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문제 정의
- 특성상 그 거동을 고찰하기에는 한계가 있다. 본 연구에서는 3차원 수치해석 결과를 이용하여, 이송관로의 몇 곳을 선정하여 관로내의 음식물 쓰레기 거동을 고찰하였다.
- 다른 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 음식물쓰레기 성상을 모델링하기 위하여 음식물 쓰레기의 수분함유량에 관한 현장 측정 데이터(2)를 분석하였다. 본 현장검증 데이터를 통하여 얻어진 집단주거단지 (아파트)의 음식물 쓰레기 수분량은 약 60-80%로 다양하게 분포되었다.
가설 설정
- 5 에서 알 수 있듯이 약 80 m의 분포길이가 필요하다. 이에 본 수치계산에서는 단축관을 포함하여 실제 관로에서의 계산에서도 음식물 쓰레기가 투입구에서부터 80이로 고르게 분포되어 흘러간다고 가정하고 정상 수치해석에 의한 압력강하 평가를 수행하였다.
제안 방법
- 단축관을 이용한 예비계산에서는 순수 공기만을 관로 이송하였을 때의 압력강하와 음식물 쓰레기를 공기와 함께 이송시켰을 때의 압력강하를 수치해석으로 평가하였다.
- 4에서 나타냈듯이 특정 양의 음식물쓰레기가 투입되어 이송될 경우에 관로 내에 분포된 길이를 의미한다. 본 쓰레기 관로이송 해석에서는 투입구의 아래쪽에 위치한 음식물 쓰레기를 모아주는 슈트(chute)의 용량을 기준으로 투입 쓰레기 양을 결정하였다. 쓰레기 분포 길이는 투입쓰레기의 질량 유량에 의하여 결정된다.
- 또한, 관로에 있어서 곡률부의 반경은 3m로 설정하였다. 본 연구에서는 쓰레기 관로 이송시스템 중에서 투입구측의 이송관로에서부터 쓰레기의 분리기와 흡입송풍기 (터보 블로어)의 상부 관로까지를 해석영역으로 하였다. 즉, 본 해석영역은 실제의 이송관로의 총 길이를 포함하고 있으며, 관로해석을 통하여 관로 하류측에 설치된 송풍기의 성능을 결정하기 위한 압력강하 특성을 평가한다.
- 실제 이송관로에서 공기흐름에 의한 압력강하를 수치해석을 이용하여 구하였다. 관로입구에서는 상대압력을 0으로 출구에서는 공기흐름속도인 271泌?을 경계조건으로 설정하였다.
- 실제관로에서는 음식물 쓰레기 성상분석 자료를 토대로 예비계산을 통해 도출된 음식물 쓰레기 분포 길이를 80m로 하여 수치해석을 수행, 음식물 쓰레기가 이송되는 관로의 압력강하 특성을 평가하였다. Table 5에 실제 관로에서 구한 전체 및 단위 길이 당 압력강하를 단축 관에서 구한 압력강하 값과 비교하여 나타냈다.
- 설정하였다. 음식물 쓰레기 투입에 의한 압력상승을 평가하기 위하여, 음식물 쓰레기의 분포 길이를 Table 3과 같이 5가지 조건으로 평가하였다. Table 3에서 알 수 있듯이 투입된 음식물 쓰레기 250 kg가 단축관 관로에 골고루 분포되었다고 가정한 Type 1에서는 순수 공기만이 통과할 때의 압력손실보다 약 0.
- 의 성상과 물리적 조성에 따라 세분화하여 측정하였다. 음식물 쓰레기의 관로 이송에 의한 압력손실을 수치적으로 계산하기 위해서는 음식물 쓰레기의 크기별 모델링이 필요하다.
- 의 압력손실 값은 순수 공기에 비해 약 30% 증가하는 실험 결과를 토대로 관로 내에서 쓰레기의 분포 길이를 변수로 하여 압력강하를 계산하였다.
