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제안 방법
- 218 n?/sec(모형 유량 : 0.012 m'/sec)을 공급하고 배수갑문의 외해측 유출부에서 125 m까지 25 m 간격으로 총 15개의 관측점을 중앙부, 우측부, 좌측부로 설정 하여 0.6 H(수심)에서의 유속을 측정하였다. 또한, 배수갑문에서의 홍수량 유출로 인한 외해측의 흐름 유황은 디지털 카메라를 통해 관측하였다.
- Geometry는 Point, Curve, Surface 3가지로 구성되며, 수리실험 모형제작에 사용되었던 CAD 도면을 토대로 종단 도와 횡단도를 분석하여, Point와 Curve의 설정 후 구조물과 유체를 구분할 surface를 생성하는 순서로 geometry를 생성하였다. 완성된 배수갑문의 모습을 Fig.
- 특히 유출부에서는 사류현상이 나타나 도수가 발생되므로 설계시 외해측 바닥 보호공의 검토가 반드시 수반되어 야한다. 따라서 본 연구는 배수갑문 개방시 유출부의 흐름 현상을 파악하기위해서 수리모형실험과 3차원 수치모형 실험결과를 비교 분석하였다. 수공구조물의 수리학적 해석을 위해 3차원 수치모형을 이용하기 시작한 것은 비교적 최근의 일이다(김남일, 2003; 이상화 등, 2006; 정진원, 2007).
- 6 H(수심)에서의 유속을 측정하였다. 또한, 배수갑문에서의 홍수량 유출로 인한 외해측의 흐름 유황은 디지털 카메라를 통해 관측하였다. 아래의 Fig.
- 배수갑문 모형실험의 경우 자유표면을 갖는 흐름으로 이러한 흐름은 중력이 유체의 운동을 지배하며, 모형과 원형 사이의 상사 관계는 Froude 상사율에 의한다. 모형제작 영역, 실험수조의 크기 및 하천 수심 등을 종합적으로 고려하여, 수평 축척(NL) 1/50, 연직 축척(%) 1/50의 정상 모형을 사용하였다.
- 수리모형실험 및 수치해석의 결과를 비교검토 하는.방법으로 연구를 진행하였다. 수치해석을 수행하기 위해서는 배수갑문의 Geometry 및 Mesh를 생성하는 과정이 선행되어야 하며, 이 과정은 ANSYS ICEM CFD 10.
- 0 m(폭) 규모의 약 10 ton까지 저장 가능한옥외수조로부터 30kw(40마력) 출력의 펌프를 이용하여 디지털 전자기 유량계를 거쳐 공급되도록 하였다. 배수갑문 주위의 유속 측정은 3차원 유향 유속계(KENEK사)를 이용하여 20초 동안 계측하여 평균하였다. 실제 시간은 20 secX 750 = 141.
- 배수갑문의 수문은 홍수량을 전량 배수할 수 있는 완전 개방 (Full open>상태로 설정하였으며, 수리 모형 실험에서의 경계조건은 상류측(호측) 경계를 홍수위로 설정하고 하류측 (해측) 경계는 상류측(호측) 수위에 영향을 미치지 않는 간조시의 약 최저 간조위로 설정하여 수위가 유지되고 있는 상태에서 , 배수갑문에서의 배수가 이루어지도록 설정하였다.
- 본 논문은 군장국가산업단지 (장항지구)에 설치될 배수갑문 계획안 중 하나를 모델로 하여, 수리모형실험과 3차원CFD 프로그램인 ANSYS CFX 10.0을 이용하여 배수갑문유출구 부근의 유속 및 유황을 비교 검토하였다.
- 또한 자유수면의 경우 물, 공기를 2개의 유체로 해석하여 공기와 물의 접촉면에서의 흐름을 정확하게 표현할 수 있는 장점이 있다. 본 실험에서는 ANSYS CFX 10.0 프로그램의 k-e 난류모형으로 배수갑문 유출부의 유동현상을 수치모의 하였다.
- Mesh의 구성은 구조물의 크기를 고려하여 Hexa Mesh 크기를 구성하였다. 본 연구에서는 물과 접촉하게 되는 바닥과 구조물 벽 부분에 Mesh가 크게 설정 되면 Mesh 간의 흐름에 대한 정보 전달이 연속해서 이루어지기 어렵고 특정 부위에 Mesh들이 겹치는 현상이 일어나 유동해석에 장애를 일으킬 수 있으므로 Mesh 크기를 조밀하게 구성하였다. Mesh의 개수는 2백만개가 넘는 2, 306, 768개 이고, Mesh의 크기는 수평격자 0.
- 솔리천 배수갑문 모형은 아크릴로 제작하여 물을 흡수함으로서 생기는 체적변화가 없도록 하고, 갑문 내 흐름을 관찰하는데 용이하도록 제작하였다.
- 수조바닥에 50 cm 간격의 격자를 도시 한 후 모형축척 (1/50)을 고려하여 솔리천 배수로를 재현하였다.
