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문제 정의
- 본 연구에서는 나선식 유입구와 접선식 유입구, 저유량에서도 와류 흐름을 유도할 수 있도록 새롭게 제안한 다단식 유입구 형상에 대해 유입유량에 따른 유입구의 수리학적 특성을 분석하고자 아크릴을 사용하여 유입부와 각 유입구 형상, 수직갱 부분을 제작하여 실험장치를 구성하였다. 유량공급을 위해 저수조와 수중펌프를 설치하였으며, 공급된 유량은 수직갱을 통해 다시 저수조로 유입되는 순환식 구조를 가지고 있다(Fig.
- 본 연구에서는 나선식 유입구와 접선식 유입구의 수리학적 특성을 검토한 후, 고유량 유입조건에서 유입효율이 좋은 접선식 유입구의 저유량 유입효율을 개선하기 위해 유입구 바닥면 경사가 3단으로 이루어진 다단식 유입구를 새롭게 제안하였다. 새로운 유입구 형상인 다단식 유입구의 수리학적 특성을 분석한 결과,저유량 조건에서 낙차부의 정체현상으로 인한 수위 상승 현상이 나타나지 않고 원활한 유출 흐름이 유지되는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 4). 각 모형에 대해 유입유량과 바닥경사, 유도 벽 각도의 변화에 따른 유입구에서의 수리학적 특성을 분석하기 위해 유입구 내 수위를 측정하였다.
- 나선식 유입구는 바닥경사가 다른 4개의 모형을 제작하였으며, 각 모형은 유도벽 각도에 변화를 줄 수 있도록 설계되었다. 접선식 유입구는 바닥면이 하나의종경사만을 가지는 1개의 모형을 제작하였으며, 다단식 유입구는 접선식 유입구과 동일하게 바닥 경사부에서 유입부 폭이 점차 좁아지며 수직갱 내 와류 흐름을 유도하는 형상을 가지고 있지만, 바닥 경사부에 각 단의 경사가 다른 3단의 계단식 바닥을 도입하여 저유량에서도 가장 낮은 단으로 와류 흐름이 유도될 수 있도록 설계하였다.
- 나선식 유입구는 앞 절에서 언급한 바와 같이 바닥 경사가 다른 4개의 모형에 각각 유도벽을 설치하여 바닥경사와 유입유량, 유도벽 각도 변화에 따른 유입구의 수위 변화를 측정하였으며, 접선식 유입구는 바닥 경사가 일정한 1개의 모형에 대해 유입유량 변화에 따른 유입구 수위 변화를 측정하였다. 다단식 유입구는 3개의 경사로 구성된 3단의 계단식 바닥면에 대해 유입유량 변화에 따른 유입구 수위 변화를 측정하였으며, 각 형상별 유입유량에 따른 수위 변화와 낙차부 최대 수위를 비교해 유입구 형상 변화에 따른 수리학적 특성 변화를 분석하였다.
- 나선식 유입구는 앞 절에서 언급한 바와 같이 바닥 경사가 다른 4개의 모형에 각각 유도벽을 설치하여 바닥경사와 유입유량, 유도벽 각도 변화에 따른 유입구의 수위 변화를 측정하였으며, 접선식 유입구는 바닥 경사가 일정한 1개의 모형에 대해 유입유량 변화에 따른 유입구 수위 변화를 측정하였다. 다단식 유입구는 3개의 경사로 구성된 3단의 계단식 바닥면에 대해 유입유량 변화에 따른 유입구 수위 변화를 측정하였으며, 각 형상별 유입유량에 따른 수위 변화와 낙차부 최대 수위를 비교해 유입구 형상 변화에 따른 수리학적 특성 변화를 분석하였다. 각 유입구 형상에 따른 실험조건은 Table 1에 나타내었으며, 각 유입구 형상별 수위측정 지점은 Fig.
- 본 연구에서는 유입유량에 변화를 주어 나선식 유입구에서 바닥경사와 안내벽 각도 변화에 따른 유입구의 수리학적 특성과 접선식 유입구의 수리학적 특성을 검토한 후, 저유량에서도 안정적인 와류 흐름이 형성될 수 있도록 기존의 단단면인 형태인 접선식 유입구 바닥을 복단면으로 변경하여 새로운 형상의 다단식 유입구를 제안하였다. 새롭게 제안된 복단면 형상의 다단식 유입구의 수리학적 특성을 분석하고 나선식 유입구와 접선식 유입구와 비교하여 유입구 형상에 따른 수리학적 성능을 검토하였다.
- 본 연구에서는 유입유량에 변화를 주어 나선식 유입구에서 바닥경사와 안내벽 각도 변화에 따른 유입구의 수리학적 특성과 접선식 유입구의 수리학적 특성을 검토한 후, 저유량에서도 안정적인 와류 흐름이 형성될 수 있도록 기존의 단단면인 형태인 접선식 유입구 바닥을 복단면으로 변경하여 새로운 형상의 다단식 유입구를 제안하였다. 새롭게 제안된 복단면 형상의 다단식 유입구의 수리학적 특성을 분석하고 나선식 유입구와 접선식 유입구와 비교하여 유입구 형상에 따른 수리학적 성능을 검토하였다.
