< 연구 결과요약서 >

< 연구 결과요약서 >

소속 학교 경남과학고등학교

책임 지도교사

공동 지도교사 하 O수

과 제 명 공기기둥 형성을 억제하여 침수 피해를 줄이는 배수구 형태와 입체 구조물에 관한 연구

연구목표

본 연구에서는 다양한 배수구 모형을 제작해 배수시켰을 때 발생하는 공기기둥 현상의 특징을 파악하여 배수 효율을 높일 수 있는 배수구 모형을 제작하고자 한다. 더 나아가 여러 가지 입체 구조물을 설치했을 때 공기기둥의 형성 특징을 파악하고자 한다.

연구개요 및 내용

□ 이론적 배경 및 선행연구

○ 이론적 배경 -배수 시간 지연

액체 용기에 바닥면의 배출구를 통해 액체를 배출하게 되면 공기와 접한 자유 표면의 중심 부위가 오목하게 들어가게 되고 자유 표면이 어떤 일정 높이에 도달하게 되면 공기 기둥이 생성되어 자유표면과 배출구를 연결하게 된다. 공기기둥이 형성되면 배출구의 유효 배출 면적이 줄어들게 되어 배출유량이 감소하게 된다.

-베르누이 방정식

유체의 역학적 총에너지, 즉 유체의 압력에 의한 에너지와 임의의 수평면에 대한 중력에 의한 위치 에너지, 유체의 운동 에너지의 총합은 일정하다.

-연속 방정식

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○ 선행연구

-물의 점성, 원형 용기의 배수면 및 배수구 경사, 반구형 그물망의 이용여부에 따른 공기기둥 발생에 관한 연구가 있었다. 물의 점성이 높아질 때 배수 속도가 빨라지고, 반구 형상의 그물망 이 난류를 생성해 공기기둥 발생을 억제할 수 있으며 배수면의 경사는 공기기둥을 억제하지 못함을 알 수 있었다.

□ 연구 주제 선정(목적 및 필요성)

○ 필요성

-배수구에 공기기둥이 형성되어 배수구의 유효 배출 면적이 줄어들어 배수 속도가 느려진다.

이는 집중 호우 때, 배수가 원활하게 되는 것을 방해하여 홍수피해를 야기할 수 있다. 따라서 공기 기둥의 형성을 억제하여 배수 효율을 높이는 것이 필요하다.

○ 목적

-공기기둥이 형성되는 시간이 배수효율에 미치는 영향을 파악한다.

-배수구 모양에 따른 공기기둥의 크기, 형성 시기, 배수 효율을 파악한다.

-배수 장치에 여러 가지 입체적인 구조물을 설치했을 때의 공기기둥 형성 특징을 알아본다.

-공기기둥을 최소화하여 배수효율을 높일 수 있는 배수 장치를 제안한다.

□ 연구 방법

○ 여러 가지 배수 모양을 통해 공기기둥의 형성을 최소화하는 구조의 특징 파악 1) 측정하고자 하는 모양의 배수구를 절연 테이프를 이용해 배수 장치에 고정시킨다.

2) 물 11L를 배수장치에 넣은 후 수면이 안정화될 때까지 일정 시간 기다렸다가 회전 장 치를 통해 액체를 회전시킨다.

3) 회전이 끝난 즉시 배수 마개를 열어 수면이 배수 장치 옆면의 눈금에 도달했을 때의 시 간을 센서를 통해 기록한다. 10L선부터 측정하기 시작하여 1L 선에서 측정을 종료한다.

4) (1)~(3)의 과정을 하나의 배수구 모형에 대해 7회 이상씩 반복하여 시행한다.

○ 입체구조물이 공기기둥의 형성에 미치는 영향

1) 공기기둥 형성 정도와 배수시간을 측정하고자 하는 구조물을 3D프린팅 또는 아크릴 판을 이용하여 제작한다.

2) 제작한 구조물을 공기기둥이 가장 잘 형성되었던 배수구 모형(원형 배수구)에 부착한다.

3) 모형을 배수 장치에 고정시키고 PASCO 거리센서를 이용하여 배수시간 및 속도를 파악한 다.

4) 배수 시 카메라로 배수 모습을 촬영하여 공기기둥 형성정도를 파악한다.

5) (1)~(4)의 과정을 하나의 구조물에 대해 7회 이상씩 반복하여 시행한다.

※ 제한점 :홍수 등 재해가 발생했을 때의 배수규모와 실험을 진행할 때의 배수 규모가 달라 차이가 발생할 수 있다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 장치 제작 1. 배수 장치 제작

-배수구의 모양에 따른 배수 시간을 측정하기 위해 간단히 배수구 모양을 교체할 수 있는 배수 장치를 제작하였다. 아크릴을 이용해 원통형 배수 용기를 제작하고, 밑면의 중앙에 정사각 형 구멍을 뚫어 배수구 모양을 교체할 수 있도록 하였다. 물이 1L 배수되는 시간 간격을 측정하기 위해 장치 옆면에 1L 간격으로 눈금을 표시한다.

