정수공정에서 활용되고 있는 유공관의 일반적인 기능은 균등한 압력으로 일정한 유량을 유출시키는 것이다. 정수공정에서 유공관이 여러 공정에서 활용되고 있음에도 불구하고 유공관 설계에 대한 일반적인 설계인자가 없는 실정이며 따라서 본 연구에서는 전산유체역학적(Computational Fluid Dynamics) 기법을 활용하여 정수공정에 활용되고 있는 유공관 설계인자를 도출하고자 하였다. 유공관 유출량의 균등성은 유공관 표면적 대비 전체 유공단면적 합의 비가 작아질수록 향상되는 경향을 보인다. 즉 유공 면적비가 작아질수록 유출 균등성은 그에 비례하여 향상되며 또한 동일한 면적비에서 유공의 개수가 증가할수록 유출량 균등성은 향상된다. 특히 유공관의 직경에 해당하는 길이 당 2개의 유공(2/D)을 배치하는 경우가 균등성의 향상 폭이 가장 크며 또한 압력 강하 값이 가장 적어 수리학적으로 가장 유리한 유공 개수이다. 유공관 유입 유속이 작고(약 0.06 m/s), 유공관 길이가 길어질수록 유출량은 전단에서 후단으로 갈수록 감소하며 반대로 유공관 유입 유속이 크고 (3 m/s) 유공관이 길어지면 유출량은 후단으로 갈수록 증가하는 경향을 보인다.
정수공정에서 활용되고 있는 유공관의 일반적인 기능은 균등한 압력으로 일정한 유량을 유출시키는 것이다. 정수공정에서 유공관이 여러 공정에서 활용되고 있음에도 불구하고 유공관 설계에 대한 일반적인 설계인자가 없는 실정이며 따라서 본 연구에서는 전산유체역학적(Computational Fluid Dynamics) 기법을 활용하여 정수공정에 활용되고 있는 유공관 설계인자를 도출하고자 하였다. 유공관 유출량의 균등성은 유공관 표면적 대비 전체 유공단면적 합의 비가 작아질수록 향상되는 경향을 보인다. 즉 유공 면적비가 작아질수록 유출 균등성은 그에 비례하여 향상되며 또한 동일한 면적비에서 유공의 개수가 증가할수록 유출량 균등성은 향상된다. 특히 유공관의 직경에 해당하는 길이 당 2개의 유공(2/D)을 배치하는 경우가 균등성의 향상 폭이 가장 크며 또한 압력 강하 값이 가장 적어 수리학적으로 가장 유리한 유공 개수이다. 유공관 유입 유속이 작고(약 0.06 m/s), 유공관 길이가 길어질수록 유출량은 전단에서 후단으로 갈수록 감소하며 반대로 유공관 유입 유속이 크고 (3 m/s) 유공관이 길어지면 유출량은 후단으로 갈수록 증가하는 경향을 보인다.
Role of the perforated pipe is to drain the water with equal pressure and velocity through the holes of perforated pipe. The perforated pipe is being used in many processes of water treatment system, however, the design parameter of perforated pipe is not standardized in korea. In this study, we hav...
Role of the perforated pipe is to drain the water with equal pressure and velocity through the holes of perforated pipe. The perforated pipe is being used in many processes of water treatment system, however, the design parameter of perforated pipe is not standardized in korea. In this study, we have found the design parameter of perforated pipe in the water treatment system using the Computational Fluid Dynamics (CFD). The uniformity of outflow from the perforated pipe is directly affected according to area ratio (gross area of holes/surface area of the perforated pipe). In other words, the uniformity of outflow is improved as area ratio is smaller. Also, at the same area ratio, the uniformity of outflow is improved as number of holes is increase. Specially, in case of the two holes per length of pipe diameter (2/D) shows the most uniformity of outflow and the best hydraulic with the smaller pressure drop. When the inlet velocity of pipe is about 0.06m/sec, the flux of pipe has decreased as from front to backward. When the inlet velocity is 3 m/s, the flux of pipe has increased as from front to backward.
