[논문]고절수형 위생도기 개발을 위한 이상유동 수치해석 연구

안일용; 이영림

doi:10.5762/kais.2012.13.12.5661

초록
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물 부족 시대에 양변기 절수는 물을 절약하는데 가장 효과적인 방법 중 하나이다. 본 연구에서는 고절수형 양변기 개발을 위한 이상유동 해석을 위해 VOF 기법을 이용하였다. VOF를 이용한 전체 모델의 해석은 많은 시간이 요구되므로 전체모델의 일부분만 고려하는 부분모델도 해석시간 단축을 위해 사용하였다. 유량배분 해석을 위해 4개의 서로 다른 림 모델을 고려하였는데 림 홀의 위치나 개수보다는 림 홀의 크기가 유량배분을 효과적으로 달성하기 위한 인자임이 본 연구를 통해 밝혀졌다. 또한, 전체모델 해석을 통해 사이펀 현상에 따른 이상유동의 속도 및 압력도 분석하였다. 따라서 본 연구는 고절수형 양변기 모델 개발을 위한 다양한 기초 데이터를 제공한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the era of water scarcity, saving toilet water is one of the most effective ways to save water. In this study, two-phase flow for the development of highly-efficient toilet has been analysed with VOF(Volume Of Fluid) method. Since the whole model requires extensive computing time, part of the who...

In the era of water scarcity, saving toilet water is one of the most effective ways to save water. In this study, two-phase flow for the development of highly-efficient toilet has been analysed with VOF(Volume Of Fluid) method. Since the whole model requires extensive computing time, part of the whole model has also been adopted to reduce the analysis time. Four different rim models were considered for flow distribution analysis and sizes of rim holes were found to become more important rather than locations or numbers of rim holes in achieving flow distribution effectively. In addition, velocity and pressure of two-phase flow due to siphon phenomenon have been studied through the analysis of whole model. Therefore, this study provides a variety of fundamental data for the development of highly-efficient toilet.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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국내 물 사용량을 용도에 따라 구분했을 때 변기는 25%, 싱크대는 21%, 세탁은 20%, 목욕은 16%, 세면은 11%, 기타는 7%로 변기에서 사용되는 물의 양이 가장 많다.[1] 곧 양변기의 절수는 물 절약을 위해서 필수적이다.
따라서 본 연구에서는 비정상유동의 전체모델 뿐만 아니라 정상유동(steady flow)으로 가정한 양변기 부분모델도 고려하였다. 부분모델은 양변기의 림을 형성하는 림 홀의 크기 및 위치를 변화시켜 4개의 부분모델로 나누었고 배수속도 및 출구 압력변화에 따른 유량배분 변화를 살펴보았다.
1과 같다. 물탱크 덮개 Inlet은 대기압 조건, 트랩웨이 끝부분 Outlet은 압력조건, 보울덮개에 해당되는 Ambient는 대기압 조건으로 가정하였다.
2에 부분모델 수치해석에서 사용된 경계조건을 나타내었다. 물탱크 상부 Inlet은 속도조건, 림홀을 통해 물이 배출되는 부분은 Rim hole은 압력조건, 물이 보울을 거치지 않고 트랩웨이로 직수되는 Outlet은 압력조건을 가정하였다.
양변기 유동을 해석하기 위하여 3차원, 난류 및 이상유동으로 가정하였다. 먼저 난류모델은 k-ε Realizable 모델[9]을 사용하였다.

