본 총설에서는 액체층을 통과하는 기포의 크기, 형상, 상승속도를 결정하기 위한 이론들을 살펴보았다. 액체의 물리적 특성과 기포의 유량으로부터 기포의 크기, 형상, 상승속도를 체계적으로 계산하는 여러 가지 이론식 및 모수식들을 살펴보고, 각각의 장단점을 정리하였다. 이 분야에서 발표된 초기 저작들에서는 주로 반복계산을 통해 기포의 형상과 상승속도를 결정하는 기법들이 사용되었으나, 최근에 발표된 논문들에서는 간단한 모수식을 통해 기포의 형상과 상승속도를 반복계산 없이 쉽게 구하는 기법들이 제시되고 있다. 이러한 기법들은 매우 다양한 물리적 특성을 가지는 실험결과들과의 비교에서도 우수성을 보여주고 있어, 관련 분야의 연구에 매우 유용한 도구로 사용할 수 있을 것으로 보인다.
본 총설에서는 액체층을 통과하는 기포의 크기, 형상, 상승속도를 결정하기 위한 이론들을 살펴보았다. 액체의 물리적 특성과 기포의 유량으로부터 기포의 크기, 형상, 상승속도를 체계적으로 계산하는 여러 가지 이론식 및 모수식들을 살펴보고, 각각의 장단점을 정리하였다. 이 분야에서 발표된 초기 저작들에서는 주로 반복계산을 통해 기포의 형상과 상승속도를 결정하는 기법들이 사용되었으나, 최근에 발표된 논문들에서는 간단한 모수식을 통해 기포의 형상과 상승속도를 반복계산 없이 쉽게 구하는 기법들이 제시되고 있다. 이러한 기법들은 매우 다양한 물리적 특성을 가지는 실험결과들과의 비교에서도 우수성을 보여주고 있어, 관련 분야의 연구에 매우 유용한 도구로 사용할 수 있을 것으로 보인다.
Accurate prediction of size, shape and velocity of a bubble rising through a liquid pool is very important for predicting the particulate removal efficiency in pool scrubbing, for designing engineering safety features to prepare for severe accidents in nuclear power plants, and for predicting the em...
Accurate prediction of size, shape and velocity of a bubble rising through a liquid pool is very important for predicting the particulate removal efficiency in pool scrubbing, for designing engineering safety features to prepare for severe accidents in nuclear power plants, and for predicting the emission of fission products from MCCI (molten core-concrete interaction) process during severe accidents. In this review article, previous studies on the determination of the size, shape and rising velocity of a bubble in liquid are reviewed. Various theoretical and parameterization formulas calculating the bubble size, shape and velocity from physical properties of liquid and gas flowrate are compared. Recent studies tend to suggest simple parameterizations that can easily determine the bubble shape and rising velocity without iteration, whereas iteration has to be performed to determine the bubble shape and velocity in old theories. The recent parameterizations show good agreement with measured data obtained from experiments conducted using different liquid materials with very diverse physical properties, proving themselves to be very useful tools for researchers in related fields.
Accurate prediction of size, shape and velocity of a bubble rising through a liquid pool is very important for predicting the particulate removal efficiency in pool scrubbing, for designing engineering safety features to prepare for severe accidents in nuclear power plants, and for predicting the emission of fission products from MCCI (molten core-concrete interaction) process during severe accidents. In this review article, previous studies on the determination of the size, shape and rising velocity of a bubble in liquid are reviewed. Various theoretical and parameterization formulas calculating the bubble size, shape and velocity from physical properties of liquid and gas flowrate are compared. Recent studies tend to suggest simple parameterizations that can easily determine the bubble shape and rising velocity without iteration, whereas iteration has to be performed to determine the bubble shape and velocity in old theories. The recent parameterizations show good agreement with measured data obtained from experiments conducted using different liquid materials with very diverse physical properties, proving themselves to be very useful tools for researchers in related fields.
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문제 정의
본 총설에서는 액체층을 통과하는 기포의 크기, 형상, 상승속도를 결정하기 위한 이론들을 살펴보았다. 액체의 물리적 특성과 기포의 유량으로부터 기포의 크기, 형상, 상승속도를 체계적으로 계산하는 여러 가지 이론식 및 모수식들을 살펴보고, 각각의 장단점을 정리하였다.
(2017)은 식 (19), (20), (21)로부터 기포 내부 기체순환이 있는 경우 모든 기포 형상 영역에 대해 유효한 기포 상승속도를 구하는 일반식을 구하였다. 여기에 기포 표면에서의 오염물질에 의한 기체순환 억제 효과까지 고려함으로써 다음과 같은 최종 모수식을 제안하였다.
이 총설에서는 풀 스크러빙에 사용되는 액체의 물리적 특성 및 처리하려는 가스의 양과 특성에 따라 액체층을 통과해 상승하는 기포의 크기, 형상, 상승속도를 결정하는 기법에 대한 과거의 연구결과들을 비교, 정리함으로써, 앞으로 풀 스크러빙 장치를 설계할 때 설계 파라미터를 결정하는 데 도움을 주고자 하였다.
가설 설정
Bozzano and Dente (2001)은 반복계산 없이 기포의 형상과 상승속도를 동시에 결정하는 방법을 제안하였다. 그들은 상승하는 기포가 총 에너지(포텐셜에너지, 표면에너지, 운동에너지의 합)를 최소로 만드는 형상을 갖게 된다고 가정하여 기포의 항력계수를 결정하였다. 에너지최소화에 대한 수치계산 결과를 바탕으로 항력계수에 대한 모수식을 Eo와 M의 함수 형태로 제안하였다.
