KR20190074343A

KR20190074343A - 도수 실험용 가압식 고속류 발생장치

Info

Publication number: KR20190074343A
Application number: KR1020170175606A
Authority: KR
Inventors: 이승오; 정석일; 유형주; 이준선
Original assignee: 홍익대학교 산학협력단
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2019-06-28
Also published as: KR101995390B1

Abstract

본 발명은 도수(跳水) 실험용 수리(水理)실험 장치에 관한 것으로, 기밀 수조인 압출조(30)를 실험수로에 설치하고, 압출조(30)에 압축공기를 주입하여 가압함으로써, 압출조(30)에서 배출되는 고속류를 가속할 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 일정한 유속의 고속류를 안정적으로 생성할 수 있으며, 이로써 고속류 적용 수리실험의 정도(精度)를 확보하고 신뢰성을 제고할 수 있다.
특히, 고수위 수조의 적용 없이도 고정밀 도수 실험이 가능한 바, 실험장치 구축 비용을 절감하고, 실험 편의성도 확보할 수 있다.

Description

도수 실험용 가압식 고속류 발생장치{PRESSURIZED JET FLOW GENERATOR FOR HYDRAULIC JUMP EXPERIMENT}

본 발명은 도수(跳水) 실험용 수리(水理)실험 장치에 관한 것으로, 기밀 수조인 압출조(30)를 실험수로에 설치하고, 압출조(30)에 압축공기를 주입하여 가압함으로써, 압출조(30)에서 배출되는 고속류를 가속할 수 있도록 한 것이다.

도수(跳水, hydraulic jump)는 개수로(開水路) 흐름에 있어서 고속류인 사류(射流)가 수심의 급격한 증가와 함께 감속되어 상류(常流)로 변화하는 현상으로 댐의 여수로를 비롯한 급경사 수로 말단부에서 주로 발생된다.

도수를 실험수로에서 인위적으로 발생시키는 실험은 각종 수공(水工) 구조물 설계에 있어서 필수적인 실험으로서, 통상 고수위(高水位) 수조 하부가 부분 절개된 오리피스(orifice)를 구성하여 고속류를 형성하게 되는데, 고속류의 형성이 전적으로 수조내 저류된 실험수의 정수압에 의존하므로, 유속을 높이기 위해서는 수조의 수위를 높여야 하는 바, 공간상 제약이 있을 수 밖에 없었다.

이에, 오리피스 수조를 밀폐하고 펌프로 실험수를 강제 주입하여, 실험수로 충만된 밀폐 수조를 지속적으로 가압함으로써, 자유수면이 형성되는 오리피스 주소에 비하여 높은 유속의 고속류를 생성할 수 있는 실험장치가 개발되었으며, 관련 종래기술로는 특허 제1325470호를 들 수 있다.

특허 제1325470호를 비롯한 펌프 장착 도수 실험 장치를 통하여, 일반 오리피스에 비하여 높은 유속의 고속류 형성이 가능하게 되었으나, 펌프에 의한 실험수의 강제 주입 과정에서 동반 전달되는 펌프의 작동 진동 및 토출압 변동으로 인하여, 최종 생성되는 고속류의 유속이 불규칙하게 변동되는 심각한 문제점이 있다.

즉, 상단에 자유수면이 형성되고 잉여 실험수는 수조 외부로 월류되어 상시 일정한 수위가 형성되는 전통적인 구조의 오리피스 수조에서는 일정한 유속의 고속류를 생성할 수 있는 반면, 펌프를 통하여 밀폐된 오리피스 수조에 실험수를 강제 주입하는 특허 제1325470호 등의 실험 장치에서는 펌프의 토출압 변동이 배출되는 고속류에 전파될 수 밖에 없어 고속류의 유속이 불규칙하게 변동할 수 밖에 없는 것이다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 측벽(10)과 저상부(20)가 개수로를 형성하는 도수 실험용 고속류 발생장치에 있어서, 저상부(20) 상류단에는 중공(中空)의 입방체 수조로서 저상부(20)측 전면(前面) 하부에 수평슬릿(31)이 절개된 압출조(30)가 설치되고, 수평슬릿(31)의 내측에는 수평판(32)이 형성되고 수평판(32)의 후단에는 수직 벽체인 구획판(33)이 형성되며, 압출조(30)에는 양수펌프(40)가 설치되되, 하단부가 압출조(30) 내측 하부에 위치한 양수관(41)의 상단이 양수펌프(40)의 흡입구에 연결되고, 하단부가 구획판(33) 및 수평판(32) 내측에 위치한 급수관(42)의 상단이 양수펌프(40)의 토출구에 연결되며, 압출조(30) 내측 상부에는 가압관(51)이 설치되되 가압관(51)은 컴프레서(50)와 연결되고, 압출조(30) 내, 외부를 연통하는 충수관(35)이 설치되되 충수관(35)의 압출조(30) 외측 말단부에는 밀봉밸브(36)가 장착되며, 압출조(30) 상부에는 압출조(30) 내, 외부를 연통하는 감압관(60)이 설치되되, 감압관(60)의 압출조(30) 외측 말단부에는 감압밸브(61)가 장착되어, 압출조(30)에 저류된 실험수가 양수펌프(40)로 양수되어 구획판(33)과 수평판(32) 내측으로 공급되고, 컴프레서(50)에 의하여 가압관(51)으로 압축공기가 주입됨에 따라 압출조(30) 내부가 가압됨으로써, 수평슬릿(31)을 통하여 실험수가 저상부(20)측으로 고속 분출됨을 특징으로 하는 도수 실험용 가압식 고속류 발생장치이다.

또한, 상기 급수관(42)의 하단 하측에는 중앙부가 절곡된 판체인 안정판(37)이 다수 설치되되, 급수관(42) 하단 직하부의 안정판(37)은 역 V자형을 이루고, 상기 역 V자형 안정판(37) 하부에는 V자형 안정판(37)이 설치됨을 특징으로 하는 도수 실험용 가압식 고속류 발생장치이다.

본 발명을 통하여, 일정한 유속의 고속류를 안정적으로 생성할 수 있으며, 이로써 고속류 적용 수리실험의 정도(精度)를 확보하고 신뢰성을 제고할 수 있다.

특히, 고수위 수조의 적용 없이도 고정밀 도수 실험이 가능한 바, 실험장치 구축 비용을 절감하고, 실험 편의성도 확보할 수 있다.

도 1은 본 발명의 사시도
도 2는 본 발명의 압출조 발췌 사시도
도 3은 본 발명의 압출조 부분절단 사시도
도 4는 본 발명의 작동상태 대표 단면도

본 발명의 상세한 구성 및 작동 원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 1은 본 발명의 외관 및 전체적인 구성을 도시한 사시도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명은 측벽(10)과 저상부(20)가 개수로를 형성하는 도수 실험용 고속류 발생장치로서, 개수로인 실험수로 상류단에는 압출조(30)가 구성되고, 하류단에는 배수조(14)가 형성되어, 압출조(30)에서 배출된 실험수가 배수조(14)로 집수된 후, 배수조(14) 하부의 배수관(13)으로 배출된다.

도 1 하부의 개수로 종단면도에서와 같이, 압출조(30)에서 생성되는 고속류 즉, 사류는 실험수로의 저상부(20)를 따라 유하하다가 도수(Hydraulic Jump)를 일으키면서 수위가 급격하게 상승함과 동시에 감속되어, 실험수로의 하류부에서는 상류(常流)를 형성하게 된다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 핵심 구성인 압출조(壓出槽)(30)를 상세히 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명의 압출조(30)는 중공(中空)의 입방체 수조로서, 견고한 직립 판체가 평면상 직사각형을 이루며 폐합된 벽체를 형성하고, 상단부 및 하단부 역시 견고한 수평 판체로 밀봉 폐합되어, 일종의 상자형 기밀 밀폐 용기를 형성하게 된다.

이러한 본 발명의 압출조(30)는 도 2에서와 같이, 실험수로의 저상부(20) 상류단에 설치되며, 압출조(30)의 저상부(20)측 전면(前面) 하부에는 후술할 고속류의 배출구인 수평슬릿(31)이 절개 형성된다.

도 3에서와 같이, 수평슬릿(31)의 내측에는 수평판(32)이 형성되고 수평판(32)의 후단에는 수직 벽체인 구획판(33)이 형성되어, 압출조(30) 내부 공간이 구획되는데, 구획판(33)의 상단부는 압출조(30) 상단 판체 저면에서 하측으로 이격되도록 구성된다.

즉, 기밀 용기인 압출조(30) 내부에 수평판(32) 및 구획판(33)으로 구획된 별도의 상부 개방 수조가 형성되는 것으로, 수평슬릿(31)을 통하여 배출되는 실험수는 수평판(32) 및 구획판(33)에 의하여 형성된 공간에 저류된 후 배출된다.

도 2 및 도 3에서와 같이, 압출조(30)에는 양수펌프(40)가 설치되되, 하단부가 압출조(30) 내측 하부에 위치한 양수관(41)의 상단이 양수펌프(40)의 흡입구에 연결되고, 하단부가 구획판(33) 및 수평판(32) 내측에 위치한 급수관(42)의 상단이 양수펌프(40)의 토출구에 연결되어, 구획판(33) 외측의 압출조(30) 저류수가 양수펌프(40)에 의하여 구획판(33) 내측으로 공급된다.

또한, 압출조(30) 내측 상부에는 가압관(51)이 설치되되 가압관(51)은 컴프레서(50)와 연결되어, 컴프레서(50)에서 발생되는 압축공기가 압출조(30) 내부로 공급되면서, 압출조(30) 내부 기압이 상승하게 된다.

한편, 도 4에서와 같이, 압출조(30) 내, 외부를 연통하는 충수관(35)이 설치되되 충수관(35)의 압출조(30) 외측 말단부에는 밀봉밸브(36)가 장착되며, 충수관(35)을 통하여 압출조(30) 내부로 실험수를 공급하게 되는데, 본 발명에서는 실험중 압출조(30)의 기밀상태가 유지되어야 하므로, 실험 개시전 충수관(35)으로 실험수를 충분히 공급한 후, 밀봉밸브(36)를 폐쇄한 상태에서 실험수 추가 공급 없이 실험을 진행한다.

또한, 도 2 및 도 4에서와 같이, 압출조(30) 상부에는 압출조(30) 내, 외부를 연통하는 감압관(60)이 설치되되, 감압관(60)의 압출조(30) 외측 말단부에는 감압밸브(61)가 장착되어, 컴프레서(50)에 의하여 압축공기가 과량 공급될 경우 잉여 압축공기를 배기함으로써, 압출조(30)내 적정 기압을 유지한다.

도 4는 본 발명의 작동상태를 도시한 대표 단면도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명은 일단 압출조(30) 내부에 실험수가 충분히 저류된 후, 압출조(30)를 기밀상태로 유지한 상태에서 가동되는 것으로, 압출조(30)에 저류된 실험수가 양수펌프(40)로 양수되어 구획판(33)과 수평판(32) 내측으로 공급되고, 공급된 실험수 중 과량 공급분은 구획판(33) 후방측으로 월류되면서 구획판(33)내 저류수가 일정 수위를 유지하게 된다.

첨부된 도면에 도시되지는 않았으나, 수평슬릿(31)의 전방측에는 승강판 등 개폐수단이 설치되어, 실험 개시전 수평슬릿(31)을 폐쇄함으로써, 구획판(33) 내부의 수위가 적정 수위로 신속하게 상승될 수 있도록 한다.

한편, 컴프레서(50)에 의하여 가압관(51)으로 압축공기가 주입됨에 따라 압출조(30) 내부가 가압됨으로써, 압출조(30) 내부에는 대기압 이상의 기압이 형성되며, 구획판(33) 내측에 형성된 수면은 외견상 자유수면과 동일하게 조성되지만, 실상은 고도의 피압(被壓) 상태에 놓이게 된다.

따라서, 구획판(33) 내부에는 저류수의 정수압과 동반하여 압축공기에 의한 기압이 동시에 작용하게 되며, 수평슬릿(31)을 통하여, 실험수가 저상부(20)측으로 고속 분출된다.

즉, 동일한 수위의 자유수면 오리피스에 비하여 월등하게 높은 유속의 고속류가 생성되는 것으로, 가압을 통하여 고속류를 생성하면서도 오리피스 수조의 수위는 일정하게 유지될 뿐 아니라, 펌프로 인한 토출압 변동 영향을 완벽하게 배제할 수 있어, 유속이 일정한 고속류를 안정적으로 생성할 수 있는 것이다.

특히, 도 3 및 도 4에서와 같이, 급수관(42)의 하단 하측에 중앙부가 절곡된 판체인 안정판(37)을 다수 설치함으로써, 양수펌프(40)와 연결된 급수관(42)에서 토출되는 실험수가 구획판(33) 상부 수면을 교란하거나 구획판(33)내 저류수의 진동을 야기하는 현상을 방지할 수 있도록 하였다.

즉, 도 4에서와 같이, 절곡 판체인 안정판(37)을 상, 하로 다수 설치하되, 급수관(42) 하단 직하부의 안정판(37)은 역 V자형을 이루도록 하고, 상기 역 V자형 안정판(37) 하부에는 V자형 안정판(37)을 설치함으로써, 급수관(42)에서 배출된 실험수가 역 V자형 안정판(37)의 첨부(尖部)에 충돌되면서 분산되고, 분산된 실험수 유로(流路)가 하측의 V자형 안정판(37)에 의하여 재차 확산될 수 있도록 한 것이다.

10 : 측벽
13 : 배수관
14 : 배수조
20 : 저상부
30 : 압출조
31 : 수평슬릿
32 : 수평판
33 : 구획판
35 : 충수관
36 : 밀봉밸브
37 : 안정판
40 : 양수펌프
41 : 양수관
42 : 급수관
50 : 컴프레서
51 : 가압관
60 : 감압관
61 : 감압밸브

Claims

측벽(10)과 저상부(20)가 개수로를 형성하는 도수 실험용 고속류 발생장치에 있어서,
저상부(20) 상류단에는 중공(中空)의 입방체 수조로서 저상부(20)측 전면(前面) 하부에 수평슬릿(31)이 절개된 압출조(30)가 설치되고;
수평슬릿(31)의 내측에는 수평판(32)이 형성되고 수평판(32)의 후단에는 수직 벽체인 구획판(33)이 형성되며;
압출조(30)에는 양수펌프(40)가 설치되되, 하단부가 압출조(30) 내측 하부에 위치한 양수관(41)의 상단이 양수펌프(40)의 흡입구에 연결되고, 하단부가 구획판(33) 및 수평판(32) 내측에 위치한 급수관(42)의 상단이 양수펌프(40)의 토출구에 연결되며;
압출조(30) 내측 상부에는 가압관(51)이 설치되되 가압관(51)은 컴프레서(50)와 연결되고;
압출조(30) 내, 외부를 연통하는 충수관(35)이 설치되되 충수관(35)의 압출조(30) 외측 말단부에는 밀봉밸브(36)가 장착되며;
압출조(30) 상부에는 압출조(30) 내, 외부를 연통하는 감압관(60)이 설치되되, 감압관(60)의 압출조(30) 외측 말단부에는 감압밸브(61)가 장착되어, 압출조(30)에 저류된 실험수가 양수펌프(40)로 양수되어 구획판(33)과 수평판(32) 내측으로 공급되고, 컴프레서(50)에 의하여 가압관(51)으로 압축공기가 주입됨에 따라 압출조(30) 내부가 가압됨으로써, 수평슬릿(31)을 통하여 실험수가 저상부(20)측으로 고속 분출됨을 특징으로 하는 도수 실험용 가압식 고속류 발생장치.
청구항 1에 있어서,
급수관(42)의 하단 하측에는 중앙부가 절곡된 판체인 안정판(37)이 다수 설치되되;
급수관(42) 하단 직하부의 안정판(37)은 역 V자형을 이루고;
상기 역 V자형 안정판(37) 하부에는 V자형 안정판(37)이 설치됨을 특징으로 하는 도수 실험용 가압식 고속류 발생장치.