도시 우수 배수 시스템에서 우수 관거는 개수로 흐름 상태로 가정하여 설계되었기 때문에 합류맨홀에서의 에너지 손실은 일반적으로 중요하게 고려되지 않았다. 그러나 과부하흐름에서 에너지 손실은 관거의 배수능력을 저하시켜 도심지역의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다. 그러므로 과부하 합류맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 합류맨홀에 대한 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치를 제작하고 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 맨홀 형상 조건(사각형, 원형), 유출유량($Q_3$)에 대한 측면유입유량($Q_2$)의 비($Q_2/Q_3$) 및 실험 유량(2.0, 3.0, $4.0{\ell}$/sec)을 변화시키면서 실험을 실시하였다. $Q_2/Q_3$가 증가할수록 손실계수가 증가하므로 과부하 합류맨홀에서의 손실계수는 측면 유입관로의 유입유량의 영향을 크게 받는다고 판단된다. 맨홀의 형상변화 및 유량변화에 따른 손실계수는 거의 동일하게 산정되었다. 또한, $Q_2/Q_3$와 손실계수의 관계식을 제시하였다.
도시 우수 배수 시스템에서 우수 관거는 개수로 흐름 상태로 가정하여 설계되었기 때문에 합류맨홀에서의 에너지 손실은 일반적으로 중요하게 고려되지 않았다. 그러나 과부하흐름에서 에너지 손실은 관거의 배수능력을 저하시켜 도심지역의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다. 그러므로 과부하 합류맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 합류맨홀에 대한 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치를 제작하고 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 맨홀 형상 조건(사각형, 원형), 유출유량($Q_3$)에 대한 측면유입유량($Q_2$)의 비($Q_2/Q_3$) 및 실험 유량(2.0, 3.0, $4.0{\ell}$/sec)을 변화시키면서 실험을 실시하였다. $Q_2/Q_3$가 증가할수록 손실계수가 증가하므로 과부하 합류맨홀에서의 손실계수는 측면 유입관로의 유입유량의 영향을 크게 받는다고 판단된다. 맨홀의 형상변화 및 유량변화에 따른 손실계수는 거의 동일하게 산정되었다. 또한, $Q_2/Q_3$와 손실계수의 관계식을 제시하였다.
Energy loss at manholes, often exceeding friction loss of pipes under surcharged flow, is considered as one of the major causes of inundation in urban area. Therefore, it is necessary to analyze head losses at manholes, especially in case of surcharged flow. Hydraulic experimental apparatus which ca...
Energy loss at manholes, often exceeding friction loss of pipes under surcharged flow, is considered as one of the major causes of inundation in urban area. Therefore, it is necessary to analyze head losses at manholes, especially in case of surcharged flow. Hydraulic experimental apparatus which can change the manhole shape (square, circular) were installed for this study. In the experiments, two inflows ($Q_1,\;Q_2$) were varied from 0 to $4{\ell}$/sec and 15 combinations were tested in total. The flow ratios $Q_2/Q_3$ were varied from 0 to 1 for a total flow $Q_3$ ($Q_3=Q_1+Q_3$) of 2, 3, and $4{\ell}$/sec, respectively. The variation of head losses were strongly influenced by the lateral inflow because the head loss coefficient increases as the flow ratio $Q_2/Q_3$ increases. There was no significant difference of head loss between square manhole and circular one, and also no large variation of head loss as discharges change. The relation equations between K and $Q_2/Q_3$ were suggested in this paper.
Energy loss at manholes, often exceeding friction loss of pipes under surcharged flow, is considered as one of the major causes of inundation in urban area. Therefore, it is necessary to analyze head losses at manholes, especially in case of surcharged flow. Hydraulic experimental apparatus which can change the manhole shape (square, circular) were installed for this study. In the experiments, two inflows ($Q_1,\;Q_2$) were varied from 0 to $4{\ell}$/sec and 15 combinations were tested in total. The flow ratios $Q_2/Q_3$ were varied from 0 to 1 for a total flow $Q_3$ ($Q_3=Q_1+Q_3$) of 2, 3, and $4{\ell}$/sec, respectively. The variation of head losses were strongly influenced by the lateral inflow because the head loss coefficient increases as the flow ratio $Q_2/Q_3$ increases. There was no significant difference of head loss between square manhole and circular one, and also no large variation of head loss as discharges change. The relation equations between K and $Q_2/Q_3$ were suggested in this paper.