- 본 연구에서는 쓰레기 관로 이송시스템 중에서 투입구측의 이송관로에서부터 쓰레기의 분리기와 흡입송풍기 (터보 블로어)의 상부 관로까지를 해석영역으로 하였다. 즉, 본 해석영역은 실제의 이송관로의 총 길이를 포함하고 있으며, 관로해석을 통하여 관로 하류측에 설치된 송풍기의 성능을 결정하기 위한 압력강하 특성을 평가한다.
- 즉, 슈트의 최대용량인 2贝kg을 한번의 투입량으로 정하여, 이 양의 쓰레기가 관로 입구부에 특정 분포 길이로 흘러가는 조건을 입구 경계조건으로 설정하였다. 음식물 쓰레기 투입에 의한 압력상승을 평가하기 위하여, 음식물 쓰레기의 분포 길이를 Table 3과 같이 5가지 조건으로 평가하였다.
- 즉, 음식물 쓰레기가 관로 내부를 통과할 때 일정 크기로 분리되게 되는데, 이에 대한 실증적 데이터가 전무한 상태이므로, 본 연구에서는 음식물 쓰레기의 관로 이송 실험 등의 경험과 쓰레기의 성상을 바탕으로 수치해석에 필요한 음식물 쓰레기의 크기별 분포를 Table 1과같이 설정하였다.
대상 데이터
- 1 에 나타내었다. 관로 길이는 2.97km이며, 원형관의 내경은 482.6mm이다. 또한, 관로에 있어서 곡률부의 반경은 3m로 설정하였다.
- 많은 곡관부와 직관부가 혼재하는 본 쓰레기 이송관로에서 Tetra Mesh를 사용하여 격자를 생성하면 Hexa Mesh 비해 동일정도의 격자특성을 나타내는데 수십 배 많은 Node가 필요하게 된다. 본 관로해석에 사용한 전체 노드(node) 수는 1, 960, 000 개이다.
- 본 연구에서는 현장 설치를 고려하여 설계된 이송관로를 대상으로 하였으며, 해석 관로의 평면도를 Fig. 1 에 나타내었다. 관로 길이는 2.
- 본 예비계산에서 선정된 곡관부의 길이는 106 m, 내경은 482.6 mm이며, 단축관 형상의 평면도는 Fig. 3에 나타내었다.
- 해석관로 길이가 수 km에 달하는 관로 전체를 이용하여 수치해석 모델의 타당성을 검증하는 데는 많은 계산 시간이 소요되므로, 본 연구에서는 예비 계산을 위해 해석 관로 중에서 곡관부를 포함하는 단축관을 선정하였다. 본 예비계산에서 선정된 곡관부의 길이는 106 m, 내경은 482.
이론/모형
- 계산격자는 Fig. 2에서 나타낸 것과 같이 원관 단면에 O-Grid를, 전체 이송관에 대해서는 Hexa Mesh를 사용하였다. 많은 곡관부와 직관부가 혼재하는 본 쓰레기 이송관로에서 Tetra Mesh를 사용하여 격자를 생성하면 Hexa Mesh 비해 동일정도의 격자특성을 나타내는데 수십 배 많은 Node가 필요하게 된다.
- 난류 모델로는 k-e 모델을 사용하였다. 공기인 기체와 쓰레기인 고체의 상호관계를 고려하기 위하여 Lagrangian 기법에 의한 이상유동 해석을 수행하였다.
- 비압축성 삼차원 정상 유동에 대한 연속방정식과 Reynolds-Averaged Navier- Stokes 방정식 등의 지배방정식은 유한체적법으로 이산화되며, 대류항과 확산항의 이산화 방법으로는 각각 수정된 상류차분기법과 중심차분법이 사용되었다. 난류 모델로는 k-e 모델을 사용하였다. 공기인 기체와 쓰레기인 고체의 상호관계를 고려하기 위하여 Lagrangian 기법에 의한 이상유동 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 쓰레기 관로이송 시스템을 대상으로, 쓰레기를 투입한 관로 내의 압력강하를 평가하기 위한 음식물 쓰레기의 수치해석 모델, 이를 이용한 평가 사례 그리고 내부유동장 특성을 3차원 나비어-스톡스 방정식을 이용하여 수행하였다.
