[논문]마이크로버블 발생노즐 설계를 위한 수치적 연구

김현일; 이상민; 신명선; 이종호

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.12.1643

[국내논문] 마이크로버블 발생노즐 설계를 위한 수치적 연구
Numerical Study of Design of Micro Bubble Generation Nozzle 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.12, 2012년, pp.1643 - 1651

김현일 (포항금속소재산업진흥원 에너지소재연구실) , 이상민 (한국과학기술정보연구원) , 신명선 ((주)에스엠워터테크) , 이종호 ((주)에스엠워터테크)

초록
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현재 생활문화 수준의 향상과 소득 증대에 따라 환경오염에 대한 관심이 증가하고 있다. 또한, 수질오염에 대한 규제가 강화되어 수질오염 방지 및 하수처리 효율 향상을 위한 연구가 지속적으로 수행되고 있다. 하수처리 효율을 향상시키는 방법 중 하나는 수처리조 내에서 용존산소량을 늘려주는 것이다. 본 연구에서는 용존산소량을 늘려주고, 산소 발생기에서 발생되는 버블의 크기를 작게 만들 수 있는 설계 방안을 제시한다. 마이크로버블 발생노즐로 유입되는 물과 공기의 유동 형태에 따라 선회 및 충돌을 생성시켜 버블의 크기를 미세하게 만들었다. 본 해석결과에서 충돌 방식의 경우 버블의 크기는 목표치를 만족하지 못하였다. 반면 선회를 이용한 노즐에서는 $0{\sim}50{\mu}m$ 사이의 버블이 79.3%를 차지하고 있는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 개발된 마이크로버블 발생노즐은 하수처리 효율을 증대시킬 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, with increasing standards of living and income, environmental pollution has attracted increased interest. On account of a revision to water pollution regulations, the improvement of sewage disposal efficiency was studied. One of the ways to improve the sewage disposal efficiency is to increase the dissolved oxygen content of water in the water treatment tank. In this study, we suggest a nozzle design using a spiral and a crash mode for generating micro bubbles and thus increasing the dissolved oxygen content of water. The micro bubbles through the spiral and crash flows are generated in the nozzle. In the design of the crash mode, the development goal with regard to the bubble size was not achieved. On the other hand, a bubble size of $0-50{\mu}m$ accounted for 79.3% of all bubbles in the spiral mode. This study should contribute toward increasing the sewage disposal efficiency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

해석에서 노즐 내부의 선회 및 충돌을 고려하여 유동특성에 변화를 주었으며, 버블의 크기를 파악하기 위해 노즐로 유입되는 입구의 형상을 변화시켰으며, 노즐 내부 유동특성을 확인하였다. 본 결과를 바탕으로 최종 개발 제품에 대한 설계안을 마련하였다.^(3,4)
본 논문에서는 반응처리조 내에 설치되는 마이 크로버블 발생노즐의 최적 설계안을 도출하기 위해 전산유체역학(CFD)해석을 수행하였다. Fig.
본 실험에서는 마이크로버블 발생노즐에서 생성되는 버블의 크기를 파악하였다. Fig.
본 연구는 하수 및 오·폐수의 처리 효율을 향상시키는 노즐 설계 방안을 도출하고, 반응처리조 내에 미세한 버블을 발생시키는 노즐을 개발하기 위해 수행되었다.
본 연구에서는 10LPM의 유량을 가지는 노즐에 대해 실험을 진행하여 마이크로 크기 버블의 발생 분포를 파악하였다. 본 모델을 상용코드인 ANSYS CFX13.
본 연구의 목적은 수처리 설비인 반응처리조에 설치하여 미세한 버블을 발생시켜 오·폐수 처리 효율을 높이기 위한 노즐에 대해 최적 설계안을 도출하는 것이다.
본 해석에서는 실험과 같은 10LPM 유량을 가지는 노즐에서 생성되는 마이크로 크기의 버블 발생에 대한 해석을 진행하였다. 노즐로 유입되는 물과 공기는 각각 85%, 15%를 차지한다.

