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문제 정의
- 28 m/s였다. 수중방류구조 설계시 단면평균 유속의 최대값을 약 1 m/s 이내로 유지하는 것을 목표로 하였는데, 이는 수중으로 관입된 거품이 외해로 배출되기 전에 수면으로 부상하여 차단벽 내에 정체되도록 하기 위해서였다. Fig.
- 이 연구에서는 2차원 흐름수조에서 수리모형실험을 수행하여 신설 수중방류구조 내 흐름특성 및 2차 낙하 위치에 수평 유공판 구조를 설치하게 될 경우의 거품발생 저감 효과를 검토하였다. 2차 낙하 위치에서의 거품발생량을 정량적으로 평가하기 위하여 사진 촬영을 통하여 거품의 최대 관입깊이를 산정하였다.
제안 방법
- 이 연구에서는 2차원 흐름수조에서 수리모형실험을 수행하여 신설 수중방류구조 내 흐름특성 및 2차 낙하 위치에 수평 유공판 구조를 설치하게 될 경우의 거품발생 저감 효과를 검토하였다. 2차 낙하 위치에서의 거품발생량을 정량적으로 평가하기 위하여 사진 촬영을 통하여 거품의 최대 관입깊이를 산정하였다. 거품의 최대 관입깊이만으로 수평 유공판 설치에 따른 거품발생량의 저감 효과를 정확하게 평가하기는 어렵지만, 대체로 거품의 관입깊이가 작은 경우 거품발생량도 작기 때문에 2차 낙하 위치에 설치된 수평 유공판 형상에 따른 거품의 최대 관입깊이를 서로 비교하여 거품발생량 저감 효과를 비교·평가하는 것이 가능하였다.
- 1 m로 같고, 길이는 6 m의 1/3에 해당하는 2 m인 무공판을 아크릴로 별도로 제작하고 수평 유공판 위에 부착하여 수평 유공판 일부를 폐쇄한 실험을 수행하였다. Fig. 5에 보인 것처럼 여섯 가지 형상의 수평 유공판이 설치된 경우에 대하여 각각 무공판을 부착하지 않은 조건 및 무공판을 수평 유공판의 상류측, 중앙, 하류측에 부착한 총 4가지 조건에 대하여 실험이 수행되었다. Fig.
- 광원으로는 1000W 전구 2개를 사용하였으며, 셔터속도는 1/250초였다. 거품의 관입깊이 및 수면높이는 Fig. 4에 보인 것처럼 2차 낙하 위치의 유리벽에 붙인 격자 정보로부터 육안으로 사진 판독을 통해 산정하였다. Fig.
- 사진에 촬영된 거품의 관입깊이 및 수면높이는 매 촬영시마다 약간씩 변화할 수 있으므로 각 실험조건에 대하여 사진 촬영을 10회 반복하여 거품의 관입깊이 및 수면높이의 평균값을 계산하였다. 거품의 관입깊이를 평가하는 실험은 유공판이 설치되지 않은 경우 및 Fig. 3에 보인 형상이 서로 다른 여섯 가지 유공판이 설치된 총 7가지 경우에 대하여 각각 수행되었다.
- 또한, 수평 유공판과 폭은 17.1 m로 같고, 길이는 6 m의 1/3에 해당하는 2 m인 무공판을 아크릴로 별도로 제작하고 수평 유공판 위에 부착하여 수평 유공판 일부를 폐쇄한 실험을 수행하였다. Fig.
- 무공판의 부착 위치에 따라 거품이 관입되지 않는 영역에서의 거품 최대관입깊이는 0으로 산정하였다. 무공판을 이용한 실험은 Fig. 3에 보인 여섯 가지 수평 유공판에 대해서 모두 수행하였지만, Fig. 12에 제시한 것처럼 사각구멍 형상의 유공판 다섯 개의 실험 결과만을 주로 비교하였다. 슬릿형 유공판의 경우, Fig.