Role of the perforated pipe is to drain the water with equal pressure and velocity through the holes of perforated pipe. The perforated pipe is being used in many processes of water treatment system, however, the design parameter of perforated pipe is not standardized in korea. In this study, we have found the design parameter of perforated pipe in the water treatment system using the Computational Fluid Dynamics (CFD). The uniformity of outflow from the perforated pipe is directly affected according to area ratio (gross area of holes/surface area of the perforated pipe). In other words, the uniformity of outflow is improved as area ratio is smaller. Also, at the same area ratio, the uniformity of outflow is improved as number of holes is increase. Specially, in case of the two holes per length of pipe diameter (2/D) shows the most uniformity of outflow and the best hydraulic with the smaller pressure drop. When the inlet velocity of pipe is about 0.06m/sec, the flux of pipe has decreased as from front to backward. When the inlet velocity is 3 m/s, the flux of pipe has increased as from front to backward.
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문제 정의
4,5) 최근에는 컴퓨터 성능의 눈부신 발전에 힘입어 CFD 해석 결과에 대한 신뢰도가 급격히 높아짐에 따라 점차 일반 실험을 대처하는 수준까지 발전하고 있다.6) 본 연구에서 유공관 설계인자를 도출하기 위해 전산유체역학적 진단과 해석을 통해 유공관의 여러 설계 인자를 제시하고자 하였다. 진단은 상용 CFD 프로그램인 Fluent 6.
현재 국내에서 유공관 설계 인자는 개략적인 추정값이 알려져 있을 뿐 정확한 설계 기준 및 인자 값이 거의 전무하여 기업이나 현장 엔지니어의 주관적 판단에 의해 유공관이 설계되고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 전산유체역학적 방법을 활용하여 중요한 수처리 단위 공정에 속하는 유공관의 일반적인 설계 인자와 기준을 제시하고자 하였다.
전산유체역학 기법은 컴퓨터 하드웨어 기술의 비약적인 발전과 더불어 정수처리공정 뿐만 아니라 거의 모든 산업분야에서 활용되고 있으며 날이 갈수록 그 중요성과 응용범위가 확대되고 있는 매우 유용한 수치해석 기법이며 최근 들어 정수처리공정에서도 전산유체역학 기법은 정수공정 진단과 개선에 매우 적극적으로 활용되고 있어 향후 정수공정 효율 증진에 크게 이바지 할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 정수공정에서 활용되고 있는 유공관의 일반적인 설계인자를 전산유체역학적 기법을 활용하여 제시하고자 하였다.
다시 말하면 유출 가능한 전체 면적 대비 실제 유출이 이루어지는 유공 면적비를 의미한다. 면적비를 구하기 위해서 Table 1과 같이 유공 단면적을 변경해가면서 유공에서 유출되는 유량의 균등성이 가장 높은 면적비를 도출하고자 하였다. 또한 동일한 면적비에서 유공관으로 유입되는 유량이 변화하였을 때 유공관의 유출 균등성의 변화를 평가하기 위해 유공관 유입 유속을 0.
본 연구에서는 유공관 설계인자 도출의 신뢰성을 확보하기 위해 전산유체역학적 해석값과 실험값을 비교 평가하였다. 실험 유공관은 실험의 용의성을 감안하여 직경 15 mm, 길이 880 mm, 유공은 직경 7 mm, 개수 10개이었다.
유공관의 유동특성을 평가하기 위해서는 유공관 유출구에서 유출되는 유량의 균등성과 유속 변화 등을 진단 평가하였으며 또한 유공관 내 정압과 총압력 변화와 유출구에서 압력 강하 등을 평가하여 유출량의 균등성이 가장 높은 유공관 설계 인자값을 제시하고자 하였다.
제안 방법
1/D는 유공관이 직경이 100 mm이므로 유공이 100 mm 간격에 1개가 배치되어 전체적으로 유공이 10 개인 경우이고 4/D는 같은 방식으로 유공이 40개가 된다. 2/D와 같이 유공이 20개인 경우는 유공 2개의 유출량을 더해 하나의 유공 유출량으로 간주하여 그래프를 그려 전체 유출구가 10개인 1/D와 동일하게 비교하였다. 그림에서 보는 바와 같이 유공 개수가 증가할수록 유출량의 균등성이 향상되는 것을 알 수 있다.