2. 회전 장치

-실제 배수 시에는 강한 회전이 존재하므로, 그 조건을 고려하여 실험을 진행하기 위해서 수조 크기에 맞는 스티로폼 판을 모터에 부착하여 회전 장치를 만든다.

3. 배수구 모형

-정사각형 틀을 기준으로 하여 내부에 배수구를 뚫어 제작한다. 면적을 일정하게 유지하며 정사각형, 정삼각형, 원, 타원(이심률 0.1, 0.2, ⋯ , 0.9) 모양 등의 배수구를 사용해 실험한다.

4, 입체구조물

○ 실험 과정

실험 목적: 여러 가지 배수 모양을 통해 공기기둥의 형성을 최소화하는 구조의 특징 파악 실험 1. 회전이 없을 경우 공기기둥 형성 시각 및 배수 시간 측정

실험 2. 회전이 있을 경우 공기기둥 형성 시각 및 배수 시간 측정(배수구 모양이 하나일 때) 실험 3. 회전이 있을 경우 공기기둥 형성 시각 및 배수 시간 측정(배수구 모양이 분산되어 때)

실험 방법:

1) 측정하고자 하는 모양의 배수구를 절연 테이프를 이용해 배수 장치에 고정시킨다.

2) 물 11L를 배수장치에 넣은 후 수면이 안정화될 때까지 일정 시간 기다린다.

( 회전이 있는 경우의 실험에는 수조에 부착된 회전 장치를 통해 액체를 회전시킨다. ) 3) 배수 마개를 열어 수면이 배수 장치 옆면의 눈금에 도달했을 때의 시간을 센서를 통해 기록

한다. 10L선부터 측정하기 시작하여 1L 선에서 측정을 종료한다.

4) (1)~(3)의 과정을 하나의 배수구 모형에 대해 7회 이상씩 반복하여 시행한다.

실험 목적: 입체구조물의 설치에 따른 공기기둥 형성 특징을 알아보고 공기기둥을 억제할 수 있는 구조물 제시

1.다양한 구조물에 대해 공기기둥의 형성 및 배수시간 측정 실험 과정

1) 공기기둥 형성 정도와 배수시간을 측정하고자 하는 구조물을 3D프린팅 또는 아크릴 판을 이용하여 제작한다.

2) 제작한 구조물을 공기기둥이 가장 잘 형성되었던 배수구 모형에 부착한다.

3) 모형을 배수 장치에 고정시키고 PASCO 거리센서를 이용하여 배수시간 및 속도를 파악한 다.

4) 배수 시 카메라로 배수 모습을 촬영하여 공기기둥 형성정도를 파악한다.

5) (1)~(4)의 과정을 하나의 구조물에 대해 7회 이상씩 반복하여 시행한다.

연구성과

□ 연구 결과

○ 실험 결과

실험결과(1) 1번 실험에서 수면 높이에 따른 배수시간을 측정하여 그래프를 그려보면 딤플이 형성되는 시간 구간에서 배수속도가 갑자기 느려짐을 확인할 수 있었다.

실험결과(2) 1번과 2번 실험에서 회전횟수가 증가할수록 배수 지연시간이 증가하였다.

실험결과(3) 2,3번 실험에서 배수구 모형(원, 타원, 정삼각형, 정사각형, 원4개 분산형, 원9개 분산형)에 대해서 공기기둥은 배수구 중앙에 형성되었으며 형성 크기는 비슷하였다.

실험결과(4) 배수효율은 원<타원<삼각형<사각형<원9개<원4개로 나타났다.

실험결과(5) 추가실험으로 중앙에 배수 구멍이 없는 도넛모양의 배수구 모형에서도 중앙에 공기기둥이 형성됨을 확인했다.

□ 결과 해석 및 논의

결과해석 : 실험결과(1)과 실험결과(2)로 부터 딤플 및 공기기둥의 형성이 배수속도를 지연하는 주요요인임을 확인할 수 있다.(회전이 빠를수록 공기기둥 형성이 빨라지는데, 실험 1과 실험 2의 결과에서 회전속도를 증가시킬수록 배수속도가 느려짐을 확인할 수 있었기 때문에 공기기 둥의 형성이 배수속도에 큰 영향을 주는 요인임을 알 수 있다.)

논의 : 여러 가지 배수 모양을 통해 공기기둥의 형성을 최소화하는 구조의 특징 파악 -공기기둥의 형성이 배수 장치의 바닥 부분의 영향이 클 것으로 예상되어 구조물은 배수구와 가깝게 아래쪽에 설치할 때, 공기기둥의 억제 효율이 높을 것으로 예상된다. 또한, 구조물이 배수구 중심에 가까울수록 공기기둥의 억제가 더욱 효율적일 것으로 예상된다.

□ 결론 및 제언(시사점 및 향후 계획)

○이번 연구에는 여러 가지 실험을 통해 공기기둥 형성의 대략적인 특징을 알아보았다면, 앞으 로 유체에 대해 더 학습하여 공기기둥 형성 원인과 그 정도를 수식으로 표현하는 연구를 진행 할 것이다.

