최근 도심지역에 국지성 집중호우가 자주 발생하고 불투수층 증가로 인해 유출량이 급격히 증가하면서 도심지역의 침수피해는 불가피한 상황이 되었다. 따라서 침수피해를 저감시킬 수 있는 대심도 배수터널의 필요성이 제기되고 있으나, 실제로 활용할만한 기술적 연구결과가 부족한 실정이다. 특히 대심도 터널의 구조 중 유입유량의 흐름특성을 결정하는 중요한 구조인 유입부의 경우 대심도 터널 설계 시 경제 및 시공적으로 우수하며, 유량배제효율이 양호한 유입구룰 선택하는것이 중요하다. 따라서 유입부 형태 중 설계인자가 적고 구조물 크기가 작아 시공 및 경제성이 우수한 접선식(Tangential) 유입구가 최근 대심도 배수터널의 유입구조물로서 많이 사용되고 있다. 하지만 접선식 유입구에 대한 효율검토 및 유량배제효율을 증가시킬 수 있는 실질적인 연구는 이루어지고 있지 않은 실정이다. 따라서 접선식 유입부의 흐름특성 분석을 실시하고, 접선식 유입부의 유량배제효율을 더 증대시킬 수 있는 구체적인 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 접선식(Tangential) 유입부의 흐름특성 분석을 통해 유량배제효율을 증가시킬 수 있는 구조적 개선안을 제안하여 개선안 적용에 따른 흐름특성 분석을 실시하였다. 유입부에 편경사를 고려한 접선식 유입부 구조를 제안하였고, 유입부의 편경사를 단계적으로 증가시킴으로서 수치모의를 수행하여 그 모의결과를 비교하였다. 유입부 내의 복잡한 흐름특성을 분석하기 위해 유체거동의 특성분석에 많이 사용되는 범용 CFD(Computational Fluid Dynamics)모형인 FLUENT 6.3모형을 선택하였으며, 유량 배제효율을 판단하는데 척도가 되는 접근수로에서의 평균수위와 수직 낙차부 내의 공기핵 크기를 계산하였다. 유입부 구조물의 격자망은 사면체와 다면체 격자 형태로 조밀하게 구성하였으며, 다상유동을 위해 VOF(Volume of Fluid)방법을 적용하였다. 수치해석 방법으로는 비정상류, 난류모형으로는 standard κ-ε모형을 적용하였다. 구조적 개선안 적용에 따른 접선식 유입부의 흐름특성을 수치 모의한 결과 접근수로의 평균수위는 구조 개선안 적용 전에 비해 유입부 편경사가 증가할수록 약 9.2%에서 25%의 수위감소 효과를 나타냈으며, 공기핵 크기는 약 15.6%에서 58%의 증가효과를 나타냈다. 이는 본 연구에서 제안한 구조적 개선안이 접선식 유입부의 구간평균수위를 낮추고 공기핵 크기를 증가시켜 접선식 유입부의 유량배제효율을 효과적으로 증가시킨다는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 수치모의 조건하에서는 제안한 구조 개선안이 접선식 유입부의 유량배제효율 및 흐름안정성을 확보할 수 있으므로, 접선식 유입부에 본 연구에서 제안한 구조 개선안을 적용시키는 것이 용이하다고 판단된다.

최근 기상변화와 급속한 도시화에 따른 국지성 집중호우가 자주 발생되며, 불투수층이 급격히 증가하면서 대도시 지역에서의 침수 피해가 잇따르고 있다. 2010년과 2011년 서울시에도 100년 빈도의 집중호우가 연이어 나타나면서 광화문과 강남지역 침수가 발생하였고 이는 서울시의 현재 우수 및 하수관리 체계의 한계점을 보여준다. 이에 서울시는 체계적인 방재대책을 마련하기 위해 대심도 빗물배수터널 설치를 계획하고 있지만 국내의 경우 대심도 빗물배수터널에 대한 연구(수리실험 및 수치모의 등)가 미비하며, 구체적인 설계지침수립 등의 연구결과가 부족한 실정이다. 그러므로 대심도 빗물배수터널의 흐름특성 분석에 관한 구체적인 연구가 필요하다고 판단된다. 대심도 빗물배수터널에서 유입구(Inlet)는 유량배제 시 유입유량을 결정하는 중요한 구조물이다. 국외에서는 유입구의 형태 및 크기 등에 관한 실험 및 수치모의연구가 1980년대 이후로 지속적으로 수행되고 있으나, 국내에서는 유입구에 관한 기초적인 연구만 진행되고 있는 실정이므로 유입구에 대한 구체적인 연구가 필요하다. 특히 유입구는 형태(Scroll, Spiral, Tangential)에 따라 유입수로에서의 수심이 결정되고 이 수심이 유량의 배제능력을 평가하는 기준이 되므로 유입구의 형태별(Scroll, Spiral, Tangential) 흐름특성을 분석 하는 것이 중요하다고 판단된다. 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되고 있는 유입구의 종류를 소개하고, 각 유입구에 대한 흐름특성을 분석하고자 한다. 흐름특성 분석을 위해 3차원 수치모델링 프로그램인 Fluent 6.3모형을 사용하여 실시하였다. 유량 배제효율을 판단하는데 척도가 되는 유입수로에서의 최소수위를 측정하였으며, 각 유입구별 수치모의 조건(수직갱 지름, 접근수로 너비, 유량 등)은 같은 값을 적용하여 비교·분석하였다. 유입부 구조물의 격자망은 육면체와 삼각뿔 형태로 구성하였으며, 다상유동을 위해 VOF Scheme을 적용하였다. 수치해석 방법으로는 비정상류, 1st order implicit method를 사용하였고 난류모형으로는 κ-ε모형을 적용하였다.