[논문]간이상수도에서의 혼합유동에 대한 수치해석

유영현; 기현; 최종욱; 김성초; 김용선; 이용호

[국내논문] 간이상수도에서의 혼합유동에 대한 수치해석
Numerical Analysis of Mixing Flow in a Small-Scale Water Supply System 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.6, 2009년, pp.460 - 466

유영현 (순천대학교 대학원 기계공학과) , 기현 (순천대학교 대학원 기계공학과) , 최종욱 (순천대학교 기계우주항공공학부) , 김성초 (순천대학교 기계우주항공공학부) , 김용선 (석성기업(주)) , 이용호 (전남대학교 기계자동차공학부)

초록
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간이상수도 시스템에서 공급하는 식수는 일정한 잔류 약품(염소)량을 유지해야 하기 때문에 물과 약품의 혼합방법은 매우 중요하다. 본 연구에서는 물과 약품의 혼합방법을 최적화하기 위하여, 4가지 모델에 대한 농도분포 및 혼합지수를 구하였다. 그중 2가지 모델에 대해서는 혼합효과가 높게 나타났다. 하나는 지하수 공급 파이프 중앙에 약품을 공급하는 모델이고, 또 다른 하나는 약품공급 파이프 하류에 반원형태의 블록을 설치한 모델이다. 이러한 모델들은 유동의 확산 및 교란을 야기시켜 혼합효과를 증가시키는 결과를 가져왔다. 이와 같은 수치해석 결과는 최적의 혼합효과를 얻기 위한 시스템을 설계하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The mixing method of water and chemicals is significant in a small-scale water supply system because drinking water should be supplied with a certain quantity of remaining chemicals maintained. In the present study, the concentration distribution and the mixing index were obtained from four models, which were to find out the optimal mixing method of water and chemicals. The two models brought the good mixing effects out of the four, one for providing chemicals from the center of water supply pipe and the other for setting up the semicircle block at the downstream of the chemicals-providing pipe. As a result, the mixing effect was found out to be increased due to the diffusion and the disturbance of flows. In conclusion, these numerical results are expected to contribute to designing the optimal mixing system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 간이상수도 약품공급 장치에서 물과 약품의 혼합을 향상시키기 위한 수동형 방식의 약품 공급 파이프의 형상모델을 설계하는데 있다. 효과적인 약품 공급 방법을 제시하기 위하여 기본 형상을 포함한 4가지 모델에 대한 형상을 설계한 후, 유동해석 프로그램인 Ansys CFX를 이용하여 유동 및 농도 분포를 구한다.

가설 설정

농도방정식에서 사용된 #는 각각 농도(con・ centration), 체적 항(volumetric source term), 동적 열 확산율 (kinematic diffusivity), 난류 슈미트 수(turbulence Schmidt number)를 나타낸다. 수치 계산시 사용된 물과 약품의 물성치는 일정하며, 화학반응은 일어나지 않는다고 가정하였다. 지배방정식의 해는 유동해석 프로그램인 Ansys CFX13) 를 이용하여 구하였다.
파이프내의 유동 및 농도 해석은 3차원, 비정상상태(unsteady-state), 비압축성 (incompressible), 난류유동으로 가정하여 수행하였다. 이때 사용된 지배방정식'2)은 식 (1)~(4) 와 같으며, 연속방정식, 운동량방정식, 난류방정식G-e model), 농도방정식으로 구성된다.

제안 방법

물과 약품이 혼합되는 구간에서 유동 및 농도해석을 통한 혼합효과를 알아보기 위하여 Fig. 3과 같은 4가지 모델에 대한 형상설계를 수행하였다.
0으로 설정하여 유동 및 농도 계산을 수행하였다. 수치계산은 비정상상태(0초에서 5초까지)와 정상상태로 각각 나누어서 수행하였으며, 비정상 상태에서 경향을 파악한 후 정상 상태의 최종결과를 얻었다. 수렴조건은 속도와 농도 변화량에 대해 UT4으로 설정하였다.
수치해석으로 4가지 형상 변화에 따른 물과 약품의 유동 및 농도 분포를 구하기 위하여 격자생성을 수행하였다. 격자는 비정렬 사면체 격자를 이용하였으며, 수치계산의 수렴성과 정확성을 확보하기 위하여 벽 근처에서는 프리즘(prism) 격자를 사용하였다.
즉, 지하수 파이프에 약품공급을 어떻게 하느냐에 따라 수질이 달라질 수 있다. 이에 본 연구에서는 물과 약품의 혼합효율을 높이는 방안으로 4가지 모델에 대하여 수치해석을 통한 농도분포해석을 수행하였다. 4가지 모델 중 약품 공급 파이프 출구를 지하수 파이프 중앙에 설치한 Model 2와 약품 공급 파이프 후류에 반원형태의 블록을 설치한 Model 3의 혼합효과가 높음을 알 수 있었다.
이러한 관점에서 5초의 시간이 경과된 후의 결과는 Model 3 이 다른 모델과 비교하였을 때 혼합지수가 가장 작아 혼합효과가 좋은 모델로 판단된다. 한편, 시간에 따른 농도변화 계산을 정상상태까지 수행하기에는 많은 계산 시간이 소요되므로, 바로 정상상태의 지배방정식을 이용하여 유동해석을 수행하였으며 이에 대한 혼합지수도 구하였다. 그 결과 정상상태에서는 Model 2의 경우가 Model 3보다 혼합지수가 0에 근접하여 더 좋은 모델로 판단된다.
형상모델을 설계하는데 있다. 효과적인 약품 공급 방법을 제시하기 위하여 기본 형상을 포함한 4가지 모델에 대한 형상을 설계한 후, 유동해석 프로그램인 Ansys CFX를 이용하여 유동 및 농도 분포를 구한다. 그리고, 혼합 정도를 판별하기 위한 혼합지수를 구한다.

