Movement Distance Estimate of Underwater Free-Falling Cubes Considering Horizontal Water Flow

Abstract

One of the most important problems in the field of ocean engineering is movement of free-fall objects in water by gravity and water flow. It turns out that few studies have considered horizontal motions according to water flows possibly dominant in water. Consideration in horizontal water flow is important because it makes a free-falling body move horizontally and eventually determines its arriving location in the seabed. Therefore, the purpose of this study is to estimate the movement distance of a free-falling cube model in the presence of horizontal water flow. For the purpose, first, experimental works have been performed to estimate the movement distance of the cube model. Second, numerical analysis was performed with the ANSYS Fluent program based on the finite volume method of CFD. Independency checks of mesh size and flow domain were conducted to increase reliability of the numerical analysis results. Third, those experimental and numerical results were compared for the verification of the methodologies, and the errors were found within 5%. Fourth, the movement distances were predicted according to the characteristics (e.g., size, density, width and characteristic length) of the cube model. Finally, the reliability of the regression equations was verified by interpolation and extrapolation. As a result, it is shown that movement distance of a cube or parallelepiped model increases as flow velocity increases. Moreover, it is found that the regression equations are reasonable to predict a movement distance or falling distance of a cube rather than a parallelepiped in water. Thus, the research results can be used to predict either of movement distance or falling distance of underwater moving solids subjected to gravity and horizontal water flow. This prediction can reduce the loss of solids (e.g., rocks) used for creating various marine built environment and accordingly increase construction efficiency.

중력과 물의 흐름(또는 유속)에 의해 물 속에서 자유낙하 하는 물체의 운동은 해양공학 분야에서 가장 중요한 공학적 문제 중 하나이다. 그러나 대부분의 연구는 물의 흐름에 의한 물체의 수평적 운동을 고려하지 않았다. 물의 흐름은 자유낙하 하는 물체를 이동시키고 결국에는 해저에 도달하는 위치를 결정 짓는데 큰 영향을 준다. 따라서 본 연구에서는 수평적 물의 흐름에서 자유낙하 하는 정육면체 모델의 이동 거리를 추정한다. 이를 위해, 먼저 정육면체 모델의 이동거리를 추정하는 실험을 수행하였다. 둘째, 전산유체역학(CFD)의 유한체적법(FVM)을 기반으로 하는 ANSYS Fluent 프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 수치해석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 격자 크기와 유동장 영역에 대한 의존성 검사를 실시하였다. 셋째, 방법론의 검증을 위해 실험 결과와 수치해석 결과를 비교하였고, 약 5% 이내의 오차가 발견되었다. 넷째, 정육면체(또는 직육면체) 모델의 특성(크기, 밀도, 폭 및 특성 길이)에 따라 이동거리를 예측하였다. 마지막으로, 내삽과 외삽을 통해 회귀 방정식을 검증하였다. 이와 같은 일련의 과정을 통해, 유속이 증가할수록 정육면체 또는 직육면체의 이동거리가 증가한다는 알 수 있었다. 또한, 직육면체보다 정육면체의 이동거리 또는 낙하거리를 예측하는 것이 더 합리적인 것을 알 수 있었다. 따라서 본 연구 결과는 물 속에서 중력과 수평적 흐름을 받는 고체의 이동거리 또는 낙하거리를 예측하는 데 사용할 수 있다. 이 예측은 다양한 해양 건설 환경을 조성하는 데 사용되는 재료의 손실을 줄여 건설 효율성일 높이는 데 도움이 될 수 있다.