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[국내논문] 수치모형을 이용한 과부하 사각형 맨홀에서의 손실계수 산정
Estimation of Head Loss Coefficients at Surcharged Square Manhole Using Numerical Model 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.11 no.3, 2011년, pp.143 - 150  

김정수 (부천대학 토목과) ,  임가희 (경기대학교 토목공학과) ,  임창수 (경기대학교 토목공학과) ,  윤세의 (경기대학교 토목공학과)

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 사각형 맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 FLUENT 6.3 모형을 이용하여 과부하 사각형 합류맨홀에서의 흐름특성을 모의하고 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 또한 실험결과와 수치모의 결과를 비교 및 분석하여 사각형 맨홀에서의 손실계수 산정에 FLUENT 6.3모형의 적용성을 확인하였다. 맨홀 폭(B)과 연결관경(d)의 비(B/d)에 따른 손실계수를 산정하였다. B/d가 증가할수록 사각형 합류 맨홀에서의 손실계수는 증가하였다. 중간 단차 맨홀에서 단차 변화에 따른 손실계수의 변화를 산정하였다. 단차가 5 cm이상 증가하면 맨홀 내 수심과 손실계수가 점진적으로 증가하였으므로 중간 맨홀에서의 적정 단차는 5 cm로 판단된다. 따라서 우수 관거 시스템의 여러 형태의 사각형 맨홀에서의 흐름의 변화 및 손실계수를 예측할 때, Fluent 6.3 모형은 사용 가능하리라 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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 important to analyze the head losses at manholes, especially in case of surcharged flow. The stream characteristics were analy...