제안 방법

1구형 모델은 유입되는 입구가 노즐 본체를 중심으로 편심되어 설치되고, 3구형 모델은 유입되는 각도를 60°로 설정하여 노즐 내부에서 선회류를 생성시키는 방안과 유입수의 충돌을 유도하기 위해 입구를 본체와 수직으로 유입하는 방안을 고려하였으며, 두 가지 방안을 모두 고려하기 위한 모델을 포함하여 3가지의 입구 형상 설계 방안을 가지고 해석을 진행하였다.
또한, 초기 연구에서 10LPM의 유량을 가지는 소형 노즐을 대형 노즐로 대형화하기 위해 노즐의 입구, 출구, 본체 직경 등의 형상을 변화시켜 개발 목표를 만족할 수 있는 형상 설계 데이터를 획득하였다. 기초 해석 결과를 토대로 노즐의 용량과 형상에 변화를 주어 선회 및 충돌 방식에 대한 해석을 진행하였다. 해석에서 노즐 내부의 선회 및 충돌을 고려하여 유동특성에 변화를 주었으며, 버블의 크기를 파악하기 위해 노즐로 유입되는 입구의 형상을 변화시켰으며, 노즐 내부 유동특성을 확인하였다.
최종 해석모델에서는 입구 개수에 따라 1구형, 3구형, 4구형 모델을 선정하였으며, 입구의 유속은 각각 6, 7, 8m/s로 유입된다. 마이크로버블 발생노즐은 지름 1m, 높이 2m의 원형 수조 내에 설치되며, 본 해석에서는 수조를 포함한 전체 형상을 검사체적으로 설정하여 전산해석을 수행하였다. 1구형 모델에서 0~50㎛ 크기의 버블은 79.
0%를 차지하는 것으로 확인되었다. 버블의 크기를 생성 단계에서부터 작게 만들기 위하여 노즐 내부에서 선회와 충돌을 이용한 추가 설계안을 마련하여 해석을 진행하였으며, 유입 방식에 변화를 주는 노즐 해석에서는 충돌판을 제거하고 출구 속도와 버블의 크기에 대해 개발목표를 만족하는 결과를 파악하였다. 해석결과에서 선회를 이용한 노즐에서 출구의 유속은 평균 30.
노즐로 유입되는 방식의 변화에 따른 해석 결과에서는 선회 방식을 가지는 노즐이 가장 좋은 결과를 나타냈다. 본 해석 결과를 바탕으로 최종 개발제품의 유입 방식을 1구형, 3구형, 4구형으로 설계하여 해석을 진행하였다. 앞서 언급한 바와 같이 유입수는 물과 공기가 각각 85%, 15%를 차지하며, 유입되는 공기 중 버블은 0~500㎛ 크기 분포를 가지고 유입된다.
본 해석 모델은 노즐의 용량을 키워 내부 형상을 3차원화하였으며, 노즐로 유입되는 입구와 노즐 본체의 설치 각도를 60°로 설정하여 선회를 발생시켰다.
유입된 공기는 노즐 출구에서 충돌판과 부딪쳐 더 작은 버블이 생성된다. 본 해석에서는 마이크로 버블 발생을 고려하기 위해 전산유체역학해석 상용 소프트웨어를 사용하였으며, 해석의 정확도를 높이고 해석 시간을 단축하기 위해 한국과학기술정보연구원의 슈퍼컴퓨터를 활용하여 해석을 진행하였다.
본 연구의 목적은 수처리 설비인 반응처리조에 설치하여 미세한 버블을 발생시켜 오·폐수 처리 효율을 높이기 위한 노즐에 대해 최적 설계안을 도출하는 것이다. 실제 설계된 마이크로버블 발생 노즐을 3차원화하여 CAD모델을 형상화하여 전산 유체역학(CFD)해석을 진행하였다. 노즐의 경우 0~50㎛ 크기의 버블이 많이 발생되어야 처리효율을 높일 수 있다.
미세한 버블의 생성으로 인해 수중에 있는 오염물질의 처리 효율이 증대된다. 실험에서는 10LPM 용량의 노즐에서 생성되어 발생하는 버블의 크기를 측정하였다.
4의 연구에서는 본체로 유입되는 입구의 형상 변화에 대한 해석으로서 선회방식에서 가장 좋은 결과를 나타내었다. 이 결과를 토대로 유입방식에서 최적 설계안으로 선정하였으며, 개발목표를 만족하는 동시에 가공의 용이성을 위해 입구의 개수에 변화를 주어 1구형, 3구형, 4구형으로 최종 설계 모델에 대한 해석을 진행하였다. Fig.
버블은 0~50㎛ 크기의 비율이 전체 버블에서 큰 비중을 차지해야 반응처리조에서 하수 및 오·폐수 처리 효율을 증가시킬 수 있다. 이를 위해 본 논문에서는 설계 변수로서 입구의 형상 변화에 큰 비중을 두었다. 초기 설계안으로 설정된 3구형 모델을 중심으로 4구형과 1구형 모델로 형상의 변화를 주었다.
이를 위해 본 논문에서는 설계 변수로서 입구의 형상 변화에 큰 비중을 두었다. 초기 설계안으로 설정된 3구형 모델을 중심으로 4구형과 1구형 모델로 형상의 변화를 주었다. 초기 설계안인 3구형 모델에서 버블의 크기를 줄이는 방안으로 입구의 형상을 변화시켰다.
초기 설계안으로 설정된 3구형 모델을 중심으로 4구형과 1구형 모델로 형상의 변화를 주었다. 초기 설계안인 3구형 모델에서 버블의 크기를 줄이는 방안으로 입구의 형상을 변화시켰다.^(5,6)
기초 해석 결과를 토대로 노즐의 용량과 형상에 변화를 주어 선회 및 충돌 방식에 대한 해석을 진행하였다. 해석에서 노즐 내부의 선회 및 충돌을 고려하여 유동특성에 변화를 주었으며, 버블의 크기를 파악하기 위해 노즐로 유입되는 입구의 형상을 변화시켰으며, 노즐 내부 유동특성을 확인하였다. 본 결과를 바탕으로 최종 개발 제품에 대한 설계안을 마련하였다.

