[논문]사이펀 여수로 공기혼입장치(air slot)의 방류량 조절 능력에 대한 실험 연구

정재상; 장은철; 이창훈

doi:10.12652/ksce.2019.39.6.0703

사이펀 여수로 공기혼입장치(air slot)의 방류량 조절 능력에 대한 실험 연구
Experimental Study for Capability of Air Slot in Siphon Spillway to Control Outflow Discharge 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.39 no.6, 2019년, pp.703 - 712

정재상 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 장은철 (한국농어촌공사 농어촌연구원) , 이창훈 (세종대학교 건설환경공학과)

초록
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본 연구에서는 수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에 장착된 공기혼입장치(air slot)의 방류량 조절 능력을 검토하였다. 공기혼입장치의 단면 형상으로 원호 및 직사각형 형상을 채택하였으며, 개구부 면적을 조절할 수 있게 하였다. 공기혼입장치가 장착된 경우 사이펀 관 내부에 공기와 물이 혼합된 복잡한 흐름이 발생하였다. 공기혼입장치가 장착된 사이펀 여수로에서 저수지 내측 수위가 상승할 때와 하강할 때 동일한 수위에서 동일한 유량이 계측되었다. 공기혼입장치의 무차원 개구부 면적이 증가할수록 일정한 수두차 및 저수지 수위 조건에서 무차원 방류량은 감소하였다. 수리모형실험 결과는 공기혼입장치의 면적 조절을 통해 사이펀을 통한 방류량 조절이 가능함을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, capability of an air slot in a siphon spillway for controlling outflow discharge is investigated through hydraulic experiments. Arc and rectangular shapes of air slot are considered and the open area of air slot can be varied. Complex air-regulated flow occurs inside of the siphon spillway when the air slot is installed on it. The same discharge is measured at the same water level inside the reservoir when the water level rises or falls. Nondimensional discharge through the siphon spillway decreases as nondimensional open area of the air slot increases when head differences and water levels of reservoir are constant. The hydraulic experiments show that the control of outflow discharge of siphon spillway is possible by controlling the open area of the air slot.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Example of the Air Vent and the Air Slot in a Siphon Spillway (Babaeyan-Koopaie et al., 2002)
그림 Fig. 2. Definition Sketch of the Model for Hydraulic Experiment
그림 Fig. 3. Siphon Spillways for Hydraulic Experiment
그림 Fig. 4. Shape of Conceptual Air Slots in Hydraulic Experiment
그림 Fig. 5. Shapes of Modelled Air Slots in Hydraulic Experiment
표 Table 1. Conditions of Open Area of Air Slots in Hydraulic Experiment
그림 Fig. 6. Nondimensional Discharge Through the Siphon Without Air Slot
그림 Fig. 7. Air-Regulated Flow Inside the Siphon
그림 Fig. 8. Nondimensional Discharge Through the Siphon with Arc Shaped Air Slot
그림 Fig. 9. Nondimensional Discharge Through the Siphon with Rectangular Shaped Air Slot
$Fig. 10. Variation of Nondimensional Discharge (Q/<TEX>$\left(\pi/4\sqrt[]{D^5g} \right)$</TEX>) Through Siphon with Both Nondimensional Water Level Difference and Air Slot Area$ 그림 Fig. 10. Variation of Nondimensional Discharge (Q/$\left(\pi/4\sqrt[]{D^5g} \right)$) Through Siphon with Both Nondimensional Water Level Difference and Air Slot Area
$Fig. 11. Nondimensional Discharge (Q/<TEX>$\left(\pi/4\sqrt[]{D^5g} \right)$</TEX>) Through Siphon as Varying Nondimensional area of Air Slot$ 그림 Fig. 11. Nondimensional Discharge (Q/$\left(\pi/4\sqrt[]{D^5g} \right)$) Through Siphon as Varying Nondimensional area of Air Slot

