A three dimensional numerical analysis was performed to study the cooling performance of xEV battery module depending on cooling fluid inlet position. Depending on the inlet position from the top, case 1 (top inlet), case 2 (middle inlet), and case 3 (bottom inlet) are selected. For the case 1, the temperature of the battery near inlet was higher than that of the battery near outlet. For the case 2 and 3 the temperature of the battery near inlet was lower than that of the battery near outlet. From the analysis result, the cooling performance is higher in the order of case 2, case 3, and case 1.

급격한 기상변화로 인한 극한 강우와 집중폭우의 발생빈도 증가로 기존 수방시설의 한계 용량을 초과해 도심지 침수피해가 빈번하게 발생하고 있다. 최근 도시화 추세가 급격하게 빨라지면서 수방시설 등 사회기반시설에 대한 지하공간 개발의 필요성이 증가하고 있으며, 지하공간을 활용한 지하방수로와 지하저류지 기술이 급부상하고 있다. 본 연구에서는 지하유입시설의 대표적 형상인 접선식 유입구와 나선식 유입구에 대한 공기 배출 효과를 분석하기 위해 유입유량 변화에 따른 수직갱 내부 공기공동(air-core)의 형상 크기를 계측했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 유입조건에서 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 수직갱 내부 공기공동의 전체적인 평균 단면적의 경우, 다단식 나선 유입구가 접선식 유입구보다 10% 정도 크게 나타나 고유량 유입조건에서 높은 공기 배출 효과와 유입효율을 나타냈다. 접선식 유입구의 경우, 유입구가 가지는 고유 성능을 유지할 수 있는 최대 유량 조건을 초과하면서 공기 배출 효과가 감소하기 시작했다. 또한, 실험에서 사용된 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 활용 가능한 기초자료를 제공하기 위해 수직갱 내부 위치에 따른 공기공동 단면적에 대한 실험식(empirical formula)을 제시했다.

급격한 도시화와 산업화로 도심 재난 취약성이 증가하고, 전 세계적인 기후변화로 인한 극한 강우사상의 발생빈도가 증가하고 있다. 기존 방재시설의 용량한계를 넘어선 극한 강우사상의 발생으로 도심 지역의 침수피해 또한 증가하고 있다. 도심 침수피해를 예방하기 위해 지하공간을 활용한 지하저류 시설과 지하배수터널 활용이 급부상하고 있으며, 강우가 유입되는 지하유입구에 대한 수리학적 검토를 통한 성능 분석이 중요하다. 본 연구에서는 지하 유입구로 활용되고 있는 접선식(tangential) 유입구와 나선식(spiral) 유입구에 대해 유입유량 변화에 따른 유입부 수위를 계측하고 흐름 특성 변화를 분석했다. 나선식 유입구의 경우, 저유량 조건에서의 와류 유도 효과를 개선하기 위해 유입부 바닥면에 계단형 다단식 구조를 도입했다. 접선식 유입구 에서는 고유량 유입조건 아래 도수(hydraulic jump)가 발생하며 유량 배제 효과가 급격하게 감소했다. 다단식 나선(multi-stage) 유입구의 경우, 접선 식 유입구보다 유입유량 증가에 따른 수위 상승률은 높지만 저유량 및 고유량 유입조건에 대해 안정적인 유량 배제 효과를 유지했다. 또한, 실험에서 사 용된 유입구 모형이 활용될 수 있도록 접선식 유입구와 다단식 나선 유입구 모형에 대한 수위-유량 관계 실험식(empirical formula)을 제시했다.

대심도 저류 및 배수터널은 기 개발된 도시의 부족한 배수관망 능력을 보강하기 위하여 지하에 설치하는 대규모 도시홍수 배제 시설물로 원활한 홍수 유입을 위해 적정한 규모의 수직유입구가 요구되어진다. 접선형 수직유입구 설계 시 유입구의 능력을 평가하는 중요인자로 Yu and Lee (2009)가 지배유량개념을 소개하였는데, 본 연구에서는 서울시에 설치하고자 하는 신월빗물저류배수시설의 수직유입구 3개소를 대상으로 수리 모형실험을 실시하고 제안된 지배유량 개념의 적정성을 평가하였다. 지배유량 이론식(Qcp)을 이용하여 실제 측정된 지배유량(Qcm)과 비교․ 분석 하였는데, 그 결과 이론식 대비 66~69%로 이론식이 지배유량을 과대 산정하는 것으로 평가되었다. 지배유량 이론식의 과대산정 원인을 분석하 기 위하여 Yu and Lee (2009)가 사용한 자료들과 본 연구에서 측정된 자료들을 활용하여 지배유량비(Qcm/Qcp)를 3가지 영역으로 분류하고 각 인 자에 대한 민감도 분석을 실시하였다. Yu and Lee (2009)가 제안한 지배유량식은 접선형 수직유입구 설계인자인 에 대한 영향만 고 려하였으나 과 연계된 변수들로 복합적으로 고려하는 식의 개선이 필요한 것으로 판단된다.

