Study on Air Entrainment Occurred to Intake Facility of Circular Multi Stage Cylinder Gate

원형 다단 실린더 게이트 형식의 취수시설에서 발생하는 공기연행에 대한 연구

본 연구에서는 수리모형실험을 통하여 원형 다단 실린더 게이트 형식의 취수시설에서 발생하는 공기연행을 분석하였다. 수리모형실험의 원형은 경상북도 청도군에 위치한 운문댐의 "운문댐 안전성 강화사업"에서 계획되고 있는 신설취수탑을 기준으로 상사법칙은 Froude상사법칙을 적용하고 1/20의 모형 축척을 가지는 취수탑의 국부모형에 하류단 수위를 고려하기 위해 유량조절시설을 설치하여 실험을 실시하였다. 실험조건은 크게 두 가지로 구분하였으며, 수면으로부터 유입구 상단부까지의 거리 ∆h1(m)과 유입부 저수지 저류 수위와 하류단 유량조절시설간의 수위차인 ∆h2(m)이며, ∆h1에 대한 조건은 0.01m~0.06m로 0.01m 간격으로 6가지, ∆h2에 대한 조건은 0.10m~1.70m로 0.20m간격으로 9가지로 이를 조합하여 총 54개 CASE에 대해 진행하였다. 실험결과 공기연행 발생 시 그에 따른 영향을 평가하기 위해 발생 정도에 따라 미발생(Not Occur), 간헐적(Intermittent), 빈번한(Frequent), 지속적(Continuation), 공기 폭발(Air Explosion)로 분류하였으며, 각 공기연행 발생 시 취수유량의 감소율 및 영향을 분석한 결과 간헐적 공기연행 발생 시 최대 약 3.75%의 취수유량 감소, 빈번한 공기연행 발생 시 취수유량은 전체적으로 10%, 최대 약 13.19% 감소하였으며, 지속적 공기연행 발생 시 발생 이후 ∆h2증가에 의한 취수유량의 증가가 거의 이루어지지 않으며, 최대 56.25%의 취수유량이 감소, 공기 폭발 발생 시 취수유량의 영향은 지속적 발생과 비슷하나 관내 공기 포집 후 유입구로 방출 시 관에 강한 충격을 주어 안정성에도 큰 영향을 미칠 것으로 판단되어, 이에 안정성 및 취수유량 감소율을 고려하여 빈번, 지속, 공기 폭발 발생 영역에서의 취수는 적합하지 않으며, 공기연행 미발생 및 간헐적 발생 영역에서의 취수 시 목표 취수유량이 1.00~4.00(㎥/s)일 때 ∆h1= 0.40m 이상, 4.00~9.30(㎥/s) 일 때 ∆h1= 0.60m 이상, 9.30~9.53(㎥/s) 일 때 ∆h1=0.80m 이상, 9.53~9.65(㎥/s) 일 때 ∆h1= 1.00m 이상에서 취수유량 감소율 3.75% 이내로 취수유량의 확보가 가능하다. 이러한 결과는 원형 다단 실린더 게이트 형식의 취수시설에 대해 취수 시 수면와류에 의한 Air Core와 그에 따른 공기연행의 발생 조건과 영향을 수리모형실험을 통해 확인함으로써 실제 운용 시 보다 안정적이고 효율적인 운용에 대한 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단되며, 추가로 수치해석을 통한 비교 및 공기연행과 관내 공기포집 정도에 대한 연구를 통해 보다 정확한 자료제시가 가능할 것으로 판단된다.