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가설 설정
- 본 연구에서는 침전의 주요 구동력을 중력으로 간주하여 부유물 사이의 화학적 반응은 고려하지 않았다. 계산에 사용된 격자수는 60 X 90 X 20개로 총 108, 000개가 사용되었으며, 펜티엄 III 1GHZ CPU를 사용하여 한번의 계산에 약 48시간이 소요되었다.
- 그리고, 유체와 대기가 접한 자유표면은 미끄럼 (slip) 조건으로 지정하였다. 체적점유율의 계산을 위해 분포분석실험으로부터 물과 부유물의 초기치를 각각 99.6%와 0.4%로 가정하였으며 입구에서 동일한 분포를 가진 혼합물이 유입되는 조건을 사용하였다.
제안 방법
- 3(d)와 같이 분배판이 회전하는 경우를 각각 계산하였다. 그리고, 단면축소율(D/d)과 분배판의 각도(a) 변화에 따른 침전효율을 비교하기 위해 Table 1에 나타낸 바와 같이 세 개의 단면축소율과 세 개의 분배판의 각도를 조합한 다섯 가지 형상의 침전조에 대한 실험 및 계산을 수행하였다.
- 계산시간의 절감을 위해 형상의 대칭성을 고려하여 전체 침전조의 1/4부분만을 해석하였으며 효율적인 격자생성을 위해 회전판과 정류벽의 두께를 무시하였다.
- 또한, 원수 공급탱크에 유입되는 원수의 양을 자동으로 조절하기 위해 수위에 따른 유입 펌프 자동 조절장치를 설치하였으며, 원수 공급탱크로부터 각각의 침전조로 공급되는 유량을 조절하기 위해 펌프의 회전수를 조절할 수 있는 센서를 장착하였다. 그리고 각각의 침전조에 유입되는 원수의 양을 동일하게 하기 위해 침전조 각각에 펌프를 설치하여 원수 유입량의 불균형으로 인한 오차를 최소화하였다.
- 벽조건으로는 점착 (no slip)조건을 사용하였고, 대칭면에서는 대칭 (symmetry)조건을 이용하였다. 그리고, 유체와 대기가 접한 자유표면은 미끄럼 (slip) 조건으로 지정하였다. 체적점유율의 계산을 위해 분포분석실험으로부터 물과 부유물의 초기치를 각각 99.
- 4를 이용한 해석적 연구를 수행하였다. 기존의 침전조 구조와 개선된 구조들, 즉 정류벽에 단면축소부가 있는 경우, 분배판이 설치된 경우와 분배판이 회전하는 경우에 대해 각각의 침전효율을 비교하여 단면축소부와 분배판이 침전효율에 미치는 영향을 규명하였다. 또한, 단면축소율과 분배판의 각도변화에 따른 침전효율을 비교하여 최적의 단면축소율과 분배판의 각도를 제시하였다.
- 기존의 침전조 형상과 단면축소부와 분배판을 갖는 개선된 형상에 대한 실험 및 유동해석을 통해 침전조의 침전효율을 비교하였다. 기존 형상에 비해 분배판과 정류벽에 단면축소부를 설치한 개선된 형상에서 실험결과 침전효율이 3.
- 0 정도인 실험실 모형에서 레이저 유속계로 유속을 측정하여 침전조 내부의 유동현상을 규명하였고, Stamou와 Adams®는 보다 현장조건에 부합하는 유출부 형상에 대해 농도분포 및 유속분포를 색소추적방법, 흐름가시화, 그리고 레이저유속계를 사용하여 측정하였다. 또한 레이놀즈 수와 침전조 폭 대 수심비 등의 변화에 따른 영향을 규명하였다. Lyn과 Rodi"»는 2차원 레이저 유속계를 사용하여 침전조 유입부에서의 흐름 및 난류특성을 세부적으로 측정하여 유입부에서의 유동현상은 매우 복잡한 3차원적인 특성을 보이며 난류강도가 높은 것으로 보고하고 있다.
- 기존의 침전조 구조와 개선된 구조들, 즉 정류벽에 단면축소부가 있는 경우, 분배판이 설치된 경우와 분배판이 회전하는 경우에 대해 각각의 침전효율을 비교하여 단면축소부와 분배판이 침전효율에 미치는 영향을 규명하였다. 또한, 단면축소율과 분배판의 각도변화에 따른 침전효율을 비교하여 최적의 단면축소율과 분배판의 각도를 제시하였다.
