탱크선 펌프장의 펌프 배치 및 운전 조건에 따른 내부유동 현상에 대해서 검토하기 위하여 실제 적용되는 크기의 탱크 펌프장을 제작하여 내부에서 발생하는 보텍스 및 선회류를 확인하기는 어려우므로 상사법칙을 적용하여 축소모델을 구축하는 것이 일반적이다.

축소모델의 제작을 위해서는 상사법칙을 검토하여야 하며, HI 규격 [8]에서는 펌프장의 상사조건으로서 유동의 관성력과 중력의 비를 나타내는 프루드 수(Froude number)를 고려하여 흡입관 입구에서의 유속과 흡입관 직경의 결정에 참조하고 있다. 또한, 펌프장 유로 흐름에서의 점성효과에 대해서 레이놀즈 수(Reynolds number), 자유표면에서의 표면장력 효과에 대해서 웨버 수(Weber number)를 각각 참조하여 축소모델의 형상을 결정하고 있다. 이러한 상사법칙에 대한 무차원수들의 조건들로부터 축소모델을 제작할 경우 펌프장 축소모델의 유로 폭은 최소 300 mm, 수심은 최소 150 mm, 펌프 흡입관 입구 직경은 최소 80 mm 이상으로 설계할 것을 권장하고 있다.

따라서, 본 연구에서는 축소모형 제작을 위한 HI 규격의 권장 치수를 고려하여 Figure 2와 같이 탱크선 펌프장축소모델의 유로 형상과 치수를 결정하였다. Figure 3은 결정된 펌프장 축소모델의 형상과 치수를 고려하여 실험장치의 전체 시스템 구성도를 작성한 것이다.

Figure 2: 
Shape and size of water tank flow passage model

Figure 3: 
Schematic of pump sump experimental set-up

펌프장 축소모델 수위에 따른 흡입구 주변의 보텍스 발생 빈도 및 형상을 가시화 실험을 통하여 확인하였으며, Figure 6은 펌프장 모델 실험에서 각 수위에서 발생한 보텍스 발생 형상을 나타내고 있다. 보텍스 형상의 발생 확인은 관찰 가능한 보텍스가 발생한 순간부터 소멸할 때까지의 형상을 TSJ 보텍스 분류 기준 [7] 3가지 내에서 구분하였다. 보텍스 분류 기준 중 Class a는 실험 수위 중 상대적으로 높은 수위인 180~200 mm에서 많은 빈도수를 확인할 수 있었고, Class b는 수위가 낮아짐에 따라 빈도수가 높아졌고 수위 140 mm, 150 mm에서 높은 발생 빈도를 보였다. 실제로 펌프장 내로 공기가 흡입되어 펌프에 영향을 줄 수 있는 Class c는 수위 170 mm에서 처음 관찰되었고, 수위 160 mm부터 상대적으로 높은 빈도수의 보텍스를 관찰할 수 있었다.

Figure 6: 
Shapes of vortex occurrence by pump sump model test

상대적으로 낮은 수위에서 Class c의 발생빈도가 다른 보텍스 형상에 비해 높은 빈도수를 보였다. Class c는 Class a 및 b를 거쳐 발생하고 보텍스 형상 구분을 생성된 후부터 소멸하는 시점에서 관찰되는 형상으로 구분하였기 때문이다.

Figure 7은 펌프장 축소모델 수위 변화에 따른 보텍스 형상별 발생 빈도의 실험결과를 나타내고 있다.

Figure 7: 
Vortex occurrence frequency by water level variation of pump sump model

Class a의 경우 수위 200 mm에서부터 수위가 낮아질수록 발생빈도가 많아지는 형상으로, 190 mm에서 가장 많이 발생하였고, 상대적으로 계속 낮아지는 수위에 대해서 Class a의 분류기준 이후인 Class b, c로 발달하였기 때문에 발생빈도 횟수에서 낮아지는 빈도수를 확인할 수 있었다. 또한 낮은 수위인 130 mm~150 mm의 수위에서도 Class a가 발생하였다.

Class b의 경우는 실험 전체 수위 중, 상대적으로 낮은 수위인 140~150 mm의 수위에서 많이 발생하였고, 수위가 상대적으로 증가할수록 발생빈도는 감소하였다. Class a로 발생하여 Class b로 이어진 보텍스의 형상은 Class a의 형상보다는 더 명확하게 육안으로 관찰이 가능하였고, Class c와 같이 흡입구 안으로 공기가 유입되지 않는 것을 관찰할 수 있었다.

흡입구 안으로 공기가 유입되는 보텍스 Class c 형상은 수위 170 mm에서부터 관찰되었으나, 빈도수는 160 mm를 시작으로 상대적으로 높은 빈도수의 발생을 확인할 수 있었으며, 수위 140 mm에서 가장 많은 빈도수를 나타내었다. Class c 형상 관찰 시, 형성된 보텍스 형상이 Class c까지 발달된 후 완벽히 소멸되지 않고 반복적으로 Class a 및 b 형상을 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이 경우에는 최종적으로 형성된 보텍스 형상이 Class c이므로 보텍스 분류를 Class c로 하였다.

한편, 수위 130 mm부터는 실험이 수행된 수면과 흡입구와의 거리가 상대적으로 짧아서 약 1~2초 이내의 짧은 시간 동안 보텍스 형상의 발생과 소멸이 반복되어 형상과 빈도수를 구별하는데 어려움이 있었다. 정확한 보텍스의 빈도수 및 형상을 측정하기 위해, 관찰시간 동안의 보텍스가 발생하는 유동장에 대해 동영상 촬영 및 반복 확인을 통해 측정오차를 줄였다. 또한 주로 공기가 흡입구 벽에 붙어서 흡입되는 형태이거나, 동시에 여러 개의 보텍스 형상이 발생하는 경우도 관찰되었으며, Figure 8에 나타냈다. 이 경우에는 Class c 및 Class a, b 등이 동시에 발생하였으며, 분류는 형성된 보텍스 중 가장 발달된 보텍스 형상을 분류기준으로 판단하여 측정하였다.

Figure 8: 
Synchronicity of vortex occurrence in the pump sump