Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm

Conducting Experimental and Numerical Studies to Analyze the Impact of the Base Nose Shape on Flow Hydraulics in PKW Weir Using FLOW-3D

Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm

FLOW-3D를 이용한 피아노 키 위어(PKW)의 기초 코(Nose) 형상이 유동 수력학에 미치는 영향에 대한 실험적 및 수치적 연구

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의:
    • 위어(Weir)는 댐에서 과도한 수량을 조절하고 배수 네트워크에서 유량을 조절하는 필수적인 구조물이다.
    • 특히 피아노 키 위어(Piano Key Weir, PKW)는 기존 위어보다 효율적인 방류 성능을 제공하는 구조적 개선이 이루어진 형태이다.
    • PKW의 방류 효율을 결정하는 주요 요소 중 하나는 기초 코(Base Nose)의 형상이다.
    • 기초 코의 형태 변화가 유동 패턴, 유량, 방류 계수(Cd) 등에 미치는 영향을 실험적으로 분석하고 수치적으로 시뮬레이션할 필요가 있다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 PKW의 다양한 기초 코 형상(평평, 삼각형, 반원형, 방추형)이 수리학적 특성에 미치는 영향 분석.
    • 실험 데이터와 수치 모델의 비교 검증을 통해 FLOW-3D의 신뢰성 평가.
    • PKW의 방류 효율을 극대화할 수 있는 최적의 기초 코 형상 제시.

연구 방법

  1. 실험 설정 및 물리 모델 구축
    • 실험실 환경: Bou Ali Sina University의 유체 실험실에서 실험 수행.
    • PKW 모델 제작: 0.6cm 두께의 아크릴판을 레이저 절단 후 접착하여 제작.
    • 유량 측정: 디지털 초음파 유량계를 이용하여 측정 및 검증.
    • 유입-유출 키 폭 비(Wi/Wo) 변화 실험: 0.71, 0.83, 1.0, 1.2, 1.4의 5가지 비율 적용.
    • 기초 코 형상: 평평(Flat), 삼각형(Triangular), 반원형(Semi-Cylindrical), 방추형(Spindle) 총 4가지 모델 비교.
  2. 수치 시뮬레이션 설정
    • FLOW-3D를 사용하여 PKW 모델링 및 유동 시뮬레이션 수행.
    • 메싱(Grid) 최적화: 약 250만 개의 셀로 모델링하여 정확도 향상.
    • RNG k-ε 난류 모델 적용하여 난류 흐름을 해석.
    • 수치 모델과 실험 데이터를 비교하여 오차 분석 수행.

주요 결과

  1. 기초 코 형상에 따른 방류 효율 비교
    • PKW1.2S(방추형 기초 코) 모델이 가장 높은 방류 계수(Cd) 기록.
    • PKW1.2TR(삼각형 코) 모델이 두 번째로 높은 방류 효율을 보이며, 반원형과 평평한 코 모델보다 우수한 성능.
    • PKW1.2 및 PKW1.2CL(반원형) 모델은 흐름의 급격한 변형과 와류 증가로 인해 방류 효율이 감소.
    • PKW1.2S와 PKW1.2TR 모델은 PKW1.2(평평한 코) 대비 Cd가 각각 27%, 20% 증가.
  2. 유동 패턴 및 난류 분석
    • 기초 코 형상이 방류 패턴에 영향을 미쳐 흐름의 방향과 세기가 달라짐.
    • PKW1.2(평평한 코)는 유출 키와 충돌하는 순간 흐름이 급격히 방해받아 유속과 방류 효율 감소.
    • PKW1.2S(방추형 코) 모델에서는 유속 변화가 완만하며 흐름이 원활히 배출됨.
    • 난류 강도가 감소하고 흐름의 에너지 손실이 최소화됨으로써 최적의 방류 성능 확보.
  3. 수치 시뮬레이션 검증 및 오차 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 비교 결과 높은 일치도 확인.
    • 방류 계수(Cd), 수두(H), 방류량(Q)의 오차 분석 결과 평균 RMSE < 0.005, MAE < 0.002로 매우 낮은 값 기록.
    • 모델의 결정 계수(R²) 값이 0.98 이상으로, 실험 데이터와의 높은 상관관계 입증.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • 기초 코 형상 변화가 PKW의 방류 성능에 중요한 영향을 미침.
    • 방추형(Spindle) 기초 코를 적용한 PKW1.2S 모델이 가장 높은 방류 효율을 보이며, 기존 평평한 코보다 27% 향상.
    • 삼각형 기초 코(PKW1.2TR)도 방류 효율을 20% 증가시키며 우수한 대안으로 제시 가능.
    • FLOW-3D 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하여 위어 설계 최적화 도구로 활용 가능.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 유입-유출 키 폭 비(Wi/Wo)에 대한 추가 연구 수행.
    • 다양한 유량 조건에서 방류 효율 최적화 연구 진행.
    • 실제 댐 및 하천에서 적용할 수 있는 대형 PKW 모델에 대한 수치적 연구 확장.

연구의 의의

본 연구는 PKW의 기초 코 형상이 방류 성능에 미치는 영향을 실험적 및 수치적으로 분석하여 최적 설계를 제안하였으며, FLOW-3D를 활용한 수치 해석 기법이 실험 결과와 높은 신뢰도를 보임을 입증하였다. 이는 댐 및 수리 구조물 설계 시 방류 효율 향상을 위한 설계 지침을 제공할 수 있다.

Figure (4) Schematic Representation of PKW with base noses shape, Showcasing Variations in Nose Designs
Figure (4) Schematic Representation of PKW with base noses shape, Showcasing Variations in Nose Designs
Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
Figure (15) Stream Lines and Contours of Average Flow Velocity in Models with Flat and Semi- Cylindrical Nose shapes, Illustrated at Depths of 6 cm, 14 cm, and 20 cm
Figure (18) Cross-Sectional View of Stream Lines and Contours Representing Average Flow Velocity in Models with Various Nose shapes, Focused at the Center of the Nose
Figure (18) Cross-Sectional View of Stream Lines and Contours Representing Average Flow Velocity in Models with Various Nose shapes, Focused at the Center of the Nose

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