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문제 정의
- 따라서 이제는 체류수의 발생을 억제할 수 있는 수리적 거동이 이루어지면서 배수지시설의 중요기준항목인 CT값을 충족시킬 수 있는 새로운 형태 및 구조를 갖는 배수지가 필요하게 되었기 때문에 본 연구를 통해 기존의 사각 배수지와 새롭게 제안된 육각집합배수지에 대해 유동해석을 수행하고, 배수효율과 소독약제희석능력을 비교분석 하고자 하였다.
- 단순히 물을 저장하고 공급하는데 머물지 않고 수질오염 없이 장시간 물을 저장해야 하기 때문에 수질오염 방지를 위해 잔류염소를 유지해야 하는 문제와 배수지의 구조적 안정성 및 정체되는 체류수를 없애 신선도를 유지시킬 수 있는 기술이 필요한 실정이다[5]. 본 연구에서는 원심력을 이용한 체류수억제 및 CT값 향상을 위해 Fig. 2의 육각배 수지형태를 제안하였으며, 유동해석을 통해 기존의 사각배수지와 비교분석하고자 하였다.
가설 설정
- 따라서본 연구에 적용한 난류모델은 표준 k-ε 모델을 적용하였다. 유체는 상온의 물로 가정하여 해석을 수행하였다[7-10]. Table 1은 유동해석에 사용된 조건들을 나타낸 것이다.
제안 방법
- 기존 배수타입인 사각배수지와 새롭게 제안된 원형 배수지의 특색을 살린 육각배수지의 배수특성 및 CT값의 분석을 위해 유체해석을 진행하였다. 그 결론은 아래와 같다.
- 기존의 사각배수지와 제안된 육각배수지에 대해 유체해석을 수행하였다. 유체해석결과를 각 모델별로 정체구간의 발생영역과 배수 형태 등을 높이에 따라 분석하였다.
- 또한, 배수지의 성능을 평가할 수 있는 지표들을 도출하여 분석하였으며, 아래와 같이 정의할 수 있다.
- 기존의 사각배수지와 제안된 육각배수지에 대해 유체해석을 수행하였다. 유체해석결과를 각 모델별로 정체구간의 발생영역과 배수 형태 등을 높이에 따라 분석하였다. Fig.
- 전산유체해석은 기존의 사각배수지(Rectangular Type)와 육각배수지(Hexagonal Type)를 서로 비교 검토함으로써 체류수를 적게 하며 CT값을 향상시킬 수 있는 배수지형태에 대해 분석하고자 진행하였으며, 2,000톤의 동일한 체적을 갖는 배수지들에 대해 해석을 진행하였다.
대상 데이터
- Fig. 3의 사각배수지 Nodes는 187,169개이며, Elements는 1,417,694개로 해석을 수행하였다. Fig.
- 3의 사각배수지 Nodes는 187,169개이며, Elements는 1,417,694개로 해석을 수행하였다. Fig. 4의 육각배수지의 Nodes는 122,575개이며, Elements는 1,194,359로 해석을 수행하였다. 유동모델은 3차원 유한체적법(Finite Volume Method)를 이용하여 형상을 구성하였으며, Navier-stokes 방정식을 적용하여 유동을 계산하였다.
이론/모형
- Navier-stokes 방정식은 부가적인 정보를 필요로 하지 않고, 난류와 층류를 모두 기술하지만, 실제로 난류의 특성길이와 특성시간은 매우 다양하여 복잡한 3차원 형상에 대한 해석방법으로는 적합하지 않은 것으로 알려져 있지만, 본 연구에 적용된 2가지의 배수지모델은 복잡하지 않다고 판단되어 본 모델을 적용하였다. 난류모델의 경우 정확한 수치결과의 확보를 위해서는 일반적으로 점성저층 (Viscous sub-layer) 영역을 안정적으로 처리할 수 있는 최적화된 난류모델의 적용이 필요하다.
- 따라서본 연구에 적용한 난류모델은 표준 k-ε 모델을 적용하였다.
- 지배방정식의 대류 항은 High-resolution방법을 이용하였다. 또한, 운동량방정식의 압력항 처리는 압력수정방법을 이용하는 SIMPLE-C방법을 적용하여 압력수정에 관한 근사 이산화방정식을 압력과 속도의 상관관계를 고려한 연속방정식의 이산화방정식으로부터 구하였다.
- 본 유동해석에 사용된 Solver는 ANSYS-CFX12 프로그램이며, 유체기계 해석에 최적화된 상용코드인 CFX-TASCflow의 기술과 다상유동해석, 화학반응해석, 연소해석 등의 목적으로 최적화된 CFX-4를 결합한 형태의 Fully implicit pressure-based AMG coupled solver이다. 또한, 해석에 사용된 코드는 Implicit pressure-based 방법을 사용하며, 여기서 사용되는 주요 독립 변수들은 (P, ui, H)이다. 일반적 으로 범용 상용코드는 위의 변수에 대해 해석을 수행하며, 이는 일반적으로 부딪히는 비압축성 유동의 해석이 용이하기 때문이다.