제안 방법
Grace의 다이아그램이라 불리는 이 다이아그램은 세 무차원수 Eo (기포 크기를 대변), M(액체 특성을 대변), Re (기포 상승속도를 대변)에 따라 입자의 형상을 세 영역(구형, 타원체형, 모자형)으로 구분하고 M의 값과 기포의 형상에 따라 달라지는 Eo–Re관계를 그래프로 제시함으로써, 액체의 특성과 기포의 크기가 정해지면 기포의 형상과 상승속도를 쉽게 구할 수 있게 하였다.
본 총설에서는 액체층을 통과하는 기포의 크기, 형상, 상승속도를 결정하기 위한 이론들을 살펴보았다. 액체의 물리적 특성과 기포의 유량으로부터 기포의 크기, 형상, 상승속도를 체계적으로 계산하는 여러 가지 이론식 및 모수식들을 살펴보고, 각각의 장단점을 정리하였다. 이 분야에서 발표된 초기 저작들에서는 주로 반복계산을 통해 기포의 형상과 상승속도를 결정하는 기법들이 사용되었으나, 최근에 발표된 논문들에서는 간단한 모수식을 통해 기포의 형상과 상승속도를 반복계산 없이 쉽게 구하는 기법 들이 제시되고 있다.
그들은 상승하는 기포가 총 에너지(포텐셜에너지, 표면에너지, 운동에너지의 합)를 최소로 만드는 형상을 갖게 된다고 가정하여 기포의 항력계수를 결정하였다. 에너지최소화에 대한 수치계산 결과를 바탕으로 항력계수에 대한 모수식을 Eo와 M의 함수 형태로 제안하였다. 이렇게 구해진 항력계수를 이용하여, 기포의 상승속도는 다음과 같은 2차방정식의 해로 주어진다.
성능/효과
셋째, CD =1.924를 대신 사용한다고 해도, 식 (21)과 식 (22)의 함수 형태를 비교해보면, 기포 크기가 작은 경우(즉 기포가 타원체형일 때)에는 식 (21)의 값이 더 크고, 기포 크기가 큰 경우(즉 기포가 모자형일 때)에는 식 (22)의 값이 더 크다는 것을 알 수 있다.
첫째, 모자형에 대한 CD = 8/3이 타원체형에 대한 #보다 항상 크기 때문에 타원체형이 선택되는 경우가 나올 수 없다는 것이다.
후속연구
이 분야에서 발표된 초기 저작들에서는 주로 반복계산을 통해 기포의 형상과 상승속도를 결정하는 기법들이 사용되었으나, 최근에 발표된 논문들에서는 간단한 모수식을 통해 기포의 형상과 상승속도를 반복계산 없이 쉽게 구하는 기법 들이 제시되고 있다. 이러한 기법들은 매우 다양한 물리적 특성을 가지는 실험결과들과의 비교에서도 우수성을 보여주고 있어, 관련 분야의 연구에 매우 유용한 도구로 사용할 수 있을 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
풀 스크러빙이란?
, 2008; Kim, 1999). 풀 스크러빙(pool scrubbing)은 함진가스를 물 속에 기포의 형태로 주입시켜 기포들이 물 층을 통과하는 동안 기포에 포함된 입자상 오염물질이 제거되도록 하는 습식집진 기법의 하나로서 산업공정에서 발생하는 입자상 오염물질 제거에 널리 사용되고 있다(Gabillet et al., 2002; Ghiaasiaan and Yao, 1997; Kim and Park, 2008; Kim and Park, 2014; Park and Lee, 2009; Laker and Ghiaasiaan, 2004).
풀 스크러빙은 어디에서 사용되는가
, 2008; Kim, 1999). 풀 스크러빙(pool scrubbing)은 함진가스를 물 속에 기포의 형태로 주입시켜 기포들이 물 층을 통과하는 동안 기포에 포함된 입자상 오염물질이 제거되도록 하는 습식집진 기법의 하나로서 산업공정에서 발생하는 입자상 오염물질 제거에 널리 사용되고 있다(Gabillet et al., 2002; Ghiaasiaan and Yao, 1997; Kim and Park, 2008; Kim and Park, 2014; Park and Lee, 2009; Laker and Ghiaasiaan, 2004).
에어로졸 입자의 크기나 형상에 따른 입자제거 효율은 어떠한가
풀 스크러빙 공정 도중에 에어로졸 입자들은 브라운운동에 의한 확산, 중력침강, 관성충돌, 열영동, 확산영동 등 다양한 메커니즘에 의해 기포 표면에 부딪쳐 제거되는데 (Fuchs, 1964), 이때 입자제거 효율은 에어로졸 입자의 크기나 형상뿐 아니라 기포의 크기 및 형상과 그에 따라 결정되는 상승속도에 따라 크게 달라진다. 예를 들어, 기포 직경(dp )이 작을수록 브라운확산, 관성충돌, 중력침강에 의한 입자제거 효율이 모두 커지는데, 각각 d3/2e, d2e, de에 반비례한다(Fuchs, 1964). 기포의 모양이 구형에서 타원체형으로 변하면 기포표면적이 커짐에 따라 입자제거 효율이 커지며, 기포의 상승속도가 커지면 기포 내 체류시간이 짧아지므로 입자 제거 효율은 낮아진다.
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