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문제 정의
- 01 m/s이상의 유속분포가 전장에 걸쳐 관측되고 있다. 예상하건대 outlet 1과 2 그리고 15와 16에서의 탁도가 다른 outlet에서 채취된 샘플의 탁도 보다 높게 나타날 것을 예측할 수 있으며, 이는 추후 탁도 측정결과에서 언급하도록 하겠다.
- 5) 본 연구에서 얻은 연구결과 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지의 경우 다지점으로 침전지로 유입되는 유량의 시간적인 편차가 지 전체의 수리흐름의 안정을 깨트리고 있으며, 이는 여러 개의 트라프로 유출되는 침전수의 수질에도 악영향을 미치는 것으로 판단하였다. 이에 추후 반(Companion) 논문에서는 침전지 유입 유량을 균등하게 할 수 있는 수리구조개선 방안에 대해 논하고자 한다.
제안 방법
- ADV는 침전지 내에서 한 지점의 x, y, 및 z 방향의 순간 유속을 측정하는 기기로 probe로부터 일정 거리(약 7 cm)에 위치한 sampling volume의 유속에 대하여 음파를 사용하여 측정한다. Fig. 3에서 보이는 바와 같이 G_정수장 침전지의 경우 양측 벽면에서 70 cm 떨어진 지점에서 4개의 지점 (Point A, B, C, D)에서 각 지점별 깊이 방향으로 0.5 m 지점에서의 속도를 각각 측정하였다. 실측된 유속과 실측당시 운영유량(18,000 m3/일)조건과 동일한 CFD 모사 조건에서의 모사결과를 비교하여 결과를 검증하였다.
- 대상 침전지내 수리적 거동이 수질에 미치는 영향을 알아보기 위해 18,000 m3/일 유량조건에서 왼쪽 벽면으로부터 outlet1 ~ outlet8까지 샘플링하여 탁도를 측정하였다. 탁도 측정은 탁도계(DR-2000, HACH, US)를 사용하였으며, 5분 간격으로 10번 샘플링하여 측정하였다.
- 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질차이의 원인을 규명하였다. 또한 CFD모사 결과로부터 지점별로 발생하는 흐름 양상을 분석하여 와류생성의 분포도 조사하였다.
- 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질차이의 원인을 규명하였다. 또한 CFD모사 결과로부터 지점별로 발생하는 흐름 양상을 분석하여 와류생성의 분포도 조사하였다.
- 이에 본 연구에서는 국내 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지를 대상으로 CFD 모사를 수행하였고, 이를 검증하기 위하여 지내 4곳을 선정하여 x, y, z방향의 속도를 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)장비로 실측하였다. 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질차이의 원인을 규명하였다.
- 본 연구에서는 상기 Fig.6이 모사결과를 자세히 관측하기 위해 기준이 되는 reference upward velocity를 0.1 m/s로 설정 후 velocity ratio분석을 통해 위치별 유속 분포를 알아보았다. 참고로 velocity ratio는 지점유속과 기준이 되는 유속(0.
- 상기 언급한 모사 방법으로 CFD를 이용하여 구한 수치해석 값을 검증하기 위해 G_정수장 침전지를 대상으로 지점별 유속을 ADV (Sonteck 10MHz)를 사용하여 측정하였다(Fig. 5 참조).
- 와류의 분포를 자세히 관찰하기 위해 x-방향으로 각각의 단면을 잘라서 지점 유속을 vector로 표현하였다(Fig. 8). 실제 대상 침전지의 모양에서 특이한 점은 z-축을 중심으로 좌우 대칭이 아니고, 좌측이 높다라는 점이다.
- 이에 본 연구에서는 국내 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지를 대상으로 CFD 모사를 수행하였고, 이를 검증하기 위하여 지내 4곳을 선정하여 x, y, z방향의 속도를 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)장비로 실측하였다. 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질차이의 원인을 규명하였다. 또한 CFD모사 결과로부터 지점별로 발생하는 흐름 양상을 분석하여 와류생성의 분포도 조사하였다.
- 이에 본 연구에서는 국내 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지를 대상으로 CFD 모사를 수행하였고, 이를 검증하기 위하여 지내 4곳을 선정하여 x, y, z방향의 속도를 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)장비로 실측하였다. 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질차이의 원인을 규명하였다. 또한 CFD모사 결과로부터 지점별로 발생하는 흐름 양상을 분석하여 와류생성의 분포도 조사하였다.
- 이에 본 연구에서는 국내 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지를 대상으로 CFD 모사를 수행하였고, 이를 검증하기 위하여 지내 4곳을 선정하여 x, y, z방향의 속도를 ADV(Acoustic Doppler Velocimeter)장비로 실측하였다. 이러한 정보를 이용하여 실제 여러 개의 유출 트라프로 유출되는 유출수의 수질차이의 원인을 규명하였다.