일반적으로 쇠살대 빗물받이는 도로 표면유출 흐름을 차집하여 도시배수 시설로 배제하기 위하여 설치된다. 빗물받이의 규모 및 설치간격 을 결정하기 위하여 빗물받이 차집유량 산정식이 필요하다. 그러므로 쇠살대 빗물받이 유입구의 차집능력 분석이 필요하다. 본 연구에서는 도로 빗물받이의 차집유량 산정을 위해 수리실험모형을 제작하여 720회의 실험을 실시하였다. 빗물받이 제원은 현재 대부분의 국도에 설치 되는 크기인 40×50cm,40×100cm 및 40×150cm를 Froude 상사법칙을 이용하여 1/2로 축소 모형을 제작하였다. 측구의 유량은 도로의 차선 (2~4차선), 경사(도로 종경사 2~10%, 측구 횡경사 2~10%) 및 설계빈도(최대 30년)을 고려하였다. 실험 결과 측구의 횡경사가 커질수록 빗물받 이로 유입되는 유량은 증가하였으며, 빗물받이 유입부의 길이가 증가함에 따라 유입부 측면부를 통한 횡유입량을 증가시켜 빗물받이 유입부의 차집효 율을 증가시켰다. 실측 차집유량을 이용하여 회귀분석 실시하여 빗물받이 유입구 크기별 차집유입량 산정식을 도출하였다. 기존 경험식과 비교한 결 과, 도출된 산정식은 상향된 빈도를 반영한 빗물받이 유입부의 차집유량을 보다 정확하게 산정하였으며, 도로 배수시설 설계에 기초자료로 활용이 가 능할 것으로 판단된다.

최근 도시화에 따른 불투수층의 증가는 배수유역의 도달 시간의 감소 및 첨두유출량의 증가와 기상이변으로 인한 국지성 집중호우로 도심지에서의 내수 침수피해를 발생시키고 있다. 특히, 내수 침수피해는 유출량이 집중되는 저지대 지역과 하수관거불량 지역에서 빈번하게 발생하고 있으며, 이는 도로변에 설치되는 빗물받이 유입구의 차집량 부족 및 막힘에 따른 도로 노면수 정체가 침수피해를 가중시키는 요인이 되고 있다. 이에 본 연구에서는 빗물받이 유입부의 적정 설계방안의 기초자료를 제시하기 위하여, 도로조건 및 설계빈도 변화에 따른 차집량을 위한 실험을 실시하였다. 도로 종경사는 도심지 내 간선도로 및 고속도로의 최대 종경사를 반영하여 2~10%의 조건을 선정하였고, 측구 횡경사는 도로 횡경사 및 L형측구의 측구 경사를 반영하여 2~10%의 조건을 선정하였다. 도로 차선 조건은 중앙차선과 보도를 경계로 편도 2, 3, 4 차선을 선정하였으며, 실험유량은 설계빈도 상향을 고려하여 5년, 10년, 20년 및 30년의 설계 빈도의 우수유출량 8.4ℓ/s~21.5ℓ/s의 유량으로 결정하였다. 빗물받이 유입구의 크기는 실제 도로에 설치되는 40×100cm의 유입구를 사용하였으며, Froude 상사법칙을 이용하여 수리실험 모형을 1/2축소 제작하여 실험을 실시하였다. 수리실험 결과, 쇠살대 빗물받이 유입구(40×100cm)의 차집율은 측구 횡경사의 증가에 따라 증가하는 경향을 보였다. 이는 측구 횡경사의 증가로 도로 노면수가 측구로 집중되어 유입구의 전면부를 통한 차집량이 증가하고, 전면부를 통과한 유량은 유입구 측면부를 통해 횡유입되어 차집량이 증가한 결과로 분석되었다. 산정된 실험조건별 차집량은 회귀분석을 통하여 산정식을 제시하였으며, 이는 설계빈도 상향에 따른 국내 빗물받이 유입부의 설계 기준 제시에 기초자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

최근 해양시설물용 파력발전시스템은 본래 기능과 연계한 하이브리드 형태로 많은 연구개발이 이루어지고 있다. 이 중 방파제에 설계된 진동 수주형 파력발전시스템의 경우, 기존의 방파제의 기능에 더불어 터빈을 통해 파랑에너지를 전기에너지로 변환하는 발전기능을 갖는다. 이러한 형태의 발전 시스템은 해수를 손실 없이 최대한 많이 유입되도록 하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 유입구 형상에 따른 파 력발전시스템의 출력 특성에 대해 기술하였다. 또한 일반적인 해양 구조물인 방파제에 부착된 진동수주형 웰즈터빈 모델을 시뮬레이션 하여 유입구 곡면 각도에 따라 변화하는 유입량과 해수속도 그리고 그에 따른 웰즈터빈의 출력을 측정하였다. 마지막으로 시뮬레이션 결과를 바탕 으로 하여 에너지 변환 효율을 높이기 위한 유입구 형상을 제안하였다.

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.