제안 방법

부분모델은 양변기의 림을 형성하는 림 홀의 크기 및 위치를 변화시켜 4개의 부분모델로 나누었고 배수속도 및 출구 압력변화에 따른 유량배분 변화를 살펴보았다. 또한, VOF[8]를 활용한 전체모델을해석하고 시간에 따른 속도, 압력 및 유량 변화를 고찰하였고 부분 모델과의 비교도 수행하였다.
먼저 부분모델을 사용하여 모델에 따른 출구압력과 배수속도가 두 개의 유로를 통한 유량배분 및 림 홀 각각의 유량분포에 미치는 영향을 살펴보았다. 이 때 배수속도와 출구압력은 Table 1과 같고, 림 홀의 번호는 Fig.
본 연구에서는 양변기의 림을 구성하는 림홀의 위치 및 크기를 변화시켜 4개의 부분모델로 구분한 후 정상유동으로 가정하여 해석하였고, 또한 비정상상태의 전체모델 해석도 수행하여 두 모델간의 비교분석도 수행하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 전체모델과 부분모델 두 가지로 구분하여 수치해석을 진행하였는데, 양변기 전체모델 및 해석에 사용한 경계조건은 Fig. 1과 같다. 물탱크 덮개 Inlet은 대기압 조건, 트랩웨이 끝부분 Outlet은 압력조건, 보울덮개에 해당되는 Ambient는 대기압 조건으로 가정하였다.
따라서 본 연구에서는 비정상유동의 전체모델 뿐만 아니라 정상유동(steady flow)으로 가정한 양변기 부분모델도 고려하였다. 부분모델은 양변기의 림을 형성하는 림 홀의 크기 및 위치를 변화시켜 4개의 부분모델로 나누었고 배수속도 및 출구 압력변화에 따른 유량배분 변화를 살펴보았다. 또한, VOF[8]를 활용한 전체모델을해석하고 시간에 따른 속도, 압력 및 유량 변화를 고찰하였고 부분 모델과의 비교도 수행하였다.
출구압력을 대기압으로 가정하면서 물탱크 수위 하강속도가 유량배분에 미치는 영향을 살펴보았다. Fig.

대상 데이터

3과 같이 각 모델의 왼쪽상단에 있는 1번을 시작으로 시계반대반향으로 부여하였다. 모델 1은 직경 4 mm인 28개의 림 홀을 갖고 있고, 모델 2는직경 12 mm인 림 홀 15번과 직경 4 mm인 28개의 림 홀을 갖고 있다. 모델 3은 직경 12 mm인 림홀 10번과 직경 7 mm인 림 홀 14번과 직경 5 mm인 28개의 림홀을 갖고 있다.
모델 1은 직경 4 mm인 28개의 림 홀을 갖고 있고, 모델 2는직경 12 mm인 림 홀 15번과 직경 4 mm인 28개의 림 홀을 갖고 있다. 모델 3은 직경 12 mm인 림홀 10번과 직경 7 mm인 림 홀 14번과 직경 5 mm인 28개의 림홀을 갖고 있다. 모델 4는 직경 5mm인 30개의 림 홀을 갖고 있다.

이론/모형

먼저 난류모델은 k-ε Realizable 모델[9]을 사용하였다.
먼저 난류모델은 k-ε Realizable 모델[9]을 사용하였다. 비정상유동에는 PISO(Pressur-Implicit with Splitting of Operators) 알고리즘[10]을 활용하였고 이상유동은 VOF 방법을 사용하였다.
4는 전체모델과 부분모델의 격자 시스템을 나타내었는데, 부분 모델 격자수는 약 60만개이고, 전체모델 격자수는 약 19만개이다. 수치해석에서는 Fluent[11]를 사용하였다.

성능/효과

(1) 부분모델 해석을 통하여 두 유로를 통한 유량배분 비율은 배수속도와는 무관하지만 트랩웨이 출구압력에는 다소 영향을 받는 것으로 밝혀졌다. 높은 출구압력은 트랩웨이 공급수를 제한하여 림홀 배출유량을 증가시키는데 그 증가량은 림 홀의 위치 및 크기에 따라 달라진다.
(2) 림 홀의 위치보다는 림 홀 크기를 조절함으로써 림홀 배출유량과 트랩웨이 공급 유량배분 비율을 효과적으로 조절할 수 있다.
(3) 정상유동으로 가정한 부분모델의 유량배분 비율이 비정상상태 전체모델과 비교할 때 최대 약14%의 차이를 보여 부분모델의 활용은 정성적인 해석에 국한해야 한다.
즉, 모델 1은 림홀 유로 62%, 트랩웨이 유로 38%이고, 모델 2는 림홀 유로 59% 트랩웨이 유로 41%이다. 모델 3의 유량배분은 림홀 유로 46%, 트랩웨이 유로 54%이고, 모델 4의 유량배분은 림홀 유로 50%, 트랩웨이 유로 50%임을 알 수 있다. 따라서 이러한 유량 배분 비율을 효율적으로 조절하기 위해서는 수위 하강속도보다는 림 홀의 위치나 형상 변화가 필요함을 알 수 있다.
05 m/s 일 때 출구압력에 따른 유량배분 변화를 나타낸다. 출구압력이 증가할수록 트랩웨이 쪽으로 배출되는 유량은 거의 선형적으로 감소하고, 림 홀로 배출되는 유량은 트랩웨이 쪽 유량이 감소하는 만큼 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 출구압력에 따른 유량배분 변화는 림의 형상에 따라 다소 차이가 있다.