- 또한, 본 연구에서는 여섯 가지 수평 유공판의 유공률이 모두 25%로 동일하였는데, 만약 유공률을 이보다 더 작게 한다면 거품의 관입깊이 저감 효과는 더욱 증대될 것이다. 본 연구에서는 거품발생 저감효과를 정량적으로 평가하는 방법으로 사진 촬영을 통한 거품의 최대 관입 깊이를 산정하였다. 그러나 거품 발생량은 거품의 관입깊이만으로 정확하게 평가되기는 어렵기 때문에, 화상처리(Image processing) 기법등을 활용하여 거품 발생량을 엄밀하게 평가하고, 그에 따른 거품 발생 저감 효과를 보다 정량적으로 평가하는 연구가 수행될 필요성이 있다.
- 수평 유공판이 설치되지 않은 경우에도 같은 기준점으로부터의 수면높이 W값을 산정하였다. 사진에 촬영된 거품의 관입깊이 및 수면높이는 매 촬영시마다 약간씩 변화할 수 있으므로 각 실험조건에 대하여 사진 촬영을 10회 반복하여 거품의 관입깊이 및 수면높이의 평균값을 계산하였다. 거품의 관입깊이를 평가하는 실험은 유공판이 설치되지 않은 경우 및 Fig.
- 수중방류구조는 일반적으로 공사 규모가 크다는 단점이 있으나, 별도의 조작과 유지보수가 필요 없는 안정적 토목구조물에 의한 거품유출방지 시설이기 때문에 발전회사 측에서 가장 선호하는 거품저감 방식이다. 수중방류구조를 단순한 구조 형식으로 설계하고, 공사 규모를 최소화하기 위하여 다양한 방안을 검토하여 최종적으로 Fig. 1에 보인 설계안을 채택하게 되었다.
- 2 h 높이에 해당한다. 수평 유공판 설치에 따라서 수중방류구조 내 흐름 양상이 변화하는지 파악하기 위하여 수평 유공판이 설치되지 않은 경우 및 50 cm 사각구멍 유공판(Sq-50)이 설치된 두 경우에 대하여 각각 유속을 계측하였다. 유속계측장비로는 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하였으며, 각 계측점에서의 흐름방향 및 연직방향 유속을 측정하였다.
- 한편, 연직유속 vy가 양의 값을 가질 때 연직흐름은 연직상향으로 흐르는 것을 의미한다. 여덟 개 계측점 중에서 연직위치가 0.2 h 및 0.6 h에 해당하는 계측점들을 각각 별도로 도시하였다. Fig.
- 수평 유공판 설치에 따라서 수중방류구조 내 흐름 양상이 변화하는지 파악하기 위하여 수평 유공판이 설치되지 않은 경우 및 50 cm 사각구멍 유공판(Sq-50)이 설치된 두 경우에 대하여 각각 유속을 계측하였다. 유속계측장비로는 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하였으며, 각 계측점에서의 흐름방향 및 연직방향 유속을 측정하였다. 자료 수집 간격(sampling rate)은 20 Hz였고 60초 동안 자료를 취득하여 평균유속을 계산하였다.
- 무공판의 부착 위치에 따라서 거품 발생 영역이 달라지며, 거품발생량에도 차이가 있음을 정성적으로 확인할 수 있다. 이처럼 무공판의 부착 위치에 따라서 거품의 수중 관입 양상이 다르게 나타나기 때문에 Fig. 11에 보인 것처럼 2차 낙하 위치에서의 거품 최대관입깊이를 상류측(사진 오른쪽), 중앙, 하류측(사진 왼쪽)에서 각각 평가하고 이를 D1, D2, D3로 표시하였다. 무공판의 부착 위치에 따라 거품이 관입되지 않는 영역에서의 거품 최대관입깊이는 0으로 산정하였다.
- 유속계측장비로는 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)를 이용하였으며, 각 계측점에서의 흐름방향 및 연직방향 유속을 측정하였다. 자료 수집 간격(sampling rate)은 20 Hz였고 60초 동안 자료를 취득하여 평균유속을 계산하였다.
- 한편, Fig. 11에는 50 cm 사각구멍 유공판(Sq-50) 위에 무공판을 부착하지 않은 경우(No cover), 무공판을 수평 유공판의 상류측에 부착한 경우(Cover-UP), 중앙에 부착한 경우(Cover-C), 하류측에 부착한 경우(Cover-DN)에 대하여 각각 2차 낙하 위치에서의 거품 발생 양상을 비교하여 제시하였다. 무공판의 부착 위치에 따라서 거품 발생 영역이 달라지며, 거품발생량에도 차이가 있음을 정성적으로 확인할 수 있다.
