Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors' alignment around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software

FLOW-3D를 이용한 원형 교각 주변의 세굴 시뮬레이션

Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors' alignment around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software
Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors’ alignment around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴(local scour)은 유속 증가, 난류, 침식 작용에 의해 발생하며, 이는 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나임.
  • 기후 변화로 인해 홍수 빈도가 증가하면서 교량 안전성 확보가 더욱 중요해짐.
  • 기존 실험 방식은 비용이 높고 유지보수가 어렵기 때문에 컴퓨터 기반 CFD 시뮬레이션을 활용한 예측 연구 필요.

연구 목적

  • FLOW-3D를 사용하여 원형 교각 주변에서 발생하는 국부 세굴을 시뮬레이션하고, 실험 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성을 검증.
  • 유입 유량(5, 10, 19, 30 L/sec)에 따른 세굴 깊이 변화 분석.
  • 세굴 발생 위치와 유동 특성을 평가하여 교량 설계 및 유지보수에 활용할 데이터 제공.

연구 방법

시뮬레이션 모델링 및 설정

  • 수치 모델:
    • 채널 크기: 너비 0.4m, 길이 1.0m
    • 교각 크기: 지름 0.03m, 높이 0.3m
    • 퇴적층 크기: 길이 1.0m, 너비 0.4m, 높이 0.12m
  • 유체 해석 기법:
    • VOF(Volume of Fluid) 방법을 사용하여 유체-퇴적층 경계 추적
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 흐름 해석
    • 침식 및 퇴적 모델: 입자 크기 0.72mm, 밀도 2650kg/m³, Shields 수 0.031 적용
  • 경계 조건:
    • 유입: 부피 유량 조건 적용
    • 유출: 출구 경계 조건 설정
    • 하부: 고정 벽 경계 적용
    • 상부: 대칭 경계 조건 사용

주요 결과

세굴 깊이 분석

  • 시뮬레이션 600초 후, 각 유량에서 최대 세굴 깊이:
    • 5 L/sec → 0.0cm
    • 10 L/sec → 1.3cm
    • 19 L/sec → 2.4cm
    • 30 L/sec → 3.6cm
  • 세굴 발생 패턴:
    • 교각 상류에서 세굴이 심하게 발생, 하류에서는 상대적으로 적음.
    • 말굽 와류(horseshoe vortex)와 수직 와류(vertical wake vortex)가 퇴적물 이동의 주요 원인임.

실험 데이터와 비교

  • 실험 결과와 비교 시, FLOW-3D 시뮬레이션은 상류에서 30%, 하류에서 20% 낮게 예측됨.
  • 이는 침식 역학에 대한 추가적인 보정이 필요함을 의미.
  • 하지만 전체적인 세굴 패턴 및 경향은 실험 결과와 일치.

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D를 활용한 세굴 시뮬레이션이 실험 데이터와 높은 상관관계를 가짐을 확인.
  • 세굴 깊이는 유입 유량에 따라 증가하며, 상류에서 더 깊은 침식 발생.
  • 모델의 한계점(세굴 깊이 과소 예측)을 개선하기 위해 추가적인 침식 보정이 필요.

향후 연구 방향

  • 더 긴 시뮬레이션 시간 설정을 통한 침식-퇴적 균형 분석.
  • 다양한 교각 형상 및 하상 조건에서 추가 검증 수행.
  • 현장 측정 데이터와 비교하여 모델 신뢰성 향상.

연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 교각 주변 세굴을 시뮬레이션하고, 유량에 따른 세굴 패턴을 정량적으로 분석하였다. 이 결과는 향후 교량 설계 및 유지보수 전략 수립에 활용될 수 있으며, 홍수 시 교량 붕괴를 예방하는 데 기여할 것으로 기대된다.

Figure 1. Geometry and meshing structure of the model for simulation of scour around a cylindrical pier
Figure 1. Geometry and meshing structure of the model for simulation of scour around a cylindrical pier
Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors' alignment around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software
Figure 2. (a) Longitudinal depth averaged velocity contours and (b) velocity vectors’ alignment around the cylindrical pier after 600 sec. of simulation with Flow-3D software

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JHE_Volume 1_Issue 2_Pages 46-54Download