Fig. 1

    Fig. 2Fig. 3 compare the calculated cusp-line angles θc with the analytical solutions of Havelock (1908) for ship waves in the presence of a following uniform current and an opposing uniform current, respectively. The calculated cusp-line angles without current are also depicted in Fig. 2Fig. 3. All calculated cusp-line angles are in good agreement with the analytical solutions, except that the model tends to underpredict the cusp-line angle for 0.9<Fr<1.0. Notably, a similar underprediction of the cusp-line angle can also be found in David et al. (2017).

    Fig. 2
    Fig. 3

    4. Results and discussions

    This section presents the effects of a following current and opposing current on the maximum water level elevation and the leading wave period in the wave train based on the test cases presented in Table 1Table 2. Moreover, the response of the maximum water level elevation to the ship draft in the presence of a uniform current is examined.

    4.1. Effects of a following current on characteristic wave parameters

    To present the effect of a following current on the maximum wave height, the variations of the maximum water level elevation ηmax with the Froude number Fr′ at gauge points G1 and G2 are depicted in Fig. 4. The positions of gauge points G1 and G2 are shown in Fig. 1. The maximum water level elevation is an analogue to the maximum wave height and is presented in this study, because maximum wave heights at different positions away from the ship track vary throughout the wave train (David et al., 2017). In general, the variations of ηmax with the Froude number Fr′ in the three cases show a similar behavior, in which with the increase in Fr′, ηmax increases and then decreases. The presence of the following currents decreases ηmax for Fr′≤0.8 and Fr′≥1.2. Specifically, the following currents have a significant effect on ηmax for Fr′≤0.8. Notably, ηmax can be increased by the presence of the following currents for 0.9≤Fr′≤1.1. Compared with Case A, at location G1 ηmax is amplified 1.25 times at Fr′=0.925 in Case B and 1.31 times at Fr′=1.025 in Case C. Similarly, at location G2 ηmax is amplified 1.15 times at Fr′=1.025 in Case B and 1.11 times at Fr′=1.075 in Case C. The fact that ηmax can be increased by the presence of a following current for 0.9≤Fr′≤1.1 implies that if a following uniform current is neglected, then ηmax may be underestimated.

    Fig. 4

    To show the effect of a following current on the wave period, Fig. 5 depicts the variation of the leading wave period Tp in the wave train at gauge point G2 with the Froude number Fr′. Similar to David et al. (2017), Tp is defined by the wave period of the first wave with a leading trough in the wave train. The leading wave periods for Fr′= 0.6 and 0.7 were not given in Case B and Case C, because the leading wave heights for Fr′= 0.6 and 0.7 are too small to discern the leading wave periods. Compared with Case A, the presence of a following current leads to a larger Tp for 0.925≤Fr′≤1.1 and a smaller Tp for Fr′≥1.3. For Fr′= 0.8 and 0.9, Tp in Case B is larger than that in Case A and Tp in Case C is smaller than that in Case A. In all three cases, Tp decreases with increasing Fr′ for Fr′>1.0. However, this decreasing trend becomes very gentle after Fr′≥1.4. Notably, as shown in Fig. 5, Fr′=1.2 tends to be a transition point at which the following currents have a very limited effect on Tp. Moreover, before the transition point, Tp in Case B and Case C are larger than that in Case A (only for 0.925≤Fr′≤1.2), but after the transition point the reverse is true.

    Fig. 5

    As mentioned previously, the cusp-line angles for ship waves in the presence of a following or an opposing current are identical to those for ship waves only with the same relative Froude number Fr. However, with the same Fr, the characteristic parameters of ship waves in the presence of a following or an opposing current are quite different from those of ship waves without current. Fig. 6 shows the variations of the maximum water level elevation ηmax with Fr at gauge points G1 and G2 for ship waves in the presence of a following uniform current. Overall, the relationship curves between ηmax and Fr in Case B and Case C are lower than those in Case A. It is inferred that with the same Fr, ηmax in the presence of a following current is smaller than that without current. Fig. 7 shows the variation of the leading wave period Tp in the wave train at gauge point G2 with Fr for ship waves in the presence of a following uniform current. The overall relationship curves between Tp and Fr in Case B and Case C are also lower than those in Case A for 0.9≤Fr≤2.0. It can be inferred that with the same Fr, Tp in the presence of a following current is smaller than that without current for Fr≥0.9.

    Fig. 6
    Fig. 7

    To compare the numerical results between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of a following current with the same Fr, Fig. 8 shows the wave patterns for Fr=1.2. To obtain the case of ship waves in the presence of a following current with Fr=1.2, the ship speed Us=9.7 m/s and the current velocity Uc=0.5 m/s are adopted. Fig. 8 indicates that both the calculated cusp-line angles for the case of Us=9.2 m/s and Uc=0.0 m/s and the case of Us=9.7 m/s and Uc=0.5 m/s are equal to 56.5°, which follows the theory of Lee and Lee (2021)Fig. 9 depicts the comparison of the time histories of the free surface elevation at gauge point G2 for Fr=1.2 between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of a following current. The time when the ship wave just arrived at gauge point G2 is defined as t′=0. Both the maximum water level elevation and the leading wave period in the case of Us=9.2 m/s and Uc=0.0 m/s are larger than those in the case of Us=9.7 m/s and Uc=0.5 m/s, which is consistent with the inferences based on Fig. 6Fig. 7.

    Fig. 8
    Fig. 8. Comparison of the wave pattern for Fr=1.2: (a) Ship wave only; (b) Ship wave in the presence of a following current.
    Fig. 9
    Fig. 9. Comparison of the time histories of the free surface elevation at gauge point G2 for between case of ship waves only and case of ship waves in the presence of a following current.

    Fig. 10 shows the response of the maximum water level elevation ηmax to the ship draft at gauge point G2 for Fr′= 1.2 in the presence of a following uniform current. pm ranges from 2500 Pa to 40,000 Pa with an interval of Δp= 2500 Pa pm0= 2500 Pa represents a reference case. ηmax0 denotes the maximum water level elevation corresponding to the case of pm0= 2500 Pa. The best-fit linear trend lines obtained by linear regression analysis for the three responses are also depicted in Fig. 10. In general, all responses of ηmax to the ship draft show a linear relationship. The coefficients of determination for the three linear trend lines are R2= 0.9901, 0.9941 and 0.9991 for Case A, Case B and Case C, respectively. R2 is used to measure how close the numerical results are to the linear trend lines. The closer R2 is to 1.0, the more linear the numerical results tend to be. As a result, the relationship curve between ηmax and the ship draft in the presence of a following uniform current tends to be more linear than that without current. Notably, with the increase in pmpm0, ηmax increases faster in Case B and Case C than Case A. This implies that neglecting the following currents can lead to the underestimation of the response of ηmax to the ship draft.

    Fig. 10

    4.2. Effects of an opposing current on characteristic wave parameters

    Fig. 11 shows the variations of the maximum water level elevation ηmax with the Froude number Fr′ at gauge points G1 and G2 for ship waves in the presence of an opposing uniform current. The presence of opposing uniform currents leads to a significant reduction in ηmax at the two gauge points for 0.6≤Fr′≤2.0. Especially for Fr′=0.6, the decrease in ηmax is up to 73.8% in Case D and 78.4% in Case E at location G1 and up to 93.8% in Case D and 95.3% in Case E at location G2 when compared with Case A. Fig. 12 shows the variations of the leading wave period Tp at gauge point G2 with the Froude number Fr′ for ship waves in the presence of an opposing uniform current. The leading wave periods for Fr′= 0.6 and 0.7 were also not provided in Case D and Case E due to the small leading wave heights. In general, Tp decreases with increasing Fr′ in Case D and Case E for 0.8≤Fr′≤2.0. Tp in Case D and Case E are larger than that in Case A for Fr′≥1.0.

    Fig. 11
    Fig. 12

    Fig. 13 depicts the variations of the maximum water level elevation ηmax with the relative Froude number Fr at gauge points G1 and G2 for ship waves in the presence of an opposing uniform current. Similar to Case B and Case C shown in Fig. 6, the overall relationship curves between ηmax and Fr in Case D and Case E are lower than those in Case A. This implies that with the same Fr, ηmax in the presence of an opposing current is also smaller than that without current. Fig. 14 depicts the variations of the leading wave period Tp in the wave train at gauge point G2 with Fr for ship waves in the presence of an opposing uniform current. Similar to Case B and Case C shown in Fig. 7, the overall relationship curves between Tp and Fr in Case D and Case E are lower than those in Case A for 0.9≤Fr≤2.0. This also implies that with the same Fr, Tp in the presence of an opposing current is smaller than that without current.

    Fig. 13
    Fig. 14

    Fig. 15 shows a comparison of the wave pattern for Fr=1.2 between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of an opposing current. The case of the ship wave in the presence of an opposing current with Fr=1.2 is obtained by setting the ship speed Us=8.7 m/s and the current velocity Uc=−0.5 m/s. As expected (Lee and Lee, 2021), both calculated cusp-line angles are identical. Fig. 16 depicts the comparison of the time histories of the free surface elevation at gauge point G2 for Fr=1.2 between the case of ship waves only and the case of ship waves in the presence of an opposing current. The maximum water level elevation in the case of Us=9.2 m/s and Uc=0.0 m/s is larger than that in the case of Us=8.7 m/s and Uc=−0.5 m/s, while the reverse is true for the leading wave period. Fig. 16 is consistent with the inferences based on Fig. 13Fig. 14.

    Fig. 15
    Fig. 16

    Fig. 17 depicts the response of the maximum water level elevation ηmax to the ship draft at gauge point G2 for Fr′= 1.2 in the presence of an opposing uniform current. Similarly, the response of ηmax to the ship draft in the presence of an opposing uniform current shows a linear relationship. The coefficients of determination for the three linear trend lines are R2= 0.9901, 0.9955 and 0.9987 for Case A, Case D and Case E, respectively. This indicates that the relationship curve between ηmax and the ship draft in the presence of an opposing uniform current also tends to be more linear than that without current. In addition, ηmax increases faster with increasing pmpm0 in Case D and Case E than Case A, implying that the response of ηmax to the ship draft can also be underestimated by neglecting opposing currents.

    Fig. 17

    5. Conclusions

    A non-hydrostatic model incorporating a moving pressure field method was used to investigate characteristic wave parameters for ship waves in the presence of a uniform current. The calculated cusp-line angles for ship waves in the presence of a following or an opposing uniform current were in good agreement with analytical solutions, demonstrating that the proposed model can accurately resolve ship waves in the presence of a uniform current.

    The model results showed that the presence of a following current can result in an increase in the maximum water level elevation ηmax for 0.9≤Fr′≤1.1, while the presence of an opposing current leads to a significant reduction in ηmax for 0.6≤Fr′≤2.0. The leading wave period Tp can be increased for 0.925≤Fr′≤1.2 and reduced for Fr′≥1.3 due to the presence of a following current. However, the presence of an opposing current leads to an increase in Tp for Fr′≥1.0.

    Although with the same relative Froude number Fr, the cusp-line angles for ship waves in the presence of a following or an opposing current are identical to those for ship waves without current, the maximum water level elevation ηmax and leading wave period Tp in the presence of a following or an opposing current are quite different from those without current. The present model results imply that with the same Fr, ηmax in the presence of a following or an opposing current is smaller than that without current for Fr≥0.6, and Tp in the presence of a following or an opposing current is smaller than that without current for Fr≥0.9.

    The response of ηmax to the ship draft in the presence of a following current or an opposing current is similar to that without current and shows a linear relationship. However, the presence of a following or an opposing uniform current results in more linear responses of ηmax to the ship draft. Moreover, more rapid responses of ηmax to the ship draft are obtained when a following current or an opposing current is presented. This implies that the response of ηmax to the ship draft in the presence of a following current or an opposing current can be underestimated if the uniform current is neglected.

    The present results have implications for ships sailing across estuarine and coastal environments, where river flows or tidal flows are significant. In these environments, ship waves can be larger than expected and the response of the maximum water level elevation to the ship draft may be more remarkable. The effect of a uniform current should be considered in the analysis of ship waves.

    The present study considered only slender-body type ships. For different hull shapes, the effects of a uniform current on characteristic wave parameters need to be further investigated. Moreover, the effects of an oblique uniform current on ship waves need to be examined in future work.

    CRediT authorship contribution statement

    Congfang Ai: Conceptualization, Methodology, Software, Validation, Writing – original draft, Funding acquisition. Yuxiang Ma: Conceptualization, Methodology, Funding acquisition, Writing – review & editing. Lei Sun: Conceptualization, Methodology. Guohai Dong: Supervision, Funding acquisition.

    Declaration of competing interest

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

    Acknowledgments

    This research is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 521712485172010501051979029), LiaoNing Revitalization Talents Program (Grant No. XLYC1807010) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. DUT21LK01).

    Appendix. Numerical results with different numbers of horizontal layers

    Fig. 18 shows comparisons of the time histories of the free surface elevation at gauge point G1 for Case B and Fr′= 1.2 between the three sets of numerical results with different numbers of horizontal layers. The maximum water level elevations ηmax obtained by Nz= 3 and 4 are 0.24% and 0.35% larger than ηmax with Nz= 2, respectively. Correspondingly, the leading wave periods Tp obtained by Nz= 3 and 4 are 0.45% and 0.55% larger than Tp with Nz= 2, respectively. In general, the three sets of numerical results are very close. To reduce the computational cost, two horizontal layers Nz= 2 were chosen for this study.

    Fig. 18

    Data availability

    Data will be made available on request.

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    이종 금속 인터커넥트의 펄스 레이저 용접을 위한 가공 매개변수 최적화

    Optimization of processing parameters for pulsed laser welding of dissimilar metal interconnects

    본 논문은 독자의 편의를 위해 기계번역된 내용이어서 자세한 내용은 원문을 참고하시기 바랍니다.

    NguyenThi TienaYu-LungLoabM.Mohsin RazaaCheng-YenChencChi-PinChiuc

    aNational Cheng Kung University, Department of Mechanical Engineering, Tainan, Taiwan

    bNational Cheng Kung University, Academy of Innovative Semiconductor and Sustainable Manufacturing, Tainan, Taiwan

    cJum-bo Co., Ltd, Xinshi District, Tainan, Taiwan

    Abstract

    워블 전략이 포함된 펄스 레이저 용접(PLW) 방법을 사용하여 알루미늄 및 구리 이종 랩 조인트의 제조를 위한 최적의 가공 매개변수에 대해 실험 및 수치 조사가 수행됩니다. 피크 레이저 출력과 접선 용접 속도의 대표적인 조합 43개를 선택하기 위해 원형 패킹 설계 알고리즘이 먼저 사용됩니다.

    선택한 매개변수는 PLW 프로세스의 전산유체역학(CFD) 모델에 제공되어 용융 풀 형상(즉, 인터페이스 폭 및 침투 깊이) 및 구리 농도를 예측합니다. 시뮬레이션 결과는 설계 공간 내에서 PLW 매개변수의 모든 조합에 대한 용융 풀 형상 및 구리 농도를 예측하기 위해 3개의 대리 모델을 교육하는 데 사용됩니다.

    마지막으로, 대체 모델을 사용하여 구성된 처리 맵은 용융 영역에 균열이나 기공이 없고 향상된 기계적 및 전기적 특성이 있는 이종 조인트를 생성하는 PLW 매개변수를 결정하기 위해 세 가지 품질 기준에 따라 필터링됩니다.

    제안된 최적화 접근법의 타당성은 최적의 용접 매개변수를 사용하여 생성된 실험 샘플의 전단 강도, 금속간 화합물(IMC) 형성 및 전기 접촉 저항을 평가하여 입증됩니다.

    결과는 최적의 매개변수가 1209N의 높은 전단 강도와 86µΩ의 낮은 전기 접촉 저항을 생성함을 확인합니다. 또한 용융 영역에는 균열 및 기공과 같은 결함이 없습니다.

    An experimental and numerical investigation is performed into the optimal processing parameters for the fabrication of aluminum and copper dissimilar lap joints using a pulsed laser welding (PLW) method with a wobble strategy. A circle packing design algorithm is first employed to select 43 representative combinations of the peak laser power and tangential welding speed. The selected parameters are then supplied to a computational fluidic dynamics (CFD) model of the PLW process to predict the melt pool geometry (i.e., interface width and penetration depth) and copper concentration. The simulation results are used to train three surrogate models to predict the melt pool geometry and copper concentration for any combination of the PLW parameters within the design space. Finally, the processing maps constructed using the surrogate models are filtered in accordance with three quality criteria to determine the PLW parameters that produce dissimilar joints with no cracks or pores in the fusion zone and enhanced mechanical and electrical properties. The validity of the proposed optimization approach is demonstrated by evaluating the shear strength, intermetallic compound (IMC) formation, and electrical contact resistance of experimental samples produced using the optimal welding parameters. The results confirm that the optimal parameters yield a high shear strength of 1209 N and a low electrical contact resistance of 86 µΩ. Moreover, the fusion zone is free of defects, such as cracks and pores.

    Fig. 1. Schematic illustration of Al-Cu lap-joint arrangement
    Fig. 1. Schematic illustration of Al-Cu lap-joint arrangement
    Fig. 2. Machine setup (MFQS-150W_1500W
    Fig. 2. Machine setup (MFQS-150W_1500W
    Fig. 5. Lap-shear mechanical tests: (a) experimental setup and specimen dimensions, and (b) two different failures of lap-joint welding.
N. Thi Tien et al.
    Fig. 5. Lap-shear mechanical tests: (a) experimental setup and specimen dimensions, and (b) two different failures of lap-joint welding. N. Thi Tien et al.
    Fig. 9. Simulation and experimental results for melt pool profile. (a) Simulation results for melt pool cross-section, and (b) OM image of melt pool cross-section.
(Note that laser processing parameter of 830 W and 565 mm/s is chosen.).
    Fig. 9. Simulation and experimental results for melt pool profile. (a) Simulation results for melt pool cross-section, and (b) OM image of melt pool cross-section. (Note that laser processing parameter of 830 W and 565 mm/s is chosen.).

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    Fig. 8 Distribution of solidification properties on the yz cross section at the maximum width of the melt pool.(a) thermal gradient G, (b) solidification velocity vT, (c) cooling rate G×vT, and (d) morphology factor G/vT. These profiles are calculated with a laser power 300 W and velocity 400 mm/s using (a1 through d1) analytical Rosenthal simulation and (a2 through d2) high-fidelity CFD simulation. The laser is moving out of the page from the upper left corner of each color map (Color figure online)

    Quantifying Equiaxed vs Epitaxial Solidification in Laser Melting of CMSX-4 Single Crystal Superalloy

    CMSX -4 단결정 초합금의 레이저 용융에서 등축 응고와 에피택셜 응고 정량화

    본 논문은 독자의 편의를 위해 기계번역된 내용이어서 자세한 내용은 원문을 참고하시기 바랍니다.

    Abstract

    에피택셜 과 등축 응고 사이의 경쟁은 적층 제조에서 실행되는 레이저 용융 동안 CMSX-4 단결정 초합금에서 조사되었습니다. 단일 트랙 레이저 스캔은 레이저 출력과 스캐닝 속도의 여러 조합으로 방향성 응고된 CMSX-4 합금의 분말 없는 표면에서 수행되었습니다. EBSD(Electron Backscattered Diffraction) 매핑은 새로운 방향의 식별을 용이하게 합니다. 영역 분율 및 공간 분포와 함께 융합 영역 내에서 핵을 형성한 “스트레이 그레인”은 충실도가 높은 전산 유체 역학 시뮬레이션을 사용하여 용융 풀 내의 온도 및 유체 속도 필드를 모두 추정했습니다. 이 정보를 핵 생성 모델과 결합하여 용융 풀에서 핵 생성이 발생할 확률이 가장 높은 위치를 결정했습니다. 금속 적층 가공의 일반적인 경험에 따라 레이저 용융 트랙의 응고된 미세 구조는 에피택셜 입자 성장에 의해 지배됩니다. 더 높은 레이저 스캐닝 속도와 더 낮은 출력이 일반적으로 흩어진 입자 감소에 도움이 되지만,그럼에도 불구하고 길쭉한 용융 풀에서 흩어진 입자가 분명했습니다.

    The competition between epitaxial vs. equiaxed solidification has been investigated in CMSX-4 single crystal superalloy during laser melting as practiced in additive manufacturing. Single-track laser scans were performed on a powder-free surface of directionally solidified CMSX-4 alloy with several combinations of laser power and scanning velocity. Electron backscattered diffraction (EBSD) mapping facilitated identification of new orientations, i.e., “stray grains” that nucleated within the fusion zone along with their area fraction and spatial distribution. Using high-fidelity computational fluid dynamics simulations, both the temperature and fluid velocity fields within the melt pool were estimated. This information was combined with a nucleation model to determine locations where nucleation has the highest probability to occur in melt pools. In conformance with general experience in metals additive manufacturing, the as-solidified microstructure of the laser-melted tracks is dominated by epitaxial grain growth; nevertheless, stray grains were evident in elongated melt pools. It was found that, though a higher laser scanning velocity and lower power are generally helpful in the reduction of stray grains, the combination of a stable keyhole and minimal fluid velocity further mitigates stray grains in laser single tracks.

    Introduction

    니켈 기반 초합금은 고온에서 긴 노출 시간 동안 높은 인장 강도, 낮은 산화 및 우수한 크리프 저항성을 포함하는 우수한 특성의 고유한 조합으로 인해 가스 터빈 엔진 응용 분야에서 광범위하게 사용됩니다. CMSX-4는 특히 장기 크리프 거동과 관련하여 초고강도의 2세대 레늄 함유 니켈 기반 단결정 초합금입니다. 1 , 2 ]입계의 존재가 크리프를 가속화한다는 인식은 가스 터빈 엔진의 고온 단계를 위한 단결정 블레이드를 개발하게 하여 작동 온도를 높이고 효율을 높이는 데 기여했습니다. 이러한 구성 요소는 사용 중 마모될 수 있습니다. 즉, 구성 요소의 무결성을 복원하고 단결정 미세 구조를 유지하는 수리 방법을 개발하기 위한 지속적인 작업이 있었습니다. 3 , 4 , 5 ]

    적층 제조(AM)가 등장하기 전에는 다양한 용접 공정을 통해 단결정 초합금에 대한 수리 시도가 수행되었습니다. 균열 [ 6 , 7 ] 및 흩어진 입자 8 , 9 ] 와 같은 심각한 결함 이 이 수리 중에 자주 발생합니다. 일반적으로 “스트레이 그레인”이라고 하는 응고 중 모재의 방향과 다른 결정학적 방향을 가진 새로운 그레인의 형성은 니켈 기반 단결정 초합금의 수리 중 유해한 영향으로 인해 중요한 관심 대상입니다. 3 , 10 ]결과적으로 재료의 단결정 구조가 손실되고 원래 구성 요소에 비해 기계적 특성이 손상됩니다. 이러한 흩어진 입자는 특정 조건에서 에피택셜 성장을 대체하는 등축 응고의 시작에 해당합니다.

    떠돌이 결정립 형성을 완화하기 위해 이전 작업은 용융 영역(FZ) 내에서 응고하는 동안 떠돌이 결정립 형성에 영향을 미치는 수지상 응고 거동 및 처리 조건을 이해하는 데 중점을 두었습니다. 11 , 12 , 13 , 14 ] 연구원들은 단결정 합금의 용접 중에 표류 결정립 형성에 대한 몇 가지 가능한 메커니즘을 제안했습니다. 12 , 13 , 14 , 15 ]응고 전단에 앞서 국부적인 구성 과냉각은 이질적인 핵 생성 및 등축 결정립의 성장을 유발할 수 있습니다. 또한 용융 풀에서 활발한 유체 흐름으로 인해 발생하는 덴드라이트 조각화는 용융 풀 경계 근처에서 새로운 결정립을 형성할 수도 있습니다. 두 메커니즘 모두에서, 표류 결정립 형성은 핵 생성 위치에 의존하며, 차이점은 수상 돌기 조각화는 수상 돌기 조각이 핵 생성 위치로 작용한다는 것을 의미하는 반면 다른 메커니즘은 재료,  를 들어 산화물 입자에서 발견되는 다른 유형의 핵 생성 위치를 사용한다는 것을 의미합니다. 잘 알려진 바와 같이, 많은 주물에 대한 반대 접근법은 TiB와 같은 핵제의 도입을 통해 등축 응고를 촉진하는 것입니다.22알루미늄 합금에서.

    헌법적 과냉 메커니즘에서 Hunt 11 ] 는 정상 상태 조건에서 기둥에서 등축으로의 전이(CET)를 설명하는 모델을 개발했습니다. Gaumann과 Kurz는 Hunt의 모델을 수정하여 단결정이 응고되는 동안 떠돌이 결정립이 핵을 생성하고 성장할 수 있는 정도를 설명했습니다. 12 , 14 ] 이후 연구에서 Vitek은 Gaumann의 모델을 개선하고 출력 및 스캐닝 속도와 같은 용접 조건의 영향에 대한 보다 자세한 분석을 포함했습니다. Vitek은 또한 실험 및 모델링 기술을 통해 표류 입자 형성에 대한 기판 방향의 영향을 포함했습니다. 3 , 10 ]일반적으로 높은 용접 속도와 낮은 출력은 표류 입자의 양을 최소화하고 레이저 용접 공정 중 에피택셜 단결정 성장을 최대화하는 것으로 나타났습니다. 3,10 ] 그러나 Vitek은 덴드라이트 조각화를 고려하지 않았으며 그의 연구는 불균질 핵형성이 레이저 용접된 CMSX -4 단결정 합금에서 표류 결정립 형성을 이끄는 주요 메커니즘임을 나타냅니다. 현재 작업에서 Vitek의 수치적 방법이 채택되고 금속 AM의 급속한 특성의 더 높은 속도와 더 낮은 전력 특성으로 확장됩니다.

    AM을 통한 금속 부품 제조 는 지난 10년 동안 급격한 인기 증가를 목격했습니다. 16 ] EBM(Electron Beam Melting)에 의한 CMSX-4의 제작 가능성은 자주 조사되었으나 17 , 18 , 19 , 20 , 21 ] CMSX의 제조 및 수리에 대한 조사는 매우 제한적이었다. – 4개의 단결정 구성요소는 레이저 분말 베드 융합(LPBF)을 사용하며, AM의 인기 있는 하위 집합으로, 특히 표류 입자 형성을 완화하는 메커니즘과 관련이 있습니다. 22 ]이러한 조사 부족은 주로 이러한 합금 시스템과 관련된 처리 문제로 인해 발생합니다. 2 , 19 , 22 , 23 , 24 ] 공정 매개변수( 예: 열원 전력, 스캐닝 속도, 스폿 크기, 예열 온도 및 스캔 전략)의 엄격한 제어는 완전히 조밀한 부품을 만들고 유지 관리할 수 있도록 하는 데 필수적입니다. 단결정 미세구조. 25 ] EBM을 사용하여 단결정 합금의 균열 없는 수리가 현재 가능하지만 19 , 24 ] 표류 입자를 생성하지 않는 수리는 쉽게 달성할 수 없습니다.23 , 26 ]

    이 작업에서 LPBF를 대표하는 조건으로 레이저 용융을 사용하여 단결정 CMSX-4에서 표류 입자 완화를 조사했습니다. LPBF는 스캐닝 레이저 빔을 사용하여 금속 분말의 얇은 층을 기판에 녹이고 융합합니다. 층별 증착에서 레이저 빔의 사용은 급격한 온도 구배, 빠른 가열/냉각 주기 및 격렬한 유체 흐름을 경험하는 용융 풀을 생성 합니다 이것은 일반적으로 부품에 결함을 일으킬 수 있는 매우 동적인 물리적 현상으로 이어집니다. 28 , 29 , 30 ] 레이저 유도 키홀의 동역학( 예:, 기화 유발 반동 압력으로 인한 위상 함몰) 및 열유체 흐름은 AM 공정에서 응고 결함과 강하게 결합되고 관련됩니다. 31 , 32 , 33 , 34 ] 기하 구조의 급격한 변화가 발생하기 쉬운 불안정한 키홀은 다공성, 볼링, 스패터 형성 및 흔하지 않은 미세 구조 상을 포함하는 유해한 물리적 결함을 유발할 수 있습니다. 그러나 키홀 진화와 유체 흐름은 자연적으로 다음을 통해 포착 하기 어렵 습니다 .전통적인 사후 특성화 기술. 고충실도 수치 모델링을 활용하기 위해 이 연구에서는 전산유체역학(CFD)을 적용하여 표면 아래의 레이저-물질 상호 작용을 명확히 했습니다. 36 ] 이것은 응고된 용융물 풀의 단면에 대한 오랫동안 확립된 사후 특성화와 비교하여 키홀 및 용융물 풀 유체 흐름 정량화를 실행합니다.

    CMSX-4 구성 요소의 레이저 기반 AM 수리 및 제조를 위한 적절한 절차를 개발하기 위해 적절한 공정 창을 설정하고 응고 중 표류 입자 형성 경향에 대한 예측 기능을 개발하는 것부터 시작합니다. 다중 합금에 대한 단일 트랙 증착은 분말 층이 있거나 없는 AM 공정에서 용융 풀 형상 및 미세 구조의 정확한 분석을 제공하는 것으로 나타났습니다. 37 , 38 , 39 ]따라서 본 연구에서는 CMSX-4의 응고 거동을 알아보기 위해 분말을 사용하지 않는 단일 트랙 레이저 스캔 실험을 사용하였다. 이는 CMSX-4 단결정의 LPBF 제조를 위한 예비 실험 지침을 제공합니다. 또한 응고 모델링은 기존 용접에서 LPBF와 관련된 급속 용접으로 확장되어 표류 입자 감소를 위한 최적의 레이저 용융 조건을 식별했습니다. 가공 매개변수 최적화를 위한 추가 지침을 제공하기 위해 용융물 풀의 매우 동적인 유체 흐름을 모델링했습니다.

    재료 및 방법

    단일 트랙 실험

    방전 가공(EDM)을 사용하여 CMSX-4 방향성 응고 단결정 잉곳으로부터 샘플을 제작했습니다. 샘플의 최종 기하학은 치수 20의 직육면체 형태였습니다.××20××6mm. 6개 중 하나⟨ 001 ⟩⟨001⟩잉곳의 결정학적 방향은 레이저 트랙이 이 바람직한 성장 방향을 따라 스캔되도록 절단 표면에 수직으로 위치했습니다. 단일 레이저 용융 트랙은 EOS M290 기계를 사용하여 분말이 없는 샘플 표면에 만들어졌습니다. 이 기계는 최대 출력 400W, 가우시안 빔 직경 100의 이터븀 파이버 레이저가 장착된 LPBF 시스템입니다. μμ초점에서 m. 실험 중에 직사각형 샘플을 LPBF 기계용 맞춤형 샘플 홀더의 포켓에 끼워 표면을 동일한 높이로 유지했습니다. 이 맞춤형 샘플 홀더에 대한 자세한 내용은 다른 곳에서 설명합니다. 실험 은 아르곤 퍼지 분위기에서 수행되었으며 예열은 적용되지 않았습니다 단일 트랙 레이저 용융 실험은 다양한 레이저 출력(200~370W)과 스캔 속도(0.4~1.4m/s)에서 수행되었습니다.

    성격 묘사

    레이저 스캐닝 후, 레이저 빔 스캐닝 방향에 수직인 평면에서 FZ를 통해 다이아몬드 톱을 사용하여 샘플을 절단했습니다. 그 후, 샘플을 장착하고 220 그릿 SiC 페이퍼로 시작하여 콜로이드 실리카 현탁액 광택제로 마무리하여 자동 연마했습니다. 결정학적 특성화는 20kV의 가속 전압에서 TESCAN MIRA 3XMH 전계 방출 주사 전자 현미경(SEM)에서 수행되었습니다. EBSD 지도는0.4μm _0.4μ미디엄단계 크기. Bruker 시스템을 사용하여 EBSD 데이터를 정리하고 분석했습니다. EBSD 클린업은 그레인을 접촉시키기 위한 그레인 확장 루틴으로 시작한 다음 인덱스되지 않은 회절 패턴과 관련된 검은색 픽셀을 해결하기 위해 이웃 방향 클린업 루틴으로 이어졌습니다. 용융 풀 형태를 분석하기 위해 단면을 광학 현미경으로 분석했습니다. 광학 특성화의 대비를 향상시키기 위해 10g CuSO로 구성된 Marbles 시약의 변형으로 샘플을 에칭했습니다.44, 50mL HCl 및 70mL H22영형.

    응고 모델링

    구조적 과냉 기준에 기반한 응고 모델링을 수행하여 표유 입자의 성향 및 분포에 대한 가공 매개변수의 영향을 평가했습니다. 이 분석 모델링 접근 방식에 대한 자세한 내용은 이전 작업에서 제공됩니다. 3 , 10 ] 참고문헌 3 에 기술된 바와 같이 , 기본 재료의 결정학적 배향을 가진 용융 풀에서 총 표유 입자 면적 분율의 변화는 최소이므로 기본 재료 배향의 영향은 이 작업에서 고려되지 않았습니다. 우리의 LPBF 결과를 이전 작업과 비교하기 위해 Vitek의 작업에서 사용된 수학적으로 간단한 Rosenthal 방정식 3 ]또한 레이저 매개변수의 함수로 용융 풀의 모양과 FZ의 열 조건을 계산하기 위한 기준으로 여기에서 채택되었습니다. Rosenthal 솔루션은 열이 일정한 재료 특성을 가진 반무한 판의 정상 상태 점원을 통해서만 전도를 통해 전달된다고 가정하며 일반적으로 다음과 같이 표현 됩니다 40 , 41 ] .

    티=티0+η피2 파이케이엑스2+와이2+지2———-√경험치[- 브이(엑스2+와이2+지2———-√− 엑스 )2α _] ,티=티0+η피2파이케이엑스2+와이2+지2경험치⁡[-V(엑스2+와이2+지2-엑스)2α],(1)

    여기서 T 는 온도,티0티0본 연구에서 313K(  , EOS 기계 챔버 온도)로 설정된 주변 온도, P 는 레이저 빔 파워, V 는 레이저 빔 스캐닝 속도,ηη는 레이저 흡수율, k 는 열전도율,αα베이스 합금의 열확산율입니다. x , y , z 는 각각 레이저 스캐닝 방향, 가로 방향 및 세로 방향의 반대 방향과 정렬된 방향입니다 . 이 직교 좌표는 참조 3 의 그림 1에 있는 시스템을 따랐습니다 . CMSX-4에 대한 고상선 온도(1603K)와 액상선 온도(1669K)의 등온선 평균으로 응고 프런트( 즉 , 고체-액체 계면)를 정의했습니다. 42 , 43 , 44 ] 시뮬레이션에 사용된 열물리적 특성은 표 I 에 나열되어 있습니다.표 I CMSX-4의 응고 모델링에 사용된 열물리적 특성

    풀 사이즈 테이블

    열 구배는 외부 열 흐름에 의해 결정되었습니다.∇ 티∇티45 ] 에 의해 주어진 바와 같이 :

    지 = | ∇ 티| =∣∣∣∂티∂엑스나^^+∂티∂와이제이^^+∂티∂지케이^^∣∣∣=(∂티∂엑스)2+(∂티∂와이)2+(∂티∂지)2————————√,G=|∇티|=|∂티∂엑스나^^+∂티∂와이제이^^+∂티∂지케이^^|=(∂티∂엑스)2+(∂티∂와이)2+(∂티∂지)2,(2)

    어디나^^나^^,제이^^제이^^, 그리고케이^^케이^^는 각각 x , y 및 z 방향 을 따른 단위 벡터 입니다. 응고 등온선 속도,V티V티는 다음 관계에 의해 레이저 빔 스캐닝 속도 V 와 기하학적으로 관련됩니다.

    V티= V코사인θ =V∂티∂엑스(∂티∂엑스)2+(∂티∂와이)2+(∂티∂지)2——————-√,V티=V코사인⁡θ=V∂티∂엑스(∂티∂엑스)2+(∂티∂와이)2+(∂티∂지)2,(삼)

    어디θθ는 스캔 방향과 응고 전면의 법선 방향(  , 최대 열 흐름 방향) 사이의 각도입니다. 이 연구의 용접 조건과 같은 제한된 성장에서 수지상 응고 전면은 고체-액체 등온선의 속도로 성장하도록 강제됩니다.V티V티. 46 ]

    응고 전선이 진행되기 전에 새로 핵 생성된 입자의 국지적 비율ΦΦ, 액체 온도 구배 G 에 의해 결정 , 응고 선단 속도V티V티및 핵 밀도N0N0. 고정된 임계 과냉각에서 모든 입자가 핵형성된다고 가정함으로써△티N△티N, 등축 결정립의 반경은 결정립이 핵 생성을 시작하는 시점부터 주상 전선이 결정립에 도달하는 시간까지의 성장 속도를 통합하여 얻습니다. 과냉각으로 대체 시간d (ΔT_) / dt = – _V티G디(△티)/디티=-V티G, 열 구배 G 사이의 다음 관계 , 등축 입자의 국부적 부피 분율ΦΦ, 수상 돌기 팁 과냉각ΔT _△티, 핵 밀도N0N0, 재료 매개변수 n 및 핵생성 과냉각△티N△티N, Gäumann 외 여러분 에 의해 파생되었습니다 . 12 , 14 ] Hunt의 모델 11 ] 의 수정에 기반함 :

    지 =1엔 + 1- 4π _N03 인치( 1 − Φ )———√삼ΔT _( 1 -△티엔 + 1N△티엔 + 1) .G=1N+1-4파이N0삼인⁡(1-Φ)삼△티(1-△티NN+1△티N+1).(4)

    계산을 단순화하기 위해 덴드라이트 팁 과냉각을 전적으로 구성 과냉각의 것으로 추정합니다.△티씨△티씨, 멱법칙 형식으로 근사화할 수 있습니다.△티씨= ( _V티)1 / 엔△티씨=(ㅏV티)1/N, 여기서 a 와 n 은 재료 종속 상수입니다. CMSX-4의 경우 이 값은a = 1.25 ×106ㅏ=1.25×106 s K 3.4m− 1-1,엔 = 3.4N=3.4, 그리고N0= 2 ×1015N0=2×1015미디엄− 3,-삼,참고문헌 3 에 의해 보고된 바와 같이 .△티N△티N2.5K이며 보다 큰 냉각 속도에서 응고에 대해 무시할 수 있습니다.106106 K/s. 에 대한 표현ΦΦ위의 방정식을 재배열하여 해결됩니다.

