3차원 전산유체해석모형의 벽면 마찰산정을 위한 거칠기 높이 결정

Abstract

최근 수리구조물 설계에 전산유체해석모형이 빈번히 이용되고 있다. 일반적으로 CFD모형의 사용자 매뉴얼에서 추천되고 있는 조고값(거칠기 높이)을 수치모의에 사용하면 벽면마찰이 채택된 난류모형에 따라 과대 또는 과소평가된다. 그러므로 수치계산에 의한 수리특성은 부정확해진다. 본 연구에서는 3차원 전산유체해석모형인 FLOW-3D를 선정하여 조고와 Manning 조도계수 사이의 관계를 규명하기 위한 광범위한 수치실험을 수행하였다. 다양한 격자간격, 유속, 조고 및 난류모형의 조합을 검토하였다. 수치해석 결과를 분석한 결과 k-ε난류모형이 RNG난류모형보다 더 정확한 것으로 나타났으나, 두 가지 난류모형 모두 조고값이 큰 경우 해석해에 의한 것보다 약한 벽면마찰을 주며, 이 벽면마찰의 과소평가는 RNG모형에서 더욱 심각한 것으로 나타났다. 그러므로 RNG난류모형을 사용할 경우에는 사용자 매뉴얼에서 추천하는 조고값보다 더 큰 값을 사용하여야 한다. 수치해석 결과를 바탕으로 Manning 조도계수가 알려진 수리구조물에 대해 FLOW-3D에 의한 수치해석시 정도 높은 벽면마찰을 얻기 위한 적절한 조고를 결정하는 설계기법을 개발하였다. 한국의 남부지역에 있는 주암댐의 여수로상 고속흐름을 수치모의하여 본 연구에서 제안된 기법을 실무에 시범적용하였다.; Computational fluid dynamic (CFD) codes are frequently used in recent days for the design of hydraulic structures. In general, if the roughness height recommended by the user's manual of CFD code are employed in the simulation, the wall friction is underestimated or overestimated depending on the turbulence model chosen by the user. Thus, the hydraulic characteristics of the numerical output would be erroneous. In this study a three-dimensional CFD code, FLOW-3D, is chosen, and an extensive numerical simulation is conducted to investigate the relationship between roughness height and Manning coefficient. Various combinations of grid size, flow velocity, roughness height, and turbulence models are tested. The analyses of numerial results show that the k-ε model appears to be more accurate than the RNG model. However, both turbulent models produce frictional losses weaker than the analytical one for a large value of roughness height, and this underestimation of losses are more severe in the RNG model. Thus, when the RNG model is selected as a turbulence solver, the roughness height should be adjusted to a value larger than recommended by the user's manual. Based on the numerical results a design criterion to determine the appropriate roughness height for FLOW-3D is developed to achieve an accurate wall friction for the hydraulic structures for which the Manning coefficient is known. A practical application of the proposed criterion is made for the numerical simulation of high-speed flow on the spillway of Juam dam in south area of Korea.