- 설치하였다. 또한, 원수 공급탱크에 유입되는 원수의 양을 자동으로 조절하기 위해 수위에 따른 유입 펌프 자동 조절장치를 설치하였으며, 원수 공급탱크로부터 각각의 침전조로 공급되는 유량을 조절하기 위해 펌프의 회전수를 조절할 수 있는 센서를 장착하였다. 그리고 각각의 침전조에 유입되는 원수의 양을 동일하게 하기 위해 침전조 각각에 펌프를 설치하여 원수 유입량의 불균형으로 인한 오차를 최소화하였다.
- 567 m/s의 균일유속조건을 사용하였으며, 출구조건으로는 정화된 물이 대기로 흘러나가므로 일정압력조건으로 대기압을 사용하였다. 벽조건으로는 점착 (no slip)조건을 사용하였고, 대칭면에서는 대칭 (symmetry)조건을 이용하였다. 그리고, 유체와 대기가 접한 자유표면은 미끄럼 (slip) 조건으로 지정하였다.
- 본 연구에서는 물과 부유물의 이상 (two-phase)유동에 대한 실험 및 유동해석 전용 소프트웨어인 CFX-4.4를 이용한 해석적 연구를 수행하였다. 기존의 침전조 구조와 개선된 구조들, 즉 정류벽에 단면축소부가 있는 경우, 분배판이 설치된 경우와 분배판이 회전하는 경우에 대해 각각의 침전효율을 비교하여 단면축소부와 분배판이 침전효율에 미치는 영향을 규명하였다.
- 실험에서 유입수와 처리수의 부유물질 (SS, mg/O 측정은 수질오염공정시험법 (105°C 가r)을 채택하였고, 시료량은 유입수와 처리수 각각 50, 100畝로 하였다.
- 여기서 침전효율은 입구로 들어오는 부유물의 총량에 대한 침전된 부유물의 비로 정의하였으며, 상대효율은 최대효율을 갖는 형상의 침전효율에 대한 다른 형상의 침전효율의 비를 나타낸다. 유동해석에서 얻은 침전물의 양은 앞서 살펴본 바와 같이, 침전조 바닥으로부터 27 cm 이내에서 부유물의 체적점유율과 밀도의 곱으로 계산하였다. 단면축소부와 분배판이 설치된 경우, 기존 형상보다 높은 침전효율을 보이고 있는데, 이는 Kreb등的이 보고한 바와 같이 분배판의 설치로 인해 큰 와(eddy)가 작은 와로 급속히 쪼개짐으로써 에너지 소산(dissipation of kinetic energy)을 촉진하여 속도변동(velocity fluctuation)을 감소시키고, 이 결과 침전조 내부의 유동이 안정되어 침전효율이 증가한 것으로 사료된다.
- 이를 바탕으로 침전조에 설치된 정류벽의 단면축소율과 분배판의 각도가 침전효율에 미치는 영향을 비교하여 최적의 단면축소율과 분배판의 각도를 찾기 위해 Table 1에 나타낸 바와 같이 단면축소율이 0.5, 0.55, 0.67인 경우와 분배판의 각도가 22.3°, 33°, 4宁인 경우에 대해 계산하였다.
- 입구경계조건으로는 현재 사용되고 있는 침전조의 처리 유량을 바탕으로 0.567 m/s의 균일유속조건을 사용하였으며, 출구조건으로는 정화된 물이 대기로 흘러나가므로 일정압력조건으로 대기압을 사용하였다. 벽조건으로는 점착 (no slip)조건을 사용하였고, 대칭면에서는 대칭 (symmetry)조건을 이용하였다.
- 침전물은 침전조 중앙의 배출구를 통하여 배출되어 포집기 (collector) 에 저장된 후 건조과정을 거쳐 침전량을 측정하게 되며, 침전조 하단에는 전동 밸브를 설치하여 실험자가 실험조건에 따라 배출량을 조절할 수 있도록 하였다. 침전물은 원수가 유입된 후 8시간 후에 배출되도록 하였으며, 각각의 형상에 대하여 5회의 실험을 실시하였다.