낙차 구조물에 사용되는 와류 유입구는 연직낙차부에서의 흐름이 벽면에 접하는 와류형의 유선을 형성하도록 유도한다. 이는 와류 발생에 의한 에너지 소실이 안정적인 유수의 흐름을 보장하면서 구조물 내부의 파손을 감소시키기 때문이다. 와류 흐름을 유도하기 위한 와류 유입구의 형태에는 대표적으로 원형(circular), 소용돌이형(scroll), 나선형(spiral), 접선형(tangential) 등이 있다. 이들은 모두 연직낙차부에서 와류를 형성시키는 동일한 메커니즘 가지면서도 각각의 형태가 서로 다르기 때문에 특성과 한계가 서로 상이하다. 이에 본 연구에서는 각각의 다른 와류 유입구 형태에 대하여 3차원 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 이용하여 수치모의를 수행한 뒤 실험식에 근거해 유도된 유량과 수치모의 결과에서 산정된 유량을 비교, 도시하고 와류 유입구의 형태별로 유황을 분석한 뒤, 이를 종합하여 와류 유입구의 종류별 특성으로 정리하였다.

댐, 하수구, 지하 방수로 및 저류시설 등에는 높은 위치의 물을 낮은 위치로 이동시키기 위한 낙차 구조물(drop structure)을 자주 사용한다. 이러한 낙차 구조물은 시설 전체의 통수량을 결정하는 역할을 하기 때문에 유입된 물을 빠르고 안정적으로 아래에 연결된 다른 시설물로 흘려보낼 수 있어야 한다. 만약 낙차 구조물에 통수능 문제가 발생하면 이는 시설물 전반의 통수능 문제로 이어져 결국 홍수를 유발할 수도 있다. 낙차 구조물의 내부 흐름 효율을 증대시키기 위해서는 연직낙차부로 물을 유입시키는 유입구의 효율이 무엇보다도 중요하다. 유입구의 효율을 증대시키기 위한 방법 중에서는 와류를 발생시켜 유수의 안정성을 보장하는 방법이 있는데, 이러한 와류 생성형 유입구의 형태는 1947년 Drioli에 의해 처음 도입된 이후 현재까지 꾸준히 개발되어 사용되고 있다. 본 연구에서는 와류 유입구 중에서도 가장 많은 빈도로 사용되는 나선 형태의 와류 유입구(Spiral vortex intake)에 대하여 흐름 유도벽 등의 설계인자를 변화시키면서 수치모의를 수행하고 그 결과를 사용하여 설계인자 변화에 따른 유량 배제 효율을 평가하였다. 본 실험을 통해 1. 유입구 내부 낙차부의 에너지 감세 효율은 낙차부 길이 방향에 따른 총 수두 변화로 검토가 가능하며, 이에 따라 분석된 전반적인 경향은 유량과 수심의 증가하면 에너지 감세 효율이 감소 하는 것으로 파악되었으며, 2.나선형 와류 유입구에 별도의 흐름 유도벽을 설치했을 때 보다 유도벽을 설치하지 않는 경우에 유량의 배제 효율이 증가하는 것으로 분석되었다.

최근 빈번하게 발생하는 이상홍수와 도시화로 인해 내수 배재 능력 부족으로 도시 침수 피해가 증가하고 있다. 대표적인 사례로는 2010년 서울 세종로와 2011년 서울 대치역 인근 지역 및 곤지암천 유역의 홍수 피해가 있다. 대부분의 피해지역은 토지이용 집약화, 지가 상승 등으로 평면 공간이 필요한 하천의 확장이 불가능한 도시 유역이다. 따라서 비교적 여유가 있는 지하 공간을 활용하는 지하방수로, 지하저류지 등의 홍수피해 방지시설 도입 필요성이 점차 증가하고 있다. 지하방수로는 접근 수로를 통해 유입된 유량이 유입구를 지나며 가속되어 와류 흐름을 형성하며 수직 갱도로 유입되는 구조를 가진다. 그러므로 지하방수로의 방류 효율을 높이기 위해서는 유입구에서 흐름 특성을 파악하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 나선식 유입구의 바닥경사를 종방향과 횡방향으로 동시에 주었으며, 각 종횡경사에서 안내벽의 각도에 따른 방류 효율을 검토하고자 한다.

일반적으로 나선식 유입구의 유입부에서 흐름이 상류인 경우에는 나선부에서 흐름이 상류에서 사류로 변화하면서 대체로 안정적으로 점차 수위가 떨어지고, 유입부에서 흐름이 사류인 경우에는 나선부에서 충격파가 발생하여 수면이 상승할 수 있다. 이러한 현상은 유입구 내부에서 도수 현상을 발생시키며, 도수 현상이 발생하게 될 경우 유입부 유입 흐름이 불안정하게 된다. 이로 인해 수갱 입구의 질식 현상 또는 구조물이 파괴되는 현상이 발생 할 수 있다. 따라서 안정적인 흐름이 유지 될 수 있는 구조물 설계를 위해 유입부의 흐름 특성이 고려되어야 한다. 본 실험에서는 나선식 유입구의 바닥경사에 따른 유입부의 흐름 특성을 무차원 수위 y와 프루드수 Fr의 관계를 통해 검토하였다.