주요어 공기기둥, 배수구, 침수, 배수시간, 입체구조

< 연구 결과보고서 >

1. 개요

□ 연구목적

○ 연구 동기

학교의 세면대를 사용할 때 배수가 빨리 되지 않아 불편함을 느꼈었다. 무언가 세면대를 막고 있는 것은 없었지만 배수가 잘 되지 않았기 때문에 배수 구조에 문제가 있음을 느꼈다. 배수 속도에 영향을 주는 주된 요인은 배수구의 형태와 배수관의 재질 및 형태이다. 우리는 배수관을 교체하기보다는 배수구를 교체하는 편이 효율적이라 생각하였다. 따라서 우리는 기존의 배수구의 형태를 파악하고, 배수 효율을 높일 수 있는 배수구를 제작하고자 한다.

○ 연구 목적

가. 공기기둥이 형성되는 시간이 배수효율에 미치는 영향을 파악한다.

나. 배수구 모양에 따른 공기기둥의 크기, 형성 시기, 배수 효율을 파악한다.

다. 공기기둥을 최소화하는 배수구 모양을 제안한다.

라. 공기기둥을 최소화 할 수 있는 입체 구조물을 설치하여 배수효율에 미치는 영향을 파악한다.

마. 배수효율을 극대화 할 수 있는 3차원 배수구를 제안한다.

2. 연구 수행 내용

□ 이론적 배경 및 선행 연구

○ 선행 연구

선형 연구 조사 결과 물의 점성, 원형 용기의 배수면 및 배수구 경사, 반구형 그물망의 이용여부에 따른 공기기둥 발생에 관한 연구가 있었다. 물의 점성이 높아질 때 배수 속도가 빨라지고, 반구 형 상의 그물망이 난류를 생성해 공기기둥 발생을 억제할 수 있으며 배수면의 경사는 공기기둥을 억제 하지 못함을 알 수 있었다. 본 연구는 배수액의 점성과 배수 장치를 일정하게 유지하며 배수구 모 형에 따른 배수 효율을 최대화한다는 점에서 기존 연구와 차이점을 가진다.

*공기기둥 (air core)

액체 용기에 바닥면의 배출구를 통해 액체를 배출하게 되면 공기와 접한 자유 표면의 중심 부위가 오목하게 들어가게 되고 자유 표면이 어떤 일정 높이에 도달하게 되면 공기 기둥이 생성되어 자유 표면과 배출구를 연결하게 된다. 공기기둥이 형성되면 배출구의 유효 배출 면적이 줄어들게 되어 배출유량이 감소하게 된다.

공기기둥 (air core)

□ 연구주제의 선정

○ 유체에 관한 논문을 조사하던 중, 공기기둥에 관한 논문을 읽게 되었다. 공기기둥의 형성에 의한 피해 사례 등에 대해 알게된 이후, 공기기둥의 형성에 대한 조사를 진행하였다. 그리고 공기기둥을 억제하는 방법에 대해 조원들과 토론해보았고, 배수구 구조의 변화를 통해 공기기둥을 억제하자는 의견을 내어 이를 연구 주제로 선정하였다.

□ 연구 방법

○ 다양한 배수구 모형 및 입체 구조물 설치 시 공기기둥 형성 특징 및 배수 효율을 알아보기 위해서 배수 시 부표 장치를 통해서 배수 속도와 배수 시간을 측정하였다.

□ 연구 활동 및 과정

○ 장치 제작

가. 배수구

1. 6cm*6cm의 정사각형 틀을 기준으로 하여 내부에 배수구를 뚫어 제작한다. 지름 3cm의 원을 기준 으로, 면적을 ^×   ^으로 일정하게 유지하며 정사각형, 정삼각형, 타원(이심률 0.1, 0.2, ⋯ , 0.9) 모양 등의 배수구를 사용해 실험하였다.

배수구 모형

2. 원형 아크릴판의 중심에 원형의 구멍을 뚫어 제작된 배수구 모형을 이용하였으며 본 연구에서 사용한 배수구 구멍의 크기는 지름4cm 와 지름6cm 이다.

<지름 6cm 배수구> <지름 4cm 배수구>

나. 배수 용기

지름 30cm, 높이 20cm의 원통 모양이며 밑면에는 배수구 모형보다 지름이 조금 더 큰 구멍이 뚫 려 있어 배수구 모형을 끼울 수 있도록 되어있다. 또한 배수시간을 측정하기 위해서 용기에는 부 피가 16L와 2L인 높이를 표시 해두었다.

다. 급수장치

배수 용기에 물을 급수할 수 있는 장치이다.

라. 배수마개

두꺼운 원형의 플라스틱 판 또는 스타이로폼 판을 이용하였다. 물을 급수할 때 물이 새어나가는 것을 막는다.

<스티로폼 마개> <아크릴 마개>

마. 회전 장치

초기에 물에 인위적인 회전을 가해주기 위해서 제작된 것으로 과학 상자를 이용하여 제작하였다.

물속에서 초당 한번 회전한다.

바. 회전 억제 판막 및 고정 장치 회전억제판막 type 1.