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문제 정의
본 연구에서는 관거의 방향이 변하는 곳, 단차부의 접합, 관거가 합류하는 부분에 설치되는 합류맨홀에서의 손실수두 측정을 위한 실험조건을 선정하기 위하여 현장조사 및 문헌조사를 실시하였으며, 그 결과를 이용하여 Fig. 2와 같은 실험장치를 제작하였다. 수리모형의 총 길이는 약20m 이며, 고수조, 정류용수조(A, B), 아크릴관로, 아크릴맨홀, 차집통 및 액주계로 구성되어있다.
본 연구에서는 우수 배수 시스템의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 과부하 합류맨홀의 손실계수를 산정하고 에너지 손실의 저감방안을 제시하기 위하여 문헌 조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 과부하 합류맨홀에서의 손실계수의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 사각형 맨홀은 특 1호 맨홀, 원형 맨홀은 표준 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다.
본 연구에서는우수 배수시스템의 설계및 시공에 일반적으로 사용되는 합류맨홀의 손실계수를 산정하기 위해 문헌 조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 과부하 합류맨홀에서 손실계수의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 사각형 맨홀은 특 1호 맨홀, 원형 맨홀은 표준 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다.
제안 방법
5인 경우의 조건을 채택하여 2, 3, 4ℓ/s의 유량변화에 따른 손실계수를 산정하여 비교하였다. Fig. 10과 같이 손실계수가 거의 동일하게 산정되었으므로, 원형맨홀의 경우에는 유량조건을 3ℓ/s로 고정하고, Q2/Q3의 변화조건에 대해서만 실험을 실시하였다. Fig.
본 연구에서는우수 배수시스템의 설계및 시공에 일반적으로 사용되는 합류맨홀의 손실계수를 산정하기 위해 문헌 조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 과부하 합류맨홀에서 손실계수의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 사각형 맨홀은 특 1호 맨홀, 원형 맨홀은 표준 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유입 유량을 변화시키며 수리실험을 실시하여 합류맨홀에서의 손실계수를 산정하였다.
본 연구에서는 우수 배수 시스템의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 과부하 합류맨홀의 손실계수를 산정하고 에너지 손실의 저감방안을 제시하기 위하여 문헌 조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작하였다. 과부하 합류맨홀에서의 손실계수의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 사각형 맨홀은 특 1호 맨홀, 원형 맨홀은 표준 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유입 유량을 변화시키며 수리실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
관거 내의 압력수두의 변화를 측정하기 위하여 각각의 아크릴관로 하단부에 피에조미터를 30 cm 간격으로 설치하였으며, 맨홀 전·후에서의 압력수두의 변화양상을 좀 더 면밀히 살펴보기 위하여 10 cm 간격으로 설치하였다.
관거 내의 압력수두의 변화를 측정하기 위하여 각각의 아크릴관로 하단부에 피에조미터를 30 cm 간격으로 설치하였으며, 맨홀 전·후에서의 압력수두의 변화양상을 좀 더 면밀히 살펴보기 위하여 10 cm 간격으로 설치하였다. 또한, 유입유량을 측정하기 위하여 직선 유입관과 측면유입관에 유량계(WTM-1000, 310-SS)를 각각 설치하여 유량을 측정하였으며, 유출관의 끝부분에는 폭 90 cm, 길이 80 cm, 높이 70 cm의 차집통을 설치하여 유량을 검정하였다. 실험 유량을 일정하게 공급하기 위하여 지하저수조의 물을 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였으며, 관내의 흐름을 정류로 유지하기 위하여 정류수조 A(폭 120 cm, 길이 150 cm, 높이 120 cm)와 정류수조 B(폭 120 cm, 길이 100 cm, 높이 100 cm)를 설치하였다.
