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전문엔지니어그룹 에스티아이C&D 0 www.stikorea.co.kr

FLOW-3D® - Hydraulics -

http://www.stikorea.co.kr [email protected] TEL.02-2026-0440 FAX.02-2026-0460

http://www.stikorea.co.kr/



목 차

1. Introduction to ㈜에스티아이C&D

2. Introduction to FLOW-3D®

3. FLOW-3D® Hydraulics Application



Introduction to ㈜에스티아이C&D



설립일 : 1997년 11월

위치

서울시 금천구 가산동 우림라이온스밸리 B동 301호

미국 Seattle

업무영역

FLOW-3D® 한국 내 공급 및 유지보수

구조, 열유체 관련 컨설팅 및 용역

주조분야 해석 및 금형 개발

협업 및 PDM 관련 소프트웨어 개발

연구인력구성

19명 : 박사 3인, 석사 6인

주요 컨설팅 업체

현대/기아자동차, 현대모비스, 삼성종합기술원, LG전자, 대림기업, KAIST, KIST, POSCO, 인지

AMT, 신창전기, 동남공업 등

한국수자원공사, 한국전력공사, 삼성건설, 대우건설, GS건설, SK건설, 등

에스티아이C&D 연혁



댐 수치해석

소양강댐 , 대곡댐, 영천댐, 광동댐, 달방댐, 평화의 댐, 대암댐, 임하댐, 대청댐, 섬진강

댐, 청평댐, 보성강댐, 의암댐, 삼안댐, 광주댐, 영주댐, 괴산댐 등

기타

시화조력발전소 축조공사 CFD 수치모형실험

잠실 수중보 어도개선 기본 및 실시설계

당진화력 7,8호기 취수로 수치해석

군장국가산단 호안도로 축조공사 갑문 수치모의실험

보령화력 7,8호기 배수로 수치해석 - 진행중

청송양수발전소 설계기술용역 및 여수로 수치해석

새만금 동진4공구, 만경5공구 수치해석

경인운하 6공구 해석

최적탁수배제 해석

싸이폰 유동해석 등

Consulting 및 연구용역실적



성남정수장 3차원 유동해석

최적 정수처리시설 연구를 위한 3차원 수리해석용역(1차, 2차)

BIO SACII(Anoxic Tank) 담체유동에 대한 3차원 유동성 해석

하수처리용 Aerator 유동해석

전산유체(CFD)와 입자동역학을 이용한 혼화응집공정 설계기법개선 및 효율향상방안연구용역 (1,2차)

영동하수종말처리장 3차원 유동해석 기술용역

댐 상수원 설계표준도 작성용역

반월 정수장 노후시설 개량 기본 및 실시설계용역(수치해석부분)

3차원 수치해석을 이용한 호기조의 용존산소량 및 유동양상검토

서귀포시 서부/동부 하수종말처리장 고도처리시설 기본 및 실시설계용역(3차원 모델링)

공주 막여과 정수장 수처리 구조물의 합리적 설계를 위한 전산유체해석

한강 하류권 급수체계 구축사업 제3공구 생활용수 정수장 대안설계

제주하수종말처리장 고도처리시설 건설공사 기본설계용역(침전지 분배조 유동해석)

공주 정수장 막여과시설 3차원 도면화 용역

제천시 하수관거 정비 임대형 민자사업 기본설계

남동정수장 소수력 발전시설 공사 기본 및 실시설계용역

Consulting 및 연구용역실적 – 수처리 분야

최근 10년 간 50건 이상 정수 및 하수관련 수치해석 수행



Introduction to FLOW-3D®



개발 연혁

1960년대 미국 Los Alamos Lab에서 자유표면 연구 시작

VOF method 창시 (B.Nichols, C.W.Hirt)

1980년 Flow Science 설립 (C.W.Hirt)

1985년 Version 1.0 Release

현재 Version 10.0.1 Release

특성

세계 최초 VOF, FAVOR method 개발 및 적용

자유표면, 열전달, 응고의 정확성으로 명성

기체-액체, 고체-액체 interaction 해석 기능 탁월

FLOW-3D® 개발 연혁



FLOW-3D® Worldwide Network

• Japan

• Korea

• Taiwan

• China

• India

• Germany

• Russia

• Finland

• Norway

• Spain

• Italy

• Canada

• Midwestern

U.S.



FLOW-3D® ’s Main Application Areas

Marine

Inkjets

MEMS

Water &

Environmental

Eengineering

Coating

Metal Casting Aerospace

Consumer Products

The same solver for all applications!



