Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III

Performance Evaluation of Different Stilling Basins Downstream of Barrage Using FLOW-3D Scour Models

FLOW-3D 세굴 모델을 이용한 보(Barrage) 하류 정수지(Stilling Basin)의 성능 평가

Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 파키스탄 평야 지역의 주요 보(Barrage)들은 50~100년 전에 건설되었으며, 지속적인 침식과 구조적 결함 문제를 겪고 있음.
  • 과거에는 미국 USBR(United States Bureau of Reclamation) Type III 정수지가 사용되었으나, 에너지 소산 효율이 낮아 개량이 필요함.
  • 최근 개량된 USBR Type II 및 쐐기형 바플 블록(Wedge-Shaped Baffle Blocks, WSBB) 설계의 성능을 비교할 필요가 있음.

연구 목적

  • FLOW-3D를 활용하여 USBR Type III, Type II, WSBB 정수지 모델을 구축하고 성능을 비교 분석.
  • 유속 분포, 국부적 전단 응력(BSS, Bed Shear Stress), 세굴 깊이 및 세굴 길이 평가.
  • 설계 방류량(28.30 m³/s/m) 및 홍수 방류량(17.5 m³/s/m) 조건에서 성능을 평가하여 최적의 설계를 도출.

연구 방법

수치 모델 설정 (FLOW-3D 적용)

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 특성 모사.
  • 격자(cell) 크기: 비균일(non-uniform) 격자 사용, 3D CAD 모델링 적용.
  • 경계 조건:
    • 유입부: 실험 유량(28.30 m³/s/m 및 17.5 m³/s/m) 적용.
    • 유출부: 자유 방출 조건 적용.
    • 바닥 및 벽면: No-slip 조건 적용.

비교 모델

  1. USBR Type III (기존 설계)
  2. USBR Type II (개량 설계)
  3. WSBB (쐐기형 바플 블록 설계)

주요 결과

유속 분석

  • 설계 방류량(28.30 m³/s/m) 조건에서 USBR Type III 모델은 유속이 가장 높고, WSBB 모델이 가장 낮았음.
  • WSBB 모델의 경우 바플 블록으로 인해 유속이 효과적으로 감소.
  • 홍수 방류량(17.5 m³/s/m) 조건에서도 WSBB 모델이 가장 낮은 유속을 보이며 안정적 흐름 형성.

전단 응력(BSS) 분석

  • USBR Type III 및 Type II 모델은 높은 전단 응력을 보여 하류 침식 가능성이 높음.
  • WSBB 모델에서는 전단 응력이 감소하여 세굴을 효과적으로 줄임.

세굴 분석

  • USBR Type III 모델에서는 하류 강바닥이 완전히 노출됨(침식 심화).
  • USBR Type II 모델에서는 침식이 85% 감소하였으나 여전히 문제가 있음.
  • WSBB 모델에서는 침식이 가장 적었으며, 세굴 깊이가 최소화됨.

결론 및 향후 연구

결론

  • WSBB 정수지가 USBR Type II 및 Type III 모델보다 더 효과적으로 에너지를 소산하고 하류 침식을 줄임.
  • USBR Type II 모델은 기존 USBR Type III 모델보다 개선되었으나 여전히 침식 문제가 존재.
  • FLOW-3D 모델이 정수지 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 활용 가능함.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 적용을 통한 난류 모델 개선.
  • 실제 현장 실험과의 비교 검증을 통한 모델 정밀도 향상.
  • 다양한 보(Barrage) 및 정수지 형상에 대한 추가 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 다양한 정수지 설계의 성능을 비교 분석한 연구로, 보 하류 침식 저감을 위한 최적 설계를 위한 기초 데이터를 제공하였다.

