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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.11 No.5 pp.22-27
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2020.11.5.022

Computational Fluid Dynamics Analysis of Cured-in-Place Pipe Using a Steam Transfer Tube

Joongyeon Lee1, Kinam Hong2, Sangwon Ji3
1Docter’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea
3Master’s Student, Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, Cheongju, Korea

본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:Hong, Kinam Department of Civil Engineering, Chungbuk National University, 1, Chungdae-ro, Seowon-gu, Cheongju-si, Korea. Tel: +82-43-261-2378, Fax: +82-43-261-2268 E-mail: hong@cbnu.ac.kr
August 14, 2020 September 15, 2020 September 16, 2020

Abstract


This paper reports the results of computational fluid dynamics analysis on a steam transfer tube designed to eliminate the uncured end point of the cured-in-place pipe (CIPP) that is used to reinforce sewer pipes. For the flow analysis of the designed steam transfer tube, analysis was performed using SolidWorks Flow Simulation. Flow and temperature distributions for steam transport tubes with diameters of 100, 150, and 200mm were investigated by using flow analysis. The analysis results confirmed that as the diameter of the steam transfer tube is increased, the inner length of the CIPP satisfying the curing temperature increased. Additionally, it was confirmed that a steam backflow phenomenon occurred at the inlets of all steam transfer tubes except for the diameter of 200mm. Accordingly, the optimum diameter for the steam transfer tube was determined to be 200mm. Further, through flow analysis, it was confirmed that the curing temperature was satisfied for all lengths of CIPP after 350s of steam injection.



증기이송튜브를 적용한 CIPP관의 증기 유동해석

이 중연1, 홍 기남2, 지 상원3
1충북대학교 토목공학과 박사과정
2충북대학교 토목공학부 교수
3충북대학교 토목공학과 석사과정

초록


본 논문은 하수관 보강 방법 중 보강튜브경화공법(CIPP)의 종점부 미경화 문제를 해결하기 위해 설계된 증기이송튜 브 시스템에 대한 유동해석 결과를 보고한다. 설계된 증기이송튜브의 유동해석을 위해 SolidWorks Flow Simulation을 이용하여 해석을 수행하였다. 100mm, 150mm, 200mm의 직경을 갖는 증기이송튜브에 대한 유동 흐름 및 온도 분포가 유동을 해석을 통해 검토되었다. 해석 결과를 통해 증기이송튜브의 직경이 증가함에 따라 경화온도를 만족하는 CIPP 내부 길이가 증가하는 것이 확 인되었다. 또한, 직경 200mm를 제외한 모든 직경의 증기이송튜브의 입구에서 증기 역류 현상이 나타남을 확인하였다. 이에 증 기이송튜브의 최적 직경은 200mm로 결정되었으며, 이에 대한 유동해석을 통해 증기주입을 시작하고 350초 경과 이후에 CIPP 내 모든 길이에서 경화온도를 만족하는 것을 확인하였다.



    1. 서 론

    현재 국내에 설치된 하수관은 2019년도 기준 149,030km 로 전년도 대비 5,862km의 하수관로가 추가 매설되 었다. 이 중 20년 이상 경과된 하수관로는 59,910km 로 전체의 40.2%를 차지하고 있으며, 노후화된 하수 관에서 발생한 결함은 도로 상부 지반침하의 원인 중 39.1%로 가장 높은 것으로 보고되었다(Lee, 2018).

    하수관거의 유지관리 중요성이 증가함에 따라 정 부는 지반침하 대응 노후 하수관로 정비대책을 마련 하여 실행하고 있다(Son and Choi, 2016). 그러나 기 존 하수관거를 보수하는 방법인 굴착보수 공법은 분 진, 소음, 폐기물 증가 및 교통 장애 등 사회적 비용 이 크게 발생된다(Chung and Lee, 2018). 이에 굴착 없이 관을 갱생시키는 비굴착보수 공법이 개발되었 다. 비굴착 보수공법은 기존 하수관로시설을 활용하 여 시공함으로 연결관 및 접합부의 유하 능력 유지, 폐기물 감소로 인한 친환경성, 비용절감 등 다양한 이점이 있다(Lim, 2015).

