[논문]접선식 및 다단식 나선 유입구 흐름 특성의 실험적 연구

성호제; 이동섭; 박인환

doi:10.3741/jkwra.2019.52.3.227

접선식 및 다단식 나선 유입구 흐름 특성의 실험적 연구
An experimental investigation of flow characteristics in the tangential and the multi-stage spiral inlets 원문보기

Journal of Korea Water Resources Association = 한국수자원학회논문집, v.52 no.3, 2019년, pp.227 - 234

성호제 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부) , 이동섭 (한국건설기술연구원 복합재난대응연구단) , 박인환 (한국건설기술연구원 국토보전연구본부)

초록
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급격한 도시화와 산업화로 도심 재난 취약성이 증가하고, 전 세계적인 기후변화로 인한 극한 강우사상의 발생빈도가 증가하고 있다. 기존 방재시설의 용량한계를 넘어선 극한 강우사상의 발생으로 도심 지역의 침수피해 또한 증가하고 있다. 도심 침수피해를 예방하기 위해 지하공간을 활용한 지하저류 시설과 지하배수터널 활용이 급부상하고 있으며, 강우가 유입되는 지하유입구에 대한 수리학적 검토를 통한 성능 분석이 중요하다. 본 연구에서는 지하 유입구로 활용되고 있는 접선식(tangential) 유입구와 나선식(spiral) 유입구에 대해 유입유량 변화에 따른 유입부 수위를 계측하고 흐름 특성 변화를 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 조건에서의 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 접선식 유입구에서는 고유량 유입조건 아래 도수(hydraulic jump)가 발생하며 유량 배제 효과가 급격하게 감소했다. 다단식 나선(multi-stage) 유입구의 경우, 접선식 유입구보다 유입유량 증가에 따른 수위 상승률은 높지만 저유량 및 고유량 유입조건에 대해 안정적인 유량 배제 효과를 유지했다. 또한, 실험에서 사용된 유입구 모형이 활용될 수 있도록 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 대한 수위-유량 관계 실험식(empirical formula)을 제시했다.

Abstract ▼ AI-Helper

The vulnerability of urban disasters is increased with the rapid urbanization and industrialization, and the extreme rainfall event is increased due to the global climate change. Urban inundation is also increased due to the extreme rainfall event beyond the capacity limit of facility for the damage prevention. The underground detention vault and the underground drain tunnel are rapidly being utilized to prevent urban inundation. Therefore, the hydraulic review and design analysis of the inlet of the underground facility are important. In this study, the water level of the approach flow according to the inflow discharge is measured and the flow characteristic of the inlet (tangential and spiral) is analyzed. For the spiral inlet, the multi-stage is introduced at the bottom of the inlet to improve the inducing vortex flow at low discharge conditions. In case of the tangential inlet, the discharging efficiency is decreased rapidly with hydraulic jump in the high flow discharge. The rising ratio of the water level in the multi-stage spiral inlet is higher than the tangential inlet, but the stable discharging efficiency is maintained at low and high discharge conditions. And the empirical formula of water level-flow discharge is derived in order to utilize inlets used in this study.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Tangential inlet
그림 Fig. 2. Spiral inlet
그림 Fig. 3. Multi-stage spiral inlet
그림 Fig. 4. Experiment channel
그림 Fig. 5. Tangential inlet model
그림 Fig. 6. Multi-stage spiral inlet model
그림 Fig. 7. Measuring points of the water level
그림 Fig. 8. Water level with the inflow discharge of the tangential inlet
그림 Fig. 9. Water level with the inflow discharge of the multi-stage spiral inlet
그림 Fig. 10. Relationship between Froude number (Fr) and water levelratio (h/D)
표 Table 1. Inflow conditions
그림 Fig. 11. Rising ratio of the water level with the inflow discharge

AI 본문요약
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문제 정의

지하유입구의 주요 성능은 최소한의 수위 증가로 최대한의 유량 배제를 달성하는 것으로, 지하유입구의 성능을 평가할 경우 고려해야 할 중요한 요소는 유입부 수위에 따른 흐름 특성 변화이다. 본 연구에서는 와류식 유입구의 대표적 형상인 접선식 유입구와 나선식 유입구에 대한 성능 평가를 위해 유입유량 변화에 따른 유입부 수위 변화를 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 와류 유도 효과가 저감 되는 부분을 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입한 다단식 나선(multi-stage spiral) 유입구를 사용 했다.
(2017)이 수행한 접선식 유입구의 지배유량 이론식 민감도 분석 연구 외에는 지하유입시설에 관한 연구가 전무한 실정이다. 본 연구에서는 지하유입시설의 설계 및 성능 검토에 관한 연구 활성화를 위해 지하유입시설로 가장 많이 사용되고 있는 와류식 유입구의 대표적 형상인 접선식 유입구와 나선식 유입구에 대한 흐름 특성 및 유입 성능을 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 조건에서 와류 흐름 유도 효과를 개선하기 위해 계단형 다단식 구조를 유입부 바닥면에 도입한 다단식 나선 유입구를 사용했다.
본 연구에서는 지하유입시설의 유입유량 변화에 따른 유입구 수위를 계측해 유입 흐름 특성 변화를 분석했다. 접선식 유입구의 경우, 낙차부 유입 흐름의 가속(사류 흐름)을 통한 유입효율 상승이 목적이며, 유입유량 0.

