[국내논문]침전지의 유동 특성과 Lagrangian Method를 이용한 침전효율 예측에 관한 연구 A Study on Prediction of Sedimentation Efficiency for Sedimentation Basin using Lagrangian Method원문보기
국내에서 설치 운영 중인 D정수장의 장방형 침전지를 대상으로 설계유량($15,864m^3/day$)과 운영유량($33,333m^3/day$))에 대하여 CFD 해석 방법을 사용하여 침전지의 유동특성 및 tracer 모의를 수행하였으며, 침전지의 유입부로 유입되는 플럭을 입자로 가정하여 모사하는 Lagrangin 기법을 적용하여 침전지의 효율을 검토하였다. 그 결과 침전지내 흐름을 plug flow 영역으로 만들기 위한 평균 속도값을 0.00193 m/s, 0.00417 m/s로 도출되었다. 또한 각 유량 조건에 대해 Tracer test를 모의한 결과 ${\beta}$(유효접촉인자) 값은 각각 0.51, 0.46, Morrill Index값은 각각 6.05와 3.21, 단락류 Index는 0.54와 0.34로 나타났다.
국내에서 설치 운영 중인 D정수장의 장방형 침전지를 대상으로 설계유량($15,864m^3/day$)과 운영유량($33,333m^3/day$))에 대하여 CFD 해석 방법을 사용하여 침전지의 유동특성 및 tracer 모의를 수행하였으며, 침전지의 유입부로 유입되는 플럭을 입자로 가정하여 모사하는 Lagrangin 기법을 적용하여 침전지의 효율을 검토하였다. 그 결과 침전지내 흐름을 plug flow 영역으로 만들기 위한 평균 속도값을 0.00193 m/s, 0.00417 m/s로 도출되었다. 또한 각 유량 조건에 대해 Tracer test를 모의한 결과 ${\beta}$(유효접촉인자) 값은 각각 0.51, 0.46, Morrill Index값은 각각 6.05와 3.21, 단락류 Index는 0.54와 0.34로 나타났다.
Flow characteristics analysis and tracer test simulations for the rectangular typed sedimentation basins, which have been operated at D_water treatment plant in Korea, were carried out using CFD (Computational Fluid Dynamics) techniques for design ($15,864m^3/day$) and operation flowrate ...
Flow characteristics analysis and tracer test simulations for the rectangular typed sedimentation basins, which have been operated at D_water treatment plant in Korea, were carried out using CFD (Computational Fluid Dynamics) techniques for design ($15,864m^3/day$) and operation flowrate ($33,333m^3/day$). Also, each efficiency of the sedimentation basin was evaluated by application of the Lagrangin technique on the assumption of the particles flowing into the inlet of the sedimentation basin. From the results of simulation, the mean velocity values for making the flow in the settling basin as a plug flow region were derived as 0.00193 m/s and 0.00417 m/s, respectively. In addition, ${\beta}$ (effective contact factor) values were calculated to be 0.51 and 0.46, and the Morrill Index values were 6.05 and 3.21, respectively for both flowrate conditions.
Flow characteristics analysis and tracer test simulations for the rectangular typed sedimentation basins, which have been operated at D_water treatment plant in Korea, were carried out using CFD (Computational Fluid Dynamics) techniques for design ($15,864m^3/day$) and operation flowrate ($33,333m^3/day$). Also, each efficiency of the sedimentation basin was evaluated by application of the Lagrangin technique on the assumption of the particles flowing into the inlet of the sedimentation basin. From the results of simulation, the mean velocity values for making the flow in the settling basin as a plug flow region were derived as 0.00193 m/s and 0.00417 m/s, respectively. In addition, ${\beta}$ (effective contact factor) values were calculated to be 0.51 and 0.46, and the Morrill Index values were 6.05 and 3.21, respectively for both flowrate conditions.
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가설 설정
]으로 설정한다. 경계조건으로 입구에서 단위 체적당 질량의 단위로 설정하고, 정상상태 계산을 초기조건으로 하여, 식 (5)와 같은 tracer 양으로 입구에서 유입된다고 가정한다.
모든 유출공 전산모사 수행시 과도한 격자분포로 계산효율성이 저하됨으로 유출공의 직경 φ120mm로 가정하여 측면에 22개, 바닥면에 10개로 구성하였다.
