• 검색 결과가 없습니다.

수리시설물 분석하기(LM1402010702_14v2.3) 학습 4 배수위 산정하기(LM1402010702_14v2.4)

문서에서 대분류 건설 (페이지 36-50)

2-1. 관수로의 특성 분석

학습 목표 유체의 점성으로 인한 마찰력과 에너지 손실계수 등을 산정할 수 있다.

•관수로 내 유속분포, 마찰손실계수, 단면변화 손실계수 등을 산정할 수 있다.

필요 지식 /

󰊱 Reynolds 수의 정의

실제유체가 가지는 점성은 유체층 간 혹은 유체입자와 경계면 사이에 마찰력을 일으킴으 로써 흐름에 저항력을 유발시키게 되며, 흐름은 층류(Laminar flow)와 난류(Turbulent flow) 의 서로 다른 흐름형태를 만든다. 층류에서는 유체입자가 서로 층을 이루면서 직선적으로 미끄러지게 되며 이들 층과 층 사이에는 유체의 분자에 의한 운동량의 변화만이 있을 뿐 이다. 반면에 난류는 유체입자가 심한 불규칙 운동을 하면서 상호 간에 격렬한 운동량의 교환을 하면서 흐르는 상태를 말한다. Reynolds는 Reynolds 수라는 무차원량을 다음과 같 이 정의하였다.

 

 

 (2.1)

여기서 는 유체밀도, 는 관내의 평균유속, 는 관경, 는 점성계수이고 는 동점성계 수이다. Reynolds 수에 의하여 흐름을 층류와 난류로 구분할 수 있다.

수 < 2,100이면 층류

2,100 < 수 < 4,000이면 불완전 층류

수 > 4,000이면 난류

󰊲 유체의 점성으로 인한 마찰력과 에너지 손실

[그림 2-1]과 같이 실제유체가 단면 1에서 단면 2로 흐를 때에는 유체의 점성으로 인한 마 찰력 때문에 유체가 가지는 에너지 일부가 손실되는데, 이를 손실수두(head loss)라 한다.

따라서 실제유체의 흐름에 대한 완전한 Bernoulli 방정식은 다음과 같다.

출처: 윤용남(2014), 『수리학』. 청문각. p.156.

[그림 2-1] 실제유체 흐름



 

  

 

   (2.2)

여기서 은 손실수두로서 단위무게의 유체가 단면 1로부터 단면 2로 흐르는 동안 마찰로 손실되는 에너지이다. 즉

   

 

   

 

  (2.3)

출처: 이종형 외(2012), 『수리학』. 구미서관. p.192.

[그림 2-2] 미소유체의 단면

[그림 2-2]와 같은 미소유체의 단면 1, 2 사이에 통제용적 유관의 흐름방향으로 역적-운동 량의 원리를 적용하면

          

=        (2.4)

여기서 는 유관의 윤변(Wetted perimeter)이다. 식 (2.4)를 로 나누면 다음과 같이 표 시할 수 있다.



 

    

 

(2.5)

여기서 는 동수반경이라 하며 유수단면적 를 윤변 로 나눈 것으로 정의한다. 식 (2.5) 의 좌변을 단면 1과 2에서의 에너지항으로 각각 표시하여 정리하면



 

   

 

   



(2.6) 식 (2.6)을 에너지방정식(식 2.3)과 같이 비교하면

   

 

 

 

(2.7)

식 (2.7)은 유체가 흐를 때 점성에 의한 마찰효과 때문에 생기는 손실수두와 마찰응력 사 이의 관계를 이론적으로 표시한 것이다. 반경 r인 원주에는 유속이 다른 두 유체층 때문에 마찰응력 가 발생되며 와 손실수두 간의 관계를 유도할 수 있으므로  대신 를

  대신 를 그리고 동수반경      를 대입하면

   

 

 ∴  





  

 (2.8)

식 (2.8)에서 마찰응력 는 유관의 중립축으로부터의 거리 에 비례하는 직선형 분포를 보 인다. 관로상의 두 단면 간에 생기는 손실수두는 Darcy-Weisbach에 의해 다음과 같이 표 시된다.

  

 

(2.9)

여기서 는 마찰손실계수로서 주로 관의 조도에 관계된다. 마찰손실계수는 흐름과 경계면 사이에 일어나는 마찰전단응력의 크기를 간접적으로 표시하는 계수이므로 식에서  일 때   로 놓고 식의 관계를 이에 대입하면

 

 

 

 (2.10)

여기서 관경      이므로 식을 간단히 하면

 



(2.11)

󰊳 관수로 내 유속분포와 마찰손실계수

출처: 이종형(2012), 『수리학』. 구미서관. p.194.