후속연구

향후, 고절수형 양변기를 개발하기 위하여 최소의 세척수로 쉽게 사이펀을 발생시킬 수 있는 트랩웨이 최적화 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양변기는 무엇으로 구성되어 있는가	양변기는 보통 Fig. 1과 같이 물탱크(water tank), 림(rim), 림홀(rim hole), 보울(bowl), 트랩웨이(trap way)로 구성되어 있다.
	양변기의 2개의 유로는 무엇이 있는가	양변기 내에는 크게 2개의 유로를 가지고 있는데, 림을 통해 림홀로 물을 배출시키는 유로와 역 U 튜브 형상을 지나 트랩웨이로 바로 물을 공급해주는 유로이다. 이 두 개의 유로를 통한 유량배분은 보울의 세정력과 사이펀(Siphon)을 결정짓는 매우 중요한 인자이다.
	물 부족을 해결하는 방법 중 댐을 건설하는 방법이 효과적인 방법이 아닌 이유는 무엇인가?	물 부족을 해결하기 위한 방법 중 하나는 댐을 건설하는 것이지만 이것은 효과적인 방법이 아니다. 댐을 건설하기 위해서는 많은 비용과 시간이 들며, 댐을 건설하는 과정에 있어서는 산림 등 자연을 파괴해야 하므로 이것은 곧 지구 온난화를 과속화한다고 표현해도 과언이 아니다. 물 부족을 해결할 수 있는 가장 효과적인 방법은물 낭비를 줄이는 동시에 물 절약을 할 수 있는 기술적인 측면과 제도적인 측면을 갖추는 것이다.

참고문헌 (11)

J. B. Kim, "Domestic Water Demand Model", Korea Water Resources Corporation, Vol. 41, pp. 31-37, 2007
S. H. Lim, B. J. Choi and S. K. Kim, "A Technicial Patent Study on Recycled Water of Face Washing in Toilet Seat", Proceedings of the KAIS Fall Conference, pp. 735-738, 2009
K. W. Suh, Y. J. Won and Y. H. Lee, "A study on the water saving device using a variable position straight trap in water closet system", The Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea, pp. 0465-0470, 2009
Y. H. Wang, G. J. Xiu and H. S. Tan, "CAD and CAE Analysis for Siphon Jet Toilet", Physics Procedia, Vol. 19, pp. 472-476, 2011, Article(CrossRefLink)

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J. G. Hu, Y. S. Sun and M.J. Liu, "Numerical Simulation of Two-phase Flow in Wash-down Toilet Flush Process", Journal of System Simulation, Vol. 20, No. 6, pp. 1599-1602

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S. Y. Zhao, Z. J. Liu and Z. W. Peng, "Optimized Design of Toilet Siphon Pipeline Based on Fluent and Its Validated Test", Journal of System Simulation, Vol. 20, No. 16, pp. 4412-4416, 2008
S. J. Park and Y. L. Lee, "A Study on the Thermal Performance of an Oil Cooler with Dual-cell Model", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 3, pp. 1111-1116, 2011

원문보기 상세보기
C. W. Hirt and B. D. Nichols, "Volume of Fluid (VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries", J. Computational Physics, Vol. 39, pp. 201-225, 1981, Article(CrossRefLink)

상세보기
T. H. Shih, W. W. Liou, A. Shabbir and Z. Yang and J. Zhu, "A New k- $\epsilon$ Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows", Computers and Fluids, Vol. 24, No. 3, pp. 227-238, 1995, Article(CrossRefLink)

상세보기
R. I. Issa, "Solution of the Implicitly Discretised Fluid Flow Equations by Operator-Splitting", J. Computational Physics, Vol.62. pp.40-65, 1985, Article(CrossRefLink)
Ansys Fluent V14, Ansys Inc., 2012

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