제안 방법

나선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 와류 유도 효과가 저감 되는 부분을 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입한 다단식 나선(multi-stage spiral) 유입구를 사용 했다. 또한, 수위 계측 결과를 기초로 실험에 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 적용 가능한 수위-유량 관계에 대한 실험식(empirical formula)을 도출했다.
고효율 유입시설에 활용할 경우, 다단식 나선 유입구가 접선식 유입구보다 효과적이다. 또한, 실험에서 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구에 대한 수위-유량 관계 실험식을 도출해 동일한 모형을 사용할 경우와 일부 설계 제원이 변경된 모형의 실험 결과와 비교할 경우 활용 가능한 기초정보를 확인할 수 있도록 했다. 수리모형실험을 이용한 흐름 특성 분석 과정은 유입구 형상의 설계조건(수로 폭 등) 변화를 다양하게 반영할 수 없는물질적/시간적 한계를 가지기에, 향후 연구에서는 본 연구결 과를 검증자료로 활용해 수치모형의 적용성을 확인하고 유입구 형상의 설계조건 변화에 따른 흐름 특성 변동을 분석하고자 한다.
본 연구에서는 실험에 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 형상에 적용 가능한 수위-유량 관계에 대한 실험 식을 도출하고자 Buckingham π 이론을 사용해 차원해석을 수행했다.
수로 내 안정된 흐름 유입을 위해 유량이 유입되는 고수조에 정류벽을 설치했으며, 유입 유량은 전자기식유량계(F401, 오차범위: ±0.5%)와 고수조에 설치된 삼각위어를 사용하여 제어했다.
실험에서 사용된 유입구 형상을 적용하는 것을 가정해 유입유량에 따른 유입구 수위 변화를 예측하기 위한 수위-유량 관계에 대한 실험식을 도출했다. 수위-유량 실험식 산정을 위해 Eq.
실험은 유입유량 변화에 따라 발생되는 유입부 수위의 변화를 계측했다. 총 5가지 유입유량 조건에 대해 실험을 수행했 으며(Table 1), 초기 유량 변동으로 인한 오차를 최소화하기 위해 유량 제어 후 5분간의 안정화 시간을 두었다.
9 and 10). 유입구 형상에 따른 유입구 수위 변화를 비교하기 위해 Fig. 11과 같이 유입유량 증가에 따른 유입구 수위 상승 비율(h_Qn+1/h_Qn)을 비교했다. 유입구 수위 상승 비율을 계산하기 위해 Fig.
유입 흐름이 안정화된 이후 고수조 삼각위어의 위어고 확인을 통해 목표실험유량 공급을 재확인했다. 유입부 수위는 수로 폭이 좁아지는 유입구 시작점을 기준으로 유입부 방향 0.4 m 구간과 수직관 방향 0.8 m 구간, 총 1.2 m 구간에 대해 0.1 m 간격으로 계측했다(Fig. 7).
지하유입구 형상 변화에 따른 유입부 흐름 특성을 분석하기 위해 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형을 제작했다. 접선식 유입구는 유입구 바닥면에 경사를 주어 유입 흐름을 가속시키고 유입효율을 높이는 형상으로, 바닥면 경사는 Jain (1984)이 제시한 접선식 유입구의 기초 설계이론을 따라 기본 경사로 제시된 27.
실험은 유입유량 변화에 따라 발생되는 유입부 수위의 변화를 계측했다. 총 5가지 유입유량 조건에 대해 실험을 수행했 으며(Table 1), 초기 유량 변동으로 인한 오차를 최소화하기 위해 유량 제어 후 5분간의 안정화 시간을 두었다. 유입 흐름이 안정화된 이후 고수조 삼각위어의 위어고 확인을 통해 목표실험유량 공급을 재확인했다.

대상 데이터

길이 4.0 m, 폭 0.2 m인 직선 개수로와 높이 2.7 m, 직경 0.12 m인 수직관을 제작해 유입부와 수직갱을 재현한 지하유입시설 실험장치를 제작했다(Fig. 4). 수로 내 안정된 흐름 유입을 위해 유량이 유입되는 고수조에 정류벽을 설치했으며, 유입 유량은 전자기식유량계(F401, 오차범위: ±0.
유입부 흐름 특성 분석을 위한 수로 내 수위는 용량식 파고계(CH-601, 오차범위: ±0.3%)를 사용해 계측했다.