제안 방법
4은 표면상의 계산 격자 분포를 나타내고 있으며, 격자 생성 툴인 ANSYS 소프트웨어를 사용하여 hybrid type의 격자를 생성하였다.11,12) 그리고 벽면 근처와 작은 엣지(edge)에 대한 해상을 보다 정확하게 하기 위하여 조밀한 격자 분포를 적용하였다. 격자수는 2,680,000개 노드수(elements 12,032,000개)를 적용하여 수행하였다.
이에 본 연구에서는 설치 운영 중인 D_정수장의 장방형 침전지를 대상으로 설계유량과 운영 유량에 대하여 침전지의 유동특성 및 tracer 모의를 수행하였으며, 침전지의 유입 부로 유입되는 플럭을 입자로 가정하여 모사하는 Lagrangian 기법을 적용하여 침전지의 효율을 검토하였다. 그리고 이론적 Stokes의 침전속도를 기본으로 한 침전지의 침전 효율을 비교 검토하였다.
1을 사용하였으며,11,12) 경계조건으로 입구에는 설계유량과 운영유량에 해당하는 질량유량 조건, 출구에는 대기압 조건을 적용하였으며, 벽면 조건으로는 no-slip condition을 적용하였다. 그리고 자유수면에 해당하는 부분은 slip condition을 적용하였다. CFD 모사 시 난류모델의 선정이 정확도를 좌우할 수 있으며, 통상 수처리 공정에 적용되는 난류모델은 선행 연구자들이 적용한 standardk-e 난류모델을 사용하였다.
]로 설정하였다. 또한, 후처리에서 시간 변화에 따른 출구영역의 무차원농도 및 입구에서 주입된 전체 tracer 양에 대한 출구에서 유출된 전체 tracer의 양을 백분율로 표현하였다.
본 연구에서는 D_정수장의 침전지를 대상으로 운영유량과 설계유량 조건에서의 수치해석 기법을 사용하여 유동 특성과 CFD 해석방법과 Stokes 이론적 방법에 의한 침전효율을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
상기 추적자 실험결과를 토대로 각 유출부로 나가는 추적자 농도양상을 이용하여 T10(추적자 양의 10%가 유출되는 시간), T50(추적자 양의 50%가 유출되는 시간), T90(추적자양의 90%가 유출되는 시간), Tp(최고치의 농도가 유출되는 시간)를 정리한 결과는 Table 3과 같다.
이에 본 연구에서는 설치 운영 중인 D_정수장의 장방형 침전지를 대상으로 설계유량과 운영 유량에 대하여 침전지의 유동특성 및 tracer 모의를 수행하였으며, 침전지의 유입 부로 유입되는 플럭을 입자로 가정하여 모사하는 Lagrangian 기법을 적용하여 침전지의 효율을 검토하였다. 그리고 이론적 Stokes의 침전속도를 기본으로 한 침전지의 침전 효율을 비교 검토하였다.
일반적으로 체류시간 분포에 대한 정보는 유입수에 추적자(tracer)를 유입시키고 유출수에서 추적자의 농도를 측정하는 추적자 시험을 통해 얻을 수 있다. 추적자의 농도를 시간에 따른 곡선을 그려 그 형태를 무차원화하여 추적자 곡선을 상대적으로 비교하였다. Tracer의 유출 양상을 이용하여 조 내의 plug flow와 mixing의 정도, 그리고 단락류의 정도 등의 수리학적 효율을 분석하는 방법에는 여러 가지가 알려져 있으나, 대표적으로 Index법과 Rebhun & Argaman법이 주로 사용되어지고 있으며 본 연구에서는 Table 2에 정의된 Index법을 사용하여 평가하였다.
침전 효율을 구하가 위하여, 침전지 입구에서 균일한 입자분포를 주입시켜 출구영역으로 나오는 입자의 수를 측정하여 계산하였다. 물과 입자 간에는 물에 의하여 입자가 영향을 받아 입자의 거동을 결정하는 one-way coupling method를 적용하였으며, 물속의 입자가 받는 항력의 영향을 고려하기 위하여 다음의 식 (2)의 Shiller Nauman drag force를 적용하였다.
대상 데이터
11,12) 그리고 벽면 근처와 작은 엣지(edge)에 대한 해상을 보다 정확하게 하기 위하여 조밀한 격자 분포를 적용하였다. 격자수는 2,680,000개 노드수(elements 12,032,000개)를 적용하여 수행하였다. 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.