    현재 개발된 비굴착 보수공법으로는 신관삽입 (Slip lining), 제관(Spirally wound pipe lining), 현장경 화보강튜브(Cured in place pipe, 이하 CIPP)공법 등이 있으며, 그중 보수⋅보강 후 신관 수준의 강도를 발 휘하는 CIPP공법은 국내⋅외에서 가장 선호되는 시 공법이다(Kaushal et al., 2019). CIPP공법은 튜브형태 의 부직포를 열경화성 수지에 함침시킨 후 증기 및 온수를 공급하여 경화시키는 공법이다. 이런 CIPP공 법과 관련된 다양한 연구 및 평가가 국내⋅외에서 진행되고 있다. Riahi(2015)는 CIPP공법의 단기 및 장 기적 안정성을 유지하기 위한 기계적 특성을 연구하 였다. 또한, Allouche et al.(2014)는 도시 내 노후화된 하수관 중 CIPP공법이 적용된 지 25년, 23년, 21년, 5년이 경과된 하수관의 성능을 평가하였으며, 규정 된 굽힘강도와 굽힘계수 등을 만족하여 설계된 기대 수명을 충족하는 것을 확인하였다. Ji et al.(2018)은 유리섬유, 탄소섬유, 폴리에스테르 수지 등의 다양한 복합재료를 기존경화 기술에 적용할 수 있는 고강도 CIPP공법 기준을 제안하였다. 이와 같이 CIPP공법에 대한 연구들의 대부분은 기존 공법에 대한 성능평가 와 복합재료를 사용한 강도 증진에 관한 연구들이 며, 증기를 사용한 CIPP공법에서 발생하는 전체 경화 시간의 지연과 종점부의 열 손실에 의한 미경화 문 제에 대한 연구는 미흡한 실정이다(Das et al., 2016).

    본 연구에서는 종점부의 열 손실에 의한 미경화 문제를 해결하기 위해 내부 보강튜브에 균일한 증기 를 분사시키는 증기이송튜브를 적용한 시스템을 개 발하였다. 증기이송튜브 시스템을 현장에 적용하기 위해서는 선행적으로 증기이송튜브의 직경에 따른 CIPP 내부의 온도 상승시간 및 분포를 검토할 필요 가 있다.

    이에 본 연구에서는 유동해석 프로그램인 SolidWorks 의 Flow Simulation을 사용하여 CIPP 내부에 설치되 는 증기이송튜브의 직경을 변수로 유동해석을 실시 하였고, CIPP 내부 유동 현상 및 온도 분포를 검토 하였다.

    2. CFD해석

    Fig. 1은 본 연구에서 제시하는 증기이송튜브 시스템 의 개념을 보여준다. 보일러로부터 공급된 증기는 주입구를 통해 증기이송튜브에 투입되어 CIPP 종점 부로 흐르게 된다. 이 증기는 종점부에서부터 CIPP 와 증기이송튜브 사이를 채우면서 시점부로 흐르게 된다. 본 연구에서는 전술한 바와 같이 SolidWorks의 Flow Simulation을 사용하여 CFD 해석을 실시하였다. CFD 해석은 열전달, 회전체 유동, 비뉴턴 유체 상태 의 유동해석 등에 적용되며, 해석시 식 (1)∼(4)에 보 인 질량, 각운동량, 에너지에 대한 보존 법칙을 적용 한다(Sehnalek et al., 2014).

    ρ t + ( ρ u i ) x i = 0
    (1)

    ( ρ u i ) t + x j ( ρ u i u j ) + P x i = x j ( τ i j + τ R i j ) + S i ρ H t + ρ u i H x i =
    (2)

    x i ( u j ( τ i j + τ i j R ) + q i ) + ρ t τ i j R u i x j + ρ + S i u i + Q H
    (3)

    H = h + u 2 2
    (4)

    u, ρ, Si, QH, h는 각각 유체 속도, 유체 밀도, 다공성 매체 저항, 열원, 열엔탈피를 나타내며, 여기 서 τij는 점성과 난류에 의한 유효응력으로 다음 식 (5)와 같이 정의된다.

    τ i j R = μ t ( u i x j + u j x i 2 3 δ i j u k x k ) 2 3 ρ k δ i j
    (5)

    식 (5)의 δij는 Kronecker delta함수를 나타내고, k는 난류의 운동에너지, μt는 유체의 운동 점성계수를 나 타낸다.

