[논문]물의 흐름을 고려한 인공동결 시스템의 열-수리 거동 연구

진현우; 이장근; 유병현; 고규현

doi:10.7843/kgs.2020.36.12.17

물의 흐름을 고려한 인공동결 시스템의 열-수리 거동 연구
Experimental and Numerical Study on Hydro-thermal Behaviour of Artificial Freezing System with Water Flow 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.36 no.12, 2020년, pp.17 - 25

진현우 (한국건설기술연구원 극한환경연구센터) , 이장근 (한국건설기술연구원 극한환경연구센터) , 유병현 (한국건설기술연구원 극한환경연구센터) , 고규현 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
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인공동결 공법은 지반에 영구적인 영향을 초래하지 않는 지반개량 공법으로 인공동결 공법의 효율성 및 설계기준을 결정하는 핵심인자는 물의 흐름이다. 따라서 인공동결 공법을 적용하기 위해서는 동결구근 및 벽체 형성에 물의 흐름이 미치는 영향에 대한 연구가 선행되어야 한다. 본 논문에서는 물의 흐름이 동결구근 및 벽체 형성에 미치는 영향을 극대화하기 위해 순수한 물을 활용한 실내실험과 수치해석 연구를 수행하였다. 열-수리 연계 해석모델을 새롭게 제안하고 이를 실험적으로 검증하였으며, 유량이 동결벽체 형성 시간 및 형상을 결정짓는 핵심인자임을 확인하였다. 나아가, 동결구근 및 벽체를 가시적으로 확인하기 어려운 지반에서 활용성이 높을 것으로 예상되는 동결벽체 형성 시간을 간접적으로 예측할 수 있는 방안을 새롭게 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The artificial ground freezing method is a ground amelioration technology that does not have a permanent effect on the ground. One of the key factors that determine the efficiency and design criteria of the artificial ground freezing is the groundwater flow. Therefore, in order to accurately evaluate the behavior of the artificial ground freezing, studies on the effect of water flow on the formation of ice walls must be preceded. In this paper, experimental and numerical analyses were conducted using only pure water to maximize the effect of water flow on the formation of ice walls. A hydro-thermal coupled model for freezing behavior was proposed and the accuracy of the model was verified. Through the numerical and experimental studies, the flow rate dominates not only the formation time but also the shape of the ice wall. In addition, this study proposes a method to indirectly predict the ice wall formation time, which is expected to be highly useful for a practical application where it is difficult to visually identify ice walls.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of laboratory testing system for artificial freezing
그림 Fig. 2. Temperature boundary conditions at pipes and bottom lines for different flow rates
그림 Fig. 3. Temperature profiles (ML1, ML2, and ML3) during artificial freezing tests
표 Table 1. Material properties for numerical simulation
그림 Fig. 3. Temperature profiles (ML1, ML2, and ML3) during artificial freezing tests (Continued)
그림 Fig. 4. Transient ice wall formations during artificial freezing (initial flow rate = 0.2 L/m)
그림 Fig. 5. Heat map near pipe #2
그림 Fig. 6. Comparison between experimental and numerical results for the closing time
그림 Fig. 7. Discharge capacity coefficient change due to artificial freezing

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 순수한 물을 대상으로 물의 흐름을 모사한 인공동결 실내 모형실험을 수행하고 이를해석적으로 평가하기 위한 열-수리 연계해석모델을 제안 및 검증하였다. 동결관을 중심으로 형성되는 동결구근들이 얼음벽체(ice wall) 형성 과정을 육안으로 관측하고, 이를 검증된 해석모델을 활용해 추정할 수 있는방안을 제시함으로써 향후 동결벽체 형성을 육안으로관측할 수 없는 지반에 대해 간편하게 적용할 수 있는방안을 제시하고 있다.
본 연구에서는 물의 흐름을 고려한 인공동결 시스템에서 동결관 사이 얼음벽체 형성 과정을 해석적으로 정밀하게 예측하기 위한 열-수리 연계해석모델을 제안하고 이를 실험적으로 검증하였으며 그 과정에서 다음과같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 지반동결 해석에 앞서 순수한 물에 대한 동결 해석을 우선적으로 수행하였다. 지반 내 물 흐름이 아닌 순수한 물에 대한 흐름을 모사할 경우 Laminar flow 모델을 적용하는 것이 이론적으로 부합하지만, 본연구에서 다루고 있는 유속의 크기가 매우 작으며 향후지반동결모델링으로의 확장성을 고려할 때 Darcy 법칙을 사용하는 것이 유용할 것으로 판단하였다.

