• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.57 no.8
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• pp.493-507
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• 2024

RANS-based CFD analysis is widely applied in various engineering fields, including practical hydraulic engineering, due to its high computational efficiency. However, problems of non-physical behavior in the analysis of two phase flow, such as free surfaces, have long been raised. The two-equation turbulence models used in general RANS-based analysis were developed for single phase flow and simulate unrealistically high turbulence energy at the interface where there are abrupt changes in fluid density. To solve this issue, one of the methods recently developed is the buoyancy-modified turbulence model, which has been partially validated in coastal engineering, but has not been applied to open channel flows. In this study, the applicability of the buoyancy-modified turbulence model is evaluated using the VOF method in the open-source program OpenFoam. The results of the uniform flow showed that both the buoyancy-modified k-𝜖 model and the buoyancy-modified k-ω SST model effectively simulated the reduction of turbulence energy near the free surface. Specifically, the buoyancy-modified k-ω SST model accurately simulated the vertical velocity distribution. Additionally, the model is applied to dam-break flows to examine cases with significant surface variation and cavity formation. The simulation results show that the buoyancy-modified turbulence models produce varying results depending on the VOF method and shows non-physical behavior different from experimental results. While the buoyancy-modified turbulence model is applicable in cases with stable surface shapes, it still has limitations in general application when there are rapid changes in the free surface. It is concluded that appropriate adjustments to the turbulence model are necessary for flows with rapid surface changes or cavity formation.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2011.05a
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• pp.134-134
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• 2011

3차원 난류 부력젵의 혼합을 큰 와 모의(large-eddy simulation) 기법을 이용하여 수치모의 한다. 개발된 수치모형은 3차원 열동수역학 모형을 이용하여 부력젵의 퍼짐, 자기 보존 그리고 주변류의 연행 등을 포함하는 난류젵의 동적 특성을 분석할 수 있다. 수치해석에서 하부격자규모 (subgrid scale, SGS) 난류 응력은 부력항을 수정한 Smagorinsky 모형을 이용한다. 여과된 엔탈피 수송방정식에서 하부격자규모의 스칼라 플럭스는 상수의 SGS Prandtl 수를 가지는 단순 경사수송 가설에 근거하여 모의한다. 계산된 결과를 실험결과와 비교하며, 결과는 양호하게 일치함을 보여준다. 계산결과에 따르면 부력항의 수정이나 SGS 난류 Prandtl 수는 결과에 큰 영향을 미치지 않지만 SGS 모형 상수인 Cs 값은 부력젵 확산 예측에 중요한 영향을 미치는 것으로 나타났다.

• Journal of Biosystems Engineering
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• v.18 no.2
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• pp.144-157
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• 1993

환기중인 실험축사내에서 가축의 현열과 환기공기의 온도차에 의한 열부력(熱浮力)(thermal buoyancy)이 공기유동 및 온도분포에 미치는 영향을 구명(究明)하기 위하여 TEACH 컴퓨터프로그램($k-{\varepsilon}$ 난류모형 및 SIMPLE계열 Algorithm)을 Curvilinear Coordinates에 맞게 변형하였다. 계산한 축사내 공기유통 및 온도분포의 유의성(有意性) 검증은 Boon(1978)의 실험결과를 이용하였다. 열부력의 크기에 따른 유동의 변화를 관찰하기 위하여 유입공기의 온도를 $17^{\circ}C$와 $10^{\circ}C$ 두 수준으로 입력하였으며, 가축의 현열플릭스(flux)는 실내온도에 따라 변화하므로 유압공기의 온도가 $17^{\circ}C$일 때는 130W/$m^2$, $10^{\circ}C$일 때는 170W/$m^2$을 경계조건으로 입력하였다. 예측한 공기유동의 형태는 실험값(Boon, 1978)과 비교하여 대체로 만족할만한 결과를 얻었다. 그러나 유입공기의 온도가 $10^{\circ}C$인 경우, 예측 공기유동은 실험 유동형태와 차이가 있었다. 즉, 실험에서는 수평슬롯으로 유입된 공기가 바로 아래로 굴절되어 유동(流動)하였으나, 계산의 결과는 일정 거리로 수평방향으로 유동하다가 아래로 굴절하였다. 이런 유동의 차이는 경험적으로 열부력(熱浮力)에 민감하게 반응하지 않는 k-${\varepsilon}$ 난류(亂流)모형의 적용이 원인이 되거나 실험의 부적절한 수행이 원인이 될 수도 있다. 이 유동(流動)의 Reynolds 수(數) (Re)는 약 3,300, 수정Ar수(修正Ar數)(Corrected Archimedes Number : $Ar_c$)64로써, $Ar_c$ <30 이거나 $Ar_c$ >75이면 유입공기의 제트는 수평유동한다는 Randall & Battams(1979)의 연구결과와는 일치하였다. 그러나 공기제트의 굴절은 유동의 특성이 같다하더라도 유체의 성질, 축사의 기하학적 형태에 따라서 매우 민감하게 반응하므로 실제 실험을 통한 재검정과정을 거쳐야 할 것으로 판단된다. Fig. 9와 Fig. 10의 기하학적 형태의 지점별 예측온도와 측정온도(Boon, 1978)와의 편차는 대부분의 지점에서는 $1^{\circ}C$ 미만으로 상당히 정확하였으며, 최대의 온도차는 Fig. 10의 지점 13에서 $1.7^{\circ}C$이었다.

• Water for future
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• v.29 no.2
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• pp.199-207
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• 1996

To evaluate the usage of $\kappa-\imath$ turbulence closure for the analysis of thermal discharge behavior, a two-dimensional depth-integrated numerical model is developed. The developed model is applied to a steady flow in an open channel with simle geometry and the numerical results agree well with existing experimental data. The adequate simulation of recirculation, reattachment, and excess temperature rise at downstream of the outlet in the channel attributes to the correct calculation of turbulent eddy viscosity and diffusivity by $\kappa-\imath$ turbulence model. For an accurate prediction of thermal discharge behavior, the introduction of buoyancy production term, the modification of source/sink, and the correct input of turbulence constants of the $\kappa-\imath$ turbulence model are required.