AI 본문요약
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문제 정의

하지만, 사이펀 멈춤장치나 공기혼입 장치의 개구부 면적 조절을 통해 사이펀의 방류량을 조절할 수 있다면, 저수지의 상·하류측 홍수를 동시에 제어할 수 있어 사이펀 여수로의 홍수조절능력은 더욱 효율적이 될 것이다. 따라서, 본 연구에서는 공기혼입장치(air slot)의 개구부 면적을 조절하여 방류 량을 조절하는 기법을 제시하였다. 수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에서 공기혼입장치의 개구부 면적 변화에 따른 방류량 변화를 검토하였다.
042) 이상이어야 함을 제시하였다. 따라서, 본 연구에서는 공기혼입장치에 의해 갑자기 사이펀이 중단되는 것을 막기 위해 공기혼입장치를 구성하는 각 개구부의 면적이 사이펀 관로 단면적의 1/24 이하가 되도록 하였다. 원호 형상의 공기혼입장치 개구부의 면적비는 0.
본 연구에서는 일련의 수리모형실험을 통해 공기혼입장치가 장착된 사이펀 여수로의 방류량을 검토하였다. 공기혼입장치의 형상은 원호형과 사각형형상을 적용하였다.
본 연구의 목적은 유량조절이 가능한 사이펀 여수로를 개발하는데 있다. 전술한 바와 같이 일반적인 사이펀 여수로는 저수지 수위가 하강할 때에도 일정량의 유량을 하류로 방류하기 때문에, 하류측 홍수 피해를 유발할 수 있다.
본 절에서는 사이펀 여수로에 장착된 공기혼입장치의 개구부 면적조절을 통한 유량조절 능력에 대해 검토하였다. 개구부 면적에 따른 사이펀 여수로의 방류량은 Fig.
본 연구에서는 Babaeyan- Koopaie et al.이 수행한 연구에서 공기혼입장치의 면적 변화를 통한 사이펀 방류량제어에 대해 추가로 검토하였다. Babaeyan-Koopaie et al.