데이터처리

10). 유입구 형상 별 수위-유량 관계에 대한 실험식은 다중선형회귀분석 방법을 이용해 실험식의 계수를 결정했다. 접선식 유입구의 수위-유량 관계 실험식은 Eq.

이론/모형

본 연구에서는 와류식 유입구의 대표적 형상인 접선식 유입구와 나선식 유입구에 대한 성능 평가를 위해 유입유량 변화에 따른 유입부 수위 변화를 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 와류 유도 효과가 저감 되는 부분을 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입한 다단식 나선(multi-stage spiral) 유입구를 사용 했다. 또한, 수위 계측 결과를 기초로 실험에 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 적용 가능한 수위-유량 관계에 대한 실험식(empirical formula)을 도출했다.
차원해석의 방법은 Rayleigh가 제안한 Rayleigh 차원법과 Buckingham이 공식화한 Buckingham π 이론으로 구분된다.

성능/효과

0163 m³/s이다. 그 결과, 다단식 나선 유입구가 유입구 흐름 안정화에 높은 효과를 가지고 있지만, 유입유량 증가에 따른 유입구 수위 상승 비율은 접선식 유입구보다 평균 28% 높게 나타났다. 다단식 나선 유입구는 접선식 유입구에 비해 유입 유량 증가에 따른 수위 상승 비율은 높지만 동일 유입유량 조건에서 유입효율에 큰 변동 없이 안정적인 유입 흐름을 형성했다.
(10)과 같이 유입유량을 Froude 수(Fr)로 무차원화하고 유입부 수위 계측값을 유입부 폭으로 무차원화(D/h)했다. 무차원변수에 대한 상관관계를 확인한 결과, 접선식 유입구에서 흐름 제어점 유량(Q_c)을 초과하며 발생하는 도수 구간을 제외하고 선형적 관계에 있는 것으로 나타났다(Fig. 10). 유입구 형상 별 수위-유량 관계에 대한 실험식은 다중선형회귀분석 방법을 이용해 실험식의 계수를 결정했다.
실험식의 계산 결과와 실험결과로부터 Froude 수에 따른 수위를 비교한 결과, 접선식 유입구에서 흐름 제어점 유량이 초과되어 도수가 발생되는 구간을 제외하고 실험값 기준으로 ± 6.6% 오차범위 안에서 유사한 경향을 나타냈다.
8~10). 실험에 사용된 접선식 유입구 모형의 설계 제원으로 흐름 제어점 유량(Q_c)을 계산한 결과, Case 5에서 흐름 제어점 유량(0.0133 m³/s)을 초과해 낙차부에서 도수 현상이 발생하고 흐름 정체 현상으로 인한 수위 상승과 함께 유입효율이 급격하게 감소하는 것을 확인했다.

후속연구

6% 오차범위 안에서 유사한 경향을 나타냈다. 본 연구에서 도출된 경험식은 실험에 사용된 유입구 형상과 동일한 모형에 대해서만 적용 가능하다는 한계점이 있으며, 접선식 유입구의 경우 흐름 제어점 유량과 자유 배수 유량 조건을 고려해 적용 가능한 한계 유량 조건을 함께 고려해야 한다.
수리모형실험을 이용한 흐름 특성 분석 과정은 유입구 형상의 설계조건(수로 폭 등) 변화를 다양하게 반영할 수 없는물질적/시간적 한계를 가지기에, 향후 연구에서는 본 연구결 과를 검증자료로 활용해 수치모형의 적용성을 확인하고 유입구 형상의 설계조건 변화에 따른 흐름 특성 변동을 분석하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흐름 제어점 유량이란?	접선식 유입구에서 한계수심(critical depth)이 형성되는 지점을 흐름 제어점(control shift)이라고 하며, 유입유 량이 증가함에 따라 유입부에서 낙차부와 수직갱이 만나는 접합부로 이동된다. 유입유량이 저유량 조건에서 고유량 조건으로 순조롭게 변화된다고 가정하면 유입부와 접합부에서 한계흐름이 동시에 형성될 수 있고, 이때의 유량을 흐름 제어점 유량(control shift discharge)으로 정의할 수 있다. 흐름 제어점 유량(Qc)은 유입부와 접합부의 비에너지 식으로 유도할수 있으며, Eq.
	인구 밀도가 높은 도심 지역에서 침수피해를 방지하는 가장 효과적인 방법은?	도심 지역의 경우 재해 예방을 위한 방재시설의 설계기준을 새롭게 개선하고 있지만, 시설의 용량 한계를 넘어선 극한 강우사상 발생으로 인한 배수 능력 부족으로 침수피해가 증가하고 있다. 이처럼 인구 밀도가 높은 도심 지역에서 침수피해를 방지할 수 있는 가장 효과적인 방법은 집중폭우로 발생되는 많은 양의 강우를 일시에 저장하거나 배출 하는 것이다. 이러한 방법은 기존 배수 시스템의 개선 작업보다 경제적 효과가 훨씬 높게 나타난다(DSD, 2003).
	도심 침수피해를 예방하기 위해 지하공간을 활용한 지하저류 시설과 지하배수터널 활용이 각광받고 있는 이유는?	급격한 도시화와 산업화로 도심 재난 취약성이 증가하고, 전 세계적인 기후변화로 인한 극한 강우사상의 발생빈도가 증가하고 있다. 기존 방재시설의 용량한계를 넘어선 극한 강우사상의 발생으로 도심 지역의 침수피해 또한 증가하고 있다. 도심 침수피해를 예방하기 위해 지하공간을 활용한 지하저류 시설과 지하배수터널 활용이 급부상하고 있으며, 강우가 유입되는 지하유입구에 대한 수리학적 검토를 통한 성능 분석이 중요하다.

