[논문]주방용 후드시스템의 유동특성에 관한 수치적 연구

임경빈; 이광섭; 이창희

문제 정의

3차원 수 치해석의 방법이 실측이나 상사 모형으로 구현하 기. 어려운 모델을 시뮬레이션 통해 유동특성을 가 시화시킬 수 있는 기초 자료로 제공하고자 한다.

가설 설정

Akira et al.(2)은 2개의 배기 구를 가지는 실제 실내의 공간 내에서 공기유동 을 해석한 바 있으나, 이들은 각 배기구로 유출 되는 송풍량비를 가정하고 배기구에서 배기구면 과 평행방향의 면속도 성분이 없다고 가정하여 문제를 해석하였다. Yi(3)는 주방기기의 열부하 특성 및 풍량산정을 이론과 실험을 통해 산정하여 주 방 배기후드의 개선안을 제시하였고, Yun(4)은 주 방환기 개선안으로 후드 및:에어"젯의 운전"「따른 주방 내의 열환경 특성을 수치적 방법으로 가 시화하였다.
본 연구는 주방 내 유동특성 해석을 수행하기 위하여 유동현상을 기술하는 지배방정식에 대하여 정상상태, 비압축성 난류유동으로 가정하였다. 이에 다음과 같은 보존방정식을 설정하였고 난류 모델로는 표준 k~e 난류모델을 설정하였다.
본 연구에서 해석공간에 적용된 경계조건으로서 배기팬의 속도는 일반 주방용 후드시스템을 가동 했을 경우로 가정하여 3m/s로 설정하였다. Table 3에 나타낸 바와 같이 경계조건을 설정하였다.

제안 방법

6을 이용하였다. Fluent 프로그램으로 모델 링 해석작업을 수행하기 전, 전처리단계(pre-processing) 로 CAD 상용 프로그램으로 해석모델의 유체부분을 모델링하였으며, Fluent와 같이 FVM/ FEM solver와 호환이 용이한 범용 전처리기인 Gambit Ver. 2.1.X를 이용하여 zone을 나누고 사 각 정렬격자와 T-Grid 격자를 이용하여 meshing 작업을 수행하였다.
1.X를 이용하여 zone을 나누고 사 각 정렬격자와 T-Grid 격자를 이용하여 meshing 작업을 수행하였다. Fig.
8은 4가지 모뎉형상 변화에 따른 X-Y상의 농도분포를 나타낸 결과이다. 농도원에서 CO₂는 질량분율(mass Fraction)을 0.2로 설정하여 계산 을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 Fig. 3에 나타낸 4가지 경우의 모 델에서 각각의 속도벡터와 유동형태, 온도 con- tour와 온도분포를 수치적으로 해석하였다.
본 연구에서는 실내 공기질(indoor air quality) 을 향상시키기 위한 방안으로 주방용 후드 내에 분리판(separation plate)을 장착하여 분리판의 형 상에 따른 후드 내의 유동특성을 3차원 수치해석 (3D numerical analysis을 통하여 분석하였다. 주 방용 후드시스템의 설계인자를 도출하기 위하여 해석공간에서의 유입공기의 온도와 배출공기의 속 도를 일정하게 설정하였다.
본 연구에서는 전처리 프로그램인 Gambit을 이용하여 Fig. 5에서 보는 바와 같이 전체 해석공간 을 7개의 volume으로 나누고 각각의 volume에 사각 정렬격자와 T-Grid 격자를 조합하여 형성 하였다. 각각의 case에 격자수는 Table 4에 나타난 것과 같다.
주 방용 후드시스템의 설계인자를 도출하기 위하여 해석공간에서의 유입공기의 온도와 배출공기의 속 도를 일정하게 설정하였다. 싱크 상단에 농도를 포함한 열원(heat source)을 설정하였고, 분리판 이 없는 경우와 분리판이 설치되었을 때, 후드와 주변의 유동특성과 온도분포, 농도분포를 비교하여 분리판의 효과를 검증함으로써 오염물질을 효과적으로 배출하는데 중점을 두었다. 3차원 수 치해석의 방법이 실측이나 상사 모형으로 구현하 기.
본 연구에서는 실내 공기질(indoor air quality) 을 향상시키기 위한 방안으로 주방용 후드 내에 분리판(separation plate)을 장착하여 분리판의 형 상에 따른 후드 내의 유동특성을 3차원 수치해석 (3D numerical analysis을 통하여 분석하였다. 주 방용 후드시스템의 설계인자를 도출하기 위하여 해석공간에서의 유입공기의 온도와 배출공기의 속 도를 일정하게 설정하였다. 싱크 상단에 농도를 포함한 열원(heat source)을 설정하였고, 분리판 이 없는 경우와 분리판이 설치되었을 때, 후드와 주변의 유동특성과 온도분포, 농도분포를 비교하여 분리판의 효과를 검증함으로써 오염물질을 효과적으로 배출하는데 중점을 두었다.
후드 내부에 '분리판이 없을 때와 설치하였을 때, 그리고 분리판의 형상에 따른 유동특성을 비 교하였다.

대상 데이터

2는 본 연구의 해석모델의 후드 내부에 장 착되는 각각의 분리판 형상이다. 각각의 분리판 은 폭 0.6 m와 두께 0.025 m로 동일하며 상단부 의 곡면부분을 제외한 분리판의 길이(L)를 다르 게 적용하였다. Fig.
본 연구의 해석모델은 일반적인 공동주택(아파 트)의 주방으로 주방의 중앙 천정부에 공기 급기 구(0.A'diffuser)를 설치하고 후드 .내에 배기팬 (exhaust fan)을 이용하여 실내의 오염물질을 배 출하는'환기방식이.

