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문제 정의
- 최근 집중호우 및 기후변화로 인하여 국내에선 드물게 발생하던 Geysering현상이 점차 발생하는 빈도가 늘어가고 있으며, 이에 대한 연구가 필요한 실정 이다. 본 연구는 지표수와 함께 유입되는 공기로 인해 대심도터널 내부에서 발생하는 물-공기 이상류 거동특성을 파악하고 효과적인 공기 유동 제어기법을 개발함으로써 대심도터널의 수리성능을 개선하는데 목적이 있다.
- 본 연구에서는 지표수와 함께 유입되는 공기로 인해 대심도터널 내부에서 발생하는 물-공기 이상류 거동특성을 구명하기위해 물과 공기의 공급 유량을 변화시키면서 각 흐름조건에서의 PTV를 통해 유속분포를 파악하고, 관 내 위치별 전기전 도도를 측정하여 그 결과를 통해 흐름특성을 밝혀 내었다. 기포 통과거리와 발생빈도를 통해 각 실험조건별 흐름에 대표하는 공기유동을 기포길이 규모를 기준으로 기포, 플러그, 확장기포로 분류 하여 흐름양상을 파악하고, 공기와 물의 유량비에 따라 기포, 플러그, 확장공기의 발생양상이 달라 짐을 확인할 수 있었다.
- 유량과 공기혼입률에 따른 다양한 형태의 이상류를 구현할 수 있는 실험 장치를 구축하였으며, PTV (Particle Tracking Velocimetry) 및 전기전도계를 이용한 계측기법을 적용하여 터널 내 이상류의 시·공간적 거동특 성을 정밀하게 관찰할 수 있는 물리적, 기술적 기반을 수립하고자 하였다.
- 유입부와 수직관(drop shaft)을 포함하는 터널 계통에서의 공기거동 현상에 대한 모형실험을 통해 유입수에 의한 터널 내부 잔류공기 포획 및 압축과정과 수직관을 통한 압축공기의 부상 및 분출 현상(geysering) 구명하기 위한 실험을 실시하였 다. 4가지 초기 잔류공기비율 조건에서 전체적으로 최대 압력은 유입 초기에 발생하고 그 때의 최대 압력은 초기 잔류공기비율이 감소함에 따라 증가하는 것으로 나타났으며, 관 내 초기 잔류공기 비율이 감소함에 따라 수평관의 최대 압력이 증가하였으나, 반대로 수직관의 최고 압력은 감소하는 것으로 나타났다.
- 이상흐름은 유체의 물리적 특성, 유로형상 등의 다양한 요인들에 의해 특성이 달라지고 기체와 액체 간의 상호작용으로 인한 경계면에서의 형상 변화 및 전달 현상이 매우 복잡한 특징을 가지므로, 이를 고려한 터널 내 통수능 및 공기유동에 대한 구명이 요구되는 바이다. 대심도터널을 홍수방어 용으로 활용하는 경우 짧은 시간에 많은 양의 지표수가 터널 내부로 유입함에 따라 배출되지 못한 공기가 압축되며, 압축된 공기가 유입부 혹은 공기배출구를 통해 물과 함께 분출되는 Geysering 현상이 발생하게 된다.
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