참고문헌 (17)

Drainage Services Department (DSD) (2003). Stormwater drainage master plan study in northern Hong Kong Island - Executive summary. The Government of Hong Kong Special Administrative Region, Drainage Services Department, Hong Kong.
Drioli, C. (1947). "Su un particolare tipo di imbocco per pozzidi scarico." L'Energia Elettrica, Vol. 24, No. 10, pp. 447-452.
Giudice, G. D., and Gisonni, C. (2011). "Vortex dropshaft retrofitting: case of Naples city (Italy)." Journal of Hydraulic Research, Vol. 49, No. 6, pp. 804-808.

상세보기
Hager, W. H. (1999). Wastewater hydraulics. Springer, Berlin, New York, USA.
Jain, S. C. (1984). "Tangential vortex-inlet." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 110, No. 12, pp. 1683-1699.

상세보기
Jain, S. C., and Ettema, R. (1987). Swirling flow problems at intakes - Vortex-flow intakes. IAHR Hydraulic Structures Design Manual, Balkema, Rotterdam, Netherlands, pp. 125-137.
Jevdjevich, V., and Levin, L. (1953). "Entrainment of air in flowing water and technical problems connected with It." Proceedings of the Minnesota International Hydraulics Convention, ASCE.
Kim, J. S., Kim, S. Y., Choi, T. S., and Yoon, S. E. (2012). "Analysis of stream characteristics at tangential intake structure of deep underground strom water tunnel." Proceedings of Korea Water Resources Association, Gangwon-do, Korea, pp. 604.
Lee, J. H. W., Yu, D., and Choi, D. K. W. (2006). "Physical hydraulic model tests for Lai Chi Kok transfer scheme - Intake structures." Croucher Laboratory of Environmental Hydraulics, The University of Hong Kong, Hong Kong.
Mulligan, S., Casserly, J., and Sherlock, R. (2016). "Effects of geometry on strong free-surface vortices in subcritical approach flows." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 142, No. 11, p. 04016051.

상세보기
Park, S. H., Oh, J. O., Park, J. H., and Park, C. K. (2017). "A study on vertical inlet of inflow characteristics of the Shinwol rainwater storage & drainage system by design condition." Journal of Korea Water Resources Association, Vol. 50, No. 2, pp. 129-138.
Quick, M. (1990). "Analysis of spiral vortex and vertical slot vortex drop shafts." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 116, No. 3, pp. 309-325.

상세보기
Rhee, D. S., and Kim, C. W. (2007). "Consideration of the stagedischarge relation in spiral intake." Proceedings of Korea Water Resources Association, Gangwon-do, Korea, pp. 894-898.
Szirtes, T. (2007). "Applied dimensional analysis and modeling." Elsevier, Burlington, Massachusetts, USA.
Vischer, D. L., and Hager, W. H. (1995). Energy dissipators - vortex drops. IAHR Hydraulic Structures Design Manual, Taylor & Francis, New York, USA, pp. 167-181.
Yu, D., and Lee, H. W. (2009). "Hydraulics of tangential vortex intake for urban drainage." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 135, No. 3, pp. 164-174.

상세보기
Zhao, C. H., Zhu, D. Z., ASCE, M., Sun, S. K., and Liu, Z. P. (2006). "Experimental study of flow in a vortex drop shaft." Journal of Hydraulic Engineering, Vol. 132, No. 1, pp. 61-68.

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저자의 다른 논문 :

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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