Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry

Numerical Investigation of Local Scour Around Different Shaped Bridge Piers Using FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 사용한 다양한 모양의 교각 주변의 국부적인 세굴에 대한 수치적 연구

Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 세굴은 흐르는 물의 침식 작용으로 인해 하천의 바닥과 제방에서 발생하는 자연적인 현상이다.
  • 본 연구에서는 FLOW-3D를 사용하여 교각 주변의 세굴 지형, 깊이 및 퇴적을 정확하게 예측할 수 있는지 조사하고자 한다.
  • 비점착성 하상 퇴적물의 세굴을 시뮬레이션하고 정성적 및 정량적 분석을 제시한다.
  • RANS(Reynolds Average Navier Stokes) 방정식과 k-ε 모델 및 2차 정확도의 난류 방법을 사용한다.

연구 목적

  • 다양한 모양(원형, 사각형, 다이아몬드형, 육각형, 에어포일형)의 교각에 대한 세굴 깊이를 비교 분석한다.
  • 시간 변화에 따른 세굴 깊이의 변화를 검증한다.
  • 교각 주변의 속도 분포를 분석한다.
  • 세굴 깊이를 줄이기 위한 대책(collar 설치)의 효과를 평가한다.

연구 방법

수치 모델(FLOW-3D) 설정

  • RANS(Reynolds Average Navier Stokes) 방정식과 k-ε 모델을 사용하여 난류를 모델링한다.
  • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 자유 표면 흐름을 추적한다.
  • 비점착성 모래의 세굴을 시뮬레이션하기 위해 적절한 경계 조건과 물리적 모델을 설정한다.
  • 다양한 모양의 교각(원형, 사각형, 다이아몬드형, 육각형, 에어포일형)에 대한 3D 모델을 생성한다.
  • 격자 독립성 테스트를 수행하여 적절한 격자 크기를 결정한다.

주요 결과

  • 원형 교각의 경우 다른 모양에 비해 세굴 깊이가 만족스러운 결과를 보였다.
  • 에어포일 모양의 경우 예상보다 세굴이 훨씬 크게 발생했다.
  • 교각의 업스트림에서 다운스트림보다 세굴이 더 크게 발생했다.
  • FLOW-3D 소프트웨어는 세굴 깊이를 예측하는 데 몇 가지 제한사항이 있는 것으로 나타났다.
  • collar를 설치하면 세굴 깊이가 감소하는 것을 확인했다.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D는 교각 주변의 세굴 현상을 시뮬레이션하는 데 유용한 도구임을 확인했다.
  • 교각 모양은 세굴 깊이에 큰 영향을 미치며, 원형 교각이 가장 안정적인 것으로 나타났다.
  • collar 설치는 세굴 깊이를 줄이는 효과적인 방법이다.

향후 연구 방향

  • 다양한 흐름 조건과 토사 조건에 대한 추가 연구가 필요하다.
  • FLOW-3D의 세굴 예측 정확도를 향상시키기 위한 모델 개선이 필요하다.
  • 실제 교량에 대한 적용 가능성을 평가하기 위한 현장 연구가 필요하다.

연구의 의의

  • 본 연구는 FLOW-3D를 사용하여 교각 주변의 세굴 현상을 분석하고, 다양한 교각 모양과 collar 설치 효과를 비교 평가했다.
  • 연구 결과는 교량 설계 및 유지 관리에 유용한 정보를 제공하며, 향후 교량 안전성 향상에 기여할 수 있다.
Figure 5~6 Horse shoe and wake vortex around a cylinderical element
Figure 5~6 Horse shoe and wake vortex around a cylinderical element
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry
Figure 22 scouring depth at equillibrium condition in 3D geometry (a) circular pier (b) square pier and (c) diamond pier
Figure 23 scouring depth at equilibrium condition in 3D geometry
Figure 23 scouring depth at equilibrium condition in 3D geometry (d) hexagonal pier and (e) airfoil pier

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453 Thesis 2020 MPE 151453 – Md. Mousum Kabir Rabbi, 180032204Download