제안 방법

수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에서 공기혼입장치의 개구부 면적 변화에 따른 방류량 변화를 검토하였다. 공기혼입장치의 형상으로 직사각형 및 원호 형상의 2가지 경우를 검토하였다. 저수지 내측 수위 변화에 따른 방류량을 직접 계측하여 제시하였으며, 공기혼입장치의 면적을 조절함으로써 사이펀 방류량 조절 가능성에 대해 검토하였다.
본 연구에서는 일련의 수리모형실험을 통해 공기혼입장치가 장착된 사이펀 여수로의 방류량을 검토하였다. 공기혼입장치의 형상은 원호형과 사각형형상을 적용하였다. 그리고, Buckingham의 Π 정리를 이용하여 4개의 무차원 변수(무차원 유량, 무차원 공기혼입장치 개구부 면적, 무차원 상·하류 수위차, Reynolds 수)를 유도하였으며, 이를 이용하여 수리모형실험 결과를 정리하였다.
그리고 공기혼입장치에 문을 설치하여 개구부 면적을 조절할 수 있도록 하였다.
그리고, Buckingham의 Π 정리를 이용하여 4개의 무차원 변수(무차원 유량, 무차원 공기혼입장치 개구부 면적, 무차원 상·하류 수위차, Reynolds 수)를 유도하였으며, 이를 이용하여 수리모형실험 결과를 정리하였다.
먼저 공기혼입장치가 설치되지 않은 일반적인 사이펀 여수로에 서의 방류량에 대해 수리모형실험을 통해 검토하였다. 공기혼입장치가 없는 일반적인 사이펀 여수로의 방류량은 Fig.
본 연구에서는 동일한 사이펀 내경에 대해서만 수리모형실험을 수행하였다. 그리고, 공기혼입장치를 구성하는 slot 하나의 면적 변화에 따른 유량변화에 대해서는 검토하지 않았다.
사이펀 실험을 위한 수리모형은 상류 저수지, 댐, 사이펀 모형 및 하류 측으로 구성하여 제작하였다. 사이펀 관로 내경은 100 mm이고 상류 저수지는 폭 3.
사이펀에 원호(arc shape) 형상의 공기혼입장치가 설치된 경우 무차원 개구부 면적(a/A)에 따른 유량을 계측하였다. 원호형 및 직사각형 공기혼입장치가 설치되어 공기가 연행된 사이펀 관내 흐름 형상은 Fig.
4 m 규모로 제작하였다. 상류 저수지에는 300 mm 관경의 유량공급배관을 설치하였으며, 유입 관로에는 밸브와 ㈜서용엔지니어링에서 제작한 전자기식 유량계(EF-501 00A)를 설치하여 유입유량의 조절 및 계측이 가능하도록 하였다. 본 유량계의 측정 가능 유속 범위는 0.
수리모형실험 결과의 합리적인 분석을 위해 본 실험을 위한 무차원 변수를 유도하였다. 무차원 변수는 Buckingham의 Π 정리로부터 도출하였다.
3과 같이 3련을 설치하였는데, 2개의 사이펀에는 원호형 공기혼입장치 및 사각형 공기혼입장치를 각각 설치하였고, 나머지 하나의 사이펀에는 공기혼입장치를 설치하지 않았다. 수리모형실험은 3개의 사이펀 중 실험조건에 해당하는 하나의 사이펀 여수로만을 가동하여 수행하였다. 수리모형실험에 적용된 공기혼입장치의 개구부 면적 등 실험조건은 Table 1과 같다.
수리모형실험은 하류 측에 가동 위어를 설치하여 일정한 수심을 유지하고, 상류 측 공급관로의 밸브를 조절하여 저수지 내측 수위를 조절한 후 정상상태에 도달하였을 때, 상류 측 공급관로에 설치된 유량계를 이용하여 사이펀 통과 유량을 계측하였다. 사이펀 통과 유량은 상류 측 공급관로에 설치된 유량계를 통해 계측한 값의 1분 평균치를 사용하였다.
따라서, 본 연구에서는 공기혼입장치(air slot)의 개구부 면적을 조절하여 방류 량을 조절하는 기법을 제시하였다. 수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에서 공기혼입장치의 개구부 면적 변화에 따른 방류량 변화를 검토하였다. 공기혼입장치의 형상으로 직사각형 및 원호 형상의 2가지 경우를 검토하였다.
여기서, H1 및 H2는 각각 상류 및 하류 수심, V1 및 V2는 각각 상류 접근유속 및 사이펀 유출부 유속, g는 중력가속도를 나타내며, fe는 유입부 손실계수로 본 연구에서는 각이 진 유입부로 보아 0.5를 적용하였으며, fo는 유출부 손실계수로 1.0을 적용하였다.
원호 및 직사각형 공기혼입장치가 설치된 경우의 사이펀 방류량에 대해 정량적으로 비교·검토하였다.
Babaeyan-Koopaie et al.의 연구에서는 사이펀 여수로에 대해 하나의 수위-유량곡선을 제시하였는데, 본 연구에서는 공기혼입장치 면적에 따라 다양한 수위-유량 곡선을 도출하였다
공기혼입장치의 형상으로 직사각형 및 원호 형상의 2가지 경우를 검토하였다. 저수지 내측 수위 변화에 따른 방류량을 직접 계측하여 제시하였으며, 공기혼입장치의 면적을 조절함으로써 사이펀 방류량 조절 가능성에 대해 검토하였다.
사이펀 통과 유량은 상류 측 공급관로에 설치된 유량계를 통해 계측한 값의 1분 평균치를 사용하였다. 하류측 수위는 40 cm로 일정하게 고정하였으며, 저수지 수위는 60 cm에서 80 cm까지 수위를 상승시키면서 유량을 계측하고, 80 cm에서 45 cm까지 저수지 수위를 하강시키면서 유량을 다시 계측하였다. 일련의 실험 과정은 공기혼입장치의 형상 및 면적을 변경시키면서 반복 수행되었다