Keyword

AI 본문요약
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제안 방법

  • 또한, 유입관거의 유속 조건은 상·하류 관거의 과부하 상태를 유지하기 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)에 제시된 우수관거에서의 최대 유속(3.0 m/sec)을 채택하고, 전 절의 수치모의 조건과 동일한 조건으로 수치모의를 수행하였다
  • 3 모형을 선택하였다. FLUENT 6.3 모형을 이용하여 과부하 합류 맨홀에서의 흐름특성을 수치모의 하였으며, 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 계산된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교하였다.
  • 계산된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교하였다. 또한 동일한 수치모의 해석 조건을 실제 크기의 합류맨홀에 적용하여 합류맨홀의 규모 변화 및 중간맨홀의 단차 변화에 따른 손실계수를 산정하였다.
  • 본 연구에서는 FLUENT 6.3 모형을 이용하여 과부하 사각형 합류맨홀에서의 흐름특성을 모의하고 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 또한 산정된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교 및 검정하였으며, 연결관거 크기 변화에 따른 합류맨홀의 크기를 선정하는 합리적인 선정을 위하여 동일한 수치모의 해석 조건을 실제 크기 합류맨홀에 적용하여 합류맨홀의 규모 변화와 중간맨홀의 단차 조건에 따른 손실계수를 산정하였다.
  • 3 모형을 이용하여 과부하 사각형 합류맨홀에서의 흐름특성을 모의하고 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 또한 산정된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교 및 검정하였으며, 연결관거 크기 변화에 따른 합류맨홀의 크기를 선정하는 합리적인 선정을 위하여 동일한 수치모의 해석 조건을 실제 크기 합류맨홀에 적용하여 합류맨홀의 규모 변화와 중간맨홀의 단차 조건에 따른 손실계수를 산정하였다.
  • 과부하 합류 맨홀에서의 손실계수를 계산하기 위하여 맨홀 및 접합 관거에서의 흐름 상태를 모의하였다. 맨홀 및 접합 관거의 기하 모형의 격자망은 수치해석의 안정성 확보를 위하여 맨홀과 연결관의 합류부분에서는 사면체 격자로 구성하고 합류부분을 제외한 구간에서는 6면체 격자로 구성하였으며, 각 격자의 면은 가능한 사각형 또는 삼각형의 형태를 취하도록 하였다(그림 1).
  • 과부하 합류 맨홀에서의 손실계수를 계산하기 위하여 맨홀 및 접합 관거에서의 흐름 상태를 모의하였다. 맨홀 및 접합 관거의 기하 모형의 격자망은 수치해석의 안정성 확보를 위하여 맨홀과 연결관의 합류부분에서는 사면체 격자로 구성하고 합류부분을 제외한 구간에서는 6면체 격자로 구성하였으며, 각 격자의 면은 가능한 사각형 또는 삼각형의 형태를 취하도록 하였다(그림 1).
  • 0 m로 구성하였다. 또한 수리모형 실험을 실시하여 과부하 합류맨홀에서의 손실계수를 산정한 김정수 등(2010a)의 실험결과와 비교하였다(표 2). 본 연구에서는 맨홀 모형의 벽면에는 No-Slip 경계조건을 부여하였으며, 유입부에는 속도 조건, 유출부와 맨홀의 자유수면 부분의 경계에서는 대기압 조건을 부여하였다.
  • 또한 수리모형 실험을 실시하여 과부하 합류맨홀에서의 손실계수를 산정한 김정수 등(2010a)의 실험결과와 비교하였다(표 2). 본 연구에서는 맨홀 모형의 벽면에는 No-Slip 경계조건을 부여하였으며, 유입부에는 속도 조건, 유출부와 맨홀의 자유수면 부분의 경계에서는 대기압 조건을 부여하였다. 합류 맨홀의 손실계수 산정을 위한 수리 모형 실험 결과와 수치모의 결과를 비교하기 위하여 유입 관거의 유속 조건을 주 유입관의 유속과 측면 유입관의 유속은 동일하게 0.
  • 본 연구에서는 맨홀 모형의 벽면에는 No-Slip 경계조건을 부여하였으며, 유입부에는 속도 조건, 유출부와 맨홀의 자유수면 부분의 경계에서는 대기압 조건을 부여하였다. 합류 맨홀의 손실계수 산정을 위한 수리 모형 실험 결과와 수치모의 결과를 비교하기 위하여 유입 관거의 유속 조건을 주 유입관의 유속과 측면 유입관의 유속은 동일하게 0.53 m/sec로 수리 모형실험의 조건과 동일하게 채택하여 수치모의를 수행하였다(김정수 등 2009).
  • 김정수 등(2008)은 수리모형 실험을 실시하여 원형 중간 맨홀에서 단차변화에 따른 손실계수를 산정하였으나, 수리모형 실험 조건의 한계에 의하여 개략적인 결과를 도출하였다. 따라서 본 연구에서는 Fluent 6.3 모형을 이용하여 과부하 중간 단차 맨홀에서의 흐름특성을 수치모의하였으며, 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다.
  • 0 m로 구성하였으며, 단차 맨홀 및 접합관거의 격자망은 수치해석의 안정성을 확보하기 위하여 육면체 격자로 구성하였다(그림 7). 맨홀의 단차 조건은 하수도시설기준(환경부, 2005)의 적정 단차조건을 반영하여 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 cm의 7가지 조건을 선정하였다. 또한, 유입관거의 유속 조건은 상·하류 관거의 과부하 상태를 유지하기 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)에 제시된 우수관거에서의 최대 유속(3.
  • 여기서, ∆h는 맨홀 입·출구부의 수두차, K는 맨홀내부의 손실계수, V는 관거 평균유속이다. 본 연구에서는 수치해석 결과에서 구한 ∆h를 적용하여 손실계수를 산정하였으며, 그림 8은 단차 변화에 따른 맨홀 내 수심 및 산정 손실계수의 변화이다.
  • 3 모형을 이용하여 과부하 사각형 합류맨홀에서의 흐름특성을 모의하고 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 또한 산정된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교 및 검정하였으며, 연결관거 크기 변화에 따른 합류맨홀의 크기를 선정하는 합리적인 선정을 위하여 동일한 수치모의 해석 조건을 실제 크기 합류맨홀에 적용하여 합류맨홀의 규모 변화와 중간맨홀의 단차 조건에 따른 손실계수를 산정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