    Φ= 1 -이자형에스\ 여기서\  S=- 4π _N0삼(1( 엔 + 1 ) (GN/ 아V티)1 / 엔)삼=−2.356×1019(vTG3.4)33.4.Φ=1−eS\ where\ S=−4πN03(1(n+1)(Gn/avT)1/n)3=−2.356×1019(vTG3.4)33.4.

    (5)

    As proposed by Hunt,[11] a value of Φ≤0.66Φ≤0.66 pct represents fully columnar epitaxial growth condition, and, conversely, a value of Φ≥49Φ≥49 pct indicates that the initial single crystal microstructure is fully replaced by an equiaxed microstructure. To calculate the overall stray grain area fraction, we followed Vitek’s method by dividing the FZ into roughly 19 to 28 discrete parts (depending on the length of the melt pool) of equal length from the point of maximum width to the end of melt pool along the x direction. The values of G and vTvT were determined at the center on the melt pool boundary of each section and these values were used to represent the entire section. The area-weighted average of ΦΦ over these discrete sections along the length of melt pool is designated as Φ¯¯¯¯Φ¯, and is given by:

    Φ¯¯¯¯=∑kAkΦk∑kAk,Φ¯=∑kAkΦk∑kAk,

    (6)

    where k is the index for each subsection, and AkAk and ΦkΦk are the areas and ΦΦ values for each subsection. The summation is taken over all the sections along the melt pool. Vitek’s improved model allows the calculation of stray grain area fraction by considering the melt pool geometry and variations of G and vTvT around the tail end of the pool.

    수년에 걸쳐 용융 풀 현상 모델링의 정확도를 개선하기 위해 많은 고급 수치 방법이 개발되었습니다. 우리는 FLOW-3D와 함께 고충실도 CFD를 사용했습니다. FLOW-3D는 여러 물리 모델을 통합하는 상용 FVM(Finite Volume Method)입니다. 47 , 48 ] CFD는 유체 운동과 열 전달을 수치적으로 시뮬레이션하며 여기서 사용된 기본 물리 모델은 레이저 및 표면력 모델이었습니다. 레이저 모델에서는 레이 트레이싱 기법을 통해 다중 반사와 프레넬 흡수를 구현합니다. 36 ]먼저, 레이저 빔은 레이저 빔에 의해 조명되는 각 그리드 셀을 기준으로 여러 개의 광선으로 이산화됩니다. 그런 다음 각 입사 광선에 대해 입사 벡터가 입사 위치에서 금속 표면의 법선 벡터와 정렬될 때 에너지의 일부가 금속에 의해 흡수됩니다. 흡수율은 Fresnel 방정식을 사용하여 추정됩니다. 나머지 에너지는 반사광선 에 의해 유지되며 , 반사광선은 재료 표면에 부딪히면 새로운 입사광선으로 처리됩니다. 두 가지 주요 힘이 액체 금속 표면에 작용하여 자유 표면을 변형시킵니다. 금속의 증발에 의해 생성된 반동 압력은 증기 억제를 일으키는 주요 힘입니다. 본 연구에서 사용된 반동 압력 모델은피아르 자형= 특급 _{ B ( 1- _티V/ 티) }피아르 자형=ㅏ경험치⁡{비(1-티V/티)}, 어디피아르 자형피아르 자형는 반동압력, A 와 B 는 재료의 물성에 관련된 계수로 각각 75와 15이다.티V티V는 포화 온도이고 T 는 키홀 벽의 온도입니다. 표면 흐름 및 키홀 형성의 다른 원동력은 표면 장력입니다. 표면 장력 계수는 Marangoni 흐름을 포함하기 위해 온도의 선형 함수로 추정되며,σ =1.79-9.90⋅10− 4( 티− 1654케이 )σ=1.79-9.90⋅10-4(티-1654년케이)엔엠− 1-1. 49 ] 계산 영역은 베어 플레이트의 절반입니다(2300 μμ미디엄××250 μμ미디엄××500 μμm) xz 평면 에 적용된 대칭 경계 조건 . 메쉬 크기는 8입니다. μμm이고 시간 단계는 0.15입니다. μμs는 계산 효율성과 정확성 간의 균형을 제공합니다.

    결과 및 논의

    용융 풀 형태

    이 작업에 사용된 5개의 레이저 파워( P )와 6개의 스캐닝 속도( V )는 서로 다른 29개의 용융 풀을 생성했습니다.피- 브이피-V조합. P 와 V 값이 가장 높은 것은 그림 1 을 기준으로 과도한 볼링과 관련이 있기 때문에 본 연구에서는 분석하지 않았다  .

    단일 트랙 용융 풀은 그림  1 과 같이 형상에 따라 네 가지 유형으로 분류할 수 있습니다 39 ] : (1) 전도 모드(파란색 상자), (2) 키홀 모드(빨간색), (3) 전환 모드(마젠타), (4) 볼링 모드(녹색). 높은 레이저 출력과 낮은 스캐닝 속도의 일반적인 조합인 키홀 모드에서 용융물 풀은 일반적으로 너비/깊이( W / D ) 비율이 0.5보다 훨씬 큰 깊고 가느다란 모양을 나타냅니다 . 스캐닝 속도가 증가함에 따라 용융 풀이 얕아져 W / D 가 약 0.5인 반원형 전도 모드 용융 풀을 나타냅니다. W / D _전환 모드 용융 풀의 경우 1에서 0.5 사이입니다. 스캐닝 속도를 1200 및 1400mm/s로 더 높이면 충분히 큰 캡 높이와 볼링 모드 용융 풀의 특징인 과도한 언더컷이 발생할 수 있습니다.

    힘과 속도의 함수로서의 용융 풀 깊이와 너비는 각각 그림  2 (a)와 (b)에 표시되어 있습니다. 용융 풀 폭은 기판 표면에서 측정되었습니다. 그림  2 (a)는 깊이가 레이저 출력과 매우 선형적인 관계를 따른다는 것을 보여줍니다. 속도가 증가함에 따라 깊이  파워 곡선의 기울기는 꾸준히 감소하지만 더 높은 속도 곡선에는 약간의 겹침이 있습니다. 이러한 예상치 못한 중첩은 종종 용융 풀 형태의 동적 변화를 유발하는 유체 흐름의 영향과 레이저 스캔당 하나의 이미지만 추출되었다는 사실 때문일 수 있습니다. 이러한 선형 동작은 그림 2 (b) 의 너비에 대해 명확하지 않습니다  . 그림  2(c)는 선형 에너지 밀도 P / V 의 함수로서 용융 깊이와 폭을 보여줍니다 . 선형 에너지 밀도는 퇴적물의 단위 길이당 에너지 투입량을 측정한 것입니다. 50 ] 용융 풀 깊이는 에너지 밀도에 따라 달라지며 너비는 더 많은 분산을 나타냅니다. 동일한 에너지 밀도가 준공 부품의 용융 풀, 미세 구조 또는 속성에서 반드시 동일한 유체 역학을 초래하지는 않는다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 50 ]

    그림 1
    그림 1
    그림 2
    그림 2

    레이저 흡수율 평가

    레이저 흡수율은 LPBF 조건에서 재료 및 가공 매개변수에 따라 크게 달라진다는 것은 잘 알려져 있습니다. 31 , 51 , 52 ] 적분구를 이용한 전통적인 흡수율의 직접 측정은 일반적으로 높은 비용과 구현의 어려움으로 인해 쉽게 접근할 수 없습니다. 51 ] 그  . 39 ] 전도 모드 용융 풀에 대한 Rosenthal 방정식을 기반으로 경험적 레이저 흡수율 모델을 개발했지만 기본 가정으로 인해 키홀 용융 풀에 대한 정확한 예측을 제공하지 못했습니다. 40 ] 최근 간 . 53 ] Ti–6Al–4V에 대한 30개의 고충실도 다중 물리 시뮬레이션 사례를 사용하여 레이저 흡수에 대한 스케일링 법칙을 확인했습니다. 그러나 연구 중인 특정 재료에 대한 최소 흡수(평평한 용융 표면의 흡수율)에 대한 지식이 필요하며 이는 CMSX-4에 대해 알려지지 않았습니다. 다양한 키홀 모양의 용융 풀에 대한 레이저 흡수의 정확한 추정치를 얻기가 어렵기 때문에 상한 및 하한 흡수율로 분석 시뮬레이션을 실행하기로 결정했습니다. 깊은 키홀 모양의 용융 풀의 경우 대부분의 빛을 가두는 키홀 내 다중 반사로 인해 레이저 흡수율이 0.8만큼 높을 수 있습니다. 이것은 기하학적 현상이며 기본 재료에 민감하지 않습니다. 5152 , 54 ] 따라서 본 연구에서는 흡수율의 상한을 0.8로 설정하였다. 참고 문헌 51 에 나타낸 바와 같이 , 전도 용융 풀에 해당하는 최저 흡수율은 약 0.3이었으며, 이는 이 연구에서 합리적인 하한 값입니다. 따라서 레이저 흡수율이 스트레이 그레인 형성에 미치는 영향을 보여주기 위해 흡수율 값을 0.55 ± 0.25로 설정했습니다. Vitek의 작업에서는 1.0의 고정 흡수율 값이 사용되었습니다. 3 ]

    퓨전 존 미세구조

    그림  3 은 200~300W 및 600~300W 및 600~300W 범위의 레이저 출력 및 속도로 9가지 다른 처리 매개변수에 의해 생성된 CMSX-4 레이저 트랙의 yz 단면 에서 취한 EBSD 역극점도와 해당 역극점도를 보여 줍니다. 각각 1400mm/s. EBSD 맵에서 여러 기능을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 스트레이 그레인은 EBSD 맵에서 그 방향에 해당하는 다른 RGB 색상으로 나타나고 그레인 경계를 묘사하기 위해 5도의 잘못된 방향이 사용되었습니다. 여기, 그림  3 에서 스트레이 그레인은 대부분 용융 풀의 상단 중심선에 집중되어 있으며, 이는 용접된 단결정 CMSX-4의 이전 보고서와 일치합니다. 10 ]역 극점도에서, 점 근처에 집중된 클러스터⟨ 001 ⟩⟨001⟩융합 경계에서 유사한 방향을 유지하는 단결정 기반 및 에피택셜로 응고된 덴드라이트를 나타냅니다. 그러나 흩어진 곡물은 식별할 수 있는 질감이 없는 흩어져 있는 점으로 나타납니다. 단결정 기본 재료의 결정학적 방향은 주로⟨ 001 ⟩⟨001⟩비록 샘플을 절단하는 동안 식별할 수 없는 기울기 각도로 인해 또는 단결정 성장 과정에서 약간의 잘못된 방향이 있었기 때문에 약간의 편차가 있지만. 용융 풀 내부의 응고된 수상 돌기의 기본 방향은 다시 한 번⟨ 001 ⟩⟨001⟩주상 결정립 구조와 유사한 에피택셜 성장의 결과. 그림 3 과 같이 용융 풀에서 수상돌기의 성장 방향은 하단의 수직 방향에서 상단의 수평 방향으로 변경되었습니다  . 이 전이는 주로 온도 구배 방향의 변화로 인한 것입니다. 두 번째 전환은 CET입니다. FZ의 상단 중심선 주변에서 다양한 방향의 흩어진 입자가 관찰되며, 여기서 안쪽으로 성장하는 수상돌기가 서로 충돌하여 용융 풀에서 응고되는 마지막 위치가 됩니다.

    더 깊은 키홀 모양을 특징으로 하는 샘플에서 용융 풀의 경계 근처에 침전된 흩어진 입자가 분명합니다. 이러한 새로운 입자는 나중에 모델링 섹션에서 논의되는 수상돌기 조각화 메커니즘에 의해 잠재적으로 발생합니다. 결정립이 강한 열 구배에서 핵을 생성하고 성장한 결과, 대부분의 흩어진 결정립은 모든 방향에서 동일한 크기를 갖기보다는 장축이 열 구배 방향과 정렬된 길쭉한 모양을 갖습니다. 그림 3 의 전도 모드 용융 풀 흩어진 입자가 없는 것으로 입증되는 더 나은 단결정 품질을 나타냅니다. 상대적으로 낮은 출력과 높은 속도의 스캐닝 레이저에 의해 생성된 이러한 더 얕은 용융 풀에서 최소한의 결정립 핵형성이 발생한다는 것은 명백합니다. 더 큰 면적 분율을 가진 스트레이 그레인은 고출력 및 저속으로 생성된 깊은 용융 풀에서 더 자주 관찰됩니다. 국부 응고 조건에 대한 동력 및 속도의 영향은 후속 모델링 섹션에서 조사할 것입니다.

    그림 3
    그림 3

    응고 모델링

    서론에서 언급한 바와 같이 연구자들은 단결정 용접 중에 표류 결정립 형성의 가능한 메커니즘을 평가했습니다. 12 , 13 , 14 , 15 , 55 ]논의된 가장 인기 있는 두 가지 메커니즘은 (1) 응고 전단에 앞서 구성적 과냉각에 의해 도움을 받는 이종 핵형성 및 (2) 용융물 풀의 유체 흐름으로 인한 덴드라이트 조각화입니다. 첫 번째 메커니즘은 광범위하게 연구되었습니다. 이원 합금을 예로 들면, 고체는 액체만큼 많은 용질을 수용할 수 없으므로 응고 중에 용질을 액체로 거부합니다. 결과적으로, 성장하는 수상돌기 앞에서 용질 분할은 실제 온도가 국부 평형 액상선보다 낮은 과냉각 액체를 생성합니다. 충분히 광범위한 체질적으로 과냉각된 구역의 존재는 새로운 결정립의 핵형성 및 성장을 촉진합니다. 56 ]전체 과냉각은 응고 전면에서의 구성, 동역학 및 곡률 과냉각을 포함한 여러 기여의 합입니다. 일반적인 가정은 동역학 및 곡률 과냉각이 합금에 대한 용질 과냉각의 더 큰 기여와 관련하여 무시될 수 있다는 것입니다. 57 ]

    서로 다른 기본 메커니즘을 더 잘 이해하려면피- 브이피-V조건에서 응고 모델링이 수행됩니다. 첫 번째 목적은 스트레이 그레인의 전체 범위를 평가하는 것입니다(Φ¯¯¯¯Φ¯) 처리 매개 변수의 함수로 국부적 표류 입자 비율의 변화를 조사하기 위해 (ΦΦ) 용융 풀의 위치 함수로. 두 번째 목적은 금속 AM의 빠른 응고 동안 응고 미세 구조와 표류 입자 형성 메커니즘 사이의 관계를 이해하는 것입니다.

    그림 4
    그림 4

    그림  4 는 해석적으로 시뮬레이션된 표류 입자 비율을 보여줍니다.Φ¯¯¯¯Φ¯세 가지 레이저 흡수율 값에서 다양한 레이저 스캐닝 속도 및 레이저 출력에 대해. 결과는 스트레이 그레인 면적 비율이 흡수된 에너지에 민감하다는 것을 보여줍니다. 흡수율을 0.30에서 0.80으로 증가시키면Φ¯¯¯¯Φ¯약 3배이며, 이 효과는 저속 및 고출력 영역에서 더욱 두드러집니다. 다른 모든 조건이 같다면, 흡수된 전력의 큰 영향은 평균 열 구배 크기의 일반적인 감소와 용융 풀 내 평균 응고율의 증가에 기인합니다. 스캐닝 속도가 증가하고 전력이 감소함에 따라 평균 스트레이 그레인 비율이 감소합니다. 이러한 일반적인 경향은 Vitek의 작업에서 채택된 그림 5 의 파란색 영역에서 시뮬레이션된 용접 결과와 일치합니다  . 3 ] 더 큰 과냉각 구역( 즉, 지 /V티G/V티영역)은 용접 풀의 표유 입자의 면적 비율이 분홍색 영역에 해당하는 LPBF 조건의 면적 비율보다 훨씬 더 크다는 것을 의미합니다. 그럼에도 불구하고 두 데이터 세트의 일반적인 경향은 유사합니다.  , 레이저 출력이 감소하고 레이저 속도가 증가함에 따라 표류 입자의 비율이 감소합니다. 또한 그림  5 에서 스캐닝 속도가 LPBF 영역으로 증가함에 따라 표유 입자 면적 분율에 대한 레이저 매개변수의 변화 효과가 감소한다는 것을 추론할 수 있습니다. 그림  6 (a)는 그림 3 의 EBSD 분석에서 나온 실험적 표류 결정립 면적 분율  과 그림 4 의 해석 시뮬레이션 결과를  비교합니다.. 열쇠 구멍 모양의 FZ에서 정확한 값이 다르지만 추세는 시뮬레이션과 실험 데이터 모두에서 일관되었습니다. 키홀 모양의 용융 풀, 특히 전력이 300W인 2개는 분석 시뮬레이션 예측보다 훨씬 더 많은 양의 흩어진 입자를 가지고 있습니다. Rosenthal 방정식은 일반적으로 열 전달이 순전히 전도에 의해 좌우된다는 가정으로 인해 열쇠 구멍 체제의 열 흐름을 적절하게 반영하지 못하기 때문에 이러한 불일치가 실제로 예상됩니다. 39 , 40 ] 그것은 또한 그림  4 의 발견 , 즉 키홀 모드 동안 흡수된 전력의 증가가 표류 입자 형성에 더 이상적인 조건을 초래한다는 것을 검증합니다. 그림  6 (b)는 실험을 비교Φ¯¯¯¯Φ¯수치 CFD 시뮬레이션Φ¯¯¯¯Φ¯. CFD 모델이 약간 초과 예측하지만Φ¯¯¯¯Φ¯전체적으로피- 브이피-V조건에서 열쇠 구멍 조건에서의 예측은 분석 모델보다 정확합니다. 전도 모드 용융 풀의 경우 실험 값이 분석 시뮬레이션 값과 더 가깝게 정렬됩니다.

    그림 5
    그림 5

    모의 온도 구배 G 분포 및 응고율 검사V티V티분석 모델링의 쌍은 그림  7 (a)의 CMSX-4 미세 구조 선택 맵에 표시됩니다. 제공지 /V티G/V티(  , 형태 인자)는 형태를 제어하고지 ×V티G×V티(  , 냉각 속도)는 응고된 미세 구조의 규모를 제어하고 , 58 , 59 ]지 -V티G-V티플롯은 전통적인 제조 공정과 AM 공정 모두에서 미세 구조 제어를 지원합니다. 이 플롯의 몇 가지 분명한 특징은 등축, 주상, 평면 전면 및 이러한 경계 근처의 전이 영역을 구분하는 경계입니다. 그림  7 (a)는 몇 가지 선택된 분석 열 시뮬레이션에 대한 미세 구조 선택 맵을 나타내는 반면 그림  7 (b)는 수치 열 모델의 결과와 동일한 맵을 보여줍니다. 등축 미세구조의 형성은 낮은 G 이상 에서 명확하게 선호됩니다.V티V티정황. 이 플롯에서 각 곡선의 평면 전면에 가장 가까운 지점은 용융 풀의 최대 너비 위치에 해당하는 반면 등축 영역에 가까운 지점의 끝은 용융 풀의 후면 꼬리에 해당합니다. 그림  7 (a)에서 대부분의지 -V티G-V티응고 전면의 쌍은 원주형 영역에 속하고 점차 CET 영역으로 위쪽으로 이동하지만 용융 풀의 꼬리는 다음에 따라 완전히 등축 영역에 도달하거나 도달하지 않을 수 있습니다.피- 브이피-V조합. 그림 7 (a) 의 곡선 중 어느 것도  평면 전면 영역을 통과하지 않지만 더 높은 전력의 경우에 가까워집니다. 저속 레이저 용융 공정을 사용하는 이전 작업에서는 곡선이 평면 영역을 통과할 수 있습니다. 레이저 속도가 증가함에 따라 용융 풀 꼬리는 여전히 CET 영역에 있지만 완전히 등축 영역에서 멀어집니다. CET 영역으로 떨어지는 섹션의 수도 감소합니다.Φ¯¯¯¯Φ¯응고된 물질에서.

    그림 6
    그림 6

    그만큼지 -V티G-V티CFD 모델을 사용하여 시뮬레이션된 응고 전면의 쌍이 그림  7 (b)에 나와 있습니다. 세 방향 모두에서 각 점 사이의 일정한 간격으로 미리 정의된 좌표에서 수행된 해석 시뮬레이션과 달리, 고충실도 CFD 모델의 출력은 불규칙한 사면체 좌표계에 있었고 G 를 추출하기 전에 일반 3D 그리드에 선형 보간되었습니다. 그리고V티V티그런 다음 미세 구조 선택 맵에 플롯됩니다. 일반적인 경향은 그림  7 (a)의 것과 일치하지만 이 방법으로 모델링된 매우 동적인 유체 흐름으로 인해 결과에 더 많은 분산이 있었습니다. 그만큼지 -V티G-V티분석 열 모델의 쌍 경로는 더 연속적인 반면 수치 시뮬레이션의 경로는 용융 풀 꼬리 모양의 차이를 나타내는 날카로운 굴곡이 있습니다(이는 G 및V티V티) 두 모델에 의해 시뮬레이션됩니다.

    그림 7
    그림 7
    그림 8
    그림 8

    유체 흐름을 통합한 응고 모델링

    수치 CFD 모델을 사용하여 유동 입자 형성 정도에 대한 유체 흐름의 영향을 이해하고 시뮬레이션 결과를 분석 Rosenthal 솔루션과 비교했습니다. 그림  8 은 응고 매개변수 G 의 분포를 보여줍니다.V티V티,지 /V티G/V티, 그리고지 ×V티G×V티yz 단면에서 x  FLOW-3D에서 (a1–d1) 분석 열 모델링 및 (a2–d2) FVM 방법을 사용하여 시뮬레이션된 용융 풀의 최대 폭입니다. 그림  8 의 값은 응고 전선이 특정 위치에 도달할 때 정확한 값일 수도 있고 아닐 수도 있지만 일반적인 추세를 반영한다는 의미의 임시 가상 값입니다. 이 프로파일은 출력 300W 및 속도 400mm/s의 레이저 빔에서 시뮬레이션됩니다. 용융 풀 경계는 흰색 곡선으로 표시됩니다. (a2–d2)의 CFD 시뮬레이션 용융 풀 깊이는 342입니다. μμm, 측정 깊이 352와 잘 일치 μμ일치하는 길쭉한 열쇠 구멍 모양과 함께 그림 1 에 표시된 실험 FZ의 m  . 그러나 분석 모델은 반원 모양의 용융 풀을 출력하고 용융 풀 깊이는 264에 불과합니다. μμ열쇠 구멍의 경우 현실과는 거리가 멀다. CFD 시뮬레이션 결과에서 열 구배는 레이저 반사 증가와 불안정한 액체-증기 상호 작용이 발생하는 증기 함몰의 동적 부분 근처에 있기 때문에 FZ 하단에서 더 높습니다. 대조적으로 해석 결과의 열 구배 크기는 경계를 따라 균일합니다. 두 시뮬레이션 결과 모두 그림 8 (a1) 및 (a2) 에서 응고가 용융 풀의 상단 중심선을 향해 진행됨에 따라 열 구배가 점차 감소합니다  . 응고율은 그림 8 과 같이 경계 근처에서 거의 0입니다. (b1) 및 (b2). 이는 경계 영역이 응고되기 시작할 때 국부 응고 전면의 법선 방향이 레이저 스캐닝 방향에 수직이기 때문입니다. 이것은 드라이브θ → π/ 2θ→파이/2그리고V티→ 0V티→0식에서 [ 3 ]. 대조적으로 용융 풀의 상단 중심선 근처 영역에서 응고 전면의 법선 방향은 레이저 스캐닝 방향과 잘 정렬되어 있습니다.θ → 0θ→0그리고V티→ 브이V티→V, 빔 스캐닝 속도. G 와 _V티V티값이 얻어지면 냉각 속도지 ×V티G×V티및 형태 인자지 /V티G/V티계산할 수 있습니다. 그림 8 (c2)는 용융 풀 바닥 근처의 온도 구배가 매우 높고 상단에서 더 빠른 성장 속도로  인해 냉각 속도가 용융 풀의 바닥 및 상단 중심선 근처에서 더 높다는 것을 보여줍니다. 지역. 그러나 이러한 추세는 그림  8 (c1)에 캡처되지 않았습니다. 그림 8 의 형태 요인 (d1) 및 (d2)는 중심선에 접근함에 따라 눈에 띄게 감소합니다. 경계에서 큰 값은 열 구배를 거의 0인 성장 속도로 나누기 때문에 발생합니다. 이 높은 형태 인자는 주상 미세구조 형성 가능성이 높음을 시사하는 반면, 중앙 영역의 값이 낮을수록 등축 미세구조의 가능성이 더 크다는 것을 나타냅니다. Tanet al. 또한 키홀 모양의 용접 풀 59 ] 에서 이러한 응고 매개변수의 분포 를 비슷한 일반적인 경향으로 보여주었습니다. 그림  3 에서 볼 수 있듯이 용융 풀의 상단 중심선에 있는 흩어진 입자는 낮은 특징을 나타내는 영역과 일치합니다.지 /V티G/V티그림  8 (d1) 및 (d2)의 값. 시뮬레이션과 실험 간의 이러한 일치는 용융 풀의 상단 중심선에 축적된 흩어진 입자의 핵 생성 및 성장이 등온선 속도의 증가와 온도 구배의 감소에 의해 촉진됨을 보여줍니다.

    그림 9
    그림 9

    그림  9 는 유체 속도 및 국부적 핵형성 성향을 보여줍니다.ΦΦ300W의 일정한 레이저 출력과 400, 800 및 1200mm/s의 세 가지 다른 레이저 속도에 의해 생성된 3D 용융 풀 전체에 걸쳐. 그림  9 (d)~(f)는 로컬ΦΦ해당 3D 보기에서 밝은 회색 평면으로 표시된 특정 yz 단면의 분포. 이 yz 섹션은 가장 높기 때문에 선택되었습니다.Φ¯¯¯¯Φ¯용융 풀 내의 값은 각각 23.40, 11.85 및 2.45pct입니다. 이들은 그림  3 의 실험 데이터와 비교하기에 적절하지 않을 수 있는 액체 용융 풀의 과도 값이며Φ¯¯¯¯Φ¯그림  6 의 값은 이 값이 고체-액체 계면에 가깝지 않고 용융 풀의 중간에서 취해졌기 때문입니다. 온도가 훨씬 낮아서 핵이 생존하고 성장할 수 있기 때문에 핵 형성은 용융 풀의 중간이 아닌 고체-액체 계면에 더 가깝게 발생할 가능성이 있습니다.

    그림  3 (a), (d), (g), (h)에서 위쪽 중심선에서 멀리 떨어져 있는 흩어진 결정립이 있었습니다. 그들은 훨씬 더 높은 열 구배와 더 낮은 응고 속도 필드에 위치하기 때문에 과냉각 이론은 이러한 영역에서 표류 입자의 형성에 대한 만족스러운 설명이 아닙니다. 이것은 떠돌이 결정립의 형성을 야기할 수 있는 두 번째 메커니즘,  수상돌기의 팁을 가로지르는 유체 흐름에 의해 유발되는 수상돌기 조각화를 고려하도록 동기를 부여합니다. 유체 흐름이 열 구배를 따라 속도 성분을 갖고 고체-액체 계면 속도보다 클 때, 주상 수상돌기의 국지적 재용융은 용질이 풍부한 액체가 흐물흐물한 구역의 깊은 곳에서 액상선 등온선까지 이동함으로써 발생할 수 있습니다. . 55] 분리된 수상돌기는 대류에 의해 열린 액체로 운반될 수 있습니다. 풀이 과냉각 상태이기 때문에 이러한 파편은 고온 조건에서 충분히 오래 생존하여 길 잃은 입자의 핵 생성 사이트로 작용할 수 있습니다. 결과적으로 수상 돌기 조각화 과정은 활성 핵의 수를 효과적으로 증가시킬 수 있습니다.N0N0) 용융 풀 15 , 60 , 61 ] 에서 생성된 미세 구조에서 표류 입자의 면적을 증가시킵니다.

    그림  9 (a) 및 (b)에서 반동 압력은 용융 유체를 아래쪽으로 흐르게 하여 결과 흐름을 지배합니다. 유체 속도의 역방향 요소는 V = 400 및 800mm/s에 대해 각각 최대값 1.0 및 1.6m/s로 더 느려집니다 . 그림  9 (c)에서 레이저 속도가 더 증가함에 따라 증기 침하가 더 얕고 넓어지고 반동 압력이 더 고르게 분포되어 증기 침강에서 주변 영역으로 유체를 밀어냅니다. 역류는 최대값 3.5m/s로 더 빨라집니다. 용융 풀의 최대 너비에서 yz 단면  의 키홀 아래 평균 유체 속도는 그림에 표시된 경우에 대해 0.46, 0.45 및 1.44m/s입니다.9 (a), (b) 및 (c). 키홀 깊이의 변동은 각 경우의 최대 깊이와 최소 깊이의 차이로 정의되는 크기로 정량화됩니다. 240 범위의 강한 증기 내림 변동 μμm은 그림 9 (a)의 V = 400mm/s 경우에서  발견 되지만 이 변동은 그림  9 (c)에서 16의 범위로  크게 감소합니다.μμ미디엄. V = 400mm/s인 경우 의 유체장과 높은 변동 범위는 이전 키홀 동역학 시뮬레이션과 일치합니다. 34 ]

    따라서 V = 400mm/s 키홀 케이스의 무질서한 변동 흐름이 용융 풀 경계를 따라 응고된 주상 수상돌기에서 분리된 조각을 구동할 가능성이 있습니다. V = 1200mm/s의 경우 강한 역류 는 그림 3 에서 관찰되지 않았지만 동일한 효과를 가질 수 있습니다. . 덴드라이트 조각화에 대한 유체 유동장의 영향에 대한 이 경험적 설명은 용융 풀 경계 근처에 떠돌이 입자의 존재에 대한 그럴듯한 설명을 제공합니다. 분명히 하기 위해, 우리는 이 가설을 검증하기 위해 이 현상에 대한 직접적인 실험적 관찰을 하지 않았습니다. 이 작업에서 표유 입자 면적 분율을 계산할 때 단순화를 위해 핵 생성 모델링에 일정한 핵 생성 수 밀도가 적용되었습니다. 이는 그림  9 의 표류 입자 영역 비율 이 수지상정 조각화가 발생하는 경우 이러한 높은 유체 흐름 용융 풀에서 발생할 수 있는 것,  강화된 핵 생성 밀도를 반영하지 않는다는 것을 의미합니다.

    위의 이유로 핵 형성에 대한 수상 돌기 조각화의 영향을 아직 배제할 수 없습니다. 그러나 단편화 이론은 용접 문헌 [ 62 ] 에서 검증될 만큼 충분히 개발되지 않았 으므로 부차적인 중요성만 고려된다는 점에 유의해야 합니다. 1200mm/s를 초과하는 레이저 스캐닝 속도는 최소한의 표류 결정립 면적 분율을 가지고 있음에도 불구하고 분명한 볼링을 나타내기 때문에 단결정 수리 및 AM 처리에 적합하지 않습니다. 따라서 낮은 P 및 높은 V 에 의해 생성된 응고 전면 근처에서 키홀 변동이 최소화되고 유체 속도가 완만해진 용융 풀이 생성된다는 결론을 내릴 수 있습니다., 처리 창의 극한은 아니지만 흩어진 입자를 나타낼 가능성이 가장 적습니다.

    마지막으로 단일 레이저 트랙의 응고 거동을 조사하면 에피택셜 성장 동안 표류 입자 형성을 더 잘 이해할 수 있다는 점에 주목하는 것이 중요합니다. 우리의 현재 결과는 최적의 레이저 매개변수에 대한 일반적인 지침을 제공하여 최소 스트레이 그레인을 달성하고 단결정 구조를 유지합니다. 이 가이드라인은 250W 정도의 전력과 600~800mm/s의 스캔 속도로 최소 흩어진 입자에 적합한 공정 창을 제공합니다. 각 처리 매개변수를 신중하게 선택하면 과거에 스테인리스강에 대한 거의 단결정 미세 구조를 인쇄하는 데 성공했으며 이는 CMSX-4 AM 빌드에 대한 가능성을 보여줍니다. 63 ]신뢰성을 보장하기 위해 AM 수리 프로세스를 시작하기 전에 보다 엄격한 실험 테스트 및 시뮬레이션이 여전히 필요합니다. 둘 이상의 레이저 트랙 사이의 상호 작용도 고려해야 합니다. 또한 레이저, CMSX-4 분말 및 벌크 재료 간의 상호 작용이 중요하며, 수리 중에 여러 층의 CMSX-4 재료를 축적해야 하는 경우 다른 스캔 전략의 효과도 중요한 역할을 할 수 있습니다. 분말이 포함된 경우 Lopez-Galilea 등 의 연구에서 제안한 바와 같이 분말이 주로 완전히 녹지 않았을 때 추가 핵 생성 사이트를 도입하기 때문에 단순히 레이저 분말과 속도를 조작하여 흩어진 입자 형성을 완화하기 어려울 수 있습니다 . 22 ]결과적으로 CMSX-4 단결정을 수리하기 위한 레이저 AM의 가능성을 다루기 위해서는 기판 재료, 레이저 출력, 속도, 해치 간격 및 층 두께의 조합을 모두 고려해야 하며 향후 연구에서 다루어야 합니다. CFD 모델링은 2개 이상의 레이저 트랙 사이의 상호작용과 열장에 미치는 영향을 통합할 수 있으며, 이는 AM 빌드 시나리오 동안 핵 생성 조건으로 단일 비드 연구의 지식 격차를 해소할 것입니다.

    결론

    LPBF 제조의 특징적인 조건 하에서 CMSX-4 단결정 의 에피택셜(기둥형)  등축 응고 사이의 경쟁을 실험적 및 이론적으로 모두 조사했습니다. 이 연구는 고전적인 응고 개념을 도입하여 빠른 레이저 용융의 미세 구조 특징을 설명하고 응고 조건과 표유 결정 성향을 예측하기 위해 해석적 및 수치적 고충실도 CFD 열 모델 간의 비교를 설명했습니다. 본 연구로부터 다음과 같은 주요 결론을 도출할 수 있다.

    • 단일 레이저 트랙의 레이저 가공 조건은 용융 풀 형상, 레이저 흡수율, 유체 흐름 및 키홀 요동, 입자 구조 및 표류 입자 형성 민감성에 강한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다.
    • 레이저 용접을 위해 개발된 이론적인 표유 결정립 핵형성 분석이 레이저 용융 AM 조건으로 확장되었습니다. 분석 모델링 결과와 단일 레이저 트랙의 미세구조 특성화를 비교하면 예측이 전도 및 볼링 조건에서 실험적 관찰과 잘 일치하는 반면 키홀 조건에서는 예측이 약간 과소하다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 불일치는 레이저 트랙의 대표성이 없는 섹션이나 유체 속도 필드의 변화로 인해 발생할 수 있습니다. CFD 모델에서 추출한 열장에 동일한 표유 입자 계산 파이프라인을 적용하면 연구된 모든 사례에서 과대평가가 발생하지만 분석 모델보다 연장된 용융 풀의 실험 데이터와 더 정확하게 일치합니다.
    • 이 연구에서 두 가지 표류 결정립 형성 메커니즘인 불균일 핵형성 및 수상돌기 조각화가 평가되었습니다. 우리의 결과는 불균일 핵형성이 용융 풀의 상단 중심선에서 새로운 결정립의 형성으로 이어지는 주요 메커니즘임을 시사합니다.지 /V티G/V티정권.
    • 용융 풀 경계 근처의 흩어진 입자는 깊은 키홀 모양의 용융 풀에서 독점적으로 관찰되며, 이는 강한 유체 흐름으로 인한 수상 돌기 조각화의 영향이 이러한 유형의 용융 풀에서 고려하기에 충분히 강력할 수 있음을 시사합니다.
    • 일반적으로 더 높은 레이저 스캐닝 속도와 더 낮은 전력 외에도 안정적인 키홀과 최소 유체 속도는 또한 흩어진 입자 형성을 완화하고 레이저 단일 트랙에서 에피택셜 성장을 보존합니다.