침전지는 6지로 구성되어 있으며, 전단부의 응집지를 지나 침전지의 유출 트라프(trough)를 통해 유출된다. 해석 영역은 6지가 모두 같은 형상이므로 1지에 대하여 Fig. 2에 표시한 영역과 같이 응집지 출구부부터 침전지 트라프까지를 대상으로 하였다. Fig.
이론/모형
그리고 자유수면에 해당하는 부분은 slip condition을 적용하였다. CFD 모사 시 난류모델의 선정이 정확도를 좌우할 수 있으며, 통상 수처리 공정에 적용되는 난류모델은 선행 연구자들이 적용한 standardk-e 난류모델을 사용하였다.13,14)
Sedimentation efficiency 100% region according to the particle size and density using the stokes’s theory method.
Tracer의 유출 양상을 이용하여 조 내의 plug flow와 mixing의 정도, 그리고 단락류의 정도 등의 수리학적 효율을 분석하는 방법에는 여러 가지가 알려져 있으나, 대표적으로 Index법과 Rebhun & Argaman법이 주로 사용되어지고 있으며 본 연구에서는 Table 2에 정의된 Index법을 사용하여 평가하였다.
침전 효율을 구하가 위하여, 침전지 입구에서 균일한 입자분포를 주입시켜 출구영역으로 나오는 입자의 수를 측정하여 계산하였다. 물과 입자 간에는 물에 의하여 입자가 영향을 받아 입자의 거동을 결정하는 one-way coupling method를 적용하였으며, 물속의 입자가 받는 항력의 영향을 고려하기 위하여 다음의 식 (2)의 Shiller Nauman drag force를 적용하였다.11,12)
격자수는 2,680,000개 노드수(elements 12,032,000개)를 적용하여 수행하였다. 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.1을 사용하였으며,11,12) 경계조건으로 입구에는 설계유량과 운영유량에 해당하는 질량유량 조건, 출구에는 대기압 조건을 적용하였으며, 벽면 조건으로는 no-slip condition을 적용하였다. 그리고 자유수면에 해당하는 부분은 slip condition을 적용하였다.
성능/효과
Fig.7(a)에서 침전지의 유입부에서 유로방향으로 속도는 설계유량 10 m까지, 운영유량 5 m까지 점차적으로 감소하다가 27m까지는 일정한 속도분포가 나타났다. 27 m 이후 유로방향의 속도는 설계유량과 운영유량조건에 대하여 다시 선형적으로 감소하였다.
1) CFD 모사 결과로부터 운영유량과 설계유량 조건에서의 plug flow 영역의 유동특성이 나타나는 속도 값을 구할 수 있으며, 이 영역의 평균 속도값을 0.00193 m/s, 0.00417m/s로 각각 구할 수 있었다.
2) 운영유량과 설계유량조건의 tracer test 결과 β(유효접촉인자) 값은 각각 0.51, 0.46, Morrill Index값은 각각 6.05와 3.21, 단락류 Index는 0.54와 0.34로 나타났다.
3) CFD 해석방법과 Stokes 이론적 방법으로 도출한 침전효율은 침전지내의 하강류, 상승류등과 같은 유동특성의 영향까지 포함되는 CFD 해석방법이 동일 밀도를 가지는 입자에서 침전 효율 100%를 가지는 입자의 크기가 상대적으로 증가한다. 침전지 설계 시 선행적으로 침전효율까지 고려한 설계가 이루어져야 침전수의 수질향상이 증가할 것으로 판단된다.
Tracer 모의 결과를 Table 4와 같이 β(유효접촉인자), Morrill Index (T90/T10)와 단락류(Short circuiting) Index ((T50-TP)/T50)로 나타내었으며 운영유량, 시설유량의 β값은 각각 0.51, 0.46으로 나타났다.
6을 보면 침전지 입구에서 끝단으로 갈수록 유속은 감소하며 트라프 유출부의 영향으로 유출부에서 빠른 속도 영역이 나타나고 있음을 알 수 있다. 그리고 운영유량과 설계 유량 조건의 유속분포는 유사하게 발생하였으며, 설계 유량조건이 운영유량 조건보다 약 2배 많은 유입유량으로 설계유량 조건에서 약 2배 빠른 유속분포가 발생하였다.
