[논문]저탄장 시설에 설치된 방풍벽 높이에 따른 비산탄진 확산특성에 관한 수치해석

정찬호; 이진운; 신동환; 김명민; 이성혁

doi:10.15435/jilasskr.2014.19.3.136

Abstract ▼ AI-Helper

This study reports numerically the characteristics of dust scattering around the coal storage pile yards, substantially affected by the windbreak wall height. The dust scattering is closely associated with the frictional effect of wind flows as well as the pressure variation that consequently affect...

This study reports numerically the characteristics of dust scattering around the coal storage pile yards, substantially affected by the windbreak wall height. The dust scattering is closely associated with the frictional effect of wind flows as well as the pressure variation that consequently affect the dust particle behavior. In the present study, with the use of the commercial code of FLUENT, the distribution of wind velocity and pressure are predicted around coal storage pile yard for four different heights of the wind break wall. From the results, it was found that for the case 1 with the outer windbreak wall height of 3 m and inner windbreak wall height of 6 m, the amount of scattering dust for a year was estimated to be 1451 kg, whereas for the case 4 where a height of outer windbreak wall is 10 m and a height of inner windbreak wall is 16 m, the amount of scattering dust for a year was 358 kg. It shows that the dust scattering can be reduced by 75%, indicating important role of windbreak wall height on particle scattering. The numerical results would be useful in decision of the appropriate height of windbreak wall for decreasing the amount of scattering dust under various environmental conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

그러나 풍동 실험을 통해서는 다양한 기후와 지형의 영향을 받는 실제 저탄장의 비산량을 정량적으로 예측하기란 쉽지 않은 한계를 가진다. 따라서 본 연구에서는 전산유체해석기법을 이용하여 서해 지역의 기후조건을 고려한 옥외저탄장 주변 방풍벽의 높이에 따른 속도장과 압력장을 예측하고 탄소의 비산량 저감 정도를 비교하기 위해 4가지 방풍벽 형상 조건에 대해 수치해석 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 비산탄진의 발생 및 확산 특성을 분석 하기 위하여 속도장과 압력장을 예측하였다. 속도는 비산탄진의 이동 경로를 예측하기 위한 인자이며, 압력은 유동의 박리 및 부착, 재순환으로 인한 비산탄진의 발생 가능성을 평가하는 중요한 요소들이다.

가설 설정

77 m/s 임을 확인하였다. 계절별로 바람의 방향이나 시간 별 풍속은 달라지지만 계산의 대표성을 위해서 기상조건으로 풍속 2.77 m/s의 북풍을 가정하였다. 저탄장 부지에 설치된 방풍벽은 2개로 Fig.
여기서 ω는 입자 크기 가중치로 입자 크기를 2.5 µm로 가정하였으며 이 때의 입자 크기 가중치는 0.075이다.
77 m/s의 북풍을 가정하였다. 저탄장 부지에 설치된 방풍벽은 2개로 Fig. 1과 같이 각각 외부와 내부에 위치하고 있고 방풍벽이 설치되지 않은 주변으로는 방풍림 (windbreak forest)이 조성되어 있다고 가정하였다. 해석에 대한 각각의 case별 방풍벽 의 높이는 Fig.

제안 방법

58 m/s를 임계마찰풍속(uoc)으로 설정하여 배출률(E)을 계산하였다⁽⁹⁾. 다공성 물질인 방풍벽과 방풍림은 방풍 및 방진 효과가 우수한 개구율 0.4(40%)의 다공성 매질(porous media)로 설정하였다⁽¹⁰⁾.
본 연구에서는 전산유체해석기법을 이용하여 저탄장 부지 주위의 유동장을 3차원으로 해석하여 방풍벽의 높이에 따른 저탄장 부지의 속도 및 압력 분포를 분석하였다. 또한, 상기 결과를 바탕으로 이종물질해석을 수행하여 비산탄진이 확산도를 예측하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 전산유체해석기법을 이용하여 저탄장 부지 주위의 유동장을 3차원으로 해석하여 방풍벽의 높이에 따른 저탄장 부지의 속도 및 압력 분포를 분석하였다. 또한, 상기 결과를 바탕으로 이종물질해석을 수행하여 비산탄진이 확산도를 예측하였다.