[그림 2-3] 관로의 유속분포

[그림 2-3]과 같은 관로에 층류가 흐를 경우 유체의 마찰응력(식 2.8)과 Newton의 마찰법

칙(식 1.5)을 같게 놓으면

  



  

 (2.12)

관벽으로부터 중립축 방향으로 거리    이므로   이다. 따라서





  

 (2.13)

식 (2.13)을 에 관해 적분하고 경계조건   일 때   를 사용하면 적분상수    이다. 따라서

   



   (2.14)

식 (2.14)은 관수로 내 층류의 유속분포가 포물선형임을 의미한다. 그런데 관벽, 즉   에서의 유속   이므로 이로부터

  

(2.15) 식 (2.15)을 식 (2.14)에 대입하여 정리하면

    

 (2.16)

원관 내 흐름이 포물선형 유속분포를 가질 경우에   관계와 경계조건   일 때

  을 식 (2.14)에 대입하면 손실수두를 평균유속과 관의 특성변수의 항으로 표시할 수 있다.

 



(2.17)

식 (2.17)으로부터 층류의 경우 손실수두는 평균유속에 직접 비례함을 알 수 있다. 식 (2.17)을 식 (2.9)와 같게 놓고 정리하면

  

 

 (2.18)

식 (2.17)의  대신   을 대입하고 에 관하여 정리하면

  



(2.19) 식 (2.19)은 Hagen-Poiseuille 법칙이라 한다.

수행 내용 / 에너지손실계수 계산하기

재료·자료

해당 사항 없음 기기(장비·공구)

Reynolds의 실험장치

메스실린더, 비커, 색소 안전·유의 사항

유리 기구 사용 시 파손에 의한 부상을 주의한다.

색소 등 배출에 의한 수질오염에 주의한다.

수행 순서

󰊱 Reynolds의 실험을 시행한다.

[그림 2-4]는 Reynolds의 실험 장치를 도식적으로 표시한 것이고 이를 이용하여 점성에 의 한 흐름 상태를 구별하기 위한 실험을 행한다.

출처: 윤용남(2014), 『수리학』. 청문각. p.146.

[그림 2-4] Reynolds의 실험장치

실험방법과 결과분석은 다음과 같다.

1. 수조 내에 물을 주입하고 수온을 측정하고 물의 온도로부터 동점성계수()를 구한다.

2. 유량 조절밸브를 열어 유량을 조정하고 유량을 측정한다.(Q)

3. 색소액을 관 내부에 주입하고 유량조절밸브를 조작하여 유량을 변화시켜 층류인지 난류 인지 관찰한다.

4. 유량을 단계적으로 증가시켜 층류에서 난류로 변화하는 것을 관찰하고 더욱 유량을 증 가시킨다.

5. 난류상태에서 유량을 단계적으로 감소시켜 층류로 변하는 것을 관찰한 후에 더욱 유량 을 감소시킨다.

6. 관측관의 내경을 이용하여 유속을 계산한다.  

7. 관찰의 각 단계에서 레이놀즈수를 측정하여 흐름의 상태를 기록하고 비교 검토한다.

출처: 윤용남(2014), 『수리학』. 청문각. p.146.

[그림 2-5] 층류와 난류

󰊲 단면변화 수두손실을 계산한다.

관수로 내 흐름의 수두손실에는 유체와 관벽의 마찰로 인한 관마찰손실 이외에 흐름의 단 면에 갑작스러운 변화가 생기므로 인해서 발생하는 미소손실(minor losses)이 있다. 이 미 소손실은 단면의 확대 혹은 축소, 만곡부, 밸브 및 기타 각종 부속물에 의하여 흐름이 가 속되거나 감속될 때 발생하는 와류현상 때문에 생기는 것으로 흐름이 감속될 경우에 더 큰 에너지 손실이 생기게 된다. 관로가 비교적 긴 경우에는 미소손실이 마찰손실에 비하 여 상대적으로 작으므로 거의 무시할 수 있으나 짧은 관로에서는 중요한 부분을 차지한다.

지금까지의 실험결과에 의하면 미소손실은 속도수두에 비례하는 것으로 알려져 있다. 즉

 

(2.20)

여기서 은 미소손실계수로서 주로 흐름의 단면변화 양상에 따라 결정된다.

1. 단면 급확대에 따른 손실 계산하기

관의 단면적이 갑자기 확대되면 그 단면을 지날 때에 많은 에너지 손실을 수반한다. 이는 점성소산에 의하여 일어난 유체 내부에너지의 상승으로 인한 에너지손실이다.

출처: 이종형(2012), 『수리학』. 구미서관. p.208.

[그림 2-6] 축대칭 급확대관

검사체적 에 운동량 방정식을 적용하면

    

     (2.21) Bernoulli 방정식을 적용하면



 

 

 

  (2.22)

식 (2.21)과 식 (2.22)로부터  를 소거하고   를 고려하면



 

 

 

  (2.23)

에 관해서 풀면 급확대관에서의 손실수두는

  

 

   



(2.24) 따라서 식 (2.24)에서의 계수는

    

(2.25) 로서 에 비해 가 아주 큰 경우 ≈ 이 되어   이 된다.

