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문제 정의
- 본 연구에서는 하수관거 내 부유물질의 퇴적을 방지하기 위해 관거 Flushing 방법을 적용 시 유입 유량, 유입시간, 관경사 변화에 따라서 최소유속이 기준을 만족될 수 있는 설계인자를 정량적으로 분석하고자 한다. 관거 내의 수리학적 거동을 분석하기 위해서 SWMM(Storm Water Management Model) 및 FL0W-3D 모형을 이용하여 유입유량, 지속시간, 관경사 변화에 따른 관거내 수리현상을 분석하였다.
제안 방법
- 수리모형실험은 2003년 홍익대학교 과학기술연구소에서 실시한 결과값을 사용하였다. SWMM으로 수행한 모든 경우에 대해서 3차원 모형인 FLOW-3D와 비교하는 것은 많은 시간이 소요되므로 Table 1에서 두 가지 경우(Case 22와 52)에 대하여 3차원 수치모의를 수행하였다.
- SWMM을 이용한 관거 내 수리현상을 분석하기 위하여 관경 200 mm인 원형관에 대하여 유입량, 유입시간, 관경사 변화에 따른 총 60가지 경우에 대한 모델링을 수행하였다. 이때 적용된 관 조도 계수는 0.
- 관 내의 오염물의 퇴적현상 방지 및 관거 내 청소 방법 중 Flushing 방법에 의해 관거 세정을 위해 유량을 지속시간별 유입할 경우 최소유속 0.6 m/s를 만족시키는 누가거리를 분석하였다(Table 2. 참조). 누가거리는 관 내에서 최소유속 0.
- SWMMe 도시유역 하수시스템 내의 유량과 수질을 모의할 수 있는 모형이다. 배수관망 시스템 내에서 유량과 수심을 계산하기 위해 개수로/관수로 등에서 흐름 추적 및 오염부하량이 모의 가능한 EXTRAN 블록을 적용하였다. EXTRAN 블럭에서 사용된 지배방정식은 연속방정식과 이차원 점변 부정류 방정식인 St.
- 오수관의 경우 부유물질의 퇴적을 방지하기 위해서는 최소유속 기준을 만족하여야 한다. 본 연구에서는 관거 세정 방법 중에 하나인 Flushing 방법을 수행하였을 경우, 관경사에 따른 유입유량, 유입 시간 변화에 따른 유속 및 수심의 변화를 분석하여 최소유속을 유지할 수 있는 관의 누가거리를 분석하였다. 분석방법으로는 SWMM과 FLOW-3D 모형을 사용하였으며, 모형의 적용성을 검증하기 위해서 실험자료와 비교 분석한 결과 두 모형은 실험을 수행하여 취득한 관측값과 잘 일치함을 보여주고 있다.
- SWMM과 Flow-3D의 유속 및 수위에 대한 수치모의 결과값을 비교.분석하였다(Fig. 2). 두 모형의 유속값은 수심 20 %에 해당하는 깊이에서 계산된 값이다.
- 수위와 유속에 대하여 실험을 통해 취득된 관측값과 FLOW-3D 수치모의 계산값에 대하여 비교.분석한 결과는 Fig.
대상 데이터
- 관거 내의 수리학적 거동을 분석하기 위해서 SWMM(Storm Water Management Model) 및 FL0W-3D 모형을 이용하여 유입유량, 지속시간, 관경사 변화에 따른 관거내 수리현상을 분석하였다. 또한 모형의 적용성을 검증하기 위해서 수리모형실험 자료를 이용하였다.
- 분석하였다. 수리모형실험은 2003년 홍익대학교 과학기술연구소에서 실시한 결과값을 사용하였다. SWMM으로 수행한 모든 경우에 대해서 3차원 모형인 FLOW-3D와 비교하는 것은 많은 시간이 소요되므로 Table 1에서 두 가지 경우(Case 22와 52)에 대하여 3차원 수치모의를 수행하였다.
데이터처리
- SWMM과 Flow-3D의 유속 및 수위에 대한 수치모의 결과값을 비교.분석하였다(Fig.
- 오수관거에 대하여 3차원 모형인 FLOW-3D를 이용하여 모의한 결과값을 SWMM 결과값과 수리모형실험 결과값과 비교.분석하였다.
