공기 혼입에 따른 수평 관로 흐름의 동적 거동에 대한 실험 연구

국문 초록 (Abstract)

흐름 내 기체가 공존하는 물-공기 이상류는 유체 간 상호작용으로 인해 다양한 수리학적 특성을 나타낸다. 액체와 기체의 상 경계면은 시공간적으로 변동하며 공기 유입에 따라 통수능에 기여하는 유효흐름단면은 감소한다. 이러한 이상류 거동은 홍수 배제를 목적으로 하는 배수 시스템의 설계 및 운영에 영향을 미치며 설계유량의 안정적 배제를 저해하는 요인으로 작용할 수 있다. 따라서 이상류의 흐름특성을 고려한 통수능 및 흐름 안정성에 대한 해석이 요구된다. 본 연구에서는 수평관을 흐르는 물-공기 이상류에 대한 실험을 통해 흐름의 주기적 특성을 고려한 평균 기체경계면과 유효흐름단면을 산정하였다. 실험은 내경 100 mm 수평관에서 플러그, 슬러그 흐름 조건을 대상으로 수행되었으며, PIV 기법을 이용한 유속구조 실험과 영상분석기법을 적용한 기포거동 실험을 각각 수행하였다. 횡단면별 PIV 측정을 통해 흐름의 자기상사성이 확인되었으며, 이를 기반으로 단면 내 지점별 기체점유율을 산정하였다. 실험결과 흐름 내 기체점유율 분포는 유량 조건보다 흐름양상 특성에 지배되는 것으로 나타났다. 플러그 흐름에서는 기체가 관 상부에 집중되어 점유율 분포에 급격한 변화를 보였으며 슬러그 흐름에서는 기체가 단면 전반으로 확산되며 상대적으로 완만한 분포를 보였다. 이러한 기체점유율 분포와 연계하여 PIV 분석 결과, 점유율이 감소하는 구간에서 유효벡터비가 뚜렷하게 변화함을 확인하였다. 기체점유율과 PIV 유효벡터비의 상관관계를 기반으로 기체 점유 영역의 경계 기준을 정량적으로 산정하였으며 이를 통해 흐름양상별 유효흐름단면을 도출하였다. 그 결과 플러그 흐름과 슬러그 흐름 간 유효흐름단면에는 최대 15% 차이가 나타났으며, 이는 흐름양상에 따라 실제 액체 수송에 기여하는 유효단면적이 달라질 수 있음을 의미한다. 또한 펌프 회전 조건에 따른 상대 요구에너지 지표 분석을 통해 관 내 공기 혼입이 유효흐름단면을 감소시키고 이에 따른 시스템 저항이 증가함을 확인하였다. 이러한 결과는 이상류가 발생하는 대심도터널과 같은 대구경 관로에서 흐름양상에 따라 실제 배수능력이 설계 성능에 미치지 못할 수 있음을 의미한다. 따라서 관로시스템의 설계 및 운영 시 공기 혼입에 따른 유효흐름단면의 감소와 이에 따른 통수능 변화를 고려할 필요가 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론
• 1.1 연구 배경 및 필요성
• 1.2 목적 및 내용
• 제 2 장 이론적 배경
• 2.1 이상류 개요 및 흐름양상
• 2.2 흐름구분도
• 2.3 플러그 및 슬러그 흐름
• 제 3 장 연구내용 및 방법
• 3.1 실험장치
• 3.1.1 관수로 흐름모형
• 3.1.2 측정장비
• 3.2 실험방법 및 조건
• 3.2.1 유속구조 실험
• 3.2.2 기포거동 실험
• 3.3 측정기법 검증
• 제 4 장 결과 및 분석
• 4.1 유량변동성 해석
• 4.2 유속구조 분석
• 4.2.1 유량 조건별 유속 분포
• 4.2.2 흐름양상별 유속 분포
• 4.3 기체점유율 분석
• 4.3.1 유량 조건별 기체점유율 분포
• 4.3.2 흐름양상별 기체점유율 분포
• 4.4 유효흐름단면 산정
• 4.4.1 α–VVR 관계 분석
• 4.4.2 평균 기체경계면
• 4.4.3 유효흐름단면
• 제 5 장 결론
• 5.1 요약 및 결론
• 5.2 고찰 및 향후 연구