Figure 2. Energy dissipation arrangement, (a) old basin (Type I), (b) remodeled basin (Type II), and (c) WSBB basin (Type III)
Figure 2. Energy dissipation arrangement, (a) old basin (Type I), (b) remodeled basin (Type II), and (c) WSBB basin (Type III)
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
Figure 14. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 24.30 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
Figure 15. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 17.5 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III
Figure 15. Patterns of sediment beds downstream of different basins with RNG K-e model at design discharge of 17.5 m3/s/m (a) Type-I, (b) Type-II, and (c) Type-III

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hydrology-10-00223Download
Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2

Dissipating Culvert End Design for Erosion Control Using CFD Platform FLOW-3D Numerical Simulation Modeling

FLOW-3D 기반 CFD 수치 시뮬레이션을 이용한 침식 방지용 소멸형 암거 출구 설계

Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2
Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 고속 유출수가 암거(culvert) 출구에서 발생시키는 하류 침식(erosion)과 세굴(scouring)은 수리공학 분야에서 중요한 문제임.
  • 암거 시스템의 구조적 손상은 유지보수 비용 증가 및 환경적 문제(수생 생물 이동 장애 등)를 유발할 수 있음.
  • 기존 연구들은 암거 출구에서 발생하는 고속 유출수의 운동에너지 감소 방안이 필요함을 강조해왔음.

연구 목적

  • FLOW-3D CFD 모델을 활용하여 새로운 소멸형 암거 출구 설계를 개발 및 분석.
  • 표준 암거(기존 모델)와 두 가지 대체 설계안(ALT 1, ALT 2)의 비교 분석 수행.
  • 유출수의 속도 및 운동에너지를 측정하여 최적의 암거 출구 설계를 도출.

연구 방법

수치 모델 설정 (FLOW-3D 적용)

  • FLOW-3D v11.1.0 사용
  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 표면 추적
  • 난류 모델: RNG k-ε 난류 모델 사용
  • 격자(cell) 크기: 0.02m, 총 약 250,000개 셀 적용
  • 경계 조건:
    • 유입부: 일정 유량(0.2 m³/s) 적용
    • 유출부: 자유 방출 조건 적용
    • 바닥 및 벽면: 매끄러운 벽면(smooth wall) 처리

실험 검증 및 보정

  • Taha et al. (2020) 실험 데이터를 활용하여 FLOW-3D 모델 보정 및 검증 수행.
  • 암거 상류 수심 데이터(R² > 0.90, RMSE < 1.9 cm)와 비교하여 신뢰성 확보.

분석 대상

  1. 표준 암거 (기본 설계)
  2. 대체 설계 1 (ALT 1)
  3. 대체 설계 2 (ALT 2)

주요 결과

유속 분석

  • 기본 설계 대비 ALT 1 및 ALT 2의 하류 유속 감소 효과 확인.
  • 중심선 유속:
    • 표준 암거: 1.37 m/s
    • ALT 1: 0.83 m/s
    • ALT 2: 0.73 m/s

운동에너지 분석

  • 하류 평균 운동에너지 비교 결과:
    • 표준 암거: 1.37 J/kg²
    • ALT 1: 0.83 J/kg² (약 39% 감소)
    • ALT 2: 0.73 J/kg² (약 47% 감소)

침식 분석 (Sandbox 실험 기반)

  • 침식된 하류 모래 질량 비교:
    • 표준 암거: 9.4 kg 침식
    • ALT 1: 8.3 kg 침식 (약 11.1% 감소)
    • ALT 2: 9.0 kg 침식 (약 4.2% 감소)

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 수치 해석을 통해 대체 설계(ALT 1, ALT 2)가 기존 암거 출구 대비 침식 및 세굴 저감 효과가 있음을 확인.
  • ALT 1 설계가 상대적으로 운동에너지 및 침식 감소 효과가 더 우수함.
  • FLOW-3D는 암거 출구 설계 최적화 및 침식 저감 대책 수립에 활용 가능함.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델을 활용한 추가 분석.
  • 실제 현장 실험과의 비교 검증을 통한 모델 정밀도 향상.
  • 다양한 유량 및 암거 형상에 대한 추가 연구 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 침식 방지용 소멸형 암거 출구 설계를 수치적으로 분석한 최초 연구 중 하나로, 환경 친화적인 암거 설계 및 유지보수 비용 절감에 기여할 수 있는 실질적인 데이터를 제공하였다.

