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문제 정의
- 현재 수직갱을 포함하는 수평관 실험 장치를 제작하고 압력 센서와 영상기법을 이용하여 관내의 공기거동 및 수직갱에서의 압축공기의 부상 및 분출현상에 대한 연구가 진행 중에 있다<그림 7>. 또한 이상류 거동 모형실험과 이를 수치모의기법에 적용하여 터널 계통 내부에서의 유동특성 평가를 통한 공기거동 제어 최적안을 도출하고 터널 내 흐름안정화를 통한 수리성능 개선기법을 개발하고자 한다.
- 이러한 터널 내 이상류는 극히 제한적인 경우를 제외하면 지배방정식을 기반으로 한 수학적 해석으로는 복잡한 3차원 거동특성과 관련된 변수들의 정량화가 불가능하므로, 이상류 거동의 3차원적 거동특성에 대한 정확한 해석 및 규명을 위해 이론적 해석과 더불어 다 차원 수치모형을 이용한 모델링 및 실험적 연구가 병행되어야 한다. 본 연구는 지표수와 함께 유입되는 공기로 인해 대심도 터널 내부에서 발생하는 물-공기 이상류 거동특성을 파악하고 효과적인 공기 유동 제어기법을 개발함으로써 대심도 터널의 수리성능을 개선하는데 목적이 있다.
- 본 연구에서는 터널 내 이상류 거동 메커니즘을 파악하기 위한 수리실험을 실시하였다. 유량과 공기 혼입률에 따른 다양한 형태의 이상류를 구현할 수 있는 실험 장치를 개발·구축하였으며, PTV(Particle Tracking Velocimetry) 및 전기전도 계를 이용한 계측기법을 적용하여 터널 내 이상류의 시·공간적 거동특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 물리적, 기술적 기반을 수립하고자 하였다.
제안 방법
- 유량공급시설은 원활한 유량공급을 위해 병렬로 연결된 2개의 수조(400 L)와 펌프(WILO PSV-1080B, 1750 rpm)를 사용하였다. 공기압축기(Air compressor)를 이용해 실험장치 내 공기를 주입하였으며, 공급되는 물과 공기 유량을 측정하기 위한 2대의 전자유량계(KTM-800, Kometer; M2100VA, Line Tech)를 설치하였다. 관을 통과하는 물과 공기의 유량은 조절장치 및 우회관을 통해 제어하였다.
- <그림 4>는 흐름 조건에 따른 수평관 내 유속분포 결과를 나타낸 것이다. 관 중심을 기준으로 상부(upper)와 하부(lower)로 구분하고, 대수법칙(log-law)과 지수법칙(power-law)을 기준으로 유량(Water Flux, WF) 및 공기량(Air Flux, AF)조건에 따른 유속분포 측정결과와 비교하여 도시하였다. 가로축은 관 중심에서의 기포속도(uc)로 무차원화한 각 지점에서의 기포속도(uc)이며, 세로축은 관의 반지름(R)으로 무차원화한 관 중심으로부터의 거리(r)이다.
- 물과 공기의 공급유량을 변화시키면서 각 흐름 조건에서의 PTV를 통해 유속분포를 파악하고, 관내 위치별 전기전도도를 측정하여 그 결과를 통해 흐름특성을 밝혀내었다. 기포가 통과하는 시간을 산정하고, 통과시간과 지점별 유속을 통해 기포의 크기에 상응하는 통과거리를 산정하였다. 통과거리와 발생빈도를 통해 각 실험조건별 흐름에 대표하는 공기유동을 기포길이규모를 기준으로 기포, 플러그, 확장기포로 분류하여 흐름양상을 파악하였다.
- 투명아크릴로 제작한 사각형 상자(chamber)를 관에 부착하고 물을 채워서 촬영영상의 왜곡을 최소화하였다. 기포측정 구간에는 전기전도계의 일종인 이상흐름측정기(KANOMAX two-phase flow signal processor system 7931)를 특별히 제작한 수동 이송장치에 장착하여 탐침의 미세한 이동 및 정확한 위치조정이 가능하도록 하였다, 이상흐름측정기를 통해 얻어지는 전기신호는 신호증폭기 및 A/D변환기를 거쳐 디지털자료로 컴퓨터에 저장하였다. 기포측정시스템의 최대 시간분해능은 1/1000초이다.
- 물과 공기의 공급유량을 변화시키면서 각 흐름 조건에서의 PTV를 통해 유속분포를 파악하고, 관내 위치별 전기전도도를 측정하여 그 결과를 통해 흐름특성을 밝혀내었다. 기포가 통과하는 시간을 산정하고, 통과시간과 지점별 유속을 통해 기포의 크기에 상응하는 통과거리를 산정하였다.