데이터처리

본 연구의 수치해석에서는 계산수렴을 위하여 하향이완계수법(Under-Relaxation factor method) 을 이용하였으며 프로그램의 해석과정을.수행하여 방정식의 결과수치들의 이전의 해석"결과수치 들과 비교하여 나타나는 오차(error)가 을 수렴표준(convergence criterion)으로 설정하고 이 이하일 때 수렴하였다고 판단하였다. 유동장에 관한 수렴해를 얻기 위해서 계산 반복(iteration) 횟 수는 초기 1,000회 이상으로 설정하여 수행하였으 나, .

이론/모형

본 연구에서 사용된 수치해석 상용 프로그램으로는 건축물의 복잡한 형상을 갖는 공간에서의 열 전달, 공기유동, 상변화 및 화학반응에 관련된 3차원 유동현상을 수치적으로 해석하기 위해 활용빈 도가 높은 전산유체역학 해석 프로그램인 Fluent Ver.6을 이용하였다. Fluent 프로그램으로 모델 링 해석작업을 수행하기 전, 전처리단계(pre-processing) 로 CAD 상용 프로그램으로 해석모델의 유체부분을 모델링하였으며, Fluent와 같이 FVM/ FEM solver와 호환이 용이한 범용 전처리기인 Gambit Ver.
본 연구의 수치해석에서는 계산수렴을 위하여 하향이완계수법(Under-Relaxation factor method) 을 이용하였으며 프로그램의 해석과정을.수행하여 방정식의 결과수치들의 이전의 해석"결과수치 들과 비교하여 나타나는 오차(error)가 을 수렴표준(convergence criterion)으로 설정하고 이 이하일 때 수렴하였다고 판단하였다.

성능/효과

(1) 4가지 모델의 속도분포를 분석한 결과 주방 용 후드 내의 속도분포는 case 3이 가장 빠르게 나타났으며 case 4, case2, easel 의 순으로 나타났다.
(3) 온도분포와 농도분포를 분석해 본 결과 실 내로 퍼진 잉여열과 CO₂의 농도수치는 case 3가 가장 낮게 나타났으며 case 4, case 2, case 1의 순으로 나타났다. 따라서 case 3의 모델에서 열 의 확산 정도나 CO₂ 농도의 분포는 재실자가 느 끼게 될 실내 쾌적성을 고려해 볼 때 가장 양호 한 결과로 나타났다.
(4) 분리판의 취출구는 오염원에 가까이 접근시 키고, 2중 취출구보다는 단일 취출구로 하여 음 압을 최대한 형성시키는 것이 보다 효과적인 것으로 나타났다. 분리판 없는 후드 모델(case 1)과 가장 효과적인 모델로 나타난 case 3의 실내 온 도분포는 case 3이 case 1에 비해 약 1.
3m의 영역에서 농도수치가 완 만히 변하는 것은 공간 내의 순환영역이 형성되어 공기의 유동이 적어지면서 농도의 변화가 거의 일 정하게 나타난다고 판단된다. 4가지 모델의 농도 분포 해석결과 case 3이 해석모델 전역에서 가장 낮은 농도분포를 보이고 있고 조리자의 위치에서 농도수치도 가장 낮으므로 case 3이 오염물질 배 출이 가장 원활하고 쾌적한 실내환경 조성에 가장 적합한 것으로 나타났다.
순환영역의 중심에서는 유동이 정체되므 로 급격한 온도변화를 보이지 않고 비슷한 온도 분포를 보이게 된다. 또한, 급기구 이후의 영역에 서도 case 1이 가장 높은 온도분포를 나타낸 것으로 보아 case 1이 4가지 모델 중 열 확산이 가장 많이 나타나는 것으로 판단되었다. 조리자의 위치에서 볼 때 가장 양호한 모델은 case 3이고 case 4, case 2, case 1의 순서로 나타났다.
유동장에 관한 수렴해를 얻기 위해서 계산 반복(iteration) 횟 수는 초기 1,000회 이상으로 설정하여 수행하였으 나, .모든 모델에서 반복 횟수가 300~ 400회 사이 에서 속도 “, v, w) 및 온도T)와 같은 주요변수 값들의 오차율이 수렴표준 이하로 떨어져 수렴되 었다고 판단하였다.
(4) 분리판의 취출구는 오염원에 가까이 접근시 키고, 2중 취출구보다는 단일 취출구로 하여 음 압을 최대한 형성시키는 것이 보다 효과적인 것으로 나타났다. 분리판 없는 후드 모델(case 1)과 가장 효과적인 모델로 나타난 case 3의 실내 온 도분포는 case 3이 case 1에 비해 약 1.4~1.9%, CO₂의 농도분포는 9.4-11.9% 가량 개선효과가 있는 것으로 나타났다.
00392 이상의 농도분포를 나타내고 있다. 이러한 영향 으로 주방의 공기는 오염이 덜 되어 보다 쾌적한 공기분포를 나타낼 수 있었고, 조리자의 위치에서 도 농도분포가 상당히 줄었다. Fig.
이것은 분리판의 효과로 판단된다. 이후 분리판 이후부터 공기 급 기구까지의 영역에서는 case 3이 가장 낮은 온도 분포를 보여 4가지 모델 중 가장 양호한 것으로 나타났으며, 0.6m 부근(싱크대의 끝)까지는 case 2가 가장 높은 온도분포를 나타냈고 0.6m 이후부터 급기구까지의 영역에서는 case 1이 가장 높은 온도분포를 나타내었다. X방향 1.

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