Flow-3D를 이용한 교각 주변 흐름의 수치해석 = Numerical analysis of flow around bridge pier using FLOW-3D

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

According to researchers, the influential factors of scouring are generally divided into three factors: the flow conditions, the type and position of structures, and the characteristics of bed materials. In addition, scouring is affected by the 3-dimensional turbulent boundaries, the unsteady flow, the movement of sediment in the scour-hole areas, the approach flow velocity and depth, the width of the bridge foundation/pier, and the particle size of bed materials. However, it is difficult to estimate the scour depth near bridge piers when all conditions are factored in at once.
Therefore, for reasonably accurate estimates of scour depth, it is essential to consider sufficiently the flow force and resisting force for scour. That is, to determine the shear stress concerning the bed material distribution is needed.
In this study, the experiments were performed under the condition of a steady state of flow. As a result, scouring occurred at velocity ratios of V/Vc=0.476, and the scour depth was increased linearly as the velocity ratio increased. In addition, the average values of shear sress ratio at zero scouring depth in both rectangular and circular piers were approximately 7(tauc/tauapproach), and in the case for same size bed particle materials, the shear stress ratio of rectangular piers were higher than circular piers. The results of this study can be used for the fundamental material for estimating the scour depth of bed materials.

국문 초록 (Abstract)

최근 들어 다양한 산업에서 3차원 수치해석을 이용하는 영역이 넓혀지고 있다. 국내에서도 3차원 수치해석을 이용하여 댐이나 정수처리시설 설계 등 수리분야에 적용하였고, 점점 그 이용이 확대되고 있다. 특히 교량 및 수제 등의 수공구조물로 인한 주변 흐름형상은 2차원 해석이 불가능하여 현재 수리모형실험을 통한 해석이 주를 이루고 있다. 이에 본 연구에서는 현재 3차원 수치해석에 많이 이용되는 상용모델인 FLOW-3D를 이용하여 3차원 흐름에 대한 수치해석을 수행하였으며 수리모형 결과와 비교하여 적용성을 검토하였다. 그 결과 모의 및 실험결과 수리모형과 수치모의 결과는 서로 비슷한 흐름양상을 보이고 있었다. 또한 Fr수와 조도계수(Roughness)를 매개변수로 하여 다양한 상태에서의 FLOW-3D의 민감도를 검토하였으나 실제 흐름과는 상이함을 보였다. 또한 다양한 난류모형을 적용하여 그 결과를 실제 흐름과 비교해보았다. 그 결과 3차원모형에서는 교각 후면부와 좌, 우측면부에서의 흐름이 실제 수리 모형과는 상이한 결과를 보이는데 이는 FLOW-3D의 벽 경계 및 와류에 대한 난류모델에 따른 수치해석적인 차이로 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 = 0
• 제1장 서론 = 1
• 1.1 연구의 필요성 및 목적 = 1
• 1.2 연구의 내용 = 2
• 1.3 연구동향 = 3
• 제2장 FLOW-3D의 이론적 배경 = 7
• 2.1 FLOW-3D = 7
• 2.2 지배방정식 = 7
• 2.3 난류모델 = 8
• 2.4 수치해석기법 = 14
• 제3장 수치모의 = 19
• 3.1 모의조건 = 19
• 3.2 흐름 모의 및 결과 = 23
• 3.3 지점 유속의 측정결과 = 40
• 3.4 난류모델별 모의 = 45
• 3.5 모델별 모의 결과비교 = 46
• Abstract = 52