하수 흐름의 마찰계수

Abstract

하수관은 평상시 개수로 흐름특성을 가지며, 설계강우를 초과하는 홍수사상이 발생하는 경우에만 만수되어 관로 흐름특성이 나타난다. 개수로 흐름은 Froude수에 의해 상류와 사류로 구분되며, 일반적으로 등류수로로 가정한 후 유출량 또는 수심 등 흐름 변위를 산정한다. 하수관로도 흔히 상용관로(상수관) 해석에 이용되는 Hazen-Williams식이나 개수로 해석에 이용되는 Manning식을 적용하여 해석하고 있다. 결과식으로 나타나는 두 산정식은 형태가 유사하나 그 원인은 분명히 다르다는 사실이 밝혀진 바 있다. Hazen-Williams식은 상용관 흐름에서 완난류와 전난류가 동시에 발생하는 복합류 흐름 특성 때문인 것으로 파악되고 있으며(유동훈과 원유승, 1995), Manning식은 동일한 조면의 개수로 흐름에 있어 벽면에서의 표면장력 영향 때문에 조고에 따라 완난류 곡선이 평행이동 하는 것으로 추론된 바 있다(유동훈과 이민호, 2000). 본 연구는 기존의 유와 이(2000)에 의해서 개발된 지수형 마찰계수 산정식의 비례상수인 는 조고만의 함수였지만 표면장력, 점성력, 경사, 조고, 수심, 수로폭 등의 영향을 고려한 새로운 무차원수 Y수의 개발로 마찰계수를 산정하는데 있어서 물의 기본성질과 주변 환경 여건을 고려하였다. 아크릴로 자체 제작한 U자형 소형 및 중형 개수로에서 마찰흐름실험을 진행하였다. 이를 통해 몇 가지 조도와 유량조건에 따라 얻은 각 형상별 실험 자료와 국외의 실험 자료 및 현장 관측 자료를 수집하여 분석한 자료를 개발된 새로운 무차원수 Y수의 도입을 통해서 이론식의 검증작업 및 기존의 경험식과의 비교 검토하였다. 그 결과를 제시하고 결과에 영향을 미치는 요소 및 원인을 밝혀냄은 물론 실험결과를 바탕으로 하수관의 흐름특성에 대해 다양한 관점에서 접근을 시도해 보았다. 하수관로를 설계하는데 있어 마찰계수의 산정은 가장 기본적이고도 중요한 항목이나 일반적으로 개수로 설계에서와 같이 등류수로에서 결정된 마찰계수 산정식을 그대로 이용하고 있는 실정이다. 그러나 홍수 초기와 후기에서의 흐름 조건은 가속흐름 또는 감속흐름이 발생하여 등류조건과는 상당한 수리특성 차이를 보일 수 있다. 또한 길이가 상대적으로 짧은 하수관로에서는 등류가 조성되기 어렵다. 따라서 가속흐름인지 감속흐름인지 흐름특성 차이를 분명히 파악한 후 마찰계수를 산정하여야만 하수관로 흐름 조건을 보다 정밀하게 파악하여 해석할 수 있다. 사류인 경우 하수관 출구부에서 등류수심이 발생한다고 가정하면 해석이 용이하지만 길이가 짧은 하수관에서 실험을 수행한 결과 등류조건을 조성하기가 용이하지 않았다. 따라서 등류가 발생하지 않는 사류의 흐름특성을 해석하기 위하여 완변이 부등류 해석에 Runge-Kutta법을 적용하였지만 hydraulic jump현상으로 인한 파의 영향은 고려하는데 어려움이 있었다. 이 결과로부터 지수형 마찰계수 산정식의 비례상수 값을 추정하였고, 기존 등류조건에서 관측된 Varwick(1945)의 실험 자료로부터 산정된 지수형 마찰계수 산정식의 비례상수 값과 비교하였다.