면적비를 구하기 위해서 Table 1과 같이 유공 단면적을 변경해가면서 유공에서 유출되는 유량의 균등성이 가장 높은 면적비를 도출하고자 하였다. 또한 동일한 면적비에서 유공관으로 유입되는 유량이 변화하였을 때 유공관의 유출 균등성의 변화를 평가하기 위해 유공관 유입 유속을 0.0001 m/s, 0.0015 m/s, 0.0146 m/s, 0.0584 m/s, 2.333 m/s, 23.39 m/s 등으로 변경하면서 유공관 유공 에서 유출되는 유량을 평가하였다. 이와 같이 유량 변화 폭을 크게 한 것은 정수공정에서는 상향류 침전지 유입관처럼 매우 저속의 유공관과 후염소 투입관처럼 유속이 빠른 유공관이 사용될 수 있기 때문이다.
본 연구에서는 면적비가 0.2%이고, 유공 개수는 2/D, 유 공관 길이는 각각 1 m, 5 m, 10 m, 15 m, 20 m이고 유속은 0.06 m/s, 3 m/s 두 가지 경우에 대해 유출량을 평가하였다. Fig.
동일 면적비 에서는 유공의 개수와 간격 중에서 하나만 결정하면 다른 변수가 동시에 결정되기 때문에 유공의 개수와 간격은 동일한 개념이라고 볼 수 있다. 유공 사이 간격(개수) 등을 결정하기 위해 유공관의 직경을 기준으로 직경과 같은 거리에 하나의 유공을 배치하는 경우를 1/직경(D)로 표현하고 유공을 2개 배치하면 2/D 등으로 구분하여 유공의 개수별 유동 특성을 진단하였다. 즉 유공 개수가 증가할수록 유공 직경은 작아지고 유공 개수가 적으면 유공의 직경은 커져서 전체적으로 유공 단면적은 동일하게 하였다.
유공관 설계 인자 도출을 위해 유공관의 직경 100mm, 유공개수는 10개, 길이 1,1 m의 관에 대해 전산유체역학적 진단을 실시하였다. 유공관 설계에서 가장 중요한 인자는 유공관의 표면적과 유공의 면적비(Area Ratio)이다.
06 m/s일 때 유출량을 평가한 결과이다. 유출량은 유공관 길이 방향으로 10%씩 증가되는 지점에서 유출양을 평가하였다. Fig.
전산유체역학적 기법을 활용하여 정수공정에서 적용할 수 있는 유공관 설계인자를 도출한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
본 연구에서는 유공관 설계인자 도출의 신뢰성을 확보하기 위해 전산유체역학적 해석값과 실험값을 비교 평가하였다. 실험 유공관은 실험의 용의성을 감안하여 직경 15 mm, 길이 880 mm, 유공은 직경 7 mm, 개수 10개이었다. 실험 유량은 0.
데이터처리
실험 유공관은 실험의 용의성을 감안하여 직경 15 mm, 길이 880 mm, 유공은 직경 7 mm, 개수 10개이었다. 실험 유량은 0.0951 L/sec이었고 각 유공에서 유출되는 유량을 반복적으로 비이커를 활용하여 측정하였으며 전산유체역학적 해석값과 비교 평가하였다.
이론/모형
난류 거동을 모사하기 위해서는 Standard k-ε 모델을 사용하였으며, 정상상태로 해석하였다.
본 연구에서는 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)적 기법을 활용하여 유공관에서 유공의 직경, 개수, 배치간격, 길이 등과 같은 주요한 설계 인자를 도출하였다. 일반적인 유공관의 형상은 Fig.
4를 사용하였다. 유공관의 Geometry는 tetra 격자 550,380로 해석하였으며 유공관에서 유출되는 유체의 유동 특성과 유체의 물리적 성질의 변화는 기본적으로 연속방정식, 모멘텀 방정식(Navier-Stokes Equation) 등을 사용하였다. 난류 거동을 모사하기 위해서는 Standard k-ε 모델을 사용하였으며, 정상상태로 해석하였다.