가설 설정

가정 사항이 필요하다. 본 연구에서는 완전히 포화된 지반을 흙 입자와 물, 얼음으로 이루어진 3상 구조로 간주하였고, 국부적인 온도평형상태를 가정하였다. 이에 대한 질량보존 방정식은 다음과 같다.

제안 방법

초기조건은 정수압(Hydrostatic)상태로 간주하였고, 하부에서 상부로 흐르는 물의 흐름을 구현하고자 상･하부 사이에 일정한 수두차를 유지하였다. 3개 파이프에서 측정된 온도를 경계 온도조건(Dirichlet boundary condition)으로 부여하였고, 하단은 초기온도와 동일한 온도로 일정하게 유지하였다. 또한, 메인수조의 벽면 및 상단은 단열 조건(Zero flux condition)으로 설정하였다.
배수, 4) 메인수조에서 배수된 물이 온도조절장치가 설치된 수조로 배수되도록 물 순환 시스템을 구성하였다. 메인수조에 위치하고 있는 3개의 동결관들을 수평 방향으로 설치하여 동결관과 물 흐름이 직교하도록 하였다.
1(c)는 1개의 온도센서 판에 온도센서의 배치를 개략적으로 보여주고 있다. 동결관 중심으로부터 10mm 간격으로 상부로 4개, 하부로 8개 총 12개의 온도 센서를 각 동결관마다 수직선상 온도 관측지점을 설치하였다. 이를 통해 각각의 온도센서 판에 설치된 수직 위치별 온도 센서로 측정되는 2개의 평균값을 왼쪽부터 차례대로 ML1, ML2, ML3으로 명명하였다.
또한, 외기 온도로 인한 영향을 최소화하기 위해 전면을 20mm 두께의 단열재(eXtruded Poly Styrene, XPS)로 단열하였다. 동결관은 외경이 20mm인 2중관 형태의 미국석유협회(API, American Petroleum Institute) 규격의 라인파이프(API-5L-X42)를 사용하였으며 각 동결관마다 동일한 냉각펌프를 각각 연결하였다.
3개 파이프에서 측정된 온도를 경계 온도조건(Dirichlet boundary condition)으로 부여하였고, 하단은 초기온도와 동일한 온도로 일정하게 유지하였다. 또한, 메인수조의 벽면 및 상단은 단열 조건(Zero flux condition)으로 설정하였다. 상기 기술된 구성방정식 및 경계조건을 적용하기 위해 상용 수치해석 코드인 COMSOL Multiphysics PDE module을 이용하였다(Com sol Inc, 2020).
동결관이 위치한 메인수조는 직육면체 모형으로 가로 300mm(x축 방향), 세로 600mm(y 축 방향), 높이 600mm(z축 방향)이며 하부에서 상부로균등한 물의 흐름을 모사하기 위해 하부에 다공판(두께 5mm)을 설치하고 모래 45mm를 포설하였다. 또한, 외기 온도로 인한 영향을 최소화하기 위해 전면을 20mm 두께의 단열재(eXtruded Poly Styrene, XPS)로 단열하였다. 동결관은 외경이 20mm인 2중관 형태의 미국석유협회(API, American Petroleum Institute) 규격의 라인파이프(API-5L-X42)를 사용하였으며 각 동결관마다 동일한 냉각펌프를 각각 연결하였다.
메인수조에 위치하고 있는 3개의 동결관들을 수평 방향으로 설치하여 동결관과 물 흐름이 직교하도록 하였다. 2중동결관의 냉각은 Fig.
본 연구에서 제작한 인공동결 실험장비는 Fig. 1과 같이 3차원 형상이지만, y축 방향에 따른 관측 결과에 큰차이가 없음이 확인되었고 이에 따라 수치해석 모델은 해석의 효율성을 위해 2차원으로 구현하였다. 초기조건은 정수압(Hydrostatic)상태로 간주하였고, 하부에서 상부로 흐르는 물의 흐름을 구현하고자 상･하부 사이에 일정한 수두차를 유지하였다.
본 연구에서는 열-수리 연계해석모델을 통해 순수한 물에 대한 인공동결해석을 수행하였고 그 결과를 실내모형실험 결과와 비교하였다. 흐름이 있는 순수한 물에대한 동결 해석을 수행하고자 기 제안된 구성방정식에서 지반의 간극률을 1로 간주하여 해석을 수행하였다.
결과와 비교하였다. 흐름이 있는 순수한 물에대한 동결 해석을 수행하고자 기 제안된 구성방정식에서 지반의 간극률을 1로 간주하여 해석을 수행하였다. 실험 및 해석은 2가지 유량(유량 0.