(1998)은 3개의 유입관과 1개의 유출관이 접합하는 원형 합류 맨홀의 손실계수 산정에 대해 연구하였다. 맨홀 내부에 벤칭을 설치하였고 맨홀의 크기와 연결 관경의 크기를 변화시키면서 실험을 실시하여 3개 유입관의 유입유량 비에 따른 손실계수를 제시하였다. 또한 Zhao et al.
(1959)은 맨홀 상ㆍ하류부에서 흐름의 연속식과 운동량 보존식으로 압력손실계수를 산정하는 식을 제안하고 실험을 통해 검증하였으며, 사각형과 원형맨홀에서 2개의 유입관과 한 개의 유출관으로 구성된 합류맨홀의 실험을 실시하였다. 사각형 맨홀은 맨홀 폭과 길이의 비가 1:2.5인 직사각형 맨홀에 유입관의 연결 관경비, 유입관 및 유출관의 접합부 위치 변화와 맨홀 내부에 벤칭을 설치하여 실험을 실시하였고, 원형맨홀에 대하여 관경비 변화 및 벤칭 설치에 따른 손실계수 산정 실험을 실시하였다. Lindval (1984)은 2개의 유입관과 한 개의 유출관으로 이루어진 합류맨홀의 과부하 상태에서 합류맨홀 내부 형상을 중간 벤칭과 전체 벤칭 형태의 두 가지로 구분하고 관거의 접합 형태를 직선유입과 90° 유입하는 방식과 직선 유입과 90° 유입은 하지만 맨홀 내부에 곡률을 가진 벤칭을 설치하였으며, 관경 변화, 유량변화, 유량비 변화를 주어 합류맨홀에서의 손실계수 산정에 대해 연구하였다.
1절의 수리모형에서 사각형 맨홀을 원형 맨홀로 교체하여 수리실험을 실시하였다. 사각형 맨홀의 결과에서 유입유량에 따른 손실계수의 변화(K13)가 미미하였으므로, 유출유량(Q3)에 대한 측면유입유량(Q2)의 비 (Q2/Q3)가 0.5인 경우의 조건을 채택하여 2, 3, 4ℓ/s의 유량변화에 따른 손실계수를 산정하여 비교하였다. Fig.
사각형 합류맨홀의 손실계수 산정에서와 마찬가지로 유입유량의 변화에 따른 과부하 원형맨홀의 손실계수를 산정하기 위하여 3.1절의 수리모형에서 사각형 맨홀을 원형 맨홀로 교체하여 수리실험을 실시하였다. 사각형 맨홀의 결과에서 유입유량에 따른 손실계수의 변화(K13)가 미미하였으므로, 유출유량(Q3)에 대한 측면유입유량(Q2)의 비 (Q2/Q3)가 0.
과부하 합류맨홀에서 손실계수의 산정을 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 사각형 맨홀은 특 1호 맨홀, 원형 맨홀은 표준 1호 맨홀을 선정하여 1/5 축소모형으로 맨홀을 제작하였다. 선정된 실험조건에 따라 유입 유량을 변화시키며 수리실험을 실시하여 합류맨홀에서의 손실계수를 산정하였다.
(2006)은 2개의 유입관과 1개의 유출관으로 구성된합류맨홀에 관한 연구를 실시하였다. 수리 실험에서는 관거가 경사를 가진 경우, 유입관은 만관상태이지만 유출관이 만관이 되지 않는 경우, 유입관과 유출관이 모두 만관인 세 가지 조건을 선정하였으며, 유입유량 및 유입관과 유출관을 변화시키면서 수리 실험을 실시하여 사각형 합류맨홀에서의 손실계수를 산정하고 합류맨홀에서의 손실계수 산정 실험식을 제시하였다.