6) 본 연구에서 유공관 설계인자를 도출하기 위해 전산유체역학적 진단과 해석을 통해 유공관의 여러 설계 인자를 제시하고자 하였다. 진단은 상용 CFD 프로그램인 Fluent 6.3과 Gambit 2.4를 사용하였다. 유공관의 Geometry는 tetra 격자 550,380로 해석하였으며 유공관에서 유출되는 유체의 유동 특성과 유체의 물리적 성질의 변화는 기본적으로 연속방정식, 모멘텀 방정식(Navier-Stokes Equation) 등을 사용하였다.
성능/효과
1) 유공관 유출량의 균등성은 유공관 표면적 대비 전체 유공단면적 합의 비(면적비)가 작아질수록 향상되는 경향을 보인다. 즉 면적비가 적을수록 유출량 균등성은 비례하여 향상된다.
2) 동일한 면적비에서 유공의 개수가 증가할수록 유출량 균등성은 향상되지만 유공관의 직경에 해당하는 길이 당 2개 유공(2/D)인 경우가 균등성의 향상 폭이 가장 크며 또한 압력 강하 값이 가장 적어 수리학적으로 가장 유리한 유공 개수이다.
3) 유공관 유입 유속이 작은 경우(약 0.06 m/s), 유공관 길이가 길어질수록 유출량은 전단에서 증가하고 후단으로 갈수록 감소하며 반대로 유공관 유입유속이 큰 경우(3 m/s) 유공관이 길어지면 유출량은 후단으로 갈수록 증가하는 경향을 보인다.
4) 유공 단면적비가 0.2%이고 유공개수가 2/D일 때 유공 관 유입유속이 약 0.06 m/s에서 유공의 유출량의 편차를 2%로 하기 위해서는 유공관 길이는 10 m 이하로 설계해야 하며 유입유속이 3 m/s에서 유출량의 편차를 2% 이하로 하 기 위해서는 유공관 길이는 5 m 이하로 설계해야 하며 유출량의 편차를 3% 이하까지 허용할 수 있을 경우 15 m까지 길이를 증가시킬 수 있다.
즉 유공관에서 유출면은 유공관의 겉표면이므로 유공관의 겉 표면을 유공 전체 면적의 합으로 나눈 값이 면적비가 된다. Table 1과 같은 유공관의 면적비에 대한 유출량의 차이를 진단한 결과, Fig. 4와 같이 각 면적비에 따라 전단보다 후 단에서 유출량이 증가하는 경향을 보였으며 면적비가 작아질수록 유공관 전단과 후 단의 유출량 편차가 줄어들면서 유공에서 유출되는 유량의 균등성이 높았다.
즉 유입 총압이 적다는 것은 적은 에너지로 유체가 유출된다는 의미이며 또한 압력강하 값이 작아진 것은 유공에서 에너지 손실이 적다는 것을 의미한다. 따라서 유공 개수는 2/D로 설계하는 것이 에너지 소모가 가장 적고 수리학적으로 가장 유리하다는 것을 알 수 있다.
017로 감소하여 유공의 개수가 증가할수록 유출량의 편차가 감소하면서 전체적으로 유출량의 균등성이 높아짐을 알 수 있다. 유공의 개수가 증가할수록 균등성은 높아지지만 유공 간격이 2/D일 때 균등성 향상 폭이 가장 크고 이 후에는 향상 폭이 미미하였다. 따라서 유공 개수는 2/D 이상이 되어야 함을 알 수 있으며 개수가 증가할수록 압력손실이 증가할 수 있기 때문에 개수 증가와 압력손실의 상관 관계를 진단해야 적정한 유공 개수를 산정할 수 있다.
유공 사이 간격(개수) 등을 결정하기 위해 유공관의 직경을 기준으로 직경과 같은 거리에 하나의 유공을 배치하는 경우를 1/직경(D)로 표현하고 유공을 2개 배치하면 2/D 등으로 구분하여 유공의 개수별 유동 특성을 진단하였다. 즉 유공 개수가 증가할수록 유공 직경은 작아지고 유공 개수가 적으면 유공의 직경은 커져서 전체적으로 유공 단면적은 동일하게 하였다.