FLOW-3D® Applications Worldwide

32%

12%7%14%

11%

7%

5% 12%Casting

Ink Jets

Coating

Hydraulics

MEMS

Aerospace

Manufacturing

Other



자유표면 예측

곡면 표현

유한체적법 격자

관수로, 개수로 유동

포텐셜 유동

운동계 내의 유동현상

입자추적

물질의 확산

2상 유동

압축성 유동

자연대류, 강제대류

열전달 (대류, 복사, 전도)

FSI(Fluid Structure Interaction)

TSE(Thermal Stress Evolution)

Moisture Drying

전기장

생성항 (열, 질량, 운동에너지)

점성발열

공동현상

상변화

표면장력

기포 추적

비뉴턴 유체

틱소트로피

난류모델

다공성매질

회전체정의

CAD interface

GMO(General Moving Object)

Granular Flow

증착

FLOW-3D® 의 기능



Pre-processor (전처리 기능)

GUI, Text mode

Initial condition, boundary condition, mesh generation, physical option, ...

CAD interface

Solver

계산 수행

Solver monitoring

User subroutine 작성

Single & Double precision version, Parallel processing version

Post-processor (후처리 기능)

Animation, 3D, 2D, graph, ASCII, …

Post 전용프로그램 interface

Hardware

PC, Unix, Super computer, ...

FLOW-3D® 의 구성



손쉬운 사용법 : Pre processing

Text Mode (숙련자)

- 입력 파일 직접 수정에 의한 신속한 해석

- case study시 batch mode (순차적 실행) 가능

- 기존 입력 파일 복사를 통한 신속한 해석

GUI Mode (초보자)

- 손쉬운 입력 시스템 및 물성 DB

- 형상 및 조건을 보면서 입력자료 작성

- 자동으로 필요한 option 선택



Mentor Tip : FLOW-3D가 지능적으로 상태 및 조건을 판단하여 문제점 및 대책 제시

Numerical option (time step, algorism, 등)을 자동으로 선택하고 조절하며 최적의 상태로 해석

Solver의 정상적 진행 여부 모니터링 : 충진량, 운동/난류에너지, time-step, 등으로부터 수학적 안정성 검토

해석중 진행된 부분까지의 해석 결과 확인 및 계산 중 입력 조건 변경을 통한 restart 기능 제공

손쉬운 사용법 : Intelligent Solver



손쉬운 사용법 : Post processing

2D, 3D 그림 출력

그래프 및 동영상 출력

Text로 해석 결과 도출

타 Post Processing 전용 프로그램과 호환



Manual : on-line, off-line

Examples, ‘How do I model?’

손쉬운 사용법 : Manual/Help/Tutorial

동영상 Tutorial

전화, 이메일, 방문 지원

Consulting



자유표면을 정의하는 방법

가정 : Void Pressure = Constant

이론적 배경(1) : VOF (Volume of Fluid)

0<F<1 (Surface Cell)

F=0 (Void Cell)

F=1 (Fluid Cell)

Pressure = constant

(or PV = constant)

Method for the definition of free surface

비산 및 Wave breaking같은 복잡한 자유표면운동 기술하는 방법

: 고정 Eulerian 격자를 사용하는 VOF 방법 이용

정확한 압력 및 운동학적 경계조건을 sharp interface(상이 경계면)에서 적용

: 특별 수치차분법 사용



FAVOR : Fractional Area/Volume Representation

신속하고 정확한 곡면 표현 (Direct CAD Interface)

유동 및 열전달 계산의 정확성 확보

이론적 배경(2) : FAVOR™

Quantities Stored

AFR - right AFB - back AFT - top VF - Heat Transfer Area

VF open volume

volume of cellAF

open area

cell edge area

z

CwA

y

CvA

x

CuA

t

C

Vz

Cw

y

Cv

x

Cu

t

Czyx

f

1

Integrated into conservation equations



수치해석과 실험 비교

구 분 실 험 수 치 해 석

비 용 모델 제작비 소프트웨어, 컴퓨터

소요시간 모델 제작 및 실험 시간 모델링 시간, 계산 시간

정 확 성 정확 정량적 결과 : 보정 필요

정성적 결과 : 정확

다 양 성 모델 수정이 어려움 자유로운 모델 수정

Data수집 조건에 따라 측정이 어려움 모든 영역에서 가능

가 시 화 Video 촬영을 통한 가시화 다양한 방법의 시각화

재 현 성 모형 제거 시 재현 불가능 언제나 재현 가능



Post-Processing

Solving

Pre-Processing

(Input 작성)

수치해석 절차

결과분석, 원인 도출

해석 ( Computer )

경계조건 수립 경계조건, 초기조건 수립

모델링 CAD 작업, 해석모델 작성

해석자가 해석의 목표와 해석 대상의 특성을 정확히 이해하는 것이 중요함.

현장기술자와 해석자의 의견 교환이 매우 필요함.