대상 데이터

검토를 위한 저수지의 무차원 상·하류 수위차(∆)의 범위는 사이펀 여수로 천단부 하단의 높이(h1, Fig. 2 참고)와 상단 높이(h2) 사이인 6.0~7.0 구간으로 설정하였다.
사이펀 실험을 위한 수리모형은 상류 저수지, 댐, 사이펀 모형 및 하류 측으로 구성하여 제작하였다. 사이펀 관로 내경은 100 mm이고 상류 저수지는 폭 3.0 m, 길이 5.4 m, 높이 1.0 m, 하류하천 부분은 폭 2.1 m, 길이 4.5 m, 높이 0.4 m 규모로 제작하였다. 상류 저수지에는 300 mm 관경의 유량공급배관을 설치하였으며, 유입 관로에는 밸브와 ㈜서용엔지니어링에서 제작한 전자기식 유량계(EF-501 00A)를 설치하여 유입유량의 조절 및 계측이 가능하도록 하였다.
유량계는 한국인정기구(KOLAS)로부터 공인받은 K-Water 연구원에서 검·교정을 수행한 후 사용하였다. 상류 및 하류측 수위 계측을 위해 하류에는 PEPPERL-FUCHS 사에서 제작한 초음파 수위계(UC500-30GM-IUR2-V15)와 상류에는 KENEK 사의 디지털 포인트게이지(PH-355)를 설치하였다. 초음파 수위계는 측정거리가 360-500 mm이고 분해능이 0.
유량계는 한국인정기구(KOLAS)로부터 공인받은 K-Water 연구원에서 검·교정을 수행한 후 사용하였다.

데이터처리

수리모형실험은 하류 측에 가동 위어를 설치하여 일정한 수심을 유지하고, 상류 측 공급관로의 밸브를 조절하여 저수지 내측 수위를 조절한 후 정상상태에 도달하였을 때, 상류 측 공급관로에 설치된 유량계를 이용하여 사이펀 통과 유량을 계측하였다. 사이펀 통과 유량은 상류 측 공급관로에 설치된 유량계를 통해 계측한 값의 1분 평균치를 사용하였다. 하류측 수위는 40 cm로 일정하게 고정하였으며, 저수지 수위는 60 cm에서 80 cm까지 수위를 상승시키면서 유량을 계측하고, 80 cm에서 45 cm까지 저수지 수위를 하강시키면서 유량을 다시 계측하였다.

