• 터널과지하공간
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• 제30권4호
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• pp.359-381
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• 2020

벤토나이트 완충재에서의 열-수리-역학적 복합거동을 예측하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D 시뮬레이터를 기반으로 개발된 Barcelona basic 모델(BBM) 해석모듈의 현장 적용성을 검토하고자 국제공동연구 DECOVALEX-2019 Task D에 참여하여 스위스 Grimsel Test Site의 현장시험(full-scale engineered barriers experiment, FEBEX) 모델링을 수행하고 현장시험에서 계측된 히터 파워, 온도, 상대습도, 응력, 포화도, 함수율 그리고 건조밀도를 계산 값과 비교하였다. 수치해석을 이용하여 시간에 따른 히터 파워와 온도 변화는 전반적으로 잘 재현되었지만, 히터 1과 히터 2에서의 파워 차이를 계산할 수는 없었으며 이를 개선하기 위해서는 FEBEX 터널 주변에 분포하는 황반암과 시험장치 및 벤토나이트 블록의 설치 공정을 반영할 필요가 있을 것으로 판단된다. 상대습도 변화와 분포 역시 전반적으로 잘 모사되었으나, 수치해석에서 히터 부근에서의 재포화과정이 상대적으로 빠르게 진행된 것으로 보아 수리모델에 대한 일부 수정이 필요할 것으로 보인다. 현장시험에서는 벤토나이트 완충재와 암반 사이에 틈이 존재하지만 수치해석에서는 완벽하게 접촉하고 있는 것으로 가정하였기 때문에 운영 초기의 응력 변화는 다소 차이를 보였지만, 전반적으로 유사한 경향을 보이는 것으로 나타났다. 해체 이후 측정한 포화도, 함수율, 그리고 건조밀도의 분포 역시 전반적으로 잘 재현되었지만, 건조밀도가 터널 중심과 히터부근에서 조금 크게 계산되어 벤토나이트 블록의 투수계수가 상대적으로 작은 값으로 반영되어 포화도와 함수율이 작게 계산된 것으로 보이며, 이를 개선하기 위해서는 건조밀도에 따른 투수계수 모델에 일부 수정이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 토대로 수치모델을 수정하고 추가적인 연구를 수행한다면, 보다 나은 해석 결과와 벤토나이트 완충재에서의 THM 복합거동을 좀 더 현실적으로 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제31권4호
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• pp.289-308
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• 2021

본 연구에서는 열-수리-역학적 복합거동 수치해석을 활용하여 국내 고준위방사성폐기물 처분장의 완충재의 설계 기준 온도가 100℃ 및 125℃인 경우, 처분 간격에 따른 처분시스템의 최고 온도를 계산하고, 역학적 안정성을 확보하기 위한 암반의 조건을 도출하였다. 완충재의 설계 기준 온도를 현재와 같이 100℃로 유지할 때, 처분터널 간격이 40 m, 처분공 간격이 5.5 m인 경우와 처분터널 간격이 30 m, 처분공 간격이 6.5 m인 경우, 처분용기와 완충재가 접하는 점에서 최고 온도가 각각 99.4℃ 및 99.8℃로 계산되었다. 완충재의 설계 기준 온도를 125℃로 향상시킨 경우, 처분터널 간격을 30 m, 처분공 간격을 4.5 m까지 감소시켜 처분 면적을 KRS⁺ 기반 처분시스템 대비 55%까지 감소시킬 수 있었다. 다양한 처분 간격에 대해 암반에서의 역학적 안정성을 평가한 결과, 암반파괴가 발생하지 않기 위해서는 KRS⁺ 기반 처분시스템은 암반의 RMR 분류법의 Good rock에 해당하는 RMR 72.4 이상의 조건이어야 했다. 처분 간격이 감소할수록 암반의 RMR이 더 높아야 했으며, 처분터널 간격 30 m, 처분공 간격 4.5 m인 경우에는 RMR 87.3 이상이 되어야 암반의 파괴를 방지할 수 있었다. 그러나, 처분 이후 지하수 유입 시 벤토나이트 완충재 및 뒤채움재의 팽윤에 따른 구속압에 의한 암반 강도의 증가를 고려하면, 해석을 수행한 모든 처분 간격에 대해 암반의 RMR이 75 이상이면 역학적 안정성을 확보할 수 있었다.

