[논문]CFD와 PIV 기법을 이용한 저압막 유입부 수리구조 개선에 관한 연구

오정익; 최종웅; 임재림; 김동길; 박노석

doi:10.4491/ksee.2015.37.11.607

CFD와 PIV 기법을 이용한 저압막 유입부 수리구조 개선에 관한 연구
A Study on Hydraulic Modifications of Low-Pressure Membrane Inlet Structure with CFD and PIV Techniques 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.37 no.11, 2015년, pp.607 - 618

오정익 (LH 연구원) , 최종웅 (K-water 연구원) , 임재림 (K-water 연구원) , 김동길 (경상대학교 토목공학과 및 공학연구원) , 박노석 (경상대학교 토목공학과 및 공학연구원)

초록
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본 연구에서는 CFD 모사와 PIV 기법을 이용하여 실규모의 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 유입부의 수리구조를 개선하여 모듈로 유입되는 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 제시하고 이를 실험적으로 검증하고자 하였다. 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 CFD로 설계한 결과, 내부 유입 수리구조에 유공 격벽을 설치함으로써 모듈내로의 유입유량은 표준편차 기준으로 약 40% 정도 감소됨을 확인하였다. 또한 CFD 결과를 검증하고 사이드 스트림 막 모듈의 편중된 오염의 원인을 조사하기 위해 수행된 입자영상유속 측정 결과로부터 유입구 반대편 유공에서 막 모듈 내부로 들어오는 수체의 유속이 상대적으로 커 수체의 모멘텀이 유입구 측벽에 강한 전단력을 발생하지만 유입구 반대 측벽에서는 사류가 형성됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to suggest hydraulic modification for improving evenness of inlet flow distribution into side stream type low-pressure MF (microfiltration) module using CFD (computational fluid dynamics) simulation and PIV (particle image velocimetry) techniques. From the results of CFD simulation for various typed inlet structure, it was investigated that installing internal orifice baffle in inlet the distribution channel could improve the evenness of inlet flow distribution over about 40%. Also, from the results of PIV measurements which were carried out for verifying the CFD simulation, it was observed that the momentum of the water body coming from the opposite side of the inlet was relatively larger. This momentum would generate strong shear force in the near of inlet side wall. On the other hands, occurrence of dead zone and eddy flow was confirmed in the opposite side.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 CFD 모사 결과를 검증하기 위해서 입자영상유속계(particle image velocimetry, PIV)를 이용하여 유입부 상단의 유속을 실측하였다. 입자영상유속계는 광학 영상기술을 이용하여 유동장내의 여러 지점의 속도를 동시 다발적으로 측정할 수 있는 시스템이다.
이에 본 연구에서는 실규모의 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 하단에 위치한 유입부의 수리구조를 개선하여 모듈로 유입되는 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 제시하고 이를 실험적으로 검증하고자 하였다. 이를 위해서 수리구조 개선안을 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)기법으로 사이드 스트림 방식의 막 모듈 유입 수리구조를 여러 가지 형태로 모사하였고, 모사 결과를 해석하여 최적 설계안을 선정, 이를 데모 버전으로 제작하여 입자영상유속(particle image velocimetry, PIV)장치를 이용하여 기존 대비 막 모듈내 유입 유량의 균등성을 실측하였다.
본 해석에서의 난류 모델링은 k - ε 난류모델을 사용하였으며, 난류 모델은 평균성분과 변동성분을 도입하여 수정된 수송 방정식(transport equation)의 해를 구하기 위한 수단이다.
이에 본 연구에서는 실규모의 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 하단에 위치한 유입부의 수리구조를 개선하여 모듈로 유입되는 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 제시하고 이를 실험적으로 검증하고자 하였다. 이를 위해서 수리구조 개선안을 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)기법으로 사이드 스트림 방식의 막 모듈 유입 수리구조를 여러 가지 형태로 모사하였고, 모사 결과를 해석하여 최적 설계안을 선정, 이를 데모 버전으로 제작하여 입자영상유속(particle image velocimetry, PIV)장치를 이용하여 기존 대비 막 모듈내 유입 유량의 균등성을 실측하였다.