    2.1 해석 모델

    해석대상 중 콘크리트 하수관의 직경 및 길이는 각각 1200mm와 100m로 설정하였고, 증기이송튜브의 직경 은 100mm, 150mm, 200mm 3가지 조건을 검토하였다. 증기이송튜브에 증기를 유입하는 스팀호스 및 보일 러의 조건은 Table 1에 나타내었다. Fig. 2(a)는 유동 해석의 대상 구조물로 붉은색 관은 스팀호스, 주황 색 관은 증기이송튜브, 녹색 관은 CIPP관을 나타낸 다. Fig. 2(b)는 해석모델의 메쉬형상을 나타내며, 스 팀 호스 끝부분과 증기이송튜브의 증기 주입 부분의 와류 현상을 모사하기 위해 이 부분에 대해서는 보 다 정확하게 메쉬를 분할하였다(Son and Lee, 2015).

    2.2 재료 모델링

    유체의 유동현상을 검토하기 위해 공기 및 증기 재 료는 SolidWorks의 Flow Simulation에서 제공하는 물 성값을 적용하였다. 공기의 비열비, 분자량은 각각 1.399, 0.02896kg/mol이며 온도 증가에 따른 동점성계 수, 비열, 열전도율은 Fig. 3(a), (b), (c)에 나타내었다. Fig. 4(a), (b), (c)는 증기의 온도 증가에 따른 동점성 계수, 비열, 열전도율을 나타내었다.

    2.3 해석 조건 및 방법

    보일러에서 발생한 증기를 시간당 1,500kg/h 용량으로 주입하였으며, 증기는 스팀 호스 내부로 유입되어 증기이송튜브를 거쳐 CIPP관 내부에 전달되도록 하 였다. 이때 CIPP 내부 시점부에 지름 25.3mm의 구멍 을 만들어 내부 증기를 유출할 수 있게 하였다. CIPP 내부 초기 압력 및 온도는 각각 대기압 1013mbar, 20°C를 적용하였다. 유동해석 시 단순화를 위해 스 팀호스, CIPP, 증기이송튜브 사이의 마찰은 무시하였 다. 또한, 증기이송튜브를 적용할 때 CIPP 내부 온도 차이가 20°C 이하여야 하므로 증기이송튜브의 직경 에 따른 온도 분포 및 유동현상을 검토해야 한다. 이에 증기이송튜브의 직경을 전술한 바와 같이 100mm, 150mm, 200mm로 변화시켜 유동해석을 수행 하였으며, 각 증기이송튜브 직경에서 증기 주입시간 에 따른 온도 분포를 확인하여 적절한 증기이송튜브 의 직경을 선정하였다.

    3. 해석결과 및 분석

    3.1 증기이송튜브의 직경에 따른 유동특성

    증기 투입 100초 경과 후 증기이송튜브의 직경에 따 른 온도 분포형상 및 온도 결과를 Fig. 5와 Table 2에 나타내었다. 증기이송튜브의 지름 100mm, 150mm, 200mm 모두에서 증기가 증기이송튜브를 통해 진행 하였다. 그러나 직경이 가장 작은 100mm에서는 Fig. 5(a)에 나타낸 것과 같이 증기이송튜브 입구에서 증 기가 역류하여 CIPP 내부 시점부의 온도가 51°C로 가장 높게 나타났다. 이는 유동해석에 사용된 증기 투입량에 비해 증기이송튜브의 직경이 작아짐에 따 라 발생한 역류 현상으로 CIPP 관내 종점부 100m에 서만 경화온도 80°C를 상회하는 결과가 나타났다. 150mm 직경을 갖는 증기이송튜브에서는 Fig. 5(b)와 같이 역류 현상이 크게 감소하여 증기 투입구 부근 의 온도가 46°C로 낮아졌다.

    200mm의 직경을 갖는 증기이송튜브는 Fig. 5(c) 와 같이 투입된 모든 증기가 증기이송튜브 내부로 흐르는 것을 확인할 수 있으며, CIPP 0m와 20m의 내부 온도는 각각 21°C와 22°C로 증기가 전혀 역류 되지 않는 것으로 나타났다. 또한, CIPP 경화온도를 초과하는 관로의 길이는 40∼100m 구간으로 100mm 와 150mm직경을 갖는 튜브에 비해 각각 6배, 1.5배 증가한 것으로 나타났다. 즉, 직경 200mm인 증기이 송튜브의 유동현상 및 온도 분포가 가장 이상적으로 확인되어 직경 200mm을 최적의 이송튜브 직경으로 선정하였다. 이후 연구에서는 증기이송튜브의 직경 을200mm로 고정하여 CIPP의 내부 온도 분포를 평가 하기 위한 유동해석을 수행하였다.