• Tribology and Lubricants
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• 제32권1호
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• pp.1-8
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• 2016

This paper focuses on the thermal deformation induced preload change in the tilting pad journal bearing, using a three-dimensional (3D) thermo-hydro-dynamic (THD) approach. Preload is considered as a critical factor in designing the tilting pad journal bearing. The initial preload measured under nil external load and nil thermal gradient is influenced by two factors, namely, the thermal deformation and elastic deformation. Thermal deformation is due to a temperature distribution in the bearing pads, whereas the elastic deformation is due to fluid forces acting on the pads. This study focuses on the changes induced in preload and film clearance due to thermal deformation. The generalized Reynolds equation is used to evaluate the force of the fluid and the 3D energy equation is used to calculate the temperature of the lubricant. The abovementioned equations are combined by establishing a relationship between viscosity and temperature. The heat transfer within the bearing pads, the lubricant, and the spinning journal is calculated using the heat flux boundary condition. The 3D Finite Element Method (FEM) is used in modeling the (1) heat conduction in the spinning journal and bearing pads, (2) thermal gradient induced thermal distortion of the spinning journal and pads, and (3) viscous shearing, and heat conduction and convection in a thin film. This evaluation method has an increased fidelity, and it can prove to be a cost-effective tool that can be used by designers to predict the dynamic behavior of a bearing.

• 터널과지하공간
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• 제12권4호
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• pp.304-311
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• 2002

절리의 기하학적 특성이 절리의 수직변형 및 투수성에 미치는 영향에 대해 수치해석적 방법을 통해 연구하였다. 실험적 계측 결과에 의하면, 절리의 간극은 통계적 방법에 의해 묘사되며 이에 근거하여 수치해석에 사용할 수 있는 절리를 모사할 수 있었다. 이를 위해. 자동 상관관계 함수를 이용하여 다양한 공간 상관길이의 인공 절리를 발생하였으며, 이를 토대로 수직변천 모델 및 수리해석 모델을 개발하였다. 수직변형 모델은 수직응력에 의한 절리면의 압축과 변형을 고려하여 절리의 변형거동을 해석하려 시도하였으며, cubic law에 근거한 유한차분법을 이용하여 수리해석을 수행하였다. 여러 가지 공간 상관길이의 인공 절리에 대한 수직변형 거동 및 이에 따른 수리해석의 결과, 간극의 공간 상관길이가 증가함에 따라 절리의 수직변형 및 투수성 감소가 분명하였다. 절리의 수직강성 역시 간극의 상관길이에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 이로 인해 절리의 투수성이 수직강성과 내재적 관계가 있음을 유추할 수 있겠다. 본 연구 결과는 공학적 프로젝트로 인한 절리 암반의 수리-역학적 거동을 이해하는데 공헌할 것으로 사료된다.

• International Journal of Fluid Machinery and Systems
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• 제2권4호
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• pp.363-374
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• 2009

