상하수도 103회. 수리모형 실험 시 준수되어야 할 상사법칙(similitude)

답 1. 수리모형 실험 개요

- 상하수도의 다양한 수리현상(침전, 교반, 혼합, 관로 흐름 등)을 해석할 때, 실제 규모의 모형이나 실물을 통해 현상을 파악하는 것은 현실적으로 그리고 경제적으로 곤란

- 따라서 작은 크기로 축소한 모형을 이용하여 현상을 관찰하고 실험결과를 유효하게 정리하여 실제 모형의 현상 및 실험식 유추 가능

- 이러한 실험을 수리모형 실험이라 하며, 주로 Lab test 및 Pilot test 단계에서 이루어짐

답 2. 상사법칙

- 상사법칙(similarity law)은 자연에서 실제로 일어나는 현상과 실험에 의해 재현되는 현상의 규모(scale)가 서로 다를 때, 그 둘 간의 물리량을 서로 연관해서 해석할 수 있도록 하는 법칙

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답 3. 수리모형 실험 시 준수되어야할 상사법칙

1) 수리모형 실험은 실물을 통해 진행하는 것이 가장 바람직하지만, 대부분 적합한 상사성을 고려하여 실물을 축소한 수리모형 실험을 통해 수행

- 실험결과와 실제 상태가 일치하기 위해 서로간 유사한 성질을 갖는 상사법칙 만족 필요

2) 유체 역학적 모형실험에서 모형이 실물과 유사해지는 조건을 만족하기 위해서는 모형과 실물(원형) 간에 기하학적 상사, 운동학적 상사 그리고 동력학적 상사가 성립해야 함

3) 이러한 상사법칙을 통해 모형에서 관측 및 측정한 결과를 통해 실제 실물에서 발생할 것으로 예상되는 수리현상 분석 가능

4) 수리학적 분야에서는 물의 흐름상태를 예측하기 위해 수리모형 실험이 사용되며, 이를 통해 하천에서의 오염물 이동분석 및 홍수통제 구조물 등을 설계하는데 이용

답 4. 상사법칙의 종류

1) 기하학적 상사(Geometric similitude)

- 모형과 원형 사이에 모든 대응하는 크기의 비가 같을 때, 2개의 물체는 기하학적 상사임

2) 운동학적 상사(Kinematic similitude)

- 운동학적으로 상사인 두 유동에서 유선의 형태는 같아야 하므로, 모형과 원형 사이에 각각의 대응하는 점에서 속도의 방향은 같고 그 크기의 비는 일정해야 함

3) 역학적 상사(Dynamic similitude)

- 모형과 원형 사이에 각각의 대응하는 점에서 힘의 방향은 같고 그 크기의 비는 일정해야 함

- 역학적 상사를 위해서 먼저 기하학적 및 운동학적 상사가 유지되어야 함

4) 레이놀드 수

- 유체 역학에서 가장 중요한 무차원 수 중 하나이며, 다른 무차원 수들과 함께 사용되어 역학적 상사성을 판별하는 기준이 됨

 

답 5. 펌프의 상사법칙

- 직경(D)과 회전수(N)가 동시에 변화할 때, 상사법칙을 통한 유량(Q), 양정(H), 동력(P)의 변화

 

 

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