대상 데이터

1과같이 2,830 m × 1,990 m × 522 m의 3차원의 저탄장 부지를 설정하였으며 각각의 저탄장의 크기는 108 m × 64 m × 9 m이다. ANSYS ICEM-CFD 13.0을 이용하여 Fig. 2와 같이 약 369만개의 사면체 격자로 3차원 영역을 구성하였다. 서해안을 가정하여 승봉도 기상관측소의 10년간의 데이터를 참조하여 주풍은 북풍이며 평균풍속은 2.
본 연구에서는 방풍벽의 높이 따른 속도장과 압력장 그리고 비산량을 예측하기 위해 Fig. 1과같이 2,830 m × 1,990 m × 522 m의 3차원의 저탄장 부지를 설정하였으며 각각의 저탄장의 크기는 108 m × 64 m × 9 m이다.

데이터처리

3와 Table 1에 정리하였다. 속도장과 압력장 그리고 비산량 예측은 ANSYS FLUENT 13.0 코드를 이용하였다. 해석에 사용한 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류모델은 표준 k-ε모델을 사용하였다.

이론/모형

해석에 사용한 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류모델은 표준 k-ε모델을 사용하였다. 비산탄진의 확산도 예측은 상차분모델(discrete phase model)을 사용하였고탄진의 비산량 예측은 미국환경보호청(U.S EPA, united states environmental protection agency)에서 제시한 식 (1)과 식 (2)를 사용하였다⁽⁸⁾.
해석에 사용한 지배방정식은 연속방정식, 운동량방정식, 난류모델은 표준 k-ε모델을 사용하였다.

성능/효과

2. 방풍벽의 높이가 높을수록 저탄장 부지 내의 기류 속도가 감소함으로 비산량은 감소하게 된다. 해석 결과, 외부 방풍벽의 높이가 10 m이고 내부 방풍벽의 높이가 16 m인 case 4의 비산탄진 발생량이 외부 방풍벽의 높이가 3 m이고 내부 방풍벽의 높이가 9 m인 case 1의 비산 탄진의 발생량보다 75% 감소한다는 것을 확인하였다.
3. 본 연구에서 사용한 해석기법은 저탄장 주변의 기후 등 환경 조건 및 저탄장의 형상을 고려할 수 있으며, 이를 통해 비산탄진의 수치를 효과적으로 감소시키는 방풍벽의 높이를 계산할 수 있다. 본 연구결과는 저탄장의 원료손실을 줄이는 경제적 효과 및 인근지역의 환경 오염을 예방하는 환경적 효과를 가진다.
Table 2에 나타난 결과에 따르면 외부 방풍벽의 높이가 3 m이고, 내부 방풍벽의 높이가 9 m인 case 1의 경우, 일년 동안 발생하는 비산탄진의 양이 1451 kg으로 큰 값을 가진다. 또한, 외부 방풍벽의 높이가 10 m이고 외부 방풍벽의 높이가 16 m인 case 4에서는 연간 358 kg으로 case 1에 비해 연간 비산탄진의 발생량이 75%가 감소된 것을 확인할 수 있다. 비산탄진의 양의 감소는 저탄장 내 기류속도의 감소로 표면 마찰속도를 감소시키고, 방풍벽의 영향으로 인해 방풍벽 후류에서의 압력이 감소하기 때문이다.
4는 각각의 case에 따른 저탄장 상단 면에 해당하는 고도 9 m에서의 속도 분포를 나타낸 것이다. 방풍벽의 높이가 높아질수록 저탄장 부지 내 유속이 점차 느려지는 것을 확인할 수 있으며, 특히 방풍벽과 인접해 있는 저탄장 주변 영역에서는 상기 결과보다 더 낮은 속도가 나타남을 확인하였다. 저탄장 주변으로 발생하는 유동은 저탄장 표면에서의 유동마찰로 비산탄진의 발생 가능성을 높이며 방풍림과 방풍벽의 방진효과를 저감시키게 된다.
본 연구에서 사용한 해석기법은 저탄장 주변의 기후 등 환경 조건 및 저탄장의 형상을 고려할 수 있으며, 이를 통해 비산탄진의 수치를 효과적으로 감소시키는 방풍벽의 높이를 계산할 수 있다. 본 연구결과는 저탄장의 원료손실을 줄이는 경제적 효과 및 인근지역의 환경 오염을 예방하는 환경적 효과를 가진다.
방풍벽의 높이가 높을수록 저탄장 부지 내의 기류 속도가 감소함으로 비산량은 감소하게 된다. 해석 결과, 외부 방풍벽의 높이가 10 m이고 내부 방풍벽의 높이가 16 m인 case 4의 비산탄진 발생량이 외부 방풍벽의 높이가 3 m이고 내부 방풍벽의 높이가 9 m인 case 1의 비산 탄진의 발생량보다 75% 감소한다는 것을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풍식작용이 유발시키는 것은?	화력발전소나 제철소의 대규모 원료 야적장에서 발생하는 석탄가루와 같은 분말입자의 비산, 특히 바람에 의해 표면으로부터 입자들이 떨어져 나오는 풍식작용(wind erosion)은 원료 손실뿐만 아니라 심각한 환경오염을 유발시킨다(1). 야적장은 발전소의 입지조건에 따라 차이는 있지만, 여름철 빈번하게 발생하는 태풍이나 돌풍 등에 의해 인근 주거지역이 피해를 입는다.
	풍식작용이란 무엇인가?	화력발전소나 제철소의 대규모 원료 야적장에서 발생하는 석탄가루와 같은 분말입자의 비산, 특히 바람에 의해 표면으로부터 입자들이 떨어져 나오는 풍식작용(wind erosion)은 원료 손실뿐만 아니라 심각한 환경오염을 유발시킨다(1). 야적장은 발전소의 입지조건에 따라 차이는 있지만, 여름철 빈번하게 발생하는 태풍이나 돌풍 등에 의해 인근 주거지역이 피해를 입는다.
	원료비산에 의한 대기오염 가능성을 예측하고, 비산 억제대책을 강구하는 것이 중요한 의미를 갖는 이유는?	화력발전소나 제철소의 대규모 원료 야적장에서 발생하는 석탄가루와 같은 분말입자의 비산, 특히 바람에 의해 표면으로부터 입자들이 떨어져 나오는 풍식작용(wind erosion)은 원료 손실뿐만 아니라 심각한 환경오염을 유발시킨다(1). 야적장은 발전소의 입지조건에 따라 차이는 있지만, 여름철 빈번하게 발생하는 태풍이나 돌풍 등에 의해 인근 주거지역이 피해를 입는다. 이와 같은 원료비산에 의한 대기오염 가능성을 예측하고, 비산 억제대책을 강구하는 것은 환경적 관점에서 매우 중요한 의미를 갖는다.

