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과부하 원형맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 실험적 연구
An Experimental Study for Estimation of Head Loss Coefficients at Surcharged Circular Manhole 원문보기

韓國水資源學會論文集 = Journal of Korea Water Resources Association, v.41 no.3, 2008년, pp.305 - 314  

김정수 (경기대학교 대학원 토목공학과) ,  송주일 (경기대학교 대학원 토목공학과) ,  장석진 (경기대학교 대학원 토목공학과) ,  윤세의 (경기대학교 토목.환경공학부)

초록
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도시 우수 배수 시스템에서 우수 관거는 개수로 흐름 상태로 가정하여 설계되었기 때문에 맨홀에서의 에너지 손실은 일반적으로 중요하게 고려되지 않았다. 그러나 과부하흐름에서 에너지 손실은 관거의 배수능력을 저하시켜 도심지역의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다. 그러므로 과부하 맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 맨홀에 대한 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치 제작과 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 인버트 형상 조건(CASE A, B, C), 단차 조건(CASE I, II, III) 및 실험 유량($1.0\;{\sim}\;5.6\;{\ell}/sec$)을 변화시키면서 실험을 실시하였다. 맨홀 직경($D_m$)과 유입관경($D_{in}$)의 비($D_m/D_{in}$)가 증가할수록 손실계수가 증가하였으며, 맨홀 수심($h_m$)과 유입관거 직경($D_{in}$)의 비($h_m/D_{in}$)가 $1.0{\sim}1.5$일 때 손실계수가 가장 크게 산정되었다. 또한, CASE A, B, C의 평균 손실계수는 각각 0.45, 0.37, 0.3으로 산정되었다. 맨홀에 U자형 인버트를 설치하면, 원형 맨홀에서 에너지 손실을 저감시킬 수 있다. 또한 산정된 맨홀에서의 손실계수는 과부하흐름을 고려한 우수 관거 설계에 활용될 수 있다고 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Urban sewer systems are designed to operate in open-channel flow regime and energy loss at circular manholes are usually not significant. However, the energy loss at manholes, often exceeding the friction loss of pipes under surcharge flow, is considered as one of the major causes of inundation in u...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • ’ 로 규정하고 있다. 따라서 이 연구에서는 상류관거와 원형 맨홀의 연결조건에 따른 원형 맨홀 내부의 흐름 특성과 에너지 손실의 변화를 측정하기 위하여 단차(상류관거와 맨홀 바닥의 높이차)의 변화 조건을 선정하였다. 단차의 크기는 하수도시설기준을 고려하여 5 cm, 10 cm 선택하였다.
  • 본 연구에서는 우수 관거의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 원형 맨홀의 손실계수 산정 및 흐름특성을 분석하기 위하여 문헌조사 및 현장조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 실험에 사용된 원형 맨홀은 실험실의 규모 및 유량 조건 등을 고려하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 원형 1호 맨홀을 1/5로 축소하여 제작하였다.
  • 이 연구에서는 우수 관거의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 원형 맨홀의 손실계수 산정 및 흐름특성을 분석하기 위하여 Fig. 2와 같이 수리실험 장치를 제작하였다. 실험 모형의 총 길이는 약 13 m 이며, 고수조, 정류용 수조, 액주계, 아크릴관로, 원형 아크릴 맨홀 및 차집통으로 구성되어있다.
  • 이 연구에서는 우수 관거의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 원형 맨홀의 손실계수 산정 및 흐름특성을 분석하기 위하여 원형 맨홀의 현장조사 결과와 설계기준을 고려하여 원형 맨홀의 인버트 형상변화(CASE A, B, C)조건과 단차 변화(CASE Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ) 조건에 대하여 수리 실험을 실시하였다. 또한, 맨홀 수심(hm)와 유입 직경(Din)의 비(hm/Din)를 1.
  • 이 연구에서는 원형 맨홀 내부의 인버트 설치에 따른 흐름특성과 에너지 손실의 변화를 측정하기 위하여 인버트의 형상 변화 조건을 선정하였다. 인버트의 형상은 국내의 설계기준 및 국외의 문헌조사를 기초로 Table 3과 같이 반원형(CASE B)과 U자형(CASE C)으로 제작하였고, 아크릴 맨홀의 바닥과 재질이 같도록 아크릴로 제작하여 표면조도를 맞추었다(Table 3).
  • 이 연구에서는 유입 관거와 원형 맨홀의 연결조건에 따른 에너지 손실을 측정하였다. 단차에 의한 손실계수 산정에서는 인버트의 조건을 고려하지 않았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
도시지역에 내린 빗물은 어떤 요소인가? 도시지역에 내린 빗물은 우수 관거 시스템에 의하여 배수되므로 우수 관거 시스템의 우수 배제 능력 증가는 도심지의 침수를 방지하기 위한 필수적인 요소라 할 수있다. 우수관거 시설은 관거, 맨홀(manhole), 우수토실, 물받이(오수, 우수 및 집수받이) 및 연결관 등을 포함하는 시설들로 구성되어 있다.
우수관거 시설은 어떻게 구성되어 있는가? 도시지역에 내린 빗물은 우수 관거 시스템에 의하여 배수되므로 우수 관거 시스템의 우수 배제 능력 증가는 도심지의 침수를 방지하기 위한 필수적인 요소라 할 수있다. 우수관거 시설은 관거, 맨홀(manhole), 우수토실, 물받이(오수, 우수 및 집수받이) 및 연결관 등을 포함하는 시설들로 구성되어 있다. 우수관거 시스템의 유지와 관리를 위하여 일정거리마다 맨홀을 설치하고 있다.
맨홀 수심(hm)와 유입 직경(Din)의 비(hm/Din)를 1.0∼6.0으로 변화시키면서 다양한 유량 조건에 대하여 수리 실험을 실시한 결과는? 2) 맨홀에서의 손실계수는 hm/Din가 1.3일 때, 가장 크게 산정되었으며, hm/Din가 2.0일 때까지 감소하다가 hm/Din가 2.0이상이 되면 손실계수의 변화가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 이는 맨홀에서 hm/Din가 2.0 이상이 되면 맨홀의 상측에 발생되는 와류와 수면변동이 하측의 흐름에 영향을 주지 못하기 때문이라 판단된다. 따라서 맨홀의 손실계수 산정 시 맨홀 수심(hm)과 유입관거 직경(Din)의 비(hm/Din)가 1.0~1.5일 때의 손실계수를 사용하는 것이 안정적이라고 판단된다.
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참고문헌 (12)