- CFX-10은 Pressure Based AMG Coupled Solver# 사용하며, 모든 Mach 수에 대한 해석을 하나의 Solver로 수행하는 해석 코드이다. 비압축성 삼차원 정상 유동에 대한 연속방정식과 Reynolds-Averaged Navier- Stokes 방정식 등의 지배방정식은 유한체적법으로 이산화되며, 대류항과 확산항의 이산화 방법으로는 각각 수정된 상류차분기법과 중심차분법이 사용되었다. 난류 모델로는 k-e 모델을 사용하였다.
- 쓰레기 이송관로 내에서 유동장 특성과 압력손실을 평가하기 위하여 상용 소프트웨어인 CFX-1(沖을 사용하였다. CFX-10은 Pressure Based AMG Coupled Solver# 사용하며, 모든 Mach 수에 대한 해석을 하나의 Solver로 수행하는 해석 코드이다.
성능/효과
- 같다. 1) 쓰레기를 투입한 관로내의 압력강하를 평가하기 위한 음식물 쓰레기의 수치해석 모델을 개발하고, 실제 이송관로에 적용하여 개발 모델의 타당성을 확인하였다.
- 2) 음식물 이송관로의 형상이 곡관 등으로 복잡하게 구성된 구간에서의 압력강하는 공기 단독의 경우에 비해 음식물 쓰레기가 이송되는 경우 압력강하의 기울기가 상대적으로 크게 됨을 알 수 있었다.
- 3) 음식물 쓰레기가 곡관 내부를 통과할 때는, 대부분의 쓰레기가 곡률의 외측벽면에 부딪혀서 마찰로 인한 속도감소가 발생하며, 이로 인하여 시스템의 저항이 증가됨을 알 수 있었다.
- 쓰레기를 투입하였을 때 단축 관이 실제관에 비해 상대적으로 압력강하가 크게 나는 것은 순수공기만을 이송한 경우와 비교하여 볼 때, 단축 관의 곡율부분에서의 압력강하가 직관부보다 상대적으로 크다는 것을 의미한다. 또한, 쓰레기를 투입하지 않고 순수공기만으로 계산한 경우와 비교하여 볼 때, 본 계산 모델을 적용하여 구한 압력강하가 27.4% 증가함을 알 수 있으며, 이는 단축관에서 가정한 30% 증가와 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 이상에서 알 수 있듯이, 본 연구에서 설정한 음식물 쓰레기의 해석모델이 음식물 쓰레기의 관로이송에 따른 압력강하를 잘 예측하고있음을 알 수 있다.
- 먼저, 순수한 공기만이 단축관을 통하여 흘러갈 때의 압력강하는 1576 Pa로, 단위길이당 압력강하는 14.9 Pa/m로 계산되었다. 한편, 2.
- 본 연구에서는 음식물쓰레기 성상을 모델링하기 위하여 음식물 쓰레기의 수분함유량에 관한 현장 측정 데이터(2)를 분석하였다. 본 현장검증 데이터를 통하여 얻어진 집단주거단지 (아파트)의 음식물 쓰레기 수분량은 약 60-80%로 다양하게 분포되었다. 현장조사에서는 계절별로 배출쓰레기
- 4% 증가함을 알 수 있으며, 이는 단축관에서 가정한 30% 증가와 비교적 잘 일치함을 알 수 있다. 이상에서 알 수 있듯이, 본 연구에서 설정한 음식물 쓰레기의 해석모델이 음식물 쓰레기의 관로이송에 따른 압력강하를 잘 예측하고있음을 알 수 있다.
- 9 Pa/m로 계산되었다. 한편, 2.4절의 해석적 방법에 의한 압력평가로는 단위길이당 압력강하는 14.88 Pa/m이며, 이는 수치해석을 통하여 구한 값과 잘 일치함을 확인할 수 있다.
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