Design of the Tesla Channel to Maximize the Asymmetry of Bidirectional Flows

Abstract

염수의 역류가 빈번히 일어나는 해안 지역에서는 이를 막기 위해 댐과 같은 수리 구조물의 설치가 필수적이다. 하지만 이러한 구조물은 상류와 하류를 완전히 분리해 생태계를 단절시키는 동시에 수질 악화 문제를 야기한다. 따라서 이에 대한 새로운 대안이 필요한데, 이는 흐름을 기존 수리 구조물처럼 상류와 하류의 흐름을 차단하는 것이 아닌 수평 구조를 통해 흐름을 조절해야 기존의 문제를 해결할 수 있다. 새로운 구조물은 하류로 향하는 흐름은 많이 흘러 보내는 동시에 상류로 거슬러 올라오는 흐름은 최대한으로 막아 양방향 흐름에서의 흐름 비대칭을 극대화해야 한다. 이를 구현하기 위해 테슬라 밸브의 메커니즘을 활용하였는데, 이는 흐름 방향에 따라 루프 형태의 부품 내의 흐름 형태가 달라져 주 흐름을 도와주거나 방해하는 장치이다. 본 연구에서는 이러한 원리를 활용하여 간단한 형태의 구조물을 양방향 흐름이 일어나는 개수로에 적용시키고자 했고, 수치 모델링을 이용하여 이를 구현한 후 방향에 따른 흐름 총량의 차이를 비교하여 최적의 효율을 보이는 구조물 배치 설계를 결정하였다. 구조물에 따른 흐름 모사를 위해 오픈소스 전산 유체 프로그램 OpenFOAM을 사용하여 레이놀즈 평균 나비에-스톡스 방정식을 풀었고, 유체 부피 방법을 이용하여 자유 표면 흐름을 나타내고자 하였다. 직선형 수로 영역을 나타내는 수치 모델을 이용한 예비 연구는 수로와 구조물이 이루는 각도를 적절히 조절함에 따라 구조물을 이용하여 양방향 흐름에서의 흐름 비대칭을 만들어낼 수 있다는 것을 확인하였다. 또한, 서로 다른 두 종류의 구조물을 포함한 단위 구조물 설계를 제시하여 본 연구의 효율을 증대하였다. 본 연구에서는 해안 지역 모사를 위한 파의 유입과 비반사 경계조건을 적용하여 모델을 개발하였고, 예비 연구에서 얻은 단위 구조물 설계를 바탕으로 한 다양한 구조물을 포함하여 수치 모의가 진행되었다. 격자 수렴성 평가를 통해 적절한 메시가 결정되었고, 수표면과 속도 분포 측정 실험을 통해 본 실험에 사용될 전산 유체 모델의 유효성을 검증하였다. 수치 모의 결과, 양방향 흐름 내에서 특정 주기 동안의 흐름 총량 차이를 비교하여 가장 좋은 효과를 보이는 구조물의 개수, 길이, 배치, 모양을 결정하였다. 해당 조건들은 최적의 수리 구조물 배치 설계를 제시하였고, 추후의 구조물 설계의 발판을 마련한다.

In the coastal area, a hydraulic structure such as a dam or a barrage is required to prevent the problems caused by the seawater from the coastal sea. However, it completely separates the upstream and downstream by its vertical wall then attributes to the ecosystem disconnection and bad water quality. Therefore, an alternative structure is needed with controlling the flow horizontally. It should release the freshwater from the upstream at least and block the seawater from the downstream at most; it implies that the structure should maximize the flow asymmetry in bidirectional flows. To implement the idea, the mechanism of the Tesla valve was grafted which forms different flow structures depending on the flow direction with curved flow-control stages. The present study aims to adapt the hydraulic structures in the open channel with bidirectional flows by numerical modeling, and the performance of their design for the flow asymmetry was evaluated by the total volume difference in two directions. An open-source computational fluid dynamics (CFD) software OpenFOAM solved continuity equations for mean velocities and Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations to simulate the flow with the hydraulic structures, and the volume of fluid (VOF) method was applied to describe the free surface flow. The preliminary study with the numerical model in a simple straight channel domain confirmed the effectiveness of the structures to make the flow asymmetry in a bidirectional flow by controlling the angle between the channel side and the structures. Also, it proposed a unit structure design that consists of two types of structures. The main model was developed to describe the coastal area and included the structures installed based on the unit design. The grid convergence test verified the reasonable numerical mesh and the laboratory experiments validated the CFD model by measuring the free surface levels and velocity profiles. The simulation results decided the numbers, length, location, and shape of the structures to maximize the flow asymmetry, which was evaluated by the total volume difference in a specific period in a bidirectional flow. It suggests the best design of the hydraulic structures and provides a guideline for future design.