| 초록 |
연구개요 이 연구는 하천과 해안 환경에서 분산된(dispersed) 점착성 및 비점착성 유사(sediment)를 함유한 다상(multiphase) 난류 흐름을 해석하기 위한 3차원 유한체적(finite volume) Lagrangian-Eulerian 수치모델링 체계를 개발하는 것임. 개발된 모형의 적용은 수공구조물 하류에서 도수발생으로 인한 공기연행 현상의 다상흐름 모델링, 글리세린을 포함한 물과 모래입자 사이의 상호작용 수치모델링을 포함함 연구 목표대비 연구결과 이 연구는 하천과 해안 환경에서 유체상과 입자를 포함한 다상 난류 흐름을 해석하기 위한 3차원 유한체적법에 기반한 다상난류흐름 수치모델링 체계를 개발하는 것임. 개발된 모형의 적용성 평가 대상은 수공구조물 하류에서 도수발생으로 인한 공기연행 현상의 다상흐름 모델링, 글리세린을 포함한 물과 모래입자로 구성된 토석류와 경사면에서 설치된 수리구조물과의 상호작용, 그리고 저수지와 대하천 사면에서 발생하는 토석과 물이 혼합된 토석류가 수면에 도달하면서 발생시키는 수면충격파의 수치모델링 등을 포함함. 연구의 세부 목표를 달성하기 위해서 수행한 대표적인 연구의 성과를 요약하면 다음과 같음: 1) 실트층과 물층으로 구성된 저수지 붕괴에 따른 토석류 흐름과 물 흐름의 상호작용을 뉴튼 유체와 비뉴튼 유체 특성을 동시에 고려하여 모의하였으며, 실험자료와 비교 평가할 때, 개발된 수치기법은 토석류와 물을 별도로 고려한 다상흐름을 성공적으로 해석할 수 있음을 보여줌; 2) 개발된 수치모형을 적용하여 저수 유역 사면에서 발생한 산사태/토석류에 의해서 발생하는 수면 충격파를 연구하기 위한 수리실험을 수치적으로 재현하음. 비뉴튼 유체인 토석류를 유변학적 모델로 고려하여 수행한 수치해석 결과는 사면과 수중에서의 토석류의 전파특성과 함께 수면충격파의 전파 및 이 두가지 흐름의 상호작용을 우수하게 수치적으로 모의할 수 있음을 밝힘; 3) 다상흐름 모델링 기법과 하이브리드 난류 모델링 기법을 결합한 수치모형을 이용하여 사각형 수로에서의 중력류를 수치모의 하였음. 이 연구는 다상흐름 모델링 기법을 중력류에 적용한 최초의 연구이며, 그 결과는 하이브리드 난류모델링 기법과 다상흐름 해석기법을 병합한 수치모형이 자연상태에서 복잡 한 중력류의 물리적 거동을 예측하는데 공학적으로 유망한 방법임을 보여줌 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) -3차원 수치모델을 이용하여 토석층과 물층이 동시에 붕괴될 때 발생하는 토석류파와 수면파의 전파 및 상호작용을 성공적으로 모의하고 스위스 EPFL에서 수행한 실험자료와 비교하여 모형의 우수한 성능을 평가하였음. 토석류 관련 3차원 수치해석 연구를 선도적으로 수행한 것으로서 세계적인 후속 연구를 이끌 것으로 기대함 -급경사 수로에서 비뉴튼 유체에 해당하는 토석류가 전파되고 퇴적되는 현상을 3차원 수치모델을 이용하여 모의하고 미국 USGS에서 수행한 실험자료와 비교하여 모형의 우수한 성능을 성공적으로 평가하여, 후속 연구에 크게 기여함 -토석의 체적농도가 다른 토석류 그리고 토석류와 물의 상호작용을 직접 해석하기 위해서 토석류, 물, 공기의 3상 유체 흐름 및 상호작용을 직접 모의하는 방법을 개발하여 적용성을 평가중. 실험자료가 충분하지 않은 상황이라, 현재 공동으로 수행하고 있는 국내 연구자와의 실험연구를 통해서 확보되는 유체상와 입자상을 동시에 고려한 실험자료를 이용하여 개발된 모형의 적용성을 평가하고 보완하고 있음. 이 연구결과는 세계적으로 최초 수행하는 것으로 관련 분야 연구에 크게 기여할 것임 -개수로에서 발생하는 도수 현상 그리고 이로 인한 공기연행이 특징은 2상 유체 흐름을 LES 기법을 이용하여 모의하였으며, 모의 결과를 세계적으로 가장 우수한 실험자료와 비교하여 모형의 성능을 성공적으로 평가하였음. 건설환경 분야에서 공기연행 관련 3차원 수치해석 연구를 세계적으로 선도할 것으로 기대됨 (출처 : 요약문 2p) |