Fig. 1. Plan view of control and alternative dissipating culvert end designs (a) control culvert end plan view (b) alternative dissipating culvert end (ALT 1) plan view and (c) alternative dissipating culvert end (ALT 2) plan view
Fig. 1. Plan view of control and alternative dissipating culvert end designs (a) control culvert end plan view (b) alternative dissipating culvert end (ALT 1) plan view and (c) alternative dissipating culvert end (ALT 2) plan view
Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2
Fig. 3. Control and dissipating culvert end flow velocity in FLOW-3D environment at t = 20 s (a) control (b) ALT 1 and (c) ALT 2
Fig. 4. Experimental and simulation results on culvert upstream water depth at different flow rates
Fig. 4. Experimental and simulation results on culvert upstream water depth at different flow rates

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Figure 7 The flow vortices in vicinity of the spur dikes in E1 test

Numerical Scour Modeling Around Parallel Spur Dikes in FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 평행한 수제(Spur Dikes) 주변의 세굴 수치 모델링

Figure 7 The flow vortices in vicinity of the spur dikes in E1 test
Figure 7 The flow vortices in vicinity of the spur dikes in E1 test

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의:
    • 수제(Spur Dikes)는 강의 흐름을 조절하여 제방 보호 및 침식을 방지하는 구조물로, 유동 특성의 급격한 변화를 초래하여 세굴(Scour)과 퇴적(Sedimentation)을 유발한다.
    • 다중 수제(Multiple Spur Dikes)가 존재하는 경우 유동 패턴이 더욱 복잡해지며, 정확한 세굴 깊이 예측이 필요하다.
    • 기존 연구에서는 개별 수제에 대한 분석이 많았으나, 평행한 수제 그룹에서의 세굴 및 유속 특성 연구는 부족한 상황이다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D 소프트웨어를 이용하여 다중 수제 주변의 세굴 현상을 수치적으로 시뮬레이션.
    • 실험 데이터 및 SSIIM 소프트웨어 결과와 비교하여 수치 모델의 신뢰성 검증.
    • 최적화된 모델을 통해 세굴 깊이 및 수로 지형 변화를 보다 정밀하게 예측할 수 있는 방법 제안.

연구 방법

  1. 수리학적 모델 및 실험 설정
    • Karami et al. (2014)의 실험 데이터를 기반으로 수치 모델 검증 수행.
    • 실험실 환경:
      • 길이 14m, 폭 1m, 깊이 1m의 직사각형 수로 사용.
      • 25cm 길이의 불투과성(Impermeable) 수제 3개를 일정한 간격(2배 길이)으로 배치.
      • 실험에서 유입 유속(15cm 깊이), 균일한 사질 하상(σg < 1.4, d50 = 0.91mm, 비중 2.65) 적용.
    • 실험 데이터 검증:
      • 유속은 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter), 수위 변화는 LBP(Laser Beam Profiler) 측정.
      • 세굴 깊이(ds1, ds2, ds3) 및 세굴 부피(V)를 비교하여 모델 신뢰성 평가.
  2. FLOW-3D 수치 시뮬레이션 설정
    • VOF (Volume-of-Fluid) 기법과 FAVOR (Fractional Area Volume Obstacle Representation) 기법 적용.
    • k-ε 난류 모델(RNG 기반) 적용하여 난류 유동 및 세굴 특성 분석.
    • Van Rijn 침식 모델을 사용하여 SSIIM 결과와 비교.
    • 격자 최적화(Nested Grid 적용):
      • 총 1,507,550개의 격자(Grid Elements) 사용.
      • 세굴이 발생하는 지점에서 높은 해상도의 내부 격자 적용(1.2cm~2.5cm).
    • 입출구 경계 조건 설정:
      • 유입 조건: 유량 0.035 m³/s 및 0.046 m³/s 두 가지 실험 조건 사용.
      • 벽면 경계: 로그 법칙(Logarithmic Law of the Wall) 적용하여 유동 저항 고려.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 및 유속 분포 분석
    • FLOW-3D 시뮬레이션 결과가 실험 데이터와 높은 일치도를 보임.
    • 첫 번째 수제에서 가장 깊은 세굴 발생(E1: 0.123m, E2: 0.1785m).
    • 두 번째, 세 번째 수제로 갈수록 세굴 깊이가 감소하는 경향을 보임.
    • SSIIM 소프트웨어 대비 FLOW-3D 모델의 예측 정확도가 평균 7~40% 향상됨.
      • 첫 번째 수제 하단에서 7%, 두 번째에서 80%, 세 번째에서 40% 정확도 개선.
  2. 유동 패턴 및 난류 분석
    • 수제 후류 영역에서 강한 와류(Vortex) 발생 확인.
    • 첫 번째 수제에서 난류 강도가 가장 크며, 하류로 갈수록 감소.
    • SSIIM 모델보다 FLOW-3D 모델이 유동 패턴을 더 정밀하게 예측.
  3. 수치 모델 검증 및 오차 분석
    • FLOW-3D와 SSIIM, 실험 결과 비교:
      • FLOW-3D 모델의 결정 계수(R²): E1 = 0.95, E2 = 0.98 → 높은 정확도 입증.
      • SSIIM 모델의 결정 계수(R²): E1 = 0.89, E2 = 0.94 → FLOW-3D가 더 우수한 결과 제공.
      • FLOW-3D는 SSIIM보다 최대 40% 향상된 정확도로 세굴 깊이를 예측 가능.
    • 모델 재보정 필요성:
      • Froude 수(Fr) 및 U/Ucr 비율이 모델 정확도에 영향을 미침.
      • 유량 변화에 따라 모델 재보정(Calibration) 필요.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D는 다중 수제 그룹의 수리학적 거동을 예측하는 데 신뢰성이 높은 모델임을 입증.
    • SSIIM보다 높은 정확도를 보이며, 특히 두 번째 및 세 번째 수제 주변에서의 예측 정확도 향상.
    • 유량 변화 시 모델 재보정이 필요하지만, 세굴 깊이 및 유동 패턴 예측에 효과적임.
  • 향후 연구 방향:
    • 다양한 수제 형상 및 배치에 대한 추가적인 시뮬레이션 연구.
    • 다양한 난류 모델(RSM, LES) 적용 및 비교 연구 진행.
    • AI 및 머신러닝을 활용한 실시간 세굴 예측 시스템 개발.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D 기반의 다중 수제 세굴 수치 시뮬레이션을 통해 수제 구조물 주변의 세굴 및 유동 특성을 정량적으로 분석하고, 환경적 안정성을 고려한 하천 관리 및 설계 최적화에 기여할 수 있는 실질적 데이터를 제공한다.