- 수치해석은 수리모형실험과 동일한 조건(Table 1)을 부여하여 수행하였으며, 경계조건으로 구조물 상, 하류에서 수위 경계를 부여하고, 나머지는 고체경계이므로 벽면의 조도를 반영할 수 있는 무활(no slip)조건을 부여하였다. 수리모형실험 및 수치해석의 결과를 비교검토 하는.
- 8m(높이))에서 수행하였으며, 연구대상 지역은 군장국가산업단지(장항지구)에 설치될 배수갑문 계획안 중 하나를 모델로 하였다. 실험유량은 7.0 m(길이)* 1.5 m(높이)* 1.0 m(폭) 규모의 약 10 ton까지 저장 가능한옥외수조로부터 30kw(40마력) 출력의 펌프를 이용하여 디지털 전자기 유량계를 거쳐 공급되도록 하였다. 배수갑문 주위의 유속 측정은 3차원 유향 유속계(KENEK사)를 이용하여 20초 동안 계측하여 평균하였다.
- 어 려움이 있었다. 이로 인해 사진촬영으로 수리모형실험과 수치모형실험의 유황을 비교 하였다. 수리모형실험의 경우, 배수갑문 유출부에서 외해방향으로 약 25 m까지 삼각형 모양의 제트류가 나타고 있으며, 그 이후 도수가 발생하여 배수갑문으로부터 외해측 약 150 m까지 진행되었다.
대상 데이터
- 본 실험은 동아대학교 하천 및 항만 공학 연구실의 3차원 수조(10m(폭)X25m(길이)xo.8m(높이))에서 수행하였으며, 연구대상 지역은 군장국가산업단지(장항지구)에 설치될 배수갑문 계획안 중 하나를 모델로 하였다. 실험유량은 7.
- 수공구조물의 수리학적 해석을 위해 3차원 수치모형을 이용하기 시작한 것은 비교적 최근의 일이다(김남일, 2003; 이상화 등, 2006; 정진원, 2007). 수리 실험 및 3차원 수치모형에 적용된 대상 갑문은 군장(군산장항)국가산업단지내의 솔리천에서 유입되는 홍수량 218 m3/s 을 배제하기위해서 설계된 배수갑문이다. 이 구조물에 대한 수리 모형실험은 Froude 상사율이 적용된 수평 및 연직 축척 1/50으로 흐름 현상을 재현하도록 하였으며 3차원 수치실험에 사용된 모형은 실제 크기의 배수갑문과 주변 영역에 대해 상용 프로그램인 ANSYSCFX-10의 z* c 난류모형으로 수치모의 하였다.
- 실험대상 배수갑문은 5.50X5.0@4련으로 이루어져 있으며 바닥표고는 EL(-)2.5m이다. 배수문의 길이는 74.
데이터처리
- 0) 이라는 상용 프로그램을 시용하였다. Geometry 및 Mesh를 생성하는 과정을 거친 후 ANSYS CFX 10.0 난류해석 프로그램으로 해석하였다.
- 본 연구에서의 3차원 수치모형실험은 배수갑문을 축소하지 않은 원형(prototype) 상태에 대하여 ANSYS CFX 10.0프로그램을 이용하여 수행하였다.
- 방법으로 연구를 진행하였다. 수치해석을 수행하기 위해서는 배수갑문의 Geometry 및 Mesh를 생성하는 과정이 선행되어야 하며, 이 과정은 ANSYS ICEM CFD 10.0(ANSYS Integrated Computational Engineering and Manufacturing Computational Fluid Dynamics 10.0) 이라는 상용 프로그램을 시용하였다. Geometry 및 Mesh를 생성하는 과정을 거친 후 ANSYS CFX 10.
이론/모형
- 본 연구에 이용된 K-8모형은 2-방정식의 난류모형이며 수치해석에 소요되는 시간에 비해 정확성이 뛰어나므로 널리 사용된다. 2-방정식 모형은 0-방정식모형보다 훨씬 복잡한 형태를 가지고 있으며, 속도와 길이 스케일에 대해 추가적인 2개의 서로 다른 수송방정식을 풀어야 하므로 2-방정식 모형이라고 불린다.
- 수리 실험 및 3차원 수치모형에 적용된 대상 갑문은 군장(군산장항)국가산업단지내의 솔리천에서 유입되는 홍수량 218 m3/s 을 배제하기위해서 설계된 배수갑문이다. 이 구조물에 대한 수리 모형실험은 Froude 상사율이 적용된 수평 및 연직 축척 1/50으로 흐름 현상을 재현하도록 하였으며 3차원 수치실험에 사용된 모형은 실제 크기의 배수갑문과 주변 영역에 대해 상용 프로그램인 ANSYSCFX-10의 z* c 난류모형으로 수치모의 하였다. CFX-10의장점은 3차원 난류 흐름에 대해 현상을 양호하게 시뮬레이션 할 수 있으며 물과 공기 접촉면(two phase interface)의경계층에서 흐름 분리가 뚜렷하여 도수로 인한 유속의 급격한 변화와 이에 따른 수위, 수면의 흐름 상태를 재현할 수가 있다.
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