배수 도수현상 설명

도수현상의 정의

배수 도수현상은 사류가 상류로 바뀌는 순간 수심이 급증하는 현상이다.

배수관에서 빠른 흐름이 갑자기 깊어지며 소음, 진동, 기포와 통기 불량을 일으킨다.

실무 배수설계에서 반드시 검토해야 하며 관경, 경사, 통기 설계의 근거가 된다.

먼저 원리를 프루드 수로 살펴본다.

프루드 수로 판정

흐름 상태는 프루드 수 Fr로 구분한다. Fr은 유속 V를 표면장파속도 루트(gh)로 나눈 값이다.

Fr이 1보다 크면 사류, 1보다 작으면 상류, 1이면 한계류다.

사류에서 생긴 교란파는 상류로 올라가지 못한다. 그래서 하류 조건과 만나는 지점에서 수심이 한꺼번에 증가한다.

이 불연속 지점이 도수 현상이다. 도수 전후의 수심은 운동량 보존으로 연결된다.

도수 후 수심은 h1과 Fr1로 정해진다.

도수 전후 수심 관계

도수 전후 수심은 운동량 보존 원리로 구한다.

도수 후 수심과 도수 전 수심의 비는 이 식으로 나타난다. 직사각형 수로의 운동량 방정식에서 나온다.

여기서 h1은 도수 전 수심, h2는 도수 후 수심, Fr1은 도수 직전 프루드 수다.

Fr1이 커질수록 수심 비가 커지므로 도수 규모도 커진다.

도수 과정에서 운동에너지 일부는 난류 소산으로 손실된다.

배수설비에서 생기는 문제

도수가 생기면 배수설비에는 세 가지 문제가 나타난다.

첫째, 수면이 관 단면 위로 솟아 오수가 역류할 수 있다.

둘째, 공기가 섞여 기류가 교란되고 트랩 봉수가 파괴된다.

셋째, 흐름 충격으로 소음이 나고 관벽이 손상된다.

공기 이동은 악취와 부식 위험으로도 이어진다.

예제: 사류 판정

배수관 흐름이 사류인지 판정할 때는 프루드 수를 계산한다.

유속 3.0m/s, 수심 0.2m인 사류 수로를 예로 든다. 중력가속도는 9.81m/s²다.

분모 루트(gh)는 약 1.40m/s다. 분자 3.0을 이 값으로 나누면 판정 값이 나온다.

직접 구해 보자.

계산값 2.14는 1보다 크므로 사류다. 사류가 하류에서 수심 증가 조건을 만나면 도수가 생긴다.

헷갈리는 점과 시험 포인트

가장 흔한 실수는 도수를 수격작용과 혼동하는 것이다.

도수는 개수로 흐름의 수심 변화이고, 수격작용은 관내 압력 파동이다.

Fr이 1보다 크면 사류, 1보다 작으면 상류다. 두 값은 반드시 구분해 쓴다.

답안에는 수심 증가, 유속 감소, 에너지 손실, 프루드 수 기준을 함께 쓴다.

배수 수평관이라면 부분 충만 조건도 꼭 언급해야 한다.

정리

마지막으로 핵심을 정리한다.

도수는 사류에서 상류로 전환되며 수심이 급증하고 유속이 감소하는 현상이다.

판정은 프루드 수로 하고, 원리는 운동량 보존과 난류 소산으로 설명한다.

배수설비에서는 통기관으로 공기를 공급하고 관경과 구배를 함께 검토한다.

이 네 가지만 기억하면 답안 구성이 된다.