• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2010.05a
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• pp.654-658
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• 2010

과부하 맨홀의 손실계수에 대한 연구는 국내외에서 지속적으로 수행되어 왔다. 그러나 실제 하수관거 설계 및 평가에 이러한 손실계수의 적용여부에 따른 맨홀의 흐름변화에 대한 연구는 이루어진바 없다. 따라서 본 연구에서는 실무에서 하수관거 설계 및 평가 시 가장 많이 사용되는 상용프로그램 SWMM 모형을 활용하여 손실계수 적용 여부에 따른 맨홀의 수두변화를 비교 하였다. 손실계수의 영향을 확인하기 위해 가상유역을 설정하였으며, 이때 가상유역 내에는 4개의 합류맨홀을 포함하고 있고, 그 외 맨홀은 중간 맨홀 및 $90^{\circ}$ 접합맨홀로 이루어져 있다. 손실계수는 윤세의 등(2008, 2009, 2010)이 제시한 값을 적용하였다. 과부하 맨홀에 손실계수를 적용한 결과 맨홀 내 수심은 증가하였고 동수경사선이 높아짐으로써 손실계수 적용 후 침수가 발생하는 맨홀도 나타났다. 따라서 도시유역의 하수관거 평가 시 맨홀에 과부하가 발생하는 경우에는 손실계수를 적용 후 평가가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2017.05a
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• pp.220-220
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• 2017

일반적으로 XP-SWMM 모형을 이용한 침수모의를 실시할 경우 과부하 맨홀에 손실계수의 적용 시와 미적용 시에 침수 범위의 차이가 상이함에도 불구하고 보다 실제적인 침수면적의 모의를 위하여 에너지 손실 적용에 대한 도시침수해석의 구체적인 연구가 미흡한 실정이다. 또한 과부하관거에서의 배수능력을 증대하기 위하여 설치되는 맨홀 내 인버트의 침수저감 효과에 대한 분석이 필요한 실정이다. 이원 등(2015)은 군자배수구역을 대상으로 손실계수의 적용 방안 및 손실계수 적용에 따른 침수면적의 변화를 분석하였으나, 맨홀의 형상 및 인버트의 설치유무에 대한 사항을 고려하지 않았다. 그러므로 기 산정된 과부하 맨홀에서의 손실계수를 적용 및 인버트 설치에 따른 침수범위 변화의 분석이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 손실계수 및 인버트 설치 여부에 따른 침수범위의 변화를 분석하기 위하여 도림천의 도림1배수분구를 대상으로 XP-SWMM을 활용하여 침수해석을 실시하였다. 김정수(2010)가 수리모형실험을 통하여 인버트를 설치하지 않은 기본형 맨홀에서 산정된 손실계수 0.61과 반원형, U자형 인버트를 각각 설치했을 시에 0.37, 0.30으로 산정된 손실계수를 XP-SWMM모형의 각 과부하 맨홀에 적용하였다. 침수모의 결과 과부하 맨홀에 손실계수를 적용하지 않은 경우의 침수면적은 21.14 ha로 모의되어 실제 침수면적과 약 60 % 정도의 일치율을 보였으나, 인버트를 설치하지 않은 기본형 맨홀의 손실계수를 적용한 경우의 침수면적은 37.12 ha로 모의되어 실제 침수면적인 35.65 ha와 거의 유사하게 나타났다. 또한 반원형 인버트를 고려한 경우의 침수면적은 28.04 ha, U자형 인버트 설치를 고려한 경우의 침수면적은 25.90 ha로 모의되었다. 인버트를 미적용한 경우의 침수면적과 비교하면 침수면적이 각각 24 %, 30 % 감소하였다. 따라서 도시 침수피해를 저감하기 위해 과부하 맨홀에 인버트를 설치한다면 맨홀내의 에너지 손실이 저감되고 배수능력이 향상되어 침수피해 면적과 침수심을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.1828-1832
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• 2008