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    Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling

    영국 Dawlish의 방파제에 대한 온대 저기압 피해: 목격자 설명, 해수면 분석 및 수치 모델링

    Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling

    Natural Hazards (2022)Cite this article

    Abstract

    2014년 2월 영국 해협(영국)과 특히 Dawlish에 영향을 미친 온대 저기압 폭풍 사슬은 남서부 지역과 영국의 나머지 지역을 연결하는 주요 철도에 심각한 피해를 입혔습니다.

    이 사건으로 라인이 두 달 동안 폐쇄되어 5천만 파운드의 피해와 12억 파운드의 경제적 손실이 발생했습니다. 이 연구에서는 폭풍의 파괴력을 해독하기 위해 목격자 계정을 수집하고 해수면 데이터를 분석하며 수치 모델링을 수행합니다.

    우리의 분석에 따르면 이벤트의 재난 관리는 성공적이고 효율적이었으며 폭풍 전과 도중에 인명과 재산을 구하기 위해 즉각적인 조치를 취했습니다. 파도 부이 분석에 따르면 주기가 4–8, 8–12 및 20–25초인 복잡한 삼중 봉우리 바다 상태가 존재하는 반면, 조위계 기록에 따르면 최대 0.8m의 상당한 파도와 최대 1.5m의 파도 성분이 나타났습니다.

    이벤트에서 가능한 기여 요인으로 결합된 진폭. 최대 286 KN의 상당한 임펄스 파동이 손상의 시작 원인일 가능성이 가장 높았습니다. 수직 벽의 반사는 파동 진폭의 보강 간섭을 일으켜 파고가 증가하고 최대 16.1m3/s/m(벽의 미터 너비당)의 상당한 오버탑핑을 초래했습니다.

    이 정보와 우리의 공학적 판단을 통해 우리는 이 사고 동안 다중 위험 계단식 실패의 가장 가능성 있는 순서는 다음과 같다고 결론을 내립니다. 조적 파괴로 이어지는 파도 충격력, 충전물 손실 및 연속적인 조수에 따른 구조물 파괴.

    The February 2014 extratropical cyclonic storm chain, which impacted the English Channel (UK) and Dawlish in particular, caused significant damage to the main railway connecting the south-west region to the rest of the UK. The incident caused the line to be closed for two months, £50 million of damage and an estimated £1.2bn of economic loss. In this study, we collate eyewitness accounts, analyse sea level data and conduct numerical modelling in order to decipher the destructive forces of the storm. Our analysis reveals that the disaster management of the event was successful and efficient with immediate actions taken to save lives and property before and during the storm. Wave buoy analysis showed that a complex triple peak sea state with periods at 4–8, 8–12 and 20–25 s was present, while tide gauge records indicated that significant surge of up to 0.8 m and wave components of up to 1.5 m amplitude combined as likely contributing factors in the event. Significant impulsive wave force of up to 286 KN was the most likely initiating cause of the damage. Reflections off the vertical wall caused constructive interference of the wave amplitudes that led to increased wave height and significant overtopping of up to 16.1 m3/s/m (per metre width of wall). With this information and our engineering judgement, we conclude that the most probable sequence of multi-hazard cascading failure during this incident was: wave impact force leading to masonry failure, loss of infill and failure of the structure following successive tides.

    Introduction

    The progress of climate change and increasing sea levels has started to have wide ranging effects on critical engineering infrastructure (Shakou et al. 2019). The meteorological effects of increased atmospheric instability linked to warming seas mean we may be experiencing more frequent extreme storm events and more frequent series or chains of events, as well as an increase in the force of these events, a phenomenon called storminess (Mölter et al. 2016; Feser et al. 2014). Features of more extreme weather events in extratropical latitudes (30°–60°, north and south of the equator) include increased gusting winds, more frequent storm squalls, increased prolonged precipitation and rapid changes in atmospheric pressure and more frequent and significant storm surges (Dacre and Pinto 2020). A recent example of these events impacting the UK with simultaneous significant damage to coastal infrastructure was the extratropical cyclonic storm chain of winter 2013/2014 (Masselink et al. 2016; Adams and Heidarzadeh 2021). The cluster of storms had a profound effect on both coastal and inland infrastructure, bringing widespread flooding events and large insurance claims (RMS 2014).

    The extreme storms of February 2014, which had a catastrophic effect on the seawall of the south Devon stretch of the UK’s south-west mainline, caused a two-month closure of the line and significant disruption to the local and regional economy (Fig. 1b) (Network Rail 2014; Dawson et al. 2016; Adams and Heidarzadeh 2021). Restoration costs were £35 m, and economic effects to the south-west region of England were estimated up to £1.2bn (Peninsula Rail Taskforce 2016). Adams and Heidarzadeh (2021) investigated the disparate cascading failure mechanisms which played a part in the failure of the railway through Dawlish and attempted to put these in the context of the historical records of infrastructure damage on the line. Subsequent severe storms in 2016 in the region have continued to cause damage and disruption to the line in the years since 2014 (Met Office 2016). Following the events of 2014, Network Rail Footnote1 who owns the network has undertaken a resilience study. As a result, it has proposed a £400 m refurbishment of the civil engineering assets that support the railway (Fig. 1) (Network Rail 2014). The new seawall structure (Fig. 1a,c), which is constructed of pre-cast concrete sections, encases the existing Brunel seawall (named after the project lead engineer, Isambard Kingdom Brunel) and has been improved with piled reinforced concrete foundations. It is now over 2 m taller to increase the available crest freeboard and incorporates wave return features to minimise wave overtopping. The project aims to increase both the resilience of the assets to extreme weather events as well as maintain or improve amenity value of the coastline for residents and visitors.

    figure 1
    Fig. 1

    In this work, we return to the Brunel seawall and the damage it sustained during the 2014 storms which affected the assets on the evening of the 4th and daytime of the 5th of February and eventually resulted in a prolonged closure of the line. The motivation for this research is to analyse and model the damage made to the seawall and explain the damage mechanisms in order to improve the resilience of many similar coastal structures in the UK and worldwide. The innovation of this work is the multidisciplinary approach that we take comprising a combination of analysis of eyewitness accounts (social science), sea level and wave data analysis (physical science) as well as numerical modelling and engineering judgement (engineering sciences). We investigate the contemporary wave climate and sea levels by interrogating the real-time tide gauge and wave buoys installed along the south-west coast of the English Channel. We then model a typical masonry seawall (Fig. 2), applying the computational fluid dynamics package FLOW3D-Hydro,Footnote2 to quantify the magnitude of impact forces that the seawall would have experienced leading to its failure. We triangulate this information to determine the probable sequence of failures that led to the disaster in 2014.

    figure 2
    Fig. 2

    Data and methods

    Our data comprise eyewitness accounts, sea level records from coastal tide gauges and offshore wave buoys as well as structural details of the seawall. As for methodology, we analyse eyewitness data, process and investigate sea level records through Fourier transform and conduct numerical simulations using the Flow3D-Hydro package (Flow Science 2022). Details of the data and methodology are provided in the following.

    Eyewitness data

    The scale of damage to the seawall and its effects led the local community to document the first-hand accounts of those most closely affected by the storms including residents, local businesses, emergency responders, politicians and engineering contractors involved in the post-storm restoration work. These records now form a permanent exhibition in the local museum in DawlishFootnote3, and some of these accounts have been transcribed into a DVD account of the disaster (Dawlish Museum 2015). We have gathered data from the Dawlish Museum, national and international news reports, social media tweets and videos. Table 1 provides a summary of the eyewitness accounts. Overall, 26 entries have been collected around the time of the incident. Our analysis of the eyewitness data is provided in the third column of Table 1 and is expanded in Sect. 3.Table 1 Eyewitness accounts of damage to the Dawlish railway due to the February 2014 storm and our interpretations

    Full size table

    Sea level data and wave environment

    Our sea level data are a collection of three tide gauge stations (Newlyn, Devonport and Swanage Pier—Fig. 5a) owned and operated by the UK National Tide and Sea Level FacilityFootnote4 for the Environment Agency and four offshore wave buoys (Dawlish, West Bay, Torbay and Chesil Beach—Fig. 6a). The tide gauge sites are all fitted with POL-EKO (www.pol-eko.com.pl) data loggers. Newlyn has a Munro float gauge with one full tide and one mid-tide pneumatic bubbler system. Devonport has a three-channel data pneumatic bubbler system, and Swanage Pier consists of a pneumatic gauge. Each has a sampling interval of 15 min, except for Swanage Pier which has a sampling interval of 10 min. The tide gauges are located within the port areas, whereas the offshore wave buoys are situated approximately 2—3.3 km from the coast at water depths of 10–15 m. The wave buoys are all Datawell Wavemaker Mk III unitsFootnote5 and come with sampling interval of 0.78 s. The buoys have a maximum saturation amplitude of 20.5 m for recording the incident waves which implies that every wave larger than this threshold will be recorded at 20.5 m. The data are provided by the British Oceanographic Data CentreFootnote6 for tide gauges and the Channel Coastal ObservatoryFootnote7 for wave buoys.

    Sea level analysis

    The sea level data underwent quality control to remove outliers and spikes as well as gaps in data (e.g. Heidarzadeh et al. 2022; Heidarzadeh and Satake 2015). We processed the time series of the sea level data using the Matlab signal processing tool (MathWorks 2018). For calculations of the tidal signals, we applied the tidal package TIDALFIT (Grinsted 2008), which is based on fitting tidal harmonics to the observed sea level data. To calculate the surge signals, we applied a 30-min moving average filter to the de-tided data in order to remove all wind, swell and infra-gravity waves from the time series. Based on the surge analysis and the variations of the surge component before the time period of the incident, an error margin of approximately ± 10 cm is identified for our surge analysis. Spectral analysis of the wave buoy data is performed using the fast Fourier transform (FFT) of Matlab package (Mathworks 2018).

    Numerical modelling

    Numerical modelling of wave-structure interaction is conducted using the computational fluid dynamics package Flow3D-Hydro version 1.1 (Flow Science 2022). Flow3D-Hydro solves the transient Navier–Stokes equations of conservation of mass and momentum using a finite difference method and on Eulerian and Lagrangian frameworks (Flow Science 2022). The aforementioned governing equations are:

    ∇.u=0∇.u=0

    (1)

    ∂u∂t+u.∇u=−∇Pρ+υ∇2u+g∂u∂t+u.∇u=−∇Pρ+υ∇2u+g

    (2)

    where uu is the velocity vector, PP is the pressure, ρρ is the water density, υυ is the kinematic viscosity and gg is the gravitational acceleration. A Fractional Area/Volume Obstacle Representation (FAVOR) is adapted in Flow3D-Hydro, which applies solid boundaries within the Eulerian grid and calculates the fraction of areas and volume in partially blocked volume in order to compute flows on corresponding boundaries (Hirt and Nichols 1981). We validated the numerical modelling through comparing the results with Sainflou’s analytical equation for the design of vertical seawalls (Sainflou 1928; Ackhurst 2020), which is as follows:

    pd=ρgHcoshk(d+z)coshkdcosσtpd=ρgHcoshk(d+z)coshkdcosσt

    (3)

    where pdpd is the hydrodynamic pressure, ρρ is the water density, gg is the gravitational acceleration, HH is the wave height, dd is the water depth, kk is the wavenumber, zz is the difference in still water level and mean water level, σσ is the angular frequency and tt is the time. The Sainflou’s equation (Eq. 3) is used to calculate the dynamic pressure from wave action, which is combined with static pressure on the seawall.

    Using Flow3D-Hydro, a model of the Dawlish seawall was made with a computational domain which is 250.0 m in length, 15.0 m in height and 0.375 m in width (Fig. 3a). The computational domain was discretised using a single uniform grid with a mesh size of 0.125 m. The model has a wave boundary at the left side of the domain (x-min), an outflow boundary on the right side (x-max), a symmetry boundary at the bottom (z-min) and a wall boundary at the top (z-max). A wall boundary implies that water or waves are unable to pass through the boundary, whereas a symmetry boundary means that the two edges of the boundary are identical and therefore there is no flow through it. The water is considered incompressible in our model. For volume of fluid advection for the wave boundary (i.e. the left-side boundary) in our simulations, we utilised the “Split Lagrangian Method”, which guarantees the best accuracy (Flow Science, 2022).

    figure 3
    Fig. 3

    The stability of the numerical scheme is controlled and maintained through checking the Courant number (CC) as given in the following:

    C=VΔtΔxC=VΔtΔx

    (4)

    where VV is the velocity of the flow, ΔtΔt is the time step and ΔxΔx is the spatial step (i.e. grid size). For stability and convergence of the numerical simulations, the Courant number must be sufficiently below one (Courant et al. 1928). This is maintained by a careful adjustment of the ΔxΔx and ΔtΔt selections. Flow3D-Hydro applies a dynamic Courant number, meaning the program adjusts the value of time step (ΔtΔt) during the simulations to achieve a balance between accuracy of results and speed of simulation. In our simulation, the time step was in the range ΔtΔt = 0.0051—0.051 s.

    In order to achieve the most efficient mesh resolution, we varied cell size for five values of ΔxΔx = 0.1 m, 0.125 m, 0.15 m, 0.175 m and 0.20 m. Simulations were performed for all mesh sizes, and the results were compared in terms of convergence, stability and speed of simulation (Fig. 3). A linear wave with an amplitude of 1.5 m and a period of 6 s was used for these optimisation simulations. We considered wave time histories at two gauges A and B and recorded the waves from simulations using different mesh sizes (Fig. 3). Although the results are close (Fig. 3), some limited deviations are observed for larger mesh sizes of 0.20 m and 0.175 m. We therefore selected mesh size of 0.125 m as the optimum, giving an extra safety margin as a conservative solution.

    The pressure from the incident waves on the vertical wall is validated in our model by comparing them with the analytical equation of Sainflou (1928), Eq. (3), which is one of the most common set of equations for design of coastal structures (Fig. 4). The model was tested by running a linear wave of period 6 s and wave amplitude of 1.5 m against the wall, with a still water level of 4.5 m. It can be seen that the model results are very close to those from analytical equations of Sainflou (1928), indicating that our numerical model is accurately modelling the wave-structure interaction (Fig. 4).

    figure 4
    Fig. 4

    Eyewitness account analysis

    Contemporary reporting of the 4th and 5th February 2014 storms by the main national news outlets in the UK highlights the extreme nature of the events and the significant damage and disruption they were likely to have on the communities of the south-west of England. In interviews, this was reinforced by Network Rail engineers who, even at this early stage, were forecasting remedial engineering works to last for at least 6 weeks. One week later, following subsequent storms the cascading nature of the events was obvious. Multiple breaches of the seawall had taken place with up to 35 separate landslide events and significant damage to parapet walls along the coastal route also were reported. Residents of the area reported extreme effects of the storm, one likening it to an earthquake and reporting water ingress through doors windows and even through vertical chimneys (Table 1). This suggests extreme wave overtopping volumes and large wave impact forces. One resident described the structural effects as: “the house was jumping up and down on its footings”.

    Disaster management plans were quickly and effectively put into action by the local council, police service and National Rail. A major incident was declared, and decisions regarding evacuation of the residents under threat were taken around 2100 h on the night of 4th February when reports of initial damage to the seawall were received (Table 1). Local hotels were asked to provide short-term refuge to residents while local leisure facilities were prepared to accept residents later that evening. Initial repair work to the railway line was hampered by successive high spring tides and storms in the following days although significant progress was still made when weather conditions permitted (Table 1).

    Sea level observations and spectral analysis

    The results of surge and wave analyses are presented in Figs. 5 and 6. A surge height of up to 0.8 m was recorded in the examined tide gauge stations (Fig. 5b-d). Two main episodes of high surge heights are identified: the first surge started on 3rd February 2014 at 03:00 (UTC) and lasted until 4th of February 2014 at 00:00; the second event occurred in the period 4th February 2014 15:00 to 5th February 2014 at 17:00 (Fig. 5b-d). These data imply surge durations of 21 h and 26 h for the first and the second events, respectively. Based on the surge data in Fig. 5, we note that the storm event of early February 2014 and the associated surges was a relatively powerful one, which impacted at least 230 km of the south coast of England, from Land’s End to Weymouth, with large surge heights.

    figure 5
    Fig. 5
    figure 6
    Fig. 6

    Based on wave buoy records, the maximum recorded amplitudes are at least 20.5 m in Dawlish and West Bay, 1.9 m in Tor Bay and 4.9 m in Chesil (Fig. 6a-b). The buoys at Tor Bay and Chesil recorded dual peak period bands of 4–8 and 8–12 s, whereas at Dawlish and West Bay registered triple peak period bands at 4–8, 8–12 and 20–25 s (Fig. 6c, d). It is important to note that the long-period waves at 20–25 s occur with short durations (approximately 2 min) while the waves at the other two bands of 4–8 and 8–12 s appear to be present at all times during the storm event.

    The wave component at the period band of 4–8 s can be most likely attributed to normal coastal waves while the one at 8–12 s, which is longer, is most likely the swell component of the storm. Regarding the third component of the waves with long period of 20 -25 s, which occurs with short durations of 2 min, there are two hypotheses; it is either the result of a local (port and harbour) and regional (the Lyme Bay) oscillations (eg. Rabinovich 1997; Heidarzadeh and Satake 2014; Wang et al. 1992), or due to an abnormally long swell. To test the first hypothesis, we consider various water bodies such as Lyme Bay (approximate dimensions of 70 km × 20 km with an average water depth of 30 m; Fig. 6), several local bays (approximate dimensions of 3.6 km × 0.6 km with an average water depth of 6 m) and harbours (approximate dimensions of 0.5 km × 0.5 km with an average water depth of 4 m). Their water depths are based on the online Marine navigation website.Footnote8 According to Rabinovich (2010), the oscillation modes of a semi-enclosed rectangle basin are given by the following equation:

    Tmn=2gd−−√[(m2L)2+(nW)2]−1/2Tmn=2gd[(m2L)2+(nW)2]−1/2

    (5)

    where TmnTmn is the oscillation period, gg is the gravitational acceleration, dd is the water depth, LL is the length of the basin, WW is the width of the basin, m=1,2,3,…m=1,2,3,… and n=0,1,2,3,…n=0,1,2,3,…; mm and nn are the counters of the different modes. Applying Eq. (5) to the aforementioned water bodies results in oscillation modes of at least 5 min, which is far longer than the observed period of 20–25 s. Therefore, we rule out the first hypothesis and infer that the long period of 20–25 s is most likely a long swell wave coming from distant sources. As discussed by Rabinovich (1997) and Wang et al. (2022), comparison between sea level spectra before and after the incident is a useful method to distinguish the spectrum of the weather event. A visual inspection of Fig. 6 reveals that the forcing at the period band of 20–25 s is non-existent before the incident.

    Numerical simulations of wave loading and overtopping

    Based on the results of sea level data analyses in the previous section (Fig. 6), we use a dual peak wave spectrum with peak periods of 10.0 s and 25.0 s for numerical simulations because such a wave would be comprised of the most energetic signals of the storm. For variations of water depth (2.0–4.0 m), coastal wave amplitude (0.5–1.5 m) (Fig. 7) and storm surge height (0.5–0.8 m) (Fig. 5), we developed 20 scenarios (Scn) which we used in numerical simulations (Table 2). Data during the incident indicated that water depth was up to the crest level of the seawall (approximately 4 m water depth); therefore, we varied water depth from 2 to 4 m in our simulation scenarios. Regarding wave amplitudes, we referred to the variations at a nearby tide gauge station (West Bay) which showed wave amplitude up to 1.2 m (Fig. 7). Therefore, wave amplitude was varied from 0.5 m to 1.5 m by considering a factor a safety of 25% for the maximum wave amplitude. As for the storm surge component, time series of storm surges calculated at three coastal stations adjacent to Dawlish showed that it was in the range of 0.5 m to 0.8 m (Fig. 5). These 20 scenarios would help to study uncertainties associated with wave amplitudes and pressures. Figure 8 shows snapshots of wave propagation and impacts on the seawall at different times.

    figure 7
    Fig. 7

    Table 2 The 20 scenarios considered for numerical simulations in this study

    Full size table

    figure 8
    Fig. 8

    Results of wave amplitude simulations

    Large wave amplitudes can induce significant wave forcing on the structure and cause overtopping of the seawall, which could eventually cascade to other hazards such as erosion of the backfill and scour (Adams and Heidarzadeh, 2021). The first 10 scenarios of our modelling efforts are for the same incident wave amplitudes of 0.5 m, which occur at different water depths (2.0–4.0 m) and storm surge heights (0.5–0.8 m) (Table 2 and Fig. 9). This is because we aim at studying the impacts of effective water depth (deff—the sum of mean sea level and surge height) on the time histories of wave amplitudes as the storm evolves. As seen in Fig. 9a, by decreasing effective water depth, wave amplitude increases. For example, for Scn-1 with effective depth of 4.5 m, the maximum amplitude of the first wave is 1.6 m, whereas it is 2.9 m for Scn-2 with effective depth of 3.5 m. However, due to intensive reflections and interferences of the waves in front of the vertical seawall, such a relationship is barely seen for the second and the third wave peaks. It is important to note that the later peaks (second or third) produce the largest waves rather than the first wave. Extraordinary wave amplifications are seen for the Scn-2 (deff = 3.5 m) and Scn-7 (deff = 3.3 m), where the corresponding wave amplitudes are 4.5 m and 3.7 m, respectively. This may indicate that the effective water depth of deff = 3.3–3.5 m is possibly a critical water depth for this structure resulting in maximum wave amplitudes under similar storms. In the second wave impact, the combined wave height (i.e. the wave amplitude plus the effective water depth), which is ultimately an indicator of wave overtopping, shows that the largest wave heights are generated by Scn-2, 7 and 8 (Fig. 9a) with effective water depths of 3.5 m, 3.3 m and 3.8 m and combined heights of 8.0 m, 7.0 m and 6.9 m (Fig. 9b). Since the height of seawall is 5.4 m, the combined wave heights for Scn-2, 7 and 8 are greater than the crest height of the seawall by 2.6 m, 1.6 m and 1.5 m, respectively, which indicates wave overtopping.

    figure 9
    Fig. 9

    For scenarios 11–20 (Fig. 10), with incident wave amplitudes of 1.5 m (Table 2), the largest wave amplitudes are produced by Scn-17 (deff = 3.3 m), Scn-13 (deff = 2.5 m) and Scn-12 (deff = 3.5 m), which are 5.6 m, 5.1 m and 4.5 m. The maximum combined wave heights belong to Scn-11 (deff = 4.5 m) and Scn-17 (deff = 3.3 m), with combined wave heights of 9.0 m and 8.9 m (Fig. 10b), which are greater than the crest height of the seawall by 4.6 m and 3.5 m, respectively.

    figure 10
    Fig. 10

    Our simulations for all 20 scenarios reveal that the first wave is not always the largest and wave interactions, reflections and interferences play major roles in amplifying the waves in front of the seawall. This is primarily because the wall is fully vertical and therefore has a reflection coefficient of close to one (i.e. full reflection). Simulations show that the combined wave height is up to 4.6 m higher than the crest height of the wall, implying that severe overtopping would be expected.

    Results of wave loading calculations

    The pressure calculations for scenarios 1–10 are given in Fig. 11 and those of scenarios 11–20 in Fig. 12. The total pressure distribution in Figs. 1112 mostly follows a triangular shape with maximum pressure at the seafloor as expected from the Sainflou (1928) design equations. These pressure plots comprise both static (due to mean sea level in front of the wall) and dynamic (combined effects of surge and wave) pressures. For incident wave amplitudes of 0.5 m (Fig. 11), the maximum wave pressure varies in the range of 35–63 kPa. At the sea surface, it is in the range of 4–20 kPa (Fig. 11). For some scenarios (Scn-2 and 7), the pressure distribution deviates from a triangular shape and shows larger pressures at the top, which is attributed to the wave impacts and partial breaking at the sea surface. This adds an additional triangle-shaped pressure distribution at the sea surface elevation consistent with the design procedure developed by Goda (2000) for braking waves. The maximum force on the seawall due to scenarios 1–10, which is calculated by integrating the maximum pressure distribution over the wave-facing surface of the seawall, is in the range of 92–190 KN (Table 2).

    figure 11
    Fig. 11
    figure 12
    Fig. 12

    For scenarios 11–20, with incident wave amplitude of 1.5 m, wave pressures of 45–78 kPa and 7–120 kPa, for  the bottom and top of the wall, respectively, were observed (Fig. 12). Most of the plots show a triangular pressure distribution, except for Scn-11 and 15. A significant increase in wave impact pressure is seen for Scn-15 at the top of the structure, where a maximum pressure of approximately 120 kPa is produced while other scenarios give a pressure of 7–32 kPa for the sea surface. In other words, the pressure from Scn-15 is approximately four times larger than the other scenarios. Such a significant increase of the pressure at the top is most likely attributed to the breaking wave impact loads as detailed by Goda (2000) and Cuomo et al. (2010). The wave simulation snapshots in Fig. 8 show that the wave breaks before reaching the wall. The maximum force due to scenarios 11–20 is 120–286 KN.

    The breaking wave impacts peaking at 286 KN in our simulations suggest destabilisation of the upper masonry blocks, probably by grout malfunction. This significant impact force initiated the failure of the seawall which in turn caused extensive ballast erosion. Wave impact damage was proposed by Adams and Heidarzadeh (2021) as one of the primary mechanisms in the 2014 Dawlish disaster. In the multi-hazard risk model proposed by these authors, damage mechanism III (failure pathway 5 in Adams and Heidarzadeh, 2021) was characterised by wave impact force causing damage to the masonry elements, leading to failure of the upper sections of the seawall and loss of infill material. As blocks were removed, access to the track bed was increased for inbound waves allowing infill material from behind the seawall to be fluidised and subsequently removed by backwash. The loss of infill material critically compromised the stability of the seawall and directly led to structural failure. In parallel, significant wave overtopping (discussed in the next section) led to ballast washout and cascaded, in combination with masonry damage, to catastrophic failure of the wall and suspension of the rails in mid-air (Fig. 1b), leaving the railway inoperable for two months.

    Wave Overtopping

    The two most important factors contributing to the 2014 Dawlish railway catastrophe were wave impact forces and overtopping. Figure 13 gives the instantaneous overtopping rates for different scenarios, which experienced overtopping. It can be seen that the overtopping rates range from 0.5 m3/s/m to 16.1 m3/s/m (Fig. 13). Time histories of the wave overtopping rates show that the phenomenon occurs intermittently, and each time lasts 1.0–7.0 s. It is clear that the longer the overtopping time, the larger the volume of the water poured on the structure. The largest wave overtopping rates of 16.1 m3/s/m and 14.4 m3/s/m belong to Scn-20 and 11, respectively. These are the two scenarios that also give the largest combined wave heights (Fig. 10b).

    figure 13
    Fig. 13

    The cumulative overtopping curves (Figs. 1415) show the total water volume overtopped the structure during the entire simulation time. This is an important hazard factor as it determines the level of soil saturation, water pore pressure in the soil and soil erosion (Van der Meer et al. 2018). The maximum volume belongs to Scn-20, which is 65.0 m3/m (m-cubed of water per metre length of the wall). The overtopping volumes are 42.7 m3/m for Scn-11 and 28.8 m3/m for Scn-19. The overtopping volume is in the range of 0.7–65.0 m3/m for all scenarios.

    figure 14
    Fig. 14
    figure 15
    Fig. 15

    For comparison, we compare our modelling results with those estimated using empirical equations. For the case of the Dawlish seawall, we apply the equation proposed by Van Der Meer et al. (2018) to estimate wave overtopping rates, based on a set of decision criteria which are the influence of foreshore, vertical wall, possible breaking waves and low freeboard:

    qgH3m−−−−√=0.0155(Hmhs)12e(−2.2RcHm)qgHm3=0.0155(Hmhs)12e(−2.2RcHm)

    (6)

    where qq is the mean overtopping rate per metre length of the seawall (m3/s/m), gg is the acceleration due to gravity, HmHm is the incident wave height at the toe of the structure, RcRc is the wall crest height above mean sea level, hshs is the deep-water significant wave height and e(x)e(x) is the exponential function. It is noted that Eq. (6) is valid for 0.1<RcHm<1.350.1<RcHm<1.35. For the case of the Dawlish seawall and considering the scenarios with larger incident wave amplitude of 1.5 m (hshs= 1.5 m), the incident wave height at the toe of the structure is HmHm = 2.2—5.6 m, and the wall crest height above mean sea level is RcRc = 0.6–2.9 m. As a result, Eq. (6) gives mean overtopping rates up to approximately 2.9 m3/s/m. A visual inspection of simulated overtopping rates in Fig. 13 for Scn 11–20 shows that the mean value of the simulated overtopping rates (Fig. 13) is close to estimates using Eq. (6).

    Discussion and conclusions

    We applied a combination of eyewitness account analysis, sea level data analysis and numerical modelling in combination with our engineering judgement to explain the damage to the Dawlish railway seawall in February 2014. Main findings are:

    • Eyewitness data analysis showed that the extreme nature of the event was well forecasted in the hours prior to the storm impact; however, the magnitude of the risks to the structures was not well understood. Multiple hazards were activated simultaneously, and the effects cascaded to amplify the damage. Disaster management was effective, exemplified by the establishment of an emergency rendezvous point and temporary evacuation centre during the storm, indicating a high level of hazard awareness and preparedness.
    • Based on sea level data analysis, we identified triple peak period bands at 4–8, 8–12 and 20–25 s in the sea level data. Storm surge heights and wave oscillations were up to 0.8 m and 1.5 m, respectively.
    • Based on the numerical simulations of 20 scenarios with different water depths, incident wave amplitudes, surge heights and peak periods, we found that the wave oscillations at the foot of the seawall result in multiple wave interactions and interferences. Consequently, large wave amplitudes, up to 4.6 m higher than the height of the seawall, were generated and overtopped the wall. Extreme impulsive wave impact forces of up to 286 KN were generated by the waves interacting with the seawall.
    • We measured maximum wave overtopping rates of 0.5–16.1 m3/s/m for our scenarios. The cumulative overtopping water volumes per metre length of the wall were 0.7–65.0 m3/m.
    • Analysis of all the evidence combined with our engineering judgement suggests that the most likely initiating cause of the failure was impulsive wave impact forces destabilising one or more grouted joints between adjacent masonry blocks in the wall. Maximum observed pressures of 286 KN in our simulations are four times greater in magnitude than background pressures leading to block removal and initiating failure. Therefore, the sequence of cascading events was :1) impulsive wave impact force causing damage to masonry, 2) failure of the upper sections of the seawall, 3) loss of infill resulting in a reduction of structural strength in the landward direction, 4) ballast washout as wave overtopping and inbound wave activity increased and 5) progressive structural failure following successive tides.

    From a risk mitigation point of view, the stability of the seawall in the face of future energetic cyclonic storm events and sea level rise will become a critical factor in protecting the rail network. Mitigation efforts will involve significant infrastructure investment to strengthen the civil engineering assets combined with improved hazard warning systems consisting of meteorological forecasting and real-time wave observations and instrumentation. These efforts must take into account the amenity value of coastal railway infrastructure to local communities and the significant number of tourists who visit every year. In this regard, public awareness and active engagement in the planning and execution of the project will be crucial in order to secure local stakeholder support for the significant infrastructure project that will be required for future resilience.

    Notes

    1. https://www.networkrail.co.uk/..
    2. https://www.flow3d.com/products/flow-3d-hydro/.
    3. https://www.devonmuseums.net/Dawlish-Museum/Devon-Museums/.
    4. https://ntslf.org/.
    5. https://www.datawell.nl/Products/Buoys/DirectionalWaveriderMkIII.aspx.
    6. https://www.bodc.ac.uk/.
    7. https://coastalmonitoring.org/cco/.
    8. https://webapp.navionics.com/#boating@8&key=iactHlwfP.

    References

    Download references

    Acknowledgements

    We are grateful to Brunel University London for administering the scholarship awarded to KA. The Flow3D-Hydro used in this research for numerical modelling is licenced to Brunel University London through an academic programme contract. We sincerely thank Prof Harsh Gupta (Editor-in-Chief) and two anonymous reviewers for their constructive review comments.

    Funding

    This project was funded by the UK Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) through a PhD scholarship to Keith Adams.

    Author information

    Authors and Affiliations

    1. Department of Civil and Environmental Engineering, Brunel University London, Uxbridge, UB8 3PH, UKKeith Adams
    2. Department of Architecture and Civil Engineering, University of Bath, Bath, BA2 7AY, UKMohammad Heidarzadeh

    Corresponding author

    Correspondence to Keith Adams.

    Ethics declarations

    Conflict of interest

    The authors have no relevant financial or non-financial interests to disclose.

    Availability of data

    All data used in this study are provided in the body of the article.

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    Publisher’s Note

    Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

    Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

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    Cite this article

    Adams, K., Heidarzadeh, M. Extratropical cyclone damage to the seawall in Dawlish, UK: eyewitness accounts, sea level analysis and numerical modelling. Nat Hazards (2022). https://doi.org/10.1007/s11069-022-05692-2

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    • Received17 May 2022
    • Accepted17 October 2022
    • Published14 November 2022
    • DOIhttps://doi.org/10.1007/s11069-022-05692-2

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    Keywords

    • Storm surge
    • Cyclone
    • Railway
    • Climate change
    • Infrastructure
    • Resilience
    The failure propagation of weakly stable sediment: A reason for the formation of high-velocity turbidity currents in submarine canyons

    약한 안정 퇴적물의 실패 전파: 해저 협곡에서 고속 탁도 흐름이 형성되는 이유

    Abstract

    Abstract해저 협곡에서 탁도의 장거리 이동은 많은 양의 퇴적물을 심해 평원으로 운반할 수 있습니다. 이전 연구에서는 5.9~28.0m/s 범위의 다중 케이블 손상 이벤트에서 파생된 탁도 전류 속도와 0.15~7.2m/s 사이의 현장 관찰 결과에서 명백한 차이가 있음을 보여줍니다. 따라서 해저 환경의 탁한 유체가 해저 협곡을 고속으로 장거리로 흐를 수 있는지에 대한 질문이 남아 있습니다. 연구실 시험의 결합을 통해 해저협곡의 탁류의 고속 및 장거리 운동을 설명하기 위해 약안정 퇴적물 기반의 새로운 모델(약안정 퇴적물에 대한 파손 전파 모델 제안, 줄여서 WSS-PFP 모델)을 제안합니다. 및 수치 아날로그. 이 모델은 두 가지 메커니즘을 기반으로 합니다. 1) 원래 탁도류는 약하게 안정한 퇴적층의 불안정화를 촉발하고 연질 퇴적물의 불안정화 및 하류 방향으로의 이동을 촉진하고 2) 원래 탁도류가 협곡으로 이동할 때 형성되는 여기파가 불안정화로 이어진다. 하류 방향으로 약하게 안정한 퇴적물의 수송. 제안된 모델은 심해 퇴적, 오염 물질 이동 및 광 케이블 손상 연구를 위한 동적 프로세스 해석을 제공할 것입니다.

    The long-distance movement of turbidity currents in submarine canyons can transport large amounts of sediment to deep-sea plains. Previous studies show obvious differences in the turbidity current velocities derived from the multiple cables damage events ranging from 5.9 to 28.0 m/s and those of field observations between 0.15 and 7.2 m/s. Therefore, questions remain regarding whether a turbid fluid in an undersea environment can flow through a submarine canyon for a long distance at a high speed. A new model based on weakly stable sediment is proposed (proposed failure propagation model for weakly stable sediments, WSS-PFP model for short) to explain the high-speed and long-range motion of turbidity currents in submarine canyons through the combination of laboratory tests and numerical analogs. The model is based on two mechanisms: 1) the original turbidity current triggers the destabilization of the weakly stable sediment bed and promotes the destabilization and transport of the soft sediment in the downstream direction and 2) the excitation wave that forms when the original turbidity current moves into the canyon leads to the destabilization and transport of the weakly stable sediment in the downstream direction. The proposed model will provide dynamic process interpretation for the study of deep-sea deposition, pollutant transport, and optical cable damage.

    Keyword

    • turbidity current
    • excitation wave
    • dense basal layer
    • velocity
    • WSS-PFP model

    References

    Download references

    Acknowledgment

    We thank Hanru WU from Ocean University of China for his help in thesis writing, and Hao TIAN and Chenxi WANG from Ocean University of China for their helps in the preparation of the experimental materials. Guohui XU is responsible for the development of the initial concept, processing of test data, and management of coauthor contributions to the paper; Yupeng REN for the experiment setup and drafting of the paper; Yi ZHANG and Xingbei XU for the simulation part of the experiment; Houjie WANG for writing guidance; Zhiyuan CHEN for the experiment setup.

    Author information

    Authors and Affiliations

    1. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Qingdao, 266100, ChinaYupeng Ren, Yi Zhang, Guohui Xu, Xingbei Xu & Zhiyuan Chen
    2. Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Environment and Geological Engineering, Ocean University of China, Qingdao, 266100, ChinaYupeng Ren & Houjie Wang
    3. Key Laboratory of Marine Environment and Ecology, Ocean University of China, Ministry of Education, Qingdao, 266100, ChinaYi Zhang, Guohui Xu, Xingbei Xu & Zhiyuan Chen

    Corresponding author

    Correspondence to Guohui Xu.

