CFD를 이용한 Floor Cone AVD 높이에 따른 흡수정 흐름변화 분석
Analysis of Flow Change in Sump by Floor Cone Anti-Vortex DeviceHeight Using CFD
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Abstract
도시지역 저지대의 침수피해 방지를 위한 빗물펌프장은 치수안전도를 향상시키는 중요한 치수시설이다. 도시지역의 빗물펌프장은 각종 제약조건으로 인하여 시설증대를 위한 부지확보가 용이하지 않으므로 제한된 조건에서 토출성능을 극대화할 필요성이 있다. 펌프장의 토출량을 향상시키려면 기존의 흡수정에 토출능력이 향상된 신규펌프를 설치를 고려할 수 있다. 그러나, 추가시설투입은 흡수정내의 흐름율을 증가시키고 강한 와류를 동반하여 침수발생시 펌프운영에 문제를 발생시킬 수 있다. 이에 대한 대응방안으로 흡수정내 흐름의 와류를 저감시키는 와류방지장치를 설치하여 흐름을 안정화는 방안들 도입하기도 한다. 국내 펌프장 설계기준을 살펴보면 해당시설에 대한 정량적으로 제안된 설계식이 없어 국외의 기술을 차용하거나, 경험에 의한 설계를 수행하고 있는 상황이다. 이에 본 연구에서는 서로 다른 와류방지장치 설치높이 조건에서 형성되는 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모형을 이용하여 분석하고, 설계시 활용할 수 있는 기초자료를 제시하는 연구를 수행하였다.
Trans Abstract
Pump station is a very important flood control facility to mitigate inundation area in low-land in urban area. It is not easy to securesite to increase capacity of pump station in urban area due to the various limits. Thus, the maximization of discharge capacity have tobe achieved under restricted condition. New pump install with larger capacity could be suggested to increase capacity of pump station. However, additional facility may affect to the flow characteristics, such as increase of flow velocity and vorticity, and cause severproblem to operation of pump station. To solve that problems, the anti-vortex device (AVD) which reduce vorticity of flow could beadopted. In the design process of pump stations in Korea, engineers consider design criteria from foreign countries because lack ofappropriated design standard in Korea. Furthermore, design of AVD is based on the experience since enough data about AVD are notavailable. In this study, numerical simulation based on computational fluid dynamics (CFD) had been used to simulate flow in sumpwith various conditions of AVD height to supply information which can be apply to the design of pump station.
1. 서론
기후변화로 인하여 집중호우가 빈발하고 불투수지역이 넓게 분포한 도심지역의 홍수피해가 증가하고 있는 상황에서 내수배제시설의 성능개선을 통한 치수안전성을 향상시키는 연구에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 도심지 치수위험구역인 저지대의 치수안정성을 향상시키기 위해서 도입되는 다양한 구조적 방법 중에서 빗물펌프장은 내수를 하천으로 방류하여 저지대의 침수를 저감시키는 시설이다. 강우에 의하여 홍수위험이 증가하고 있는 시점에서 빗물펌프는 계획토출능력을 유지하여 비상시 요구성능을 구현하는 것이 중요하다. 빗물펌프장 설계에 있어서 토출량과 운영수위 등을 고려한 흡수정 형상 설계는 중요한 요소이다. 펌프장의 설계기준과 관련하여 하수도시설기준(Ministry of Environment, 2005)에서는 배관규격, 토출관 위치 등에 대한 설계기준을 제시하고 있다.
