mornig glory test

Numerical Modelling of Flow in Morning Glory Spillways Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 모닝 글로리(Morning Glory) 월류수문에서의 유동 수치 모델링

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 모닝 글로리(Morning Glory) Spillway는 댐의 수위 조절 및 홍수 방지를 위해 사용되는 원형 월류수문이다.
    • 기존 설계에서는 부유물(Suspended Load)의 영향을 간과하는 경우가 많았으며, 이는 설계 가정에 큰 변화를 초래할 수 있다.
    • 부유물 함유 흐름은 물의 밀도를 변화시켜 수문 성능에 영향을 미칠 수 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 사용하여 모닝 글로리 수문에서의 부유물 농도 변화가 유량(Flow Discharge)에 미치는 영향을 평가.
    • 3000, 6000, 9000, 12000 ppm의 부유물 농도를 적용하여 수문 상부에서 다양한 수위 조건에서의 유량 변화를 분석.
    • 수치 모델 결과를 물리적 모델 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D의 예측 성능을 검증.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D 소프트웨어의 VOF(Volume of Fluid) 기법 및 FAVOR(Fractional Area-Volume Obstacle Representation) 기법을 사용하여 유동 및 고체 경계 시뮬레이션.
    • k-ε 및 RNG 난류 모델을 사용하여 난류 효과를 모델링.
    • 모닝 글로리 수문 설계:
      • 해라즈(Haraz) 댐의 모닝 글로리 Spillway를 모델링.
      • Solidworks 소프트웨어를 이용해 3D 모델링을 수행하고, FLOW-3D에 가져와 수치 시뮬레이션을 설정.
    • 부유물 농도 설정:
      • 3000, 6000, 9000, 12000 ppm의 부유물을 흐름에 추가하여 유량 변화 분석.
      • 부유물 농도가 증가함에 따라 점도 및 유체의 물리적 특성이 변화함을 고려.
  2. 경계 조건 설정
    • 입출구 및 벽면 경계 조건:
      • 입구(Inlet): 유량 조건을 일정하게 유지.
      • 출구(Outlet): 자유 유출 조건을 적용.
      • 벽면(Wall): 비투과성(Impermeable) 경계 조건 설정.
    • 공기-물 경계:
      • 자유 수면(Free Surface) 조건을 적용하여 공기와의 접촉을 고려.

주요 결과

  1. 부유물 농도 증가에 따른 유량 변화
    • 순수 물(부유물 없음) 상태에서의 평균 유량: 600 m³/s.
    • 부유물 농도에 따른 유량 감소 효과:
      • 3000 ppm: 평균 유량 605 m³/s, 유량 감소 3.8%.
      • 6000 ppm: 평균 유량 575 m³/s, 유량 감소 87.12%.
      • 9000 ppm: 평균 유량 575 m³/s, 유량 감소 7.18%.
      • 12000 ppm: 평균 유량 483 m³/s, 유량 감소 26%.
    • 부유물 농도가 증가할수록 수문을 통과하는 유량이 감소하며, 이는 부유물이 물의 점도 증가 및 밀도 변화에 따른 흐름 저항 증가에 기인.
  2. 유동 패턴 및 수문 성능 변화
    • FLOW-3D 시뮬레이션에서 부유물 농도가 증가할수록 유동의 안정성이 감소.
    • 특히 터널 및 월류수문 목(Throat) 부분에서의 유량 변화가 뚜렷하게 나타남.
    • 수문 상부에서의 월류 유속 감소와 혼합 층의 두께 증가가 관찰됨.
  3. FLOW-3D 모델의 신뢰성 평가
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 결과 간 높은 일치도 확인.
    • 모델 검증 결과, 예측된 유량 변화가 물리적 실험과 평균 5% 이내의 오차율을 보임.
    • 이는 FLOW-3D가 복잡한 부유물 흐름을 정확하게 모델링할 수 있음을 의미.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 소프트웨어는 모닝 글로리 월류수문의 부유물 농도 변화에 따른 유량 감소를 정확히 예측할 수 있음.
    • 부유물 농도가 높을수록 유량 감소율이 증가하며, 특히 12000 ppm에서는 평균 26%의 유량 감소가 나타남.
    • 이는 댐 설계 및 운영 시 부유물 농도를 고려해야 함을 시사하며, 월류수문의 성능을 보장하기 위한 설계 기준 마련 필요.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 부유물 크기 및 형태에 따른 유량 변화 추가 연구 필요.
    • 다양한 수문 형상 및 경사 조건에서 FLOW-3D 모델 검증.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 부유물 농도 변화에 따른 유량 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 모닝 글로리 월류수문의 부유물 농도 변화가 유량에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고, 댐 안전성 및 수문 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공한다​.

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