• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• 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.

• Proceedings of the Korea Water Resources Association Conference
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• 2018.05a
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• pp.287-287
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• 2018

우수관거 시설에서 맨홀은 관거의 접합을 위해 반드시 설치되어야 하는 중요한 요소이다. 이러한 맨홀 접합부에서는 유입관으로 유입되는 유량의 급격한 확대와 유출관으로 배수되는 유량의 급격한 축소 등 흐름의 복잡한 변화가 발생한다. 맨홀에서의 복잡한 흐름은 설계강우를 초과하지 않는 강우량에서 과부하 조건을 형성하며 도심지 침수의 심각한 영향을 미친다. 특히 여러 관이 접합되어 있는 합류맨홀의 경우 유출관거로의 원활한 배수가 유도되지 않을 뿐 아니라 다양한 방향의 흐름이 서로 상충하며 급격한 에너지 손실을 유발한다. 도심지 중 하류부에서 주로 발생하는 침수피해는 복잡한 우수관거 시설의 구성에 따른 합류맨홀의 증가로 인해 그 규모가 늘어나는 추세이다. 바닥이 평평한 기본형태의 맨홀에서 발생되는 과부하 흐름과 여러 유량 조건에서의 에너지 손실에 관한 연구는 지속적으로 수행되어왔다. 최근 맨홀 내부에 흐름을 유도시켜주는 인버트를 설치하여 에너지 손실을 저감하려는 연구가 활발히 이루어지고 있지만 이를 실제 도시지역에 적용하여 침수해석이나 관거 배수능력 평가를 수행하기 위한 필요한 기초자료는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 인버트가 설치된 개선형 4방향 합류맨홀의 유량 조건을 다양하게 변화시키며 유입유량 조건에 따른 개선형 맨홀의 손실계수를 분석하였다. 유량 조건은 세 개의 유입관에서 각각 설계유량 $1{\ell}/s$의 유량이 유입되는 총 유입유량 $3{\ell}/s$를 기준으로 각 유입관의 유입유량을 10%씩 변화시킨 40case의 유량 조건을 선정하였다. 이렇게 선정된 유량 조건은 경우에 따라 중간 맨홀, 3방향 합류맨홀 또는 4방향 합류맨홀의 흐름을 다양하게 나타내었으며, 40case의 손실계수를 분석하여 모든 맨홀 접합 조건에서의 손실계수를 파악할 수 있었다. 합류맨홀에서의 개선형 인버트 적용성을 확인하기 위하여 인버트가 설치된 개선형 맨홀에서 산정된 손실계수를 기초로 모든 유입유량 조건에서 적용이 가능한 손실계수 범위도를 작도하였다. 손실계수 범위도는 통계분석에 활용되어 개선형 맨홀의 유입유량 조건에 따른 손실계수 산정식을 도출하는 기초자료로 활용되었다. 이와 같이 도출된 산정식을 적용하면 실제 도심지에 개선형 맨홀을 적용하였을 경우에도 정확한 침수 해석이나 관거 배수능력 평가가 가능할 것으로 판단된다.

• Journal of Korea Water Resources Association
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• v.41 no.3
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• pp.305-314
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• 2008

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.

• 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 Korea Water Resources Association
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• v.43 no.5
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• pp.445-453
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• 2010

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 necessary to analyze head losses at manholes, especially in case of surcharged flow. Hydraulic experimental apparatus which can change the manhole shape (square, circular) were installed for this study. In the experiments, two inflows ($Q_1,\;Q_2$) were varied from 0 to $4{\ell}$/sec and 15 combinations were tested in total. The flow ratios $Q_2/Q_3$ were varied from 0 to 1 for a total flow $Q_3$ ($Q_3=Q_1+Q_3$) of 2, 3, and $4{\ell}$/sec, respectively. The variation of head losses were strongly influenced by the lateral inflow because the head loss coefficient increases as the flow ratio $Q_2/Q_3$ increases. There was no significant difference of head loss between square manhole and circular one, and also no large variation of head loss as discharges change. The relation equations between K and $Q_2/Q_3$ were suggested in this paper.