대상 데이터

0을 사용하여 전산유체역학(CFD)해석을 수행하여 실험과 비교·검증하여 전산해석 모델을 수립하 였다. 또한, 초기 연구에서 10LPM의 유량을 가지는 소형 노즐을 대형 노즐로 대형화하기 위해 노즐의 입구, 출구, 본체 직경 등의 형상을 변화시켜 개발 목표를 만족할 수 있는 형상 설계 데이터를 획득하였다. 기초 해석 결과를 토대로 노즐의 용량과 형상에 변화를 주어 선회 및 충돌 방식에 대한 해석을 진행하였다.
최종 해석모델에서는 입구 개수에 따라 1구형, 3구형, 4구형 모델을 선정하였으며, 입구의 유속은 각각 6, 7, 8m/s로 유입된다. 마이크로버블 발생노즐은 지름 1m, 높이 2m의 원형 수조 내에 설치되며, 본 해석에서는 수조를 포함한 전체 형상을 검사체적으로 설정하여 전산해석을 수행하였다.

데이터처리

본 모델을 상용코드인 ANSYS CFX13.0을 사용하여 전산유체역학(CFD)해석을 수행하여 실험과 비교·검증하여 전산해석 모델을 수립하 였다.
노즐의 출구에는 충돌판이 설치되어 버블을 더욱 작게 생성시키게 되는데, 이때 노즐 출구의 유속은 20m/s 이상이어야 마이크 로버블 발생노즐 설계 조건을 만족할 수 있다. 초기 모델은 10LPM의 유량을 가지며, 본 모델 해석결과와 실험결과를 비교 검증하였다. 해석결과에서 버블의 크기는 평균 31.

