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문제 정의
- 따라서 앞서 모의한 18가지의 결과를 근거로 한 경계층 형성 현상을 극복하기 위한 보완 실험이 필요하게 되었고, 단거리에 혼합효율을 향상 시킬 수 있도록 경계층 파쇄를 위한 관 내부속물을 고안하여 그 결과를 비교․고찰해 보기로 하였다. 고안된 관 내 부속물의 형태는 Fig.
- 본 연구는 준설토 배송관과 개질재 주입관이 합류되는 지점을 3차원 전산유체역학(CFD, Computational Fluid Dynamics)으로 물성이 다른 이상(2-phase)유체들이 혼합되는 과정을 모사하여 그 양상과 혼합효율에 영향을 미치는 인자를 분석하고 개선안을 검토함으로써 경제적인 물리실험을 위한 가이드라인(guideline) 수립에 기여하는데 그 목적이 있다.
- 준설토사를 매립재로 즉각 활용하기 위해서는 인력과 장비가 진입할 수 있는 수준의 초기 재현강도가 중요하며, 준설토의 수력학적 배송 환경에서 개질재와의 혼합이 필수적이다. 본 연구에서는 균질의 개질 준설토를 얻기 위한 방법으로 관 내에서 사전에 혼합을 시도하는 관중혼합에 초점을 맞추어 준설토 배송관과 개질재 주입관이 합류함으로써 발생하는 거동을 분석하여 혼합효율을 평가해 보았다. 평가는 오픈소스 3차원 CFD 코드인 OpenFOAMⓇ을 활용하여 그랩 준설 및 펌프 준설에 대하여 각 9가지 조건을 모사하였으며, 최적 배합비로 혼합하는 경우에는 준설토와 개질재 사이에 경계층이 형성됨을 확인하였고, 이 현상을 개선하기 위한 경계층 파쇄를 위한 관 내 부속물을 제안하였다.
가설 설정
- 셋째, 흙은 비균질 입자들의 혼합물이지만 CFD에서 물과 섞여 있는 흙의 입자들을 모두 모형화 하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 입상체의 입경은 무시되나 물과 혼합된 상태에서의 비중과 점성은 고려한다. 따라서 각 상의 거동은 독립성을 유지하되 입상체 입경은 모두 등가환산으로 취급된다.
- 첫째, 준설토 배송관로와 개질재 주입관로 경계부에서 입자들은 균일하게 분포하여 물과 함께 유입된다. 배송관로에서 침강으로 인한 재료분리는 배송속도가 느리거나 함수율이 낮은 경우에 해당하므로 본 연구에서는 모형화 된 준설토 배송관로의 유입부 이전에서 재료분리 발생은 고려하지 않았다.
- 본 연구에서 각 상의 경계면 인장응력 효과가 중요하지 않다면 임의의 지점에서 모든 상들은 같은 압력을 갖는다고 가정할 수 있다. 이 경우 평균화된 다상 유동 방정식은 다음과 같다.
- 본 연구의 관심대상인 관 내에서의 각 상별 혼합효율을 판단하는 기준은 구성된 관로 모형의 말단 단면에 형성되는 밀도분포(distribution of density)에 대한 표준편차를 분석하는 방법을 이용하였고, 그 값이 작을수록 상대적으로 개질재의 혼합이 잘 이루어진 것으로 우열을 가리기로 하였다.
- 본 연구의 관심영역은 준설토 배송관로와 개질재 주입관로가 합류되는 위치이고, 해당 위치에서의 혼합양상을 관심대상으로 한다. 여기서, 개질재 주입량은 준설토 배송관로를 통하여 배송되는 물-흙 혼합물 중 흙의 중량에 따른 배합비를 적용하게 되는데, 현실에서는 준설 현장의 토성(입경, 중량, 함수비 등)에 따라 여러가지 경우가 발생할 수 있으므로 다음과 같은 가정을 수립하여 연구의 집중도를 높였다.
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