- <그림 5>는 흐름 조건별 관 상부에서 기포의 통과길이(passing length)에 따른 측정 빈도수 및 흐름 분류를 나타낸 것이다. 여기서 통과길이는 흐름 내 기포가 탐침을 통과하는데 소요되는 통과 시간(passing time)과 앞선 PTV실험을 통해 산정된 관 내 지점별 측정유속결과를 이용해 산정하였으며, 통과시간은 30초 동안 1,000Hz로 측정된 전기전도도 측정값에서 기포가 연속적으로 나타나는 발생횟수(occurrence)를 통해 산정하였다. <그림 6>은 특정 공기량 조건(AF 45 l/min)에서 WF 변화에 따른 흐름양상을 보여주고 있다.
- 유량과 공기 혼입률에 따른 다양한 형태의 이상류를 구현할 수 있는 실험 장치를 개발·구축하였으며, PTV(Particle Tracking Velocimetry) 및 전기전도 계를 이용한 계측기법을 적용하여 터널 내 이상류의 시·공간적 거동특성을 정밀하게 관찰할 수 있는 물리적, 기술적 기반을 수립하고자 하였다.
- 이상류 흐름에 대한 특성 파악을 위해 전기전도 계를 이용해 관 상부의 연직위치별 기포의 이동을 측정하고, 기포통과길이에 따른 흐름을 분류하였다. <그림 5>는 흐름 조건별 관 상부에서 기포의 통과길이(passing length)에 따른 측정 빈도수 및 흐름 분류를 나타낸 것이다.
- 전체 실험조건에 대하여 측정지점별 AF-WF비에 따른 기포, 플러그, 확장기포의 기포분율(30초의 측정시간 중 각 종류의 공기유동이 점유한 시간비율, Void Fraction-VF)을 산정하고, 흐름분류에 따른 각 지점별 최대 기포분율을 기준으로 범위를 구분하였다. 특정지점에서의 기포분율은 총 측정시간(Ttotal)에 대한 기포통과시간 (Tair)으로 산정한다.
- 기포가 통과하는 시간을 산정하고, 통과시간과 지점별 유속을 통해 기포의 크기에 상응하는 통과거리를 산정하였다. 통과거리와 발생빈도를 통해 각 실험조건별 흐름에 대표하는 공기유동을 기포길이규모를 기준으로 기포, 플러그, 확장기포로 분류하여 흐름양상을 파악하였다. 실험결과 분석을 통해 공기와 물의 유량비에 따라 기포, 플러그, 확장공기의 발생양상이 달라짐을 확인할 수 있었다.
- 8G)를 사용하여 영상을 촬영하였다. 투명아크릴로 제작한 사각형 상자(chamber)를 관에 부착하고 물을 채워서 촬영영상의 왜곡을 최소화하였다. 기포측정 구간에는 전기전도계의 일종인 이상흐름측정기(KANOMAX two-phase flow signal processor system 7931)를 특별히 제작한 수동 이송장치에 장착하여 탐침의 미세한 이동 및 정확한 위치조정이 가능하도록 하였다, 이상흐름측정기를 통해 얻어지는 전기신호는 신호증폭기 및 A/D변환기를 거쳐 디지털자료로 컴퓨터에 저장하였다.
대상 데이터
- 관을 통과하는 물과 공기의 유량은 조절장치 및 우회관을 통해 제어하였다. 가시화구간에는 DSLR카메라(Nikon D3300, 60fps)와 Micro Lens(NIKKOR 60mm f2.8G)를 사용하여 영상을 촬영하였다. 투명아크릴로 제작한 사각형 상자(chamber)를 관에 부착하고 물을 채워서 촬영영상의 왜곡을 최소화하였다.
- 실험 장치는 길이가 약 7 m이며 PVC와 투명 아크릴 재질의 내경 100 ㎜ 원형관을 사용하였다. 유량공급시설과 영상촬영을 위한 가시화구간 및 이상흐름측정기(two-phase flow meter)를 이용한 기포측정구간으로 구분되며, 전체 실험장치 구성과 제원은 <그림 3>과 같다.