    Additional information

    Supported by the National Natural Science Foundation of China (Nos. 41976049, 41720104001) and the Taishan Scholar Project of Shandong Province (No. TS20190913), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. 202061028)

    Data Availability Statement

    The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author upon reasonable request.

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    About this article

    Cite this article

    Ren, Y., Zhang, Y., Xu, G. et al. The failure propagation of weakly stable sediment: A reason for the formation of high-velocity turbidity currents in submarine canyons. J. Ocean. Limnol. (2022). https://doi.org/10.1007/s00343-022-1285-0

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

    AZ91 합금 주물 내 연행 결함에 대한 캐리어 가스의 영향

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

    Abstract

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

    연행 결함(이중 산화막 결함 또는 이중막이라고도 함)은 경합금 용융물에 잠길 때 갇힌 가스를 포함하는 공극으로 작용하여 최종 주물의 품질과 재현성을 저하시킵니다. Al-합금 주물을 사용하여 수행된 이전 간행물에서는 이 갇힌 가스가 주변 용융물과의 반응에 의해 후속적으로 소모되어 공극 부피와 연행 결함의 부정적인 영향을 줄일 수 있다고 보고했습니다. Al-합금에 비해 마그네슘의 상대적으로 높은 반응성으로 인해 Mg-합금 내에 포집된 가스가 더 효율적으로 소모될 수 있습니다. 그러나 Mg 합금 내 연행 결함에 대한 연구는 상당히 제한적이었습니다. 현재 작업에서 AZ91 합금 주물은 다양한 캐리어 가스 분위기(즉, SF6/CO2, SF6/공기)에서 생산되었습니다. AZ91 합금에 포함된 연행 결함의 진화 과정은 미세 조직 검사 및 열역학 계산에 따라 제안되었습니다. 서로 다른 분위기에서 형성된 결함은 유사한 샌드위치 구조를 갖지만 산화막에는 서로 다른 화합물 조합이 포함되어 있습니다. 다른 동반 가스 소비율과 관련된 운반 가스의 사용은 AZ91 주물의 재현성에 영향을 미쳤습니다.

    Keywords

    Magnesium alloy, Casting, Oxide film, Bifilm, Entrainment defect, Reproducibility

    1. Introduction

    As the lightest structural metal available on Earth, magnesium became one of the most attractive light metals over the last few decades. The magnesium industry has consequently experienced a rapid development in the last 20 years [1,2], indicating a large growth in demand for Mg alloys all over the world. Nowadays, the use of Mg alloys can be found in the fields of automobiles, aerospace, electronics and etc.[3,4]. It has been predicted that the global consumption of Mg metals will further increase in the future, especially in the automotive industry, as the energy efficiency requirement of both traditional and electric vehicles further push manufactures lightweight their design [3,5,6].

    The sustained growth in demand for Mg alloys motivated a wide interest in the improvement of the quality and mechanical properties of Mg-alloy castings. During a Mg-alloy casting process, surface turbulence of the melt can lead to the entrapment of a doubled-over surface film containing a small quantity of the surrounding atmosphere, thus forming an entrainment defect (also known as a double oxide film defect or bifilm) [7][8][9][10]. The random size, quantity, orientation, and placement of entrainment defects are widely accepted to be significant factors linked to the variation of casting properties [7]. In addition, Peng et al. [11] found that entrained oxides films in AZ91 alloy melt acted as filters to Al8Mn5 particles, trapping them as they settle. Mackie et al. [12] further suggested that entrained oxide films can act to trawl the intermetallic particles, causing them to cluster and form extremely large defects. The clustering of intermetallic compounds made the entrainment defects more detrimental for the casting properties.

    Most of the previous studies regarding entrainment defects were carried out on Al-alloys [7,[13][14][15][16][17][18], and a few potential methods have been suggested for diminishing their negative effect on the quality of Al-alloy castings. Nyahumwa et al.,[16] shows that the void volume within entrainment defects could be reduced by a hot isostatic pressing (HIP) process. Campbell [7] suggested the entrained gas within the defects could be consumed due to reaction with the surrounding melt, which was further verified by Raiszedeh and Griffiths [19].The effect of the entrained gas consumption on the mechanical properties of Al-alloy castings has been investigated by [8,9], suggesting that the consumption of the entrained gas promoted the improvement of the casting reproducibility.

    Compared with the investigation concerning the defects within Al-alloys, research into the entrainment defects within Mg-alloys has been significantly limited. The existence of entrainment defects has been demonstrated in Mg-alloy castings [20,21], but their behaviour, evolution, as well as entrained gas consumption are still not clear.

    In a Mg-alloy casting process, the melt is usually protected by a cover gas to avoid magnesium ignition. The cavities of sand or investment moulds are accordingly required to be flushed with the cover gas prior to the melt pouring [22]. Therefore, the entrained gas within Mg-alloy castings should contain the cover gas used in the casting process, rather than air only, which may complicate the structure and evolution of the corresponding entrainment defects.

    SF6 is a typical cover gas widely used for Mg-alloy casting processes [23][24][25]. Although this cover gas has been restricted to use in European Mg-alloy foundries, a commercial report has pointed out that this cover is still popular in global Mg-alloy industry, especially in the countries which dominated the global Mg-alloy production, such as China, Brazil, India, etc. [26]. In addition, a survey in academic publications also showed that this cover gas was widely used in recent Mg-alloy studies [27]. The protective mechanism of SF6 cover gas (i.e., the reaction between liquid Mg-alloy and SF6 cover gas) has been investigated by several previous researchers, but the formation process of the surface oxide film is still not clearly understood, and even some published results are conflicting with each other. In early 1970s, Fruehling [28] found that the surface film formed under SF6 was MgO mainly with traces of fluorides, and suggested that SF6 was absorbed in the Mg-alloy surface film. Couling [29] further noticed that the absorbed SF6 reacted with the Mg-alloy melt to form MgF2. In last 20 years, different structures of the Mg-alloy surface films have been reported, as detailed below.(1)

    Single-layered film. Cashion [30,31] used X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) and Auger Spectroscopy (AES) to identify the surface film as MgO and MgF2. He also found that composition of the film was constant throughout the thickness and the whole experimental holding time. The film observed by Cashion had a single-layered structure created from a holding time from 10 min to 100 min.(2)

    Double-layered film. Aarstad et. al [32] reported a doubled-layered surface oxide film in 2003. They observed several well-distributed MgF2 particles attached to the preliminary MgO film and grew until they covered 25–50% of the total surface area. The inward diffusion of F through the outer MgO film was the driving force for the evolution process. This double-layered structure was also supported by Xiong’s group [25,33] and Shih et al. [34].(3)

    Triple-layered film. The triple-layered film and its evolution process were reported in 2002 by Pettersen [35]. Pettersen found that the initial surface film was a MgO phase and then gradually evolved to the stable MgF2 phase by the inward diffusion of F. In the final stage, the film has a triple-layered structure with a thin O-rich interlayer between the thick top and bottom MgF2 layers.(4)

    Oxide film consisted of discrete particles. Wang et al [36] stirred the Mg-alloy surface film into the melt under a SF6 cover gas, and then inspect the entrained surface film after the solidification. They found that the entrained surface films were not continues as the protective surface films reported by other researchers but composed of discrete particles. The young oxide film was composed of MgO nano-sized oxide particles, while the old oxide films consist of coarse particles (about 1  µm in average size) on one side that contained fluorides and nitrides.

    The oxide films of a Mg-alloy melt surface or an entrained gas are both formed due to the reaction between liquid Mg-alloy and the cover gas, thus the above-mentioned research regarding the Mg-alloy surface film gives valuable insights into the evolution of entrainment defects. The protective mechanism of SF6 cover gas (i.e., formation of a Mg-alloy surface film) therefore indicated a potential complicated evolution process of the corresponding entrainment defects.

    However, it should be noted that the formation of a surface film on a Mg-alloy melt is in a different situation to the consumption of an entrained gas that is submerged into the melt. For example, a sufficient amount of cover gas was supported during the surface film formation in the studies previously mentioned, which suppressed the depletion of the cover gas. In contrast, the amount of entrained gas within a Mg-alloy melt is finite, and the entrained gas may become fully depleted. Mirak [37] introduced 3.5%SF6/air bubbles into a pure Mg-alloy melt solidifying in a specially designed permanent mould. It was found that the gas bubbles were entirely consumed, and the corresponding oxide film was a mixture of MgO and MgF2. However, the nucleation sites (such as the MgF2 spots observed by Aarstad [32] and Xiong [25,33]) were not observed. Mirak also speculated that the MgF2 formed prior to MgO in the oxide film based on the composition analysis, which was opposite to the surface film formation process reported in previous literatures (i.e., MgO formed prior to MgF2). Mirak’s work indicated that the oxide-film formation of an entrained gas may be quite different from that of surface films, but he did not reveal the structure and evolution of the oxide films.

    In addition, the use of carrier gas in the cover gases also influenced the reaction between the cover gas and the liquid Mg-alloy. SF6/air required a higher content of SF6 than did a SF6/CO2 carrier gas [38], to avoid the ignition of molten magnesium, revealing different gas-consumption rates. Liang et.al [39] suggested that carbon was formed in the surface film when CO2 was used as a carrier gas, which was different from the films formed in SF6/air. An investigation into Mg combustion [40] reported a detection of Mg2C3 in the Mg-alloy sample after burning in CO2, which not only supported Liang’s results, but also indicated a potential formation of Mg carbides in double oxide film defects.

    The work reported here is an investigation into the behaviour and evolution of entrainment defects formed in AZ91 Mg-alloy castings, protected by different cover gases (i.e., SF6/air and SF6/CO2). These carrier gases have different protectability for liquid Mg alloy, which may be therefore associated with different consumption rates and evolution processes of the corresponding entrained gases. The effect of the entrained-gas consumption on the reproducibility of AZ91 castings was also studied.

    2. Experiment

    2.1. Melting and casting

    Three kilograms AZ91 alloy was melted in a mild steel crucible at 700 ± 5 °C. The composition of the AZ91 alloy has been shown in Table 1. Prior to heating, all oxide scale on the ingot surface was removed by machining. The cover gases used were 0.5%SF6/air or 0.5%SF6/CO2 (vol.%) at a flow rate of 6 L/min for different castings. The melt was degassed by argon with a flow rate of 0.3 L/min for 15 min [41,42], and then poured into sand moulds. Prior to pouring, the sand mould cavity was flushed with the cover gas for 20 min [22]. The residual melt (around 1 kg) was solidified in the crucible.

    Table 1. Composition (wt.%) of the AZ91 alloy used in this study.

    AlZnMnSiFeNiMg
    9.40.610.150.020.0050.0017Residual

    Fig. 1(a) shows the dimensions of the casting with runners. A top-filling system was deliberately used to generate entrainment defects in the final castings. Green and Campbell [7,43] suggested that a top-filling system caused more entrainment events (i.e., bifilms) during a casting process, compared with a bottom-filling system. A melt flow simulation (Flow-3D software) of this mould, using Reilly’s model [44] regarding the entrainment events, also predicted that a large amount of bifilms would be contained in the final casting (denoted by the black particles in Fig. 1b).

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

    Shrinkage defects also affect the mechanical properties and reproducibility of castings. Since this study focused on the effect of bifilms on the casting quality, the mould has been deliberately designed to avoid generating shrinkage defects. A solidification simulation using ProCAST software showed that no shrinkage defect would be contained in the final casting, as shown in Fig. 1c. The casting soundness has also been confirmed using a real time X-ray prior to the test bar machining.

    The sand moulds were made from resin-bonded silica sand, containing 1wt. % PEPSET 5230 resin and 1wt. % PEPSET 5112 catalyst. The sand also contained 2 wt.% Na2SiF6 to act as an inhibitor [45]. The pouring temperature was 700 ± 5 °C. After the solidification, a section of the runner bars was sent to the Sci-Lab Analytical Ltd for a H-content analysis (LECO analysis), and all the H-content measurements were carried out on the 5th day after the casting process. Each of the castings was machined into 40 test bars for a tensile strength test, using a Zwick 1484 tensile test machine with a clip extensometer. The fracture surfaces of the broken test bars were examined using Scanning Electron Microscope (SEM, Philips JEOL7000) with an accelerating voltage of 5–15 kV. The fractured test bars, residual Mg-alloy solidified in the crucible, and the casting runners were then sectioned, polished and also inspected using the same SEM. The cross-section of the oxide film found on the test-bar fracture surface was exposed by the Focused Ion Beam milling technique (FIB), using a CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM. The oxide film required to be analysed was coated with a platinum layer. Then, a gallium ion beam, accelerated to 30 kV, milled the material substrate surrounding the platinum coated area to expose the cross section of the oxide film. EDS analysis of the oxide film’s cross section was carried out using the FIB equipment at accelerating voltage of 30 kV.

    2.2. Oxidation cell

    As previously mentioned, several past researchers investigated the protective film formed on a Mg-alloy melt surface [38,39,[46][47][48][49][50][51][52]. During these experiments, the amount of cover gas used was sufficient, thus suppressing the depletion of fluorides in the cover gas. The experiment described in this section used a sealed oxidation cell, which limited the supply of cover gas, to study the evolution of the oxide films of entrainment defects. The cover gas contained in the oxidation cell was regarded as large-size “entrained bubble”.

    As shown in Fig. 2, the main body of the oxidation cell was a closed-end mild steel tube which had an inner length of 400 mm, and an inner diameter of 32 mm. A water-cooled copper tube was wrapped around the upper section of the cell. When the tube was heated, the cooling system created a temperature difference between the upper and lower sections, causing the interior gas to convect within the tube. The temperature was monitored by a type-K thermocouple located at the top of the crucible. Nie et al. [53] suggested that the SF6 cover gas would react with the steel wall of the holding furnace when they investigated the surface film of a Mg-alloy melt. To avoid this reaction, the interior surface of the steel oxidation cell (shown in Fig. 2) and the upper half section of the thermocouple were coated with boron nitride (the Mg-alloy was not in contact with boron nitride).

    Fig. 2. Schematic of the oxidation cell used to study the evolution of the oxide films of the entrainment defects (unit mm).

    During the experiment, a block of solid AZ91 alloy was placed in a magnesia crucible located at the bottom of the oxidation cell. The cell was heated to 100 °C in an electric resistance furnace under a gas flow rate of 1 L/min. The cell was held at this temperature for 20 min, to replace the original trapped atmosphere (i.e. air). Then, the oxidation cell was further heated to 700 °C, melting the AZ91 sample. The gas inlet and exit valves were then closed, creating a sealed environment for oxidation under a limited supply of cover gas. The oxidation cell was then held at 700 ± 10 °C for periods of time from 5 min to 30 min in 5-min intervals. At the end of each holding time, the cell was quenched in water. After cooling to room temperature, the oxidised sample was sectioned, polished, and subsequently examined by SEM.

    3. Results

    3.1. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/air

    The structure and composition of the entrainment defect formed in the AZ91 castings under a cover gas of 0.5%SF6/air was observed by SEM and EDS. The results indicate that there exist two types of entrainment defects which are sketched in Fig. 3: (1) Type A defect whose oxide film has a traditional single-layered structure and (2) Type B defect, whose oxide film has two layers. The details of these defects were introduced in the following. Here it should be noticed that, as the entrainment defects are also known as biofilms or double oxide film, the oxide films of Type B defect were referred to as “multi-layered oxide film” or “multi-layered structure” in the present work to avoid a confusing description such as “the double-layered oxide film of a double oxide film defect”.

    Fig. 3. Schematic of the different types of entrainment defects found in AZ91 castings. (a) Type A defect with a single-layered oxide film and (b) Type B defect with two-layered oxide film.

    Fig. 4(a-b) shows a Type A defect having a compact single-layered oxide film with about 0.4 µm thickness. Oxygen, fluorine, magnesium and aluminium were detected in this film (Fig. 4c). It is speculated that oxide film is the mixture of fluoride and oxide of magnesium and aluminium. The detection of fluorine revealed that an entrained cover gas was contained in the formation of this defect. That is to say that the pores shown in Fig. 4(a) were not shrinkage defects or hydrogen porosity, but entrainment defects. The detection of aluminium was different with Xiong and Wang’s previous study [47,48], which showed that no aluminium was contained in their surface film of an AZ91 melt protected by a SF6 cover gas. Sulphur could not be clearly recognized in the element map, but there was a S-peak in the corresponding ESD spectrum.

    Fig. 4. (a) A Type A entrainment defect formed in SF6/air and having a single-layered oxide film, (b) the oxide film of this defect, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area highlighted in (b).

    Fig. 5(a-b) shows a Type B entrainment defect having a multi-layered oxide film. The compact outer layers of the oxide films were enriched with fluorine and oxygen (Fig. 5c), while their relatively porous inner layers were only enriched with oxygen (i.e., poor in fluorine) and partly grew together, thus forming a sandwich-like structure. Therefore, it is speculated that the outer layer is the mixture of fluoride and oxide, while the inner layer is mainly oxide. Sulphur could only be recognized in the EDX spectrum and could not be clearly identified in the element map, which might be due to the small S-content in the cover gas (i.e., 0.5% volume content of SF6 in the cover gas). In this oxide film, aluminium was contained in the outer layer of this oxide film but could not be clearly detected in the inner layer. Moreover, the distribution of Al seems to be uneven. It can be found that, in the right side of the defect, aluminium exists in the film but its concentration can not be identified to be higher than the matrix. However, there is a small area with much higher aluminium concentration in the left side of the defect. Such an uneven distribution of aluminium was also observed in other defects (shown in the following), and it is the result of the formation of some oxide particles in or under the film.

    Fig. 5. (a) A Type B entrainment defect formed in SF6/air and having a multi-layered oxide film, (b) the oxide films of this defect have grown together, (c) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (b).

    Figs. 4 and 5 show cross sectional observations of the entrainment defects formed in the AZ91 alloy sample cast under a cover gas of SF6/air. It is not sufficient to characterize the entrainment defects only by the figures observed from the two-dimensional section. To have a further understanding, the surface of the entrainment defects (i.e. the oxide film) was further studied by observing the fracture surface of the test bars.

    Fig. 6(a) shows fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar produced in SF6/air. Symmetrical dark regions can be seen on both sides of the fracture surfaces. Fig. 6(b) shows boundaries between the dark and bright regions. The bright region consisted of jagged and broken features, while the surface of the dark region was relatively smooth and flat. In addition, the EDS results (Fig. 6c-d and Table 2) show that fluorine, oxygen, sulphur, and nitrogen were only detected in the dark regions, indicating that the dark regions were surface protective films entrained into the melt. Therefore, it could be suggested that the dark regions were an entrainment defect with consideration of their symmetrical nature. Similar defects on fracture surfaces of Al-alloy castings have been previously reported [7]Nitrides were only found in the oxide films on the test-bar fracture surfaces but never detected in the cross-sectional samples shown in Figs. 4 and 5. An underlying reason is that the nitrides contained in these samples may have hydrolysed during the sample polishing process [54].

    Fig. 6. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar produced under a cover gas of SF6/air. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) a section of the boundary between the dark and bright regions shown in (a), (c-d) EDS spectrum of the (c) bright regions and (d) dark regions, (e) schematic of an entrainment defect contained in a test bar.

    Table 2. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 6 (cover gas: SF6/air).

    Empty CellCOMgFAlZnSN
    Dark region in Fig. 6(b)3.481.3279.130.4713.630.570.080.73
    Bright region in Fig. 6(b)3.5884.4811.250.68

    In conjunction with the cross-sectional observation of the defects shown in Figs. 4 and 5, the structure of an entrainment defect contained in a tensile test bar was sketched as shown in Fig. 6(e). The defect contained an entrained gas enclosed by its oxide film, creating a void section inside the test bar. When the tensile force applied on the defect during the fracture process, the crack was initiated at the void section and propagated along the entrainment defect, since cracks would be propagated along the weakest path [55]. Therefore, when the test bar was finally fractured, the oxide films of entrainment defect appeared on both fracture surfaces of the test bar, as shown in Fig. 6(a).

    3.2. Structure and composition of the entrainment defects formed in SF6/CO2

    Similar to the entrainment defect formed in SF6/air, the defects formed under a cover gas of 0.5%SF6/CO2 also had two types of oxide films (i.e., single-layered and multi-layered types). Fig. 7(a) shows an example of the entrainment defects containing a multi-layered oxide film. A magnified observation to the defect (Fig. 7b) shows that the inner layers of the oxide films had grown together, presenting a sandwich-like structure, which was similar to the defects formed in an atmosphere of SF6/air (Fig. 5b). An EDS spectrum (Fig. 7c) revealed that the joint area (inner layer) of this sandwich-like structure mainly contained magnesium oxides. Peaks of fluorine, sulphur, and aluminium were recognized in this EDS spectrum, but their amount was relatively small. In contrast, the outer layers of the oxide films were compact and composed of a mixture of fluorides and oxides (Fig. 7d-e).

    Fig. 7. (a) An example of entrainment defects formed in SF6/CO2 and having a multi-layered oxide film, (b) magnified observation of the defect, showing the inner layer of the oxide films has grown together, (c) EDS spectrum of the point denoted in (b), (d) outer layer of the oxide film, (e) SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the area shown in (d).

    Fig. 8(a) shows an entrainment defect on the fracture surfaces of an AZ91 alloy tensile test bar, which was produced in an atmosphere of 0.5%SF6/CO2. The corresponding EDS results (Table 3) showed that oxide film contained fluorides and oxides. Sulphur and nitrogen were not detected. Besides, a magnified observation (Fig. 8b) indicated spots on the oxide film surface. The diameter of the spots ranged from hundreds of nanometres to a few micron meters.

    Fig. 8. (a) A pair of the fracture surfaces of a AZ91 alloy tensile test bar, produced in an atmosphere of SF6/CO2. The dimension of the fracture surface is 5 mm × 6 mm, (b) surface appearance of the oxide films on the fracture surfaces, showing spots on the film surface.

    To further reveal the structure and composition of the oxide film clearly, the cross-section of the oxide film on a test-bar fracture surface was onsite exposed using the FIB technique (Fig. 9). As shown in Fig. 9a, a continuous oxide film was found between the platinum coating layer and the Mg-Al alloy substrate. Fig. 9 (b-c) shows a magnified observation to oxide films, indicating a multi-layered structure (denoted by the red box in Fig. 9c). The bottom layer was enriched with fluorine and oxygen and should be the mixture of fluoride and oxide, which was similar to the “outer layer” shown in Figs. 5 and 7, while the only-oxygen-enriched top layer was similar to the “inner layer” shown in Figs. 5 and 7.

    Fig. 9. (a) A cross-sectional observation of the oxide film on the fracture surface of the AZ91 casting produced in SF6/CO2, exposed by FIB, (b) a magnified observation of area highlighted in (a), and (c) SEM-EDS elements map of the area shown in (b), obtained by CFEI Quanta 3D FEG FIB-SEM.

    Except the continuous film, some individual particles were also observed in or below the continuous film, as shown in Fig. 9. An Al-enriched particle was detected in the left side of the oxide film shown in Fig. 9b and might be speculated to be spinel Mg2AlO4 because it also contains abundant magnesium and oxygen elements. The existing of such Mg2AlO4 particles is responsible for the high concentration of aluminium in small areas of the observed film and the uneven distribution of aluminium, as shown in Fig. 5(c). Here it should be emphasized that, although the other part of the bottom layer of the continuous oxide film contains less aluminium than this Al-enriched particle, the Fig. 9c indicated that the amount of aluminium in this bottom layer was still non-negligible, especially when comparing with the outer layer of the film. Below the right side of the oxide film shown in Fig. 9b, a particle was detected and speculated to be MgO because it is rich in Mg and O. According to Wang’s result [56], lots of discrete MgO particles can be formed on the surface of the Mg melt by the oxidation of Mg melt and Mg vapor. The MgO particles observed in our present work may be formed due to the same reasons. While, due to the differences in experimental conditions, less Mg melt can be vapored or react with O2, thus only a few of MgO particles formed in our work. An enrichment of carbon was also found in the film, revealing that CO2 was able to react with the melt, thus forming carbon or carbides. This carbon concentration was consistent with the relatively high carbon content of the oxide film shown in Table 3 (i.e., the dark region). In the area next to the oxide film.

    Table 3. EDS results (wt.%) corresponding to the regions shown in Fig. 8 (cover gas: SF6/ CO2).

    Empty CellCOMgFAlZnSN
    Dark region in Fig. 8(a)7.253.6469.823.827.030.86
    Bright region in Fig. 8(a)2.100.4482.8313.261.36

    This cross-sectional observation of the oxide film on a test bar fracture surface (Fig. 9) further verified the schematic of the entrainment defect shown in Fig. 6(e). The entrainment defects formed in different atmospheres of SF6/CO2 and SF6/air had similar structures, but their compositions were different.

    3.3. Evolution of the oxide films in the oxidation cell

    The results in Section 3.1 and 3.2 have shown the structures and compositions of entrainment defects formed in AZ91 castings under cover gases of SF6/air and SF6/CO2. Different stages of the oxidation reaction may lead to the different structures and compositions of entrainment defects. Although Campbell has conjectured that an entrained gas may react with the surrounding melt, it is rarely reported that the reaction occurring between the Mg-alloy melt and entrapped cover gas. Previous researchers normally focus on the reaction between a Mg-alloy melt and the cover gas in an open environment [38,39,[46][47][48][49][50][51][52], which was different from the situation of a cover gas trapped into the melt. To further understand the formation of the entrainment defect in an AZ91 alloy, the evolution process of oxide films of the entrainment defect was further studied using an oxidation cell.

    Fig. 10 (a and d) shows a surface film held for 5 min in the oxidation cell, protected by 0.5%SF6/air. There was only one single layer consisting of fluoride and oxide (MgF2 and MgO). In this surface film. Sulphur was detected in the EDS spectrum, but its amount was too small to be recognized in the element map. The structure and composition of this oxide film was similar to the single-layered films of entrainment defects shown in Fig. 4.

    Fig. 10. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/air and held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 10 min; (c) 30 min, and (d-f) the SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000) corresponding to the oxide film shown in (a-c) respectively, (d) 5 min; (e) 10 min; (f) 30 min. The red points in (c and f) are the location references, denoting the boundary of the F-enriched layer in different element maps.

    After a holding time of 10 min, a thin (O, S)-enriched top layer (around 700 nm) appeared upon the preliminary F-enriched film, forming a multi-layered structure, as shown in Fig. 10(b and e). The thickness of the (O, S)-enriched top layer increased with increased holding time. As shown in Fig. 10(c and f), the oxide film held for 30 min also had a multi-layered structure, but the thickness of its (O, S)-enriched top layer (around 2.5 µm) was higher than the that of the 10-min oxide film. The multi-layered oxide films shown in Fig. 10(b-c) presented a similar appearance to the films of the sandwich-like defect shown in Fig. 5.

    The different structures of the oxide films shown in Fig. 10 indicated that fluorides in the cover gas would be preferentially consumed due to the reaction with the AZ91 alloy melt. After the depletion of fluorides, the residual cover gas reacted further with the liquid AZ91 alloy, forming the top (O, S)-enriched layer in the oxide film. Therefore, the different structures and compositions of entrainment defects shown in Figs. 4 and 5 may be due to an ongoing oxidation reaction between melt and entrapped cover gas.

    This multi-layered structure has not been reported in previous publications concerning the protective surface film formed on a Mg-alloy melt [38,[46][47][48][49][50][51]. This may be due to the fact that previous researchers carried out their experiments with an un-limited amount of cover gas, creating a situation where the fluorides in the cover gas were not able to become depleted. Therefore, the oxide film of an entrainment defect had behaviour traits similar to the oxide films shown in Fig. 10, but different from the oxide films formed on the Mg-alloy melt surface reported in [38,[46][47][48][49][50][51].

    Similar with the oxide films held in SF6/air, the oxide films formed in SF6/CO2 also had different structures with different holding times in the oxidation cell. Fig. 11(a) shows an oxide film, held on an AZ91 melt surface under a cover gas of 0.5%SF6/CO2 for 5 min. This film had a single-layered structure consisting of MgF2. The existence of MgO could not be confirmed in this film. After the holding time of 30 min, the film had a multi-layered structure; the inner layer was of a compact and uniform appearance and composed of MgF2, while the outer layer is the mixture of MgF2 and MgO. Sulphur was not detected in this film, which was different from the surface film formed in 0.5%SF6/air. Therefore, fluorides in the cover gas of 0.5%SF6/CO2 were also preferentially consumed at an early stage of the film growth process. Compared with the film formed in SF6/air, the MgO in film formed in SF6/CO2 appeared later and sulphide did not appear within 30 min. It may mean that the formation and evolution of film in SF6/air is faster than SF6/CO2. CO2 may have subsequently reacted with the melt to form MgO, while sulphur-containing compounds accumulated in the cover gas and reacted to form sulphide in very late stage (may after 30 min in oxidation cell).

    Fig. 11. Oxide films formed in the oxidation cell under a cover gas of 0.5%SF6/CO2, and their SEM-EDS element maps (using Philips JEOL7000). They were held at 700 °C for (a) 5 min; (b) 30 min. The red points in (b) are the location references, denoting the boundary between the top and bottom layers in the oxide film.

    4. Discussion

    4.1. Evolution of entrainment defects formed in SF6/air

    HSC software from Outokumpu HSC Chemistry for Windows (http://www.hsc-chemistry.net/) was used to carry out thermodynamic calculations needed to explore the reactions which might occur between the trapped gases and liquid AZ91 alloy. The solutions to the calculations suggest which products are most likely to form in the reaction process between a small amount of cover gas (i.e., the amount within a trapped bubble) and the AZ91-alloy melt.

    In the trials, the pressure was set to 1 atm, and the temperature set to 700 °C. The amount of the cover gas was assumed to be 7 × 10−7 kg, with a volume of approximately 0.57 cm3 (3.14 × 10−8 kmol) for 0.5%SF6/air, and 0.35 cm3 (3.12 × 10−8 kmol) for 0.5%SF6/CO2. The amount of the AZ91 alloy melt in contact with the trapped gas was assumed to be sufficient to complete all reactions. The decomposition products of SF6 were SF5, SF4, SF3, SF2, F2, S(g), S2(g) and F(g) [57][58][59][60].

    Fig. 12 shows the equilibrium diagram of the thermodynamic calculation of the reaction between the AZ91 alloy and 0.5%SF6/air. In the diagram, the reactants and products with less than 10−15 kmol have not been shown, as this was 5 orders of magnitude less than the amount of SF6 present (≈ 1.57 × 10−10 kmol) and therefore would not affect the observed process in a practical way.

    Fig. 12. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/air and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis is the amount of AZ91 alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis is the amount of the reactants and products.

    This reaction process could be divided into 3 stages.

    Stage 1: The formation of fluorides. the AZ91 melt preferentially reacted with SF6 and its decomposition products, producing MgF2, AlF3, and ZnF2. However, the amount of ZnF2 may have been too small to be detected practically (1.25 × 10−12 kmol of ZnF2 compared with 3 × 10−10 kmol of MgF2), which may be the reason why Zn was not detected in any the oxide films shown in Sections 3.13.3. Meanwhile, sulphur accumulated in the residual gas as SO2.

    Stage 2: The formation of oxides. After the liquid AZ91 alloy had depleted all the available fluorides in the entrapped gas, the amount of AlF3 and ZnF2 quickly reduced due to a reaction with Mg. O2(g) and SO2 reacted with the AZ91 melt, forming MgO, Al2O3, MgAl2O4, ZnO, ZnSO4 and MgSO4. However, the amount of ZnO and ZnSO4 would have been too small to be found practically by EDS (e.g. 9.5 × 10−12 kmol of ZnO,1.38 × 10−14 kmol of ZnSO4, in contrast to 4.68 × 10−10 kmol of MgF2, when the amount of AZ91 on the X-axis is 2.5 × 10−9 kmol). In the experimental cases, the concentration of F in the cover gas is very low, whole the concentration f O is much higher. Therefore, the stage 1 and 2, i.e, the formation of fluoride and oxide may happen simultaneously at the beginning of the reaction, resulting in the formation of a singer-layered mixture of fluoride and oxide, as shown in Figs. 4 and 10(a). While an inner layer consisted of oxides but fluorides could form after the complete depletion of F element in the cover gas.

    Stages 1- 2 theoretically verified the formation process of the multi-layered structure shown in Fig. 10.

    The amount of MgAl2O4 and Al2O3 in the oxide film was of a sufficient amount to be detected, which was consistent with the oxide films shown in Fig. 4. However, the existence of aluminium could not be recognized in the oxide films grown in the oxidation cell, as shown in Fig. 10. This absence of Al may be due to the following reactions between the surface film and AZ91 alloy melt:(1)

    Al2O3 + 3Mg + = 3MgO + 2Al, △G(700 °C) = -119.82 kJ/mol(2)

    Mg + MgAl2O4 = MgO + Al, △G(700 °C) =-106.34 kJ/molwhich could not be simulated by the HSC software since the thermodynamic calculation was carried out under an assumption that the reactants were in full contact with each other. However, in a practical process, the AZ91 melt and the cover gas would not be able to be in contact with each other completely, due to the existence of the protective surface film.

    Stage 3: The formation of Sulphide and nitride. After a holding time of 30 min, the gas-phase fluorides and oxides in the oxidation cell had become depleted, allowing the melt reaction with the residual gas, forming an additional sulphur-enriched layer upon the initial F-enriched or (F, O)-enriched surface film, thus resulting in the observed multi-layered structure shown in Fig. 10 (b and c). Besides, nitrogen reacted with the AZ91 melt until all reactions were completed. The oxide film shown in Fig. 6 may correspond to this reaction stage due to its nitride content. However, the results shows that the nitrides were not detected in the polished samples shown in Figs. 4 and 5, but only found on the test bar fracture surfaces. The nitrides may have hydrolysed during the sample preparation process, as follows [54]:(3)

    Mg3N2 + 6H2O =3Mg(OH)2 + 2NH3↑(4)

    AlN+ 3H2O =Al(OH)3 + NH3

    In addition, Schmidt et al. [61] found that Mg3N2 and AlN could react to form ternary nitrides (Mg3AlnNn+2, n= 1, 2, 3…). HSC software did not contain the database of ternary nitrides, and it could not be added into the calculation. The oxide films in this stage may also contain ternary nitrides.

    4.2. Evolution of entrainment defects formed in SF6/CO2

    Fig. 13 shows the results of the thermodynamic calculation between AZ91 alloy and 0.5%SF6/CO2. This reaction processes can also be divided into three stages.

    Fig. 13. An equilibrium diagram for the reaction between 7e-7 kg 0.5%SF6/CO2 and a sufficient amount of AZ91 alloy. The X axis denotes the amount of Mg alloy melt having reacted with the entrained gas, and the vertical Y-axis denotes the amounts of the reactants and products.

    Stage 1: The formation of fluorides. SF6 and its decomposition products were consumed by the AZ91 melt, forming MgF2, AlF3, and ZnF2. As in the reaction of AZ91 in 0.5%SF6/air, the amount of ZnF2 was too small to be detected practically (1.51 × 10−13 kmol of ZnF2 compared with 2.67 × 10−10 kmol of MgF2). Sulphur accumulated in the residual trapped gas as S2(g) and a portion of the S2(g) reacted with CO2, to form SO2 and CO. The products in this reaction stage were consistent with the film shown in Fig. 11(a), which had a single layer structure that contained fluorides only.

    Stage 2: The formation of oxides. AlF3 and ZnF2 reacted with the Mg in the AZ91 melt, forming MgF2, Al and Zn. The SO2 began to be consumed, producing oxides in the surface film and S2(g) in the cover gas. Meanwhile, the CO2 directly reacted with the AZ91 melt, forming CO, MgO, ZnO, and Al2O3. The oxide films shown in Figs. 9 and 11(b) may correspond to this reaction stage due to their oxygen-enriched layer and multi-layered structure.

    The CO in the cover gas could further react with the AZ91 melt, producing C. This carbon may further react with Mg to form Mg carbides, when the temperature reduced (during solidification period) [62]. This may be the reason for the high carbon content in the oxide film shown in Figs. 89. Liang et al. [39] also reported carbon-detection in an AZ91 alloy surface film protected by SO2/CO2. The produced Al2O3 may be further combined with MgO, forming MgAl2O4 [63]. As discussed in Section 4.1, the alumina and spinel can react with Mg, causing an absence of aluminium in the surface films, as shown in Fig. 11.

    Stage 3: The formation of Sulphide. the AZ91 melt began to consume S2(g) in the residual entrapped gas, forming ZnS and MgS. These reactions did not occur until the last stage of the reaction process, which could be the reason why the S-content in the defect shown Fig. 7(c) was small.

    In summary, thermodynamic calculations indicate that the AZ91 melt will react with the cover gas to form fluorides firstly, then oxides and sulphides in the last. The oxide film in the different reaction stages would have different structures and compositions.