Figure 5 Numerical modeling results of bed deformation in E1 test, Flow direction Right to left
Figure 5 Numerical modeling results of bed deformation in E1 test, Flow direction Right to left
Figure 7 The flow vortices in vicinity of the spur dikes in E1 test
Figure 7 The flow vortices in vicinity of the spur dikes in E1 test
Figure 8 Dimensionless graph of equilibrium time of scouring in (a Left) E1 test and (b Right) E2 test in FLOW-3D
Figure 8 Dimensionless graph of equilibrium time of scouring in (a Left) E1 test and (b Right) E2 test in FLOW-3D

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Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations

Morphology and Hydrodynamics Numerical Simulation around Groynes

Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations
Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations

Groynes 주변의 지형 및 수리학적 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 하천 및 하구에서 발생하는 침식 문제를 해결하기 위해 Groynes(제방 구조물)이 널리 사용됨.
  • Groynes 주변의 흐름과 침식 현상을 정확히 이해하는 것은 수로 보호 및 유지관리에 필수적임.
  • 실험적 연구는 시간과 비용이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 활용하여 수리학적 특성을 분석하는 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 Groynes 주변의 유동 및 세굴(scour) 현상을 수치적으로 분석.
  • 실험 결과와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
  • SSIIM 2.0 소프트웨어와의 비교 분석을 통해 다양한 모델의 예측 정확도 평가.

연구 방법

FLOW-3D 모델링 및 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면을 추적.
  • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름을 해석.
  • 지형 모델링: Soulsby-Whitehouse 방정식을 이용하여 세굴 예측.
  • 경계 조건:
    • 유입: Froude 수 기반의 흐름 조건 적용.
    • 유출: 자연 배출 경계 조건 설정.
    • 바닥: 이동 가능한 퇴적층으로 설정.

