Numerical Investigation of the Interaction between Flow Structures and Sediment Behaviors Downstream of Backward-Facing Steps and Aprons

Abstract

수공구조물 인근 흐름에 대한 연구는 흐름 특성과 유사 거동의 복잡성으로 인해 여전히 많은 관심을 받고 있다. 이러한 측면에서 본 논문은 다양하게 경사진 후향 계단과 수문과 같은 수공구조물 배후의 흐름 및 유사 거동을 수치모의를 통해 규명하였다. 우선 표면 제트 흐름에서 후향 계단 각도가 벽 근처 난류 흐름 구조 및 소류사 이송률, 그리고 이들의 상호작용에 미치는 영향을 분석하였다. 오픈 소스 3차원 유동해석 프로그램인 OpenFOAM에 기반한 large eddy simulation (LES)과 discrete element method (DEM)의 결합 모델이 수치모형으로 차용되었다. 해당 수치모형은 수치모의 결과와 다양한 실험에서 취득한 데이터 간의 높은 상관성을 확인함으로써 적절히 검증되었다. 수치모의 결과는 후향 계단 각도가 20°보다 작을 때 유동 박리가 발생하지 않으며, 이러한 경우 벽 근처 난류 강도가 유사를 활발히 이송시키기에는 충분히 크지 않다는 것을 나타냈다. 후향 계단 각도가 20°보다 커졌을 때 유동 박리현상이 관측되었으며 결과적으로 벽 근처 난류 강도가 splat 효과로 인해 현저히 증가하였고, 이에 따라 유사 이송률도 급격히 증가하였다. 후향 계단 각도가 30°와 90°로 더욱 증가하였을 때, 재부착 길이 또한 증가하는 경향을 보였지만 벽 근처 최대 난류 강도는 거의 변하지 않았다. 평균 소류사 이송률의 최고점은 재부착 길이가 증가함에 따라 더 하류에서 관측되었다. 또한 벽 근처 흐름 구조와 소류사 이송의 상호작용을 규명하기 위해 사분면 분석이 수행되었다. 사분면 분석 수행 결과, 재부착 지점 직전에는 sweep이, 직후에는 burst가 소류사를 각각 흐름 방향, 흐름 반대 방향으로 이송시키는 주요한 난류 사건이라는 것이 규명되었다. 더 나아가, 본 논문에서는 수문 열림에 의한 벽 제트 흐름에서 바닥보호공 배후 흐름 및 유사 거동의 특성 또한 수치적 방법으로 조사하였다. 이 흐름 영역에서는 넓은 면적 공기주입법이 세굴 완화에 미치는 영향이 평가되었다. 이를 위해 LES-DEM 결합 모형의 지배 방정식에 대한 소스 코드를 공기상을 포함하도록 수정하였다. 수치모의를 통해 산출된 벽 근처 평균 유속과 바닥보호공 배후 저면 형상은 실험에서 관측된 데이터와 적절하게 일치하는 것을 확인하였다. 수치모의 결과, 소류사 이송률과 최대 세굴심은 벽 근처 흐름 방향 평균 유속을 감소시키는 공기 주입에 의해 현저하게 감소하는 것으로 판명되었다. 이러한 결과는 흐름 방향 평균 유속을 감소시키는 것이 직접적으로 세굴을 완화시키는 가장 주요한 요인이라는 것을 암시한다. 이에 반해, 연직 방향 평균 유속과 난류 강도는 공기 주입으로 인해 현저하게 증가하였지만, 이들은 유사 거동에 기여하는 바는 거의 없는 것으로 나타났다. 최대 세굴심은 공기 유입량이 증가할수록, 그리고 공기 주입 면적이 늘어날수록 감소하는 것으로 확인되었다. 또한, 소류사 이송에 대한 사분면 분석 결과를 통해 공기 주입이 없을 때 주 난류 사건인 sweep에 의해 초기 세굴량이 증가하는 것을 확인하였으며, 공기 주입이 있을 때는 outward 와 inward interaction이 주 난류 사건으로 작용하면서 초기 세굴량이 급격하게 감소하는 것을 규명하였다.

The study of the flow over hydraulic structures is still of particular interest to researchers due to the complexity of flow characteristics and sediment behaviors. This thesis is to investigate the flow and sediment behaviors behind hydraulic structures, such as various inclined backward-facing steps (BFSs) and a submerged sluice gate. The effect of BFS angles on near-bed turbulent flow structures and bedload transport rate, as well as their interactions, is examined in surface jet flow. A combined numerical technique of large eddy simulation (LES) and discrete element method (DEM), based on the open source package OpenFOAM, is employed. The validation of the numerical model shows a good agreement between the simulation results and observed data obtained from different experiments. The simulation results reveal that the flow does not form a separation zone when the BFS angle is less than 20°, wherein the near-bed turbulence intensity is insufficient to induce substantial sediment movements. As the step angle is increased to a certain value (20°), the separation flow is formed. Consequently, the near-bed turbulence intensity is significantly increased due to the splat effect, and the sediment flux is also drastically increased. As the BFS angle further increases to 30° and 90°, the reattachment length is extended without notable changes in maximum turbulence intensity near the bed. The peaks of the mean bedload transport rate are located further downstream along the extended reattachment length. The quadrant analysis for bedload transport is performed, and the results demonstrate that the sweep event plays a significant role in moving most sediment downstream of the reattachment point. On the other hand, right upstream of the reattachment point, the burst becomes the dominant turbulence event to move the majority of the sediment backward in the upstream direction. In addition, this study further examines the flow and sediment behaviors behind an apron in submerged wall jet flow when a sluice gate is opened. For this flow regime, the effect of wide-area air injection on scour mitigation is evaluated. The LES-DEM coupling model is further expanded to incorporate air phase. The bed profile simulated by the LES-DEM model exhibited good agreement with observation data. The bedload transport rate and the maximum scour depth are significantly reduced by the air injection, which also decreases the near-wall mean streamwise velocity. This result confirms that reducing the mean streamwise velocity is the most influential factor in mitigating scour. Although the mean vertical velocity and turbulence intensity are substantially increased due to the air injection, these factors do not contribute significantly to sediment behaviors. The maximum scour depth is shown to be decreased with a higher air injection flow rate and larger air injection area. The quadrant analysis for bedload transport reveals that without air injection, the sweep event is primarily responsible for the initial scour process. However, when air is injected, the sediment moves by primarily outward and inward interactions with a substantially reduced transport rate.