  • 합류맨홀에서의 손실계수 산정에 대한 FLUENT 모형의 적용성을 분석하기 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)상의 특 1호 맨홀(0.9 m×0.9 m)과 0.3 m의 유입 및 유출관을 1/5로 축소 제작한 수리 실험 모형의 크기와 동일하게 폭 0.18 m, 길이 0.18 m로 구성하였고, 연결관의 직경은 0.06 m, 직선 유입관과 측면 유입관의 길이는 1.5 m, 유출관의 길이는 4.0 m로 구성하였다.
  • 합류맨홀의 크기 변화에 따른 손실계수 변화를 산정하기 위하여 연결관의 직경은 0.3 m, 직선 유입관과 측면 유입관의 길이는 7.5 m, 유출관의 길이는 20 m로 구성하였으며, 연결관 직경(d)에 따른 맨홀의 폭(B)의 변화에 따라 합류맨홀의 크기를 표 4와 같이 구성하였다.
  • 중간 단차 맨홀의 단차 변화에 따른 손실계수 변화를 수치 모의하기 위하여 연결관의 직경은 0.3 m, 직선 입관과 유출 관의 길이는 각각 10 m와 20 m로 구성하였다. 맨홀 모형의 크기는 실제 중간맨홀의 크기와 동일하게 폭 0.
  • 3 m, 직선 입관과 유출 관의 길이는 각각 10 m와 20 m로 구성하였다. 맨홀 모형의 크기는 실제 중간맨홀의 크기와 동일하게 폭 0.9 m, 길이 0.9 m 높이 2.0 m로 구성하였으며, 단차 맨홀 및 접합관거의 격자망은 수치해석의 안정성을 확보하기 위하여 육면체 격자로 구성하였다(그림 7). 맨홀의 단차 조건은 하수도시설기준(환경부, 2005)의 적정 단차조건을 반영하여 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30 cm의 7가지 조건을 선정하였다.

데이터처리

  • 3 모형을 이용하여 과부하 합류 맨홀에서의 흐름특성을 수치모의 하였으며, 맨홀 내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 계산된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교하였다. 또한 동일한 수치모의 해석 조건을 실제 크기의 합류맨홀에 적용하여 합류맨홀의 규모 변화 및 중간맨홀의 단차 변화에 따른 손실계수를 산정하였다.

이론/모형

  • 중간 단차 맨홀에서의 손실계수를 산정하기 위하여 Sangster 등(1958)이 제안한 맨홀 입·출구부에서 흐름의 연속방정식과 운동량 방정식으로부터 손실수두계수를 산정하는 식(11)을 이용하여 손실계수를 산정하였다.
  • 본 연구에서는 수리모형 실험의 물질적, 시간적 한계를 극복하고 과부하 맨홀에서의 손실계수를 산정하기 위하여 일반적으로 3차원 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 FLUENT 6.3 모형을 선택하였다. FLUENT 6.
  • FLUENT는 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)을 사용하는 비정렬격자 계산 프로그램으로 사면체, 육면체, 프리즘, 피라미드, 다면체 격자를 지원하여 아무리 복잡한 형상이라도 문제없이 모델링을 수행하며, 모든 분야에 적용이 가능하도록 다양한 수치해석 기법을 보유하고 있다. 동수역학적 문제를 풀기 위해 자유수면 해석은 다상 유체의 거동을 해석하는 방법인 VOF(Volume of Fluid)방법을 사용한다. 이는 셀 내에서의 유체를 단위 체적당 각각의 유체 체적으로 나타내는 체적분할 방정식(volume fraction equation)을 통해 계산된다(김영한 등(2003)).
  • 본 연구의 과부하 맨홀은 물과 공기가 존재하는 다상유동이 존재하고 관로 및 맨홀에서 상당한 난류 흐름이 발생한다. 따라서 과부하 맨홀에서의 유체 거동 특성 분석에 범용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램인 FLUENT 6.3 모형이 적합하다고 판단하고 모형을 선택하였다. 또한 FLUENT 6.
  • 그림 5는 수치모의 조건에 따른 합류맨홀의 격자망 구성을 나타내고 있다. 유입관거의 유속 조건은 하수도시설기준(환경부, 2005)에 제시된 우수관거에서의 이상 유속(1.0 m/sec)을 채택하고, 전 절의 수치모의 조건과 동일한 조건으로 수치모의를 수행하였다(김정수 등(2010b)).
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
도시지역 여름철의 집중호우로 어떤 문제가 발생하고 있는가? 도시 지역에서 해마다 반복되는 여름철의 집중호우로 인한 홍수재해 뿐만 아니라 국지적인 집중호우로 인한 많은 피해가 발생하고 있다. 국지적인 집중호우는 하천 연안이나 유출량이 급격하게 증가하는 저지대와 하수관거의 불량 및 용량 부족지역을 중심으로 침수피해를 상습적으로 발생시키고 있다.
어떤 현상이 여러 개의 맨홀을 가지는 우수 관거 시스템에서 중요한 사항이 되는가? 우수 관거 시스템에서 유입유량이 관거의 만관 상태를 초과하거나 하류 흐름 때문에 발생하는 역류의 영향을 받는다면, 관거 시설은 과부하(surcharge) 상태인 압력흐름이 된다. 중력흐름 상태에서 맨홀의 수두 손실은 일반적으로 무시되지만, 과부하 맨홀에서의 수두 손실은 중요하며, 우수 관거 시스템의 전체 손실에 상당한 부분을 차지하게 된다. 이러한 현상은 여러 개의 맨홀을 가지는 우수 관거 시스템에서 특히 중요한 사항이 된다.
국지적인 집중호우로 인해 어느 지역 중심으로 피해가 발생되는가? 도시 지역에서 해마다 반복되는 여름철의 집중호우로 인한 홍수재해 뿐만 아니라 국지적인 집중호우로 인한 많은 피해가 발생하고 있다. 국지적인 집중호우는 하천 연안이나 유출량이 급격하게 증가하는 저지대와 하수관거의 불량 및 용량 부족지역을 중심으로 침수피해를 상습적으로 발생시키고 있다. 도시 지역에서의 빗물은 도로 배수시설 및 우수 관거 시설에 의하여 배수된다.
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참고문헌 (14)

