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제안 방법
- 본 연구에서는 미세기포 생성을 위한 공기 공급 시스템으로써 공급 공기량에서는 이젝터에 비해 불리하며 발생기포의 크기에서는 오리피스타입에 비해 불리한 조건을 가지고 있지만 구조의 단순화로 상용화에서는 큰 이점을 가지고 있는 벤츄리 시스템에 대해 기하학적 형상(직경비) 변화가 관내 압력형성에 미치는 영향을 전산 유동 해석을 통해 규명하였다. 그리고 벤츄리 관에 공기를 공급하는 공급관의 위치, 크기, 개수 등을 변수로 2 유체 유동 해석을 수행하여 이들 설계 변수 값들이 공기공급 특성에 미치는 효과를 살펴보았다.
- 해석 영역에 대한 지배 방정식은 에너지 방정식을 제외한 연속방정식 및 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 채택하여 해석을 수행하였다. 또한 벤츄리 목부위의 저압 부위에 설치되는 공기 공급관을 통해 벤츄리 관내로 공급되는 공기량에 대한 특성을 해석하고자 2-유체 다상 유동 해석을 수행하였다. 2-유체 다상 유동 해석의 경우 밀도차에 의한 효과를 포함하고자 Density Difference Buoyancy Model을 사용하였으며, 물속 공기방울의 항력효과를 위해서는 Grace Model을 사용하였다.
- 먼저 설치간격의 경우 관의 직경을 1(mm)로고정한 채 설치구멍의 개수에 따라 30º (구멍의 개수 n=12)부터 180º (구멍의 개수 n=2)까지 변화해 가면서 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 미세기포 생성을 위한 공기 공급 시스템으로써 공급 공기량에서는 이젝터에 비해 불리하며 발생기포의 크기에서는 오리피스타입에 비해 불리한 조건을 가지고 있지만 구조의 단순화로 상용화에서는 큰 이점을 가지고 있는 벤츄리 시스템에 대해 기하학적 형상(직경비) 변화가 관내 압력형성에 미치는 영향을 전산 유동 해석을 통해 규명하였다. 그리고 벤츄리 관에 공기를 공급하는 공급관의 위치, 크기, 개수 등을 변수로 2 유체 유동 해석을 수행하여 이들 설계 변수 값들이 공기공급 특성에 미치는 효과를 살펴보았다.
- 이를 위해 25℃ 물을 기준으로 하여 캐비 테이션이 일어나지 않는 최소 직경비 β를 3-D 유동해석을 통해 결정하였다.
- 이를 참조로 본 연구에서도 펌프에서 노즐로 공급되는관 직경(D)을 실용화 측면에서 50 mm로, α1 = 21º , α2 = 10º 로 결정하였다.
- 최적의 공기 공급 시스템으로 설계되기 위해벤츄리 관의 기본적인 기하학적 형상 및 공급공기관의 위치, 크기, 개수 등을 변수로 2 유체 유동 해석을 수행하였으며, 해석 결과분석을 통해 아래의 몇 가지 중요한 결론을 얻었다.
- 8 등에서 표시한 공기 공급 구멍 주변을 중심으로 약 200만개의 격자를 조밀하게 배치하였으며, 벽면에는 계산의 정확성을 위해 6층의 프리즘 격자 층을 배치하여 CFX 프로그램에서 추천하는 y+ 값이 300이하의 값을 유지하도록 구성하였다. 해석 시 경계 조건으로는 입구 경계면에서는 유량 50 m3/hr을, 출구 경계면에서는 대기압조건으로 해석을 수행하였다.
- 그리고 난류 모델로는 Continuous Phase에 상응하는 물에 대해서는 SST를 Discontinuous Phase 인 공기방울의 경우에는 Sato Enhanced EddyViscosity 모델을 사용하였다. 해석 시 수렴성 및 정확성을 확보하고자 Fig. 5, Fig. 8 등에서 표시한 공기 공급 구멍 주변을 중심으로 약 200만개의 격자를 조밀하게 배치하였으며, 벽면에는 계산의 정확성을 위해 6층의 프리즘 격자 층을 배치하여 CFX 프로그램에서 추천하는 y+ 값이 300이하의 값을 유지하도록 구성하였다. 해석 시 경계 조건으로는 입구 경계면에서는 유량 50 m3/hr을, 출구 경계면에서는 대기압조건으로 해석을 수행하였다.
- 해석 조건으로 25℃ 물이 벤츄리 흡입부에서 50 m3/hr 로 일정하게 공급되며, 출구측 압력이 대기압인 조건에서 Fig. 5에서 설정한 공기 공급구멍에 원주방향으로 45º 간격으로 설치된 8개의 직경 1mm 구멍으로 25℃ 대기압의 공기를 공급하는 경우에 대해 2-유체 유동해석(water-air 2-phase flow analysis)을 수행하였다.
데이터처리
- 수치해석은 상용 유동 해석 프로그램인 ANSYS CFX-15를 사용하여 수행하였다. 해석 영역에 대한 지배 방정식은 에너지 방정식을 제외한 연속방정식 및 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 채택하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 또한 벤츄리 목부위의 저압 부위에 설치되는 공기 공급관을 통해 벤츄리 관내로 공급되는 공기량에 대한 특성을 해석하고자 2-유체 다상 유동 해석을 수행하였다. 2-유체 다상 유동 해석의 경우 밀도차에 의한 효과를 포함하고자 Density Difference Buoyancy Model을 사용하였으며, 물속 공기방울의 항력효과를 위해서는 Grace Model을 사용하였다. 그리고 난류 모델로는 Continuous Phase에 상응하는 물에 대해서는 SST를 Discontinuous Phase 인 공기방울의 경우에는 Sato Enhanced EddyViscosity 모델을 사용하였다.
- 2-유체 다상 유동 해석의 경우 밀도차에 의한 효과를 포함하고자 Density Difference Buoyancy Model을 사용하였으며, 물속 공기방울의 항력효과를 위해서는 Grace Model을 사용하였다. 그리고 난류 모델로는 Continuous Phase에 상응하는 물에 대해서는 SST를 Discontinuous Phase 인 공기방울의 경우에는 Sato Enhanced EddyViscosity 모델을 사용하였다. 해석 시 수렴성 및 정확성을 확보하고자 Fig.
- 수치해석은 상용 유동 해석 프로그램인 ANSYS CFX-15를 사용하여 수행하였다. 해석 영역에 대한 지배 방정식은 에너지 방정식을 제외한 연속방정식 및 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 채택하여 해석을 수행하였다. 또한 벤츄리 목부위의 저압 부위에 설치되는 공기 공급관을 통해 벤츄리 관내로 공급되는 공기량에 대한 특성을 해석하고자 2-유체 다상 유동 해석을 수행하였다.
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