The 2D flow around 13 similar stay-vane profiles with different trailing edge geometries is investigated to determinate the main characteristics of the excitation forces for each one of them and their respective dynamic behaviors when modeled as a free-oscillating system. The main goal is avoid problems with cracks of hydraulic turbines components. A stay vane profile with a history of cracks was selected as the basis for this work. The commercial finite-volume code $FLUENT^{(R)}$ was employed in the simulations of the stationary profiles and, then, modified to take into account the transversal motion of elastically mounted profiles with equivalent structural stiffness and damping. The k-$\omega$ SST turbulence model is employed in all simulations and a deforming mesh technique used for models with profile motion. The static-model simulations were carried out for each one of the 13 geometries using a constant far field flow velocity value in order to determine the lift force oscillating frequency and amplitude as a function of the geometry. The free-oscillating stay-vane simulations were run with a low mass-damping parameter ($m^*{\xi}=0.0072$) and a single mean flow velocity value (5m/s). The structural bending stiffness of the stay-vane is defined by the Reduced Velocity parameter (Vr). The dynamic analyses were divided into two sets. The first set of simulations was carried out only for one profile with $2{\leq}Vr{\leq}12$. The second set of simulations focused on determining the behavior of each one of the 13 profiles in resonance.

• 한국유체기계학회 논문집
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• 제18권6호
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• pp.45-56
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• 2015

This paper aims to develop a submerged propeller turbine for micro hydropower plant which allows to sustain high values of efficiency in a broad range of hydrological conditions (H=2~6 m, $Q=0.15{\sim}0.39m^3/s$). The two aspects to be considered in this development are mechanical simplicity and high-efficiency operation. Unlike conventional turbines that have spiral casing and gear box, this is directing driving and no spiral casing. A 10 kW class turbine which has the most high potential of the power generation has been developed. The most important element in the design of turbine is the runner blade. The initial blade is designed using inverse design method and then the runner geometry is modified by classical hydraulic method. The design process is carried out in two steps. First, the blade shape is fix and then other components of submerged propeller turbine are designed. Computational fluid dynamics analyses based on the Navier-Stokes equations have been used to obtain overall performance data for the blade and the full turbine, respectively. The results generated by performance parameters(head, guide vane opening angle and rotational speed) variations are theoretically analysed. The evaluation criteria for the blade and the turbine performances are the pressure distribution and flow's behavior on the runner blades and turbine. The results of simulation reveals an efficiency of 91.5% and power generation of 10.5kW at the best efficiency point at the head of 4m and a discharge of $0.3m^3/s$.

• 방사성폐기물학회지
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• 제7권2호
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• pp.101-107
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• 2009

처분장 완충재의 재포화 및 열-수리-역학적 거동 규명을 위해서는 압축벤토나이트의 함수율 측정이 필수적이다. 본 연구에서는 고온, 고압 조건에서 실시간 자동계측이 가능한 습도센서를 이용하여, 여러 가지 온도와 함수율 (이하 중량함수율을 말함)을 갖는 압축벤토나이트를 대상으로 상대습도를 측정하고, 다중회귀분석으로부터 압축벤토나이트의 함수율과 상대습도 및 온도의 상관관계식을 결정하였다. 결정된 상관관계식은 건조밀도가 1,500 $kg/m^3$, 1,600 $kg/m^3$인 압축벤토나이트의 경우 각각 ${\omega}=0.196RH-0.029T+1.391({r^2=0.96)}$ 과 ${\omega}=0.199RH-0.029T+2.596({r^2=0.98)}$ 로 표시되었고, 이 관계식은 KENTEX실증실험의 벤토나이트블록 재포화 현상을 해석하는데 활용되었다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제25권7호
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• pp.29-34
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• 2024

동토지반의 중요한 공학적 특성 중 하나인 동상으로 인해 다양한 피해가 발생한다. 동상 거동을 예측하고자 열-수리 연계 해석이 개발되었으나, 입력변수가 과도하고 주로 점토성 토양의 동상에 대한 신뢰성 평가만 수행되었다. 동상은 점토성 토양과 비교하여 상대적으로 투수계수가 높은 실트질 토양에서 주로 발생하고 있어 주의가 필요하다. 본 연구에서는 비교적 간단하게 동상 거동 예측이 가능한 경험적 모델을 소개하고 실트질 토양을 대상으로 모델의 신뢰성을 검증하였다. 검증이 완료된 모델을 이용하여 핵심 입력변수의 상관관계를 제시하였다. 본 연구에서 도출된 경험적 모델의 상관관계는 향후 동토지반을 대상으로 지반구조물의 열-역학 해석에 활용성이 높을 것으로 예상된다.