플라스틱을 이용하여 제작하였으며 x를 달리하여 제작하였다. 이 판막을 판막 고정 장치에 끼운 후 고 정 장치를 배수 용기 옆면에 부착하여 사용한다.

x를 달리하여 제작함으로써 아래 그림에서 빨간색 부분에 해당하는 배수 용기 중앙으로부터의 판막까지 의 거리를 달리 할 수 있다.

회전억제판막 type 2.

회전억제판막 1 에서는 플라스틱을 이용하였지만 제작의 용이성을 위해서 판막의 재료를 스티로폼 판으 로 바꾸었다. 물의 경로를 바꾸어주는 판막의 역할에 있어서 재질은 큰 영향을 주지 않을 것으로 생각 하여 더 편리하게 제작할 수 있는 재료로 바꾸었다.

판막의 가로길이y와 세로길이z를 달리하여 제작 하였다.

회전억제판막 type 1은 실험 1, 실험2, 실험 3에서 사용하였으며

이후에 진행하게 된 실험인 실험4, 실험5, 실험6에서는 회전억제 판막 type 2를 이용하였다.

실험 3에서 판막의 설치높이가 낮을수록 배수효율이 높아짐을 확인했기 때문에 기존의 회전억제판막 type 1.을 용기 옆면에 고정시켜 사용한 것과는 다르게 회전억제판막 type 2.는 배수구 바닥면에 붙여서 사용하게 되었다.

○ 실험 과정

<배수구 형태에 관한 실험>

실험1. 회전이 없을 경우 공기기둥 형성 시각 및 배수시간 측정

가. 실험 목적

본 실험은 액체의 회전을 최대한 억제한 상태에서 배수를 시작하였을 때 배수구의 모양에 따른 배수 시간과 공기기둥 형성시각을 측정, 분석하는 데 목적이 있다. 정사각형, 정삼각형, 타원(이심률 0.1, 0.2,

⋯ , 0.9) 모양의 배수구를 사용해 실험할 것이다.

나. 실험 과정

1) 배수구 모형을 배수 장치에 절연 테이프를 이용해 고정시킨다.

2) 배수장치에 물 11L을 채운 후, 배수액이 회전을 멈추고 수면이 안정화될 때까지 일정 시간 기다린다.

3) 배수 마개를 연 후, 수면이 배수 장치 옆면의 눈금에 도달했을 때의 시간을 기록한다. 10L선부터 측정 하기 시작하여 1L 선에서 측정을 종료한다.

4) (1)~(3)의 과정을 하나의 배수구 모형에 대해 3회 이상씩 반복하여 시행한다.

[그림 10] 실험 장면

실험2. 회전이 있을 경우 공기기둥 형성 특징 및 배수시간 측정

가. 실험 목적

본 실험은 액체의 회전이 있는 상태에서 배수를 시켰을 때 생기는 공기기둥이 배수구의 모양에 따라 어떠한 특징을 갖는지를 알아보는데 목적이 있다. [실험 1] 과 같이 회전을 억제한 후 배수시키면 공기기 둥이 거의 생성되지 않으며 공기기둥의 크기도 작아 공기기둥의 특징을 알기 어렵다. 또한, 작은 외부 요 인에도 영향을 받아 회전을 완벽하게 억제할 수 없다. 많은 양의 액체를 배수시킬 때, 회전을 없애는 것 은 불가능에 가까우며 액체가 회전하기 시작하면 최종적으로 공기기둥이 최대의 크기를 유지하게 된다.

정사각형, 정삼각형, 원, 타원(이심률 0.9) 배수구 모양을 이용해 실험할 것이다.

나. 실험 과정

1) 측정하고자 하는 모양의 배수구를 절연 테이프를 이용해 배수 장치에 고정시킨다.

2) 물 11L를 배수장치에 넣은 후 수면이 안정화될 때까지 일정 시간 기다렸다 회전 장치를 물 속에 넣어 회전시킨다.

3) 회전이 끝난 즉시 배수 마개를 열어 수면이 배수 장치 옆면의 눈금에 도달했을 때의 시간을 기록한다.

10L선부터 측정하기 시작하여 1L 선에서 측정을 종료한다.

4) (1)~(3)의 과정을 하나의 배수구 모형에 대해 3회 이상씩 반복하여 시행한다.

[그림 11] 실험 장면 [그림 12] 실험 장면

실험3. 회전이 있을 경우 공기기둥 형성 특징 및 배수시간 측정

가. 실험 목적

본 실험은 배수구가 하나가 아니라 여러 곳으로 분산되어 있을 경우 생기는 공기기둥의 특징을 알아보 는데 목적이 있다. [실험 2-1]의 결과 공기기둥이 형성되는 특징을 알 수 있었다. 어떠한 모양의 배수구 에 대해서도 정중앙에 공기기둥이 생기는 모습을 보고 배수구가 중앙이 아닌 곳에 분산되어 있는 경우 공기기둥이 생성되는 위치 및 크기에 대해 궁금증을 가지게 되었다. 네 개의 원형 구멍, 아홉 개의 원형 구멍, (중앙이 막힌) 고리 모양의 원형 구멍 배수구를 사용해 실험할 것이다.

나. 실험 과정

1) 측정하고자 하는 모양의 배수구를 절연 테이프를 이용해 배수 장치에 고정시킨다.