- 본 유동해석에 사용된 Solver는 ANSYS-CFX12 프로그램이며, 유체기계 해석에 최적화된 상용코드인 CFX-TASCflow의 기술과 다상유동해석, 화학반응해석, 연소해석 등의 목적으로 최적화된 CFX-4를 결합한 형태의 Fully implicit pressure-based AMG coupled solver이다. 또한, 해석에 사용된 코드는 Implicit pressure-based 방법을 사용하며, 여기서 사용되는 주요 독립 변수들은 (P, ui, H)이다.
- 4의 육각배수지의 Nodes는 122,575개이며, Elements는 1,194,359로 해석을 수행하였다. 유동모델은 3차원 유한체적법(Finite Volume Method)를 이용하여 형상을 구성하였으며, Navier-stokes 방정식을 적용하여 유동을 계산하였다.
- 3333px;">e는 유효점성계수(Effective viscosity)이며, p는 각각 정압을 나타낸다. 유동장 문제에 대한 지배방정식을 해석하기 위하여 유한체적법을 이용하여 비엇물림 격자계(Non-staggered grid system)에 대한 이산 화방정식을 구하였다. 지배방정식의 대류 항은 High-resolution방법을 이용하였다.
- 유동장 문제에 대한 지배방정식을 해석하기 위하여 유한체적법을 이용하여 비엇물림 격자계(Non-staggered grid system)에 대한 이산 화방정식을 구하였다. 지배방정식의 대류 항은 High-resolution방법을 이용하였다. 또한, 운동량방정식의 압력항 처리는 압력수정방법을 이용하는 SIMPLE-C방법을 적용하여 압력수정에 관한 근사 이산화방정식을 압력과 속도의 상관관계를 고려한 연속방정식의 이산화방정식으로부터 구하였다.
성능/효과
- 1. 기존 사각배수지와 각 육각배수지의 유속을 살펴보면 일반배수지에 비해 35% 향상된 결과를 확인할 수 있었으며, 동일하게 1번째 지역을 통과하며 유속이 감소되었지만, 육각배수지의 경우는 사각배수지보다 유속감소량이 적었다. 이는 육각배수지의 형태가 원형으로 유입지역에서 발생된 원심력이 토출지역까지 유지되어 이와 같은 결과가 나타났을 것으로 판단된다.
- 2. 기존 사각배수지가 육각배수지에 비해 정체구간이 큰 것을 Variance 결과를 통해 확인하였다. 사각배수지는 구간을 통과하면서 직각의 도류벽으로 인해 유동장이 바뀌어 정체구간이 발생하고 유체가 맴도는 현상이 발생하였다.
- 3. 육각배수지가 사각배수지에 비해 약간 높은 CT값과 배수효율특면에서 우수한 결과를 확인하였다. 하지만, 동일체적임에도 불구하고 CT값이 다른 이유는 배수지의 형태와 모양에 따라 체류시간이 다름이기 때문인 것으로 판단된다.
- 제어체적면의 적분점의 개수가 2D의 경우 일반적인 FVM의 4개에 비해 8개로 2배가 많은 것을 알 수 있다. 3D의경우 육면체 격자의 경우 6개에 비해 24개로, 사면 체격자의 경우 4개에 비해 본 해석에 사용된 코드는 평균 60개로 적분점이 많아지므로 비교적 성긴 격자에서도 해석결과가 정확할 것으로 사료된다.
- 4. 일반적인 사각배수지대신 원형에 가까운 육각배 수지를 사용함으로써 원심력을 이용하여 유체를 효율적으로 배수 하여 적은 체류수와 적절한 CT값을 확인할 수 있어 이상적인 배수지형태임을 확인할 수 있었으며, 배수지의 성능과 면적효율측면에서도 육각배수지의 성능이 우수하다고 사료된다.
- 64min으로 약 30% 감소되어 유속향상에 따른 체류수의 감소를 확인할 수 있었다. Variance는 일반사각배수지가 1,331.88로 육각집합배수지에 비해 매우 높은 값을 보여 Back Mixing이 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Index(단락류)결과를 살펴보면 일반정수지인 0.
- 11은 농도와 시간을 무차원으로 나타낸 그래프이다. 그래프에서 확인한 바와 같이 육각배수지의 T10 값이 사각배수지보다 높은 값을 보여 소독제의 접촉시간이 약 10%이상 향상된 것을 확인할 수 있었으며, 소독제의 시간에 따른 접촉거동에 대해 확인할 수 있었다.