이론/모형

또한, Bubble breakup 모델과 coalescence 모델 기법을 사용하였으며, 아래의 Fig. 4는 버블의 깨짐과 융합을 보여주고 있다. 버블 크기 그룹에서 작은 버블의 융합과 큰 버블에서의 깨짐 때문에 생성되는 버블은 아래의 식과 같이 표현된다.
본 논문에서의 해석은 CFX에서 기본적으로 제공되는 Homogeneous MUSIG(Multiple Size Group) 기법을 사용하였다. 위의 기법은 Eulerian에 대한 접근 방법으로서, 액상이 지배적이고 버블은 그룹으로 나누어져 분산되어 있다.

성능/효과

마이크로버블 발생노즐은 지름 1m, 높이 2m의 원형 수조 내에 설치되며, 본 해석에서는 수조를 포함한 전체 형상을 검사체적으로 설정하여 전산해석을 수행하였다. 1구형 모델에서 0~50㎛ 크기의 버블은 79.3%로 가장 큰 비율을 차지하는 것으로 나타났다.
9에서는 1구형 모델에 대한 해석 결과를 보여주고 있다. 1구형 모델에서 충분한 선회류가 생성되는 것을 확인하였으며, 출구에서의 속도는 20m/s 이상으로 개발목표를 만족하였다. Fig.
2%로 나타났다. 개발 제품 제작의 용이성 및 경제성을 고려해볼 때 1구형 모델이 성능 및 제작의 용이성 측면에서 좋을 것으로 판단된다. Fig.
또한, 기포가 미세하여 비표면적이 커져 기액경계면에서 Gas 전달효율이 증가하여 버블의 독립분산(음전하 표면형성)으로 비결합상태가 유지되고 고요한 수면을 가지게 된다. 결과적으로 반응처리조 내에서 버블의 체류시간은 길어지게 되며, 반응 면적이 커지면서 오염물질과의 반응시간이 길어져 처리효율은 증가하게 된다. 마이크로버블 발생노즐에서 생성되는 버블은 0~50㎛ 크기에 주로 분포해야 하며, 노즐의 출구 속도는 20m/s 이상이 되어야만 노즐 출구의 충돌판에 부딪혀 더 작은 크기의 버블로 생성될 수 있다.
노즐로 유입되는 방식의 변화에 따른 해석 결과에서는 선회 방식을 가지는 노즐이 가장 좋은 결과를 나타냈다. 본 해석 결과를 바탕으로 최종 개발제품의 유입 방식을 1구형, 3구형, 4구형으로 설계하여 해석을 진행하였다.
5%를 차지하는 것으로 나타났다. 또한, 버블의 평균 크기는 31.6㎛로 파악되었으며, 실험에서 파악된 버블의 평균 크기인 30.7㎛와 매우 유사하게 확인되었다.
6㎛로 나타났으며, 이 결과는 실험결과와 매우 유사하게 나타났다. 또한, 해석결과에서 20㎛ 크기의 버블은 약 24.0%를 차지하는 것으로 확인되었다. 버블의 크기를 생성 단계에서부터 작게 만들기 위하여 노즐 내부에서 선회와 충돌을 이용한 추가 설계안을 마련하여 해석을 진행하였으며, 유입 방식에 변화를 주는 노즐 해석에서는 충돌판을 제거하고 출구 속도와 버블의 크기에 대해 개발목표를 만족하는 결과를 파악하였다.
본 해석 모델은 노즐의 용량을 키워 내부 형상을 3차원화하였으며, 노즐로 유입되는 입구와 노즐 본체의 설치 각도를 60°로 설정하여 선회를 발생시켰다. 선회 방식을 이용한 노즐 해석결과에서 0~50㎛의 크기를 가지는 버블은 전체 체적에서 79.3%를 차지하고 있는 것으로 나타났다.
6는 유입되는 물과 공기를 선회시켜 버블의 크기를 줄이기 위한 방안으로 해석된 결과이고, Table 3에서는 버블 크기별 분포를 보여주고 있다. 선회를 이용한 노즐에서는 20㎛ 크기의 버블이 41.6%를 차지하고 있으며, 출구에서의 유속은 평균 33.1m/s로 나타났다.
5에서는 10LPM의 유량을 가지는 초기 모델의 버블 크기에 따른 마이크로 버블 분포도를 보여주고 있다. 실험결과에서 58.4㎛ 이하의 버블은 약 90% 정도를 차지하고 있으며, Table 2의 해석결과에서도 50㎛ 이하의 버블이 약 91.5%를 차지하는 것으로 나타났다. 또한, 버블의 평균 크기는 31.
초기 모델은 10LPM의 유량을 가지며, 본 모델 해석결과와 실험결과를 비교 검증하였다. 해석결과에서 버블의 크기는 평균 31.6㎛로 나타났으며, 이 결과는 실험결과와 매우 유사하게 나타났다. 또한, 해석결과에서 20㎛ 크기의 버블은 약 24.
버블의 크기를 생성 단계에서부터 작게 만들기 위하여 노즐 내부에서 선회와 충돌을 이용한 추가 설계안을 마련하여 해석을 진행하였으며, 유입 방식에 변화를 주는 노즐 해석에서는 충돌판을 제거하고 출구 속도와 버블의 크기에 대해 개발목표를 만족하는 결과를 파악하였다. 해석결과에서 선회를 이용한 노즐에서 출구의 유속은 평균 30.1m/s로나타났으며, 20㎛ 크기의 버블은 약 41.6%를 차지하여, 초기의 소형 노즐인 10LPM 유량을 가지는 모델보다 좋은 결과가 나타났다.⁽¹¹⁾