  1. 최원석, 송호면 (2002). "하수맨홀의 수리학적 특성에 관한 연구." 대한상하수도학회.한국물환경학회 공동 추계학술발표회 논문집, 대한상하수도학회, pp. 13-16 

  2. 환경부 (2005). 하수도시설기준 

  3. Archer, B., Bettess, F., and Cloyer, P. J. (1978). "Head loss and air entrainment at sewer manhole." Report IT 185, Hydraulics Research Station, Wallingford, England 

  4. Bo Pedersen, F., and Mark, O. (1990). "Head losses in storm sewer manholes : submerged jet theory." Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, vol. 116, No. 11, pp. 1317-1328 

  5. FHWA (2007). Junction Loss Experiments: Laboratory Report, FHWA-HRT-07-036 

  6. Hager, H. W. (2005). "Supercritical flow in sewer manholes." Journal of Hydraulic Research, IAHR, vol. 43 No. 6, pp. 660-667 

  7. Howarth, D. A., and Saul, A. J. (1984). "Energy loss coefficients at manholes." Proceeding 3rd International Conference on Urban Storm Drainage, 1, 127-136 

  8. Lindvall, G. (1984). "Head losses at surcharged manholes with a main pipe and a 90. lateral." Proceeding 3rd International Conference on Urban Storm Drainage, 1, pp. 137-146 

  9. Marsalek, J. (1984). "Head losses at sewer junction manholes." Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, Vol. 110, No. 8, pp. 1150-1154 

  10. Merlein, J. (2000). "Flow in submerged sewers with manholes." Urban Water, Vol. 2, No. 3, pp. 251-255 

  11. Sangster, W. M., Wood, H. W., Smerden, E. T. and Bossy, H. G. (1958). "Pressure changes at storm drain junctions." Bulletin. No. 41, Engineering Experiment Station, Univ. of Missouri, Columbia 

  12. Shinji, A., and Tetsuya, K. (1998). "Manhole profiles for energy loss reduction." Proceedings of HydraStorm 98, Third International Conference on Stormwater Management, Adelaide, pp. 235-240 

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