계단형 보의 공기유입과 산소전달에 영향을 미치는 월류 흐름의 수리학적 영향 분석
Hydraulic Effects of Overflow Type on Air Entrainment and Oxygen Transfer at Stepped Weir
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초록
도시 하천의 수위 유지를 목적으로 설치된 보는 흐름을 정체시킴으로써 수질악화의 주요 원인이 된다. 따라서 흐름의 보 월류시 공기유입 효율을 높여 용존산소를 증가시킴으로써 수질개선을 유도할 수 있는 방안을 고려하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 계단형 보의 월류흐름 특성에 따른 공기유입 과정과 산소전달 효과를 수리실험을 통해 검토하였다. 월류흐름은 유량, 계단높이에 따라 낙하류와 표면류로 구분되었다. 유량이 작거나 계단 높이가 클 경우 전 구간에 걸쳐 낙하류가 발생하고, 유량 증가 및 계단 높이가 작을수록 표면류가 나타나는 양상을 보였다. 낙하류의 경우 계단 끝단에서 흐름의 자유낙하 수맥이 형성되고, 계단 안쪽에는 공기주머니가 생기며 이 때 자유낙하 흐름은 사류를 형성하였다. 표면류의 경우 흐름이 계단과 계단을 스쳐가듯이 흐르는 과정에서 수표면의 진동이 발생하였으며, 낙하류와는 달리 도수 현상은 발생되지 않았다. 낙하류에서의 공기 유입은 표면류의 경우보다 더욱 왕성하게 유입되었다. 낙하류 흐름에서는 유량이 증가할수록 산소전달 효과가 증가하였으며, 표면류 흐름으로 바뀌어 갈수록 산소전달 효과는 감소되는 것을 알 수 있는데, 이는 공기유입 효과 때문인 것으로서, 낙하류의 경우 계단 끝단, 자유 낙하, nappe impact 및 도수 현상에 의해 공기가 유입되며, 계단 안쪽에 형성된 공기주머니 역시 공기유입에 지대한 영향을 미치는데 반하여, 표면류의 경우 공기유입에 영향을 미치는 변수는 계단 끝단과 수표면 진동뿐이기 때문이다. 연구 결과 계단형 보는 도심하천의 폭기 및 산소전달에 효율적이며, 이를 통해 하천의 수질개선에 기여할 수 있음이 밝혀졌다.
Abstract
which is installed to raise the water level for water intake makes the deterioration of the water quality by the interception and storage of the river flow. Thus, it is necessary to improve the water quality by increasing oxygen transfer through air entrainment when the water flows the weir. The stepped weirs may be one typical example. This paper examines the air entrainment and the efficiency of oxygen transfer by the overflow characteristics of the stepped weir through the hydraulic experiments. Nappe flow occurs at low flow rates and for relatively large step height. Dominant flow features include an enclosed air pocket, a free-falling nappe impact and subsequent hydraulic jump on the downstream step. Air entrainment occurs from the step edge, but most air is entrained through a free-falling nappe impact and hydraulic jump. Air pocket also has an important role in the air entrainment. As the flow velocity and Froude number increases, flow condition changes from a nappe flow to a skimming flow. At larger flow rates, skimming flow occurs with formation of recirculating vortices between the main flow and the step corners. Oxygen transfer becomes smaller in the region of skimming flow but becomes larger in the region of nappe flow since the air entrainment is made mainly through a free-falling nappe impact, a hydraulic jump and an air pocket. The stepped weir was found to be efficient for water treatment associated with substantial air entrainment and oxygen transfer.
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