따라서 손실수두는 로서 운동에너지가 완전히 열에너지로 흡수된다.

2-2. 개수로의 특성 분석

학습 목표 개수로 내 유속분포, 복합단면의 등가조도계수 등을 산정할 수 있다.

•개수로 내 흐름의 유량, 수심, 평균유속 등을 산정할 수 있다.

필요 지식 /

󰊱 개수로 내 유속분포

개수로 단면은 측벽과 수로바닥을 이루는 고체경계와 대기와 접하는 자유표면경계의 두 가지 형태의 경계가 존재한다. 고체경계면에서는 물의 입자는 비활조건에 의해 속도가 0 이고, 자유표면 경계에서는 임의의 속도를 갖는다. [그림 2-7]과 같은 개수로 흐름에 있어 서 균일 단면 수로를 가정하고 유속분포의 예를 도시하였다. 그림에서 실선은 속도가 동 일한 값을 연결한 선으로서 등유속을 나타내고 단면의 우측에는 연직속도 분포를 도시하 였다. 수로는 직선이고 유수단면적과 수로경사가 일정하여 수로 단면마다 균일한 흐름이 라 가정한다. 수로의 단면 평균유속은 통상 수면에서 총 수심의 약 60%의 점을 기준으로 한다. 평균유속을 측정하여 구할 때는 수면에서부터 20%, 60%, 80% 깊이에서 점유속을 측 정하여 이를 평균하여 단면의 평균유속으로 취한다.

  

  

 

  

   (2.26)

출처: 이종형 외 1인(2012), 『수리학』. 구미서관. p.296.

[그림 2-7] 개수로의 유속분포

1. 복합단면수로의 등가조도

단순한 형태의 수로일지라도 윤변 전체에 걸쳐 조도계수 이 일정하지는 않으나 경계면 의 재료가 동일한 경우에는 Manning의 조도계수 값을 사용하여 평균유속을 계산할 수 있 다. 그러나 통수단면의 윤변이 상이한 재료로 되어 있거나 혹은 윤변 각 부분의 조도가 판이하게 다를 경우에는 평균치로서 등가조도를 계산하여 사용하게 된다.

등가조도의 계산은 Horton-Einstein에 의하면 [그림 2-8]과 같은 통수단면을 윤변의 국부 적 조도크기에 따라 의 소구간으로 나누고 이들 소구간의 윤변을  ⋯  그리 고 조도계수를 ⋯이라 할 때 등가조도(equivalent roughness) 

 

  

  (2.27)

여기서 는 윤변의 총 길이이다. 식 (2.27)은 개 소구간에서의 유속은 각각 전단면의 평 박균유속 와 같다는 가정으로부터 유도되었다.

출처: 윤용남(2014), 『수리학』. 청문각. p.294.

[그림 2-8] 복합 통수단면

󰊲 개수로 내 유량, 평균유속 산정

등류의 유량계산은 등류 공식과 흐름의 연속방정식을 사용하여 해결한다. 등류 공식으로 Manning 공식을 택하면

    

 (2.28)

여기서

  

 (2.29)

는 통수단면의 기하학적 형상과 조도계수에만 관계되는 것으로서 개수로의 통수능 (conveyance)이라 부르며, 은 통수단면의 형태에만 관계되는 변량임을 알 수 있다.

등류 공식은 여러 가지 경험 공식이 사용되어 왔으며, 이 중 많이 사용되는 공식을 소개 하면

Chezy 공식:  





 (2.30) C를 Chezy 계수라 한다.

Manning 공식:   

  (2.31) 여기서 은 Manning 조도계수이며 수로의 종류 및 상태에 따른 값이다.

Chezy 계수 C와 조도계수  간의 관계는 다음과 같다.

  

 (2.32)

수행 내용 / 개수로 내 유속측정 및 유량 계산하기

재료·자료

방안지, 자 기기(장비·공구)

개수로 장치, 유속계 안전·유의 사항

유속계를 흐름방향에 수직하게 위치시킨다.

유속계를 측정하고자 하는 수심에 정확하게 위치시킨다.

수행 순서

󰊱 유속계를 이용하여 유속을 측정한다.

1. 방안지에 축척을 적용하여 유속 측정할 단면을 작성한다.

2. 단면의 전 폭을 일정 간격으로 나눈다.

3. 유속계를 이용하여 각 분할 단면의 수심을 고려하여 적합한 수심의 위치에서 유속을 측 정한다.

4. 측정된 유속을 방안지의 각 단면위치에 기입한다.

5. 유속이 동일한 지점을 연결하여 분포도를 그린다.

출처: 이종형 외(2015), 『수문학』. 구미서관. p.104.

[그림 2-9] 유속측선의 배치

문서에서 대분류 건설 (페이지 36-50)

관련 문서