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문제 정의
- 그러나 국내에서는 아직까지 저수지내에서 수리흐름과 밀도흐름을 동시에 고려한 실험연구가 수행 된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 성층수조를 구현하기 위하여 개선된 two-tank 기법을 개발하고, 이를 이용함으로써 다양한 성층조건을 재현하였으며, 비교란 유속계인 입자영상유속계 (PIV)를 이용하여 취수구 주변에서의 정밀한 유속변화를 측정하였다. 본 연구 결과는 최근 다양하게 시도되고 있는 선택취수에 관한 수치모델을 이용한 해석 연구의 검보정 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다(한국수자원공사, 2006).
- 본 연구에서는 저수지에서 선택취수를 수행하고자 하는 경우에 일정한 수심에 위치한 취수구의 접근흐름의 형태에 대하여 유속차 및 성층경사의 영향을 수리실험을 통해 측정하고자 하였다. 이와 같은 목적을 이루기 위해서는 기존 국내의 수리실험 연구에서 주로 수행된 수리학적인 흐름에 관한 측정뿐만 아니라 밀도흐름에 대해서도 정확한 측정이 수행되어야 한다.
제안 방법
- 이 과정에서 소금물의 초기 농도가 낮아지면서 성층실험수조로 공급되어 원하는 조건의 밀도성층이 형성된다. 본 연구에서는 이와 같이 만들어진 성층수조에서 다양한 유량 조건에서의 선택취수를 수행하며 PIV 시스템을 이용하여 이에 따른 밀도흐름을 측정하였다. 그림 3은 two-tank 기법에 의한 성층수조 재현 및 비교란 유속측정에 의한 실험과정을 개념화하여 나타낸 것이다.
- 예비실험을 통한 PIV 유속측정 결과 최소 유속이 측정되는 범위가 선택취수영역(withdrawal zone)의 연직방향 폭이 그림 4와 같이 취수구 직경의 4배에 해당하므로, 전체적인 평균 유속측정 범위를 4D로 고려하여 측정 및 계산하였고, 이에 50%인 2D의 평균유속을 상대 비교함으로써 밀도성층 경사에 따른 접근유속의 변화를 분석하고자 하였다. 여기서 X는 취수구를 시점으로 한 수평방향이며, Z는 취수구 중심을 원점으로 한 연직방향이다.
- 표 1에 나타낸 바와 같이 실험 조건은 밀도경사에 따른 7가지 조건과 취수유량에 따른 5가지 조건을 조합하여 총 35가지의 경우에 대하여 PIV를 이용해 취수구 주변의 유속 분포를 측정하였다. 여기서, S는 밀도경사, Q는 취수유량, Ri은 Richardson 수이며, 실험에 사용된 취수구의 직경(D)은 2.
대상 데이터
- 실험에 사용된 저류·혼합수조와 성층실험수조는 개선된 two-tank 기법을 이용하여 성층수조를 재현하기 위한 실험장치로서 저류·혼합수조에는 소금을 용해시켜 일정한 초기 밀도를 가지며, 동일한 유량을 공급함과 동시에 성층실험수조로 배출한다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 염분도에 의한 성층수조를 사용하였으며, 성층을 형성하고, 이를 유지하면서 유속을 측정하기 위해 사용된 실험 장치는 저류·혼합수조(storage-mixing tank), 성층수조(stratified tank), 비교란 유속측정 기법인 PIV 시스템으로 이루어진다 (그림 2 참조).
성능/효과
- 그림 7의 연직유속분포도를 보면 성층경사가 없을 때에는 취수구에 가까울수록 유속이 증가하지만 X축 방향으로의 영향 반경은 증가하지 않는다. 그러나 성층경사가 증가되면서 선택취수영역의 수직방향 폭 증가는 둔화되고, X축 방향으로의 영향 반경이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그림 8과 그림 9는 X=1D가 되는 지점에서 최대유속에 대한 임의의 단면에서의 최대 유속비를 나타낸 것이다.