성능/효과

6에서 원형 기호는 Eq. (2)의 해석해 결과로, 수리모형실험 결과와 해석해는 거의 일치하는 결과를 보임을 알 수 있다.
Fig. 10에 나타낸 일련의 실험 결과들을 이용하여 공기혼입장치 형상에 따른 방류량의 상대 백분율 차이를 계산한 결과 14.65 %로 나타났으며, 공기혼입장치가 직사각형 형상인 경우 원호 형상과 동일한 공기혼입장치 면적에서 방류량이 더욱 크게 나타났다.
그리고, 사각형 기호는 공기혼입장치가 없는 경우(a/A = 0) 저수지 수위가 하강할 때의 유량을 나타내며, 원형 기호는 해석해의 결과이다. 공기혼입장치가 없는 경우의 실험결과와 해석해는 거의 일치하는 결과를 보였다. 공기혼 입장치를 적용하였을 경우 무차원 수두차가 증가할 때 무차원 유량은 Fig.
즉, 공기혼입장치 개구부 면적 조절을 통해 사이펀 내부로 혼입되는 공기량을 조절할 수 있고, 이를 통해 사이펀 여수로를 통한 방류량 제어가 가능하였다. 공기혼입장치의 형상에 따른 유량 검토 결과 원호형 및 직사각형 형상 공기혼입장치의 유량 상대 백분율 차이는 14.65%로 나타났다. 즉, 공기혼입장치 형상에 따른 유량 차이는 개구부 면적에 따른 유량 차이에 비해서 작은 것으로 검토되었다.
4(a)와 같이 회전하면서 면적을 조절하기 때문에, 항상 공기혼 입장치의 개구부가 위치하는 공간적 범위가 일정하다. 따라서, 저수지 수위의 변화에 크게 상관없이 공기가 사이펀 내부로 유입되 기 때문에 사각형 형상 공기혼입장치가 장착된 사이펀 여수로에 비해 방류량이 작게 나타났다.
즉, 기존의 일반 사이펀 여수로와는 달리 수위가 하강할 때에도 사이펀 입구부보다 수위가 낮지 않으면, 계속 사이펀이 가동되는 현상을 방지할 수 있음이 확인되었다. 무차원 공기혼입장치 개구부 면적(a/A)이 증가할수록 동일한 무차원 수두차(∆H/D) 및 수위 조건에서 무차원 유량(#)은 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 공기혼입장치 개구부 면적 조절을 통해 사이펀 내부로 혼입되는 공기량을 조절할 수 있고, 이를 통해 사이펀 여수로를 통한 방류량 제어가 가능하였다.
일련의 수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에 공기혼입장치를 설치할 경우 사이펀을 통한 유량은 무차원 수두차에 따라 연속적으로 변하고, 수위가 하강할 때와 상승할 때 동일한 수위-유량 곡선을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 무차원 공기혼입장치의 면적이 감소하고, 무차원 수두차가 증가할수록 무차원 유량은 증가하였다
실험 결과, 공기혼입장치를 적용한 경우 무차원 수위차(∆H/D)가 상승할 때와 하강할 때 동일한 수위-유량 곡선이 산출되었다. 즉, 기존의 일반 사이펀 여수로와는 달리 수위가 하강할 때에도 사이펀 입구부보다 수위가 낮지 않으면, 계속 사이펀이 가동되는 현상을 방지할 수 있음이 확인되었다.
그들은 공기혼입장치의 개구부 전체 면적은 동일하게 하고, slot의 개수를 조절하여 방류량의 변화에 대해 검토하였다. 실험 결과, 공기혼입장치의 개구부 면적이 동일할 때, slot의 개수가 적을수록 저수지 내측 수위 변화에 따라 방류량이 비교적 완만하게 변하는 것을 확인하였다. 반면 Boatwright(2014)는 공기혼입장치가 아닌 사이펀 멈춤장치(air vent)의 면적을 조절하여 사이펀에서 공기가 혼입된 흐름에 대해 연구하였으며, 공기 혼입 흐름이 발생하기 위한 air vent의 최소 면적을 제시하였다.
즉, 공기혼입장치 형상에 따른 유량 차이는 개구부 면적에 따른 유량 차이에 비해서 작은 것으로 검토되었다. 이상의 결과를 통해 사이펀에 공기혼입장치를 설치하고 개구부 면적을 조절하면, 사이펀 여수로의 수위가 하강할 경우 사이펀 방류량을 조절할 수 있어 저수지 상류나 하류측의 홍수 제어를 동시에 할 수 있는 세밀한 방류량 조절이 가능함을 알 수 있다.
이상의 무차원 변수 유도를 통해 상·하류 수위차와 공기혼입장치의 면적이 사이펀 을 통한 유량에 영향을 주는 주요 변수임을 확인할 수 있다.
일련의 수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에 공기혼입장치를 설치할 경우 사이펀을 통한 유량은 무차원 수두차에 따라 연속적으로 변하고, 수위가 하강할 때와 상승할 때 동일한 수위-유량 곡선을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 무차원 공기혼입장치의 면적이 감소하고, 무차원 수두차가 증가할수록 무차원 유량은 증가하였다
무차원 공기혼입장치 개구부 면적(a/A)이 증가할수록 동일한 무차원 수두차(∆H/D) 및 수위 조건에서 무차원 유량(#)은 감소하는 것으로 나타났다. 즉, 공기혼입장치 개구부 면적 조절을 통해 사이펀 내부로 혼입되는 공기량을 조절할 수 있고, 이를 통해 사이펀 여수로를 통한 방류량 제어가 가능하였다. 공기혼입장치의 형상에 따른 유량 검토 결과 원호형 및 직사각형 형상 공기혼입장치의 유량 상대 백분율 차이는 14.
65%로 나타났다. 즉, 공기혼입장치 형상에 따른 유량 차이는 개구부 면적에 따른 유량 차이에 비해서 작은 것으로 검토되었다. 이상의 결과를 통해 사이펀에 공기혼입장치를 설치하고 개구부 면적을 조절하면, 사이펀 여수로의 수위가 하강할 경우 사이펀 방류량을 조절할 수 있어 저수지 상류나 하류측의 홍수 제어를 동시에 할 수 있는 세밀한 방류량 조절이 가능함을 알 수 있다.
즉, 공기혼입장치의 무차원화된 개구부 면적이 증가할수록 공기혼입장치를 통한 공기의 혼입량은 증가하고, 이에 의해 방류량은 감소하는 것으로 나타났다.
실험 결과, 공기혼입장치를 적용한 경우 무차원 수위차(∆H/D)가 상승할 때와 하강할 때 동일한 수위-유량 곡선이 산출되었다. 즉, 기존의 일반 사이펀 여수로와는 달리 수위가 하강할 때에도 사이펀 입구부보다 수위가 낮지 않으면, 계속 사이펀이 가동되는 현상을 방지할 수 있음이 확인되었다. 무차원 공기혼입장치 개구부 면적(a/A)이 증가할수록 동일한 무차원 수두차(∆H/D) 및 수위 조건에서 무차원 유량(#)은 감소하는 것으로 나타났다.
10을 통해 보면 공기혼입장치의 형상보다는 무차원 공기혼입장치의 면적(a/A)과 무차원 수두차(∆H/D)가 무차원 유량(#)에 더욱 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있다. 특히, 무차원 공기혼입장치 개구부 면적이 증가할수록 동일한 무차원 수두차(수위)에서 유량은 감소하였다.