- 한편, Table 1에 보인 두 가지 실험 조건 중에서 수위차가 커서 거품발생이 많은 Case 1 조건에서의 유공판 형상에 따른 거품발생저감 효과를 정량적으로 평가하기 위해서 Fig. 4에 보인 것처럼 2차 낙하 위치에서 사진 촬영을 통해 거품의 관입깊이 및 수면높이를 평가하였다. 거품이 주로 2차 낙하 위치에서 발생하므로 사진 촬영의 범위는 Fig.
- 거품의 최대 관입깊이만으로 수평 유공판 설치에 따른 거품발생량의 저감 효과를 정확하게 평가하기는 어렵지만, 대체로 거품의 관입깊이가 작은 경우 거품발생량도 작기 때문에 2차 낙하 위치에 설치된 수평 유공판 형상에 따른 거품의 최대 관입깊이를 서로 비교하여 거품발생량 저감 효과를 비교·평가하는 것이 가능하였다. 한편, 수리모형실험이 현장에 설치될 실제 구조물의 설계안을 대상으로 수행되었으므로, 이 논문에서는 실험 내용 및 결과를 설명함에 있어 유속 및 길이의 단위를 현장 조건으로 환산하여 제시하였다.
대상 데이터
- 사진 촬영에 사용된 디지털카메라는 캐논 EOS 40D 모델이며 EF-S 17-85 IS USM 렌즈를 장착하였다. 광원으로는 1000W 전구 2개를 사용하였으며, 셔터속도는 1/250초였다. 거품의 관입깊이 및 수면높이는 Fig.
- 1 m와 6 m에 해당한다. 사각구멍 유공판의 구멍 크기는 현장 조건으로 각각 20, 35, 50, 65, 80 cm이며, 구멍 사이의 간격은 한변의 길이와 같다. 한편, 슬릿형 유공판의 슬릿 폭은 50 cm이고, 슬릿 사이의 간격은 1 m이다.
- 4에 보인 영역으로만 한정하였다. 사진 촬영에 사용된 디지털카메라는 캐논 EOS 40D 모델이며 EF-S 17-85 IS USM 렌즈를 장착하였다. 광원으로는 1000W 전구 2개를 사용하였으며, 셔터속도는 1/250초였다.
- 수중방류구조 내 흐름 경향을 파악하기 위하여 Fig. 1에 표시한 A부터 H까지의 총 8곳에서 유속을 측정하였다. Table 2에 각 계측점의 현장환산 표고를 제시하였다.
- 2에 수조 내에 수중방류구조 모형이 설치된 모습을 제시하였다. 수평 유공판은 Fig. 3에 보인 것처럼 사각구멍 형태 5개와 슬릿 형태 1개를 제작하였다. 수평 유공판의 폭 및 길이는 실험실 규격으로 각각 57 cm와 20 cm이며, 축척을 고려할 때 현장 제원으로 각각 17.
- 실험은 길이 24 m, 폭 0.6 m, 높이 0.9 m의 2차원 흐름발생수조에서 이루어졌다. Fig.
성능/효과
- 또한, 본 연구에서는 여섯 가지 수평 유공판의 유공률이 모두 25%로 동일하였는데, 만약 유공률을 이보다 더 작게 한다면 거품의 관입깊이 저감 효과는 더욱 증대될 것이다. 본 연구에서는 거품발생 저감효과를 정량적으로 평가하는 방법으로 사진 촬영을 통한 거품의 최대 관입 깊이를 산정하였다.
- 보령화력발전소 방수로의 구조 변경에 따른 신설 수중 방류구조 내 2차 낙하 위치에 수평유공판을 설치할 경우에 거품 발생량을 크게 저감시키는 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 방류유량의 2차 낙하 위치에서 사진촬영을 통해 거품의 최대관입깊이를 정량적으로 평가한 결과 수평 유공판 설치시에 유공판의 형상에 따라서 거품 관입깊이를 약 30~50% 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 특히, 2차 낙하 위치 전체에 걸쳐서 유공 구조를 채택하기 보다는 2차 낙하 위치의 중앙부는 무공판 형식으로 제작하여 낙하 에너지를 소산시키고 방류 유량을 2차 낙하 위치의 상·하류측으로 분산시키는 것이 종합적인 거품 발생량 및 거품 관입깊이를 감소시키는데 효과적일 것으로 판단된다.