- 나선식 유입구와 접선식 유입구, 다단식 유입구의 유입구 수위 변화를 분석한 결과, 일반적으로 낙차부에서 정체현상으로 인한 수위 상승 현상이 발생하였다. 유입구 수위와 낙차부 수위 상승 폭을 비교하여 유입구 형상에 따른 유입효율을 확인하고 비교할 수 있지만, 보다 정량적으로 유입효율 성능 차이를 분석하기 위해 각 유입구 형상 별 유입유량과 수위 관계를 무차원변수를도입하여 검토하였다. 유입유량 q는 Hager가 수직갱 유입구에 대해 제시한 무차원변수 q를 도입하였으며, 수위 y는 최초 유입 수위(h0)와 낙차부 최대 상승 수위 (hM)를 사용하여 다음과 같이 무차원화하였다4).
- 유입구 수위와 낙차부 수위 상승 폭을 비교하여 유입구 형상에 따른 유입효율을 확인하고 비교할 수 있지만, 보다 정량적으로 유입효율 성능 차이를 분석하기 위해 각 유입구 형상 별 유입유량과 수위 관계를 무차원변수를도입하여 검토하였다. 유입유량 q는 Hager가 수직갱 유입구에 대해 제시한 무차원변수 q를 도입하였으며, 수위 y는 최초 유입 수위(h0)와 낙차부 최대 상승 수위 (hM)를 사용하여 다음과 같이 무차원화하였다4).
- 나선식 유입구는 바닥경사가 다른 4개의 모형을 제작하였으며, 각 모형은 유도벽 각도에 변화를 줄 수 있도록 설계되었다. 접선식 유입구는 바닥면이 하나의종경사만을 가지는 1개의 모형을 제작하였으며, 다단식 유입구는 접선식 유입구과 동일하게 바닥 경사부에서 유입부 폭이 점차 좁아지며 수직갱 내 와류 흐름을 유도하는 형상을 가지고 있지만, 바닥 경사부에 각 단의 경사가 다른 3단의 계단식 바닥을 도입하여 저유량에서도 가장 낮은 단으로 와류 흐름이 유도될 수 있도록 설계하였다. 각 단은 흐름 방향 우안에서부터 첫 번째 단이 접선식 유입구와 동일한 27.
성능/효과
- 9에 각 유입구 형상에 따른 무차원변수 유입유량과 수위에 대한 관계를 도시하였다. 나선식 유입구의 경우, 접선식 유입구와 다단식 유입구에 비해 유입구 바닥경사와 안내벽 각도에 따라 최초 유입 수위 대비 최대 상승 수위 변화가 크게 없는 것으로 확인되었다. 접선식 유입구와 다단식 유입구의 경우에는 최초유입 수위 대비 최대 상승 수위가 오히려 더 낮게 나타나 유입효율이 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
- 새로운 유입구 형상인 다단식 유입구의 수리학적 특성을 분석한 결과,저유량 조건에서 낙차부의 정체현상으로 인한 수위 상승 현상이 나타나지 않고 원활한 유출 흐름이 유지되는 것을 확인하였다. 다단식 바닥면으로 인한 통수가능 면적의 증가로 저유량 조건에서의 유입효율을 개선함과 동시에 고유량 조건에서도 나선식 유입구와 접선식 유입구에 비해 유입구의 수위가 현저하게 저감되어 기존 유입구 형상 대비 유입효율이 크게 증가한 것을 알 수 있다. 본 연구에서 새롭게 제안된 다단식 유입구의 경우, 저유량과 고유량 조건에서 모두 적용 가능한 고효율 유입구 형상으로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.
- 접선식 유입구와 다단식 유입구의 경우에는 최초유입 수위 대비 최대 상승 수위가 오히려 더 낮게 나타나 유입효율이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. 또한접선식 유입구의 저유량 조건에서 나타나는 유입구 정체현상을 해결하기 위해 새로 도입된 다단식 유입구의 유입효율 분석 결과, 유입구 수위가 급격하게 낮아지며 가장 높은 유입효율을 나타냈다.
- 바닥경사와 안내벽 각도 변화에 따른 나선식 유입구의 유입구 수리학적 특성 분석 결과, 바닥 경사가 5%에서 10%로 증가함에 따라 안내벽 각도가 210° 이하일 경우에는 유입효율이 감소해 유입구 수위가 증가하고,안내벽 각도가 270°일 경우에는 유입효율이 증가해 유입구 수위가 감소하는 것으로 나타났다. 바닥경사가 12.5%일 경우에는 모든 조건에 대해 유입효율이 크게 감소하여 유입구 수위가 증가하는 것으로 확인되었다. 안내벽이 설치됨에 따라 낙차부의 통수가능 면적이 감소하기 때문에 유입효율이 떨어지는 것으로 판단되며, 통수가능 면적이 가장 작아지는 270° 안내벽의 경우에는 바닥경사 증가에 따른 유입흐름의 가속화로 유입이 빨라지고 유입효율이 증가하는 것으로 판단된다.