우수 관거 시스템에서 흐름은 중력에 의해서 흐르고 개수로 흐름과 같이 처리된다. 그러나 유입유량이 관거의 만관 상태를 초과하거나 하류 흐름의 제한 때문에 발생하는 역류의 영향을 받는다면, 우수 관거 시스템은 과부하(surcharge) 상태의 압력흐름이 된다. 개수로 상태에서 맨홀에서의 수두 손실은 일반적으로 무시되지만, 과부하 맨홀에서의 수두손실은 중요하며, 우수 관거 시스템의 전체 손실에 중요한 부분을 차지하게 된다. 이러한 현상은 여러 개의 맨홀을 가지는 우수 관거 시스템에서 특히 중요한 사항이 된다. 현재 계획 또는 설계단계에서 수행되고 있는 관거 시설의 수리계산에서는 연결관의 마찰손실만을 감안하여 수행하고 있으며, 맨홀에서의 수두손실은 고려되지 않는 실정이다. 본 연구에서는 일반적으로 3차원 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 Fluent 모형을 이용하여 과부하 원형 맨홀에서의 흐름특성을 수치모의 하였으며, 맨홀내 손실수두의 변화를 계산하여 손실계수를 산정하였다. 계산된 손실계수는 수리모형 실험을 통하여 산정된 손실계수와 비교하였다. 수치 모형에 의해서 산정된 손실계수 값이 수리모형 실험에 의해서 산정된 손실계수 값보다 약간 크게 산정되었다. 앞으로 난류 모형의 매개 변수들의 조정을 통한 정확한 수치모의 연구가 필요하다고 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2016.05a
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• pp.360-360
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• 2016

도시 배수 시스템에서 유입유량이 관거의 만관 상태를 초과하거나 하류 흐름 때문에 발생하는 역류의 영향을 받는다면, 관거 시설은 과부하(surcharge) 상태인 압력흐름이 된다. 중력흐름 상태에서 맨홀의 수두 손실은 일반적으로 무시되지만, 과부하 맨홀에서의 수두 손실은 중요하며, 우수 관거 시스템의 전체 손실에 상당한 부분을 차지하게 된다. 이러한 현상은 여러 개의 맨홀을 가지는 도시 배수 시스템에서 특히 중요한 사항이 된다. 따라서 관거 시설 내 맨홀에서의 수리적 에너지 손실에 대한 연구와 보다 구체적인 설치 기준의 제시가 요구되고 있는 실정이다. 특히 배수관거 시스템의 하류부에 설치되는 4방향 합류맨홀은 맨홀으로 유입되는 주 유입관과 측면 유입관의 유입흐름의 영향으로 맨홀 내의 유수교란에 의한 흐름특성이 복잡하므로 이에 따른 흐름특성의 변화를 분석하고 에너지 손실을 연구할 필요가 있다. 그러므로 우수 관거 시스템의 우수 배제 능력을 증가시켜 도심지의 침수를 방지하기 위한 관거시설의 적정 설계 기준이 필요하며, 합리적인 설계 기준을 제시하기 위하여 과부하 4방향 합류 맨홀 내에서의 수두 손실을 분석할 필요가 있다. 본 연구에서는 수리모형 실험의 물질적, 시간적 한계를 극복하고 과부하 4방향 합류맨홀에서의 복잡한 흐름특성을 분석하기 위하여 일반적으로 3차원 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 FLUENT 6.3 모형을 선택하였다. 합류맨홀 및 접합 관거의 기하 모형의 격자망은 수치해석의 안정성 확보를 위하여 맨홀과 연결관의 합류부분에서는 사면체 격자로 구성하고 합류부분을 제외한 구간에서는 6면체 격자로 구성하였으며, 각 격자의 면은 가능한 사각형 또는 삼각형의 형태를 취하도록 하였다. 합류맨홀 모형의 벽면에는 No-Slip 경계조건을 부여하였으며, 유입부에는 속도 조건, 유출부와 맨홀의 자유수면 부분의 경계에서는 대기압 조건을 부여하였다. 수리모형 실험 결과와 비교하기 위하여 유입 관거의 유속 조건을 수리 모형실험의 조건과 동일하게 채택하여 수치모의를 수행하였다. 수치모형의 적용 결과 맨홀 내에서의 유속변화, 수심변화 및 압력변화에 대해서는 수리모형 실험 결과와 유사한 경향을 나타내고 있으며, 수치모형에 의하여 산정된 4방향 합류맨홀에서의 손실계수 값과 수리모형 실험에 의하여 산정된 손실계수 값이 유사하므로 우수 관거 시스템의 4방향 합류맨홀에서의 흐름 변화 및 손실계수 예측하는 데에 있어서 FLUENT 6.3 모형은 사용 가능하리라 판단된다.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2008.05a
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• pp.510-514
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• 2008

