[논문]수직 패들형 및 하이드로 포일형 응집기 특성의 전산유체역학 해석

신종현; 장세명; 조용

doi:10.6112/kscfe.2016.21.3.024

수직 패들형 및 하이드로 포일형 응집기 특성의 전산유체역학 해석
CFD ANALYSIS ON THE CHARACTERISTICS FOR FLOCCULATORS OF VERTICAL PADDLE AND HYDRO-FOIL TYPE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.21 no.3 = no.74, 2016년, pp.24 - 30

신종현 (군산대학교 일반대학원 기계공학과) , 장세명 (군산대학교 기계자동차조선해양공학부) , 조용 (한국수자원공사 K-water연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In the water purification plant, the mixture of water and chemical from the mixing basin enters the flocculation basin. The rotating flocculators are generally used for the efficient flocculation of dregs. In this paper, the performance of flocculators of a vertical paddle type, widely used in the typical flocculation basins, and a hydro-foil type, recently disseminated in the field, are compared with each other by use of the numerical method. Also the characteristics and the efficiency are analyzed with CFD techniques. The strain rate and the eddy viscosity are compared for two types to predict the mixing efficiency, and the maximum speed and its location are pursued from the computed data. The hydrofoil type shows that the eddy viscosity is enhanced 1.66 to 3.03 times larger than that of vertical paddle type, and also produced 1.87 to 1.95 times larger flocs for each stage. However, the rapid rotation of hydrofoil may chop the floc to small size due to the higher turbulence intensity. From the result of computation, the strong and weak points of each type have been analyzed for the decision making.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

그러나 아직도 현장에서는 직접 정량적 수치를 확인할 수 있는 실측 데이터를 더 선호하고, 전산유체역학에 대한 몰이해로 인하여 기술 보급의 장애요인으로 작용하기도 한다. 본 연구에서는 전산유체역학 기술의 신뢰성 확보를 목표로 기존의 정량적 실험 데이터가 미처 밝히지 못했던 유동장 내부 물리 현상들에 대한 정성적 분석을 수행하고자 한다.

제안 방법

실제 운용되고 있는 응집기의 각 단별 회전 속도와 응집지의 기하학적 형상을 바탕으로 유도되는 유동장의 형태와 속도 분포를 분석하였다. 또한 전단 변형률과 난류 와동 점성을 서로 비교하여 혼합의 효율을 추정하고, 유동장 내에서 최대 속도의 위치 등을 추적하였다. 주어진 수치 모델에 대하여, 하이드로포일형은 각 단에서 패들형에 비해 1.
본 연구에서는 기존에 널리 사용되고 있는 수직 패들형 응집기와 최근 개량형으로 현장에 보급되고 있는 하이드로포일형 응집기의 성능을 서로 비교하고, 그 효율과 특성을 분석하기로 했다. 실제 운용되고 있는 응집기의 각 단별 회전 속도와 응집지의 기하학적 형상을 바탕으로 유도되는 유동장의 형태와 속도 분포를 분석하였다.
본 연구에서는 기존에 널리 사용되고 있는 수직 패들형 응집기와 최근 개량형으로 현장에 보급되고 있는 하이드로포일형 응집기의 성능을 서로 비교하고, 그 효율과 특성을 분석하기로 했다. 실제 운용되고 있는 응집기의 각 단별 회전 속도와 응집지의 기하학적 형상을 바탕으로 유도되는 유동장의 형태와 속도 분포를 분석하였다. 또한 전단 변형률과 난류 와동 점성을 서로 비교하여 혼합의 효율을 추정하고, 유동장 내에서 최대 속도의 위치 등을 추적하였다.

대상 데이터

응집지의 기하학적 형상은 일반적인 형상으로 모델링 하였으며 크기는 5 × 5 × 3 m³이다. 하이드로포일형은 정방형 평면의 응집지의 한 변 크기의 36%로 포일 직경을 설정하였으며, 수직 패들형은 70%의 크기로 패들 끝단 직경을 설정하였다.

데이터처리

각 단별로 출구에서 관측된 시료를 바탕으로 1분 동안 각 플록 크기별 분포 데이터로부터 플록의 개수(Fig. 10)와 가중 평균된 직경(Fig. 11)을 각각 그래프로 그려 보았다.

이론/모형

본 연구에서는 지배방정식으로 3차원 Navier- Stokes 방정식에 비압축성 유동 가정을 부여하여 사용한다.

성능/효과

현재 국내의 각 정수장에서는 기존의 패들형 응집기를 하이드로포일형으로 교체하고 있다. 본 연구 결과, 하이드로포일형이 전반적으로 난류 강도와 혼합을 증가시킨다는 사실을 확인하였다. 그러나 하이드로포일 주변의 불균일한 속도 분포와 난류에 의한 전단 변형률 증가가 플록을 잘게 쪼개는 부작용을 가져올 수 있다는 사실도 밝혔다.
또한 전단 변형률과 난류 와동 점성을 서로 비교하여 혼합의 효율을 추정하고, 유동장 내에서 최대 속도의 위치 등을 추적하였다. 주어진 수치 모델에 대하여, 하이드로포일형은 각 단에서 패들형에 비해 1.66 ~ 3.03배의 와점성을 가지면서 난류 강도가 증가했으며, 평균플록의 크기는 수직 패들형이 1.87 ~ 1.95배 더 커서 각각 장단점이 있는 것으로 파악되었다.