    4.3. Effect of the carrier gases on consumption of the entrained gas and the reproducibility of AZ91 castings

    The evolution processes of entrainment defects, formed in SF6/air and SF6/CO2, have been suggested in Sections 4.1 and 4.2. The theoretical calculations were verified with respect to the corresponding oxide films found in practical samples. The atmosphere within an entrainment defect could be efficiently consumed due to the reaction with liquid Mg-alloy, in a scenario dissimilar to the Al-alloy system (i.e., nitrogen in an entrained air bubble would not efficiently react with Al-alloy melt [64,65], however, nitrogen would be more readily consumed in liquid Mg alloys, commonly referred to as “nitrogen burning” [66]).

    The reaction between the entrained gas and the surrounding liquid Mg-alloy converted the entrained gas into solid compounds (e.g. MgO) within the oxide film, thus reducing the void volume of the entrainment defect and hence probably causing a collapse of the defect (e.g., if an entrained gas of air was depleted by the surrounding liquid Mg-alloy, under an assumption that the melt temperature is 700 °C and the depth of liquid Mg-alloy is 10 cm, the total volume of the final solid products would be 0.044% of the initial volume taken by the entrapped air).

    The relationship between the void volume reduction of entrainment defects and the corresponding casting properties has been widely studied in Al-alloy castings. Nyahumwa and Campbell [16] reported that the Hot Isostatic Pressing (HIP) process caused the entrainment defects in Al-alloy castings to collapse and their oxide surfaces forced into contact. The fatigue lives of their castings were improved after HIP. Nyahumwa and Campbell [16] also suggested a potential bonding of the double oxide films that were in contact with each other, but there was no direct evidence to support this. This binding phenomenon was further investigated by Aryafar et.al.[8], who re-melted two Al-alloy bars with oxide skins in a steel tube and then carried out a tensile strength test on the solidified sample. They found that the oxide skins of the Al-alloy bars strongly bonded with each other and became even stronger with an extension of the melt holding time, indicating a potential “healing” phenomenon due to the consumption of the entrained gas within the double oxide film structure. In addition, Raidszadeh and Griffiths [9,19] successfully reduced the negative effect of entrainment defects on the reproducibility of Al-alloy castings, by extending the melt holding time before solidification, which allowed the entrained gas to have a longer time to react with the surrounding melt.

    With consideration of the previous work mentioned, the consumption of the entrained gas in Mg-alloy castings may diminish the negative effect of entrainment defects in the following two ways.

    (1) Bonding phenomenon of the double oxide films. The sandwich-like structure shown in Fig. 5 and 7 indicated a potential bonding of the double oxide film structure. However, more evidence is required to quantify the increase in strength due to the bonding of the oxide films.

    (2) Void volume reduction of entrainment defects. The positive effect of void-volume reduction on the quality of castings has been widely demonstrated by the HIP process [67]. As the evolution processes discussed in Section 4.14.2, the oxide films of entrainment defects can grow together due to an ongoing reaction between the entrained gas and surrounding AZ91 alloy melt. The volume of the final solid products was significant small compared with the entrained gas (i.e., 0.044% as previously mentioned).

    Therefore, the consumption rate of the entrained gas (i.e., the growth rate of oxide films) may be a critical parameter for improving the quality of AZ91 alloy castings. The oxide film growth rate in the oxidization cell was accordingly further investigated.

    Fig. 14 shows a comparison of the surface film growth rates in different cover gases (i.e., 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2). 15 random points on each sample were selected for film thickness measurements. The 95% confidence interval (95%CI) was computed under an assumption that the variation of the film thickness followed a Gaussian distribution. It can be seen that all the surface films formed in 0.5%SF6/air grew faster than those formed in 0.5%SF6/CO2. The different growth rates suggested that the entrained-gas consumption rate of 0.5%SF6/air was higher than that of 0.5%SF6/CO2, which was more beneficial for the consumption of the entrained gas.

    Fig. 14. A comparison of the AZ91 alloy oxide film growth rates in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2

    It should be noted that, in the oxidation cell, the contact area of liquid AZ91 alloy and cover gas (i.e. the size of the crucible) was relatively small with consideration of the large volume of melt and gas. Consequently, the holding time for the oxide film growth within the oxidation cell was comparatively long (i.e., 5–30 min). However, the entrainment defects contained in a real casting are comparatively very small (i.e., a few microns size as shown in Figs. 36, and [7]), and the entrained gas is fully enclosed by the surrounding melt, creating a relatively large contact area. Hence the reaction time for cover gas and the AZ91 alloy melt may be comparatively short. In addition, the solidification time of real Mg-alloy sand castings can be a few minutes (e.g. Guo [68] reported that a Mg-alloy sand casting with 60 mm diameter required 4 min to be solidified). Therefore, it can be expected that an entrained gas trapped during an Mg-alloy melt pouring process will be readily consumed by the surrounding melt, especially for sand castings and large-size castings, where solidification times are long.

    Therefore, the different cover gases (0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2) associated with different consumption rates of the entrained gases may affect the reproducibility of the final castings. To verify this assumption, the AZ91 castings produced in 0.5%SF6/air and 0.5%SF6/CO2 were machined into test bars for mechanical evaluation. A Weibull analysis was carried out using both linear least square (LLS) method and non-linear least square (non-LLS) method [69].

    Fig. 15(a-b) shows a traditional 2-p linearized Weibull plot of the UTS and elongation of the AZ91 alloy castings, obtained by the LLS method. The estimator used is P= (i-0.5)/N, which was suggested to cause the lowest bias among all the popular estimators [69,70]. The casting produced in SF6/air has an UTS Weibull moduli of 16.9, and an elongation Weibull moduli of 5.0. In contrast, the UTS and elongation Weibull modulus of the casting produced in SF6/CO2 are 7.7 and 2.7 respectively, suggesting that the reproducibility of the casting protected by SF6/CO2 were much lower than that produced in SF6/air.

    Fig. 15. The Weibull modulus of AZ91 castings produced in different atmospheres, estimated by (a-b) the linear least square method, (c-d) the non-linear least square method, where SSR is the sum of residual squares.

    In addition, the author’s previous publication [69] demonstrated a shortcoming of the linearized Weibull plots, which may cause a higher bias and incorrect R2 interruption of the Weibull estimation. A Non-LLS Weibull estimation was therefore carried out, as shown in Fig. 15 (c-d). The UTS Weibull modulus of the SF6/air casting was 20.8, while the casting produced under SF6/CO2 had a lower UTS Weibull modulus of 11.4, showing a clear difference in their reproducibility. In addition, the SF6/air elongation (El%) dataset also had a Weibull modulus (shape = 5.8) higher than the elongation dataset of SF6/CO2 (shape = 3.1). Therefore, both the LLS and Non-LLS estimations suggested that the SF6/air casting has a higher reproducibility than the SF6/CO2 casting. It supports the method that the use of air instead of CO2 contributes to a quicker consumption of the entrained gas, which may reduce the void volume within the defects. Therefore, the use of 0.5%SF6/air instead of 0.5%SF6/CO2 (which increased the consumption rate of the entrained gas) improved the reproducibility of the AZ91 castings.

    However, it should be noted that not all the Mg-alloy foundries followed the casting process used in present work. The Mg-alloy melt in present work was degassed, thus reducing the effect of hydrogen on the consumption of the entrained gas (i.e., hydrogen could diffuse into the entrained gas, potentially suppressing the depletion of the entrained gas [7,71,72]). In contrast, in Mg-alloy foundries, the Mg-alloy melt is not normally degassed, since it was widely believed that there is not a ‘gas problem’ when casting magnesium and hence no significant change in tensile properties [73]. Although studies have shown the negative effect of hydrogen on the mechanical properties of Mg-alloy castings [41,42,73], a degassing process is still not very popular in Mg-alloy foundries.

    Moreover, in present work, the sand mould cavity was flushed with the SF6 cover gas prior to pouring [22]. However, not all the Mg-alloy foundries flushed the mould cavity in this way. For example, the Stone Foundry Ltd (UK) used sulphur powder instead of the cover-gas flushing. The entrained gas within their castings may be SO2/air, rather than the protective gas.

    Therefore, although the results in present work have shown that using air instead of CO2 improved the reproducibility of the final casting, it still requires further investigations to confirm the effect of carrier gases with respect to different industrial Mg-alloy casting processes.

    7. Conclusion

    Entrainment defects formed in an AZ91 alloy were observed. Their oxide films had two types of structure: single-layered and multi-layered. The multi-layered oxide film can grow together forming a sandwich-like structure in the final casting.2.

    Both the experimental results and the theoretical thermodynamic calculations demonstrated that fluorides in the trapped gas were depleted prior to the consumption of sulphur. A three-stage evolution process of the double oxide film defects has been suggested. The oxide films contained different combinations of compounds, depending on the evolution stage. The defects formed in SF6/air had a similar structure to those formed in SF6/CO2, but the compositions of their oxide films were different. The oxide-film formation and evolution process of the entrainment defects were different from that of the Mg-alloy surface films previous reported (i.e., MgO formed prior to MgF2).3.

    The growth rate of the oxide film was demonstrated to be greater under SF6/air than SF6/CO2, contributing to a quicker consumption of the damaging entrapped gas. The reproducibility of an AZ91 alloy casting improved when using SF6/air instead of SF6/CO2.

    Acknowledgements

    The authors acknowledge funding from the EPSRC LiME grant EP/H026177/1, and the help from Dr W.D. Griffiths and Mr. Adrian Carden (University of Birmingham). The casting work was carried out in University of Birmingham.

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    Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.

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

    린 첸 가오 양 미시 옹 장 춘밍 왕
    Lin Chen , Gaoyang Mi , Xiong Zhang , Chunming Wang *
    중국 우한시 화중과학기술대학 재료공학부, 430074

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

    Abstract

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

    온도 분포 및 용융 흐름을 시뮬레이션하기 위해 레이저 사인파 진동 (사인) 용접 및 레이저 용접 (SLW) 용접에서 1.5mm 6061/5182 알루미늄 합금 박판 랩 조인트 의 수치 모델이 개발되었습니다. SLW의 일반적인 에너지 분포와 달리 레이저 빔의 사인파 진동은 에너지 분포를 크게 균질화하고 에너지 피크를 줄였습니다. 에너지 피크는 사인 용접의 양쪽에 위치하여 톱니 모양의 단면이 형성되었습니다. 이 논문은 온도 구배(G)와 응고 속도 의 영향을 설명했습니다.(R) 시뮬레이션에 의한 응고 미세 구조. 결과는 사인 용접의 중심이 낮은 G/R로 더 넓은 영역을 가짐으로써 더 넓은 등축 결정립 영역의 형성을 촉진하고 더 큰 GR로 인해 주상 결정립 이 더 가늘다는 것을 나타냅니다. 다공성 및 비관통 용접은 레이저 사인파 진동에 의해 얻어졌습니다. 그 이유는 용융 풀의 부피가 확대되고 열쇠 구멍의 부피 비율이 감소하며 용융 풀의 난류가 완만해졌기 때문이며, 이는 용융 흐름의 고속 이미징 및 시뮬레이션 결과에서 관찰되었습니다. 두 용접부 의 인장시험 은 융착선을 따라 인장파괴형태를인장강도사인 용접의 경우 SLW 용접보다 훨씬 우수했습니다. 이는 등축 결정립 영역이 넓을수록 균열 경향이 감소하고 파단 위치에 근접한 입자 크기가 미세 하기 때문입니다. 결함이 없고 우수한 용접은 신에너지 자동차 산업에 매우 중요합니다.

    Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.
    Fig. 1. Schematic of lap welding for 6061/5182 aluminum alloys.
    Fig. 2. Finite element mesh.
    Fig. 2. Finite element mesh.
    Fig. 3. Weld morphologies of cross-section and upper surface for the two welds: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld.
    Fig. 3. Weld morphologies of cross-section and upper surface for the two welds: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld.
    Fig. 4. Calculation of laser energy distribution: (a)-(c) sine pattern weld; (d)-(f) SLW weld.
    Fig. 4. Calculation of laser energy distribution: (a)-(c) sine pattern weld; (d)-(f) SLW weld.
    Fig. 5. The partially melted region of zone A.
    Fig. 5. The partially melted region of zone A.
    Fig. 6. The simulated profiles of melted region for the two welds: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
    Fig. 6. The simulated profiles of melted region for the two welds: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
    Fig. 7. The temperature field simulation results of cross section for sine pattern weld.
    Fig. 7. The temperature field simulation results of cross section for sine pattern weld.
    Fig. 8. Dynamic behavior of the molten pool at the same time interval of 0.004 s within one oscillating period: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
    Fig. 8. Dynamic behavior of the molten pool at the same time interval of 0.004 s within one oscillating period: (a) SLW weld; (b) sine pattern weld.
    Fig. 9. The temperature field and flow field of the molten pool for the SLW weld: (a)~(f) t = 80 ms~100 ms.
    Fig. 9. The temperature field and flow field of the molten pool for the SLW weld: (a)~(f) t = 80 ms~100 ms.
    Fig. 10. The temperature field and flow field of the molten pool for the sine pattern weld: (a)~(f) t = 151 ms~171 ms.
    Fig. 10. The temperature field and flow field of the molten pool for the sine pattern weld: (a)~(f) t = 151 ms~171 ms.
    Fig. 11. The evolution of the molten pool volume and keyhole depth within one period.
    Fig. 11. The evolution of the molten pool volume and keyhole depth within one period.
    Fig. 12. The X-ray inspection results for the two welds: (a) SLW weld, (b) sine pattern weld.
    Fig. 12. The X-ray inspection results for the two welds: (a) SLW weld, (b) sine pattern weld.
    Fig. 13. Comparison of the solidification parameters for sine and SLW patterns: (a) the temperature field simulated results of the molten pool upper surfaces; (b) temperature gradient G and solidification rate R along the molten pool boundary isotherm from weld centerline to the fusion boundary; (c) G/R; (d) GR.
    Fig. 13. Comparison of the solidification parameters for sine and SLW patterns: (a) the temperature field simulated results of the molten pool upper surfaces; (b) temperature gradient G and solidification rate R along the molten pool boundary isotherm from weld centerline to the fusion boundary; (c) G/R; (d) GR.
    Fig. 14. The EBSD results of equiaxed grain zone in the weld center of: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld; (c) grain size.
    Fig. 14. The EBSD results of equiaxed grain zone in the weld center of: (a) sine pattern weld; (b) SLW weld; (c) grain size.
    Fig. 15. (a) EBSD results of horizontal sections of SLW weld and sine pattern weld; (b) The columnar crystal widths of SLW weld and sine pattern weld.
    Fig. 15. (a) EBSD results of horizontal sections of SLW weld and sine pattern weld; (b) The columnar crystal widths of SLW weld and sine pattern weld.
    Fig. 16. (a) The tensile test results of the two welds; (b) Fracture location of SLW weld; (b) Fracture location of sine pattern weld.
    Fig. 16. (a) The tensile test results of the two welds; (b) Fracture location of SLW weld; (b) Fracture location of sine pattern weld.

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    Fig. 1 Multi-physics phenomena in the laser-material interaction zone

    COMPARISON BETWEEN GREEN AND
    INFRARED LASER IN LASER POWDER BED
    FUSION OF PURE COPPER THROUGH HIGH
    FIDELITY NUMERICAL MODELLING AT MESOSCALE

    316-L 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합 중 콜드 스패터 형성의 충실도 높은 수치 모델링

    W.E. ALPHONSO1*, M. BAYAT1 and J.H. HATTEL1
    *Corresponding author
    1Technical University of Denmark (DTU), 2800, Kgs, Lyngby, Denmark

    ABSTRACT

    L-PBF(Laser Powder Bed Fusion)는 금속 적층 제조(MAM) 기술로, 기존 제조 공정에 비해 부품 설계 자유도, 조립품 통합, 부품 맞춤화 및 낮은 툴링 비용과 같은 여러 이점을 산업에 제공합니다.

    전기 코일 및 열 관리 장치는 일반적으로 높은 전기 및 열 전도성 특성으로 인해 순수 구리로 제조됩니다. 따라서 순동의 L-PBF가 가능하다면 기하학적으로 최적화된 방열판과 자유형 전자코일을 제작할 수 있습니다.

    그러나 L-PBF로 조밀한 순동 부품을 생산하는 것은 적외선에 대한 낮은 광 흡수율과 높은 열전도율로 인해 어렵습니다. 기존의 L-PBF 시스템에서 조밀한 구리 부품을 생산하려면 적외선 레이저의 출력을 500W 이상으로 높이거나 구리의 광흡수율이 높은 녹색 레이저를 사용해야 합니다.

    적외선 레이저 출력을 높이면 후면 반사로 인해 레이저 시스템의 광학 구성 요소가 손상되고 렌즈의 열 광학 현상으로 인해 공정이 불안정해질 수 있습니다. 이 작업에서 FVM(Finite Volume Method)에 기반한 다중 물리학 중간 규모 수치 모델은 Flow-3D에서 개발되어 용융 풀 역학과 궁극적으로 부품 품질을 제어하는 ​​물리적 현상 상호 작용을 조사합니다.

    녹색 레이저 열원과 적외선 레이저 열원은 기판 위의 순수 구리 분말 베드에 단일 트랙 증착을 생성하기 위해 개별적으로 사용됩니다.

    용융 풀 역학에 대한 레이저 열원의 유사하지 않은 광학 흡수 특성의 영향이 탐구됩니다. 수치 모델을 검증하기 위해 단일 트랙이 구리 분말 베드에 증착되고 시뮬레이션된 용융 풀 모양과 크기가 비교되는 실험이 수행되었습니다.

    녹색 레이저는 광흡수율이 높아 전도 및 키홀 모드 용융이 가능하고 적외선 레이저는 흡수율이 낮아 키홀 모드 용융만 가능하다. 레이저 파장에 대한 용융 모드의 변화는 궁극적으로 기계적, 전기적 및 열적 특성에 영향을 미치는 열 구배 및 냉각 속도에 대한 결과를 가져옵니다.

    Laser Powder Bed Fusion (L-PBF) is a Metal Additive Manufacturing (MAM) technology which offers several advantages to industries such as part design freedom, consolidation of assemblies, part customization and low tooling cost over conventional manufacturing processes. Electric coils and thermal management devices are generally manufactured from pure copper due to its high electrical and thermal conductivity properties. Therefore, if L-PBF of pure copper is feasible, geometrically optimized heat sinks and free-form electromagnetic coils can be manufactured. However, producing dense pure copper parts by L-PBF is difficult due to low optical absorptivity to infrared radiation and high thermal conductivity. To produce dense copper parts in a conventional L-PBF system either the power of the infrared laser must be increased above 500W, or a green laser should be used for which copper has a high optical absorptivity. Increasing the infrared laser power can damage the optical components of the laser systems due to back reflections and create instabilities in the process due to thermal-optical phenomenon of the lenses. In this work, a multi-physics meso-scale numerical model based on Finite Volume Method (FVM) is developed in Flow-3D to investigate the physical phenomena interaction which governs the melt pool dynamics and ultimately the part quality. A green laser heat source and an infrared laser heat source are used individually to create single track deposition on pure copper powder bed above a substrate. The effect of the dissimilar optical absorptivity property of laser heat sources on the melt pool dynamics is explored. To validate the numerical model, experiments were conducted wherein single tracks are deposited on a copper powder bed and the simulated melt pool shape and size are compared. As the green laser has a high optical absorptivity, a conduction and keyhole mode melting is possible while for the infrared laser only keyhole mode melting is possible due to low absorptivity. The variation in melting modes with respect to the laser wavelength has an outcome on thermal gradient and cooling rates which ultimately affect the mechanical, electrical, and thermal properties.

    Keywords

    Pure Copper, Laser Powder Bed Fusion, Finite Volume Method, multi-physics

    Fig. 1 Multi-physics phenomena in the laser-material interaction zone
    Fig. 1 Multi-physics phenomena in the laser-material interaction zone
    Fig. 2 Framework for single laser track simulation model including powder bed and substrate (a) computational domain with boundaries (b) discretization of the domain with uniform quad mesh.
    Fig. 2 Framework for single laser track simulation model including powder bed and substrate (a) computational domain with boundaries (b) discretization of the domain with uniform quad mesh.
    Fig. 3 2D melt pool contours from the numerical model compared to experiments [16] for (a) VED = 65 J/mm3 at 7 mm from the beginning of the single track (b) VED = 103 J/mm3 at 3 mm from the beginning of the single track (c) VED = 103 J/mm3 at 7 mm from the beginning of the single track. In the 2D contour, the non-melted region is indicated in blue, and the melted region is indicated by red and green when the VED is 65 J/mm3 and 103 J/mm3 respectively.
    Fig. 3 2D melt pool contours from the numerical model compared to experiments [16] for (a) VED = 65 J/mm3 at 7 mm from the beginning of the single track (b) VED = 103 J/mm3 at 3 mm from the beginning of the single track (c) VED = 103 J/mm3 at 7 mm from the beginning of the single track. In the 2D contour, the non-melted region is indicated in blue, and the melted region is indicated by red and green when the VED is 65 J/mm3 and 103 J/mm3 respectively.
    Fig. 4 3D temperature contour plots of during single track L-PBF process at time1.8 µs when (a) VED = 65 J/mm3 (b) VED = 103 J/mm3 along with 2D melt pool contours at 5 mm from the laser initial position. In the 2D contour, the non-melted region is indicated in blue, and the melted region is indicated by red and green when the VED is 65 J/mm3 and 103 J/mm3 respectively.
    Fig. 4 3D temperature contour plots of during single track L-PBF process at time1.8 µs when (a) VED = 65 J/mm3 (b) VED = 103 J/mm3 along with 2D melt pool contours at 5 mm from the laser initial position. In the 2D contour, the non-melted region is indicated in blue, and the melted region is indicated by red and green when the VED is 65 J/mm3 and 103 J/mm3 respectively.

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    Fig 3. Front view of the ejected powder particles due to the plume movement. Powder particles are colored by their respective temperature while trajectory colors show their magnitude at 0.007 seconds.

    316-L 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합 중 콜드 스패터 형성의 충실도 높은 수치 모델링

    316-L 스테인리스강의 레이저 분말 베드 융합 중 콜드 스패터 형성의 충실도 높은 수치 모델링

    M. BAYAT1,* , AND J. H. HATTEL1

    • Corresponding author
      1 Technical University of Denmark (DTU), Building 425, Kgs. 2800 Lyngby, Denmark

    ABSTRACT

    Spatter and denudation are two very well-known phenomena occurring mainly during the laser powder bed fusion process and are defined as ejection and displacement of powder particles, respectively. The main driver of this phenomenon is the formation of a vapor plume jet that is caused by the vaporization of the melt pool which is subjected to the laser beam. In this work, a 3-dimensional transient turbulent computational fluid dynamics model coupled with a discrete element model is developed in the finite volume-based commercial software package Flow-3D AM to simulate the spatter phenomenon. The numerical results show that a localized low-pressure zone forms at the bottom side of the plume jet and this leads to a pseudo-Bernoulli effect that drags nearby powder particles into the area of influence of the vapor plume jet. As a result, the vapor plume acts like a momentum sink and therefore all nearby particles point are dragged towards this region. Furthermore, it is noted that due to the jet’s attenuation, powder particles start diverging from the central core region of the vapor plume as they move vertically upwards. It is moreover observed that only particles which are in the very central core region of the plume jet get sufficiently accelerated to depart the computational domain, while the rest of the dragged particles, especially those which undergo an early divergence from the jet axis, get stalled pretty fast as they come in contact with the resting fluid. In the last part of the work, two simulations with two different scanning speeds are carried out, where it is clearly observed that the angle between the departing powder particles and the vertical axis of the plume jet increases with increasing scanning speed.

    스패터와 denudation은 주로 레이저 분말 베드 융합 과정에서 발생하는 매우 잘 알려진 두 가지 현상으로 각각 분말 입자의 배출 및 변위로 정의됩니다.

    이 현상의 주요 동인은 레이저 빔을 받는 용융 풀의 기화로 인해 발생하는 증기 기둥 제트의 형성입니다. 이 작업에서 이산 요소 모델과 결합된 3차원 과도 난류 ​​전산 유체 역학 모델은 스패터 현상을 시뮬레이션하기 위해 유한 체적 기반 상용 소프트웨어 패키지 Flow-3D AM에서 개발되었습니다.

    수치적 결과는 플룸 제트의 바닥면에 국부적인 저압 영역이 형성되고, 이는 근처의 분말 입자를 증기 플룸 제트의 영향 영역으로 끌어들이는 의사-베르누이 효과로 이어진다는 것을 보여줍니다.

    결과적으로 증기 기둥은 운동량 흡수원처럼 작용하므로 근처의 모든 입자 지점이 이 영역으로 끌립니다. 또한 제트의 감쇠로 인해 분말 입자가 수직으로 위쪽으로 이동할 때 증기 기둥의 중심 코어 영역에서 발산하기 시작합니다.

    더욱이 플룸 제트의 가장 중심 코어 영역에 있는 입자만 계산 영역을 벗어날 만큼 충분히 가속되는 반면, 드래그된 나머지 입자, 특히 제트 축에서 초기 발산을 겪는 입자는 정체되는 것으로 관찰됩니다. 그들은 휴식 유체와 접촉하기 때문에 꽤 빠릅니다.

    작업의 마지막 부분에서 두 가지 다른 스캔 속도를 가진 두 가지 시뮬레이션이 수행되었으며, 여기서 출발하는 분말 입자와 연기 제트의 수직 축 사이의 각도가 스캔 속도가 증가함에 따라 증가하는 것이 명확하게 관찰되었습니다.

    Fig 1. Two different views of the computational domain for the fluid domain. The vapor plume is simulated by a moving momentum source with a prescribed temperature of 3000 K.
    Fig 1. Two different views of the computational domain for the fluid domain. The vapor plume is simulated by a moving momentum source with a prescribed temperature of 3000 K.
    Fig 2. (a) and (b) are two snapshots taken at an x-y plane parallel to the powder layer plane before and 0.008 seconds after the start of the scanning process. (c) Shows a magnified view of (b) where detailed powder particles' movement along with their velocity magnitude and directions are shown.
    Fig 2. (a) and (b) are two snapshots taken at an x-y plane parallel to the powder layer plane before and 0.008 seconds after the start of the scanning process. (c) Shows a magnified view of (b) where detailed powder particles’ movement along with their velocity magnitude and directions are shown.
    Fig 3. Front view of the ejected powder particles due to the plume movement. Powder particles are colored by their respective temperature while trajectory colors show their magnitude at 0.007 seconds.
    Fig 3. Front view of the ejected powder particles due to the plume movement. Powder particles are colored by their respective temperature while trajectory colors show their magnitude at 0.007 seconds.

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    Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.

    재료 압출 적층 제조에서 증착된 층의 안정성 및 변형

    Md Tusher Mollah Raphaël 사령관 Marcin P. Serdeczny David B. Pedersen Jon Spangenberg덴마크 공과 대학 기계 공학과, Kgs. 덴마크 링비

    2020년 12월 22일 접수, 2021년 5월 1일 수정, 2021년 7월 15일 수락, 2021년 7월 21일 온라인 사용 가능, 기록 버전 2021년 8월 17일 .

    Abstract

    이 문서는 재료 압출 적층 제조 에서 여러 레이어를 인쇄하는 동안 증착 흐름의 전산 유체 역학 시뮬레이션 을 제공합니다 개발된 모델은 증착된 레이어의 형태를 예측하고 점소성 재료 를 인쇄하는 동안 레이어 변형을 캡처합니다 . 물리학은 일반화된 뉴턴 유체 로 공식화된 Bingham 구성 모델의 연속성 및 운동량 방정식에 의해 제어됩니다. . 증착된 층의 단면 모양이 예측되고 재료의 다양한 구성 매개변수에 대해 층의 변형이 연구됩니다. 층의 변형은 인쇄물의 정수압과 압출시 압출압력으로 인한 것임을 알 수 있다. 시뮬레이션에 따르면 항복 응력이 높을수록 변형이 적은 인쇄물이 생성되는 반면 플라스틱 점도 가 높을수록 증착된 레이어에서변형이 커 집니다 . 또한, 인쇄 속도, 압출 속도 의 영향, 층 높이 및 인쇄된 층의 변형에 대한 노즐 직경을 조사합니다. 마지막으로, 이 모델은 후속 인쇄된 레이어의 정수압 및 압출 압력을 지원하기 위해 증착 후 점소성 재료가 요구하는 항복 응력의 필요한 증가에 대한 보수적인 추정치를 제공합니다.

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

    Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.
    Fig. 1. Model geometry with the computational domain, extrusion nozzle, toolpath, and boundary conditions. The model is presented while printing the fifth layer.

    키워드

    점성 플라스틱 재료, 재료 압출 적층 제조(MEX-AM), 다층 증착, 전산유체역학(CFD), 변형 제어
    Viscoplastic Materials, Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM), Multiple-Layers Deposition, Computational Fluid Dynamics (CFD), Deformation Control

    Introduction

    Three-dimensional printing of viscoplastic materials has grown in popularity over the recent years, due to the success of Material Extrusion Additive Manufacturing (MEX-AM) [1]. Viscoplastic materials, such as ceramic pastes [2,3], hydrogels [4], thermosets [5], and concrete [6], behave like solids when the applied load is below their yield stress, and like a fluid when the applied load exceeds their yield stress [7]. Viscoplastic materials are typically used in MEX-AM techniques such as Robocasting [8], and 3D concrete printing [9,10]. The differences between these technologies lie in the processing of the material before the extrusion and in the printing scale (from microscale to big area additive manufacturing). In these extrusion-based technologies, the structure is fabricated in a layer-by-layer approach onto a solid surface/support [11, 12]. During the process, the material is typically deposited on top of the previously printed layers that may be already solidified (wet-on-dry printing) or still deformable (wet-on-wet printing) [1]. In wet-on-wet printing, control over the deformation of layers is important for the stability and geometrical accuracy of the prints. If the material is too liquid after the deposition, it cannot support the pressure of the subsequently deposited layers. On the other hand, the material flowability is a necessity during extrusion through the nozzle. Several experimental studies have been performed to analyze the physics of the extrusion and deposition of viscoplastic materials, as reviewed in Refs. [13–16]. The experimental measurements can be supplemented with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations to gain a more complete picture of MEX-AM. A review of the CFD studies within the material processing and deposition in 3D concrete printing was presented by Roussel et al. [17]. Wolfs et al. [18] predicted numerically the failure-deformation of a cylindrical structure due to the self-weight by calculating the stiffness and strength of the individual layers. It was found that the deformations can take place in all layers, however the most critical deformation occurs in the bottom layer. Comminal et al. [19,20] presented three-dimensional simulations of the material deposition in MEX-AM, where the fluid was approximated as Newtonian. Subsequently, the model was experimentally validated in Ref. [21] for polymer-based MEX-AM, and extended to simulate the deposition of multiple layers in Ref. [22], where the previously printed material was assumed solid. Xia et al. [23] simulated the influence of the viscoelastic effects on the shape of deposited layers in MEX-AM. A numerical model for simulating the deposition of a viscoplastic material was recently presented and experimentally validated in Refs. [24] and [25]. These studies focused on predicting the cross-sectional shape of a single printed layer for different processing conditions (relative printing speed, and layer height). Despite these research efforts, a limited number of studies have focused on investigating the material deformations in wet-on-wet printing when multiple layers are deposited on top of each other. This paper presents CFD simulations of the extrusion-deposition flow of a viscoplastic material for several subsequent layers (viz. three- and five-layers). The material is continuously printed one layer over another on a fixed solid surface. The rheology of the viscoplastic material is approximated by the Bingham constitutive equation that is formulated using the Generalized Newtonian Fluid (GNF) model. The CFD model is used to predict the cross-sectional shapes of the layers and their deformations while printing the next layers on top. Moreover, the simulations are used to quantify the extrusion pressure applied by the deposited material on the substrate, and the previously printed layers. Numerically, it is investigated how the process parameters (i.e., the extrusion speed, printing speed, nozzle diameter, and layer height) and the material rheology affect the deformations of the deposited layers. Section 2 describes the methodology of the study. Section 3 presents and discusses the results. The study is summarized and concluded in Section 4.

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    하류하천의 영향 최소화를 위한 보조 여수로 최적 활용방안 검토

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

    하류하천의 영향 최소화를 위한 보조 여수로 최적 활용방안 검토

    Hyung Ju Yoo1, Sung Sik Joo2, Beom Jae Kwon3, Seung Oh Lee4*

    유 형주1, 주 성식2, 권 범재3, 이 승오4*

    1Ph.D Student, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University
    2Director, Water Resources & Environment Department, HECOREA
    3Director, Water Resources Department, ISAN
    4Professor, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hongik University

    1홍익대학교 건설환경공학과 박사과정
    2㈜헥코리아 수자원환경사업부 이사
    3㈜이산 수자원부 이사
    4홍익대학교 건설환경공학과 교수

    ABSTRACT

    최근 기후변화로 인해 강우강도 및 빈도의 증가에 따른 집중호우의 영향 및 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 하류 하천의 영향을 최소화할 수 있는 보조 여수로 활용방안 구축이 필요한 실정이다. 이를 위해, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 보조 여수로 운영에 따른 흐름특성 변화 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 여수로에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였을 뿐 보조 여수로의 활용방안에 따른 하류하천 영향 검토 및 호안 안정성 검토에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류영향 분석 및 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오 검토를 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 사용하여 검토하였다. 또한 FLOW-3D 수치모의 수행을 통한 유속, 수위 결과와 소류력 산정 결과를 호안 설계허용 기준과 비교하였다. 수문 완전 개도 조건으로 가정하고 계획홍수량 유입 시 다양한 보조 여수로 활용방안에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 보조 여수로 단독 운영 시 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대유속 및 최대 수위의 감소효과를 확인하였다. 다만 계획홍수량의 45% 이하 방류 조건에서 대안부의 호안 안정성을 확보하였고 해당 방류량 초과 경우에는 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 방안 도출이 중요하다고 판단하였다. 여수로의 배분 비율 및 총 허용 방류량에 대하여 검토한 결과 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 흐름이 중심으로 집중되어 대안부의 유속 저감 및 수위 감소를 확인하였고, 계획 홍수량의 77% 이하의 조건에서 호안의 허용 유속 및 허용 소류력 조건을 만족하였다. 이를 통하여 본 연구에서 제안한 보조 여수로 활용방안으로는 기존 여수로와 동시 운영 시 총 방류량에 대하여 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로의 배분량보다 크게 설정하는 것이 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구는 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토한다면 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출이 가능할 것으로 기대 된다.

    키워드 : 보조 여수로, FLOW-3D, 수치모의, 호안 안정성, 소류력

    1. 서 론

    최근 기후변화로 인한 집중호우의 영향으로 홍수 시 댐으로 유입되는 홍수량이 설계 홍수량보다 증가하여 댐 안정성 확보가 필요한 실정이다(Office for Government Policy Coordination, 2003). MOLIT & K-water(2004)에서는 기존댐의 수문학적 안정성 검토를 수행하였으며 이상홍수 발생 시 24개 댐에서 월류 등으로 인한 붕괴위험으로 댐 하류지역의 극심한 피해를 예상하여 보조여수로 신설 및 기존여수로 확장 등 치수능력 증대 기본계획을 수립하였고 이를 통하여 극한홍수 발생 시 홍수량 배제능력을 증대하여 기존댐의 안전성 확보 및 하류지역의 피해를 방지하고자 하였다. 여기서 보조 여수로는 기존 여수로와 동시 또는 별도 운영하는 여수로로써 비상상황 시 방류 기능을 포함하고 있고(K-water, 2021), 최근에는 기존 여수로의 노후화에 따라 보조여수로의 활용방안에 대한 관심이 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 3차원 수치해석을 수행하여 기존 및 보조 여수로의 방류량 조합에 따른 하류 영향을 분석하고 하류 호안 안정성 측면에서 최적 방류 시나리오를 검토하고자 한다.

    기존의 댐 여수로 검토에 관한 연구는 주로 수리실험을 통하여 방류조건 별 흐름특성을 검토하였으나 최근에는 수치모형 실험결과가 수리모형실험과 비교하여 근사한 것을 확인하는 등 점차 수치모형실험을 수리모형실험의 대안으로 활용하고 있다(Jeon et al., 2006Kim, 2007Kim et al., 2008). 국내의 경우, Jeon et al.(2006)은 수리모형 실험과 수치모의를 이용하여 임하댐 바상여수로의 기본설계안을 도출하였고, Kim et al.(2008)은 가능최대홍수량 유입 시 비상여수로 방류에 따른 수리학적 안정성과 기능성을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하여 검토하였다. 또한 Kim and Kim(2013)은 충주댐의 홍수조절 효과 검토 및 방류량 변화에 따른 상·하류의 수위 변화를 수치모형을 통하여 검토하였다. 국외의 경우 Zeng et al.(2017)은 3차원 수치모형인 Fluent를 활용한 여수로 방류에 따른 흐름특성 결과와 측정결과를 비교하여 수치모형 결과의 신뢰성을 검토하였다. Li et al.(2011)은 가능 최대 홍수량(Probable Maximum Flood, PMF)조건에서 기존 여수로와 신규 보조 여수로 유입부 주변의 흐름특성에 대하여 3차원 수치모형 Fluent를 활용하여 검토하였고, Lee et al.(2019)는 서로 근접해있는 기존 여수로와 보조여수로 동시 운영 시 방류능 검토를 수리모형 실험 및 수치모형 실험(FLOW-3D)을 통하여 수행하였으며 기존 여수로와 보조 여수로를 동시운영하게 되면 배수로 간섭으로 인하여 총 방류량이 7.6%까지 감소되어 댐의 방류능력이 감소하였음을 확인하였다.