2) 물 11L를 배수장치에 넣은 후 수면이 안정화될 때까지 일정 시간 기다렸다 회전 장치를 물 속에 넣어 회전시킨다.

3) 회전이 끝난 즉시 배수 마개를 열어 수면이 배수 장치 옆면의 눈금에 도달했을 때의 시간을 기록한다.

10L선부터 측정하기 시작하여 1L 선에서 측정을 종료한다.

4) (1)~(3)의 과정을 하나의 배수구 모형에 대해 3회 이상씩 반복하여 시행한다.

[그림 13] 배수구 모형 (실험 2-2)

다. 실험 결과

수면 높이(L)

9 8 7 6 5 4 3 2 1

배수구 모형

회전 횟수

원 4개

8 5.37 9.9 14.73 19.63 24.72 30.33 36.5 43.92 52.5 9 4.8 10.79 15.89 21.22 27.05 32.43 38.57 45.48 52.97 10 5.56 10.56 16.16 21.54 26.43 33.64 40.15 48.27 58.18

원 9개

8 5.69 10.75 15.97 21.59 27.4 33.79 40.53 48.73 58.96 9 5.52 10.39 15.65 21.24 26.78 33.25 39.64 47.72 57.12 10 5.67 10.73 15.78 21.91 27.18 33.46 40.45 48.62 59.03 [표 3] 실험 2-2

<회전억제 판막에 대한 실험>

실험1 : 회전억제판막을 설치하였을 때의 공기기둥 형성특징 및 배수 시간 측정

1) 실험 목적

회전억제판막 설치 시 공기기둥 형성특징 파악 및 공기기둥 억제효과 확인

2) 실험 과정

(1) 지름 6cm 원형 배수구 모형을 배수 용기 바닥면에 끼우고 테이프로 고정한다.

(2) x=4인 회전억제판막1을 배수면으로부터 높이 1cm 용기옆면에 90도 간격으로 설치한다.

(3) 배수마개로 배수구를 막고 물 16L를 급수한다.

(4) 회전 장치로 물을 10초 동안 회전시킨다.

(5) 배수마개를 들어내어 배수한다. 이때 배수 영상을 촬영하며 배수시간을 측정한다.

(6) 회전억제판막을 떼어내고 3~5과정을 3회 반복한다.

실험2 : 회전억제판막의 설치 거리에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

1) 실험 목적

배수효율을 최대화 할 수 있는 판막의 설치거리 알기

2) 실험 과정

(1) 지름 6cm 원형 배수구모형을 배수 용기 바닥면에 끼우고 테이프로 고정한다.

(2) x값이 같은 회전억제판막1을 4개 고정 장치에 각각 끼워 고정한다.(실험마다 x값을 달리한다.)\

(3) 배수면 으로부터 높이 1cm 용기 옆면에 회전억제판막1을 90도 간격으로 설치한다.

(3) 배수마개로 배수구를 막고 물 16L를 급수한다.

(4) 회전 장치로 물을 10초 동안 회전시킨다.

(5) 배수마개를 들어내어 배수한다. 이때 배수 영상을 촬영하며 배수시간을 측정한다.

(6) 2~5과정을 5회 반복한다.

실험 3 : 회전억제판막의 설치 높이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

1) 실험 목적

배수효율을 최대화 할 수 있는 판막의 설치높이 찾기

2) 실험과정

(1) 지름 6cm 원형 배수구모형을 배수 용기 바닥면에 끼우고 테이프로 고정한다.

(2) 중앙으로부터의 판막까지의 거리가 7cm인 판막(x=4) 4개를 고정 장치에 각각 끼워 고정한다.

(3) 판막을 90도 간격으로 설치하되 배수면 으로부터 높이(1.5cm 3cm 4.5cm 6cm)를 실험마다 달리 하여 설치한다.

(4) 배수마개로 배수구를 막고 물16L를 급수한다.

(5) 회전 장치로 물을 10초 동안 회전시킨다.

(6) 배수마개를 들어내어 배수한다. 이때 배수 영상을 촬영하며 배수시간을 측정한다.

(7) 3~5과정을 5회 반복한다.

실험4 : 회전억제판막의 가로길이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

1) 실험 목적

배수효율을 최대화 할 수 있는 판막의 가로길이 찾기

2) 실험 과정

(1) 회전억제 판막 2를 가로길이를 3cm 4cm 5cm 6cm 7cm 세로길이를 4cm로 하여 4개씩 만든다.

(2) 지름 4cm 원형 배수구가 있는 배수구 모형에 판막을 90도 간격으로 부착한다. 이때 배수구 중심 으로부터 판막까지의 거리는 4cm로 한다. 또한 실험마다 가로길이가 다른 판막을 이용한다.

(3) 판막 2를 부착한 배수구 모형을 배수용기 밑면에 끼워 테이프로 고정한다.

(4) 배수마개로 배수구를 막고 물16L를 급수한다.

(5) 회전 장치로 물을 10초 동안 회전시킨다.

(6) 배수마개를 들어내어 배수한다. 이때 배수 영상을 촬영하며 배수시간을 측정한다.