가설 설정

Fig. 6(b)는 본 해석을 수행하기 위한 대상 영역을 유동 영역과 porous 영역으로 구성하였으며, 유입구에서 유입된 물은 격벽 유공을 통하여 porous 영역을 통하여 유출(outlet)되는 것으로 가정하였다. 정상 상태를 가정하였으며, 흐르는 유체의 특성은 20℃의 물이 유입되는 것으로 해를 구하였다.
k - ε 모델은 난류 점성을 난류 운동에너지와 소산율을 이용하여 다음과 같이 가정한다.
6(b)는 본 해석을 수행하기 위한 대상 영역을 유동 영역과 porous 영역으로 구성하였으며, 유입구에서 유입된 물은 격벽 유공을 통하여 porous 영역을 통하여 유출(outlet)되는 것으로 가정하였다. 정상 상태를 가정하였으며, 흐르는 유체의 특성은 20℃의 물이 유입되는 것으로 해를 구하였다.

제안 방법

¹⁸⁾ Fig. 6(a)는 막 모듈 입구부에 설치되어 있는 유공 격벽의 유로 향상이며, 점선으로 표시된 영역을 대상으로 유동해석을 수행하였다. Fig.
8은 본 연구 CFD 모사에 사용된 공간 격자계분포를 나타내고 있다. 격자 형태는 tetra를 사용하였으며, 벽면 근처에서는 보다 정확한 해상과 수치해석의 정확도를 위하여 상대적으로 조밀한 격자인 prism을 사용하였다. Case 1 단일 격벽을 적용한 경우에는 1,780,000개의 노드(node) (7,560,000 elements)로 구성하였으며, case 2, 3, 4 이중 격벽의 경우에는 2,350,000개의 노드(8,700,000 elements)로 구성하였다.
상기에서 언급한 바와 같이 CFD 모사 결과를 검증하기 위해 대상 중 case 3(유공 홀의 편차 각도 0°)를 대상으로 막 모듈 내부에 이중격벽 구조를 제작하고 2차원 유속을 실측하였다.
이에 본 연구에서는 실규모의 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 하단에 위치한 유입부의 수리구조를 개선하여 모듈로 유입되는 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 제시하고 이를 실험적으로 검증하고자 하였다. 이를 위해서 수리구조 개선안을 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD)기법으로 사이드 스트림 방식의 막 모듈 유입 수리구조를 여러 가지 형태로 모사하였고, 모사 결과를 해석하여 최적 설계안을 선정, 이를 데모 버전으로 제작하여 입자영상유속(particle image velocimetry, PIV)장치를 이용하여 기존 대비 막 모듈내 유입 유량의 균등성을 실측하였다.
6 bar 정도 소요된다. 이에 본 연구에서는 유입속도(U)와 압력(p)의 함수로 표현되는 저항 계수(C_R1, C_R2)를 방정식 (1)을 이용하여 적정값을 구하여 이를 입력변수로 사용하였다.¹⁸⁾
10(b)는 CFD 모사 대상 중 case 3(각도 0°)을 검증하기 위한 이중격벽 구조를 제작한 것이다. 흰색 부분과 어두운 색 부분이 각각 이중 격벽 역할을 하게하며 각 격벽의 유공 중심을 일치시켜 실험하였다.

대상 데이터

격자 형태는 tetra를 사용하였으며, 벽면 근처에서는 보다 정확한 해상과 수치해석의 정확도를 위하여 상대적으로 조밀한 격자인 prism을 사용하였다. Case 1 단일 격벽을 적용한 경우에는 1,780,000개의 노드(node) (7,560,000 elements)로 구성하였으며, case 2, 3, 4 이중 격벽의 경우에는 2,350,000개의 노드(8,700,000 elements)로 구성하였다.
본 실험에서 사용한 고속카메라는 최대 초당 7,500 프레임(frame)을 기록할 수 있고 부분 해상도(segment frame)는 256×256 Pixels 정도이다.
9에서 나타냈듯이, 실린더 type의 석영렌즈를 이용하여 가시영역대의 레이저 광선을 확장하여 레이저 영역대(sheet)를 만들고, 이를 대상 영역에 투사시켜 2차원의 유동장을 만들어 낸다. 본 연구에서 사용된 레이저는 DPSS (Diode-pumped Solid-state) 4 watt 용량을 사용하였다. 이 유동장에 추적이 가능한 고형물인 추적 입자를 충분히 주입하게 되는데 추적 입자는 대상 영역의 유체 흐름을 따라 충분히 작고, 부력의 영향을 받지 않아야 하므로 본 실험에서는 PVC (Poly-vinyl chlorine)을 사용하였다.
본 연구의 대상이 된 저압 막 모듈의 유입부에는 Fig. 2와 같은 유공 격벽이 설치되어 있으며, 격벽의 유공을 통하여 주 흐름이 발생하여 막 모듈내로 유입된다. 다음 Table 1은 국내 K_사의 저압 Microfiltration (MF) 막 모듈의 제원을 정리한 것이다.
본 연구의 대상인 사이드 스트림 방식의 막 모듈은 Fig. 2 사진에 나타낸 것과 같다. 측면 유입구(직경 D = 52 mm)를 들어간 물은 내부에 설치된 원형 유공(직경 d = 5.
본 연구에서 사용된 레이저는 DPSS (Diode-pumped Solid-state) 4 watt 용량을 사용하였다. 이 유동장에 추적이 가능한 고형물인 추적 입자를 충분히 주입하게 되는데 추적 입자는 대상 영역의 유체 흐름을 따라 충분히 작고, 부력의 영향을 받지 않아야 하므로 본 실험에서는 PVC (Poly-vinyl chlorine)을 사용하였다. 사용한 본 추적 입자의 밀도는 1.

