공극 구조의 X-ray microCT 영상화를 이용한 사질토 투수계수 수치적 산정기법

Numerical Computation of Hydraulic Conductivity of Sand Using X-ray Microtomography Imaging of a Pore Structure

다양한 공학 분야에서 다공 매질의 투수계수를 정확하게 예측하는 것은 중요한 사안이다. 최근 X-ray computed tomography (CT) 장비의 발전은 고해상도의 이미지를 해상도 손실 없이 그대로 수치해석에 사용하는 것을 가능하게 했다. 본 연구에서는 X-ray microCT 이미징을 통해 사질토 시료의 공극구조의 고해상도 이미지를 획득한 후, 유한체적법 유체흐름해석에 사용할수 있도록 Python 기반 코드를 이용하여 격자 형식의 메쉬를 생성하였다. 이 메쉬에서 Navier-Stockes 방정식을 CFD코드를 이용하여 수치해석적으로 해석하고, 투수계수를 계산하였다. 수치적으로 계산된 투수계수 결과는 실험결과에 비슷한 값을 보였으며, 26%의 오차를 나타내었다. 유체 벽경계부근에서 높은 해상도의 격자를 구현하지 못하는 한계로 인해, 입력압력조건에 따라 다른 투수계수가 계산됨을 확인하였다. 본 연구에서는 X-ray CT이미징을 통해 수치적으로 다공매질의 투수계수, 투과율 등의 물성을 도출할 수 있다는 가능성을 입증한 연구로써 의의가 있다고 판단된다.

ccurate estimation of the permeability of soils plays a major role in many geotechnical engineering practices. Advances in X-ray computed microtomography (X-ray microCT) have facilitated the direct use of high-resolution images for numerical simulation. In this study, a sand column was prepared and its pore-scale images were acquired using X-ray microCT scanning. The resulting images were converted into a finite volume mesh format using Python-based code for computational fluid dynamics. A Navier-Stokes equation was used to solve the flow in the constructed pore structure, and the permeability was computed based on Darcy s law. The computed permeability showed fairly good agreement with the measured value with 26% error. Further improvement in mesh generation technique is necessary because of the insufficient resolution near walls and grain contacts. However, this study suggests the feasibility of using X-ray CT imaging for numerical computation of permeability and the relevant transport properties of porous media.