    그러나 대부분의 여수로 검토에 대한 연구는 여수로 내에서의 흐름특성 및 기능성에 대한 검토를 수행하였고. 이에 기존 여수로와 보조 여수로 방류운영에 따른 하류하천의 흐름특성 변화 및 호안 안정성 평가에 관한 추가적인 검토가 필요한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존 여수로 및 보조 여수로 방류 조건에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안 안정성분석을 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 이용하여 검토하였다. 또한 다양한 방류 배분 비율 및 허용 방류량 조건 변화에 따른 하류하천의 흐름특성 및 소류력 분석결과를 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 기준과 비교하여 하류하천의 영향을 최소화 할 수 있는 최적의 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.

    2. 본 론

    2.1 이론적 배경

    2.1.1 3차원 수치모형의 기본이론

    FLOW-3D는 미국 Flow Science, Inc에서 개발한 범용 유체역학 프로그램(CFD, Computational Fluid Dynamics)으로 자유 수면을 갖는 흐름모의에 사용되는 3차원 수치해석 모형이다. 난류모형을 통해 난류 해석이 가능하고, 댐 방류에 따른 하류 하천의 흐름 해석에도 많이 사용되어 왔다(Flow Science, 2011). 본 연구에서는 FLOW-3D(version 12.0)을 이용하여 홍수 시 기존 여수로의 노후화에 대비하여 보조 여수로의 활용방안에 대한 검토를 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다.

    2.1.2 유동해석의 지배방정식

    1) 연속 방정식(Continuity Equation)

    FLOW-3D는 비압축성 유체에 대하여 연속방정식을 사용하며, 밀도는 상수항으로 적용된다. 연속 방정식은 Eqs. (1)(2)와 같다.

    (1)

    ∇·v=0

    (2)

    ∂∂x(uAx)+∂∂y(vAy)+∂∂z(wAz)=RSORρ

    여기서, ρ는 유체 밀도(kg/m3), u, v, w는 x, y, z방향의 유속(m/s), Ax, Ay, Az는 각 방향의 요소면적(m2), RSOR는 질량 생성/소멸(mass source/sink)항을 의미한다.

    2) 운동량 방정식(Momentum Equation)

    각 방향 속도성분 u, v, w에 대한 운동방정식은 Navier-Stokes 방정식으로 다음 Eqs. (3)(4)(5)와 같다.

    (3)

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

    (4)

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

    (5)

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

    여기서, Gx, Gy, Gz는 체적력에 의한 가속항, fx, fy, fz는 점성에 의한 가속항, bx, by, bz는 다공성 매체에서의 흐름손실을 의미한다.

    2.1.3 소류력 산정

    호안설계 시 제방사면 호안의 안정성 확보를 위해서는 하천의 흐름에 의하여 호안에 작용하는 소류력에 저항할 수 있는 재료 및 공법 선택이 필요하다. 국내의 경우 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서 계획홍수량 유하 시 소류력 산정 방법을 제시하고 있다. 소류력은 하천의 평균유속을 이용하여 산정할 수 있으며, 소류력 산정식은 Eqs. (6)(7)과 같다.

    1) Schoklitsch 공식

    Schoklitsch(1934)는 Chezy 유속계수를 적용하여 소류력을 산정하였다.

    (6)

    τ=γRI=γC2V2

    여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), I는 에너지경사, C는 Chezy 유속계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.

    2) Manning 조도계수를 고려한 공식

    Chezy 유속계수를 대신하여 Manning의 조도계수를 고려하여 소류력을 산정할 수 있다.

    (7)

    τ=γn2V2R1/3

    여기서, τ는 소류력(N/m2), R은 동수반경(m), γ는 물의 단위중량(10.0 kN/m3), n은 Manning의 조도계수, V는 평균유속(m/s)을 의미한다.

    FLOW-3D 수치모의 수행을 통하여 하천의 바닥 유속을 도출할 수 있으며, 본 연구에서는 Maning 조도계수롤 고려하여 소류력을 산정하고자 한다. 소류력을 산정하기 위해서 여수로 방류에 따른 대안부의 바닥유속 변화를 검토하여 최대 유속 값을 이용하였다. 최종적으로 산정한 소류력과 호안의 재료 및 공법에 따른 허용 소류력과 비교하여 제방사면 호안의 안정성 검토를 수행하게 된다.

    2.2 하천호안 설계기준

    하천 호안은 계획홍수위 이하의 유수작용에 대하여 안정성이 확보되도록 계획하여야 하며, 호안의 설계 시에는 사용재료의 확보용이성, 시공상의 용이성, 세굴에 대한 굴요성(flexibility) 등을 고려하여 호안의 형태, 시공방법 등을 결정한다(MOLIT, 2019). 국내의 경우, 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)에서는 다양한 호안공법에 대하여 비탈경사에 따라 설계 유속을 비교하거나, 허용 소류력을 비교함으로써 호안의 안정성을 평가한다. 호안에 대한 국외의 설계기준으로 미국의 경우, ASTM(미국재료시험학회)에서 호안블록 및 식생매트 시험방법을 제시하였고 제품별로 ASTM 시험에 의한 허용유속 및 허용 소류력을 제시하였다. 일본의 경우, 호안 블록에 대한 축소실험을 통하여 항력을 측정하고 이를 통해서 호안 블록에 대한 항력계수를 제시하고 있다. 설계 시에는 항력계수에 의한 블록의 안정성을 평가하고 있으나, 최근에는 세굴의 영향을 고려할 수 있는 호안 안정성 평가의 필요성을 제기하고 있다(MOLIT, 2019). 관련된 국내·외의 하천호안 설계기준은 Table 1에 정리하여 제시하였고, 본 연구에서 하천 호안 안정성 평가 시 하천공사설계실무요령(MOLIT, 2016)과 ASTM 시험에서 제시한 허용소류력 및 허용유속 기준을 비교하여 각각 0.28 kN/m2, 5.0 m/s 미만일 경우 호안 안정성을 확보하였다고 판단하였다.

    Table 1.

    Standard of Permissible Velocity and Shear on Revetment

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

    2.3. 보조여수로 운영에 따른 하류하천 영향 분석

    2.3.1 모형의 구축 및 경계조건

    본 연구에서는 기존 여수로의 노후화에 대비하여 홍수 시 보조여수로의 활용방안에 따른 하류하천의 흐름특성 및 호안안정성 평가를 수행하기 위해 FLOW-3D 모형을 이용하였다. 기존 여수로 및 보조 여수로는 치수능력 증대사업(MOLIT & K-water, 2004)을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하여 구축하였다. ○○댐은 설계빈도(100년) 및 200년빈도 까지는 계획홍수위 이내로 기존 여수로를 통하여 운영이 가능하나 그 이상 홍수조절은 보조여수로를 통하여 조절해야 하며, 또한 2011년 기존 여수로 정밀안전진단 결과 사면의 표층 유실 및 옹벽 밀림현상 등이 확인되어 노후화에 따른 보수·보강이 필요한 상태이다. 이에 보조여수로의 활용방안 검토가 필요한 것으로 판단하여 본 연구의 대상댐으로 선정하였다. 하류 하천의 흐름특성을 예측하기 위하여 격자간격을 0.99 ~ 8.16 m의 크기로 하여 총 격자수는 49,102,500개로 구성하였으며, 여수로 방류에 따른 하류하천의 흐름해석을 위한 경계조건으로 상류는 유입유량(inflow), 바닥은 벽면(wall), 하류는 수위(water surface elevation)조건으로 적용하도록 하였다(Table 2Fig. 1 참조). FLOW-3D 난류모형에는 혼합길이 모형, 난류에너지 모형, k-ϵ모형, RNG(Renormalized Group Theory) k-ϵ모형, LES 모형 등이 있으며, 본 연구에서는 여수로 방류에 따른 복잡한 난류 흐름 및 높은 전단흐름을 정확하게 모의(Flow Science, 2011)할 수 있는 RNG k-ϵ모형을 사용하였고, 하류하천 호안의 안정성 측면에서 보조여수로의 활용방안을 검토하기 위하여 방류시나리오는 Table 3에 제시된 것 같이 설정하였다. Case 1 및 Case 2를 통하여 계획홍수량에 대하여 기존 여수로와 보조 여수로의 단독 운영이 하류하천에 미치는 영향을 확인하였고 보조 여수로의 방류량 조절을 통하여 호안 안정성 측면에서 보조 여수로 방류능 검토를 수행하였다(Case 3 ~ Case 6). 또한 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천의 영향 검토(Case 7 ~ Case 10) 및 방류 배분에 따른 허용 방류량을 호안 안정성 측면에서 검토를 수행하였다(Case 11 ~ Case 14).

    수문은 완전개도 조건으로 가정하였으며 하류하천의 계획홍수량에 대한 기존 여수로와 보조여수로의 배분량을 조절하여 모의를 수행하였다. 여수로는 콘크리트의 조도계수 값(Chow, 1959)을 채택하였고, 댐 하류하천의 조도계수는 하천기본계획(Busan Construction and Management Administration, 2009) 제시된 조도계수 값을 채택하였으며 FLOW-3D의 적용을 위하여 Manning-Strickler 공식(Vanoni, 2006)을 이용하여 조도계수를 조고값으로 변환하여 사용하였다. Manning-Strickler 공식은 Eq. (8)과 같으며, FLOW-3D에 적용한 조도계수 및 조고는 Table 4와 같다.

    (8)

    n=ks1/68.1g1/2

    여기서, kS는 조고 (m), n은 Manning의 조도계수, g는 중력가속도(m/s2)를 의미한다.

    시간에 따라 동일한 유량이 일정하게 유입되도록 모의를 수행하였으며, 시간간격(Time Step)은 0.0001초로 설정(CFL number < 1.0) 하였다. 또한 여수로 수문을 통한 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우는 연속방정식을 만족하고 있다고 가정하였다. 이는, 유량의 변동 값이 1.0%이내일 경우 유속의 변동 값 역시 1.0%이내이며, 수치모의 결과 1.0%의 유속변동은 호안의 유속설계기준에 크게 영향을 미치지 않는다고 판단하였다. 그 결과 모든 수치모의 Case에서 2400초 이내에 결과 값이 수렴하는 것을 확인하였다.

    Table 2.

    Mesh sizes and numerical conditions

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

    Case of numerical simulation (Qp : Design flood discharge)

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

    Roughness coefficient and roughness height

    CriteriaRoughness coefficient (n)Roughness height (ks, m)
    Structure (Concrete)0.0140.00061
    River0.0330.10496
    /media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F1.jpg
    Fig. 1

    Layout of spillway and river in this study

    2.3.2 보조 여수로의 방류능 검토

    본 연구에서는 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분에 따른 하류하천 대안부의 유속분포 및 수위분포를 검토하기 위해 수치모의 Case 별 다음과 같이 관심구역을 설정하였다(Fig. 2 참조). 관심구역(대안부)의 길이(L)는 총 1.3 km로 10 m 등 간격으로 나누어 검토하였으며, Section 1(0 < X/L < 0.27)은 기존 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간, Section 2(0.27 < X/L < 1.00)는 보조 여수로 방류에 따른 영향이 지배적인 구간으로 각 구간에서의 수위, 유속, 수심결과를 확인하였다. 기존 여수로의 노후화에 따른 보조 여수로의 방류능 검토를 위하여 Case 1 – Case 6까지의 결과를 비교하였다.

    보조 여수로의 단독 운영 시 기존 여수로 운영 시 보다 하류하천의 대안부의 최대 유속(Vmax)은 약 3% 감소하였으며, 이는 보조 여수로의 하천 유입각이 기존 여수로 보다 7°작으며 유입하천의 폭이 증가하여 유속이 감소한 것으로 판단된다. 대안부의 최대 유속 발생위치는 하류 쪽으로 이동하였으며 교량으로 인한 단면의 축소로 최대유속이 발생하는 것으로 판단된다. 또한 보조 여수로의 배분량(Qa)이 증가함에 따라 하류하천 대안부의 최대 유속이 증가하였다. 하천호안 설계기준에서 제시하고 있는 허용유속(Vp)과 비교한 결과, 계획홍수량(Qp)의 45% 이하(Case 5 & 6)를 보조 여수로에서 방류하게 되면 허용 유속(5.0 m/s)조건을 만족하여 호안안정성을 확보하였다(Fig. 3 참조). 허용유속 외에도 대안부에서의 소류력을 산정하여 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 소류력(τp)과 비교한 결과, 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 계획홍수량의 45% 이하일 경우 허용소류력(0.28 kN/m2) 조건을 만족하였다(Fig. 4 참조). 각 Case 별 호안설계조건과 비교한 결과는 Table 5에 제시하였다.

    하류하천의 수위도 기존 여수로 운영 시 보다 보조 여수로 단독 운영 시 최대 수위(ηmax)가 약 2% 감소하는 효과를 보였으며 최대 수위 발생위치는 수충부로 여수로 방류시 처오름에 의한 수위 상승으로 판단된다. 기존 여수로의 단독운영(Case 1)의 수위(ηref)를 기준으로 보조 여수로의 방류량이 증가함에 따라 수위는 증가하였으나 계획홍수량의 58%까지 방류할 경우 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보되었다(Fig. 5 참조). 그러나 계획홍수량 조건에서는 월류에 대한 위험성이 존재하기 때문에 기존여수로와 보조여수로의 적절한 방류량 배분 조합을 도출하는 것이 중요하다고 판단되어 진다.

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

    Region of interest in this study

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

    Maximum velocity and location of Vmax according to Qa

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

    Maximum shear according to Qa

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

    Maximum water surface elevation and location of ηmax according to Qa

    Table 5.

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

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

    2.3.3 기존 여수로와 보조 여수로 방류량 배분 검토

    기존 여수로 및 보조 여수로 단독운영에 따른 하류하천 및 호안의 안정성 평가를 수행한 결과 계획홍수량 방류 시 하류하천 대안부에서 호안 설계 조건(허용유속 및 허용 소류력)을 초과하였으며, 처오름에 의한 수위 상승으로 월류에 대한 위험성 증가를 확인하였다. 따라서 계획 홍수량 조건에서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류량 배분을 통하여 호안 안정성을 확보하고 하류하천에 방류로 인한 피해를 최소화할 수 있는 배분조합(Case 7 ~ Case 10)을 검토하였다. Case 7은 기존 여수로와 보조여수로의 배분 비율을 균등하게 적용한 경우이고, Case 8은 기존 여수로의 배분량이 보조 여수로에 비하여 많은 경우, Case 9는 보조 여수로의 배분량이 기존 여수로에 비하여 많은 경우를 의미한다. 최대유속을 비교한 결과 보조 여수로의 배분 비율이 큰 경우 기존 여수로의 배분량에 의하여 흐름이 하천 중심에 집중되어 대안부의 유속을 저감하는 효과를 확인하였다. 보조여수로의 방류량 배분 비율이 증가할수록 기존 여수로 대안부 측(0.00<X/L<0.27, Section 1) 유속 분포는 감소하였으나, 신규여수로 대안부 측(0.27<X/L<1.00, Section 2) 유속은 증가하는 것을 확인하였다(Fig. 6 참조). 그러나 유속 저감 효과에도 대안부 전구간에서 설계 허용유속 조건을 초과하여 제방의 안정성을 확보하지는 못하였다. 소류력 산정 결과 유속과 동일하게 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량 보다 크면 감소하는 것을 확인하였고 일부 구간에서는 허용 소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 7 참조).

    따라서 유속 저감효과가 있는 배분 비율 조건(Qa>Qe)에서 Section 2에 유속 저감에 영향을 미치는 기존 여수로 방류량 배분 비율을 증가시켜 추가 검토(Case 10)를 수행하였다. 단독운영과 비교 시 하류하천에 유입되는 유량은 증가하였음에도 불구하고 기존 여수로 방류량에 의해 흐름이 하천 중심으로 집중되는 현상에 따라 대안부의 유속은 단독 운영에 비하여 감소하는 것을 확인하였고(Fig. 8 참조), 호안 설계 허용유속 및 허용 소류력 조건을 만족하는 구간이 발생하여 호안 안정성도 확보한 것으로 판단되었다. 최종적으로 각 Case 별 수위 결과의 경우 여수로 동시 운영을 수행하게 되면 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 9 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 6에 제시하였다.

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

    Maximum velocity on section 1 & 2 according to Qa

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

    Maximum shear on section 1 & 2 according to Qa

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

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

    /media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F9.jpg
    Fig. 9

    Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to Qa

    Table 6.

    Numerical results for each cases (Case 7 ~ Case 10)

    Case (Qe &amp; Qa)Maximum Velocity (Vmax, m/s)Maximum Shear
    (τmax, kN/m2)
    Evaluation in terms of VpEvaluation in terms of τp
    Section 1Section 2Section 1Section 2Section 1Section 2Section 1Section 2
    7
    Qe : 0.50QpQa : 0.50Qp
    8.106.230.640.30No GoodNo GoodNo GoodNo Good
    8
    Qe : 0.61QpQa : 0.39Qp
    8.886.410.610.34No GoodNo GoodNo GoodNo Good
    9
    Qe : 0.39QpQa : 0.61Qp
    6.227.330.240.35No GoodNo GoodAcceptNo Good
    10
    Qe : 0.42QpQa : 0.58Qp
    6.394.790.300.19No GoodAcceptNo GoodAccept

    2.3.4 방류량 배분 비율의 허용 방류량 검토

    계획 홍수량 방류 시 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 검토 결과 Case 10(Qe = 0.42Qp, Qa = 0.58Qp)에서 방류에 따른 하류 하천의 피해를 최소화시킬 수 있는 것을 확인하였다. 그러나 대안부 전 구간에 대하여 호안 설계조건을 만족하지 못하였다. 따라서 기존 여수로와 보조 여수로의 방류 배분 비율을 고정시킨 후 총 방류량을 조절하여 허용 방류량을 검토하였다(Case 11 ~ Case 14).

    호안 안정성 측면에서 검토한 결과 계획홍수량 대비 총 방류량이 감소하면 최대 유속 및 최대 소류력이 감소하고 최종적으로 계획 홍수량의 77%를 방류할 경우 하류하천의 대안부에서 호안 설계조건을 모두 만족하는 것을 확인하였다(Fig. 10Fig. 11 참조). 각 Case 별 대안부에서 최대 유속결과 및 산정한 소류력은 Table 7에 제시하였다. 또한 Case 별 수위 검토 결과 처오름으로 인한 대안부 전 구간에서 월류에 대한 안정성(ηmax/ηref<0.97(=기설제방고))은 확보하였다(Fig. 12 참조).

    Table 7.

    Numerical results for each cases (Case 11 ~ Case 14)

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

    Maximum velocity on section 1 & 2 according to total outflow

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

    Maximum shear on section 1 & 2 according to total outflow

    /media/sites/ksds/2021-014-02/N0240140207/images/ksds_14_02_07_F12.jpg
    Fig. 12

    Maximum water surface elevation on section 1 & 2 according to total outflow

    3. 결 론

    본 연구에서는 홍수 시 기존 여수로의 노후화로 인한 보조 여수로의 활용방안에 대하여 하류하천의 호안 안정성 측면에서 검토하였다. 여수로 방류로 인한 하류하천의 흐름특성을 검토하기 위하여 3차원 수치모형인 FLOW-3D를 활용하였고, 여수로 지형은 치수능력 증대사업을 통하여 완공된 ○○댐의 제원을 이용하였다. 하류하천 조도 계수 및 여수로 방류량은 하천기본계획을 참고하여 적용하였다. 최종적으로 여수로 방류로 인한 하류하천의 피해를 최소화 시킬 수 있는 적절한 보조 여수로의 활용방안을 도출하기 위하여 보조 여수로 단독 운영과 기존 여수로와의 동시 운영에 따른 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다.

    수문은 완전 개도 상태에서 방류한다는 가정으로 계획 홍수량 조건에서 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천 대안부의 유속 및 수위를 검토한 결과 기존 여수로 단독운영에 비하여 최대 유속 및 최대 수위가 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이는 보조 여수로 단독 운영 시 하류하천으로 유입각도가 작아지고, 유입되는 하천의 폭이 증가되기 때문이다. 그러나 계획 홍수량 조건에서 하천호안 설계기준에서 제시한 허용 유속(5.0 m/s)과 허용 소류력(0.28 kN/m2)과 비교하였을 때 호안 안정성을 확보하지 못하였으며, 계획홍수량의 45% 이하 방류 시에 대안부의 호안 안정성을 확보하였다. 수위의 경우 여수로 방류에 따른 대안부에서 처오름 현상이 발생하여 월류에 대한 위험성을 확인하였고 이를 통하여 기존 여수로와의 동시 운영 방안을 도출하는 것이 중요하다고 판단된다. 따라서 기존 여수로와의 동시 운영 측면에서 기존 여수로와 보조 여수로의 배분 비율 및 총 방류량을 변화시켜가며 하류 하천의 흐름특성 및 소류력의 변화를 검토하였다. 배분 비율의 경우 기존 여수로와 보조 여수로의 균등 배분(Case 7) 및 편중 배분(Case 8 & Case 9)을 검토하여 보조 여수로의 방류량이 기존 여수로의 방류량보다 큰 경우 하류하천의 중심부로 집중되어 대안부의 최대유속, 최대소류력 및 최대수위가 감소하는 것을 확인하였다. 이를 근거로 기존 여수로의 방류 비율을 증가(Qe=0.42Qp, Qa=0.58Qp)시켜 검토한 결과 대안부 일부 구간에서 허용 유속 및 허용소류력 조건을 만족하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 기존 여수로와 보조 여수로의 동시 운영을 통하여 적절한 방류량 배분 비율을 도출하는 것이 방류로 인한 하류하천의 피해를 저감하는데 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 설계홍수량 방류 시 전 구간에서 허용 유속 및 소류력 조건을 만족하지 못하였다. 최종적으로 전체 방류량에서 기존 여수로의 방류 비율을 42%, 보조 여수로의 방류 비율을 58%로 설정하여 허용방류량을 검토한 결과, 계획홍수량의 77%이하로 방류 시 대안부의 최대유속은 기존여수로 방류의 지배영향구간(section 1)에서 3.63 m/s, 기존 여수로와 보조 여수로 방류의 영향구간(section 2)에서 4.53 m/s로 허용유속 조건을 만족하였고, 산정한 소류력도 각각 0.09 kN/m2 및 0.26 kN/m2로 허용 소류력 조건을 만족하여 대안부 호안의 안정성을 확보하였다고 판단된다.

    본 연구 결과는 기후변화 및 기존여수로의 노후화로 인하여 홍수 시 기존여수로의 단독운영으로 하류하천의 피해가 발생할 수 있는 현시점에서 치수증대 사업으로 완공된 보조 여수로의 활용방안에 대한 기초자료로 활용될 수 있고, 향후 계획 홍수량 유입 시 최적의 배분 비율 및 허용 방류량 도출에 이용할 수 있다. 다만 본 연구는 여수로 방류에 따른 제방에 작용하는 수충력은 검토하지 못하고, 허용 유속 및 허용소류력은 제방과 유수의 방향이 일정한 구간에 대하여 검토하였다. 또한 여수로 방류에 따른 대안부에서의 영향에 대해서만 검토하였고 수문 전면 개도 조건에서 검토하였다는 한계점은 분명히 있다. 이에 향후에는 다양한 수문 개도 조건 및 방류 시나리오를 적용 및 검토하여 보다 효율적이고, 효과적인 보조 여수로 활용방안을 도출하고자 한다.

    Acknowledgements

    본 결과물은 K-water에서 수행한 기존 및 신규 여수로 효율적 연계운영 방안 마련(2021-WR-GP-76-149)의 지원을 받아 연구되었습니다.

    References

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    Figure 2. Schematic diagram for pilot-scale cooling-water circulation system (a) along with a real picture of the system (b).

    Application of Computational Fluid Dynamics in Chlorine-Dynamics Modeling of In-Situ Chlorination Systems for Cooling Systems

    Jongchan Yi 1, Jonghun Lee 1, Mohd Amiruddin Fikri 2,3, Byoung-In Sang 4 and Hyunook Kim 1,*

    Abstract

    염소화는 상대적인 효율성과 저렴한 비용으로 인해 발전소 냉각 시스템에서 생물학적 오염을 제어하는​​데 선호되는 방법입니다. 해안 지역에 발전소가 있는 경우 바닷물을 사용하여 현장에서 염소를 전기화학적으로 생성할 수 있습니다. 이를 현장 전기염소화라고 합니다. 이 접근 방식은 유해한 염소화 부산물이 적고 염소를 저장할 필요가 없다는 점을 포함하여 몇 가지 장점이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 전기화학적 공정은 실제로는 아직 초기 단계에 있습니다. 이 연구에서는 파일럿 규모 냉각 시스템에서 염소 붕괴를 시뮬레이션하기 위해 병렬 1차 동역학을 적용했습니다. 붕괴가 취수관을 따라 발생하기 때문에 동역학은 전산유체역학(CFD) 코드에 통합되었으며, 이후에 파이프의 염소 거동을 시뮬레이션하는데 적용되었습니다. 실험과 시뮬레이션 데이터는 강한 난류가 형성되는 조건하에서도 파이프 벽을 따라 염소 농도가 점진적인 것으로 나타났습니다. 염소가 중간보다 파이프 표면을 따라 훨씬 더 집중적으로 남아 있다는 사실은 전기 염소화를 기반으로 하는 시스템의 전체 염소 요구량을 감소시킬 수 있었습니다. 현장 전기 염소화 방식의 냉각 시스템은 직접 주입 방식에 필요한 염소 사용량의 1/3만 소비했습니다. 따라서 현장 전기염소화는 해안 지역의 발전소에서 바이오파울링 제어를 위한 비용 효율적이고 환경 친화적인 접근 방식으로 사용될 수 있다고 결론지었습니다.

    Chlorination is the preferred method to control biofouling in a power plant cooling system due to its comparative effectiveness and low cost. If a power plant is located in a coastal area, chlorine can be electrochemically generated in-situ using seawater, which is called in-situ electrochlorination; this approach has several advantages including fewer harmful chlorination byproducts and no need for chlorine storage. Nonetheless, this electrochemical process is still in its infancy in practice. In this study, a parallel first-order kinetics was applied to simulate chlorine decay in a pilot-scale cooling system. Since the decay occurs along the water-intake pipe, the kinetics was incorporated into computational fluid dynamics (CFD) codes, which were subsequently applied to simulate chlorine behavior in the pipe. The experiment and the simulation data indicated that chlorine concentrations along the pipe wall were incremental, even under the condition where a strong turbulent flow was formed. The fact that chlorine remained much more concentrated along the pipe surface than in the middle allowed for the reduction of the overall chlorine demand of the system based on the electro-chlorination. The cooling system, with an in-situ electro-chlorination, consumed only 1/3 of the chlorine dose demanded by the direct injection method. Therefore, it was concluded that in-situ electro-chlorination could serve as a cost-effective and environmentally friendly approach for biofouling control at power plants on coastal areas.

    Keywords

    computational fluid dynamics; power plant; cooling system; electro-chlorination; insitu chlorination

    Figure 1. Electrodes and batch experiment set-up. (a) Two cylindrical electrodes used in this study. (b) Batch experiment set-up for kinetic tests.
    Figure 1. Electrodes and batch experiment set-up. (a) Two cylindrical electrodes used in this study. (b) Batch experiment set-up for kinetic tests.
    Figure 2. Schematic diagram for pilot-scale cooling-water circulation system (a) along with a real picture of the system (b).
    Figure 2. Schematic diagram for pilot-scale cooling-water circulation system (a) along with a real picture of the system (b).
    Figure 3. Free chlorine decay curves in seawater with different TOC and initial chlorine concentration. Each line represents the predicted concentration of chlorine under a given condition. (a) Artificial seawater solution with 1 mg L−1 of TOC; (b) artificial seawater solution with 2 mg L−1 of TOC; (c) artificial seawater solution with 3 mg L−1 of TOC; (d) West Sea water (1.3 mg L−1 of TOC).
    Figure 3. Free chlorine decay curves in seawater with different TOC and initial chlorine concentration. Each line represents the predicted concentration of chlorine under a given condition. (a) Artificial seawater solution with 1 mg L−1 of TOC; (b) artificial seawater solution with 2 mg L−1 of TOC; (c) artificial seawater solution with 3 mg L−1 of TOC; (d) West Sea water (1.3 mg L−1 of TOC).
    Figure 4. Correlation between model and experimental data in the chlorine kinetics using seawater.
    Figure 4. Correlation between model and experimental data in the chlorine kinetics using seawater.
    Figure 5. Free chlorine concentrations in West Sea water under different current conditions in an insitu electro-chlorination system.
    Figure 5. Free chlorine concentrations in West Sea water under different current conditions in an insitu electro-chlorination system.
    Figure 6. Free chlorine distribution along the sampling ports under different flow rates. Each dot represents experimental data, and each point on the black line is the expected chlorine concentration obtained from computational fluid dynamics (CFD) simulation with a parallel first-order decay model. The red-dotted line is the desirable concentration at the given flow rate: (a) 600 L min−1 of flow rate, (b) 700 L min−1 of flow rate, (c) 800 L min−1 of flow rate, (d) 900 L min−1 of flow rate.
    Figure 6. Free chlorine distribution along the sampling ports under different flow rates. Each dot represents experimental data, and each point on the black line is the expected chlorine concentration obtained from computational fluid dynamics (CFD) simulation with a parallel first-order decay model. The red-dotted line is the desirable concentration at the given flow rate: (a) 600 L min−1 of flow rate, (b) 700 L min−1 of flow rate, (c) 800 L min−1 of flow rate, (d) 900 L min−1 of flow rate.
    Figure 7. Fluid contour images from CFD simulation of the electro-chlorination experiment. Inlet flow rate is 800 L min−1. Outlet pressure was set to 10.8 kPa. (a) Chlorine concentration; (b) expanded view of electrode side in image (a); (c) velocity magnitude; (d) pressure.
    Figure 7. Fluid contour images from CFD simulation of the electro-chlorination experiment. Inlet flow rate is 800 L min−1. Outlet pressure was set to 10.8 kPa. (a) Chlorine concentration; (b) expanded view of electrode side in image (a); (c) velocity magnitude; (d) pressure.
    Figure 8. Chlorine concentration contour in the simulation of full-scale in-situ electro-chlorination with different cathode positions. The pipe diameter is 2 m and the flow rate is 14 m3 s−1. The figure shows 10 m of the pipeline. (a) The simulation result when the cathode is placed on the surface of the pipe wall. (b) The simulation result when the cathode is placed on the inside of the pipe with 100 mm of distance from the pipe wall.
    Figure 8. Chlorine concentration contour in the simulation of full-scale in-situ electro-chlorination with different cathode positions. The pipe diameter is 2 m and the flow rate is 14 m3 s−1. The figure shows 10 m of the pipeline. (a) The simulation result when the cathode is placed on the surface of the pipe wall. (b) The simulation result when the cathode is placed on the inside of the pipe with 100 mm of distance from the pipe wall.
    Figure 9. Comparison of in-situ electro-chlorination and direct chlorine injection in full-scale applications. (a) Estimated chlorine concentrations along the pipe surface. (b) Relative chlorine demands.
    Figure 9. Comparison of in-situ electro-chlorination and direct chlorine injection in full-scale applications. (a) Estimated chlorine concentrations along the pipe surface. (b) Relative chlorine demands.

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    Obrázek 44: Barevné rozlišení proudnic dle rychlosti

    Abstract

    졸업 논문의 목표는 보스코비체 댐의 계획된 방수로의 흐름을 수치적으로 모델링하는 것입니다. 이 졸업 논문은 유형과 프로필에 따라 기본 여수로를 설명하고 나눕니다. 비상용 배수로도 언급되어 있습니다. 그런 다음 논문에서는 범람량 계산에 대한 설명, 수학적 모델링 및 사용된 난류 모델에 대한 설명을 소개합니다. 다음 부분은 Boskovice 댐의 기술적 설명, AutoCAD 2020 소프트웨어에서 방수로 및 방수로 슈트의 가상 3D 모델 생성 및 Blender 소프트웨어에서 모델의 제어 및 수정과 관련되어 있습니다. 논문 말미에는 Flow-3D 소프트웨어를 통해 얻은 유동의 수치적 모델링 결과와 BUT 토목공학부 수구조연구소에서 시행한 수리학적 모델 연구와 비교한 결과를 언급하였다.

    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.

    AuthorSvoboda, Jiří
    TitleNumerické modelování proudění v bezpečnostním přelivu: Numerical modeling of flow in spilway
    URLhttp://hdl.handle.net/11012/195970
    Publication Date2021
    Date Accessioned2021-02-05 08:03:49
    University/PublisherBrno University of Technology
    AbstractThe 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.
    Subjects/KeywordsBezpečnostní přeliv; numerický model; 3D model; FLOW-3D; VD Boskovice; sypaná kamenitá hráz.; Spillway; numerical model; 3D model; FLOW-3D; Boskovice dam; rockfill dam.
    ContributorsJandora, Jan (advisor); Holomek, Petr (referee)
    Languagecs
    RightsStandardní licenční smlouva – přístup k plnému textu bez omezení
    Country of Publicationcz
    Record IDhandle:11012/195970
    Repositorybrno-tech
    Date Indexed2021-12-08
    Note[mark] A;
    Obrázek 18: Kašnový čelní bezpečnostní přeliv [24]
    OFigure 18: Fountain front safety spillway [24]
    Obrázek 20: Skluz a divergentní vývar bezpečnostního objektu VD Boskovice [24]
    Figure 20: Slip and divergent broth of the security building VD Boskovice [24]
    Obrázek 22: Půdorys bezpečnostního přelivu a části skluzu VD Boskovice [12]
    Obrázek 22: Půdorys bezpečnostního přelivu a části skluzu VD Boskovice [12]
    Obrázek 23: Podélný řez BP a spadiště v rovině symetrie [12]
    Figure 23: Longitudinal section BP and drop in the plane of symmetry [12]
    Obrázek 44: Barevné rozlišení proudnic dle rychlosti
    Figure 44: Color resolution of jets according to speed
    Obrázek 45: Průběh hladiny ve Flow-3D bez zobrazeného 3D modelu
    Figure 45: Flow profile in Flow-3D without 3D model displayed
    Figure 47: Level course on the physical model [22]
    Figure 47: Level course on the physical model [22]

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    Figure 7. The simulated velocity (a) and simulated pressure pattern (b) across the Parshall flume. The patterns match the physical behavior of actual Parshall flumes [7].

    Application of Numerical and Experimental Modeling to Improve the Efficiency of Parshall Flumes: A Review of the State-of-the-Art

    Parshall Flumes의 효율성 향상을 위한 수치 및 실험 모델링의 적용: 최신 기술 검토

    Mehdi Heyrani 1,* , Abdolmajid Mohammadian 1, Ioan Nistor 1 and Omerul Faruk Dursun 2

    Abstract

    열린 채널에서 흐름을 관리하는 기본 단계 중 하나는 속성을 결정하는 것입니다. 개방 수로의 흐름에 관한 추가 정보를 제공하기 위해 경험적 방정식이 개발되었습니다. 이러한 실험 방정식을 얻는 것은 비용과 시간이 많이 소요됩니다. 따라서 대체 솔루션이 모색되었습니다.

    지난 세기 동안 움직이는 부분이 없는 정적 측정 장치인 Parshall 수로가 개방 수로의 흐름을 측정하는 데 중요한 역할을 했습니다. 많은 연구자들이 관개 및 폐수 관리와 같은 다양한 분야에서 Parshall 수로의 적용을 연구하는 데 관심을 집중해 왔습니다.

    여러 학자들이 실험 결과를 사용하여 Parshall 수로의 등급 방정식을 향상시켰지만 다른 학자들은 수치 시뮬레이션을 사용하여 높이-방전 관계 방정식을 재보정하기 위해 대체 데이터 소스를 사용했습니다. 컴퓨팅 하드웨어가 지난 수십 년 동안 크게 발전하여 과거에 경험했던 제한된 해상도를 뛰어넘는 것이 가능해짐에 따라 CFD(Computational Fluid Dynamic) 소프트웨어가 오늘날 대중화되고 있습니다.

    여러 CFD 모델은 가용성에 따라 오픈 소스 또는 상업적으로 허가되어 수위 결과를 생성하기 위해 다양한 구성의 수로, 특히 Parshall 수로에 대한 수치 시뮬레이션을 수행하는 데 사용되었습니다.

    FLOW-3D, Ansys Fluent, OpenFOAM 등 지금까지 사용되어 온 다양한 CFD 도구에 대해 실험 데이터로 정밀 교정한 결과, 출력이 안정적이고 실제 시나리오에 구현할 수 있음이 확인되었습니다.

    결과를 생성하기 위해 이 기술을 사용하는 이점은 필요한 경우 유속 또는 구조적 형상과 같은 초기 조건을 조정하는 CFD 접근 방식의 능력입니다. 수로 크기와 수로가 위치한 부지의 조건과 관련하여 상황에 적합한 특정 Parshall 수로로 선택이 좁혀집니다.

    표준 Parshall 수로를 선택하는 것이 항상 가능한 것은 아닙니다. 따라서 엔지니어는 가장 가까운 수로 크기에 약간의 수정을 제공하고 정확한 유량을 생성하기 위해 새로운 등급 곡선을 제공합니다.