이론/모형

본 연구에서는 막 모듈 내부 유체 거동을 전산유체역학 기법으로 모사하기 위해서 상용 코드인 ANSYS CFX 15.0을 사용하였다.¹⁸⁾ Fig.
상기 관계식을 이용하여 내부 porous 영역의 저항계수 값을 조정하여 유입과 유출구 간에 약 0.6 bar(정확하게 0.64804 bar)가 나타나는 저항계수를 ‘trial and error’ 방법으로 구하였는데 저항 계수는 1.00e + 6 kg/m4의 값을 도출하였다.

성능/효과

1) 실규모 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 대상으로 유입 유량을 수직으로 균등하게 분포시킬 수 있는 방안을 CFD로 설계한 결과, 내부 유입 수리구조에 유공 격벽을 설치함으로써 모듈내로의 유입유량은 표준편차 기준으로 약 40%정도 감소됨을 확인하였으며 균등하게 분배하기 위한 내부 유공 격벽 설치가 효과가 있음을 결론지을 수 있다.
1) 일반적인 정수처리에 있어서 고액 분리의 마지막 공정인 모래여과에 비해 처리의 안정성, 운영의 자동화 및 용이성, 소요 부지의 저감 등에서 많은 장점이 있으나, 상대적으로 높은 운영 및 유지관리 비용으로 아직까지 도입 속도가 제한적이었다.²⁾ 그러나 최근 운영기술의 발달 및 막 모듈 생산 단가의 감소 등 경제성이 향상되면서 점차 대규모 정수장의 수처리 공정에 적용을 확대하고자 하는 움직임이 활발하게 일어나고 있다.
2) 선행된 CFD 결과를 검증하고 사이드 스트림 막 모듈의 편중된 오염의 원인을 조사하기 위해 수행된 입자영상유속 측정 결과로부터 유입구 반대편 유공에서 막 모듈 내부로 들어오는 수체의 유속이 상대적으로 커 이 수체의 모멘텀이 유입구 측벽에 강한 전단력을 발생하지만 유입구 반대 측벽에서는 사류가 형성됨을 확인하였다.
간략화된 다중 유출 수로의 경우(Fig. 3(a)) 수로내 평균 유속이 작으면 벽면 마찰 손실로 하류로 갈수록 유출구로부터 나가는 유출 유량이 작아지고, 반대로 평균 유속이 상대적으로 크면 하류 끝단에서 에너지가 축적되어 수로내 수두가 높아져 유출 유량이 증가하는 양상을 보인다.¹⁷⁾
마찬가지로 (a)는 단일 유공 격벽이 설치된 경우이며 (b)는 이중 유공 격벽을 설치한 경우이다. Fig. 1의 일정 기간을 사용한 막 모듈의 절단면에서 유입구 반대편에 오염이 집중된 현상과 CFD의 모사 결과 유입구 반대편 유공에서 막 모듈 내부로 들어오는 수체의 유속이 상대적으로 커 이 수체의 모멘텀이 유입구 측벽에 강한 전단력을 발생하지만 유입구 반대 측벽에서는 사류가 형성됨을 확인하였다. 막 표면에 강한 전단력이 발생하는 경우 표면이 상대적으로 깨끗하게 유지될 수 있지만 전단력이 약하면 입자의 물질 전달이 감소하여 표면이 오염될 우려가 커지는 것을 예측할 수 있다.
이는 모듈내 유입구의 높이가 4번 유공 중심단면과 일치함에 따라 이 높이에서 높은 에너지 소산이 발생함에 따라 와류가 형성되기 때문임을 알 수 있다. 또한 네 가지 case 모두 유입구의 반대편인 유공 17로 갈수록 모듈 내 유입 유량이 증가하는 것으로 나타나는 데 그 정도가 단일 격벽인 경우가 가장 높게 나타나고, 이중 유공 격벽을 설치한 case 2~4의 경우 증가 정도가 상대적으로 낮은 것으로 관측되었다. 이와 같은 결과는 앞서 언급한 표준 편차의 절대값으로 잘 설명된 바이다.
²⁾ 그러나 최근 운영기술의 발달 및 막 모듈 생산 단가의 감소 등 경제성이 향상되면서 점차 대규모 정수장의 수처리 공정에 적용을 확대하고자 하는 움직임이 활발하게 일어나고 있다. 바이러스, 박테리아 및 원생동물(예: Giardia 또는 Cryptosporidium 등)과 원인 불명의 입자성 오염물질 등의 출현은 수돗물의 생산 및 공급에 있어서 경제성 보다 안전성을 중요시하는 인식을 제고하였고 이에 따라 2000년대 초반부터 막 공정의 적용 속도는 과거 10년에 비해 60% 이상 상승하였다.^3,4)