빗물펌프장의 성능은 흡수정의 크기 및 형상, 운영수위 조건 등의 영향을 받는다. 이와 같은 흡수정의 형상이 안정적인 흐름조건 형성에 적합하지 않은 경우 펌프 흡입부 부근에서 와류가 형성된다. 펌프 흡입부 주변에서 발생하는 와류는 자유수면으로부터 공기를 동반하거나 흡입구 하부에서 국부적인 압력저하는 동반하여 펌프내부에 케비테이션을 발생시키거나 펌프기계 계통에 진동 및 소음을 발생시키게 된다. 이와 같은 와류에 의한 피해로 빗물펌프장의 효율은 설계시 성능보다 더 낮은 성능을 구현하게 되며(Kim and Kim, 2002) 이로 인하여 홍수시 도심지역 저지대의 침수위험성을 증대시키는 원인의 하나로 작용할 수 있다. 이와 같은 흡수정 내의 와류형성 방지를 통하여 펌프의 효율을 보존하기 위한 연구가국내외적으로 다수 수행되었다.
펌프장 흡수정에 대한 국내의 연구를 살펴보면, Roh et al.(2002)은 흡수정 내의 흐름을 분석하기 위하여 Computational Fluid Dynamics(CFD) 모형을 적용하였으며, Choi(2003)는 흡입수조의 실험모형을 설치하고 PIV(Particle Image Velocimetry)기법을 이용하여 흡수정 내의 흐름특성을 관측하였다. Park and Roh(2007)가 상용 CFD 모형을 이용하여 일본TSJ(Turbomachinery Society of Japan)표준 단순 흡수정 모델의 흐름을 재현하고 자유표면 와류와 수중와류의 발생을 예측하였으며, Kim et al.(2008)은 ANSYS사의 CFX 모형을 이용하여 수중 카고 펌프의 입구부와 흡수정 사의 간격이 흡입성능에 미치는 영향을 분석하였다. Choi et al.(2009)은 다수의 흡수정이 설치되어 있는 펌프장에 대하여 유동균질성을 수치해석을 통하여 모의하고 와류방지장치 유무에 의한 유동장의 영향을 분석하였다. Choi et al.(2012)은 수치모형을 이용하여 일본터보기계협회의 benchmark 실험을 재현하고 와류방지장치를 추가로 고려하여 와류방지장치가 펌프효율에 미치는 영향을 분석하였다.
펌프장의 흡수정 주위의 유동과 관련된 국외연구는 오래 전부터 시작되었다. Rajendran et al.(1998)은 사각형 수로내에 수직 흡입관을 설치하고 흐름특성을 PIV실험으로 계측하고 수치해석을 적용하여 재현하였으며, Nagahara et al.(2003)은 흡입수조 내 유로방향으로의 분균형 속도에 의한 흡입관 주위의 유동구조에 대하여 실험과 수치해석을 수행하였다. Turbomachinery Society of Japan(2005)에서는 펌프 흡입수조에 대한 규격을 개정하였으며, 동일한 해석 대상에 대하여 다양한 수치모형의 활용가능성을 검토하였다. Okamura et al.(2007)은 Turbomachinery Society of Japan의 benchmark test실험과 유사한 수리실험을 추가로 수행하고 각종 수치모형의 정확성에 대한 검증을 수행하였다. Hazy and Shabayek(2010)은 수리모형실험을 통하여 흡입부 형상의 개선하여 흐름특성을 개선효과를 검증하였다.
이와 같이 펌프장 흡수정의 흐름특성을 재현하고 와류방지재현을 위한 다양한 연구가 수행되었으나, 빗물펌프장의 와류방지장치에 대한 설계기준은 미미한 상황이다. 국내 관련 설계기준으로는 하천설계기준(Korea Water Resources Association, 2009), 하수도시설기준(Ministry of Environment, 2011) 등에서는 흡입부의 크기 위치 등에 관한 간략한 기준을 제시하고 있으며 와류발생에 대해서는 저감을 위한 대책강구를 제안하고 있을 뿐 형상 및 제원에 대한 기준을 제시하지 않고 있다. 현재 국내에서 적용되고 있는 와류방지장치는 국외의 설계기준에 제시하고 있는 시설을 흡수정 설계과정에 적용하고 있으나 형상에 대한 정량적인 기준이 미흡하므로, 실험 및 수치모의 등을 통하여 도출된 정량적인 설계기반자료가 필요한 상황이다. 이에 본 연구에서는 와류방지장치의 크기에 따라서 흡수정 내에서 형성되는 흐름을 재현하고 그 특성을 분석하였다.