(7) 2~6과정을 5회 반복한다.

실험 5 : 회전억제판막의 세로길이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

1) 실험 목적

배수효율을 최대화 할 수 있는 판막의 세로길이 찾기

2) 실험과정

(1) 회전억제 판막 2를 가로길이를 6cm 세로길이를 2,3,4,5cm로 하여 4개씩 만든다.

(2) 지름 4cm 원형 배수구가 있는 배수구 모형에 판막을 90도 간격으로 부착한다. 이때 배수구 중심 으로부터 판막까지의 거리는 4cm로 한다. 또한 실험마다 세로길이가 다른 판막을 이용한다.

(3) 판막 2를 부착한 배수구 모형을 배수용기 밑면에 끼워 테이프로 고정한다.

(4) 배수마개로 배수구를 막고 물16L를 급수한다.

(5) 회전 장치로 물을 10초 동안 회전시킨다.

(6) 배수마개를 들어내어 배수한다. 이때 배수 영상을 촬영하며 배수시간을 측정한다.

(7) 2~6과정을 5회 반복한다.

실험 6.: 회전억제판막의 설치 각도에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

1) 실험목적

배수효율을 최대화 할 수 있는 판막의 설치각도 찾기

2) 실험과정

(1) 회전억제 판막 2(가로길이 6cm, 세로길이 5cm)4개를 지름 4cm 원형 배수구를 가진 배수구 모형 에 부착하되 실험마다 배수구 모형의 지름과 판막이 이루는 각(아래그림에서 )이 10도 20도 40 도 60도 가 되도록 달리 부착한다.

(2) 판막을 부착한 배수구 모형을 배수용기 밑면에 끼워 테이프로 고정한다.

(3) 배수마개로 배수구를 막고 물16L를 급수한다.

(4) 회전 장치로 물을 10초 동안 회전시킨다.

(5) 배수마개를 들어내어 배수한다. 이때 배수 영상을 촬영하며 배수시간을 측정한다.

(6) 1~6과정을 5회 반복한다. 또한 4과정에서 회전방향을 바꾸어서 5회 반복한다.

3. 연구 결과 및 시사점

□ 연구 결과

○ 실험 결과 및 해석

1) 공기기둥이 형성되는 시간이 배수효율에 미치는 영향 가). 딤플 생성 구간과 배수 지연 시간

회전을 최대한 억제한 후 10L의 물을 배수할 때 1L당 배수시간을 측정하여 이론적 결과와의 차를 구하 면 배수가 지연되는 정도를 알 수 있다. 각 구간마다의 지연 정도를 구하기 위해 각 구간 사이의 배수 지연 시간의 차를 구하였다. [표 1]에서 딤플이 생성되기 시작한 시간에 배수 지연 시간이 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다.

수면 높이 구간(L)

9-8 8-7 7-6 6-5 5-4 4-3 3-2 2-1 배수구 모양 딤플 생성 구간

(배수단면 기준) 타원(이심률

0.2)

3-2 0.37 0.52 0.61 0.63 0.54 0.65 1.05 1.27 2-1 0.44 0.45 0.53 0.59 0.64 0.77 0.84 1.46 타원(이심률

0.9)

4-3 0.41 0.49 0.5 0.64 0.7 0.92 1.23 1.81 4-3 0.39 0.45 0.4 0.54 0.48 0.87 0.7 1.51 [표 1] 딤플 생성 구간과 배수 지연 시간

타원(이심률 0.2) 딤플 생성에 따른 배수 지연 시간

나) 액체를 회전시켰을 때 배수 시간의 차이

실험 1 의 결과를 통해 공기기둥의 생성이 배수효율을 낮춤을 알 수 있었지만, 실험 1에서 형성된 공기 기둥의 원인은 배수 액의 회전을 완전하게 통제하지 못하였기 때문이었다. 액체를 회전시켰을 때의 배수 시간을 측정한 실험 2의 결과와 실험 1의 결과를 비교하면 공기기둥이 배수 효율에 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다.

수면 높이(L)

회전 횟수 9 8 7 6 5 4 3 2 1

X 1.32 2.72 4.29 5.97 7.72 9.66 11.9 14.6 18.2 8회 7.44 13.46 19.54 25.79 31.3 38.35 46.94 58.24 74 9회 8.39 15.01 21.03 27.82 34.49 41.96 50.65 61.59 77.36 10회 9.39 16.14 23.84 31.65 39.22 47.47 56.64 68.31 83.73 [표 2] 액체의 회전에 따른 배수 시간

액체의 회전에 따른 배수 시간

2) 배수구 모양에 따른 공기기둥의 특징 및 배수 효율

가) 공기기둥의 크기 및 형성 위치

공기기둥의 단면은 항상 원형이기 때문에 배수구에 접하는 가장 큰 원의 형태로 나타날 것이라 예상하고 배수구 모양을 삼각형, 정사각형, 직사각형, 원, 타원(이심률 0.9)으로 바꾸어 가며 실험하였다. 추가적으로, 배수구가 하나의 도형이 아니라 여러 개의 도형으로 분산되어 있는 경우 공기기둥의 형성 위치 및 크기를 확인하기 위해 원 4개, 원 9개의 배수구를 만들어 실험하였다.