우수 관거 시스템에서 맨홀의 설치 시 연결관 내부와 맨홀의 내부는 여러 가지 수리학적 조건이 다르므로 수두손실의 발생이 필연적일 수밖에 없다. 현재 계획 또는 설계단계에서 수행되고 있는 관거 시설의 수리계산에는 연결관 내에서의 마찰손실만을 고려하여 설계를 수행하고 있으며, 맨홀에서의 수두 손실은 거의 대부분 고려되지 않고 있다. 단지 맨홀에서의 수두손실을 저감하기 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)상의 단차 및 인버트 규정만 있을 뿐, 우수 관거 설계에 직접적으로 필요한 적절한 맨홀의 손실계수가 제시되지 않고 있는 실정이다. 국외에서는 축소 수리 모형을 이용한 실험과 수치해석 기법 등을 이용하여 맨홀에서의 손실계수를 산정하는 연구가 꾸준히 진행되어 왔으나 국내에서는 맨홀의 손실계수 산정에 관한 연구가 미흡한 실정이며, 더욱이 맨홀에서의 손실계수 산정을 위한 상사성 적용에 관한 연구는 전무한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 맨홀의 축척 변화에 따른 손실계수의 변화를 분석하기 위하여 하수도시설기준(환경부, 2005)의 특 1호(사각형) 맨홀을 각각 1/2과 1/5로 축소 제작하고, 수리실험 장치를 제작하였다. Froude 상사 법칙을 적용하여 1/2의 축소 모형의 실험 조건을 1/5 축소 모형의 값으로 환산하였으며, 각 축소 모형에 대한 수리 실험을 실시하였다. 과부하된 맨홀의 손실계수를 예측하는데 Froude 상사법칙의 사용 가능성을 확인 하였으며, 1/2 축소 모형과 1/5 축소 모형에서 산정된 손실계수 값이 0.45로 일치하고 있으므로 우수 관거 시스템의 맨홀 설계 시, 축소 수리 모형실험에서 산정된 손실계수의 직접적인 적용이 가능하다고 판단된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.50 no.12
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• pp.877-887
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• 2017

The energy losses due to surcharged flow at four-way combining manhole, which is mainly installed in the downstream of urban sewer system, is the main cause of inundation in urban area. Surcharged four-way combining manholes form various flow configuration such as straight through, T-type, and four-way manholes depending on variation of inflow discharge in inlet pipes. Therefore, it is necessary to analyze change of energy loss and estimate head loss coefficients at surcharged four-way combining manhole with variation of inflow discharge ratio. The hydraulic experimental apparatus which can change inflow ratios were installed to analyze the flow characteristics at four-way combining manhole. In this study, to calculate the head loss coefficient according to change of the inflow discharge ratios at the surcharged four-way combining square manhole, the discharge conditions of 40 cases which the inflow ratios of each inlet pipe were changed by 10% interval was selected. The head loss coefficient at surcharged square manhole showed the lowest value of 0.40 at the straight manhole and the highest value of 1.58 at the $90^{\circ}$ junction manhole. In the combining manholes (T-type and four-way), the head loss coefficients were calculated more higher as the lateral flow rate was biased. The contour map of head loss coefficient range was constructed by using the estimated head loss coefficients and the empirical formula of head loss coefficients was derived to consider the variation of inflow discharge ratios at the surcharged square manhole. The empirical formula could be applied to the design and assessment of the urban drainage system.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.33 no.2
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• pp.521-528
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• 2013

Urban drainage systems are generally designed as open channel flow. The system, however, shows a partially surcharged flow in its body, especially at junctions or manholes. Thus, a special case of this condition needs to be explained as pressurized flow condition for designing the sewer system. This study considered the surcharged manhole flows during an unexpected rainfall event or an excess of design frequency. Overflows from surcharged manholes and urban flooding can occur from the effect of surcharged flows. Thus, sewer systems should be designed with the concept of open channel flow and pressurized flow. Also, energy losses in a manhole need to be considered. The aim of this study is to develop the numerical model which can evaluate the effect of the energy losses at the manhole. The numerical model was verified and compared with hydraulic model and SWMM. The results showed that the water depth of numerical model was in good agreement with hydraulic model at the each manhole. However, the SWMM underestimated the water depth because that model ignored the energy losses at manholes. Thus, the developed numerical model in this study could be a useful tool for the assessment of a conveyance of urban drainage system.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.49 no.12
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• pp.1015-1025
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• 2016

