[논문]유입구 경사 변화에 따른 나선식 종경사형 유입구 수위-유량 관계 검토

이동섭; 김창완

유입구 경사 변화에 따른 나선식 종경사형 유입구 수위-유량 관계 검토
Investigation on the Stage-Discharge Relation in Inclined Spiral Intake for the Various Inclination 원문보기

한국수자원학회 2009년도 학술발표회 초록집, 2009 May 21, 2009년, pp.1903 - 1907

이동섭 (한국건설기술연구원 수자원연구부) , 김창완 (한국건설기술연구원 수자원연구부)

초록
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최근 도입 필요성이 계속하여 높아지고 있는 지하방수로 유입구로는 유입구 효율과 성능으로 인하여 와류식 유입구가 많이 적용되고 있다. 그 중 나선식 유입구(spiral intake)는 가장 일반적으로 사용되는 형식으로 초기에 활용되었던 원형 유입구(circular intake)를 대신하여 사용되는 형식이다. 형태적인 복잡성에 도 불구하고 형식상의 특성으로 인하여 와류(vortex)를 안정적으로 형성시키기 때문에 많이 사용되고 있다. 나선식 지하방수로 유입구가 사용되는 가장 큰 이유는 유입구 내부에서도 수위가 안정적으로 유지되며, 유입 유량에 따른 수위의 변화가 다른 유입구 형식에 비하여 비교적 안정적으로 예측 가능하기 때문이며, 만약 지하방수로 유입구 내부에서 수위가 안정적으로 유지되지 못하고 도수 현상 등에 의한 수위 상승 현상 등이 발생하는 경우 지하방수로 내부로 안정적으로 유량을 배제하는 것이 어려워지고, 또한 도수 현상이 발생하는 동안 과도한 유량이 유입될 경우 다시 본류로 흐름이 역류할 가능성도 생각할 수 있다. 따라서 유입구 형상에 따른 수위의 변화를 정확히 예측하는 것이 매우 중요해 진다. 본 연구에서 검토될 나선식 종경사형 유입구(inclined spiral intake)는 일정한 바닥 경사를 도입하여 사류 흐름을 보다 안정적으로 가속시켜 유입구 내부에서의 도수 현상을 방지하는 형식으로 유입구 바닥의 외측 또는 중앙선을 따라서 일정한 경사를 주어 사류 유입 흐름을 안정적으로 유도함으로서 유량 배제 효율을 높인 형태라 할 수 있다. 본 연구에서는 유입구 외측을 기준으로 일정한 경사(5.0 %, 7.5 %, 10.0%, 12.5%)를 가진 나선식 종경사형 유입구 모형을 제작하여 유입 유량 변화에 따른 유입구 내부에서 수위-유량관계를 확인하였다

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문제 정의

이는 나선식 유입구의 형태적 복잡성으로 인하여 다양한 바닥 경사에 대한 실험 연구가 이루어지는 것이 상대적으로 힘들기 때문인 것으로 생각된다. 따라서 본 연구에서도 단일 바닥경사를 가지는 실험 모형에 대하여 수위-유량 관계를 검토하기 위한 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 나선식 종경사형 유입구의 수위-유입량 관계를 유입구 경사를 변화시키면서 수리 실험을 통하여 검토하였다. 나선식 종경사형 유입구의 경우 현 실험 조건 하에서는 바닥 경사가 증가할수록 수위-유량 관계의 변동이 증가하는 것으로 나타났다.
나선식 종경사형 유입구는 유입구 바닥의 외측 또는 중앙선을 따라서 일정한 경사를 주어 사류 유입 흐름을 안정적으로 유도함으로서 유량 배제 효율을 높인 형태이다. 본 연구에서는 유입구 외측을 기준으로 일정한 경사를 준 형태의 나선식 종경사형 유입구 모형을 제작하여 유입 유량 변화에 따른 유입구 내부에서 수위 변화를 확인하고자 한다.

