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문제 정의
본 연구에서는 관수로내 수격현상으로 인하여 발생되어지는 급격한 압력변화를 완화 할 수 있는 수격방지 시설물의 최적 설계프로그램을 개발하고자 한다.
수격현상을 해석하며 안전성과 경제성을 고려한 수격현상 방지를 위한 서지 탱크의 최적설계를 할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램에서는 허용수두를 사용자가 입력하여 관로의 안전성을 확보하고 안 전성에 대한 문제가 없을 경우 시공비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
제안 방법
서지 탱 크의 직경을 증가시킨 뒤에 최대수두와 설치비용을 다시 계산을 한다. 계산된 결과를 가지고 다시 허용수두 와 최대수두의 크기를 비교하여 최대수두가 허용수두보다 크면 직경을 앞에서 계산되 (직경차/10)만큼 직경 을 다시 증가시켜 계산을 한다. 허용수두보다 최대수두가 작게 되면 허용수두와 최대수두의 수두차를 계산 수두차가 0과 lm사이에 있으면 결과를 출력하고 프로그램 수행을 마치게 된다.
정상류 상태에서의 해석이 종료되면 시간이 증가하면서 수격작용에 관한 관로 해석을 실시하게 된다. 관로 해석은 먼저 상류경계에서 계산하게 되며 상류경계를 계산한 후에 각 파이프의 내부점들과 연결점들의 수두 및 유량을 계산한다.
수격현상 방지를 위한 서지 탱크의 최적설계 프로그램을 사용하여 실제 최적설계를 하기 위해 몇 가지 경우를 예로 들어 설계를 실시하였다. 첫 번째 경우는 그림 4와 같은 관로에 적용하여 설계를 하였다.
수격현상 방지를 위한 서지 탱크의 최적설계 프로그램을 이용하여 해석한 두 번째 경우는 Y 가압장으로부터 D 조절지까지의 관로를 가지고 해석을 하였다. Y 가압장으로부터 D 조절지까지의 관로의 모식도는 그림 7과 같으며 각 관로들의 제원들은 표 1과 같다.
그림에서 볼 수 있듯이 프로그램은 먼저 계산하기 위해 필요한 자료를 입력을 받아야 한다. 자료를 입력받은 후에 서지 탱크가 설치되어 있지 않은 상태에서의 관로 해석을 수행하게 된다’ 수격현상 해 석이후에 수격방지 시설물인 서지 탱크의 설치지점을 선정하고 서지 탱크의 직경을 변화시키면서 관로 해석을 실시하게 된다. 서지 탱크의 가능한 직경까지 변화시키면서 계산을 하고 그 이후에 서지 탱크 설치에 소 요되는 비용을 계산하게 되고 비용비교를 통하여 최적화 된 서지 탱크의 크기를 결정하게된다
지 탱크를 설치하여 허용수두가 150m일 경우 변화되어 지는 수두변화를 살펴보았다. 프로그램을 사용하여 위 의 관로를 해석한 결과 최대수두가 허용수두보다 작게 나타나도록 하기 위한 서지 탱크의 최적 직경은 L3m 이며 이때 나타나는 최 대수두는 149.
성능/효과
개발되어진 프로그램을 통하여 문헌에서 주어진 관로와 실제 시공되고 있는 관로를 선정하여 해석한 결과 과거의 사용자 주관적인 시행착오법 보다 짧은 시간에 최적의 서지 탱크를 계산할 수 있었으며 사용자가 주 관이 배제된 객관적인 결과를 얻을 수 있었다.
수격현상을 해석하며 안전성과 경제성을 고려한 수격현상 방지를 위한 서지 탱크의 최적설계를 할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 본 프로그램에서는 허용수두를 사용자가 입력하여 관로의 안전성을 확보하고 안 전성에 대한 문제가 없을 경우 시공비를 줄일 수 있는 장점이 있다.
Simpson과 Wylie(1991)는 관로내에서의 수주분리 현상이 초기속도에 따라 발생되는 양상이 크게 달라짐을 나타내었다 . 초기속도를 변화시키면서 실험을 실시하였는데 초기속도가 점차적으로 커질수록 관로내에서 발생되는 최대압력수두가 크게 나타났다.
발 표한 논문에 따르면 수격현상에 영향을 주는 인자 중 파속이 있는데 파속은 체적탄성 계수에 따라 달라진다 고 밝히고 있다. 파이프 중 탄성이 큰 파이프나 PVC 파이프, 플래스틱 파이프등은 체적탄성계수가 크게 되 지만 파속은 오히려 감소하게 되어 수격현상으로 인하여 발생되는 최대압력수두가 감소하는 것으로 나타났다. Larson과 Jonsson(1991)이 발표한 논문에서도 파이프의 재료에 따른 탄성특성과 수격현상과의 관계를 연 구하였으며 동시에 펌프 개수에 따른 압력과 파이프의 강도를 비교하였다.
지 탱크를 설치하여 허용수두가 150m일 경우 변화되어 지는 수두변화를 살펴보았다. 프로그램을 사용하여 위 의 관로를 해석한 결과 최대수두가 허용수두보다 작게 나타나도록 하기 위한 서지 탱크의 최적 직경은 L3m 이며 이때 나타나는 최 대수두는 149.92m이다. 서 지탱크 를 설치하지 않았을 경우 그림 8에서 볼 수 있듯이 D 조절지쪽에서 급격한 수두상승 이후에 높은 수두에서 약간의 진동을 보이면서 증가, 감소하게 되는데 1.
후속연구
본 연구를 통하여 점차적으로 증가되어 가고 있는 관로 및 관로 시설물의 수격현상으로 인한 피해를 줄일 수 있을 것이며 실제 설치되는 현장자료와의 연결을 잘 시킨다면 경제성과 안전성을 고려한 수격현상 방지 시설물의 최적설계에 많은 효과를 줄 것이다. 앞으로 서지 탱크 외에 기타 수격현상 방지를 위한 시설물에 대한 최적설계 연구가 이루어져야 할 것이며 시공비용 산출을 위해 현장의 자료들을 데이터 베이스로 구축 하여 연결하는 연구가 이루어져야 할 것으로 본다.
본 연구를 통하여 점차적으로 증가되어 가고 있는 관로 및 관로 시설물의 수격현상으로 인한 피해를 줄일 수 있을 것이며 실제 설치되는 현장자료와의 연결을 잘 시킨다면 경제성과 안전성을 고려한 수격현상 방지 시설물의 최적설계에 많은 효과를 줄 것이다. 앞으로 서지 탱크 외에 기타 수격현상 방지를 위한 시설물에 대한 최적설계 연구가 이루어져야 할 것이며 시공비용 산출을 위해 현장의 자료들을 데이터 베이스로 구축 하여 연결하는 연구가 이루어져야 할 것으로 본다.
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