- 작동유체로는 20 ℃의 물을 사용하였으며, 난류모델은 상업적으로 널리 사용하는 standard k-ε 난류모델을 적용하였다. 침전지의 입구 유량 조건은 응집지에서 유출된 물이 침전지의 각 입구부에 유입되므로 사전에 응집지에 대한 유출 유량을 수치 계산하여 본 연구에 적용하였으며, 그 값을 Table 1에 표시하였다.
- /일 유량조건에서 왼쪽 벽면으로부터 outlet1 ~ outlet8까지 샘플링하여 탁도를 측정하였다. 탁도 측정은 탁도계(DR-2000, HACH, US)를 사용하였으며, 5분 간격으로 10번 샘플링하여 측정하였다.
대상 데이터
- 5 m이다. ADV를 이용한 지내 유속 실측 시 유입유량은 18,000 m3/일이었으며, 이 유입 유량을 초기 조건으로 CFD모사에 사용하였다. 침전된 슬러지의 배출구는 총 4개로 구성되어 있으며, 위치는 Fig.
- Table 2는 2012년 5월 17일 하루 동안 각 트라프(outlet1-16)에서 5분 간격으로 10회 측정한 탁도 데이터를 제시한 것이다. 대상 침전지의 대칭성을 고려하여 왼쪽 벽면으로부터 트라프 1(outlet1-2), 트라프 2(outlet 3-4), 트라프 3(outlet 5-6), 트라프 4(outlet 7-8) 그리고 트라프 5(outlet 9-10)을 선정하였다. 측정결과, 트라프 1에서 채취한 샘플의 탁도가 상대적으로 다른 트라프의 샘플 탁도보다 약 1 NTU이상 높은 것으로 측정되었다.
- 9은 CFD 모사결과의 검증을 위해 ADV를 이용하여 운전유량이 18,000 m3/일 때 상향유속을 실측한 것과 비교한 그래프이다. 실측 지점은 point A의 경우 왼쪽 벽면에서 0.65 m 지점, point B의 경우 3.5 m 지점, point C의 경우 7 m 지점, 마지막으로 point D의 경우 10.5m 지점으로 선정하였다. 실측치와 모사치 비교한 결과, CFD 모사치가 ADV 실측치에 비해 약 20 %정도 작은 값이 나타났으나, 왼쪽 벽면에서 가까운 point A에서 상대적으로 높은 상향류 유속을 보이며 점차적으로 벽면에서 멀어지는 지점에서 유속이 안정화되는 양상을 보이고 있다.
- 4는 수치해석에 사용된 격자분포를 나타내고 있으며, 벽면에 의해 발달하는 유동을 보다 정확하게 해상하기 위하여 벽면 근처에서는 prism 격자를 사용하였다. 총 사용된 격자수는 1,850,000 노드(7,000,000 elements)이다.
데이터처리
- 수치계산은 압력기반 유한체적을 fully implicit로 이산화하여 얻어지는 방정식을 algebric multigrid coupled solver를 이용하여 해석하는 상용프로그램 ANSYS CFX 12.1을 사용하였으며, 입구에서는 유량조건, 출구는 압력조건, 자유표면에서는 free slip wall 조건을 적용하였다. 작동유체로는 20 ℃의 물을 사용하였으며, 난류모델은 상업적으로 널리 사용하는 standard k-ε 난류모델을 적용하였다.
- 5 m 지점에서의 속도를 각각 측정하였다. 실측된 유속과 실측당시 운영유량(18,000 m3/일)조건과 동일한 CFD 모사 조건에서의 모사결과를 비교하여 결과를 검증하였다.
이론/모형
- 본 연구의 상항류식 침전지에 대한 수치계산을 위한 격자생성은 ANSYS meshing tool을 사용하였다. Fig.
- 실제 CFD 모사 시 난류모델의 선정이 정확도를 좌우할 수 있는데, 통상 수처리공정에 적용되는 난류모델은 선행 연구자들이 적용한 standard k-ε 난류모델을 사용하였다(Raimund 등, 2012; Lainé 등, 1999; Fatemeh 등, 2011, Athanasia 등, 2008).
- 작동유체로는 20 ℃의 물을 사용하였으며, 난류모델은 상업적으로 널리 사용하는 standard k-ε 난류모델을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 연구 대상으로 선정한 병열 배열된 상향류식 침전지의 내부 수리거동을 해석하기 위해 CFD 모사 및 ADV를 이용한 지내 지점별 유속을 측정한 결과 지내로 유입되는 유입유량의 편차에 의해 지점별 유속이 상이한 것으로 나타났다. 특히, 양 벽면에 가까운 쪽의 상승유속은 설계 월류부하 74.
- 2) CFD 모사 결과로부터 와류의 분포를 관측한 결과, 실제 대상 침전지의 모양이 z-축을 중심으로 좌우 대칭이 아니어서 유입부에서 유출된 상향의 주된 흐름이 오른쪽으로 편향되게 나타났으며, 좌측과 우측에서 발생하는 와류의 크기 또한 상이하게 관측되었다. 이와 같은 현상은 같은 위치의 유출 트라프에서도 y방향으로 유출되는 유출수의 수질이 상이할 수 있다는 가능성을 내재하고 있다.