  1. 김영한, 오정선, 서일원 (2003) 수치모형을 이용한 댐 상류 및 여수로 수리현상 해석, 한국수자원학회 논문집, 제36권, 제5호, pp. 761-776. 

  2. 김정수, 송주일, 장석진, 윤세의 (2008) 과부하 원형맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 실험적 연구, 한국수자원학회 논문집, 제41권, 제3호, pp. 305-314. 

  3. 김정수, 김형민, 윤세의, 이종태 (2009) 합류맨홀에서 FLUENT 모형의 적용성분석, 대한토목학회 학술발표회 논문집, pp. 2651-2654. 

  4. 김정수, 최현수, 윤세의 (2010a) 과부하 합류맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 실험적 연구, 한국수자원학회 논문집, 제43권, 제5호, pp. 445-453. 

  5. 김정수, 최현수, 김형민, 윤세의 (2010b) FLUENT 모형을 이용한 합류 맨홀에서의 흐름특성 분석, 한국수자원학회 학술발표회 논문집, pp. 649-653. 

  6. 환경부(2005) 하수도시설기준. 

  7. Chanwit, S. and Ian, G. (2005) Simulation of Energy Loss due to Changes in Pipe Direction Across a Manhole. 10th National Convention on Civil Engineering, Thailand, 2. pp. 5-9. 

  8. Fluent Inc. (2005) Fluent 6.3 User's Guide. Fluent Inc 

  9. Johnston, A.J. and Volker, R.E. (1990) Head Losses at Junction Boxes. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 116, No. 3, pp. 326-341. 

  10. Marsalek, J. (1984) Head Losses at Sewer Junction Manholes. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 110, No. 8, pp. 1150-1154. 

  11. Pedersen, B. F. and Mark, O. (1990) Head Losses in Storm Sewer Manholes : Submerged Jet Theory. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 116, No. 11, pp. 1317-1328. 

  12. Rodi, W. (1993) Turbulence Models and Their Application in Hydraulics, Balkema, Rotterdam, Netherlands. 

  13. Sangster, W. M., Wood, H. W., Smerden, E. T. and Bossy, H. G. (1958) Pressure Changes at Storm Drain Junctions. Engineering Experiment Station, University of Missouri, Columbia, Bull. No. 41. 

  14. Zhao, C. H., Zhu, D. Z., and Rajarattnam, N. (2006) Experimental Study of Surcharged Flow at Combining Sewer Junction. Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 132, No. 12, pp. 1259-1271. 

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