2. 흡수정 내의 와류발생 재현을 위한 수리실험 및 수치모의
2.1 Benchmark Test
본 연구에서는 수치모형 적용의 정확성을 확인하기 위하여 기수행된 수리실험 결과와 수치모의 결과를 비교하였다. Okamura et al.(2007)은 Turbomachinery Society of Japan(2005)에서 수행한 수리실험과 유사한 규격의 수로와 흡입부를 설치하고 정상수면와, 비정상수면와 및 정상수중와 발생수리실험을 수행하였다. 수로의 폭은 300 mm, 흡입관은 D=145 mm이고, 유입구는 수로의 저면으로부터 100 m, 후면으로부터 110 m 이격된 지점에 설치하였다. 흡입관의 중심부는 수로의 중심선에서 10 mm 우측으로 치우치게 설치되어 있으며, 수위는 230 mm, 토출량은 1.0 m3/s이다.
2.2 Benchmark test 수치모의
본 연구에서 흡입수조 내의 흐름을 재현하기 위하여 3차원상용모형인 ANSYS-CFX 모형을 사용하였다. CFX는 ANSYS 사에서 개발한 상용 3차원 유동해석 프로그램으로 구조적 격자 뿐만 아니라 비구조적 사면체 격자를 혼용할 수 있어 효율적인 격자구성이 가능하며 벽면이나 수로바닥에서의 전단응력과 같이 고체와 유체의 접촉면에서의 흐름해석이 정확한 편이다. 지배방정식으로는 연속방정식과 운동량방정식을 따르며 각각 Eqs. (1), (2)와 같다.
여기서, ρ는 물의 밀도(kg/m3), U는 유속성분, p는 압력이다.
흡수정 내 흐름모의를 위한 계산격자는 3-D hexa-hedral type 격자를 적용하였으며 약 100만 node의 격자로 대상영역을 이상화하였다(Fig. 2). 흐름재현을 위하여 유입구에서는 압력경계조건, 유출구에서는 유량경계조건을 적용하였으며, 난류 모형은 SST(Shear Stress Transport) 모형을 적용하여 정상상태 계산을 수행하였다. Fig. 3은 수로바닥으로부터 높이 Z=85 mm인 xy-평면상에서 흡입구 중심을 지나는 y-축 방향의 관측선에서 Okamura et al.(2007)이 LS-PIV로 관측한 유속성분 및 와도와 상용모형인 STAR-CD를 이용한 3차원 수치모의 결과를 본 연구의 수치모의결과와 비교한 그림이다.x-축 방향 유속결과는 기존 모의결과보다 관측유속을 정확하게 구현한 것으로 판단되며 y-축 및 z-축의 유속은 기존의 연구 및 관측값과 비교하여 정확한 결과를 나타내고 있음을 확인할 수 있다. 와도의 경우 수로 우측에서 기존 수치모의 또는 관측값보다 다소 크게 나타나고 있으나, 주로 수로 중앙및 좌측부분에서는 기존 수치모의보다 관측값과 유사한 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 수치모의 결과를 비교한 결과, 본 연구에서 도입한 수치모형이 흡입부의 유속특성을 정확히 구현하고 있음을 확인할 수 있다.