- 3) 실측치와 모사치 비교한 결과, CFD모사치가 ADV실측치에 비해 약 20 %정도 작은 값이 나타났으나, 왼쪽 벽면에서 가까운 point A에서 상대적으로 높은 상향류 유속을 보이며 점차적으로 벽면에서 멀어지는 지점에서 유속이 안정화되는 양상을 보이고 있다. 침전지와 같은 낮은 유속(0.
- 4) 트라프 하단의 수리거동이 수질에 미치는 영향을 조사하기위해 수행된 탁도 측정 결과, 트라프 1에서 채취한 샘플의 탁도가 상대적으로 다른 트라프의 샘플 탁도보다 약 1NTU이상 높은 것으로 측정되었다. 이와 같은 결과는 트라프 하단의 상향유속을 포한한 전장 수리거동이 수질에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 5) 본 연구에서 얻은 연구결과 G_정수장 내에 운전 중인 병렬로 배열된 상향류식 침전지의 경우 다지점으로 침전지로 유입되는 유량의 시간적인 편차가 지 전체의 수리흐름의 안정을 깨트리고 있으며, 이는 여러 개의 트라프로 유출되는 침전수의 수질에도 악영향을 미치는 것으로 판단하였다. 이에 추후 반(Companion) 논문에서는 침전지 유입 유량을 균등하게 할 수 있는 수리구조개선 방안에 대해 논하고자 한다.
- 이와 같은 현상은 같은 위치의 유출 트라프에서도 y방향으로 유출되는 유출수의 수질이 상이할 수 있다는 가능성을 내재하고 있다. 또한 앞서 언급한대로 plane 1과 plane 5에서 다른 plane에 비해 상대적으로 높은 상향 유속이 관측됨을 확인할 수 있었다.
- 5m 지점으로 선정하였다. 실측치와 모사치 비교한 결과, CFD 모사치가 ADV 실측치에 비해 약 20 %정도 작은 값이 나타났으나, 왼쪽 벽면에서 가까운 point A에서 상대적으로 높은 상향류 유속을 보이며 점차적으로 벽면에서 멀어지는 지점에서 유속이 안정화되는 양상을 보이고 있다. 침전지와 같은 낮은 유속(0.
- 대상 침전지의 대칭성을 고려하여 왼쪽 벽면으로부터 트라프 1(outlet1-2), 트라프 2(outlet 3-4), 트라프 3(outlet 5-6), 트라프 4(outlet 7-8) 그리고 트라프 5(outlet 9-10)을 선정하였다. 측정결과, 트라프 1에서 채취한 샘플의 탁도가 상대적으로 다른 트라프의 샘플 탁도보다 약 1 NTU이상 높은 것으로 측정되었다. 이와 같은 결과는 트라프 하단의 상향유속을 포함한 전장 수리거동이 수질에도 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- 실측치와 모사치 비교한 결과, CFD 모사치가 ADV 실측치에 비해 약 20 %정도 작은 값이 나타났으나, 왼쪽 벽면에서 가까운 point A에서 상대적으로 높은 상향류 유속을 보이며 점차적으로 벽면에서 멀어지는 지점에서 유속이 안정화되는 양상을 보이고 있다. 침전지와 같은 낮은 유속(0.01 m/s 이하)이 존재하는 유동장에서 CFD 모사치와 ADV 실측치의 정확도를 10 % 이하로 가져가기는 무리가 있음을 고려할 때 본 연구에서는 지점별 상향 유속의 차이 발생의 양상을 잘 모사한 것으로 판단된다. 실제 CFD 모사 시 난류모델의 선정이 정확도를 좌우할 수 있는데, 통상 수처리공정에 적용되는 난류모델은 선행 연구자들이 적용한 standard k-ε 난류모델을 사용하였다(Raimund 등, 2012; Lainé 등, 1999; Fatemeh 등, 2011, Athanasia 등, 2008).
- 1) 연구 대상으로 선정한 병열 배열된 상향류식 침전지의 내부 수리거동을 해석하기 위해 CFD 모사 및 ADV를 이용한 지내 지점별 유속을 측정한 결과 지내로 유입되는 유입유량의 편차에 의해 지점별 유속이 상이한 것으로 나타났다. 특히, 양 벽면에 가까운 쪽의 상승유속은 설계 월류부하 74.4mm/min(0.00124 m/s)을 훨씬 상회하고 있어서 이러한 현상이 수질에도 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 01m/s 이하)이 존재하는 유동장에서 CFD 모사치와 ADV 실측치의 정확도를 10 %이하로 가져가기는 무리가 있었다. 이는 추후 난류 모델의 선정 및 벽면 상대 조도 등을 고려하여 정확도를 제고할 수 있을 것으로 판단된다.
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