제안 방법

실험에 사용된 모형의 바닥경사는 유입구 바닥 외측을 기준으로 표 1에 제시한 것처럼 4가지로 설정하였으며, 총 8가지 유량에 대하여 수위 변화를 측정하였다. 동일 경사의 모형에 대하여 설치된 안내벽 각도를 변화시켜 유입구 내부에서의 수위를 측정하였다. 동일한 크기(설치각도)의 안내벽을 가질 때 바닥경사에 따른 수위변화를 확인하기 위하여 그림 2에 측정한 수위를 나타내었다.
본 연구에서 사용된 나선식 종경사형 유입구 모형은 그림 2와 같이 안내벽(guiding wall)이 있는 형태로, 이후 실험 모형을 개량하여 안내벽이 없는 상태까지 실험을 수행하고자 한다. 안내벽이 있는 경우 흐름의 회전을 유도하여 수직 갱도 내에서 공기 공동의 형성을 촉진하여 원활한 유량 배제에 도움이 되는 것으로 알려져 있고, 대체로 안정적인 흐름이 형성되기 때문에 본 연구에서는 안내벽이 있는 형태를 기본 모형으로 하여 실험을 수행하였다.
실험에 사용된 모형의 바닥경사는 유입구 바닥 외측을 기준으로 표 1에 제시한 것처럼 4가지로 설정하였으며, 총 8가지 유량에 대하여 수위 변화를 측정하였다. 동일 경사의 모형에 대하여 설치된 안내벽 각도를 변화시켜 유입구 내부에서의 수위를 측정하였다.
본 연구에서 사용된 나선식 종경사형 유입구 모형은 그림 2와 같이 안내벽(guiding wall)이 있는 형태로, 이후 실험 모형을 개량하여 안내벽이 없는 상태까지 실험을 수행하고자 한다. 안내벽이 있는 경우 흐름의 회전을 유도하여 수직 갱도 내에서 공기 공동의 형성을 촉진하여 원활한 유량 배제에 도움이 되는 것으로 알려져 있고, 대체로 안정적인 흐름이 형성되기 때문에 본 연구에서는 안내벽이 있는 형태를 기본 모형으로 하여 실험을 수행하였다. 수행된 실험 조건 및 모형 제원은 표 1과 같다.

성능/효과

이는 나선식 유입구에 의해서 가속된 흐름의 상태가 매우 안정적이라는 것을 반영하는 결과로 보인다. 기본적으로 안내벽 설치각도가 줄어듦에 따라 유입 면적이 증가하지만 안내 벽 설치각도가 180도 정도 되는 시점부터 실질적인 유입량에는 큰 변화가 없는 것처럼 나타났다. 180도 보다 설치각도 더 줄어든 시점부터는 수표면 변화 추이를 볼 때 안내벽에 의한 흐름 안정 효과가 상대적으로 감소하고 있는 것으로 보인다.
본 연구에서는 나선식 종경사형 유입구의 수위-유입량 관계를 유입구 경사를 변화시키면서 수리 실험을 통하여 검토하였다. 나선식 종경사형 유입구의 경우 현 실험 조건 하에서는 바닥 경사가 증가할수록 수위-유량 관계의 변동이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 경사가 증가하여 수위-유량 관계의 변동이 증가하지만 이러한 변동은 유입구의 외벽에서 주로 확인되며 유입 수갱 내부를 향해서는 비교적 와류 흐름이 안정적으로 형성되는 것으로 파악되었다 또한 유입 수갱 내부에서의 질식 현상은 나타나지 않는 것으로 확인되었다.
유입구의 바닥경사를 5.0 %에서 12.5 % 까지 순차적으로 경사를 증가시켰을 때 경사가 증가할수록 안정된 사류 흐름이 유도될 것으로 기대되었으나, 안내벽 설치에 따른 흐름 안정 효과가 감소할수록 흐름의 변동이 더 증가하는 것으로 보인다. 이러한 특성은 유입 수갱 반경이나 접근 수로의 폭 등 유입구의 실질적인 제원이 바뀜에 따라 달라질 수 도 있지만, 현 시점에서는 제시된 설계 유량과 유입 수갱 반경에 대하여 유량 배제 효율을 극대화하기 위해서는 안내벽 설치 각도와 바닥 경사 모두 최적화하는 것이 필요한 것으로 판단된다.

후속연구

5 % 까지 순차적으로 경사를 증가시켰을 때 경사가 증가할수록 안정된 사류 흐름이 유도될 것으로 기대되었으나, 안내벽 설치에 따른 흐름 안정 효과가 감소할수록 흐름의 변동이 더 증가하는 것으로 보인다. 이러한 특성은 유입 수갱 반경이나 접근 수로의 폭 등 유입구의 실질적인 제원이 바뀜에 따라 달라질 수 도 있지만, 현 시점에서는 제시된 설계 유량과 유입 수갱 반경에 대하여 유량 배제 효율을 극대화하기 위해서는 안내벽 설치 각도와 바닥 경사 모두 최적화하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
그러나 경사가 증가하여 수위-유량 관계의 변동이 증가하지만 이러한 변동은 유입구의 외벽에서 주로 확인되며 유입 수갱 내부를 향해서는 비교적 와류 흐름이 안정적으로 형성되는 것으로 파악되었다 또한 유입 수갱 내부에서의 질식 현상은 나타나지 않는 것으로 확인되었다. 이후 연구에서는 나선식 종경사형 유입구의 바닥 경사 최적화를 위하여 심도 있는 분석이 필요할 것으로 판단되며, 또한 현 실험 결과를 이용하여 나선식 종횡경사형 유입구와 비교하는 것이 필요할 것으로 생각된다.

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