참고문헌 (10)

윤명조, 이복환, 임흥재, "저탄장의 비산탄진 방지대책", 한국대기환경학회, 제1권, 1988, pp. 3-37.
Diego, I., Pelegry, A., Torno, S., Torano, J., and Menendez, M., "Simultaneous CFD evaluation of wind flow and dust emission in open storage piles", Applied Mathematical Modelling, Vol. 33, 2009, pp. 3197-3207.

상세보기
Xuan, J. and Ye, W., "Wind Tunnel Modeling of Dust Emission and Deposition in Lower Atmosphere Similarity Principles", Asia-Pacific Symposium on Wind Engineering, Vol. 3, 1993, p. 1053-1058.
Launder, B. E. and Spalding, D. B., "The Numerical Computation of Turbulent Flows", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Vol. 3, p. 269-289.

상세보기
Cong, X. C., Yang, S. L., Cao, S. Q., Chen, Z. L., Dai, M. X. and Peng, S. T., "Effect of aggregate stockpile configuration and layout on dust emissions in an open yard", Applied Mathematical Modelling, Vol. 36, 2012, pp. 5482-5491.

상세보기
안종구, "옥외 저탄장에서 발생하는 석탄분진의 효율적인 저감방안 연구", 대한기계학회 추계학술대회, 2012, pp. 501-506.
Lee, S., Park, K. and Park, C., "Wind tunnel observations about the shelter effect of porous fences on the sand particle movements," Atmospheric Environment. Vol. 36, Issue 9, 2002, pp. 1453-1463.

상세보기
U. S. EPA, 1995.
Cong, X. C., Chen, Z. L. and Zhan, S. F., "Experimental study of static dust emission of coal pile in the open air", Journal of China University of Mining & Technology, Vol. 39, pp. 6849-6853. 2010.
박철우, 이상준, "다공성 방풍펜스가 후방에 다단으로 설치된 삼각프리즘의 표면압력에 미치는 영향에 관한 연구", 한국풍공학회지, 제2권, 제1호, 1998, pp. 104-114.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

저탄장 시설에 설치된 방풍벽 높이에 따른 비산탄진 확산특성에 관한 수치해석
Numerical Investigation on Influence of Windbreak Wall Height on Dust Scattering Characteristics 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

저탄장 시설에 설치된 방풍벽 높이에 따른 비산탄진 확산특성에 관한 수치해석 Numerical Investigation on Influence of Windbreak Wall Height on Dust Scattering Characteristics 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (10)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

정찬호 (5) 신동환 (6) 이성혁 (72)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

저탄장 시설에 설치된 방풍벽 높이에 따른 비산탄진 확산특성에 관한 수치해석
Numerical Investigation on Influence of Windbreak Wall Height on Dust Scattering Characteristics 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper