An Experimental Study for Estimation of Head Loss Coefficients at Surcharged Circular Manhole

Urban sewer systems are designed to operate in open-channel flow regime and energy loss at circular manholes are usually not significant. However, the energy loss at manholes, often exceeding the friction loss of pipes under surcharge flow, is considered as one of the major causes of inundation in urban area. Therefore, it is necessary to analyze the head loss associated with manholes, especially in surcharge flow. Hydraulic experimental apparatus which can be changed the invert type(CASE A, B, C) and step height(CASE I, II, III) was installed for this study. The range of the experimental discharges were from $1.0{\ell}/sec$ to $5.6\;{\ell}/sec$. As the manhole diameter ratio($D_m/D_{in}$) increases, head loss coefficient increases due to strong horizontal swirl motion. Head loss coefficient was maximum because of strong oscillation of water surface when the range of manhole depth ratios($h_m/D_{in}$) were from 1.0 to 1.5. The average head loss coefficients for CASE A, B, and C were 0.45, 0.37, and 0.30, respectively. Accordingly, U-invert is most effective for energy loss reduction at circular manhole. This head loss coefficients could be available to design the urban sewer system with surcharge flow.

과부하 원형맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 실험적 연구

도시 우수 배수 시스템에서 우수 관거는 개수로 흐름 상태로 가정하여 설계되었기 때문에 맨홀에서의 에너지 손실은 일반적으로 중요하게 고려되지 않았다. 그러나 과부하흐름에서 에너지 손실은 관거의 배수능력을 저하시켜 도심지역의 침수피해를 가중시키는 요인이 된다. 그러므로 과부하 맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 맨홀에 대한 문헌조사 및 현장조사를 실시하여 실험장치 제작과 실험조건을 선정하였다. 선정된 실험조건인 인버트 형상 조건(CASE A, B, C), 단차 조건(CASE I, II, III) 및 실험 유량($1.0\;{\sim}\;5.6\;{\ell}/sec$)을 변화시키면서 실험을 실시하였다. 맨홀 직경($D_m$)과 유입관경($D_{in}$)의 비($D_m/D_{in}$)가 증가할수록 손실계수가 증가하였으며, 맨홀 수심($h_m$)과 유입관거 직경($D_{in}$)의 비($h_m/D_{in}$)가 $1.0{\sim}1.5$일 때 손실계수가 가장 크게 산정되었다. 또한, CASE A, B, C의 평균 손실계수는 각각 0.45, 0.37, 0.3으로 산정되었다. 맨홀에 U자형 인버트를 설치하면, 원형 맨홀에서 에너지 손실을 저감시킬 수 있다. 또한 산정된 맨홀에서의 손실계수는 과부하흐름을 고려한 우수 관거 설계에 활용될 수 있다고 판단된다.