주요 결과

유동 및 세굴 특성 분석

  • Groynes 주변에서 강한 와류(vortex) 발생 → 세굴 형성에 주요 원인.
  • Froude 수가 낮을수록 모델 예측 정확도 향상.
  • SSIIM 2.0 대비 FLOW-3D가 보다 정확한 흐름 및 세굴 패턴 예측.
  • 실험 결과와 비교 시 최대 세굴 깊이 차이가 10% 이내로 나타남.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 활용한 수치 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, Groynes 주변의 유동 및 세굴 현상을 효과적으로 예측 가능.
  • Froude 수와 유속 비(Uavg/Ucr)에 따라 모델 정확도가 달라지며, 추가적인 실험 검증이 필요.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation)와 같은 고급 난류 모델 적용을 통한 예측 정확도 향상.
  • 다양한 하천 형상 및 유량 조건에서 추가적인 검증 수행.
  • 실제 하천 데이터와의 비교를 통한 모델 보정.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Groynes 주변의 유동 및 세굴 현상을 정량적으로 분석하고, 수치 모델의 정확성을 실험적으로 검증하였다. 하천 관리 및 구조물 설계의 최적화에 기여할 수 있는 데이터와 분석 방법을 제공한다.

Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations
Figure 5. Flow field, eddies and dead zones in S1 and S2 simulations
Figure 6. Morphology bed changes in S1 (a) laboratory experiments and (b) FLOW-3D simulation
Figure 6. Morphology bed changes in S1 (a) laboratory experiments and (b) FLOW-3D simulation
Figure 7. Morphology bed changes in S2 (a) laboratory experiments and (b) FLOW-3D simulation
Figure 7. Morphology bed changes in S2 (a) laboratory experiments and (b) FLOW-3D simulation

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Figure 4 Velocity distributions around the spur dike at middle section (a) velocity contours

3D Numerical Simulation of Flow and Local Scour around a Spur Dike

Spur Dike 주변 유동 및 국부 세굴의 3차원 수치 시뮬레이션

Figure 4 Velocity distributions around the spur dike at middle section (a) velocity contours
Figure 4 Velocity distributions around the spur dike at middle section (a) velocity contours

연구 배경 및 목적

문제 정의: Spur Dike(수로 둑)는 강변 보호 및 수로 흐름 조절을 위해 사용되며, 구조물 주변의 복잡한 난류 및 세굴 현상이 발생한다. 이는 구조물의 안정성과 유지보수에 큰 영향을 미친다.
연구 목적:

  • FLOW-3D를 이용하여 Spur Dike 주변 유동장 및 세굴 과정을 수치적으로 분석.
  • 난류 모델(RNG k-ε)과 세굴 모델(Shields number 기반) 적용하여 세굴 깊이 및 흐름 변화 예측.
  • 실험 데이터와 비교하여 모델의 정확도를 검증하고, 세굴 메커니즘을 이해.

연구 방법

Spur Dike 및 유동 모델링

  • Spur Dike는 비침수(non-submerged) 조건으로 설정.
  • 연속 방정식 및 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 유동 해석 수행.
  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 이용하여 자유 수면 추적.
  • 세굴 모델: Shields number를 적용한 이동 가능 하상 모델.
  • 난류 모델: RNG k-ε 모델 사용.

경계 조건 및 격자 설정

  • 유입: 0.29m/s 속도의 입구 유동 경계 조건 적용.
  • 유출: 자유 유출(outflow) 경계 설정.
  • 하천 바닥: 이동 가능한 침전층으로 설정(평균 입자 크기 0.145cm, 비중 1.9g/cm³).
  • 격자 수: 약 600,000개 비균일(non-uniform) 격자 사용.

주요 결과

유동장 및 난류 특성 분석

  • Spur Dike 후류(wake zone)에서 시계방향 와류(clockwise vortex) 발생, 이는 불규칙한 타원형 형태를 보임.
  • 유속 분포 분석 결과:
    • Spur Dike 전면에서 최대 유속 0.56m/s까지 증가 후 급감.
    • Dike 후방에서 속도 회복 및 역류(backflow) 형성.
    • Horseshoe Vortex(말굽 와류)가 세굴 형성의 주요 원인.