계 획 해석방안 수립 해석의 주안점 선정 및 해석 Case 설정

해석의 목적 자료조사, 문제점분석



수치해석 과정 (1) : 3차원 모델링

구조물 모델링

구조물 (댐, 여수로 등)

3차원 CAD 모델링

(도면 솔리드 생성)

지형 모델링

3차원 곡면(surface) 생성

(지표면 형상 생성)

GPS측량, MBES 측량 지형도

(위치 (X,Y), 높이 (Z))

3차원 모델링

(솔리드 생성)

FLOW-3D®를 이용한 모델 결합



수치해석의 과정 (2) : 3차원 모델링

AUTO-CAD 지형도 3차원 지형 모델링

CAD 도면 3차원 여수로 모델링

합성된 최종형상



수치해석의 과정 (3) : 격자분할

L = 650

Mesh Block

Z = 639.5m ~ 681m

X = 600.0

Y = -300.0

X = 100.0

Y = 350.0



초기조건 : 해석 영역 내 유체의 초기상태 설정

해석의 진행에 따라 영역 내 흐름이 정상상태로 변화함.

경계조건

유입부 : 수위 또는 유량 유출부 : 수위 또는 Continuative Condition

수치해석의 과정 (4) : 초기조건 및 경계조건 부여

상류 : 수위 676.57m

하류 : Continuative condition

400m

650m

24.0

m/s

0.0



계산 중 해석의 정상적 진행 여부 점검

운동에너지, 난류에너지, time-step, 등으로부터 수학적 안정성 검토

계산시간

격자수의 제곱에 비례

초기조건의 상태에 따라 달라짐

수치해석의 과정 (5) : Solving

Mean kinetic energy Time step



Text, 1D, 2D, 3D 결과를 출력하여 결과 분석

수치해석의 과정 (6) : Post-processing



FLOW-3D®

Hydraulics Application



접근수로 해석

1.0m/s

0.9m/s

0.8m/s

0.7m/s 0.6m/s

0.5m/s

0.4m/

s

0.3m/s

0.2m/s

0.1m/s

와류발생

(현장에서도 관측됨)

소 양 강 댐 대 곡 댐



Kelsey G. S.

Head Loss Vs Angle of Wing wall

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

Orientation of wing wallH

ead

Lo

ss (

ft)

Unit 6

Unit 7

Design of Hydroelectric Intakes

해석이 실제 물리현상(소용돌이 발생)을 정확히 예측함



Hydroelectric Intake Design

Power house

Intake

Pier

Flow

0 m/sec 12

Case With Piers

Case With Piers

Pier를 제거할 경우 방류량 증대에 따른 발전량의 증가를 수치해석으로 예측

Pier제거와 발전량증가의 경제성을 분석

Pier제거비용 < 발전량 증가에 따른 이익



Diversion Port의 Gate 개방 높이에 따른 수위 대 방류량 비교 가능

Gate 개방에 따른 유동흐름 및 유속분포를 해석을 통하여 예측

Diversion Port 해석

Physical Model

FLOW-3D

Diversion Port의 Gate 완전 개방 시 Physical Model 과 FLOW3D 비교결과



Dam Safety

McArthur Generating Station

수문 개도 조건에 따라 문비가 받는 힘을 해석하여 구조적 안정성 확보



여수로 방류

• 여수로의 유동 양상을 파악하여 측벽의 월류여부, 방류량, 수면 유동, 부압발생, 감세지 흐름 등을 예측

• 여수로의 해석과 실제 방류시 사진 비교

해석과 사진이 매우 잘 일치하며 FLOW-3D 자유표면 예측의 정확성을 보여주고 있다.

여수로 수위 및 수맥 형성 예측

Jump 거리 및 높이 예측



수문조절형 여수로의 수문 개도별 방류량계산

여수로 수위-방류량 결정

수문 조별 운영시 개도별 방류량 검토

여수로 수문조작

• Gate 1번 / 2번 : OPEN

• Gate 3번 : CLOSE

• Gate 1번 / 3번 : OPEN

• Gate 2번 : CLOSE



여수로 : 모닝글로리

모닝글로리 형식의 여수로에 수위대 방류량 산출

여수로 흐름이 관수로로 변화 시 유량 감소현상 해석

700.0

900.0

1100.0

1300.0

1500.0

1700.0

1900.0

159.0 159.5 160.0 160.5 161.0 161.5

수위 (m)

방류

량 (CMS)

수치해석

수리모형

관수로계산

영천댐



여수로 : 감세지 점프

150m

수리모형실험

150m

수치모형실험



측수로+터널식 여수로

측수로

주여수로와 비상여수로의 역할을 하고 있는 터널식 여수로 간의 유동양상을 파악

방류량 및 수위, 정수지 및 감세지의 유동양상, 부압발생 여부 검토

정수지 하류

수어댐 여수로 : 터널 및 감세지 간섭



여수로 해석을 통하여 수위 대 방류량 산출

실험값과 해석값 비교결과 해석을 통한 예측의 정확성을 보여준다.