대상 데이터

상기 기술된 구성방정식 및 경계조건을 적용하기 위해 상용 수치해석 코드인 COMSOL Multiphysics PDE module을 이용하였다(Com sol Inc, 2020). 해석에는 총 6758개의 삼각 요소망(triangular mesh)이 사용되었고 모델에 사용된 재료물성은 Table 1과 같다.

데이터처리

지반 내 물 흐름이 아닌 순수한 물에 대한 흐름을 모사할 경우 Laminar flow 모델을 적용하는 것이 이론적으로 부합하지만, 본연구에서 다루고 있는 유속의 크기가 매우 작으며 향후지반동결모델링으로의 확장성을 고려할 때 Darcy 법칙을 사용하는 것이 유용할 것으로 판단하였다. Darcy 법칙의 주요 파라미터인 가상통수능계수(Virtual discharge capacity)는 동일 수두조건에 대한 실험데이터와의 유속비교를 통해 역계산하였다.
이를 통해 각각의 온도센서 판에 설치된 수직 위치별 온도 센서로 측정되는 2개의 평균값을 왼쪽부터 차례대로 ML1, ML2, ML3으로 명명하였다. 또한 3개의 동결관 중심과 동일한 높이에서 수평방향으로 20개의 온도 센서를 10mm 간격으로 설치해 수평선상 온도 관측지점을 설정하고 이를 통해 측정되는 2개의 온도센서 판의 평균값을 ML4로 명명하였다. 또한 얼음벽체 형성을 판단하기 위한 2개의 동결관(pipe #2 및 pipe #3) 사이 중간지점을 T50으로 명명하였다.

이론/모형

또한, 메인수조의 벽면 및 상단은 단열 조건(Zero flux condition)으로 설정하였다. 상기 기술된 구성방정식 및 경계조건을 적용하기 위해 상용 수치해석 코드인 COMSOL Multiphysics PDE module을 이용하였다(Com sol Inc, 2020). 해석에는 총 6758개의 삼각 요소망(triangular mesh)이 사용되었고 모델에 사용된 재료물성은 Table 1과 같다.