입구측에서 설계유량의 속도분포가 상대적으로 빠른 유속영역이 확장된 것을 볼 수 있다. 그리고 운영유량과 설계유량 조건에서는 2배 빠른 유속의 차이를 보였으며, 유동특성은 두 조건에서 모두 유사한 경향을 보였다. Fig.
12과 같이 입자에 대한 침전효율이 100%되는 영역과 경계선을 나타낼 수 있다. 본 해석의 침전지 길이 57.3 m에 대하여 Fig. 8의 결과로부터 유로방향으로 속도가 변화하지 않는 plug flow 영역의 속도를 평균화한 값 0.00193 m/s(운영유량)와 0.004187 m/s(시설유량)에 대한 침전 효율 100%일 때의 입자크기 및 입자밀도에 대한 값을 이론적(분석적) 방법으로 도시화 할 수 있다. 입자의 크기가 150 micron보다 작고 밀도가 1100 kg/m3보다 적은 값을 가지는 경우 침전효율의 곡선은 급격하게 변화하며 입자의 크기가 150micron보다 크고 밀도가 1100 kg/m3보다 큰 경우 침전효율의 곡선은 완만하게 변화하는 것을 볼 수 있다.
27 m 이후 유로방향의 속도는 설계유량과 운영유량조건에 대하여 다시 선형적으로 감소하였다. 설계유량이 운영유량조건에 비해 2배 빠른 속도값을 가지며, 운영유량에 대하여 유사한 속도변화 특징이 나타났다. 그러나 속도가 일정한 부분은 유량이적은 운영유량조건에서 22 m 영역이 나타났다.
46으로 나타났다. 운영유량, 시설유량의 Morrill Index값은 각각 6.05와 3.21로 나타났으며, 운영유량, 시설유량의 단락류 Index는 0.54와 0.34로서 일반적으로 침전시 설계에서 요구되는 값을 만족하는 것으로 나타났다.
후속연구
4) 향후 CFD 해석기법에 의한 침전효율 경우 입자의 형태를 구형으로 가정하였으므로 다양한 입자의 형상 변화에 대하여 검토가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
침전공정은 무엇을 의미하는가?
침전공정은 수처리 공정 중 중력의 힘을 이용하여 고체와 액체를 분리하는 공정중의 하나이다. 그러나 침전지의 수리적 구조, 유량변동, 유출부 등 세부인자로 이루어져 있어서 국부적인 에너지의 소산, 단락류 및 밀도류, 사수부의 발생 등 복잡한 흐름 특성으로 수처리 효율이 만족스럽지 못한 경우가 자주 발생하며1,2) 세부인자의 형상에 의해 침전지내의 유동특성과과 침전효율이 크게 좌우 되는 것으로 알려져 있다.
침전공정의 한계점은 무엇인가?
침전공정은 수처리 공정 중 중력의 힘을 이용하여 고체와 액체를 분리하는 공정중의 하나이다. 그러나 침전지의 수리적 구조, 유량변동, 유출부 등 세부인자로 이루어져 있어서 국부적인 에너지의 소산, 단락류 및 밀도류, 사수부의 발생 등 복잡한 흐름 특성으로 수처리 효율이 만족스럽지 못한 경우가 자주 발생하며1,2) 세부인자의 형상에 의해 침전지내의 유동특성과과 침전효율이 크게 좌우 되는 것으로 알려져 있다.3) 많은 연구자들이 침전지의 유동특성과 침전효율을 예측하기 위한 수치모형을 개발하였다.
많은 연구자들이 수치모형을 개발한 이유는 무엇인가?
그러나 침전지의 수리적 구조, 유량변동, 유출부 등 세부인자로 이루어져 있어서 국부적인 에너지의 소산, 단락류 및 밀도류, 사수부의 발생 등 복잡한 흐름 특성으로 수처리 효율이 만족스럽지 못한 경우가 자주 발생하며1,2) 세부인자의 형상에 의해 침전지내의 유동특성과과 침전효율이 크게 좌우 되는 것으로 알려져 있다.3) 많은 연구자들이 침전지의 유동특성과 침전효율을 예측하기 위한 수치모형을 개발하였다. 4~6) Computational Fluid Dynamics (CFD, 전산유체역학)를 이용하여 다양한 조건에서 침전지내의 유동특성을 예측하였으며7) 침전지에 관한 실험적 연구로는 Acoustic Doppler Velocimeter (ADV)를 이용하여 정방형 모형 침전지에 대해 유속과 난류 성분을 측정하였다.
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