Numerical geometry and mesh for benchmark test
Comparison of numerical results with those of previous study
Schematic diagram of experimental flume
3. 와류방지장치에 의한 흐름특성 변화
3.1 와류방지장치 재원
와류방지장치(Anti-Vortex Device, AVD)는 흡수정 내의 흐름특성을 개선하여 와류형성을 억제하는 시설이다. 국내 빗물펌프장 설계시 와류형성이 예측되는 경우 와류방지장치를 설치하고 있지만 뚜렷한 규정이 없어 국외의 사례를 참고하고 있는 상황이다. 더욱이 빗물펌프장 시설의 설계시 케비테이션 발생여부에 대한 검토를 수행하고 있지만 와류방지장치의 적정규격에 대한 검토는 미흡한 상황이다. 이에 본 연구에서는 국내의 빗물펌프장에서 많이 적용하고 있는 floor cone type의 와류방지장치를 수리실험 수로에 적용하고 수치모의를 통하여 흐름특성변화를 재현한 후 크기에 따른 흐름특성변화를 검토하였다.
Floor cone type 와류방지장치의 경우 Fig. 4와 같이 국내빗물펌프장에 다수 설치되어 있으나, 관련 설계기준을 살펴보면 설치높이 및 크기에 대한 정량적 설계기준이 제시되어 있지 않으며, 설치 크기에 따른 흐름특성 변화에 대한 연구 또한 미흡하다. 이에 본 연구에서는 흡입관의 직경을 고려하여 동일한 직경을 갖는 와류방지장치에 대하여 설치높이를 d=0.1, 0.2, 0.3, 0.4 및 0.5D인 조건을 적용하여 수치모의를 수행하였다.
Floor cone type anti-vortex device on-situ and numerical case
3.2 흡수정 내 와류방지장치의 영향 분석
본 연구에서는 빗물펌프장 운전시 흡수정 내에서 발생하는 흐름특성이 와류형성을 방지하는 시설의 설치 높이에 따라서 변화하는 특성을 수치모의를 통하여 분석하였다. Fig. 5는 각조건에 의한 수치모의시 발생한 와류 형성영역을 swirl strength를 이용하여 도시한 그림으로서 와도를 0~50/s까지 도시하여 강한 와도가 형성되는 지역을 붉은 색으로 표시한 결과이다. Fig. 5(a)는 와류방지장치가 설치되지 않은 조건의결과로서, 흡입구 후면에서 흡입구로 와류가 형성되고 있는 형상을 확인할 수 있다. Fig. 5(b)는 floor cone 와류방지장치의 설치높이가 d=0.1D인 조건에서 형성된 와류영역으로 흡입구 외부로부터 흡입구로 유입되는 과정에서 급격한 유선변화가 형성되는 지점에서만 강한 와류가 발생하고 있다. Fig. 5(c)는 와류방지장치의 설치높이가 d=0.2D인 조건에서 형성된 와류영역을 도시한 것으로서 설치전 또는 설치높이가 인조건보다 와류형성 영역이 넓어지고 흡입구 상부로 와류가 도달하여 펌프효율에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. Fig. 5(d)는 와류방지장치의 설치높이가 d=0.3D인 조건의 와류영역 결과로서 수로바닥으로부터 형성된 강한와류가 흡입구 주변에서 형성되고 있는 것을 확인할 수 있다. Fig. 5(e)는 와류방지장치의 설치높이가 d=0.4D인 조건의 모의결과에 대한 와류영역 도시결과로서, 벽면 및 바닥으로부터 