여수로 : 수위대방류량

147

149

151

153

155

157

159

161

163

0 2500 5000 7500 10000 12500 15000

Flow (m 3 /s)

Ele

va

tio

n (

m)

Empirical Flow 3D



Hydraulic Jump



Dam Design Simulations 1-1



수리모형실험과 수치해석을 비교하여 수치해석의 정확성 검증

Dam Design Simulations 1-2



Early Development of Breach

Dam Break Analysis

Fully Formed Breach

댐 붕괴에 따른 범람영역을 예측하여 대피계획수립



여의도 샛강 수위해석

여의도 샛강 가물막이 설치에 따른 수위변화 해석

여의도 샛강 가물막이 설치가 홍수시 여의도 부근의 유동양상(수위, 유속, 와류)에 미치는

영향을 파악.

14.0 수위 (m) 15.0



하천에 오,폐수 유입시 오폐수의 확산 해석

오폐수의 분포 및 농도 예측으로 최적의 측정망 구성 방안 수립

하천오염의 확산



연못에서 부유물질의 유동흐름 해석 실시

연못의 부유물질들이 수면에서 강한 바람에 의한 영향으로 침전물의 재부상 현상 파악

적절한 Baffle 설치로 인한 부유물질 유동흐름 제어를 해석을 통해 연구

연못의 오염



Tidal Current In Tokyo Bay

SEA Corp.



발전소 : 취수로

0.5~0.7m/s

1호기 2호기 3호기 4호기 5호기 6호기 7호기 8호기 9호기 10호기 11호기

굴착 4안

0.0 2.0 1.0

m/s

7호기 7호기

7호기 7호기

EL. 0m

EL. 4m

EL. 2m

EL. 6m

0.6~0.8m/s 0.6~0.8m/s 와류발생

0.2~0.4m/s 0.2~0.4m/s

0.2~0.4m/s 0.2~0.4m/s

0.9~1.0m/s 0.9~1.0m/s

0.9~1.0m/s 0.9~1.0m/s

Chamber A

Chamber C Chamber D

Chamber B

C B A

D C B A

당진화력



발전소 : 취수로

0.5~0.7m/s

1호기 2호기 3호기 4호기 5호기 6호기 7호기 8호기 9호기 10호기 11호기

굴착 4안

8호기 chamber#A 8호기 chamber#B 8호기 chamber#C 8호기 chamber#D

당진화력



발전소 배수로 보령화력

Seal Well부분 3차원 수면형상 소수력 부분 3차원 수면형상



Scouring, Sedimentation 현상을 해석.

흐름 조건, 지형, 구조물 형상에 따른 scouring 해석을 통하여 구조물의 안전성 확보 및 유지

보수 방안 수립

하천 및 해양에 대한 퇴적물 해석을 실시하여 설계 시 각종 문제점에 대한 대안 수립

Bridge Pier Scouring & Sedimentation

흐름방향

초기 상태

Scouring 진행중

scour

Scouring & Sedimentation 진행중

흐름방향

초기 상태



교량 세굴 영종도 제2연육교

세굴방지공 설치 전 세굴방지공 설치 후



Scouring & Sediment



Non-linear Surface Waves

L0

H

d

5th order Stokes wave approximation extends the linear wave solution primarily to waves with

larger amplitude and wavelength

The solution naturally includes a constant current Linear waves

Stokes waves



: wave length

H: wave height (from trough to peak)

: water elevation

U: mean stream velocity

: angular velocity, =2/T

k: wave number, k=2/

c: wave speed, c=/T

H

x

z c

U

Assumptions: incompressible, inviscid and irrotational

Perturbation parameter: wave steepness

Potential function :

Laplace equation:

Solution:

02

0.12/ kH

)(,)(),,(),,( 65

1

uOtzxxUtzxi

i

i

,)sin()cosh(),,(1

5

1

2/1

30

i

j

ij

i

i jkXjkzAk

gCxUtzx )( tkxkX

(John D. Fenton’s 5-th Order Stokes Theory)

5-th Order Stokes Surface Waves



Comparison of experimental and numerical time history of

pitch motion of the device.

Pitch Motion of WRASPA against 10mm Wave

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

time (s)

Po

sit

iio

n (

rad)

Experimental Results

Numerical Results

Numerical Modelling of WRASPA using FLOW-3D

Stokes Wave 해석사례



Wave & Caisson


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