또한, 유입유량을 측정하기 위하여 직선 유입관과 측면유입관에 유량계(WTM-1000, 310-SS)를 각각 설치하여 유량을 측정하였으며, 유출관의 끝부분에는 폭 90 cm, 길이 80 cm, 높이 70 cm의 차집통을 설치하여 유량을 검정하였다. 실험 유량을 일정하게 공급하기 위하여 지하저수조의 물을 고수조로 양정하여 일정 수위를 유지하도록 하였으며, 관내의 흐름을 정류로 유지하기 위하여 정류수조 A(폭 120 cm, 길이 150 cm, 높이 120 cm)와 정류수조 B(폭 120 cm, 길이 100 cm, 높이 100 cm)를 설치하였다. 유입 및유출 관로의연결부는 관정접합으로 연결하였으며, 유량의 변화에 따른 손실계수의 변화를 산정하기 위하여 실험 유량은 2∼4ℓ/s로 변화시켰다.
아크릴 맨홀 및 아크릴관로는 하수도시설기준(2005) 상의 특 1호 맨홀(0.9 × 0.9m)과 표준 1호 맨홀(내경0.9m)의 기성품과 직경 0.3m의 유입 및 유출관을 1/5로 축소하여 제작하였고, 관내의 흐름을 정류상태로 유지하기 위하여 유입관로 및 유출관로의 길이를 각각 650 cm와 400 cm로 제작하였다(Fig. 3).
유입 및유출 관로의연결부는 관정접합으로 연결하였으며, 유량의 변화에 따른 손실계수의 변화를 산정하기 위하여 실험 유량은 2∼4ℓ/s로 변화시켰다.
유입유량의 변화에 따른 과부하 사각형 합류맨홀 내부의 손실계수를 산정하기 위하여 3.1절의 수리모형을 이용하여 수리 실험을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
2와 같은 실험장치를 제작하였다. 수리모형의 총 길이는 약20m 이며, 고수조, 정류용수조(A, B), 아크릴관로, 아크릴맨홀, 차집통 및 액주계로 구성되어있다. 아크릴 맨홀 및 아크릴관로는 하수도시설기준(2005) 상의 특 1호 맨홀(0.
이론/모형
유입 및유출 관로의연결부는 관정접합으로 연결하였으며, 유량의 변화에 따른 손실계수의 변화를 산정하기 위하여 실험 유량은 2∼4ℓ/s로 변화시켰다. 실험 유량의 선정기준은 하수도시설기준(2005)에 제시된 우수관거에서의 이상 유속(1.0m/s)일 때의 유량을 최소유량으로 선정하고, 맨홀의 상판 높이인 1.0m를 월류하지 않는 유량을 최대유량으로 선정하였으며, 선정된 유량에 Froude 상사법칙을 적용하여 1/5 축소 수리 모형에서의 최소유량과 최대유량으로 계산하였다(Table 2).
성능/효과
1. 유출유량(Q3)에 대한 측면유입유량(Q2)의 비(Q2/Q3)의 변화에 따른 과부하 합류맨홀의 손실계수는 0.4∼1.5로 산정되었으며, Q2/Q3가 증가함에 따라 직선유입관로의 손실계수(K13)의 변화는 미미하였으나, 측면유입관로의 손실계수(K23)는 Q2/Q3가 증가함에 따라 크게 증가하였다.
2. 과부하 합류맨홀의 손실계수(K)는 Q2/Q3가 0.5 이상이 되면 급격히 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 Q2/Q3가 0.
3. 과부하 합류맨홀의 형상과 유입유량의 변화에 따라 합류맨홀에서의 손실계수(K)는 거의 동일한 값을 나타내고 있으므로, 과부하 합류맨홀에서 발생하는 수두손실은 맨홀의 형태와 유입유량의 변화에 영향을 받지 않는다고 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 우수 배수시스템에서의 흐름은 무엇의 지배를 받는가?