대상 데이터

격자는 비정렬 사면체 격자를 이용하였으며, 수치계산의 수렴성과 정확성을 확보하기 위하여 벽 근처에서는 프리즘(prism) 격자를 사용하였다. 형상설계 및 격자생성은 Ansys CFX 에서 제공하고 있는 Design Modeler와 CFX-Mesh Pro- gram을 이용하였다.

데이터처리

수치 계산시 사용된 물과 약품의 물성치는 일정하며, 화학반응은 일어나지 않는다고 가정하였다. 지배방정식의 해는 유동해석 프로그램인 Ansys CFX13) 를 이용하여 구하였다. 초기조건 및 경계조건은 Table 1과 같으며, 물의 농도를 0.

이론/모형

수행하였다. 격자는 비정렬 사면체 격자를 이용하였으며, 수치계산의 수렴성과 정확성을 확보하기 위하여 벽 근처에서는 프리즘(prism) 격자를 사용하였다. 형상설계 및 격자생성은 Ansys CFX 에서 제공하고 있는 Design Modeler와 CFX-Mesh Pro- gram을 이용하였다.

성능/효과

이에 본 연구에서는 물과 약품의 혼합효율을 높이는 방안으로 4가지 모델에 대하여 수치해석을 통한 농도분포해석을 수행하였다. 4가지 모델 중 약품 공급 파이프 출구를 지하수 파이프 중앙에 설치한 Model 2와 약품 공급 파이프 후류에 반원형태의 블록을 설치한 Model 3의 혼합효과가 높음을 알 수 있었다. Model 2의 경우는 적절한 약품공급위치를 확보하여 혼합효과를 크게 한 결과이고, Model 3의 경우는 유로의 구조를 변경하여 유체교란에 의한 혼합효과를 크게 한 결과라고 볼 수 있다.
Model 4는 약품공급 파이프를 지하수 파이프내 원주방향으로 설치함으로써 약품공급에 있어서 원주방향으로의 회전효과를 기대를 하였다. 그러나 지하수 파이프내의 유량이 상대적으로 큰 관계로 이러한 원주 방향으로의 회전효과는 약품의 농도분포에는 별 영향을 주지 못한 것으로 나타났다.
Model 3은 지하수 파이프 상단에 블록을 설치함으로써 블록 하류 부분에 와류가 발생함을 앞서 살펴보았다. 이러한 와류의 영향으로 블록의 하류 부분에서 약품의 농도가 넓게 분포되었으며, 우측의 농도분포를 보더라도 전반적으로 물과 약품의 혼합이 잘 이루어짐을 알 수 있었다. Model 4는 약품공급 파이프를 지하수 파이프내 원주방향으로 설치함으로써 약품공급에 있어서 원주방향으로의 회전효과를 기대를 하였다.
혼합지수는 각 격자의 농도 값과 평균 농도 값의 차이를 합한 값으로 0에 가까울 수록혼합이 잘 이루어짐을 의미한다. 이상적인 경우로 혼합지수의 값이 0이 되면 모든 점에서 평균 농도 값에 도달함을 의미하며, 완전 혼합이 이루어 졌음을 나타낸다. 이러한 관점에서 5초의 시간이 경과된 후의 결과는 Model 3 이 다른 모델과 비교하였을 때 혼합지수가 가장 작아 혼합효과가 좋은 모델로 판단된다.
Model 2는 약품공급.파이프가 지하수 파이프 중앙에 위치한 관계로 약품공급 파이프 근처에서 낮은 압력분포가 나타났으며, 후류부분에서는 다시 압력이 회복됨을 알 수 있다. 이와 같은 압력분포는 약품이 물에 혼합과정에서 효과적인 것으로 판단된다.

후속연구

이러한 방법 모두 교반기를 사용하지 않고 혼합효과를 높이는 방법으로 기존 장치에 적용이 용이하며, 별도의 설치공간이나 비용이 소요되지 않는다는 장점이 있다. 향후 추가적인 혼합방식에 관한 연구를 수행하여 최적의 혼합효과를 얻을 수 있는 모델을 확보할 계획이다.

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상세보기
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Ansys CFX-Solver, Release 10.0 : Theory(2005)
Ansys CFX-Solver, Release 10.0 : modeling(2005)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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