배수구 모형 원 삼각형 사각형 타원

(이심률 0.9) 원 4개 원 9개 딤플

공기기둥 형성 위치

및 크기

[표 3] 배수구 모형에 따른 공기기둥의 크기 및 형성 위치

실험한 모든 배수구 모형에 대해 공기기둥이 생기는 위치와 크기는 비슷했다. 예상과 다르게 공기기둥은 배수구의 단면적보다 크게 생길 수 있음을 확인하였다. 추가실험으로, 위의 도형들과 다르게 중앙에 배수 구멍이 전혀 없는 경우(도넛 모형)에도 공기기둥은 중앙에 생김을 확인할 수 있었다

나) 배수 효율

수면 높이(L)

배수구 모형 9 8 7 6 5 4 3 2 1

원 9.39 16.14 23.84 31.65 39.22 47.47 56.64 68.31 83.73 삼각형 6.62 12.69 18.88 24.98 31.95 38.35 47.1 57.46 73.2 사각형 7.09 13.33 19.69 26.26 32.79 39.46 46.38 54.88 65.31

타원 7.18 13.77 20.11 27.06 34.19 41.76 50.23 61.04 73.3 원 4개 5.56 10.56 16.16 21.54 26.43 33.64 40.15 48.27 58.18 원 9개 5.67 10.73 15.78 21.91 27.18 33.46 40.45 48.62 59.03 [표 4] 배수구 모형에 따른 배수 효율 (10회 회전시킴)

배수구 모형에 따른 배수 효율

실험 결과 원 < 타원 < 삼각형 < 사각형 < 원 9개 < 원 4개 순으로 배수 효율이 좋았다. (가)의 공기기 둥 형성 위치에서 배수 단면적이 클수록 배수 효율이 좋게 나타남을 알 수 있었다.

3) 입체 구조물의 설치 환경에 따른 공기기둥의 특징 및 배수 효율

실험1 : 회전억제판막을 설치하였을 때의 공기기둥 형성특징 및 배수 시간 측정 [표5] : 판막을 설치했을 때와 설치하지 않았을 때의 배수시간 측정결과

배수시간 1 배수시간 2 배수시간 3

판막 O 3.89 3.77 3.92

판막 X 13.22 13.46 13.35

회전억제판막을 설치하였을 때의 공기기둥 형성특징 및 배수 시간 측정

회전억제 판막이 있을 때가 없을 때보다 배수 시간이 2배 이상 감소하였고, 공기기둥이 거의 형성되지 않음을 알 수 있다.

실험2 : 회전억제판막의 설치 거리에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정 [표 6] 판막의 중앙으로부터의 거리에 따른 배수시간 측정결과

회전억제판막의 설치 거리에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

배수면 중심으로부터의 판막까지의 거리가 작을수록 배수시간이 감소함을 확인할 수 있다.

따라서 판막이 중앙에 설치될수록 회전억제효과가 높음을 알 수 있다.

실험 3 : 회전억제판막의 설치 높이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정 [표7] 판막의 높이에 따른 배수시간 측정 결과

높이(cm) 배수시간 1 배수시간 2 배수시간 3 배수시간 4 배수시간 5

1.5 3.84 3.88 3.95 4.04 3.64

3 4.00 4.12 3.88 4.06 3.79

4.5 4.22 4.27 4.06 4.07 4.34

6 4.38 4.55 4.32 4.53 4.48

x값 배수시간 1 배수시간 2 배수시간 3 배수시간 4 배수시간 5

1 4.16 4.11 4.01 4.24 4.20

2 4.09 4.18 3.97 3.87 4.15

3 4.02 4.13 4.21 3.86 3.99

4 3.89 3.74 4.01 4.06 3.79

막을 높이 설치하였을 때, 낮은 높이에서 미세하게 공기기둥이 형성됨을 확인 할 수 있었다. 이에 의해 회전을 주었을 때 설치한 막의 높이가 높을수록 배수시간이 증가하였다. 따라서 회전 판막은 배수구에 가장 가까운 높이에 설치하는 것이 가장 효율이 좋다.

실험4 : 회전억제판막의 가로길이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정 [표8] : 판의 가로길이에 따른 배수시간 측정 결과

가로길이(cm) 배수시간 1 배수시간 2 배수시간 3 배수시간 4 배수시간 5

3 10.71 10.36 10.62 10.53 11.00

4 9.95 10.52 9.90 10.08 9.93

5 9.57 9.30 9.45 10.00 9.88

6 9.24 9.81 9.37 9.33 9.12

7 9.88 9.55 9.30 9.39 9.42

회전억제판막의 가로길이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

판막의 가로 길이가 길수록 배수 시간이 감소하는 것을 알 수 있다. 막의 가로 길이가 길수록 더 넓은 면적이 물의 흐름을 방해하여 물의 회전이 더욱 효율적으로 억제된다는 것을 알 수 있다. 그러나 길이 가 증가하여 7cm가 될 때는 배수시간이 증가함을 알 수 있다. 이것은 공기기둥이 형성되지 않을 때에는 회전이 어느 정도 있는 것이 배수속도가 더 빠르기 때문이다. 판막의 크기가 일정 이상 되면 공기기둥 을 억제하여 배수효율을 높이는 효과보다 물의 회전 속도가 줄어들어 배수속도가 느려지는 효과가 더 큰 것이다. 결론적으로가장 효율이 좋은 길이는 6cm라고 할 수 있다.