일반적으로 우수 배수시스템에서의 흐름은 중력의 지배를 받게 되므로 개수로 흐름과 같이 간주된다. 그러나 유입유량이 증가하여 관거가 만관되거나 하류부에서 흐름의 제한 등에 의해 역류의 영향을 받는다면 우수 배수 시스템의 맨홀은 과부하(surcharge) 상태의 압력흐름이 된다.
우수 배수 시스템의 설계 및 시공에 일반적으로 사용되는 과부하 합류맨홀의 손실계수를 산정하고 에너지 손실의 저감방안을 제시하기 위하여 문헌 조사를 실시하였으며, 조사결과를 바탕으로 수리실험 장치를 제작한 결과는?
1. 유출유량(Q3)에 대한 측면유입유량(Q2)의 비(Q2/Q3)의 변화에 따른 과부하 합류맨홀의 손실계수는 0.4∼1.5로 산정되었으며, Q2/Q3가 증가함에 따라 직선유입관로의 손실계수(K13)의 변화는 미미하였으나, 측면유입관로의 손실계수(K23)는 Q2/Q3가 증가함에 따라 크게 증가하였다.
2. 과부하 합류맨홀의 손실계수(K)는 Q2/Q3가 0.5 이상이 되면 급격히 증가하는 경향을 보이고 있다. 이는 Q2/Q3가 0.5 이하일 경우에는 직선유입관로의 영향을 받다가 Q2/Q3가 0.5 이상이 되면 측면 유입관로의 영향을 받아 손실계수가 크게 증가하는 것이라 판단된다.
3. 과부하 합류맨홀의 형상과 유입유량의 변화에 따라 합류맨홀에서의 손실계수(K)는 거의 동일한 값을 나타내고 있으므로, 과부하 합류맨홀에서 발생하는 수두손실은 맨홀의 형태와 유입유량의 변화에 영향을 받지 않는다고 판단된다.
4.유출유량(Q3)에 대한 측면유입유량(Q2)의 비(Q2/Q3) 변화에 따른 과부하 합류맨홀에서의 손실계수 산정 실험식을 Eqs. (5) and (6)과 같이 제시하였다.
우수 배수시스템은 무슨 시설들로 구성되어 있는가?
그러므로 우수 배제 증력을 증가시킬 수 있는 합리적이고 경제적인 우수 배수시스템의 설계 및 시공은 매우 중요하다. 우수 배수시스템은 관거, 맨홀(manhole), 우수토실, 물받이(오수, 우수 및 집수받이) 및 연결관 등을 포함하는 시설들로 구성되어 있다. 여기서 맨홀은 우수 배수시스템의 유지와 관리를 위하여 일정거리마다 설치되고 있으며, 맨홀은 관거의 기점, 방향, 경사 및 관경 등이 변하는 곳, 단차가 발생하는 곳, 관거가 합류하는 곳에는 반드시 설치된다.
참고문헌 (10)
윤세의, 김정수, 송주일(2008a). "과부하 원형맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 실험적 연구." 한국수자원학회 논문집, 한국수자원학회, 제41권, 제3호, pp. 305-314.
Lindval, G. (1984). "Head loss at surcharged manholes with a main pipe and a $90^{\circ}$ lateral." Proceeding of 3rd International Conference on Urban Storm Drainage, pp. 137-146.
Sangster, W.M., Wood, H.W., Smerden, E.T., and Bossy, H.G. (1959). "Pressure changes at open junction in conduits.", Bulletin No. 41, Engineering Experiment Station, Univ. of Missouri, Columbia.
Wang, K.H., Cleveland, T.G., Towsley, C., and Umrigar, D. (1998). "Head loss at manholes in surcharged sewer systems." Journal of the American Water Resource Association, AWRA, Vol. 34, No. 6, pp. 1391-1400.
Zhao, C.H., Zhu, D.Z., and Rajarattnam, N. (2006). "Experimental Study of Surcharged Flow at Combining Sewer Juntion." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 132, No. 12, pp. 1259-1271.
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