- 각각의 침전조 상단에는 유입되는 원수의 원활한 공급을 위해 혼화조 및 분배조가 설치되어 있으며, 침전조 내에는 원수의 혼합을 위한 스크래퍼와 감속기가 설치되어 있다. 침전물은 침전조 중앙의 배출구를 통하여 배출되어 포집기 (collector) 에 저장된 후 건조과정을 거쳐 침전량을 측정하게 되며, 침전조 하단에는 전동 밸브를 설치하여 실험자가 실험조건에 따라 배출량을 조절할 수 있도록 하였다. 침전물은 원수가 유입된 후 8시간 후에 배출되도록 하였으며, 각각의 형상에 대하여 5회의 실험을 실시하였다.
- 침전조는 두 개를 설치하여 동시에 두 가지 형상의 실험이 가능하도록 하였고, 침전조의 용량은 8m2이며 내부의 정류벽 형상과 분배판을 제외한 외형은 동일하게 제작하였다. 각각의 침전조 상단에는 유입되는 원수의 원활한 공급을 위해 혼화조 및 분배조가 설치되어 있으며, 침전조 내에는 원수의 혼합을 위한 스크래퍼와 감속기가 설치되어 있다.
- 침전조의 형태는 장방형과 원형으로 구분하는데, 본연구에서는 원형을 대상으로 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 침전의 주요 구동력을 중력으로 간주하여 부유물 사이의 화학적 반응은 고려하지 않았다. 계산에 사용된 격자수는 60 X 90 X 20개로 총 108, 000개가 사용되었으며, 펜티엄 III 1GHZ CPU를 사용하여 한번의 계산에 약 48시간이 소요되었다.
- 원수 공급탱크 (supply tank)는 PVC로 제작된 용량 5rrf의 원형탱크이며, 유입된 원수가 완전 혼합되어 농도가 일정하게 유지되도록 공기공급장치를 설치하였다. 또한, 원수 공급탱크에 유입되는 원수의 양을 자동으로 조절하기 위해 수위에 따른 유입 펌프 자동 조절장치를 설치하였으며, 원수 공급탱크로부터 각각의 침전조로 공급되는 유량을 조절하기 위해 펌프의 회전수를 조절할 수 있는 센서를 장착하였다.
- 유동해석에서는 부유물의 체적점유율이 0.4%인 물과 부유물의 혼합유체를 작동유체로 사용하였다. 실제유동에서는 다양한 비중과 입자직경을 갖는 부유물이 혼합되어 있으나 유동해석에서는 비중 및 입자직경에 대한 분포분석실험으로부터 얻은 부유물의 대표비중 및 대표입자직경을 사용하였는네, 비중은 1.
이론/모형
- 여기서 물과 부유물의 질량 및 운동량 보존방정식은 SIMPLE 방법과 결합된 Spalding'顼의 IPSA (InterPhase Slip Algorithm)를 이용해 계산되며, 물과 부유물 입자사이의 운동량 교환을 고려하여 각각의 운동량 방정식의 생성항에 물과 부유물 사이의 항력과 상대속도의 곱으로 정의되는 운동량 교환항을 사용하였다⑫. 또한 지배방정식의 이산화방법으로는 유한체적법 (finite volume method)을 사용하였다.
- 절감하였다. 여기서 물과 부유물의 질량 및 운동량 보존방정식은 SIMPLE 방법과 결합된 Spalding'顼의 IPSA (InterPhase Slip Algorithm)를 이용해 계산되며, 물과 부유물 입자사이의 운동량 교환을 고려하여 각각의 운동량 방정식의 생성항에 물과 부유물 사이의 항력과 상대속도의 곱으로 정의되는 운동량 교환항을 사용하였다⑫. 또한 지배방정식의 이산화방법으로는 유한체적법 (finite volume method)을 사용하였다.
- 침전조의 형상과 시간에 따른 침전효과를 해석하기 위해 물과 부유물 각각에 대하여 삼차원, 비압축성, 비정상유동에 대한 시간평균 Reynolds Averaged Navier-Stokes 방정식을 이용하였으며, 난류모델로는 일반적으로 널리 사용되는 표준 k-e모델을 사용하여 계산시간을 절감하였다. 여기서 물과 부유물의 질량 및 운동량 보존방정식은 SIMPLE 방법과 결합된 Spalding'顼의 IPSA (InterPhase Slip Algorithm)를 이용해 계산되며, 물과 부유물 입자사이의 운동량 교환을 고려하여 각각의 운동량 방정식의 생성항에 물과 부유물 사이의 항력과 상대속도의 곱으로 정의되는 운동량 교환항을 사용하였다⑫.