형성되어 흡입구로 유입되는 와류는 관측되지 않았지만, 흡입구 주변과 하부로부터 강도가 가장 큰 와류가 형성되어 흡입구 내부로 유입되고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 5(f)는 본 연구에서 고려한 와류방지장치 설치높이 중 가장 높은 d=0.5D의 결과를 도시한 것으로서, 흡입수로 우측 벽면으로부터 와류가 형성되기 시작하여 유입관 상부로 그 영향이 전달되는 결과를 나타내고 있어, 펌프 운영시 기계적 손상과 효율저하를 발생시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Vortex core region comparison
와류방지장치에 의한 흐름특성 변화를 정량적으로 분석하기 위하여 유속 및 와도의 결과를 Fig. 6과 같이 비교하였다. Fig. 6의 수로 바닥으로부터 높이 z=25, 50, 75, 100 mm 떨어진 평면에서 흡입구 중심을 지나는 y축 선상에서 측정한 수치 모의 결과이다. Fig. 6(a)는 x-축 방향 유속결과를 비교한 결과로서, 와류방지장치 설치로 인하여 전반적으로 유속이 증가하고 있으나 와류방지장치 높이 d=0.1D인 경우는 유속이 저감하고 있음을 나타내고 있다. Fig. 6(b)의 y-축 방향 유속결과에서도 마찬가지로 와류방지장치 높이 d=0.1D인 조건에서 만유속이 저감되고 다른 결과에서는 전반적으로 유속이 증가하고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 6(c)는 z-축 방향 유속결과로서 전반적으로 와류방지장치에 의한 유속변화는 미미한 것으로 판단된다. 이와 같은 유속변화 결과는 와류방지장치 설치로 인하여 흡입구로 유입되는 흐름부가 축소되어 유속이 전반적으로 증가하지만 특정 조건에서는 유속이 저감되는 효과를 기대할 수 있음을 나타낸다. Fig. 6(d)는 각 측선에서 산정된 와도의 결과를 비교한 그림이다. 각 축방향 유속결과와 동일하게 와류방지장치 설치높이 d=0.1D인 조건에서는 모든 측선에서 와도가 감소하는 결과를 보이고 있음을 확인할 수있다. d=0.2D~0.5D인 조건에서는 흐름영역의 축소로 인하여 와도도 증가하고 있는 것으로 판단된다. 이와 같이 floor cone와류방지장치 설치높이에 따른 각 방향 유속 및 와도 변화를 분석한 결과, 와류방지장치의 설치목적인 흡수정 내 안정적인 유속과 와류저감 측면에서 설치높이 d=0.1D인 조건이 최적의 설치높이로 판단되며, d=0.2D~0.5D인 경우에는 흐름유속을 증가시키고 와도를 증가시켜 펌프운영조건을 악화시키는 것을 알 수 있다. 유속결과와 동일하게 와류방지장치 설치높이 인 조건에서는 모든 측선에서 와도가 감소하는 결과를 보이고 있음을 확인할 수 있다. d=0.2D~0.5D인 조건에서는 흐름영역의 축소로 인하여 와도도 증가하고 있는 것으로 판단된다. 이와 같이 floor cone 와류방지장치 설치높이에 따른 각방향 유속 및 와도 변화를 분석한 결과, 와류방지장치의 설치목적인 흡수정 내 안정적인 유속과 와류저감 측면에서 설치높이 인 조건이 최적의 설치높이로 판단되며, ~인 경우에는 흐름유속을 증가시키고 와도를 증가시켜 펌프운영조건을 악화시키는 것을 알 수 있다.
