Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s

Spur Dikes 주변의 3차원 유동장 시뮬레이션

Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s
Figure 4. Bed bathymetry of the developed scour hole at Q = 0.035 m3 s

연구 배경 및 목적

문제 정의

  • Spur Dikes는 하천 제방 보호 및 유로 조절을 위해 사용되며, 국부적인 세굴(scour)과 유동장 변화가 발생함.
  • 기존의 물리 실험은 시간과 비용이 많이 소요되므로 컴퓨터 기반 CFD(전산유체역학) 시뮬레이션을 활용한 연구가 필요함.

연구 목적

  • FLOW-3D를 이용하여 Spur Dikes 주변 유동 특성을 3차원적으로 분석.
  • 실험 데이터와 비교하여 FLOW-3D 모델의 정확성을 검증.
  • 다양한 난류 모델(RNG k-ε, LES 등)의 성능을 비교하여 최적의 난류 모델 선정.

연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

  • 연구 대상: 연속된 세 개의 Spur Dikes가 있는 수로.
  • 실험 조건:
    • 수로 길이 12.2m, 폭 0.6m, 깊이 1.2m.
    • Sontek ADV를 이용하여 유속 측정.
    • 실험 후 세굴 형상 측정 및 모델 검증 수행.

FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정

  • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
  • RNG k-ε, LES 및 표준 k-ε 난류 모델 비교.
  • 격자(Grid) 민감도 분석을 통해 최적의 격자 크기 결정(3mm).
  • 경계 조건:
    • 유입: 평균 속도 0.29m/s 적용.
    • 유출: 자유 배출(outflow) 경계 설정.
    • 바닥: No-slip 조건 적용, 이동 가능한 퇴적층 설정.

주요 결과

유동 및 세굴 특성 분석

  • Spur Dikes 전면에서 강한 와류(vortex) 발생 → 세굴 형성의 주요 원인.
  • RNG k-ε 모델이 실험 데이터와 가장 높은 정확도를 보임.
  • LES 모델은 고난류 영역에서 비교적 정확하지만 계산 비용이 높음.
  • 표준 k-ε 모델은 난류 에너지를 과대평가(50% 이상의 오차).

결론 및 향후 연구

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 일치도를 보이며, Spur Dikes 주변의 유동 및 세굴 현상을 효과적으로 예측 가능.
  • RNG k-ε 모델이 가장 적합한 난류 모델로 평가됨.
  • 세굴 깊이는 초기 및 주요 세굴 단계에서 대부분 결정되며, 이후 큰 변화 없음.

향후 연구 방향

  • LES(Large Eddy Simulation) 적용 범위 확대 및 정확도 비교.
  • 실제 하천 환경과의 비교 연구 수행.
  • 세굴 예측 모델 개선을 위한 추가적인 실험 검증 수행.

연구의 의의

이 연구는 FLOW-3D를 활용하여 Spur Dikes 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.

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