    3.2 CIPP관 온도 분포 특성

    Fig. 6은 200mm 직경의 증기이송튜브를 갖는 시스템 의 시간 경과에 따른 CIPP관 내부 온도 분포를 나타 내고 있다. 증기이송튜브 내부에 증기 주입을 시작 하고 20초 경과한 시점에서 CIPP관 12.1m까지 경화 온도가 80°C를 초과하였으며, 50초 경과한 시점에서 의 경화온도를 만족하는 길이는 30.7m로 30초가 경 과한 이후 18.6m 증가하였다. 이후 50초부터 350초 까지 경화온도를 만족하는 CIPP 길이는 50초마다 평 균 11.47m 증가하였다. 증기 주입을 시작하고 350초 가 경과한 후 CIPP관 내부 모든 길이에서의 온도는 경화온도를 만족하였다. 이는 CIPP관 내에 증기이송 튜브를 설치하여 증기를 주입하는 경우 100m 하수 관은 350초 이후부터 전 구간이 수지 경화온도를 만 족하여 균일한 온도 유지가 가능한 결과를 보여주고 있다.

    Fig. 7은 증기이송튜브의 증기 주입시간에 따른 CIPP관 표면 온도 분포를 나타낸다. 모든 측정 시간 에서 CIPP관 표면의 온도 분포와 배관 내부의 온도 분포는 유사한 값을 나타내며, 증기 주입 후 증기이 송튜브 내 증기가 안정화되는 150초 이후 배관 종점 부의 온도가 감소하는 경향이 나타났다.

    이것은 유동 흐름이 안정화됨에 따라 CIPP관 내 부의 찬공기가 증기를 따라 증기이송튜브 내로 유입 되었기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 CIPP관 내 부 및 표면 온도는 수지경화에 필요한 온도인 80°C 이상을 유지하는 것으로 나타나 CIPP 종점부의 미경 화 문제가 나타나지 않는다는 것을 확인할 수 있다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 손상된 하수관을 보강하는 CIPP공법 의 종점부 미경화 문제를 해결하기 위해 설계된 증 기이송튜브에 대한 유동해석을 수행하였으며, 해석 결과를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 증기이송튜브의 직경을 달리한 해석결과 직경 이 증가할수록 증기의 역류 현상 및 증기 확 산속도가 각각 감소, 증가하는 경향을 나타내 며, 증기이송튜브의 유동 흐름 및 온도 분포 는 직경 200mm에서 가장 적절한 것으로 판단 된다.

    • 2) 본 연구의 해석에 적용된 직경 200mm 증기이 송튜브 유동해석 결과 CIPP관 내부 온도는 증 기주입 후 350초에서 증기가 배관 내 모든 길 이로 확산하는 것을 확인하였다.

    • 3) CIPP관 내부 및 표면의 온도 분포는 종점부에 서 온도가 감소하는 경향이 나타났지만, 수지 경화에 필요한 온도를 유지하여 증기이송튜브 를 CIPP공법에 적용할 수 있는 것으로 확인되 었다.

    Figure

    KOSACS-11-5-22_F1.gif
    Conceptual Diagram of the CIPP Steam Transfer Tube System
    KOSACS-11-5-22_F2.gif
    Model for CFD Analysis
    KOSACS-11-5-22_F3.gif
    Air Properties according to Temperature
    KOSACS-11-5-22_F4.gif
    Steam Properties according to Temperature
    KOSACS-11-5-22_F5.gif
    Comparison of Temperature Distribution according to the Diameter of the Steam Transport Tube
    KOSACS-11-5-22_F6.gif
    Comparison of CIPP Internal Temperature
    KOSACS-11-5-22_F7.gif
    Comparison of CIPP Surface Temperature

    Table

    Steam Hose and Boiler Conditions
    Temperature Change according to the Diameter of the Steam Transport Tube

    Reference

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