    이 검토는 기존 등급 방정식을 향상시키거나 구조의 기하학에 대한 추가 수정을 제안하기 위해 Parshall 수로에서 수치 시뮬레이션 및 물리적 실험 데이터의 적용을 목표로 하는 여러 학자의 작업에 대해 수행되었습니다.

    One of the primary steps in managing the flow in an open channel is determining its properties. Empirical equations are developed to provide further information regarding the flow in open channels. Obtaining such experimental equations is expensive and time consuming; therefore, alternative solutions have been sought. Over the last century, the Parshall flume, a static measuring device with no moving parts, has played a significant role in measuring the flow in open channels. Many researchers have focused their interest on studying the application of Parshall flumes in various fields like irrigation and wastewater management. Although various scholars used experimental results to enhance the rating equation of the Parshall flume, others used an alternative source of data to recalibrate the height–discharge relation equation using numerical simulation. Computational Fluid Dynamic (CFD) software is becoming popular nowadays as computing hardware has advanced significantly within the last few decades, making it possible to go beyond the limited resolution that was experienced in the past. Multiple CFD models, depending on their availability, either open-source or commercially licensed, have been used to perform numerical simulations on different configurations of flumes, especially Parshall flumes, to produce water level results. Regarding various CFD tools that have been used, i.e., FLOW-3D, Ansys Fluent, or OpenFOAM, after precise calibration with experimental data, it has been determined that the output is reliable and can be implemented to the actual scenarios. The benefit of using this technique to produce results is the ability of the CFD approach to adjust the initial conditions, like flow velocity or structural geometry, where necessary. With respect to channel size and the condition of the site where the flume is located, the choices are narrowed to the specific Parshall flume suitable to the situation. It is not always possible to select the standard Parshall flume; therefore, engineers provide some modification to the closest flume size and provide a new rating curve to produce accurate flowrates. This review has been performed on the works of a number of scholars who targeted the application of numerical simulation and physical experimental data in Parshall flumes to either enhance the existing rating equation or propose further modification to the structure’s geometry.

    Keywords

    Parshall flume; CFD; OpenFOAM; FLOW-3D; numerical simulation; turbulence model

    Figure 1. Parshall flume measuring structure, installed [2].
    Figure 1. Parshall flume measuring structure, installed [2].
    Figure 2. Parshall flume measuring structure, uninstalled [3]
    Figure 2. Parshall flume measuring structure, uninstalled [3]
    Figure 4. Mesh sensitivity analysis: top view and side view of the Parshall flume: (a) contains 27,000 cells; (b) 52,000 cells; (c) 75,000 cells; (d) 270,000 cells. The C setup was used in their simulation [7].
    Figure 4. Mesh sensitivity analysis: top view and side view of the Parshall flume: (a) contains 27,000 cells; (b) 52,000 cells; (c) 75,000 cells; (d) 270,000 cells. The C setup was used in their simulation [7].
    Figure 7. The simulated velocity (a) and simulated pressure pattern (b) across the Parshall flume. The patterns match the physical behavior of actual Parshall flumes [7].
    Figure 7. The simulated velocity (a) and simulated pressure pattern (b) across the Parshall flume. The patterns match the physical behavior of actual Parshall flumes [7].
    Figure 8. Computational grid system in the Side A flume. (a) contains a triangular grid system (b) demonstrates the rectangular grid system. (c) and (d) are three-dimensional schematics showing the superimposed grid system. (e) magnifies the dashed section in (b). (Reprinted with permission from Ref. [11]. 2020 ELSEVIER). ).
    Figure 8. Computational grid system in the Side A flume. (a) contains a triangular grid system (b) demonstrates the rectangular grid system. (c) and (d) are three-dimensional schematics showing the superimposed grid system. (e) magnifies the dashed section in (b). (Reprinted with permission from Ref. [11]. 2020 ELSEVIER). ).
    Figure 10. The results of flow patterns in different flumes; (a) Cutthroat flume, (b) airfoil-shaped flume, (c) airfoil pillar-shaped flume, (d) optimized airfoil-shaped flume [23]
    Figure 10. The results of flow patterns in different flumes; (a) Cutthroat flume, (b) airfoil-shaped flume, (c) airfoil pillar-shaped flume, (d) optimized airfoil-shaped flume [23]
    Figure 11. Experimental setup: contraction ratio used on each flume [23].
    Figure 11. Experimental setup: contraction ratio used on each flume [23].
    Figure 12. Entire flume geometry [25]
    Figure 12. Entire flume geometry [25]

    References

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    Fig. 2: Scheme of the LED photo-crosslinking and 3D-printing section of the microfluidic/3D-printing device. The droplet train is transferred from the chip microchannel into a microtubing in a straight section with nearly identical inner channel and inner microtubing diameter. Further downstream, the microtubing passes an LED-section for fast photo cross-linking to generate the microgels. This section is contained in an aluminum encasing to avoid premature crosslinking of polymer precursor in upstream channel sections by stray light. Subsequently, the microtubing is integrated into a 3D-printhead, where the microgels are jammed into a filament that is directly 3D-printed into the scaffold.

    On-Chip Fabrication and In-Flow 3D-Printing of Cell-Laden Microgel Constructs: From Chip to Scaffold Materials in One Integral Process

    세포가 함유된 마이크로겔의 온칩 제작 및 인-플로우 3D 프린팅
    구성:하나의 통합 프로세스에서 칩에서 스캐폴드 재료까지

    Vollmer, Gültekin Tamgüney, Aldo Boccacini
    Submitted date: 10/05/2021 • Posted date: 11/05/2021
    Licence: CC BY-NC-ND 4.0

    바이오프린팅은 세포가 실린 스캐폴드의 제조를 위한 유력한 기술로 발전했습니다. 바이오잉크는 바이오프린팅의 가장 중요한 구성요소입니다. 최근 마이크로겔은 세포 보호 및 세포 미세 환경 제어를 가능하게 하는 매우 유망한 바이오 잉크로 도입되었습니다. 그러나 이들의 미세유체 제작은 본질적으로 한계가 있는 것으로 보입니다.

    여기에서 우리는 안정적인 스캐폴드에 직접 유입되는 바이오프린팅과 함께 세포가 실린 마이크로겔의 미세유체 생산을 위한 미세유체 및 3D 인쇄의 직접 결합을 소개합니다. 방법론은 세포를 단분산 미세 방울로 연속 온칩 캡슐화하여 후속 유입 교차 연결을 통해 세포가 함유된 마이크로겔을 생성할 수 있으며, 이는 미세관을 종료한 후 자동으로 얇은 연속 마이크로겔 필라멘트로 끼이게 됩니다.

    3D 프린트 헤드로의 통합으로 독립형 3차원 스캐폴드에 필라멘트를 직접 유입 인쇄할 수 있습니다. 이 방법은 다양한 교차 연결 방법 및 세포주에 대해 설명됩니다. 이러한 발전으로 미세유체학은 더 이상 바이오 제조의 병목을 초래하는 현상이 아닙니다.

    Bioprinting has evolved into a thriving technology for the fabrication of cell-laden scaffolds. Bioinks are the most critical component for bioprinting. Recently, microgels have been introduced as a very promising bioink enabling cell protection and the control of the cellular microenvironment. However, their microfluidic fabrication inherently seemed to be a limitation. Here we introduce a direct coupling of microfluidics and 3D-printing for the microfluidic production of cell-laden microgels with direct in-flow bioprinting into stable scaffolds. The methodology enables the continuous on-chip encapsulation of cells into monodisperse microdroplets with subsequent in-flow cross-linking to produce cell-laden microgels, which after exiting a microtubing are automatically jammed into thin continuous microgel filaments. The integration into a 3D printhead allows direct in-flow printing of the filaments into free-standing three-dimensional scaffolds. The method is demonstrated for different cross-linking methods and cell lines. With this advancement, microfluidics is no longer a bottleneck for biofabrication.

    Fig. 1: Three-dimensional schematic view of the multilayer double 3D-focusing microfluidic channel system, (b) control of droplet diameter via the Capiilary number Ca, and accessible hydrodynamic regimes for droplet production: squeezing (c), dripping (d) and jetting (e). The scale bars are 200 µm.
    Fig. 1: Three-dimensional schematic view of the multilayer double 3D-focusing microfluidic channel system, (b) control of droplet diameter via the Capiilary number Ca, and accessible hydrodynamic regimes for droplet production: squeezing (c), dripping (d) and jetting (e). The scale bars are 200 µm.
    Fig. 2: Scheme of the LED photo-crosslinking and 3D-printing section of the microfluidic/3D-printing device. The droplet train is transferred from the chip microchannel into a microtubing in a straight section with nearly identical inner channel and inner microtubing diameter. Further downstream, the microtubing passes an LED-section for fast photo cross-linking to generate the microgels. This section is contained in an aluminum encasing to avoid premature crosslinking of polymer precursor in upstream channel sections by stray light. Subsequently, the microtubing is integrated into a 3D-printhead, where the microgels are jammed into a filament that is directly 3D-printed into the scaffold.
    Fig. 2: Scheme of the LED photo-crosslinking and 3D-printing section of the microfluidic/3D-printing device. The droplet train is transferred from the chip microchannel into a microtubing in a straight section with nearly identical inner channel and inner microtubing diameter. Further downstream, the microtubing passes an LED-section for fast photo cross-linking to generate the microgels. This section is contained in an aluminum encasing to avoid premature crosslinking of polymer precursor in upstream channel sections by stray light. Subsequently, the microtubing is integrated into a 3D-printhead, where the microgels are jammed into a filament that is directly 3D-printed into the scaffold.
    Fig. 3: a) Photograph of a standard meander-shaped layer fabricated by microgel filament deposition printing. The lines have a thickness of 300 µm. b) photograph of a cross-bar pattern obtained by on-top deposition of several microgel filaments. The average linewidth is 1 mm. c) photograph of a donut-shaped microgel construct. The microgels have been fluorescently labelled by FITC-dextran to demonstrate the intrinsic microporosity corresponding to the black non-fluorescent regions, d) light microscopy image of a construct edge showing that fused adhesive microgels form a continuous, three-dimensional selfsupporting scaffold with intrinsic micropores.
    Fig. 3: a) Photograph of a standard meander-shaped layer fabricated by microgel filament deposition printing. The lines have a thickness of 300 µm. b) photograph of a cross-bar pattern obtained by on-top deposition of several microgel filaments. The average linewidth is 1 mm. c) photograph of a donut-shaped microgel construct. The microgels have been fluorescently labelled by FITC-dextran to demonstrate the intrinsic microporosity corresponding to the black non-fluorescent regions, d) light microscopy image of a construct edge showing that fused adhesive microgels form a continuous, three-dimensional selfsupporting scaffold with intrinsic micropores.
    Fig. 4: a) Scheme of the perfusion chamber consisting of an upstream and downstream chamber, perfusion ports, and removable scaffolds to stabilize the microgel construct during 3D-printing, b) photograph of a microgel construct in the perfusion chamber directly after printing and removal of the scaffolds, c) confocal microscopy image of the permeation front of a fluorescent dye, where the high dye concentration in the micropores can be clearly seen, d) confocal microscopy image of YFP-labelled HEK-cells within a microgel construct.
    Fig. 4: a) Scheme of the perfusion chamber consisting of an upstream and downstream chamber, perfusion ports, and removable scaffolds to stabilize the microgel construct during 3D-printing, b) photograph of a microgel construct in the perfusion chamber directly after printing and removal of the scaffolds, c) confocal microscopy image of the permeation front of a fluorescent dye, where the high dye concentration in the micropores can be clearly seen, d) confocal microscopy image of YFP-labelled HEK-cells within a microgel construct.
    Fig. 5: a) Layer-by-layer printing of microgel construct with integrated perfusion channel. After printing of the first layer, a hollow perfusion channel is inserted. Subsequently, the second and third layers are printed. b) The construct is directly printed into a perfusion chamber. The perfusion chamber provides whole construct permeation via flows cin and cout, as well as independent flow through the perfusion channel via flows vin and vout. c) Photograph of a perfusion chamber containing the construct directly after printing. The flow of the fluorescein solution through the integrated PVA hollow channel is clearly visible.
    Fig. 5: a) Layer-by-layer printing of microgel construct with integrated perfusion channel. After printing of the first layer, a hollow perfusion channel is inserted. Subsequently, the second and third layers are printed. b) The construct is directly printed into a perfusion chamber. The perfusion chamber provides whole construct permeation via flows cin and cout, as well as independent flow through the perfusion channel via flows vin and vout. c) Photograph of a perfusion chamber containing the construct directly after printing. The flow of the fluorescein solution through the integrated PVA hollow channel is clearly visible.
    Fig. 6: a) Photograph of an alginate capsule fiber formed after exiting the microtube. b) Confocal fluorescence microscopy image of part of a 3D-printed alginate capsule construct. The fluorescence arises from encapsulated fluorescently labelled polystyrene microbeads to demonstrate the integrity and stability of the alginate capsules.
    Fig. 6: a) Photograph of an alginate capsule fiber formed after exiting the microtube. b) Confocal fluorescence microscopy image of part of a 3D-printed alginate capsule construct. The fluorescence arises from encapsulated fluorescently labelled polystyrene microbeads to demonstrate the integrity and stability of the alginate capsules.

    Keywords

    biomaterials, microgels, microfluidics, 3D printing, bioprinting

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    Figure 3.10: Snapshots of Temperature Profile for Single Track in Keyhole Regime (P = 250W and V = 0.5m/s) at the Preheating Temperature of 100 °C

    Multiscale Process Modeling of Residual Deformation and Defect Formation for Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing

    Qian Chen, PhD
    University of Pittsburgh, 2021

    레이저 분말 베드 퓨전(L-PBF) 적층 제조(AM)는 우수한 기계적 특성으로 그물 모양에 가까운 복잡한 부품을 생산할 수 있습니다. 그러나 빌드 실패 및 다공성과 같은 결함으로 이어지는 원치 않는 잔류 응력 및 왜곡이 L-PBF의 광범위한 적용을 방해하고 있습니다.

    L-PBF의 잠재력을 최대한 실현하기 위해 잔류 변형, 용융 풀 및 다공성 형성을 예측하는 다중 규모 모델링 방법론이 개발되었습니다. L-PBF의 잔류 변형 및 응력을 부품 규모에서 예측하기 위해 고유 변형 ​​방법을 기반으로 하는 다중 규모 프로세스 모델링 프레임워크가 제안됩니다.

    고유한 변형 벡터는 마이크로 스케일에서 충실도가 높은 상세한 다층 프로세스 시뮬레이션에서 추출됩니다. 균일하지만 이방성인 변형은 잔류 왜곡 및 응력을 예측하기 위해 준 정적 평형 유한 요소 분석(FEA)에서 레이어별로 L-PBF 부품에 적용됩니다.

    부품 규모에서의 잔류 변형 및 응력 예측 외에도 분말 규모의 다중물리 모델링을 수행하여 공정 매개변수, 예열 온도 및 스패터링 입자에 의해 유도된 용융 풀 변동 및 결함 형성을 연구합니다. 이러한 요인과 관련된 용융 풀 역학 및 다공성 형성 메커니즘은 시뮬레이션 및 실험을 통해 밝혀졌습니다.

    제안된 부품 규모 잔류 응력 및 왜곡 모델을 기반으로 경로 계획 방법은 큰 잔류 변형 및 건물 파손을 방지하기 위해 주어진 형상에 대한 레이저 스캐닝 경로를 조정하기 위해 개발되었습니다.

    연속 및 아일랜드 스캐닝 전략을 위한 기울기 기반 경로 계획이 공식화되고 공식화된 컴플라이언스 및 스트레스 최소화 문제에 대한 전체 감도 분석이 수행됩니다. 이 제안된 경로 계획 방법의 타당성과 효율성은 AconityONE L-PBF 시스템을 사용하여 실험적으로 입증되었습니다.

    또한 기계 학습을 활용한 데이터 기반 프레임워크를 개발하여 L-PBF에 대한 부품 규모의 열 이력을 예측합니다. 본 연구에서는 실시간 열 이력 예측을 위해 CNN(Convolutional Neural Network)과 RNN(Recurrent Neural Network)을 포함하는 순차적 기계 학습 모델을 제안합니다.

    유한 요소 해석과 비교하여 100배의 예측 속도 향상이 달성되어 실제 제작 프로세스보다 빠른 예측이 가능하고 실시간 온도 프로파일을 사용할 수 있습니다.

    Laser powder bed fusion (L-PBF) additive manufacturing (AM) is capable of producing complex parts near net shape with good mechanical properties. However, undesired residual stress and distortion that lead to build failure and defects such as porosity are preventing broader applications of L-PBF. To realize the full potential of L-PBF, a multiscale modeling methodology is developed to predict residual deformation, melt pool, and porosity formation. To predict the residual deformation and stress in L-PBF at part-scale, a multiscale process modeling framework based on inherent strain method is proposed.

    Inherent strain vectors are extracted from detailed multi-layer process simulation with high fidelity at micro-scale. Uniform but anisotropic strains are then applied to L-PBF part in a layer-by-layer fashion in a quasi-static equilibrium finite element analysis (FEA) to predict residual distortion and stress. Besides residual distortion and stress prediction at part scale, multiphysics modeling at powder scale is performed to study the melt pool variation and defect formation induced by process parameters, preheating temperature and spattering particles. Melt pool dynamics and porosity formation mechanisms associated with these factors are revealed through simulation and experiments.

    Based on the proposed part-scale residual stress and distortion model, path planning method is developed to tailor the laser scanning path for a given geometry to prevent large residual deformation and building failures. Gradient based path planning for continuous and island scanning strategy is formulated and full sensitivity analysis for the formulated compliance- and stress-minimization problem is performed.

    The feasibility and effectiveness of this proposed path planning method is demonstrated experimentally using the AconityONE L-PBF system. In addition, a data-driven framework utilizing machine learning is developed to predict the thermal history at part-scale for L-PBF.

    In this work, a sequential machine learning model including convolutional neural network (CNN) and recurrent neural network (RNN), long shortterm memory unit, is proposed for real-time thermal history prediction. A 100x prediction speed improvement is achieved compared to the finite element analysis which makes the prediction faster than real fabrication process and real-time temperature profile available.

    Figure 1.1: Schematic Overview of Metal Laser Powder Bed Fusion Process [2]
    Figure 1.1: Schematic Overview of Metal Laser Powder Bed Fusion Process [2]
    Figure 1.2: Commercial Powder Bed Fusion Systems
    Figure 1.2: Commercial Powder Bed Fusion Systems
    Figure 1.3: Commercial Metal Components Fabricated by Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: (a) GE Fuel Nozzle; (b) Stryker Hip Biomedical Implant.
    Figure 1.3: Commercial Metal Components Fabricated by Powder Bed Fusion Additive Manufacturing: (a) GE Fuel Nozzle; (b) Stryker Hip Biomedical Implant.
    Figure 2.1: Proposed Multiscale Process Simulation Framework
    Figure 2.1: Proposed Multiscale Process Simulation Framework
    Figure 2.2: (a) Experimental Setup for In-situ Thermocouple Measurement in the EOS M290 Build Chamber; (b) Themocouple Locations on the Bottom Side of the Substrate.
    Figure 2.2: (a) Experimental Setup for In-situ Thermocouple Measurement in the EOS M290 Build Chamber; (b) Themocouple Locations on the Bottom Side of the Substrate.
    Figure 2.3: (a) Finite Element Model for Single Layer Thermal Analysis; (b) Deposition Layer
    Figure 2.3: (a) Finite Element Model for Single Layer Thermal Analysis; (b) Deposition Layer
    Figure 2.4: Core-skin layer: (a) Surface Morphology; (b) Scanning Strategy; (c) Transient Temperature Distribution and Temperature History at (d) Point 1; (e) Point 2 and (f) Point 3
    Figure 2.4: Core-skin layer: (a) Surface Morphology; (b) Scanning Strategy; (c) Transient Temperature Distribution and Temperature History at (d) Point 1; (e) Point 2 and (f) Point 3
    Figure 2.5: (a) Scanning Orientation of Each Layer; (b) Finite Element Model for Micro-scale Representative Volume
    Figure 2.5: (a) Scanning Orientation of Each Layer; (b) Finite Element Model for Micro-scale Representative Volume
    Figure 2.6: Bottom Layer (a) Thermal History; (b) Plastic Strain and (c) Elastic Strain Evolution History
    Figure 2.6: Bottom Layer (a) Thermal History; (b) Plastic Strain and (c) Elastic Strain Evolution History
    Figure 2.7: Bottom Layer Inherent Strain under Default Process Parameters along Horizontal Scanning Path
    Figure 2.7: Bottom Layer Inherent Strain under Default Process Parameters along Horizontal Scanning Path
    Figure 2.8: Snapshots of the Element Activation Process
    Figure 2.8: Snapshots of the Element Activation Process
    Figure 2.9: Double Cantilever Beam Structure Built by the EOS M290 DMLM Process (a) Before and (b) After Cutting off; (c) Faro Laser ScanArm V3 for Distortion Measurement
    Figure 2.9: Double Cantilever Beam Structure Built by the EOS M290 DMLM Process (a) Before and (b) After Cutting off; (c) Faro Laser ScanArm V3 for Distortion Measurement
    Figure 2.10: Square Canonical Structure Built by the EOS M290 DMLM Process
    Figure 2.10: Square Canonical Structure Built by the EOS M290 DMLM Process
    Figure 2.11: Finite Element Mesh for the Square Canonical and Snapshots of Element Activation Process
    Figure 2.11: Finite Element Mesh for the Square Canonical and Snapshots of Element Activation Process
    Figure 2.12: Simulated Distortion Field for the Double Cantilever Beam before Cutting off the Supports: (a) Inherent Strain Method; (b) Simufact Additive 3.1
    Figure 2.12: Simulated Distortion Field for the Double Cantilever Beam before Cutting off the Supports: (a) Inherent Strain Method; (b) Simufact Additive 3.1
    Figure 3.10: Snapshots of Temperature Profile for Single Track in Keyhole Regime (P = 250W and V = 0.5m/s) at the Preheating Temperature of 100 °C
    Figure 3.10: Snapshots of Temperature Profile for Single Track in Keyhole Regime (P = 250W and V = 0.5m/s) at the Preheating Temperature of 100 °C
    s) at the Preheating Temperature of 500 °C
    s) at the Preheating Temperature of 500 °C
    Figure 3.15: Melt Pool Cross Section Comparison Between Simulation and Experiment for Single Track
    Figure 3.15: Melt Pool Cross Section Comparison Between Simulation and Experiment for Single Track

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    Fig. 2 Schematic diagram of the experimental Rijke tube

    RIJKE 튜브 내부의 열음향 장에 대한 새로운 조사

    A novel investigation of the thermoacoustic field inside a Rijke tube

    B. EntezamW. Van Moorhem and J. MajdalaniPublished Online:22 Aug 2012 https://doi.org/10.2514/6.1998-2582

    Abstract

    이 논문에서는 Rijke 튜브 내부의 시간 종속 유동장의 실험 연구 및 계산 시뮬레이션에서 진행한 결과를 제시하고 해석합니다. 기존의 추측과 스케일링 분석을 기반으로 한 이론적 논의가 진행됩니다. 주요 결과에는 열 구동 진동에서 중요한 역할을 하는 것으로 보이는 유사성 매개변수가 포함됩니다. 이 매개변수는 열 섭동을 속도, 압력 및 특성 길이의 제곱과 관련시킵니다. 열 진동을 압력 및 속도 진동의 결합된 효과에 기인하는 간단한 이론은 계산, 실험 및 스케일링 고려 사항을 통해 논의됩니다. 이전의 분석 이론은 열 진동을 속도 또는 압력 진동에 연결했기 때문에 현재 분석 모델은 기존 추측에 동의하고 조정합니다. Rayleigh 기준에 따라 열원은 Rijke-tube 하단에서 1/4의 임계 거리에 위치해야 공명이 발생합니다. 이 관찰은 결합이 최대화되는 임계점이 음향 속도와 압력의 곱인 음향 강도가 가장 큰 공간 위치에 해당하기 때문에 제안된 해석을 확인합니다. 수치 시뮬레이션은 Rijke 튜브 내부의 압력 진동이 열 입력이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가한다는 것을 보여줍니다. 충분히 작은 열 입력으로 음향 싱크가 소스를 초과하고 음향 감쇠가 발생합니다. 열 입력이 임계 임계값 이상으로 증가하면 음향 싱크가 불충분해져서 ​​내부 에너지 축적으로 인해 빠른 음향 증폭이 발생합니다.

    In this paper, results proceeding from experimental studies and computational simulations of the time-dependent flowfield inside a Rijke tube are presented and interpreted. A theoretical discussion based on existing speculations and scaling analyses is carried out. The main results include a similarity parameter that appears to play an important role in the heat driven oscillations. This parameter relates heat perturbations to velocity, pressure, and the square of a characteristic length. A simple theory that attributes heat oscillations to the combined effects of pressure and velocity oscillations is discussed via computational, experimental, and scaling considerations. Since previous analytical theories link heat oscillations to either velocity or pressure oscillations, the current analytical model agrees with and reconciles between existing speculations. In compliance with the Rayleigh criterion, it is found that the heat source must be positioned at a critical distance of 1/4 from the Rijke-tube lower end for resonance to occur. This observation confirms our proposed interpretation since the critical point where coupling is maximized corresponds to a spatial location where the acoustic intensity, product of both acoustic velocities and pressures, is largest. Numerical simulations show that pressure oscillations inside the Rijke tube grow exponentially with increasing heat input With a sufficiently small heat input, the acoustic sinks exceed the sources and acoustic damping takes place. When the heat input is augmented beyond a critical threshold, acoustic sinks become insufficient causing rapid acoustic amplification by virtue of internal energy accumulation.

    Fig. 2 Schematic diagram of the experimental Rijke tube
    Fig. 2 Schematic diagram of the experimental Rijke tube
    A novel investigation of the thermoacoustic field inside a Rijke tube
    A novel investigation of the thermoacoustic field inside a Rijke tube

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    Fig. 2. Schematic indication of the separate parts comprising the rotary kiln model, together with the energy fluxes from Eq. (1).

    화염 모델링, 열 전달 및 클링커 화학을 포함한 시멘트 가마에 대한 CFD 예측

    E Mastorakos Massias 1C.D Tsakiroglou D.A Goussis V.N Burganos A.C Payatakes 2

    Abstract

    실제 작동 조건에서 석탄 연소 회전 시멘트 가마의 클링커 형성은 방사선에 대한 Monte Carlo 방법, 가마 벽의 에너지 방정식에 대한 유한 체적 코드 및 클링커에 대한 화학 반응을 포함한 에너지 보존 방정식 및 종에 대한 새로운 코드. 기상의 온도 장, 벽으로의 복사 열유속, 가마 및 클링커 온도에 대한 예측 간의 반복적인 절차는 내부 벽 온도의 분포를 명시적으로 예측하는 데 사용됩니다. 여기에는 열 흐름 계산이 포함됩니다. 수갑. 가스와 가마 벽 사이의 주요 열 전달 모드는 복사에 의한 것이며 내화물을 통해 환경으로 손실되는 열은 입력 열의 약 10%이고 추가로 40%는 장입 가열 및 클링커 형성. 예측은 실제 규모의 시멘트 가마에서 경험과 제한된 측정을 기반으로 한 경향과 일치합니다.

    키워드

    산업용 CFD, 로타리 가마, 클링커 형성, 복사 열전달, Industrial CFD, Rotary kilns, Clinker formation, Radiative heat transfer

    1 . 소개

    시멘트 산업은 에너지의 주요 소비자이며, 미국에서 산업 사용자의 총 화석 연료 소비량의 약 1.4%를 차지하며 [1] 일반적인 비에너지 사용량은 제조된 클링커 1kg당 약 3.2MJ [2] 입니다. CaCO 3  →  CaO  +  CO 2 반응이 일어나기 때문입니다., 클링커 형성의 첫 번째 단계는 높은 흡열성입니다. 시멘트 가마에서 에너지를 절약하기 위한 현재의 경향은 일반적으로 길이가 약 100m이고 직경이 약 5m인 회전 실린더인 가마를 떠나는 배기 가스로부터 에너지를 보다 효율적으로 회수하는 것과 저열량 연료의 사용에 중점을 둡니다. 값. 2-5초 정도의 화염 체류 시간을 허용하고 2200K의 높은 온도에 도달하는 회전 가마의 특성은 또한 시멘트 가마를 유기 폐기물 및 용제에 대한 상업용 소각로에 대한 경쟁력 있는 대안으로 만듭니다 [3]. 클링커의 형성이 이러한 2차 액체 연료의 사용으로 인한 화염의 변화로부터 어떤 식으로든 영향을 받지 않도록 하고, 대기 중으로 방출되는 오염 물질의 양에 대한 현재 및 미래 제한을 준수할 수 있도록, 화염 구조의 세부 사항과 화염에서 고체 충전물로의 열 전달을 더 잘 이해할 필요가 있습니다.

    최근 시멘트 가마 4 , 5 , 6 , 7 에서 유동장 및 석탄 연소의 이론적 모델링복사 열 전달을 포함한 전산 유체 역학(CFD) 코드를 사용하여 달성되었습니다. 이러한 결과는 시멘트 가마에 대한 최초의 결과였으며 화염 길이, 산소 소비 등과 관련하여 실험적으로 관찰된 경향을 재현했기 때문에 그러한 코드가 수용 가능한 정확도로 대규모 산업용 용광로에 사용될 수 있음을 보여주었습니다. 킬른과 클링커는 포함하지 않았고, 벽온도의 경계조건은 가스온도와 용액영역의 열유속에 영향을 미치므로 계산에 필요한 경계조건은 예측하지 않고 실험적 측정에 기초하였다. 기상에 대한 CFD 솔루션은 앞으로의 주요 단계이지만 회전 가마를 포괄적으로 모델링하는 데만으로는 충분하지 않습니다.

    내화물의 열 전달과 전하에 대한 세부 사항은 다양한 저자 8 , 9 , 10 , 11에 의해 조사되었습니다 . 충전물(보통 잘 혼합된 것으로 가정)은 노출된 표면에 직접 복사되는 열 외에도 전도에 의해 가마 벽에서 가열됩니다. 가장 완전한 이론적 노력에서, 가마 벽 (내화물)에 대한 3 차원 열전도 방정식을 해결하고, 두 개 또는 세 개의 인접하는 영역으로 한정 한 좌표 축 방향에서 어느 방사선 방사선 열전달 영역 모델과 결합 [ 10] 또는 자세히 해결 [11]. 그러나 클링커 형성 중에 일어나는 화학 반응은 고려되지 않았고 기체 상이 균일한 온도로 고정되어 필요한 수준의 정확도로 처리되지 않았습니다.

    최종적으로 연소에 의해 방출되는 에너지(일부)를 받는 고체 전하가 화학 반응을 거쳐 최종 제품인 클링커를 형성합니다. 이것들은 [12]에 설명된 주요 특징에 대한 단순화된 모델과 함께 시멘트 화학 문헌에서 광범위한 조사의 주제였습니다 . 그 작업에서, 고체 온도 및 조성의 축 방향 전개를 설명하는 odes가 공식화되고 해결되었지만, 전하에 대한 열유속 및 따라서 클링커 형성 속도를 결정하는 가스 및 벽 온도는 1차원으로 근사되었습니다. 자세한 화염 계산이 없는 모델.

    화염, 벽 및 장입물에 대한 위의 이론적 모델 중 어느 것도 회전식 가마 작동을 위한 진정한 예측 도구로 충분하지 않다는 것이 분명합니다. 국부 가스 온도(CFD 계산 결과 중 하나)는 벽 온도에 크게 의존합니다. 클링커 형성은 에너지를 흡수하므로 지역 가스 및 벽 온도에 따라 달라지며 둘 다 화염에 의존합니다. 벽은 화염에서 클링커로의 순 열 전달에서 “중개자” 역할을 하며, 내화재 두께에 따라 환경으로 피할 수 없는 열 손실이 발생합니다. 이러한 상호 의존성은 가마의 거동에 중요하며 개별 프로세스를 개별적으로 계산하는 데 중점을 두었기 때문에 문헌에서 발견된 수학적 모델로는 다루기 어렵습니다.

    본 논문에서 우리는 위에 설명된 유형의 세 가지 개별 모델을 결합하여 수행되는 회전식 시멘트 가마에서 발생하는 대부분의 공정에 대한 포괄적인 모듈식 모델을 제시합니다. 우리 작업은 4 , 5 , 6 , 7 에서와 같이 석탄 연소를 위한 다차원 CFD 코드로 기체 상태를 처리합니다 . 10 , 11 에서와 같이 가마 벽의 3차원 열전도 방정식을 풉니다 . 9 , 12 와 유사한 모델로 잘 혼합된 전하 온도 및 조성을 해결합니다.. 3개의 모듈(화염, 벽, 전하)은 내화물에 입사하는 열유속의 축 분포에 대해 수렴이 달성될 때까지 반복적으로 계산됩니다. 충전 온도 및 구성. 따라서 이전 작업에 비해 현재의 주요 이점은 완전성에 있습니다. 이는 가스-킬른-클링커 시스템의 다양한 부분에서 에너지 흐름의 정량화를 통해 킬른 작동에 대한 더 나은 이해를 가능하게 하고 여기에서 사용된 방법을 건조 및 소각과 같은 다른 회전 킬른 응용 분야에 적용할 수 있게 합니다.

    이 문서의 특정 목적은 회전식 시멘트 가마에 대한 포괄적인 모델을 제시하고 화염에서 클링커로의 에너지 플럭스와 가마에서 열 손실을 정량화하는 것입니다. 이 문서의 나머지 부분은 다음과 같이 구성됩니다. 2장 에서는 다양한 모델과 해법을 제시하고 3장 에서는 그 결과를 제시하고 논의한다 . 여기에는 본격적인 회전식 시멘트 가마의 제한된 측정값과의 비교가 포함됩니다. 이 논문은 가장 중요한 결론의 요약으로 끝납니다.

    2 . 모델 공식화

    2.1 . 개요

    Fig. 1 은 시멘트 로터리 킬른의 단면을 보여준다. 가마의 회전은 전하의 움직임을 유도하여 후자를 대략적으로 잘 혼합되도록 합니다 [10] , 여기에서 채택할 가정입니다. 우리는 이 코팅을 클링커와 유사한 물리적 특성의 고체 재료로 모델링하여 가마 내화물에 부착된 클링커의 존재를 허용할 것입니다. 우리는 이 층의 두께가 가마를 따라 균일하다고 가정합니다. 이것은 아마도 지나치게 단순화한 것일 수 있지만 관련 데이터를 사용할 수 없습니다. 모델 설명을 진행하기 전에 그림 2 에 개략적으로 표시된 회전식 가마의 다양한 에너지 흐름을 이해하는 것이 중요합니다 .

    석탄 연소에 의해 방출되는 에너지(단위 시간당)( 석탄 )는 배기 가스(Δ 가스 )와 함께 가마 밖으로 흘러 가마 벽에 직접 복사( rad ) 및 대류( conv )됩니다. 공급 및 배기 덕트( rad,1  + rad,2 ) 에 대한 축 방향의 복사에 의해 작은 부분이 손실됩니다 . 전하 가마 시스템은 복사( rad ) 및 대류( conv )에 의해 가스로부터 에너지(Δ cl )를 흡수 하고 주변으로 열을 잃습니다( Q 손실 ). 전체 에너지 균형에서 개별 항의 계산, 즉(1a)큐석탄=ΔH가스-Q라드-Q전환-Q일, 1-Q일, 2,(1b)큐라드+Q전환=ΔH클+Q손실여기에서 다음 섹션에 설명된 대로 가스, 가마 및 클링커에 대한 이산화 에너지를 국부적으로 해결함으로써 수행됩니다.

    2.2 . CFD 코드

    가스 운동량, 종 농도 및 에너지의 Favre 평균 방정식은 표준 k – ε 모델을 사용하여 방사 모듈(RAD-3D)과 함께 상업적으로 이용 가능한 축대칭 CFD 코드(FLOW-3D)에 의해 해결됩니다. [13] . 기하학이 실제로 3차원이고 벽 온도의 각도 분포가 존재하지만 합리적인 시간과 현재 워크스테이션에서 완전한 3으로 솔루션을 얻을 수 있도록 기체상을 축대칭으로 취급합니다. -D를 요구하는 해상도로 계산하려면 슈퍼컴퓨터에 의존해야 합니다. FLOW-3D에서 사용되는 다양한 하위 모델의 일부 기능과 벽 경계 조건에 대한 특수 처리는 다음과 같습니다.

    2.2.1 . 석탄 연소

    Rossin-Rammler 크기 분포(45μm 평균 직경, 1.3 지수 [6] )를 따르는 석탄 입자 는 CPU 시간을 줄이기 위해 솔루션 영역(즉, 확률적 구성 요소 없이)에서 결정론적으로 추적되었지만 분산을 과소 평가하는 단점이 있습니다 . 14] . 입자는 2-반응 모델에 따라 휘발되도록 허용되었고 휘발성 연소는 무한히 빠른 것으로 간주되었습니다. 석탄 연소에 대한 설명의 세부 사항은 FLOW-3D에서 석탄 휘발 및 열분해의 “표준” 상수 집합이 합리적인 결과를 제공하고 Ref. [5] .