In general, manholes installed as urban drainage facilities are a variety forms such as straight path manholes, 90 degree bend manhole, three-way combining manhole, and four-way combining manhole. In particular, the surcharged flow at a four-way manholes installed in the downstream of urban sewer system is the main cause of the urban inundation caused by the energy loss. Therefore, it is necessary to analyze the flow characteristics and estimate the head loss coefficients at surcharged four-way combining manholes. The hydraulic experimental apparatus which can change the manhole shapes (square, circle) and flow ratios were installed to estimate the head loss coefficients. In the experiments, two inflows ($Q_m$, $Q_{lat}$) were varied from 0 to $4.8{\ell}/sec$ and 24 combinations were tested in total. The flow ratios $Q_{lat}/Q_{out}$ were varied from 0 to 1 for a total flow $Q_{out}$ ($Q_{out}=Q_m+2Q_{lat}$) of 2, 3, 4, and $4.8{\ell}/sec$, respectively. The variation of head losses were strongly influenced by the lateral inflow because the head loss coefficient increases as the flow ratios $Q_{lat}/Q_{out}$ increases. It was estimated head loss coefficients of the circular manhole is slightly lower than those of the square manhole. However, there was no significant difference of head loss as discharges change. The range of head loss coefficients at four-way combining manhole according to the change of the lateral inflow ratio was estimated to be 0.4 to 0.8. Also, the relation equations between the head loss coefficients (K) and the lateral inflow ratios ($Q_{lat}/Q_{out}$) were suggested in this paper.

• Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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• v.11 no.3
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• pp.143-150
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• 2011

Energy loss at manholes, often exceeding friction loss of pipes under surcharged flow, is considered as one of the major causes of inundation in urban area. Therefore, it is important to analyze the head losses at manholes, especially in case of surcharged flow. The stream characteristics were analyzed and head loss coefficients were estimated by using the computational fluid dynamics(CFD) model, FLUENT 6.3, at surcharged square manhole in this study. The CFD model was carefully assessed by comparing simulated results with the experimental ones. The study results indicate that there was good agreement between simulation model and experiment. The CFD model was proved to be capable of estimating the head loss coefficients at surcharged manholes. The head loss coefficients with variation of the ratio of manhole width(B) to inflow pipe diameter(d) and variation of the drop height at surcharged square manhole with a straight-path through were calculated using FLUENT 6.3. As the ratio of B/d increases, head loss coefficient increases. The depth and head loss coefficient at manhole were gradually increased when the drop height was more than 5cm. Therefore, the CFD model(Fluent 6.3) might be used as a tool to simulate the water depth, energy losses, and velocity distribution at surcharged square manhole.

• KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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• v.38 no.3
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• pp.395-406
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• 2018

The XP-SWMM model, widely used for inundation analysis of urban watersheds, underestimated the inundation area (range) because the manhole was regarded as a node and the influence of the local loss occurring in the surcharged manhole can not be considered. Therefore, it is necessary to analyze the applicability of the head loss coefficients considering the local loss in the surcharged manholes in inundation analysis using XP-SWMM. The Dorim 1 drainage section of the Dorim-river watershed, where frequent domestic flood damage occurred, was selected as the study watershed. The head loss coefficients of the surcharged manholes estimated from the previous experimental studies were applied to the inundation analysis, and the changes of the inundation area with and without the application of the head loss coefficients with manhole types were compared and analyzed. As a result of inundation simulation with the application of head loss coefficients, the matching rates were increased by 17% in comparison with the without application of them. In addition, the simulated inundation area applied only the head loss coefficients of straight path manholes and applied up to the head loss coefficients of combining manholes ($90^{\circ}$ bend, 3-way, and 4-way) were similar. Therefore, in order to accurately simulate the storm drain system in urban areas, it could be to carry out two-dimensional inundation analysis considering the head loss coefficients at the surcharged manholes. It was expected that the study results will be utilized as basic data for establishing the identification of the inundation risk area.