- 바닥경사와 안내벽 각도 변화에 따른 나선식 유입구의 유입구 수리학적 특성 분석 결과, 바닥 경사가 5%에서 10%로 증가함에 따라 안내벽 각도가 210° 이하일 경우에는 유입효율이 감소해 유입구 수위가 증가하고,안내벽 각도가 270°일 경우에는 유입효율이 증가해 유입구 수위가 감소하는 것으로 나타났다.
- 본 연구에서는 나선식 유입구와 접선식 유입구의 수리학적 특성을 검토한 후, 고유량 유입조건에서 유입효율이 좋은 접선식 유입구의 저유량 유입효율을 개선하기 위해 유입구 바닥면 경사가 3단으로 이루어진 다단식 유입구를 새롭게 제안하였다. 새로운 유입구 형상인 다단식 유입구의 수리학적 특성을 분석한 결과,저유량 조건에서 낙차부의 정체현상으로 인한 수위 상승 현상이 나타나지 않고 원활한 유출 흐름이 유지되는 것을 확인하였다. 다단식 바닥면으로 인한 통수가능 면적의 증가로 저유량 조건에서의 유입효율을 개선함과 동시에 고유량 조건에서도 나선식 유입구와 접선식 유입구에 비해 유입구의 수위가 현저하게 저감되어 기존 유입구 형상 대비 유입효율이 크게 증가한 것을 알 수 있다.
- 안내벽 각도가 210°를 초과할 경우에도 낙차부의 통수가능 면적이 급격하게 줄어들어 유입효율이 크게 감소하였다.
- 안내벽이 설치됨에 따라 낙차부의 통수가능 면적이 감소하기 때문에 유입효율이 떨어지는 것으로 판단되며, 통수가능 면적이 가장 작아지는 270° 안내벽의 경우에는 바닥경사 증가에 따른 유입흐름의 가속화로 유입이 빨라지고 유입효율이 증가하는 것으로 판단된다.
- 유입구 형상에 따른 유입구의 수리학적 특성을 분석한 결과, 앞 절에서 언급한 바와 같이 나선식 유입구에서는 바닥경사가 10%를 초과할 경우 유입흐름이 과도하게 증가되어 낙차부에서 정체현상이 발생되며 유입구의 유입효율을 감소시키는 것으로 나타났다. 안내벽 각도가 210°를 초과할 경우에도 낙차부의 통수가능 면적이 급격하게 줄어들어 유입효율이 크게 감소하였다.
- 접선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 폭이 점차 좁아지는 유입구 형상으로 인해 정체현상이 쉽게 발생하고 수위가 크게 증가하여 유입효율이 급격하게 감소한다. 유입유량이 점차 증가할수록 안정된 유입흐름을 유지하며 낙차부에서 수위가 감소하며 유입효율이 증가하는 것으로 보아 접선식 유입구는 고유량의 지하유입시설에 적용하기 적합한 것을 판단된다.
- 저유량 유입조건에서 접선식 유입구의 유입효율을 개선하기 위해 새로운 형상의 다단식 유입구를 제안하였으며, 다단식 유입구의 수리학적 특성 분석 결과, 저유량 조건에서 낙차부 정체현상으로 인한 수위상승 현상은 나타나지 않았다. Fig.
- 6에 바닥경사와 안내벽 각도에 따른 유입구 내 수위 변화 경향을 보여줄 수 있는 대표적인 실험 조건을 선택하여 그래프로 나타내었으며, 바닥경사 10%에서 모든 안내벽 각도에 대해 가장 안정된 유입효율을 보여준다. 저유량의 유입조건에서는 안내벽 각도 변화에 따른 유입효율 변화가 없는 것으로 확인되었으며, 바닥경사가 증가할 경우 오히려 낙차부에서 정체현상이 발생하여 유입효율이 감소하는 것으로 나타났다. 고유량의 유입조건에서는 안내벽의 각도가 증가할수록 유입효율이 조금씩 감소하였지만 안내벽 각도 210°까지는 안정적인 유입 흐름을 유지하면서 안내벽 각도 270°에서 유입효율이 급격하게 감소하여 유입구 수위가 크게 상승하였다.
- 접선식 유입구의 수리학적 특성 분석 결과, 유입구의폭이 점차 좁아지며 통수면적이 감소하는 형상 특성으로 인해 유입유량이 증가할수록 낙차부에서 정체현상이 발생하고 수위가 상승하는 것을 볼 수 있다. Fig.
후속연구
- 다단식 바닥면으로 인한 통수가능 면적의 증가로 저유량 조건에서의 유입효율을 개선함과 동시에 고유량 조건에서도 나선식 유입구와 접선식 유입구에 비해 유입구의 수위가 현저하게 저감되어 기존 유입구 형상 대비 유입효율이 크게 증가한 것을 알 수 있다. 본 연구에서 새롭게 제안된 다단식 유입구의 경우, 저유량과 고유량 조건에서 모두 적용 가능한 고효율 유입구 형상으로 활용 될 수 있을 것으로 기대된다.
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