    2.2.2 . 복사와 대류

    가스의 복사 강도는 RAD-3D 모듈을 사용하여 80,000개의 입자로 Monte-Carlo 방법으로 계산되었습니다. 가마는 반경 방향으로 7개, 축 방향으로 19개(크기가 0.1  ×  1.0 m와 0.2  ×  5.0 m 사이)로 불균일한 구역으로 나뉘었으며 각 구역 에서 방사선 강도가 균일하다고 가정했습니다. 방사선 모듈의 출력은 내부적으로 FLOW-3D에 대한 유체 계산에 인터페이스되고 외부적으로 벽 및 클링커에 대한 코드에 인터페이스되었습니다( 섹션 2.3 섹션 2.4 참조). 방사선 패키지의 이산화된 구역은 CFD 그리드의 셀보다 훨씬 커야 하므로 구역에 온도 평균이 형성될 수 있는 많은 셀이 포함될 수 있다는 점을 이해하는 것이 중요합니다. 상대적으로 조잡한 복사 구역의 분해능과 Monte-Carlo 방법의 통계적 특성은 구역의 복사 열유속이 더 미세한 구역화 및 더 많은 입자로 몇 번의 실행에 의해 결정된 바와 같이 최대 약 10%까지 부정확할 수 있음을 의미합니다. 또한 경계면에 입사하는 열유속은 영역 크기보다 미세한 분해능으로 결정할 수 없으므로 복사 열유속은 벽에 인접한 19개 영역 각각의 중심에서만 계산됩니다. 0.15m -1 의 흡수 계수는 Ref.[11] . 엄밀히 말하면, 흡수 계수는 국부적 가스 조성과 온도의 함수이므로 균일하지 않아야 합니다. 그러나 가스 조성은 가마의 일부만 차지하는 화염 내에서만 변 하므로( 3절 참조 ) 균일한 흡수 계수를 가정하는 것이 합리적입니다. 또한, 현재 버전의 소프트웨어는 FLOW-3D의 반복 프로세스 동안 이 요소의 자동 재조정을 허용하지 않습니다. 여기서 로컬 가스 특성이 계산되므로 일정하고 균일한 흡수 계수가 필요합니다.

    최종적으로, 벽에서 대류 열전달이 플로우 3D 패키지에서 표준 출력 표준 “벽 기능”제형에 혼입 난류 경계층에 대한 식에 기초하고,의 속도 경계 조건과 유사한 K – ε 모델. FLOW-3D 및 RAD-3D에서 입력으로 사용하고 출력으로 계산된 다양한 양은 그림 3에 개략적으로 표시 됩니다.

    2.2.3 . 그리드

    반경 방향 47개, 축 방향 155개 노드를 갖는 불균일한 격자를 사용하였으며 격자 독립성 연구를 수행한 결과 충분하다고 판단하였다. 유사한 크기의 그리드도 Refs에서 적절한 것으로 밝혀졌습니다. 4 , 5 , 6 , 7 . 매우 높은 축 방향 및 소용돌이 속도로 인해 석탄 버너 유정에 가까운 지역을 해결하기 위해 특별한 주의를 기울였습니다. HP 715/100MHz 워크스테이션에서 이 그리드의 일반적인 CPU 시간은 10시간이었습니다.

    2.2.4 . 경계 조건

    벽 온도에 대한 경계 조건은 기체상 및 복사 솔버 모두에 필요하다는 것을 인식하는 것이 중요합니다. 아래에서는 4 , 5 , 6 , 7 을 규정하기 보다는 축대칭 그리드에 대한 이 온도 분포를 예측하는 대략적인 방법을 설명합니다 .

    내벽 온도 w ( in , x , ϕ ) 의 각도 분포 가 알려져 있다고 가정합니다 . 그런 다음 전체 3차원 문제를 “동등한” 축대칭 문제로 줄이기 위해 가상의 내벽 온도 RAD ( x )는(2)2πε에티4라드(x) = ε클∫0ㄷ티4클(엑스)디ϕ + ε에∫ㄷ2π티4에(아르 자형~에, x, ϕ)디ϕ”효과적인” 경계 조건으로 사용할 수 있습니다. RAD ( x )는 방위각으로 평균화된 “복사 가중” 온도입니다. 필요한 경계 조건으로 이 온도를 사용하는 것은 복사가 열 전달을 지배한다는 기대에 의해 동기가 부여됩니다(후반부 확인, 섹션 3.4 ). 따라서 전체 3차원 문제와 이 “유효한” 축대칭 문제에서 가스에서 가마로의 전체 에너지 흐름은 거의 동일할 것으로 예상됩니다.  의 사용 (2) 축대칭 코드로 기체상 및 복사장을 계산할 수 있으므로 엔지니어링 워크스테이션을 사용하여 문제를 다루기 쉽습니다.

    고려되는 가마의 규모와 온도에서 가스는 광학적으로 두꺼운 것으로 간주될 수 있습니다. 솔루션(나중에 제시됨)은 평균 경로 길이(즉, “광자”의 모든 에너지가 흡수되기 전의 평균 길이)가 약 3.2m임을 보여주며, 이는 가마 내경 4.1m보다 작습니다. 이것은 내벽에 입사하는 복사 플럭스가 국부적 벽과 가스 온도에 강하게 의존하고 더 먼 축 또는 방위각 위치에서 벽의 온도에 약하게만 의존함을 의미합니다. 이것은 기체상에 사용된 축대칭 근사에 대한 신뢰를 줍니다. 그것은 또한 Refs의 “구역 방법”을 의미합니다. 8 , 9 , 10표면에 입사하는 방사선이 1-2 구역 길이보다 더 먼 축 위치와 무관한 것으로 간주되는 경우에는 충분했을 것입니다.

    2.3 . 가마 온도

    내부 소성로 표면 온도 w ( in , x , ϕ )는 Eq. 에서 필요합니다 (2) 및 가마 벽 에너지 방정식의 솔루션 결과의 일부입니다. 각속도 ω로 회전하는 좌표계 에서 후자는 [10] 이 됩니다 .(3)ω∂(ϱ에씨피티에)∂ϕ=1아르 자형∂∂아르 자형에게에아르 자형∂티에∂아르 자형+1아르 자형2∂∂ϕ에게에∂티에∂ϕ+∂∂엑스에게에∂티에∂엑스경계 조건에 따라(3a)r=R~에,Θ<ϕ⩽2π:에게∂티에∂아르 자형=q라드(x)+q전환(엑스),(3b)r=R~에, 0 <ϕ⩽Θ:에게∂티에∂아르 자형=qw–cl(x, ϕ) = hw–cl티클(x)-T에(아르 자형~에, x, ϕ),(3c)r=R밖, 0 <ϕ⩽2π:.케이∂티에∂아르 자형=h쉿티쉿-T∞+ ε쉿티4쉿-T4∞.

    전도도, 밀도 및 비열용량에 대한 값은 실제 가마에 사용되는 내화물 재료에 대한 제조업체 정보에서 가져옵니다 [15] . 외부 쉘 온도 sh = w ( out , x , ϕ )는 x 및 ϕ 에 따라 달라질 수 있습니다 .

    위 방정식에 대한 몇 가지 의견이 있습니다. 에서는 식. (3a) 에서 열유속의 방위각 의존성이 제거되었습니다. 이전에 언급했듯이 흐름은 광학적으로 두꺼운 것으로 간주됩니다. 즉, 화염이 너무 방사되고 너무 넓기 때문에 벽면 요소가 화염을 가로질러 반대쪽 벽을 “보지” 않습니다. 따라서 rad ( x , ϕ ) 의 계산은 다른 각도 위치로부터의 복사를 포함할 필요 없이 가스 ( r , x ) 및 로컬 w ( in , x , ϕ )를 기반으로 할 수 있습니다. 여기부터 qrad ( x )는 Eq. 의 방위각 평균 온도를 기반으로 하는 축대칭 RAD-3D 솔루션에서 가져옵니다 (2) , 결과적인 rad ( x )는 어떤 의미에서 방위각으로 평균된 열유속입니다. 식 따라서 (3a) 는 우리가 이 열유속을 모든 ϕ 에 등분포한다는 것을 의미합니다 . Eq 에서 rad 의 각도 변화를 무시한다는 점에 유의하십시오 . (3a) 는 Refs. [10] 또는 [11] 이 우선되어야 합니다.

    소성로와 장입물 사이의 열전달 계수 w-cl 은 소성로의 에너지 흐름과 온도를 정확하게 예측하는 데 중요하지만 잘 알려져 있지 않습니다. 500 W / m의 전형적인 값  K는 여기에 제시된 결과 사용되고있다 [8] . 계산된 w ( r , x , ϕ ) 및 RAD ( x) 이 계수의 선택에 따라 달라지지만 예측은 질적으로 변하지 않습니다. 껍질에서 대기로의 열 전달은 복사와 별도로 강제 및 자연 대류를 통해 발생합니다. 자연 대류에 대한 열전달 계수는 Ref. [11] , 현재 조건에서 약 5 W/m 2 K의 일반적인 값 을 사용합니다. 그러나 쉘에 불어오는 외부 팬은 과열을 피하기 위해 산업에서 종종 사용되며 이러한 효과는 총 sh =30 W/m 2 K 를 사용하여 여기에서 모델링 되었습니다. 방사율에는 다음 값이 사용되었습니다. ε w = ε cl = 0.9 및 ε sh = 0.8.

    식 (3) 은 가마의 방사형 기울기가 훨씬 더 가파르기 때문에 방위각 및 축 전도를 무시한 후 명시적 유한 체적 방법으로 해결되었습니다. 방사형으로 50개 노드와 축 방향으로 19개 노드가 있는 균일하지 않은 그리드가 사용되었으며 회전으로 인한 화염에 주기적으로 노출되는 표면으로 인해 발생하는 빠른 온도 변화를 따르기 위해 내부 표면에서 적절한 방사형 분해능이 사용되었습니다. 동일한 이유로 사용 된 작은 단계(Δ ϕ = π /100)는 가마의 큰 열 관성과 함께 가마 벽 온도가 수렴되도록 하기 위해 2시간 정도의 CPU 시간이 필요했습니다.

    2.4 . 수갑

    가마에 대한 모델의 마지막 부분은 클링커 온도 및 조성 보존 방정식에 관한 것으로, 축 방향 기울기만 고려하고 전도는 무시합니다.(4)씨피V클디(ϱ클티클)디엑스=−엘wclㄷㅏ클∫0ㄷ큐w–cl(x, ϕ)디ϕ +엘gclㅏ클큐라드(x)+q전환(엑스)−∑나Nsp아르 자형나시간0, 나는에프+씨피티,(5)V클디(ϱ클와이나)디엑스=r나,(6)V클디ϱ클디엑스=−r무엇2,여기서 cl 은 속도 cl 로 흐르는 전하가 덮는 단면적 이며 둘 다 일정하다고 가정하고 gcl =2 in sin( Θ /2) 전하로 덮인 섹터의 현( 그림 1 ) , WCL = Θ 에서는 , SP 화학 종의 수와 r에 난을 (kg / m의 형성 속도 순 3 종의) I를 . 전하의 밀도는 Eq를 감소시킵니다 (6) CO 2 에 대한 질량 손실로 인한하소하는 동안 초기 값은 총 질량 유량이 ϱ cl cl cl 과 같도록 선택되었습니다 . 참고 ρ (CL)이 있다 하지 전하 느슨하게 포장 된 입자로 이루어지는 것으로 생각 될 수있는 바와 같이, 충전 재료 밀도하지만 벌크 밀도. 우리는 또한 전하의 실제 입상 흐름 패턴을 조사하는 것보다 적은 것은 모델의 신뢰성에 크게 추가되지 않는 임시 설명 [10] 이라고 믿기 때문에 전하의 전도를 무시 합니다. 전하는 CaCO 3 , CaO, SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe 로 구성된 것으로 가정합니다.2 O 3 , C2S, C3S, C3A 및 C4AF로, 마지막 4종은 클링커화 중에 형성된 복합 염에 대해 시멘트 화학자가 사용하는 특수 표기법으로 표시됩니다. 다음과 같은 화학 반응을 가정합니다 [12] .

    (나)CaCO3→높은+무엇2k = 108특급(−175728/RT)
    (Ⅱ)높은+2SiO2→C2Sk = 107특급(−240000/RT)
    (Ⅲ)높은+C2S→C3Sk = 109특급(−420000/RT)
    (IV)3높은+로2그만큼3→C3Ak = 108특급(−310000/RT)
    (V)4높은+로2그만큼3+철2그만큼3→Q4AFk = 108특급(−330000/RT)

    상기 시행 착오에 의해 선택되는 아 레니 우스 식에 사용되는 사전 지수 인자 및 활성화 온도는 카코에 대한 활성화 에너지를 제외하고, 가마의 출구에서의 전하의 예상 조성물을 얻었다 (3) 에서 촬영 한 분해 참조 [16] . 우리는 이러한 반응이 임시 모델임을 강조합니다. 실제로 고체상의 화학반응은 다양한 종의 결정들 사이의 계면에서 일어나며 확산이 제한적 이지만 [17] , 클링커 화학에 대한 상세한 처리는 본 연구의 범위를 벗어난다.

    클링커 형성의 마지막 단계로 간주되는 반응 (III)은 고온에서 액상이 존재할 때만 발생합니다. 클링커의 용융은 액체 분획 fus 에 대해서도 해결함으로써 모델링되었습니다 .(7)엘소란V클디(ϱ클와이소란)디엑스=RHS의식(4)만약 T의 CL이 융해 온도와 같거나보다 커진다 T의 FUS 와 T의 FUS 의 = 1560 K. 상한 Y의 FUS = 0.3 수행 하였다 [17] 상기 식을. (7) 무시되었다.

    상미분 방정식, , Gear 방식과 통합되었습니다. 가마 온도에 대한 유한 체적 코드( 2.3절 )와 클링커에 대한 코드는 반복적으로 해결되었으며( 그림 4 ), 이는 벽 클링커 열유속 w–cl ( x , ϕ ).

    2.5 . 최종 커플링

    전체 문제(가스, 가마, 장입)는 반복 방식으로 해결되었습니다. RAD 의 균일한 분포에서 시작 하여 기체상은 rad ( x ) 및 conv ( x ) 의 축 분포를 제공하도록 해결되었습니다 . 이것들은 다음에서 사용되었습니다., 그 솔루션의 새로운 추정 결과 RAD ( X 통해) 식. (2) . 그런 다음 FLOW3D-RAD3D 실행이 6차 다항식 피팅의 계수 형태로 프로그램에 도입된 새로운 경계 조건으로 반복되었습니다. 의 연속 추정치 사이에 0.5 미만의 밑에 이완 인자 RAD ( X)는 벽 온도에 대한 복사 열유속의 민감도가 크기 때문에 필요한 것으로 밝혀졌습니다. 일반적으로 HP 715 워크스테이션에서 10일 정도의 총 CPU 시간에 해당하는 내벽 온도(연속 반복이 40K 이상 변하지 않을 때 정의됨)의 수렴을 달성하기 위해 이러한 단계 사이에 약 10번의 반복이 필요했습니다. . 그림 5 는 균일한 값(1600K)에서 시작하여 최종 프로파일까지 RAD ( x ) 의 수렴 이력을 보여줍니다 .

    2.6 . 가마 조건

    사용된 일부 매개변수에 대한 작동 조건 및 값은 표 1 표 2 표 3에 나와 있습니다. 이 값은 시멘트 회전 가마의 전형입니다.

    표 1 . 공기 및 석탄 입자 입구 조건

    수송소용돌이중고등 학년석탄
    m (kg/s)2.2531.7592.91045.9304.0
     (m/s)77.136.576.112.7336.5
    V (m/s)−20.7063.900
    W (m/s)00112.800
     (케이)3183833181273383

    표 2 . 클링커 조성(질량 분율)

    밀가루가마 입구가마 출구
    m (kg/s)50.37439.81532.775
     (케이)11001785
    CACO 30.79470.402180
    높은00.338010.0229
    그런가 20.14340.181430
    알 2 O 30.03490.04420
    철 2 O 30.02700.034160
    C2S000.1808
    C3S000.5981
    C3A000.0731
    Q4AF000.1242
    소성 인자00.61.0

    소성 계수 카코의 비율을 3 의 CaO로 변환 된 FARINE있다.

    표 3 . 재료 속성 및 기타 매개변수

    ω (래드/초)0.5
    V의 CL (m / s)0.035
     (K)300
    sh (W/m 2 K)30
    w–cl (W/m 2 K)500
    ε w , ε cl0.9
    ε 0.8
    C의 P (클링커) (킬로 / kg K)1.5
    ϱ cl (kg/m 3 )1200
    fus (kJ/kg)418.4
    p (벽) (kJ/kg K)1.5
    ϱ w (kg/m 3 )1600–3000
    k는 w (W / m K)0.6–3.0
    석탄 열 방출(kJ/kg)25475

    3 . 결과 및 토론

    이 섹션에서는 먼저 화염 구조에 대한 정보와 함께 예측된 공기역학적 패턴의 세부사항을 제시합니다. 소성로 내화물의 온도 분포와 클링커 조성의 변화를 설명합니다. 이 섹션은 가마의 전체 에너지 균형과 가능한 모델 개선에 대한 논의로 끝납니다.

    3.1 . 화염 구조

    그림 6 은 명확성을 위해 방사상 좌표가 과장된 온도의 등고선 플롯을 보여줍니다. 석탄은 주입 지점에서 약 1m 지점에서 약간 축에서 벗어나 점화되며 최대 화염 온도(약 2400K)는 경험에 따라 약 40m 하류에서 도달합니다 [15] . 완전한 입자 소진에 대한 가장 긴 시간은 버너에서 45m에 해당하는 약 1.4초였습니다. 방사형 온도 프로파일( 그림 7 ) 은 온도의 상당한 불균일성이 있음을 보여주지만 출구 프로파일이 본질적으로 평평해짐에 따라 하류에서 감소합니다. 또한 벽에 인접한 가스가 더 차가운 열 경계층이 존재한다는 것이 분명합니다.석탄 노즐에서 최대 30m까지 벽보다 이것은 이 영역에서 대류에 의한 열 전달이 음(즉, 기체 쪽으로)임을 의미하며, 3.4절 에서 더 자세히 논의된 지점 입니다.

    버너 출구 바로 하류에 길이가 약 1 버너 직경인 재순환 구역이 있는데( 그림 8 ), 여기에서 화염이 더 하류에서 발화하기 때문에 소용돌이 안정화 화염 [7] 에서와 같이 화염 안정화에 기여하지 않습니다 . 그러나 액체 연료를 사용할 때는 중요할 수 있으므로 버너에 가까운 그리드의 세부 사항을 강조해야 합니다. 버너에서 처음 몇 미터는 매우 높은 전단력과 높은 난류 에너지 생산을 포함하며 이것이 그리드 미세 조정을 강조하는 또 다른 이유입니다. 휘발성 물질 연소 영역( x =10m, r =1m) 에서 k 및 ε 의 일반적인 예측 값 은 24.3 및 142m 2 /s입니다.3 , 각각. 대규모 난류 시간은 171ms이고 Kolmogorov 시간 규모는 1.1ms입니다. 휘발성 물질의 연소는 0.1ms(일반적인 탄화수소 연료) 정도의 시간 규모에서 발생하며, 이는 가마의 소규모 난류 시간보다 10배 더 짧습니다. 따라서 이 흐름에서 연소에 대한 유한 속도 동역학을 포함할 필요는 없으며 “혼합 연소” 근사가 합리적입니다.

    3.2 . 가마 온도 분포

    중심선에서 계산된 가스 온도, 온도 RAD ( x ) 및 클링커 온도는 그림 9 에서 비교됩니다 . 최고 가스 온도는 25~40m 사이에 위치하며 내화 내부 표면 온도도 최고점입니다. 클링커는 놀랍게도 가마에서 나오기 전 마지막 몇 미터 동안 벽보다 뜨겁 습니다. 복사에 의해 내화물에 입사하는 열유속은 대류에 의한 것보다 1-2 배 더 높으며( 그림 10 ) 가마의 처음 10m에 대한 총 열 전달 은 가스를  합니다. 이 관찰의 중요성은 나중에 논의됩니다.

    대류로 인한 에너지 플럭스는 화염에서 가마까지의 전체 에너지 플럭스의 매우 작은 부분인 것으로 밝혀졌습니다( 그림 10 ). 여기서 예측된 대류의 작은 기여는 Ref. [11] . 그 작업에서 대류 열 전달 계산에 사용된 가스 온도는 가마 단면의 평균이었고 따라서 축 근처에 있는 화염의 기여로 인해 벽 부근의 온도보다 훨씬 높았습니다. . 여기에서 우리는 온도와 가스 속도 및 난류 운동 에너지의 국부적 값을 기반으로 하는 보다 정확한 열전달 계수를 사용했기 때문에 보다 정확한 결과를 기대합니다.

    예측된 벽 온도는 모든 방향에서 불균일합니다. Fig. 11 은 가마가 회전함에 따라 화염에 노출되었을 때 벽이 가스에 의해 연속적으로 가열되고 클링커에 열을 공급하여 냉각되는 것을 보여준다. 이것은 약 100K의 일반적인 각도 온도 변화를 갖는 대부분의 가마 길이에 해당됩니다. 대조적으로 버너에 가까우면 벽 은 (0 < ϕ < π /2) 동안 클링커에서 열을 얻고 다음으로 열을  습니다. 노출될 때의 가스( π /2 < ϕ < 2 π ). 벽과 클링커 온도가 같으면서 방위각 변화가 없는 경우가 발생할 수 있습니다( 그림 11 ,        x = 17.5m). 이 온도 변화가 작은 것으로 간주될 수 있지만 벽에서 클링커까지의 열유속을 계산하는 위치에 있으려면 전체 3차원 내벽 온도 분포를 계산해야 합니다(0  < ϕ 범위에서 발생 < π /2).   

    그림 12 는 ϕ에 독립적인 외부(쉘) 온도와 함께 고체의 큰 비열로 인해 각도 방향의 변화 영역이 벽으로 약 1cm만 확장됨을 보여줍니다( 그림 12b) .. 벽 온도 방사 분포는 가스 온도, 입사 방사선 및 내화 재료의 특성이 변하기 때문에 축 방향 거리에 따라 달라집니다. 정확한 예측을 위해서는 내화물에 부착된 클링커 코팅의 두께에 대한 정확한 지식이 필요합니다. 여기에서 우리는 이 코팅을 클링커와 유사한 물성을 가진 균일한 두께의 재료로 취급했습니다. 그러나 이 코팅층의 실제 물리적 특성과 두께 분포에 관한 실험 데이터를 사용하여 예측의 신뢰성이 향상될 것입니다.

    마지막으로, 그림 13 은 외부 쉘 온도가 화염 영역에서 최고조에 달하고 대략적으로 실험 경향을 따른다는 것을 보여줍니다 [15] . 외부 가마 외피는 다양한 강철 두께, 방사율(외피 착색으로 인한) 및 열 전달 계수(송풍기 간격으로 인한)를 갖고 가마는 가변 내화 두께(에 의한 침식으로 인해)를 갖기 때문에 정확한 비교는 의미가 없습니다. 클링커), 여기에 사용된 가정과 반대입니다. 전체 규모 가마는 또한 차등 코팅 및 내화 침식으로 인한 최대 ±100K의 쉘 온도 각도 변동을 보여줍니다 [15] . 따라서 우리는 그림 13 의 일치 가 실제 가마의 복잡성을 고려할 때 예상할 수 있는 만큼 우수 하다고 믿습니다 .

    이 섹션에 제시된 예측은 가마 내부의 열 전달 경로에 대한 다음 그림을 뒷받침합니다. 대부분의 가마 길이에서 장입물은 화염으로부터의 복사와 벽으로부터의 열 전도에 의해 가열되고 있습니다. 장입물이 내화물보다 더 차갑기 때문입니다. 가마가 회전함에 따라 내화물은 화염에 노출될 때 열을 얻고 이를 클링커에 공급합니다( 그림 11 ). 벽의 이 “재생” 작용은 Refs. 9 , 10 및 현재 결과에서 재현되었습니다. 그러나 버너 근처에서 반대 에너지 흐름이 발생합니다( 그림 11 , 작은 x). 여기의 가스는 아직 충분히 뜨겁지 않아 내화물이나 장입물에 에너지를 공급하지 않습니다. 이 영역에서 벽은 다가오는 전하에 의해 열을 얻으므로 고체가 없을 때보다 더 뜨겁게 유지됩니다. 벽과 전하가 대류와 복사에 의해 가스에 열을 공급합니다. 우리는 이것을 “음의 재생” 작용으로 식별할 수 있으며 가마의 더 높은 온도 영역( x  >  15m) 에서 클링커에 의해 흡수된 에너지에 의해 유지됩니다 . 전반적으로 클링커는 x  >  15 m 에서 열을 흡수 하고 0  < x < 15 m 에서 일부를 가스로 되돌려 줍니다.   

    이 상호 작용은 간단하지 않으며 쉽게 예상할 수 없습니다. 이는 예를 들어 고체를 액체 연료로 대체하여 화염을 수정하면 열유속 분포를 변경하여 최종 클링커 온도에 중대한 영향을 미칠 수 있음을 의미합니다. 현재의 포괄적인 모델이 제공하는 세부 사항은 가마에서 이러한 변화를 평가하는 데 도움이 될 것입니다.

    3.3 . 클링커 온도 및 조성

    클링커 온도( 그림 9 )는 가장 높은 화염 온도에 도달하는 축 방향 위치에서 거의 최고조에 달하며 클링커는 약 1780K에서 킬른에 존재하며 이는 시멘트 킬른에서 실험 측정값에 가까운 값입니다 [15] . 초기 및 최종 클링커 조성은 표 2 에 나와 있으며 실제 가마에서 작동 값에 가깝습니다 [15] . 다양한 클링커 성분의 축방향 분포( 그림 14 )는 완전한 하소를 위해 고체 유입구에서 약 25m, C2S, C3A 및 C4AF 생성을 위해 추가로 10m가 소요됨을 보여줍니다. 첫 번째 액체상은 x 에서 발견됩니다.=50m이고 액화는 경험과 일치하는 예측인 매우 직후에 완료됩니다 [17] . 클링커화 반응(R-III)은 모델에서 액체가 나타날 때 시작되는 것으로 가정되었으며, 그림 14 에서 클링커화에는 나머지 길이의 거의 전체가 완료되어야 한다는 것이 분명 합니다. 예측은 전체적으로 시멘트 가마 운영의 경험과 일치하며 여기에 사용된 화학적 및 물리적 매개변수가 현실적인 값을 가지고 있음을 의미합니다.

    3.4 . 글로벌 에너지 균형

    전지구적 에너지 균형은 기체상(FLOW-3D 및 RAD-3D에 의한)과 소성로 장입 시스템에 대한 솔루션에서 쉽게 계산할 수 있으며 표 4 에 나와 있습니다. CFD 코드는 방사 모듈과 함께 에너지를 약 2%까지 절약합니다. 작은 것으로 간주되는 이 오류는 주로 RAD-3D의 영역 이산화와 Monte-Carlo 계산의 유한한 입자 수로 인해 발생하는 오류에 기인하며 CPU 시간을 희생하여 개선할 수 있습니다. 소성로-클링커 계산의 정확도는 더 나쁩니다. 소성로-클링커 시스템에 입력되는 에너지의 약 10% 오류( rad  + conv )입니다. 이는 수렴된 솔루션이 식 (3) , 그리고 보다 정확한 암시적 솔버에 의해 개선될 수 있습니다.

    표 4 . CFD 그리드 및 가마-클링커 조합에 대한 글로벌 에너지 균형

    가스(MW)
    라드 , 1−2.47
    라드 , 2−2.72
    큐 라드−57.12
    전환0.04
    석탄101.2
    Δ 가스41.25
    균형2.32
    가마 클링커
    큐 라드57.12
    전환−0.04
    손실−10.45
    Δ H의 CL40.99
    균형5.64

    에너지 흐름의 정의는 그림 2 를 참조하십시오 .

    시멘트 회전식 가마의 에너지 사용에 관한 몇 가지 흥미로운 결론은 표 4 의 결과를 통해 얻을 수 있습니다 . 연소에 의해 방출되는 에너지의 약 40%는 전하 가열 및 클링커 형성에 필요하고 약 10%는 내화물을 통해 대기로 손실됩니다. 나머지의 대부분은 본질적으로 배기 가스와 함께 소성로 밖으로 흐릅니다. 이 중 일부는 소성로 외부의 예비 하소기 및 사이클론에서 회수됩니다. 내부 가마 벽과 장입 온도를 자세히 다루는 여기에 제시된 포괄적인 모델에 의존하지 않고는 국지적 가스 온도를 정확하게 예측하고 이에 따라 향후 연구에서 오염 물질 형성을 예측하는 것이 불가능하다는 것이 분명합니다.

    3.5 . 논의

    여기에 제시된 회전식 시멘트 가마 작동에 대한 포괄적인 모델의 결과는 합리적이며 실험적으로 관찰된 경향을 재현합니다. 이전 모델링 작업에 비해 이 작업의 주요 이점은 가마에서 발생하는 대부분의 물리적 프로세스를 포함한다는 점입니다. 특히, 가스 온도와 클링커로의 열유속 및 이에 따른 클링커 형성을 결정하는 데 가장 중요한 양인 내벽 온도는 실험 데이터를 사용하여 규정된 것이 아니라 예측되었습니다. 이 특정 기능은 현재 모델을 진정한 예측형으로 만듭니다.

    우리는 전체 3차원 문제를 공기역학에 대한 “동등한” 축대칭 문제로 줄이는 방법을 포함했습니다( 식 (2) ). 이를 통해 현재 워크스테이션에서 솔루션을 얻을 수 있습니다. 모델의 모듈식 특성, 즉 공기역학, 복사, 가마 및 장입에 대한 별도의 코드는 해당 모듈만 수정하면 다른 회전 가마 응용 프로그램(예: 소각 및 건조)에도 사용할 수 있음을 의미합니다. 예를 들어, 고형 폐기물의 소각은 현재 코드로 모델링할 수 있지만 적절한 화학.

    실험 데이터와의 상세한 비교는 이용 가능한 측정이 거의 없고 현지 시멘트 회사에서 제공한 경험적 데이터로 제한되어 매우 어렵습니다 [15] . 비교는 앞서 지적한 바와 같이 출구 클링커 조성과 온도가 산업적 경험( 표 2 ) 이내 이고, 배기 가스 조성은 공장 굴뚝에서 측정된 값에 가깝고(“가짜 공기” 희석을 허용한 후), 가마 외피 온도는 측정 범위 내에 있습니다( 그림 13 ). 이 동의는 모델이 프로세스의 정확한 표현임을 시사합니다.

    더 높은 정확도의 예측을 달성하려면 모델의 다양한 부분에서 개선이 필요합니다. 내화물의 정확한 두께(즉, 내화물과 부착된 클링커)를 설정해야 합니다. 이는 가마 벽을 통해 주변으로 열 손실이 발생하여 외부 쉘 온도에 영향을 미치기 때문입니다. 새 내화물이 있는 가마에서 쉘 온도 측정과 자세한 비교가 이루어져야 합니다(불균일한 코팅 두께가 방지되도록). 벽 재료의 물리적 특성(열용량, 밀도, 전도도)의 적절한 값을 사용해야 합니다. 가장 큰 불확실성은 클링커 코팅의 가정된 특성에 관한 것입니다. 내벽 표면의 방사율과 가스의 흡수 계수를 더 자세히 조사해야 합니다. 가마에 입사하는 복사 열유속에 영향을 미치므로 벽 온도에 영향을 줄 수 있습니다. 클링커의 온도는 사용된 비열 용량에 따라 달라지므로 정확한 평가에 각별한 주의가 필요합니다. 화염의 국지적 온도와 종 구성에 대한 지식은 CFD 코드를 검증하는 데 매우 유용할 것이지만 그러한 적대적인 환경에서 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다. 그러한 적대적인 환경에서의 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다. 그러한 적대적인 환경에서의 측정은 분명히 달성하기 매우 어렵습니다. 마지막으로 클링커 화학 및 전하 이동은 개선할 수 있는 영역입니다.

    이러한 모든 잠재적 개선과 모델과 관련된 불확실성에도 불구하고 가마의 모든 에너지 경로가 적절한 세부 사항으로 모델링되었기 때문에 전체 동작은 최소한 질적으로 정확합니다. 클링커 출구 구성, 쉘 온도 및 배기 가스 구성과 같은 중요한 양은 허용 가능한 정확도로 예측됩니다. 이 모델은 버너, 연료 유형, 품질 및 수량, 예비 하소 수준( 표 2 ) 또는 고형물 유량 등의 변경과 같은 많은 상황에서 산업계에 매우 유용할 것으로 예상됩니다 . 소성로 운영자는 최종 클링커 구성이 여전히 허용 가능하고 현재의 포괄적인 모델이 이 방향에 도움이 될 수 있는지 확인해야 합니다.

    4 . 결론

    실제 작동 조건에서 석탄 연소 회전 시멘트 가마의 클링커 형성은 석탄 화염과 가마 사이의 열 교환, 가마와 역류 고체 사이의 열 교환, 고형물을 최종 제품(클링커)으로 변환합니다. 방사선에 대한 Monte-Carlo 방법을 포함하는 축대칭 CFD 코드(상용 패키지 FLOW-3D)가 기상에 사용되었습니다. 가마 벽의 온도는 유한 체적 열전도 코드로 계산되었으며 클링커에 대한 종 및 에너지 보존 방정식도 공식화 및 해결되었습니다. 기체 온도 필드에 대한 예측 사이의 반복적인 절차, 벽에 대한 복사 열 유속, 가마 및 클링커 온도는 실험에서 이러한 정보를 사용한 이전 모델링 노력과 달리 내벽 온도 분포를 명시적으로 계산하는 데 사용되었습니다. 접선 좌표에 대한 통합은 CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용되는 “유효” 내벽 온도의 축 분포를 초래했습니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다. CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용됩니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다. CFD 코드에 필요한 경계 조건으로 사용됩니다. 이 절차를 통해 클링커로의 열 흐름 계산이 가능하고 축대칭 CFD 코드로 3차원 문제를 대략적으로 처리할 수 있습니다.

    결과는 복사가 가스와 가마 벽 사이의 대부분의 열 전달을 설명하는 반면 내화물을 통한 환경으로의 열 손실은 입력 열의 약 10%를 설명한다는 것을 보여줍니다. 화학 반응과 충전물의 가열은 연소 에너지의 약 40%를 흡수합니다. 따라서 이러한 사항을 반드시 고려해야 합니다. 예측은 실제 규모의 시멘트 가마에서 얻은 경험과 측정값을 기반으로 한 경향과 일치합니다.

    감사의 말

    이 작업은 과학 및 기술을 위한 그리스 사무국 프로젝트 EPET-II/649의 자금 지원을 받았습니다. Mr.P에게 진심으로 감사드립니다. 시멘트 가마에 관한 지침 및 데이터는 그리스 TITAN SA의 Panagiotopoulos에게 문의하십시오.

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    1 Also at Department of Mechanical Engineering, University of Patras, Greece.

    2 Also at Department of Chemical Engineering, University of Patras, Greece.

    Figure 1 Location map of barrier lakes, Sichuan-Tibet region, China

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

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

    Abstract

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    Keywords

    dammed lake, regional ecology, flood simulation, habitat quality

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

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

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

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

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

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

    Abstract

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

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

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

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

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

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    Watershed area

    Analysis on inundation characteristics by compound external forces in coastal areas

    연안 지역의 복합 외력에 의한 침수 특성 분석

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

    ABSTRACT

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

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

    MAIN

    1. 서 론

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

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

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

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

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

    2. 연구 방법

    2.1 연안 지역의 침수 영향 인자

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

    Table 1.

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

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

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

    2.2 복합 외력을 고려한 침수 모의 방법

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

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

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

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

    2.3 침수 분석 대상지역

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

    Table 2.

    Target region for inundation analysis

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

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

    Watershed area

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

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

    3. 연구 결과

    3.1 침수 모의 모형 구축

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

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F3.jpg
    Fig. 3.

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F4.jpg
    Fig. 4.

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

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

    3.2 침수 모의 설정

    3.2.1 분석 방법

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

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

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

    Table 3.

    Simulation condition and method

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

    3.2.2 복합 재해의 동시 고려

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

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

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F5.jpg
    Fig. 5.

    Consideration of external force conditions with different durations

    3.2.3 XP-SWMM의 월파량 고려

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

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F6.jpg
    Fig. 6.

    Considering wave overtopping on XP-SWMM

    3.3 침수 모의 결과

    3.3.1 단일 외력에 의한 침수 모의 결과

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

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F7.jpg
    Fig. 7.

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

    3.3.2 복합 외력에 의한 침수 모의 결과

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

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F8.jpg
    Fig. 8.

    Simulation results by compound external forces

    3.4 결과 고찰

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

    Table 4.

    Impact evaluation for inundation area by external force

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

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

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

    /media/sites/kwra/2021-054-07/N0200540702/images/kwra_54_07_02_F9.jpg
    Fig. 9.

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

    4. 결 론

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

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

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

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

    Acknowledgements

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

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