Numerical Investigation of Confluence Flows with Various Discharge Ratios and Junction Angles

Abstract

Confluent flow is one of the most common hydrodynamic phenomena. Thus, it has been studied numerically as well as experimentally in various fields of engineering by many researchers. However, most numerical studies were carried out in two dimensions under limited conditions of discharge ratios or junction angles and not comprehensively validated. Therefore, this study conducted the three-dimensional numerical investigation of the effects of the discharge ratio and junction angle to flow characteristics associated with the primary and secondary flow patterns, separation zones, water depth, bed shear stress, turbulent kinetic energy, etc. in various confluences using open source CFD software OpenFOAM. The numerical results have been reasonably validated against the experimental data of Gurram (1997) and Shumate (1998). It showed a good agreement between the simulation results and observations. It was verified that the separation zone, the maximum velocity, maximum turbulent kinetic energy, maximum bottom shear stress, and the depth depression zone, and depth ratio variation increased while the discharge ratio and junction angle increased. Multiple Linear Regression (MLR) models from the simulation results and the goodness-of-fit and estimation were modelled and validated with the adjusted R-squared values and the MSE values. Moreover, the sensitivity analysis using the sum of the partial derivatives verified that the separation zone varied more sensitively to the junction angle, whereas the other characteristics changed more sensitively to the discharge ratio. However, the number of simulation cases was not enough for comprehensive validation and the effects of the width and depth of the channels were not considered due to the high computational time. Thus, it is necessary to conduct a greater number of simulations with different discharge ratios, junction angles, channel width, and depth to prove the validity of the simulation results and apply the mathematical models to different geometries.

합류부 흐름은 가장 흔하고 복잡한 수리학적 현상 중 하나로, 유사이동, 하상변동, 하·폐수 혼합 등, 주변 환경 및 구조에 큰 영향을 주고 홍수 등의 자연재해를 일으켜 극심한 인명피해까지 야기할 수 있다. 그로 인해 다양한 분야에서 실험적뿐만 아니라 수치적으로 많은 연구의 대상이 되어왔다. 하지만 현재까지 이루어진 대부분의 수치모의는 제한적인 유량비나 접근각도에 대해서만 수행되었고 다양한 유동 특성에 대한 깊이 있는 검증은 찾아보기가 어렵다. 본 연구에서는 합류부의 각도와 유량비에 따른 합류부 흐름을 오픈소스 프로그램인 OpenFOAM을 이용하여 3차원 수치모의를 수행하였고 일차 흐름, 이차 흐름, 유동분리, 난류운동에너지, 바닥전단응력, 수심변화 등을 도식화 및 검증하였다. 모의 결과를 Gurram at el. (1997) 과 Shumate (1998)의 실험결과와 검증한 결과, 높은 부합성을 보였으며 유량비 및 접근각도가 증가할수록 대부분의 흐름특성이 증가함을 확인할 수 있었다. 모의결과로부터 다중선형회귀 모델을 도출하였고 조정결정계수와 평균제곱오차를 통해 모델의 높은 적합도와 예측력을 보여주었다. 민감도 분석 결과, 분리구역은 접근각도에, 나머지 특성들은 유량비에 더욱 민감하게 변화하는 것이 확인되었다. 하지만, 본 연구에서는 3차원 수치모의의 긴 계산소요시간 때문에 수로의 폭 및 수심은 고려하지 못했고, 실험 조건과 실험 자료에 제한이 있었기 때문에 향상된 연구의 검증 및 타당성을 위해서는 다양한 지형조건에 따른 실험을 토대로 추가적인 모의가 필요하다고 사료된다.