성능/효과

(1) 본 연구에서 제안된 수치해석 모델은 물의 흐름을 고려한 인공동결 과정을 합리적으로 예측하고 있으며, 물의 흐름이 존재하는 경우 물 흐름의 반대 방향에서 동결구근이 빠르게 확장되어 타원형 모양으로 동결 구근이 성장한 후 얼음벽체를 형성한다는 것을 실험적･수치해석적으로 확인하였다. 또한, 얼음 벽체의 형성 시점은 유량이 증가할수록 지연됨을 알 수 있었다.
(2) 본 연구에서는 인접한 두 개의 동결관 중간지점의온도하강곡선 상에서 변곡점이 나타난 시점과 두 개의 동결구근이 서로 연결되는 시점이 서로 일치한다는 것을 실험 및 해석을 통해 확인하였다. 이러한사실은 인접한 동결관 사이에서 계측된 온도 데이터만으로 얼음벽체 형성 시작 시점을 간접적으로 확인할 수 있다는 것을 시사한다.
(4) 임계유량에 가까운 유량 조건에서는 동결 지속시간에 상관없이 얼음벽체가 형성되지 않은 채 정상상태에 도달한다. 따라서 인공동결공법 적용 대상 지반에 존재하는 지하수 유량에 대한 면밀한 검토와 정확한 임계유량 예측을 통해 지반 인공동결공법 적용의 효율성을 사전에 평가하는 것이 중요할 것으로판단된다.
확인하였다. 또한, 얼음 벽체의 형성 시점은 유량이 증가할수록 지연됨을 알 수 있었다.
4는 동결진행에 따른 동결구근 및 얼음벽체 형성과정에 대해 실사, 열화상카메라(측정가능 온도범위: -30℃ ~ 100℃, 정확도: 측정값의 ±2%), 수치해석 결과를 각각 제시하고 있다. 메인수조 내에서 발생하고 있는물 흐름으로 인해 동결이 진행됨에 따라 형성되는 동결구근이 비대칭적인 타원형 모양으로 확장되는 양상이실사, 열화상카메라, 수치해석 결과에서 모두 확인되었다. 보다 정밀한 동결구근 형상을 확인하기 위해 동결관 (Pipe #2)의 ML2와 ML4의 온도데이터 일부분을 발췌하여 확인하였다(Fig.
5). 시간이 지남에 따라 하부에 비해 상부가 더 넓게 확장되어 나감을 확인할 수 있었을뿐 아니라 유량이 작을수록 동결구근 확장 속도가 더빠르게 나타남을 알 수 있었다.
동결 해석을 우선적으로 수행하였다. 지반 내 물 흐름이 아닌 순수한 물에 대한 흐름을 모사할 경우 Laminar flow 모델을 적용하는 것이 이론적으로 부합하지만, 본연구에서 다루고 있는 유속의 크기가 매우 작으며 향후지반동결모델링으로의 확장성을 고려할 때 Darcy 법칙을 사용하는 것이 유용할 것으로 판단하였다. Darcy 법칙의 주요 파라미터인 가상통수능계수(Virtual discharge capacity)는 동일 수두조건에 대한 실험데이터와의 유속비교를 통해 역계산하였다.

후속연구

(3) 본 연구는 포화된 지반이 아닌 순수한 물을 대상으로 동결실험을 수행하였기 때문에 물 흐름에 대한영향을 과대평가할 수 있는 우려가 존재하지만, 물을 사용함으로써 얼음벽체 형성을 가시적으로 확인이 가능하여 수치해석결과의 정확성을 더욱 면밀히 검증할 수 있었고, 이를 통해 얼음벽체 형성 시점을 간접적으로 유추할 수 있는 방안을 제시했다는 점에서 향후 지반 인공동결공법 관련 연구에 활용될 요소가 많을 것으로 판단된다.
도달한다. 따라서 인공동결공법 적용 대상 지반에 존재하는 지하수 유량에 대한 면밀한 검토와 정확한 임계유량 예측을 통해 지반 인공동결공법 적용의 효율성을 사전에 평가하는 것이 중요할 것으로판단된다.
왜냐하면 동결 초기에는 동결구근 사이로 국부적으로 빠른 유량이 형성되어 구근이 연결되기까지 많은 시간이 소요되지만, 동결구근들이 연결되어 얼음벽체가 형성되면 방해요소로 작용하던 물의 흐름 영향이 제거되어 온도 하강 및 얼음벽체 확장이 가속화되기 때문이다. 이러한 사실은 인접한 동결관 사이에서 계측된 온도 데이터만으로 얼음벽체 형성 시작 시점을 간접적으로 확인할 수 있음을 시사하며, 동결벽체 형성을 육안으로 관측하기 어려운 지반 인공동결 실험에서 동결벽체 형성 시작 시점을 간접적으로 예측하는데 활용될 수 있다. Fig.

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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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