• 터널과지하공간
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• 제31권5호
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• pp.333-359
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• 2021

고준위방사성폐기물 처분시스템에서는 처분용기 인근에서 용기 금속 물질의 부식 등 여러 이유로 인해 수소, 라돈 등의 기체가 발생할 수 있다. 기체 발생 속도가 투수계수가 낮은 벤토나이트 완충재 공극에서의 기체 확산 속도보다 커질 경우, 형성된 기체가 축적된다. 기체 압력이 증가하여 유입 압력에 도달하면 완충재 내부로 기체의 팽창 흐름 및 이류가 발생하게 된다. 기체의 급격한 팽창 흐름 발생 시 방사성 핵종이 완충재 외부로 유출될 가능성이 있으므로, 처분시설의 설계 과정에서 점토 기반 물질에서의 기체 유동의 영향성 및 공학적방벽의 건전성을 평가하기 위해 기체 이동 현상에 대한 거동 특성을 명확하게 규명할 필요가 있다. 전세계적으로 벤토나이트 완충재 내 기체 이동 현상 규명을 위한 실험적 연구와 이를 모사할 수 있는 전산 수치 모델 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 기술보고에서는 현재까지 수행된 기체 주입 시험 및 전산 수치모델 관련 주요연구를 소개하고 향후 기체 이동 현상 규명을 위한 연구 수행 방향에 대해 정리하였다.

• 터널과지하공간
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• 제30권4호
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• pp.382-393
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• 2020

고준위방사성폐기물을 처분하기 위한 심층처분시스템의 공학적 방벽은 처분 용기에서 방사성 핵종 누출이 발생하더라도 주변 암반으로의 누출 속도를 늦춰주는 역할을 수행해야하기 때문에 장기적으로 그 성능을 유지하여야 한다. 특히 벤토나이트 완충재와 같이 점토 물질을 다량 함유한 매질에서만 나타나는 기체 흐름 현상인 팽창 흐름은 벤토나이트 완충재의 장기 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 이 현상을 명확히 규명하는 것이 매우 중요하다. 이에 따라 DECOVALEX-2019 Task A에서는 팽창 흐름에 대한 수리-역학적 메커니즘을 규명하고, 기체 이동 현상의 정량적 평가를 위한 새로운 수치 해석 기법 개발 및 검증을 수행하고자 진행되었다. 이를 위해 본 연구에서는 기존의 전통적인 다공성 매질에서의 2상 유동 및 유효응력 개념을 고려한 역학 모델을 기반으로, 손상도 개념을 적용함으로써 매질의 변형에 의한 기체의 팽창 흐름을 모사할 수 있는 수리-역학적 상호작용을 고려한 해석 모델을 개발하였다. 또한 개발된 모델을 이용하여 1차원 및 3차원 기체 주입 시험 결과와의 비교를 통해 모델 검증 및 적용성 검토를 수행하였다. 수치 해석 결과 기체 압력에 의한 팽창 흐름으로 인한 갑작스러운 공극 수압, 응력, 기체 주입량 및 유출량 증가 현상을 확인할 수 있었지만, 개발된 해석 모델에서 수리-역학적 상호작용의 영향이 과소평가 되는 한계를 확인할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 본 연구는 팽창 흐름에 대한 예비 모델을 제공하고 후속 연구의 발전된 모델을 개발하기 위한 기반을 제공한다는 점에서 의의가 있다. 또한 본 연구에서 개발된 수리-역학적 상호작용을 고려한 수치 모델은 향후 실험실 및 현장 시험 결과 데이터 분석에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 실제 고준위방사성폐기물 심층처분시스템의 장기 성능평가에도 활용될 수 있을 것으로 판단된다.