- 8까지 되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Richardson 수가 최소가 되더라도 취수구직경 D의 3.3배를 벗어나지 않는다는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험 결과, 취수 유량은 동일하고 밀도성층이 이루고 있는 밀도 경사만 변할 경우에는 밀도 경사의 차이가 클수록 선택취수영역(withdrawal zone)의 연직방향 폭은 줄어드는 반면 횡방향으로의 영향범위는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 밀도경사의 차이가 줄어들수록 X축의 방향의 영향은 줄어들고 선택취수영역(withdrawal zone)의 연직방향 폭은 증가함을 알 수 있었다. 밀도경사가 동일하고 취수 유량만 바뀔 경우, 취수 유량의 작을 때는 취수구에서 X축 방향으로 떨어질수록 그 기울기는 완만히 감소하게 되고, 유량이 많을 때에는 그 기울기가 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다.
- 또한 밀도경사의 차이가 줄어들수록 X축의 방향의 영향은 줄어들고 선택취수영역(withdrawal zone)의 연직방향 폭은 증가함을 알 수 있었다. 밀도경사가 동일하고 취수 유량만 바뀔 경우, 취수 유량의 작을 때는 취수구에서 X축 방향으로 떨어질수록 그 기울기는 완만히 감소하게 되고, 유량이 많을 때에는 그 기울기가 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 종합하면 성층밀도 경사가 크고 유속이 빠를 때 가장 이상적인 선택취수가 일어나지만 유속보다는 밀도 경사가 선택취수 흐름에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 3배를 벗어나지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 다만 본 연구에서는 선형의 밀도성층을 이룬 성층수조에서의 실험 결과이므로 수온약층을 갖는 실제 저수지에서의 비선형 밀도성층은 훨씬 복잡한 양상을 나타날 것으로 판단된다. 이와 같은 실제 취수탑에서의 현상은 본 연구에서 개발한 two-tank 기법과 PIV를 통한 밀도흐름 측정 방법을 이용하여 현장의 취수탑 인근 지형 및 비선형 밀도성층조건을 구현하여 수리모형실험을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 저수지에서 선택취수를 수행하고자 하는 경우에 일정한 수심에 위치한 취수구의 접근흐름의 형태에 대하여 유속차 및 성층경사의 영향을 수리실험을 통해 측정하고자 하였다. 실험 결과, 취수 유량은 동일하고 밀도성층이 이루고 있는 밀도 경사만 변할 경우에는 밀도 경사의 차이가 클수록 선택취수영역(withdrawal zone)의 연직방향 폭은 줄어드는 반면 횡방향으로의 영향범위는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 밀도경사의 차이가 줄어들수록 X축의 방향의 영향은 줄어들고 선택취수영역(withdrawal zone)의 연직방향 폭은 증가함을 알 수 있었다.
- 이와 같은 결과를 종합하면 성층밀도 경사가 크고 유속이 빠를 때 가장 이상적인 선택취수가 일어나지만 유속보다는 밀도 경사가 선택취수 흐름에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 Richardson 수로도 판단 할 수 있는데, Richardson 수가 크다는 것은 밀도경사가 유속에 비해 상대적으로 크다는 것인데 이럴 경우 Richardson 수가 최대가 될 때 선택취수영역(withdrawal zone)의 폭은 완벽한 취수영역에 접근해 D=1.8까지 되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 Richardson 수가 최소가 되더라도 취수구직경 D의 3.
- 밀도경사가 동일하고 취수 유량만 바뀔 경우, 취수 유량의 작을 때는 취수구에서 X축 방향으로 떨어질수록 그 기울기는 완만히 감소하게 되고, 유량이 많을 때에는 그 기울기가 급격히 감소하는 것을 알 수 있었다. 이와 같은 결과를 종합하면 성층밀도 경사가 크고 유속이 빠를 때 가장 이상적인 선택취수가 일어나지만 유속보다는 밀도 경사가 선택취수 흐름에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 Richardson 수로도 판단 할 수 있는데, Richardson 수가 크다는 것은 밀도경사가 유속에 비해 상대적으로 크다는 것인데 이럴 경우 Richardson 수가 최대가 될 때 선택취수영역(withdrawal zone)의 폭은 완벽한 취수영역에 접근해 D=1.
