1-1. 배수수직관(Drainage Stack)에서의 종국유속(Terminal Velocity)과 종국길이(Terminal Length)에 대하여 설명하시오.

배수수직관은 건물 내에서 발생하는 오수나 배수를 중력에 의해 아래로 흘려보내는 수직 배관을 말합니다. 이 배수수직관 내에서 물이 낙하할 때 나타나는 중요한 두 가지 개념이 종국유속과 종국길이입니다.

1. 종국유속 (Terminal Velocity, 종단속도)

정의: 물이 배수수직관 내를 낙하할 때, 처음에는 중력의 영향으로 속도가 점점 빨라집니다. 그러나 속도가 증가함에 따라 공기 저항과 관벽과의 마찰 저항 또한 커지게 됩니다. 이렇게 증가하는 저항력(공기 저항 + 마찰 저항)이 물에 작용하는 중력과 같아지는 시점이 오면, 물에 작용하는 알짜힘이 0이 되어 더 이상 가속되지 않고 일정한 속도로 낙하하게 됩니다. 이 일정한 속도를 종국유속이라고 합니다.

Vt = 0.635(Q/D)^(2/5)

특징:

• 종국유속에 도달하면 물은 등속 운동을 합니다.
• 배수수직관 내의 흐름이 안정화되는 지표가 될 수 있습니다.
• 종국유속은 배수량, 관의 직경, 관 내부 표면의 거칠기, 물과 공기의 밀도 및 점성 등에 의해 영향을 받습니다.
• 일반적으로 물방울 형태가 아닌 관벽에 달라붙어 막상(film) 또는 환상(annular flow) 형태로 흐르는 경우가 많으며, 이때 관 중심부에는 공기 코어(air core)가 형성됩니다.

중요성: 배수 시스템 설계 시 종국유속을 고려하는 것은 배수관 내의 압력 변동을 예측하고, 트랩의 봉수 파괴(사이펀 작용, 자기 사이펀 작용, 분출 작용 등)를 방지하며, 원활하고 안정적인 배수 흐름을 확보하는 데 중요합니다.

2. 종국길이 (Terminal Length)

정의: 물이 배수수직관의 유입구로부터 낙하를 시작하여 종국유속에 도달하기까지 필요한 수직 낙하 거리를 종국길이라고 합니다.

Lt = 0.1444Vt^2

특징:

• 종국길이 이내의 구간에서는 물이 계속 가속되지만, 종국길이를 지나면 종국유속으로 일정하게 흐르게 됩니다.
• 종국길이는 일반적으로 건물의 약 2~3층 높이(대략 6m ~ 10m)에 해당될 수 있으나, 이는 관경, 유량, 배관의 상태 등 여러 조건에 따라 달라질 수 있습니다. 정확한 값은 실험이나 계산을 통해 구해집니다.
• 짧은 배수수직관의 경우, 물이 종국유속에 도달하기 전에 배관의 끝에 도달할 수도 있습니다.

중요성: 종국길이를 이해하는 것은 배수수직관의 특정 지점에서 유속과 압력 상태를 예측하는 데 도움을 줍니다. 예를 들어, 종국길이보다 짧은 수직관에서는 흐름이 완전히 발달하지 않았을 수 있으며, 이는 설계 시 고려되어야 합니다. 또한, 통기관의 배치나 배수관 내 압력 변동을 최소화하기 위한 설계에도 영향을 미칩니다.

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요약하자면, 종국유속은 배수수직관 내에서 낙하하는 물이 공기 저항과 마찰 저항으로 인해 더 이상 가속되지 않고 일정하게 흐르는 속도이며, 종국길이는 이 종국유속에 도달하기까지 필요한 낙하 거리입니다. 이 두 개념은 배수 시스템의 안정적이고 효율적인 설계를 위해 매우 중요한 요소입니다.