- 또한, 각 구간을 통과하면서 유동장의 방향이 바뀌는 모서리 부분에서는 어김없이 정체구간이 발생하고 유체가 나가지 못하고 맴도는 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 높이별로 유속분포를 살펴보면, 0.5m의 단면에서 유속이 가장 느리고 4.0m에서의 유속이 빨리지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 유입구가 측면에 위치하고 있기 때문에 유체가 반대벽에 의해 방향이 바뀌며 심하게 요동친 후 안정되게 유동장이 흘러 가는 것을 확인할 수 있었다.
- 88로 육각집합배수지에 비해 매우 높은 값을 보여 Back Mixing이 크다는 것을 확인할 수 있었다. 또한, Index(단락류)결과를 살펴보면 일반정수지인 0.30보다 육각집합배수지의 0.016보다 큰 차이를 보여 육각집합배수지의 단락류가 일반사각배수지에 비해 적은 것을 확인할 수 있었다. 유동해석결과 육각배수지가 사각배수지에 비해 높은 CT값과 배수효율이 우수한 것을 확인할수 있었다.
- 사각배수지의 유동해석결과를 살펴보면 유체가 유입되는 유입구 부분에서는 유속이 빠르지만 1번째 수로를 지나가면서 유체의 유속이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 구간을 통과하면서 유동장의 방향이 바뀌는 모서리 부분에서는 어김없이 정체구간이 발생하고 유체가 나가지 못하고 맴도는 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 높이별로 유속분포를 살펴보면, 0.
- 유입구간에서의 원심력이 최대로 발생되고 유속이 가장 빠르지만, 각 지역으로 유체가 이동할 때 마다 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있었으나 어느 시간 이후 유속이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있으며, 유입지역에서 발생된 원심력은 토출지역까지 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 원심력으로 인하여 정체구간 및 맴도는 현상이 사각배수지에 비해 적은 것을 확인할 수 있었으며, 사각배수지와 달리 상부와 하부에서의 유속차이를 보이지 않고 평균 0.01m/s의 유속을 유지하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 중앙의 기둥으로 인하여 맴돌이 현상을 완화하여 체류수의 억제를 기대할수 있을 것으로 판단된다.
- 0m에서의 유속이 빨리지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 유입구가 측면에 위치하고 있기 때문에 유체가 반대벽에 의해 방향이 바뀌며 심하게 요동친 후 안정되게 유동장이 흘러 가는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 유입구에서 유체가 요동치며 정체구간이 발생하지 않지만, 다음 구역을 지나감에 따라 흐름이 안정되며 각 모서리에 정체구간을 발생시켰다.
- 중앙의 기둥으로 인하여 맴돌이 현상을 완화하여 체류수의 억제를 기대할수 있을 것으로 판단된다. 배수지내 평균 유속은약 0.129m/s이며, 이론체류시간 T를 120으로 설정하여 평균 체류시간 Tm 은 83.73min으로 계산되었다. T10 은 62.
- 사각배수지의 유동해석결과를 살펴보면 유체가 유입되는 유입구 부분에서는 유속이 빠르지만 1번째 수로를 지나가면서 유체의 유속이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 각 구간을 통과하면서 유동장의 방향이 바뀌는 모서리 부분에서는 어김없이 정체구간이 발생하고 유체가 나가지 못하고 맴도는 현상이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- 016보다 큰 차이를 보여 육각집합배수지의 단락류가 일반사각배수지에 비해 적은 것을 확인할 수 있었다. 유동해석결과 육각배수지가 사각배수지에 비해 높은 CT값과 배수효율이 우수한 것을 확인할수 있었다. Fig.
- 10은 육각집합배수지의 높이별 해석 결과이다. 유입구간에서의 원심력이 최대로 발생되고 유속이 가장 빠르지만, 각 지역으로 유체가 이동할 때 마다 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있었으나 어느 시간 이후 유속이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있으며, 유입지역에서 발생된 원심력은 토출지역까지 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 원심력으로 인하여 정체구간 및 맴도는 현상이 사각배수지에 비해 적은 것을 확인할 수 있었으며, 사각배수지와 달리 상부와 하부에서의 유속차이를 보이지 않고 평균 0.
- Table 2는 일반사각배수지와 육각집합배수의 유체해석결과를 서로 비교한 표이다. 육각집합배수지의 유속은 0.129m/s로 일반사각배수지의 0.086m/s에비해 약 35%의 향상되었으며, 평균체류시간을 나타낸 Tm 값은 육각집합배수지가 83.73min, 일반사각배 수지 100.64min으로 약 30% 감소되어 유속향상에 따른 체류수의 감소를 확인할 수 있었다. Variance는 일반사각배수지가 1,331.
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