실험 5 : 회전억제판막의 세로길이에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정 [표9] 판막의 세로길이에 따른 배수시간 측정 결과

세로길이(cm) 배수시간 1 배수시간 2 배수시간 3 배수시간 4 배수시간 5

2 10.22 10.24 9.96 10.01 10.12

3 9.67 9.81 9.38 9.59 9.74

4 9.24 9.81 9.37 9.33 9.45

5 9.21 9.57 9.28 9.35 9.41

회전 판막의 높이가 높을수록 배수 시간이 짧아지고 공기기둥 형성이 더욱 효율적으로 억제되는 것을 알 수 있었다. 막의 높이가 높을수록 물이 저항력을 받는 시간이 증가하기 때문에 유속이 더욱 감소하 고 이에 의해 공기기둥이 효율적으로 억제된 것으로 해석된다.

실험 6.: 회전억제판막의 설치 각도에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

[표10] 물의 회전방향이 반시계 방향일 때 설치각도()

 배수시간 1  배수시간 2 배수시간 3 배수시간 4 배수시간 5

10 9.86 9.54 9.45 9.62 9.76

20 9.93 9.85 9.84 9.87 9.91

40 10.58 11.21 11.64 10.86 11.13

60 15.93 16.48 16.03 16.32 15.88

[표11] 물의 회전방향이 시계방향일 때 설치각도()

 배수시간 1(s) 배수시간 2(s) 배수시간 3(s) 배수시간 4(s) 배수시간 5(s)

10 9.97 9.94 9.99 9.97 10.02

20 10.03 10.09 9.86 9.99 9.94

40 10.44 10.81 11.49 10.99 10.57

60 10.74 10.56 11.01 10.77 10.71

설치각도 배수시간

반시계방향 시계방향

판막과 지름이 이루는 각도에 따른 공기기둥 형성특징 및 배수시간 측정

판막을 지름과 각도를 주어 설치함으로써 얻는 효과에 대한 원래 가정은 지름과의 각도를 준 판막이 물 의 유동 방향을 안쪽으로 틀어 줌으로써 중앙으로의 물 유입량을 증가시켜 공기기둥의 형성을 억제하는 효과를 주어 배수 효율을 높이는 것이었다.

□ 결론

회전 억제 판막은 딤플을 유지하고 공기기둥의 형성을 억제하여 배수 효율을 높인다.

이 판막은 배수구 중앙에 가까울수록, 배수 면에 가까운 높이일수록, 세로길이가 높고 가로길이는 6cm 이며 판막의 설치각도가 물의 흐름에 수직일 때 배수 효율이 가장 좋다는 결론을 얻었다. 앞으로의 연 구에서는 물의 회전 속도를 분석하여 그에 대응하는 세기의 역회전을 발생시켜 공기기둥 형성을 억제하 는 연구를 진행하고자 한다.

□ 시사점

유체의 운동에 대한 물리적 상황을 직접 확인할 수 있다. 또한, 연속 방정식, 베르누이 방정식 등을 활용하여 유도한 이상적인 배수시간과 실제 배수시간이 대략적으로 일치한다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 배수시간 과 수면의 높이에 관한 식을 유도할 때, 유체의 압력이나 점성 등은 고려하지 않았는데, 여기에 관한 이론들을 더 학습하여 조금 더 정확한 식을 유도할 수 있도록 노력해야한다.

4. 홍보 및 사후 활용

본 연구에서 한 가지의 입체구조물에 대한 연구를 진행했지만, 앞으로의 연구에서는 여러 가지 종류의 입체구 조물에 대해 실험을 진행해볼 것이다. 또한, 유속계를 활용하여 유체의 회전 속도를 측정하고 아두이노 센서와 프로펠러를 이용해 그에 대응하는 역회전을 걸어주어 공기기둥을 억제하는 연구를 진행할 예정이다.

5. 참고문헌

○박일석, 손종현, 손창현. (2012). 공기기둥이 형성된 원통 용기의 내부유동 특성에 관한 수치해석 연구. 대한 기계학회 논문집 B권, 36(3), 269-276.

○서경준, 한은수, 손창현, 박일석. (2010). 〈학술논문〉 : 원통 탱크 배수 시 발생하는 공기기둥 현상에 관한 실험 및 수치해석 연구. 대한기계학회 춘추학술대회, , 3264-3272.

○손종현, 박일석. (2012). 원형 용기 및 배수구 크기와 선회유동이 공기기둥 발생에 미치는 영향에 관한 수치해석 연구. 대한기계학회 춘추학술대회, , 1336-1341.

○한은수, 박일석, 손창현. (2011). 반구형 그물망을 이용한 배수시 생성되는 공기 기둥 억제 연구. 한국가시화정 보학회지, 9(3), 38-43.