유입구에서 총압력이 적다는 것은 유공관 전체에서 상대적으로 적은 에너지로 유체가 유출된다는 의미로 해석할 수 있다. 진단 결과 유공 개수가 증가할수록 총 압력이 증가하는 것 을 알 수 있다. 유공 개수에 따라 압력이 증가한다는 것은 유공 개수가 많아질수록 유공에 의한 에너지 손실이 커지기 때문이다.
2 pascal로 약 9 pascal 정도 낮아졌다. 하지만 유공 개수가 3/D, 4/D로 증가하게 되면 총압과 압력강하 값이 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
1) 즉 유공 크기 및 배치 간격과 같은 핵심적인 설계인자 값이 각각의 집수장치마다 고유의 설계 값을 갖고 개발되어 있으며 맥동식침전지의 유량 분배 유입관 역시 기술개발 회사에 의해 특정한 설계인 자 값에 의해 설계되고 있다. 2,3) 이와 같이 규격화되어 있는 단위 공정의 경우 각각 설계되어 있는 기성제품을 채용하면 되지만 후염소나 전염소 투입관 또는 기타 유량과 수압의 균등성이 요구되는 공정을 추가할 경우 원하는 공정에 맞는 유공관을 설계해야 할 필요가 있다. 현재 국내에서 유공관 설계 인자는 개략적인 추정값이 알려져 있을 뿐 정확한 설계 기준 및 인자 값이 거의 전무하여 기업이나 현장 엔지니어의 주관적 판단에 의해 유공관이 설계되고 있는 실정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유공관의 형상은 어떤 구조인가?
일반적인 유공관의 형상은 Fig. 1과 같고 전단으로 물이나 약품이 유입되어 유공으로 배출되고 유공관의 후단은 막혀있는 구조이다. 전산유체역학 기법은 컴퓨터 하드웨어 기술의 비약적인 발전과 더불어 정수처리공정 뿐만 아니라 거의 모든 산업분야에서 활용되고 있으며 날이 갈수록 그 중요성과 응용범위가 확대되고 있는 매우 유용한 수치해석 기법이며 최근 들어 정수처리공정에서도 전산유체역학 기법은 정수공정 진단과 개선에 매우 적극적으로 활용되고 있어 향후 정수공정 효율 증진에 크게 이바지 할 것으로 판단된다.
정수공정에서 유공관은 어디에 활용되고 있는가?
정수공정에서 유공관은 전염소나 후염소 투입장치, 맥동 식침전지 그리고 여과지 하부집수장치와 같은 여러 단위공 정에서 활용되고 있는 중요한 수처리 장치이다. 정수공정 에서 가장 그 비중이 높은 여과지의 집수장치의 경우, 유공 관 수압과 유량의 균등성을 확보하기 위한 가장 핵심적인 기능을 하는 중요한 장치이므로 하부집수장치의 설계를 위한 많은 연구와 실험을 통해 각각의 집수장치마다 고유의 유공관 설계 기술을 확보하고 있다.
전산유체역학 해석 결과에 대한 신뢰도가 급격히 높아지게 된 이유는?
전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)은 실험이나 수작업으로 해석이 어려운 공정을 FDM (Finite Difference Method) 기법을 이용하여 해석 대상 공정 모형을 작은 셀 로 분할한 뒤 각각 경계조건을 주고 해를 구하는 방법이다.4,5) 최근에는 컴퓨터 성능의 눈부신 발전에 힘입어 CFD 해석 결과에 대한 신뢰도가 급격히 높아짐에 따라 점차 일 반 실험을 대처하는 수준까지 발전하고 있다.6) 본 연구에서 유공관 설계인자를 도출하기 위해 전산유체역학적 진단 과 해석을 통해 유공관의 여러 설계 인자를 제시하고자 하였다.
Cockx, A., Do-quang, Z., Line, A. and Roustan, M., "Use of computational fluid dynamics for simulating hydrodynamics and mass transfer in industrial ozonation towers," Chem. Eng. Sci., 54(21), 5085-5090(1999).
Panneerselvam, R., Savithri, S. and Surender, G. D., "CFD simulation of hydrodynamics of gas-liquid-solid fluidised bed reactor," Chem. Eng. Sci., 64(6), 1119-1135(2009).
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