- 수면 높이 W는 대체로 무공판을 부착함에 따라 부착 전에 비해서 그 값이 증가하였고, 특히 사각구멍의 크기가 클수록 증가량이 더 크게 나타났다. 그러나 사각구멍의 크기가 20 cm인 경우에는 무공판을 부착한 경우와 그렇지 않은 경우 모두 W의 값이 비슷하였다.
- 특히, 2차 낙하 위치 전체에 걸쳐서 유공 구조를 채택하기 보다는 2차 낙하 위치의 중앙부는 무공판 형식으로 제작하여 낙하 에너지를 소산시키고 방류 유량을 2차 낙하 위치의 상·하류측으로 분산시키는 것이 종합적인 거품 발생량 및 거품 관입깊이를 감소시키는데 효과적일 것으로 판단된다.
- 한편, 수중방류구조 내 주요 계측점에서의 흐름 방향 단면 평균유속이 수중방류구조 설계시의 목표값인 1 m/s 범위 내에 분포하게 됨을 확인하였다. 따라서 2차 낙하 위치에서 발생한 거품이 흐름을 따라 하류측으로 이동하게 되더라도 도중에 수표면으로 부상하여 차단벽에 의해 정체됨으로써 외해로 직접 배출되는 것을 방지하는 데 효과적일 것으로 판단된다.
후속연구
- 본 연구에서는 거품발생 저감효과를 정량적으로 평가하는 방법으로 사진 촬영을 통한 거품의 최대 관입 깊이를 산정하였다. 그러나 거품 발생량은 거품의 관입깊이만으로 정확하게 평가되기는 어렵기 때문에, 화상처리(Image processing) 기법등을 활용하여 거품 발생량을 엄밀하게 평가하고, 그에 따른 거품 발생 저감 효과를 보다 정량적으로 평가하는 연구가 수행될 필요성이 있다.
- 9 m 높이의 월류보로부터 2단 낙하하는 구조를 채택하고, 수중에 관입된 거품이 수 표면으로 부상한 후에 외해로 유출되는 것을 차단하기 위해서 2중 차단벽(Curtain wall) 형식으로 설계한 것이 특징이다. 또한, 월류보에서 1차 낙하한 방류수가 2차 낙하할 때의 에너지를 소산시키고 간조시 거품의 수중 관입 깊이를 감소시키기 위해 Fig. 1에 보인 것처럼 2차 낙하 위치에 수평 유공판 구조를 설치할 계획이다. 2차 낙하 위치에서 수중 관입된 거품이 수면으로 부상하는 동안에 흐름을 따라서 차단벽 하류측으로 이동할 수 있기 때문에 수평 유공판 구조를 설치하여 거품의 수중 관입깊이를 줄이면, 거품이 더 빨리 수면으로 부상하여 차단벽 내에 정체되도록 하는 효과를 거둘 수 있다.
- 보령화력발전소 방수로의 구조 변경에 따른 신설 수중 방류구조 내 2차 낙하 위치에 수평유공판을 설치할 경우에 거품 발생량을 크게 저감시키는 효과를 거둘 수 있을 것으로 기대된다. 방류유량의 2차 낙하 위치에서 사진촬영을 통해 거품의 최대관입깊이를 정량적으로 평가한 결과 수평 유공판 설치시에 유공판의 형상에 따라서 거품 관입깊이를 약 30~50% 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
- 본 수리모형실험은 축척 1/30 조건에서 얻어진 것이며, 거품의 발생 및 소산에 큰 영향을 미치는 표면장력은 통상적인 수리모형실험에서 적용되는 Froude 상사법칙을 따르지 않기 때문에 표면장력이 주된 영향을 미치는 거품발생과 관련된 실험 결과를 축척에 따라 현장 결과로 단순 환산하여 적용해서는 안 될 것이다. 예를 들어 현장에서의 거품의 수중관입깊이가 실험실 결과의 30배가 되지는 않을 것이다.
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