성능/효과
- 침전효율을 비교하였다. 기존 형상에 비해 분배판과 정류벽에 단면축소부를 설치한 개선된 형상에서 실험결과 침전효율이 3.5% 증가하였고, 분배판의 회전효과는 침전효율에 큰 영향을 미치지 않았다. 다섯 가지 조합의 단면축소율과 분배판의 각도에 대한 계산과 실험의 결과로부터, 단면축소율이 0.
- 그림에서 h는 침전조 바닥으로부터의 높이를 나타낸다. 기존의 형상에 비해 분배판과 단면축소부를 설치한 세 가지 형상에서 부유물의 체적점유율이 침전조 바닥으로부터 20cm 이내의 구역에서 현저히 증가하고 있으며, 분배판의 회전은 체적점유율 분포에 큰 영향을 미치지 않음을 알 수 있다. 또한 침전조의 바닥으로부터 27cm 이상의 구역 에서는 체 적 점유율의 변화가 무시할 수 있을 정도로 작아 침전이 거의 일어나지 않음을 알 수 있다
- 5% 증가하였고, 분배판의 회전효과는 침전효율에 큰 영향을 미치지 않았다. 다섯 가지 조합의 단면축소율과 분배판의 각도에 대한 계산과 실험의 결과로부터, 단면축소율이 0.55, 분배판의 각도가 33°인 경우의 침전효율이 다른 형상에 비해 증가함을 알 수 있으며, 실험결과 최대 1.5% 침전효율이 증가함을 확인하였다. 단면축소부와 분배판은 단락류의 형성과 유속 등 유동구조와 난류에너지의 생성에 민감한 영향을 미치며, 계산 결과 단면축소율이 0.
- 이러한 이유로 인하여 유동해석과 실험의 정량적인 차이는 필연적일 수밖에 없으며, 침전량은 시간에 따라 증가한다는 점을 고려해 볼 때 침전조의 형상변화에 따른 침전효율의 정성적인 경향은 일정하게 유지될 것으로 예상할 수 있다. 따라서, 유동해석을 바탕으로 최적의 침전효율을 갖는 형상을 설계하고자 하는 본 연구의 목적에 비추어 볼 때 정성적인 경향의 정확한 예측은 만족할 만한 결과이다.
- 이러한 유동구조의 변화는 자연침전면적의 크기를 변화시키고 난류에너지 생성을 억제하여 침전효율을 증가시킨다. 본 수치해석의 결과는 실험의 결과와 정량적으로는 차이를 나타내나 정성적으로는 잘 일치하여 침전조의 형상개선을 위한 연구에 유용한 수단이 될 수 있음을 알 수 있다.
- 6%이다. 실험과 계산 모두에서 침전효율은 단면축소율이 0.55인 경우에 최대값을 보이고 있으며, 침전효율의 정성적인 경향이 동일함을 알 수 있다.
- 여기서 상대효율의 기준이 되는 G2형상의 절대효율은 유동해석과 실험으로부터 각각 0.671%와 97.3%로 정량적으로 매우 큰 차이를 보이는데, 이는 충분히 예상된 결과로서 실험에서는 8시간 동안의 침전량을 기준으로 침전효율을 산출한 반면, 해석에서는 비정상유동의 해석에 소요되는 계산시간의 절감을 위해 초기 1000초 동안의 침전량만을 기준으로 침전효율을 계산하였으므로 시간에 따른 침전량의 차이가 침전효율의 정량적인 차이를 유발하는 주된 원인이다. 실험에 사용된 부유물의 밀도 및 입자직경은 상당히 다양한데 비해 해석에서는 이를 단순화하여 대표값을 사용한 것도 또 하나의 요인이 될 수 있다.
- 결과와 잘 일치하고 있다. 이러한 결과로 볼때, 난류생성의 제어를 통해 질량혼합을 억제시킴으로써침전성능의 향상을 도모할 수 있는 것으로 사료된다.
후속연구
- 침전조 내에서는 입자들끼리의 응집과 침전이 지속적으로 발생되어 입자의 크기가 시간에 따라 변화하는 복잡한 현상이 발생하고 있다. 그러므로, 침전조내의 현상을 정확히 예측하고 침전조를 효율적으로 설계하고 운전하기 위해서는 침전조 내의 유동현상에 따른 입자의 거동에 대한 연구가 필요하며, 이를 바탕으로 보다 효율적인 응집 및 침전방법의 개발이 이루어져야 한다.
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