- 또한 선택취수 폭이 취수구가 동일하여 그 값이 1이 되는 경우가 완벽한 선택취수가 된다. 하지만 그림 10에 나타낸 바와 같이 실험 결과를 토대로 Richardson 수를 계산해서 추세선을 그려보면 Richardson 수가 최대로 증가하는 경우에도 D=1.8까지만 접근한다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 Richardson 수가 최소가 되더라도 취수구직경 D의 3.
후속연구
- 보다 다양한 조건에서의 실험 결과와 본 연구에서 제시한 Richardson 수의 개념을 이용하여 각각의 저수지내 취수시설에서 최적의 선택취수를 이루는 유량 조건을 구할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 이와 같은 실험 연구는 현장의 상황에 따른 다수의 조건변화를 구현하기가 어려우므로, 수치모형을 이용한 연구와 병행하면 이와 같은 단점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
- 3배를 벗어나지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 다만 본 연구에서는 선형의 밀도성층을 이룬 성층수조에서의 실험 결과이므로 수온약층을 갖는 실제 저수지에서의 비선형 밀도성층은 훨씬 복잡한 양상을 나타날 것으로 판단된다. 이와 같은 실제 취수탑에서의 현상은 본 연구에서 개발한 two-tank 기법과 PIV를 통한 밀도흐름 측정 방법을 이용하여 현장의 취수탑 인근 지형 및 비선형 밀도성층조건을 구현하여 수리모형실험을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구 결과는 최근 다양하게 시도되고 있는 선택취수에 관한 수치모델을 이용한 해석 연구의 검보정 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다(한국수자원공사, 2006). 또한 기존의 취수시설을 선택취수가 가능하도록 개량하기 위한 수리학적인 검토와 댐 관리자가 선택취수시설을 이용하여 탁도저감의 효율을 증가시킬 수 있는 운영방안을 구축하는데 있어서 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같은 실제 취수탑에서의 현상은 본 연구에서 개발한 two-tank 기법과 PIV를 통한 밀도흐름 측정 방법을 이용하여 현장의 취수탑 인근 지형 및 비선형 밀도성층조건을 구현하여 수리모형실험을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 보다 다양한 조건에서의 실험 결과와 본 연구에서 제시한 Richardson 수의 개념을 이용하여 각각의 저수지내 취수시설에서 최적의 선택취수를 이루는 유량 조건을 구할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 이와 같은 실험 연구는 현장의 상황에 따른 다수의 조건변화를 구현하기가 어려우므로, 수치모형을 이용한 연구와 병행하면 이와 같은 단점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 본 연구에서는 성층수조를 구현하기 위하여 개선된 two-tank 기법을 개발하고, 이를 이용함으로써 다양한 성층조건을 재현하였으며, 비교란 유속계인 입자영상유속계 (PIV)를 이용하여 취수구 주변에서의 정밀한 유속변화를 측정하였다. 본 연구 결과는 최근 다양하게 시도되고 있는 선택취수에 관한 수치모델을 이용한 해석 연구의 검보정 자료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다(한국수자원공사, 2006). 또한 기존의 취수시설을 선택취수가 가능하도록 개량하기 위한 수리학적인 검토와 댐 관리자가 선택취수시설을 이용하여 탁도저감의 효율을 증가시킬 수 있는 운영방안을 구축하는데 있어서 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같은 실제 취수탑에서의 현상은 본 연구에서 개발한 two-tank 기법과 PIV를 통한 밀도흐름 측정 방법을 이용하여 현장의 취수탑 인근 지형 및 비선형 밀도성층조건을 구현하여 수리모형실험을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 선형의 밀도성층을 이룬 성층수조에서의 실험 결과이므로 수온약층을 갖는 실제 저수지에서의 비선형 밀도성층은 훨씬 복잡한 양상을 나타날 것으로 판단된다. 향후 보다 다양한 조건에서의 실험 결과와 본 연구에서 제시한 Richardson 수의 개념을 이용하여 각각의 저수지내 취수시설에서 최적의 선택취수를 이루는 운영 조건을 구할 수 있을 것으로 판단된다.
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