후속연구

3) 본 연구는 아직까지 이중 유공 격벽의 설치로 인한 에너지 손실-현재 CFD 모사 결과로는 0.05 bar가 더 소요됨의 검증, 유입구 수리구조를 변경하고 난 후의 장기간 실험을 통한 오염 발생 양상 조사, 막 모듈 내로의 유입 유량의 균등화를 더욱 더 제고시킬 수 있는 방안 제시 등 지속적인 연구의 진행이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	저압막 여과공정이란?	수처리 공정에서 정밀여과(microfiltration) 및 한외여과(ultrafiltration) 등의 저압막 여과공정은 막 세공(pore) 전·후단에 압력차를 가하여 세공보다 큰 오염물질을 체거름 현상에 의해 선택적으로 입자를 제거하는 기작을 이용하는 것이다.1) 일반적인 정수처리에 있어서 고액 분리의 마지막 공정인 모래여과에 비해 처리의 안정성, 운영의 자동화 및 용이성, 소요 부지의 저감 등에서 많은 장점이 있으나, 상대적으로 높은 운영 및 유지관리 비용으로 아직까지 도입 속도가 제한적이었다.
	케이싱 저압막 모듈은 어떻게 구분하는가?	케이싱 저압막 모듈은 크게 하부에서 유입수가 막 모듈로 유입되는 방식과 측면에서 유입수가 유입되는 사이드 스트림 방식으로 구분되는데, 하부에서 유입수가 유입되는 방식의 경우 하부 배관 구조 설치를 위해 막 공정을 설치하는 구조물의 층고가 상대적으로 더 소요되는 단점을 가지고 있다. 이에 반해 사이드 스트림 방식의 막 모듈을 운전하는 경우는 상기 Fig.
	저압막 여과공정이 모래여과에 비해 우수한 점은?	수처리 공정에서 정밀여과(microfiltration) 및 한외여과(ultrafiltration) 등의 저압막 여과공정은 막 세공(pore) 전·후단에 압력차를 가하여 세공보다 큰 오염물질을 체거름 현상에 의해 선택적으로 입자를 제거하는 기작을 이용하는 것이다.1) 일반적인 정수처리에 있어서 고액 분리의 마지막 공정인 모래여과에 비해 처리의 안정성, 운영의 자동화 및 용이성, 소요 부지의 저감 등에서 많은 장점이 있으나, 상대적으로 높은 운영 및 유지관리 비용으로 아직까지 도입 속도가 제한적이었다.2) 그러나 최근 운영기술의 발달 및 막 모듈 생산 단가의 감소 등 경제성이 향상되면서 점차 대규모 정수장의 수처리 공정에 적용을 확대하고자 하는 움직임이 활발하게 일어나고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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