- 유량공급시설과 영상촬영을 위한 가시화구간 및 이상흐름측정기(two-phase flow meter)를 이용한 기포측정구간으로 구분되며, 전체 실험장치 구성과 제원은 <그림 3>과 같다. 유량공급시설은 원활한 유량공급을 위해 병렬로 연결된 2개의 수조(400 L)와 펌프(WILO PSV-1080B, 1750 rpm)를 사용하였다. 공기압축기(Air compressor)를 이용해 실험장치 내 공기를 주입하였으며, 공급되는 물과 공기 유량을 측정하기 위한 2대의 전자유량계(KTM-800, Kometer; M2100VA, Line Tech)를 설치하였다.
성능/효과
- <그림 6>은 특정 공기량 조건(AF 45 l/min)에서 WF 변화에 따른 흐름양상을 보여주고 있다. WF가 증가함에 따라 공기유동 길이규모가 작아져 확장기포, 플러그, 기포가 같이 발생하는 흐름에서 점차 기포가 주를 이루는 양상으로 변화함을 확인할 수 있다. 공기유동의 공간적 분포 또한 WF가 증가함에 따라 점차 관 단면 전체로 확대되어 분무흐름으로 바뀌는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 흐름 양상의 변화는 <그림 5>를 통해 파악된 결과와 일치하고 있다.
- 특정 조건들에서 일부 다른 경향을 보이지만, 전반적으로 AF-WF의 비에 따라 확장기포, 플러그, 기포 발생을 구분하는 정량적 기준을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 각 흐름조건에서 기포, 플러그, 확장기포의 발생시간기준 점유율을 통해 AF-WF비가 증가함에 따라 기포 위주의 흐름에서 플러그가 공존하다가, 공기량이 많아지면서 기포와 플러그의 비율이 미미하거나 사라지고 확장기포 또는 이층류 흐름이 주가 되는 흐름발생의 정량적 기준이 존재하는 것으로 확인할 수 있다. 본 연구 결과 AF-WF비가 0.
- 실험결과 분석을 통해 공기와 물의 유량비에 따라 기포, 플러그, 확장공기의 발생양상이 달라짐을 확인할 수 있었다. 또한 물과 공기의 유량 또는 흐름율 비에 따라 흐름 내 공기유동양상을 구분할 수 있는 정량적 기준을 도출할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 수행된 제한적 흐름 조건을 포괄하는 다양한 조건에서의 실험을 통해 물-공기 이상류의 흐름양상을 구분할 수 있는 정량적 기준을 제안할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 각 흐름조건에서 기포, 플러그, 확장기포의 발생시간기준 점유율을 통해 AF-WF비가 증가함에 따라 기포 위주의 흐름에서 플러그가 공존하다가, 공기량이 많아지면서 기포와 플러그의 비율이 미미하거나 사라지고 확장기포 또는 이층류 흐름이 주가 되는 흐름발생의 정량적 기준이 존재하는 것으로 확인할 수 있다. 본 연구 결과 AF-WF비가 0.05보다 큰 경우 확장기포 또는 이층류가 주를 이루는 흐름조건이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 공기유동의 공간적 분포 또한 WF가 증가함에 따라 점차 관 단면 전체로 확대되어 분무흐름으로 바뀌는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 흐름 양상의 변화는 <그림 5>를 통해 파악된 결과와 일치하고 있다. 분무흐름은 수체의 흐름율이 크고 유속이 빠르며 상대적으로 크기가 작은 기포가 흐름 내에 넓게 분포하는 특성을 가지는데, 제시된 순간영상을 통해 관내에 넓게 분포한 기포들을 시각적으로 충분히 확인할 수 있다. 실험조건에 따라 흐름에 분포하는 기포의 크기분포와 각 기포 크기별 발생빈도를 통해, 흐름의 지배하는 주요한 기포의 규모와 그를 통한 공기유동의 양상을 가늠할 수 있다.
- 통과거리와 발생빈도를 통해 각 실험조건별 흐름에 대표하는 공기유동을 기포길이규모를 기준으로 기포, 플러그, 확장기포로 분류하여 흐름양상을 파악하였다. 실험결과 분석을 통해 공기와 물의 유량비에 따라 기포, 플러그, 확장공기의 발생양상이 달라짐을 확인할 수 있었다. 또한 물과 공기의 유량 또는 흐름율 비에 따라 흐름 내 공기유동양상을 구분할 수 있는 정량적 기준을 도출할 수 있음을 확인하였다.
- 이러한 분포는 기포가 부력에 의해 관 상부에 주로 존재하기 때문으로 판단된다. 실험결과 일반적인 관내의 유속분포와 같이 관 중심을 기준으로 대칭형태가 아닌 비대칭적인 유속분포를 나타낸다. 이는 수평관 내의 흐름이 단일유체(water)가 아닌 물과 공기의 상호작용으로 인한 이상류 흐름의 영향인 것으로 판단된다.