Comparison of numerical results
Fig. 6의 도시된 유속 및 와도의 결과를 살펴보면 수로바닥으로부터 흡입구 부근으로 접근할수록 각 물리량의 산정결과가 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 이와 같은 이유로 Fig. 7.과 같이 z=100 mm인 측선 위에서 산정되는 물리량의 변화를 비교하여 분석하였다. Fig. 7(a)는 x-축 방향 유속분포로서, 와류방지장치가 없는 경우와 설치높이가 d=0.1D인 조건에서는 측선을 따라서 유속이 균일하게 분포하고 있는 것으로 나타났다. 와류방지장치의 설치높이가 높아짐에 따라서 유속의 변화가 크게 나타나기 시작한다. Fig. 7(b)는 y-축 방향 유속분포를 나타낸 결과로서, 흡입구 양끝에서 최소 및 최대유속이 발생하고 흡인과 내에서는 유속이 변화하는 결과를 나타내고 있다. 와류방지장를 설치하는 않은 조건의 결과와 설치높이가 d=0.1D인 결과에서는 유속이 최대값에서 최소값으로 변화함에 있어서 완만한 결과를 나타내고 있으나, 설치높이가 d=0.2D인 조건에서는 흡입구 중앙부에서 흐름변화가 다른 양상을 보이며 나타나고 있음을 확인할 수 있다. Fig. 7(b)는 z-축 방향의 유속결과로서, 와류방지장치를 설치하지 않은 조건과 설치높이 d=0.1D 조건의 결과는 흡입관 영역에서 균일한 유속분포를 나타내고 있으나, 다른 조건에서는 유속성분의 분포에 변화가 있는 것으로 관측되었다. 이와 같이 흡입과 영역의 유속결과를 살펴본 결과, d=0.1D인 조건에서는 펌프로 유입되는 유량이 균일하고 안정적인 조건을 형성하지만, 와류방지장치의 크기가 커지면 유속분포에 변화가 발생하고 이와 동반되는 유속차로 인하여 펌프 토출량 저하에 영향을 미칠수 있을 것으로 예상된다. Fig. 7(d)는 측선을 따라서 산정한 와도분포의 결과이다. 흡입과 벽이 있는 영역에서는 와류방지장치 설치여부에 관계없이 와도가 급격히 증가함을 알 수 있다. 흡입관 중심부인 Y=140 mm인 지점의 와도산정결과를 살펴보면, 와류방지장치 설치높이 d=0.1D인 조건에서 와도가 최소로 나타나며, 설치높이가 증가함에 따라서 와도도 증가하고 있는 것으로 판단된다.
Numerical results on lien z=100 mm
4. 결론
본 연구에서는 내수배제를 통하여 침수취약지역의 치수안전도를 향상시키는 시설인 빗물펌프장의 흡수정 내 흐름에 대한 수치모의를 수행하였다. 시설의 성능유지를 위하여 설치되는 와류방지장치의 적정 설치규격 결정에 대한 결과를 도출하기 위하여 설치시설의 높이를 달리하여 수치모의를 수행하고, 설치높이조건에 따른 흐름특성변화를 분석하였다. 본 연구에서 수행한 수치모의 수행결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
1) Floor cone type의 와류방지장치는 설치높이가 커짐에 따라서 흡입수조 내의 흐름영역을 감소시켜 일반적으로 유속을 증가시키는 것이 일반적이지만, 설치높이가 d=0.1D인 조건에서는 접근유속을 저감시킬 수 있다.
2) 와류방지장치의 설치목적인 와도 저감효과를 분석한 결과, 설치높이가 d=0.1D인 조건에서는 흡입수조 내의 와류발생 억제효과가 우수하지만, 설치높이가 과도하면 와류방지 설치전보다 와도가 증가하는 현상이 나타난다.
3) 흡입구 주변에서 형성되는 유속 및 와도에 대한 변화를 분석한 결과, floor cone type의 와류방지장치의 최적설치높이는 d=0.1D로 추정되며, 설치높이가 최적값을 초과하는 경우에는 와류방지장치 설치로 인하여 흐름조건을 악화시킬 수 있다.
이상 기술한 바와 같이 적합한 규격을 갖는 floor cone type와류방지장치는 흡입수조내의 흐름특성을 개선하여 펌프운영에 도움을 줄 수 있는 시설이다. 본 연구에서 도출된 결과에 의하면, 와류방지장치의 설치높이가 흡입관 직경 D의 0.1배인 경우에 흡입부의 흐름을 안정화하여 펌프운영에 최적조건을 구현할 수 있을 것으로 나타났다. 이본 연구의 결과를 향후 빗물펌프장 흡입수조 설계시 참고한다면, 합리적인 설계수행과 빗물펌프장 운영관리에 도움이 될 것으로 기대된다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부 물관리연구사업의 연구비지원(13AWMP-B066744-01)에 의해 수행되었습니다.