후속연구

그리고, 공기혼입장치를 구성하는 slot 하나의 면적 변화에 따른 유량변화에 대해서는 검토하지 않았다. 따라서, 보다 일반화된 연구 결과를 도출하기 위해서 향후 다양한 사이펀 내경 및 공기혼입장치 slot 하나의 면적 변화에 따른 유량에 대해서도 본 연구와 동일한 방식의 실험이 수행될 필요가 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공기혼입장치의 방류량 조절 능력 검토를 위해 본 연구에서 사용한 실험은 무엇인가?	본 연구에서는 수리모형실험을 통해 사이펀 여수로에 장착된 공기혼입장치(air slot)의 방류량 조절 능력을 검토하였다. 공기혼입장치의 단면 형상으로 원호 및 직사각형 형상을 채택하였으며, 개구부 면적을 조절할 수 있게 하였다.
	사이펀 여수로의 장점은 무엇인가?	사이펀 여수로는 기존의 월류형 여수로 상부에 설치하여 비교적 경제적으로 댐 및 저수지의 치수능력을 증대시킬 수 있는 장점이 있다. 하지만 사이펀 여수로는 사이펀 관로가 만관(prime)이 되어 방류하기 시작하면 저수지 내측 수위가 사이펀 입구부의 높이보다 낮아질 때까지 멈추지 않고 계속해서 방류하게 된다.
	본 연구에서 공기혼입장치(air slot)의 개구부 면적을 조절하여 방류량을 조절하는 기법을 제시한 이유는?	기존의 연구에서는 사이펀 여수로 하류측 홍수 피해를 방지하기 위해 사이펀 멈춤장치(air vent)를 이용하여 특정 수심에서 사이펀 가동을 멈추거나, 공기혼입장치(air slot)를 이용하여 방류량을 감소시키는 방안에 대해 연구하였다. 하지만, 사이펀 멈춤장치나 공기혼입장치의 개구부 면적 조절을 통해 사이펀의 방류량을 조절할 수 있다면, 저수지의 상·하류측 홍수를 동시에 제어할 수 있어 사이펀 여수로의 홍수조절능력은 더욱 효율적이 될 것이다. 따라서, 본 연구에서는 공기혼입장치(air slot)의 개구부 면적을 조절하여 방류량을 조절하는 기법을 제시하였다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
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Yoon, D. K. (2010). "Investigation of the methods for increasing flood control capacity of reservoir." Journal of Korean National Committee on Irrigation and Drainage, pp. 37-42 (in Korean).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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