세굴 과정 및 형상 변화

  • 세굴 과정은 초기 단계 → 주요 세굴 단계 → 균형 단계의 3단계로 구분.
  • 주요 세굴 단계에서 침수 유동과 말굽 와류가 강하게 형성, 세굴 깊이 급격히 증가.
  • 균형 단계에서는 유속이 감소하며 세굴 진행이 멈춤.
  • 실험과 비교 시 최대 세굴 깊이 7.8cm, 경사 35°로 유사한 결과 도출.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 세굴 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • Spur Dike 주변 침수 유동과 말굽 와류가 주요 세굴 요인임을 입증.
  • 세굴 깊이는 초기 및 주요 세굴 단계에서 대부분 결정되며, 이후 큰 변화 없음.
  • 난류 및 퇴적물 이동의 복잡성으로 인해 실험값과의 완벽한 일치는 어렵지만, 전반적으로 유사한 패턴을 보임.

향후 연구 방향

  • 다양한 Spur Dike 형상 및 배치에 따른 유동 변화 분석.
  • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델과 비교 검토.
  • 세굴 예측 모델 개선을 위한 추가적인 실험 검증 수행.

연구의 의의

이 연구는 Spur Dike 주변 세굴의 수치적 분석을 수행하여, 유동 및 세굴 형상의 변화 원인을 규명하였다. 하천 구조물의 안정성 평가 및 설계 최적화에 기여할 수 있는 실용적 모델을 제시하였다​.

Figure 4 Velocity distributions around the spur dike at middle section (a) velocity contours
Figure 4 Velocity distributions around the spur dike at middle section (a) velocity contours
Figure 7 Scour development around spur dike in different times (d) 80min
Figure 7 Scour development around spur dike in different times (d) 80min
Figure 8 Scour development at section y=0.1m in different times (d) 80min
Figure 8 Scour development at section y=0.1m in different times (d) 80min

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scouring

Three-Dimensional Numerical Simulation of Local Scour Around Circular Bridge Pier Using FLOW-3D Software

FLOW-3D 소프트웨어를 이용한 원형 교각 주변 국부 세굴의 3차원 수치 시뮬레이션

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각(Bridge Pier) 주변의 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥의 침식으로 인해 구조물의 안전성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
  • 연구 목적: FLOW-3D를 활용하여 교각 주변의 국부 세굴 형상을 3D 시뮬레이션하고, 실험 데이터를 비교하여 모델의 신뢰성을 검증하는 것이다.
  • 핵심 기여:
    • FLOW-3D를 활용한 CFD 모델 개발: 유체 흐름과 퇴적물 이동을 고려한 세굴 시뮬레이션.
    • 실험 결과와 비교 검증: Melville 실험 데이터를 바탕으로 모델 검증 및 정확도 평가.
    • 세굴 깊이 예측 및 설계 최적화: 교각 설계 및 유지관리 전략에 적용 가능.

연구 방법

  1. 수치 모델링 및 난류 모델 적용
    • Navier-Stokes 방정식 기반 CFD 해석 수행.
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 활용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 교각 주변 난류 구조를 해석.
  2. 세굴 모델링
    • Meyer-Peter & Müller 공식을 사용하여 침식 및 퇴적 거동 해석.
    • Shields Parameter를 적용하여 세굴 발생 임계값 예측.
    • Melville 실험 모델과 동일한 유속(0.25 m/s) 및 입자 크기(0.385 mm) 설정.
  3. 메쉬 설정 및 경계 조건
    • 격자 독립성 검토: 1~30 mm의 다양한 격자 크기를 적용하여 최적의 메쉬 크기(5 mm) 선정.
    • 경계 조건:
      • 입구: 일정한 유속(0.25 m/s) 설정.
      • 출구: 자유 유출 조건 적용.
      • 하천 바닥: 이동 가능 침전층(Sediment Bed)으로 설정.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 비교
    • 실험 값: 4.00 cm
    • Flow-3D 예측값: 3.6 cm (실험 대비 오차 10%)
    • 시뮬레이션 결과와 실험 데이터 간 높은 상관관계 확인.
  2. 유동장 및 세굴 형상 분석
    • 세굴 패턴: 교각 전면부에서 강한 와류(Horseshoe Vortex) 발생 → 침식 심화.
    • 교각 후류(Downstream) 영역: 유속이 급격히 감소하며 침전 형성.
    • RNG k-ε 모델 적용 효과: 세굴 깊이 및 와류 구조를 효과적으로 예측.
  3. 메쉬 크기의 영향
    • 5mm 이하의 세밀한 격자에서 최적의 결과 도출.
    • 30mm 이상의 거친 격자에서는 세굴 깊이가 과소 예측됨.