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노즐에서 발생되는 마이 크로버블의 특징은 어떻게 되는가?	본 연구는 하수 및 오·폐수의 처리 효율을 향상시키는 노즐 설계 방안을 도출하고, 반응처리조 내에 미세한 버블을 발생시키는 노즐을 개발 하기 위해 수행되었다. 노즐에서 발생되는 마이 크로버블은 크기가 매우 미세하여 느린 상승속도를 가지며 수중에 장시간 체류하게 된다. 또한, 기포가 미세하여 비표면적이 커져 기액경계면에서 Gas 전달효율이 증가하여 버블의 독립분산(음전하 표면형성)으로 비결합상태가 유지되고 고요한 수면을 가지게 된다. 결과적으로 반응처리조 내에서 버블의 체류시간은 길어지게 되며, 반응 면적이 커지면서 오염물질과의 반응시간이 길어져 처리효율은 증가하게 된다.
	마이크로버블 발생노즐에서 생성되는 버블의 크기는 얼마이며, 더 작은 크기의 버블을 생성하기 위해서는 어떠한 조건이 필요한가?	결과적으로 반응처리조 내에서 버블의 체류시간은 길어지게 되며, 반응 면적이 커지면서 오염물질과의 반응시간이 길어져 처리효율은 증가하게 된다. 마이크로버블 발생노즐에서 생성되는 버블은 0~50㎛ 크기에 주로 분포해야 하며, 노즐의 출구 속도는 20m/s 이상이 되어야만 노즐 출구의 충돌판에 부딪혀 더 작은 크기의 버블로 생성될 수 있다.(1,2)
	노즐에서 발생되는 마이 크로버블은 반응처리조 내에서 어떠한 현상을 일으키는가?	또한, 기포가 미세하여 비표면적이 커져 기액경계면에서 Gas 전달효율이 증가하여 버블의 독립분산(음전하 표면형성)으로 비결합상태가 유지되고 고요한 수면을 가지게 된다. 결과적으로 반응처리조 내에서 버블의 체류시간은 길어지게 되며, 반응 면적이 커지면서 오염물질과의 반응시간이 길어져 처리효율은 증가하게 된다. 마이크로버블 발생노즐에서 생성되는 버블은 0~50㎛ 크기에 주로 분포해야 하며, 노즐의 출구 속도는 20m/s 이상이 되어야만 노즐 출구의 충돌판에 부딪혀 더 작은 크기의 버블로 생성될 수 있다.

참고문헌 (11)

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Jang, C. S. and Choi, S. M., 2000, "Application of the CFD to Internal Flow Analysis and Design of High Pressure Swirl Injector Nozzles," The Korean Society of Automotive Engineers, pp. 190-195.

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표제어: PCR

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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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