후속연구

그러나 하이드로포일 주변의 불균일한 속도 분포와 난류에 의한 전단 변형률 증가가 플록을 잘게 쪼개는 부작용을 가져올 수 있다는 사실도 밝혔다. 그러나 현재의 결과는 어디까지나 지금 통용되고 있는 응집기 방식들에 대해 특정한 예를 비교한 것이므로 성급한 일반화의 오류는 피해야 할 것이며, 앞으로 후속 연구를 통하여 보다 플록의 응집을 효과적으로 시키는 하이드로포일 블레이드 형태의 설계라는 새로운 과제를 제안하고자 한다.
이러한 방법론을 추후 다양한 회전 기계를 포함하는 상수도 설비에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 따라서 그동안 주로 실험에 의존해 왔던 많은 분석 기술들을 전산유체역학(CFD) 기술로 대체하거나 초기 설계 과정에서의 시행착오 시간을 줄여줄 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응집지는 어떻게 구성되는가?	응집지는 원통형의 중앙부 회전 영역과 나머지의 고정 격자 영역으로 구성된다. 이들의 경계에서는 유체역학의 보존법칙들이 성립하도록 미끄럼 경계조건(slip boundary condition)을 준다.
	정수장 시스템의 설비에서 혼화지에서 생성된 화학물과의 혼합수는 어디로 진입하게 되는가?	통상의 정수장 시스템의 설비에서, 혼화지(mixing basin)에서 생성된 화학물과의 혼합수는 응집지(flocculation basin)로 진입하게 된다. 여러 단(stage)으로 나누어진 각 응집지들을 거치면서 느리게 회전하는 응집기(flocculator)가 혼합수 내의 노폐물들을 작은 덩어리로 응집시키게 되는데, 이는 효율적인 플록(floc)의 형성을 위해 필수불가결한 공정이다.
	응집기는 어떤 형태를 가지고 있는가?	응집기의 경우 다양한 형태를 가지고 있다. 크게 축 방향으로 수평축, 수직축으로 나눌 수 있으며, 날개의 형태로는 크게 임펠러형과 패들형 등으로 분류할 수 있다. 과거의 연구 동향을 살펴보면 내부 유동 특성을 정량적으로 파악하기 위한 여러 종류의 임펠러 모델에 대한 개별 수치 해석 연구[1-4]가 비교적 활발하게 행해져 왔지만, 서로의 유동특성을 정성적 혹은 정량적으로 비교한 연구는 아직까지 전무하다.

참고문헌 (12)

1991, King. R., "Fluid Mechanics of Mixing : Modelling, Operations and Experimental Techniques," Kluwer Academic Publishers.
2003, Yang, C.J., Choi, M.S. and Lee, Y.H., "A Study on the Flow Characteristics of Mixer by Impeller Type," Journal of the Korean Society of Marine Engineers, Vol.27, No.7, pp.899-906.
2014, Im, H.N., Lee, H.W. and Choi, J.H., "Agitation Performance Study of 2-shafts Agitator Rotate Direction in the Mud Tank Based on CFD," Journal of Ocean Engineering and Technology, Vol.28, No.2, pp.111-118.

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2003, Kim, D.K., Bae, S.T. and Park, J.H., "Study on the Industrial Agitator's Impaller Shape Analysis using CFD and Reverse Engineering," Transactions of the Society of CAD/CAM Engineers, Vol.11, No.5, pp.359-364.
2013, The mixing, http://www.mixing.kr/sub01/sub0102.html.
2006, Kim, D.H., "Turbulence model of ANSYS-CFX," Proceedings of the KFMA Annual Meeting 2006, pp.153-156.
2015, Shin, J.H., Chang, S.M. and Moon, B.Y., "Numerical Study on the Side-Wind Aerodynamic Forces of Cambered 3-D Thin-Plate Rigid-Body Model," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.43, No.2, pp.97-108.

원문보기 상세보기
2005, DICER, "Water Treatment Facilities Designed and Evaluated for Improvement of Flocculation Basin in Water Treatment Facilities (1)," DICER TechInfo Part II, Vol.4, No.5, pp.182-189.
2005, DICER, "Designed and Evaluated for Improvement of Flocculation Basin in Water Treatment Facilities (2)," DICER TechInfo Part II, Vol.4, No.5, pp.190-197.
1961, Taylor, E.S., "Film Notes on Secondary Flow," National Committee for Fluid Mechanics Films, Massachusetts Institute of Technology.
1993, Weltens, H., Bressler, H., Terres, F., Neumaier, H. and Rammoser, D., "Optimisation of Catalytic Converter Gas Flow Distribution by CFD Predictions," SAE 930780.
2006, Wilcox, D.C., "Turbulence Modeling for CFD," DCW Industries, La Canada, California.

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