결론 및 향후 연구

  • FLOW-3D 기반 세굴 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 정확도로 일치함을 확인.
  • RNG k-ε 난류 모델이 교각 주변의 난류 구조 및 세굴 깊이 예측에 적합함을 입증.
  • 향후 연구에서는 LES(Large Eddy Simulation) 모델과 비교, 다양한 교각 형상 및 유량 조건에서 추가 검증이 필요.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 교각 주변 국부 세굴을 정량적으로 분석하는 방법론을 제시하며, 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 활용될 수 있는 중요한 기초 데이터를 제공한다​.

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Jalal_2020_IOP_Conf._Ser.__Mater._Sci._Eng._745_012150Download
Fluid Velocity

Modeling of Local Scour Depth Around Bridge Pier Using FLOW-3D

FLOW-3D를 이용한 교각 주변 국부 세굴 깊이 모델링

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(Local Scour)은 하천 바닥 침식을 유발하여 교량의 구조적 안정성을 위협하는 주요 요인 중 하나이다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D를 활용한 세굴 모델 개발: CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 수치 모델을 사용하여 교각 주변의 세굴 형상을 예측.
    • 실험 데이터와의 비교: 실험실 실험과 수치 모델의 결과를 비교하여 모델의 신뢰성을 평가.
    • 세굴 깊이 및 유속 패턴 분석: 교각 앞쪽 및 후류에서 형성되는 유동 구조와 세굴의 관계를 분석.

연구 방법

  1. 실험 데이터 수집 및 모델링
    • 실험실 실험:
      • 터키 가지안테프 대학교의 수리 실험실에서 수행.
      • 0.8m × 0.9m 크기의 직사각형 수로에서 직경 10cm의 원형 교각을 배치.
      • 유량 0.048 m³/s, 유속 0.48 m/s, 수심 11cm 설정.
      • 세굴층은 비응집성(non-cohesive) 모래(d₅₀ = 1.45mm)로 구성.
    • FLOW-3D 기반 CFD 모델링:
      • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 모델링.
      • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름 분석.
      • 침식 및 퇴적 모델을 적용하여 하상 변화 예측.
  2. 격자 설정 및 경계 조건
    • 메쉬 독립성 검토: 64,000개 이상의 격자를 사용하여 최적화 수행.
    • 경계 조건:
      • 입구: 일정한 유속(0.48 m/s) 설정.
      • 출구: 자유 유출 조건 적용.
      • 하천 바닥: 이동 가능 침전층(Sediment Bed)으로 설정.

주요 결과

  1. 세굴 깊이 비교
    • 실험 값: 6.9 cm
    • FLOW-3D 예측값: 6.5 cm (실험 대비 오차 10%)
    • 실험과 수치 모델의 결과가 높은 상관관계를 보임.
  2. 유동 및 세굴 패턴 분석
    • 유속 분포:
      • 교각 전면부에서 강한 와류(Horseshoe Vortex) 발생 → 침식 심화.
      • 후류 영역에서는 유속이 감소하며 퇴적 형성.
    • 세굴 형상:
      • 최대 세굴 깊이는 교각 전면부 및 측면에서 발생.
      • FLOW-3D 모델은 세굴 발생 위치 및 심도를 효과적으로 예측.
  3. 시간에 따른 세굴 발전
    • 실험 및 CFD 모델 모두에서 1시간 후 세굴 깊이가 안정화됨.
    • 세굴 속도는 초기 30분 동안 급격히 증가한 후 점진적으로 감소.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 기반 CFD 모델은 교각 주변의 세굴 깊이를 실험 결과와 높은 정확도로 예측할 수 있음.
    • RNG k-ε 난류 모델이 국부 세굴 해석에 적합함을 확인.
    • 세굴 깊이 예측에서 실험 대비 오차는 약 10%로 양호한 결과를 보임.
  • 향후 연구 방향:
    • 더 정교한 난류 모델(예: LES) 적용 및 비교.
    • 다양한 교각 형상 및 유량 조건에서 추가 검증.
    • 인공지능(AI) 및 머신러닝을 활용한 세굴 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 이용한 국부 세굴 예측의 신뢰성을 검증하고, 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 활용될 수 있는 중요한 기초 데이터를 제공한다.