- 특정지점에서의 기포분율은 총 측정시간(Ttotal)에 대한 기포통과시간 (Tair)으로 산정한다. 특정 조건들에서 일부 다른 경향을 보이지만, 전반적으로 AF-WF의 비에 따라 확장기포, 플러그, 기포 발생을 구분하는 정량적 기준을 찾을 수 있을 것으로 판단된다. 또한 각 흐름조건에서 기포, 플러그, 확장기포의 발생시간기준 점유율을 통해 AF-WF비가 증가함에 따라 기포 위주의 흐름에서 플러그가 공존하다가, 공기량이 많아지면서 기포와 플러그의 비율이 미미하거나 사라지고 확장기포 또는 이층류 흐름이 주가 되는 흐름발생의 정량적 기준이 존재하는 것으로 확인할 수 있다.
후속연구
- 또한 물과 공기의 유량 또는 흐름율 비에 따라 흐름 내 공기유동양상을 구분할 수 있는 정량적 기준을 도출할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 수행된 제한적 흐름 조건을 포괄하는 다양한 조건에서의 실험을 통해 물-공기 이상류의 흐름양상을 구분할 수 있는 정량적 기준을 제안할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해 대심도 터널과 기타 물-공기 이상류가 발생하는 다양한 관로시스템에서의 공기제어와 수리성능개선 등을 위한 실용적 기준을 제시할 수 있을 것이다.
- 한편, 빠른 응답속도의 측정 장치 활용과 고속촬영영상을 분석하는 기법의 적용을 통해 미소기포의 거동을 측정함으로써 측정 및 분석결과 신뢰도를 제고할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 활용하여 대심도터널로 들어오는 지표수와 함께 유입되는 공기로 인해 터널의 흐름이 저하되는 것을 방지하기 위한 기술 기준을 제시 가능할 것이며, 터널 치수를 국부적으로 축소 또는 확대하여 AF/WF를 변경할 수 있다면 흐름 패턴을 제어 할 수 있을 것으로 예상 된다(예를 들어, 플러그 흐름이 미세 기포 흐름으로 바뀌면 분출현상과 같이 순간적이고 폭발적인 공기 방출로 인한 손상을 방지 가능).
- 본 연구에서 수행된 제한적 흐름 조건을 포괄하는 다양한 조건에서의 실험을 통해 물-공기 이상류의 흐름양상을 구분할 수 있는 정량적 기준을 제안할 수 있을 것으로 판단된다. 이를 통해 대심도 터널과 기타 물-공기 이상류가 발생하는 다양한 관로시스템에서의 공기제어와 수리성능개선 등을 위한 실용적 기준을 제시할 수 있을 것이다. 한편, 빠른 응답속도의 측정 장치 활용과 고속촬영영상을 분석하는 기법의 적용을 통해 미소기포의 거동을 측정함으로써 측정 및 분석결과 신뢰도를 제고할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이를 통해 대심도 터널과 기타 물-공기 이상류가 발생하는 다양한 관로시스템에서의 공기제어와 수리성능개선 등을 위한 실용적 기준을 제시할 수 있을 것이다. 한편, 빠른 응답속도의 측정 장치 활용과 고속촬영영상을 분석하는 기법의 적용을 통해 미소기포의 거동을 측정함으로써 측정 및 분석결과 신뢰도를 제고할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구의 결과를 활용하여 대심도터널로 들어오는 지표수와 함께 유입되는 공기로 인해 터널의 흐름이 저하되는 것을 방지하기 위한 기술 기준을 제시 가능할 것이며, 터널 치수를 국부적으로 축소 또는 확대하여 AF/WF를 변경할 수 있다면 흐름 패턴을 제어 할 수 있을 것으로 예상 된다(예를 들어, 플러그 흐름이 미세 기포 흐름으로 바뀌면 분출현상과 같이 순간적이고 폭발적인 공기 방출로 인한 손상을 방지 가능).
- 향후 연구에서는 유입부와 수직갱(drop shaft)을 포함하는 터널계통에서의 공기거동 현상에 대한 모형실험을 통해 유입수에 의한 터널 내부 잔류공기 포획 및 압축과정과 수직갱을 통한 압축공기의 부상 및 분출현상(geysering)을 구명하고자 한다. 현재 수직갱을 포함하는 수평관 실험 장치를 제작하고 압력 센서와 영상기법을 이용하여 관내의 공기거동 및 수직갱에서의 압축공기의 부상 및 분출현상에 대한 연구가 진행 중에 있다<그림 7>.
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