이론/모형
- 한다. 관거 내의 수리학적 거동을 분석하기 위해서 SWMM(Storm Water Management Model) 및 FL0W-3D 모형을 이용하여 유입유량, 지속시간, 관경사 변화에 따른 관거내 수리현상을 분석하였다. 또한 모형의 적용성을 검증하기 위해서 수리모형실험 자료를 이용하였다.
- 물과 공기의 경계인 자유수면을 모델링하기 위하여 VOF(Volume Of Fluid) 함수를 정의하는데, 함수의 값이 1인 경우는 검사체적에 물이 가득한 상태를 의미하고 함수의 값이 0인 경우는 검사체적에 물이 없는 경우를 의미하고 자유수면에서는 0과 1 사이의 값을 가진다. 난류모형은 RNG(Renormalized Group) k - £ 모형을 사용하였다. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며, 특히 FAVOR(Factional Area and Volume Obstacle Representation) 기법을 사용함으로써 유한체 적법의 접근 방법으로 해석된다.
- 비압축성 유체의 흐름을 해석하기 위해서 FL0W-3D에서 사용하는 지배방정식은 직교좌표계 (z, y, z) 상에서 시간적분 레이놀즈방정식을 사용한다. 물과 공기의 경계인 자유수면을 모델링하기 위하여 VOF(Volume Of Fluid) 함수를 정의하는데, 함수의 값이 1인 경우는 검사체적에 물이 가득한 상태를 의미하고 함수의 값이 0인 경우는 검사체적에 물이 없는 경우를 의미하고 자유수면에서는 0과 1 사이의 값을 가진다.
- 난류모형은 RNG(Renormalized Group) k - £ 모형을 사용하였다. 지배방정식은 유한차분법을 이용하여 이산화되며, 격자계의 구성시 격자망과 지형은 독립적으로 입력되며, 특히 FAVOR(Factional Area and Volume Obstacle Representation) 기법을 사용함으로써 유한체 적법의 접근 방법으로 해석된다.
성능/효과
- SWMM에서 계산된 오수관거 전 구간에 대한 최대유속과, 최대유량을 분석한 결과 관경사가 2 %> 증가 할 경우 동일한 유입량 조건에서 최대유속은 13 - 17 %, 최대유량은 3 - 11 % 증가하였으며, 관 경사가 3 % 증가 할 경우 동일한 유입량 조건에서 최대유속은 15 - 18 %, 최대유량은 4 - 17 % 증가하였다. 또한, 관경사가 5 % 증가 할 경우에는 동일한 유입량 조건에서 최대유속은 29 - 53 %, 최대유량은 13 - 26 % 증가하였다.
- 또한, 관경사가 5 % 증가 할 경우에는 동일한 유입량 조건에서 최대유속은 29 - 53 %, 최대유량은 13 - 26 % 증가하였다.
- 본 연구에서는 관거 세정 방법 중에 하나인 Flushing 방법을 수행하였을 경우, 관경사에 따른 유입유량, 유입 시간 변화에 따른 유속 및 수심의 변화를 분석하여 최소유속을 유지할 수 있는 관의 누가거리를 분석하였다. 분석방법으로는 SWMM과 FLOW-3D 모형을 사용하였으며, 모형의 적용성을 검증하기 위해서 실험자료와 비교 분석한 결과 두 모형은 실험을 수행하여 취득한 관측값과 잘 일치함을 보여주고 있다.
- 1과 같다. 수위와 유속을 비교한 결과 3차원 수치모의 결과값과 수리모형 관측값은 잘 일치함을 보여주고 있다. 유량이 관거를 유하할 경우 시간이 경과됨에 따라서 관 경사에 의해 수심이 낮아지는 현상이 발생할 것이다.
- 유량이 관거를 유하할 경우 시간이 경과됨에 따라서 관 경사에 의해 수심이 낮아지는 현상이 발생할 것이다. 시간이 경과된 관측된 지점에서 수심이 낮아지는 것이 보여주고 있으며, 수치모의도 수위가 저감되는 것으로 모의되었다.
- SWMM의 비해 Flow-3D의 유속이 전체적으로 빠른 것으로 모의되었다. 이것은 SWMM의 유속은 단면 평균유속이어서 FLOW-3D의 지점 유속으로 단면 평균유속보다 지점유속이 빠른 것으로 분석되었지만, 두 모형의 결과값은 잘 일치하는 것으로 분석되었다.
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