Reference

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FLOW-3D 모형의 세굴 매개변수 민감도 분석

연구 배경 및 목적

  • 문제 정의: 하천 및 수공구조물 주변에서 발생하는 국부 세굴(Local Scour)은 하상 침식으로 인해 구조물의 안전성을 위협하는 중요한 요인이다.
  • 연구 목적:
    • FLOW-3D를 활용한 국부 세굴 예측 능력 평가: 수치해석 기반 모델이 실험 결과와 일치하는지 검토.
    • 주요 입력 매개변수의 민감도 분석: 세굴 조절계수, 유사 입경, 안식각 등의 변수에 따른 모델 결과의 변화를 비교 분석.
    • 수치 모델 신뢰성 향상: 실제 실험 데이터를 바탕으로 FLOW-3D 모델의 보정 및 최적화 수행.

연구 방법

  1. FLOW-3D 기반 세굴 모델링
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 적용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 사용하여 난류 흐름 해석.
    • 침식 및 퇴적 모델 적용:
      • Shields Parameter(한계 무차원 소류력) 활용하여 침식 개시 조건 설정.
      • 유사 조절계수를 조정하여 모델의 반응을 실험 데이터와 비교.
  2. 민감도 분석 대상 매개변수
    • 세굴 조절계수(Scour Erosion Adjustment)
    • 유사 입경(Average Particle Diameter)
    • 안식각(Angle of Repose)
    • 낙차고(Drop Height)
    • 이 중 주요 변수를 중심으로 일정 비율로 값을 변화시키며 모델 반응 분석.
  3. 모의 실험 조건
    • 실험실 실험 데이터 비교:
      • 폭 0.8m, 길이 5m의 수로에 모래층(0.3m) 적용.
      • 다양한 월류 수위 및 보의 높이 조건에서 실험 진행.
    • 격자 독립성 검토:
      • 세굴 영역을 정밀하게 분석하기 위해 총 118,800개의 격자 사용.
    • LES(Large Eddy Simulation) 난류 모델 적용:
      • 보다 정확한 난류 해석을 위해 LES 모델을 추가적으로 사용.

주요 결과

  1. 세굴 깊이에 대한 민감도 분석
    • 세굴 조절계수(Scour Erosion Adjustment): 0.7에서 최적 예측(오차율 5.4%), 0.7보다 크면 과대 예측, 작으면 과소 예측.
    • 유사 입경(Average Particle Diameter): 입경이 감소할수록 세굴 깊이가 증가(민감도 비율 0.76).
    • 안식각(Angle of Repose): 30°에서 가장 신뢰도 높은 결과(오차율 8.5%).
    • 낙차고(Drop Height): 낙차고가 증가할수록 세굴 깊이도 증가(민감도 비율 0.52).
  2. 시간에 따른 세굴 진행 과정
    • 초기 20초 내에서 최종 세굴 깊이의 50%가 발생.
    • 100초 내에서 세굴 깊이의 90% 도달 후 점진적 안정화.
  3. 실험 데이터와의 비교
    • FLOW-3D의 예측값과 실험 데이터 간 평균 오차율은 10% 이내.
    • 특정 매개변수 조정 시 실험값과의 정확도 향상 가능.

결론 및 향후 연구

  • 결론:
    • FLOW-3D 모델이 국부 세굴 예측에서 실험 데이터와 높은 신뢰도를 보임.
    • 유사 입경과 세굴 조절계수가 가장 민감한 변수로 나타났으며, 이를 정확하게 조정하면 모델 성능 개선 가능.
    • 낙차고 및 안식각도 세굴 깊이에 영향을 미치므로 추가 보정 필요.
  • 향후 연구 방향:
    • LES 및 다른 난류 모델과의 비교 연구.
    • 다양한 하천 조건 및 교각 형상 적용하여 보편적 모델 구축.
    • AI 및 머신러닝 기법을 활용한 세굴 예측 모델 개발.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용한 국부 세굴 예측의 신뢰성을 검증하고, 수공구조물 설계 및 유지보수 전략 수립에 중요한 기초 데이터를 제공한다.

Reference

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