[논문]기포펌프의 형상 및 작동 조건에 따른 전산유동해석

강건한; 김성초; 최종욱

doi:10.5407/jksv.2020.18.2.018

기포펌프의 형상 및 작동 조건에 따른 전산유동해석
Computational Flow Analysis with Geometric and Operating Conditions of Air Lift Pump 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.18 no.2, 2020년, pp.18 - 27

강건한 (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Sunchon National University) , 김성초 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Sunchon National University) , 최종욱 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Sunchon National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Air lift pump operated by buoyancy is mainly used for the continuous circulation and the purification of fluids. In this study, the computational flow analysis has been performed with the geometric and operating conditions of the air lift pump. The numerical data from the analysis have been verified by comparing with the previous experimental data. The following results are obtained which advance the efficiency of the air lift pump. As the submergence length of pipe increases and the pipe length over the water surface decreases, the non-dimensional mass flow ratio increases in both cases. When the position of the air injection hole is within the pipe, the circulation range of the surrounding fluid becomes widened with the distance between the air injection hole and the pipe inlet relatively becoming narrower. It is more efficient both when the air injection velocity is at 10 m/s and at 15 m/s, and when the diameter of the pipe with holes is doubled near the water surface. It is expected that these results can be provided as fundamental data for operating the air lift pump.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Geometry and grid generation of air lift pump
$Fig. 2. Air volume fraction in air lift pump$ 그림 Fig. 2. Air volume fraction in air lift pump
그림 Fig. 3. Velocity distributions at cross section of pipe from 0 m to 0.75 m based on air injection hole
그림 Fig. 4. Velocity distributions at cross section of pipe from -0.2 m to 0.4 m based on free surface
그림 Fig. 5. Comparison between experimental and numerical results
그림 Fig. 6. Dimensionless mass flow ratio with submergence length
그림 Fig. 7. Flow patterns with lengths between air inlet and pipe inlet
그림 Fig. 8. Dimensionless mass flow ratio with pipe length over free surface
그림 Fig. 9. Dimensionless mass flow ratio with pipe length over free surface and submergence length
그림 Fig. 10. Mass flow rate of water with air injection velocity
그림 Fig. 11. Dimensionless mass flow ratio with air injection velocity
그림 Fig. 12. Flow deviation with time
그림 Fig. 13. Pressure distributions with diameter of air lift pump
그림 Fig. 14. Dimensionless mass flow ratio with air injection velocity at nozzle and normal pipes
$Fig. 15. Pressure distributions and volume fractions at various pipe shapes$ 그림 Fig. 15. Pressure distributions and volume fractions at various pipe shapes
그림 Fig. 16. Three geometries of pipe in air lift pump
$Fig. 17. Air volume fraction around pipe with hole and baffle$ 그림 Fig. 17. Air volume fraction around pipe with hole and baffle
그림 Fig. 18. Dimensionless mass flow ratio with air injection velocity at various pipe shapes

AI 본문요약
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문제 정의

유체의 순환을 안정적이고 지속적으로 유지시키기 위한 목적으로, 기포펌프에 대한 전산유동 해석을 수행하였다. 그 결과 기포펌프의 형상과 작동조건에 대하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
이 연구에서는 유체 순환을 안정적이고 지속적으로 유지시킬 수 있는 기포펌프의 형상 및 작동 조건을 도출하는 것이다. 이를 위하여, 1) 수면을 기준으로 침수길이에 따른 무차원 유량비, 2) 공기 분사구와 파이프 입구 사이의 거리에 따른 유체 순환 범위, 3) 수면 위의 파이프 길이에 따른 무차원 유량비, 4) 공기 분사 속도에 따른 무차원 유량비, 5) 파이프의 직경에 따른 압력분포, 6) 수면 근처 파이프 외벽의 형태에 따른 무차원 유량비를 전산유동해석을 통하여 각각 구하였다.

제안 방법

이 연구에서는 유체 순환을 안정적이고 지속적으로 유지시킬 수 있는 기포펌프의 형상 및 작동 조건을 도출하는 것이다. 이를 위하여, 1) 수면을 기준으로 침수길이에 따른 무차원 유량비, 2) 공기 분사구와 파이프 입구 사이의 거리에 따른 유체 순환 범위, 3) 수면 위의 파이프 길이에 따른 무차원 유량비, 4) 공기 분사 속도에 따른 무차원 유량비, 5) 파이프의 직경에 따른 압력분포, 6) 수면 근처 파이프 외벽의 형태에 따른 무차원 유량비를 전산유동해석을 통하여 각각 구하였다.
등은 기포펌프의 성능을 예측하기 위하여, 운동량방정식으로부터 기본식을 유도하고, 실험값과 비교하였다. 그리고, 기포펌프에 대한 분명한 이해를 위하여, 파이프 효율과 이상(ideal) 배출 효율로 구분하여 나타내었다. Khalil⁽⁵⁾ 등은 공기 분사 방법이 기포펌프 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다.
수면 근처 파이프의 홀(hole) 유무에 따른 영향을 알아보기 위하여, Fig. 16과 같이 3개의 형상에 대하여 전산유동해석을 수행한다. 여기서, 침수길이는 0.
수면과 파이프 입구(pipe in) 및 출구(pipe out)에 유량을 확인할 수 있는 경계조건을 설정하여, 순환하는 물의 유량을 확인하고, 기포펌프의 토출 유량을 계산한다. 격자는 속도 구배가 큰 구간에서는 조밀하게 구성하며, 격자 수는 계산모델에 따라 다르지만, 축 방향 1 m 길이를 기준으로 약 500,000개로 생성한다.
이 연구에서는 기포펌프의 형상 및 작동조건에 따라 6가지 경우로 구분하여, 전산유동해석을 수행한다. 기포펌프에 대한 기준 형상은 파이프 직경 100 mm, 파이프 길이 1 m, 공기 분사구직경 14 mm, 공기 분사 속도 5 m/s이다.
기포펌프가 충분한 효용성을 갖기 위해서는 파이프 입구로 유입되는 유동의 범위가 넓을수록 유용하다. 이를 알아보기 위하여, Fig. 7과 같이 공기 분사구 기준으로 파이프 입구와의 거리를 125 mm, 50 mm, -50 mm, -125 mm로 각각 설정한 후 전산유동해석을 수행한다. 여기서, 침수길이는 앞 절에서 구한 최소 침수길이인 0.

대상 데이터

7(b) 50 mm의 경우보다 유체 순환의 범위가 작게 나타난다. 최종적으로 유체 순환 범위와 역류 현상을 고려하여, 공기 분사구와 파이프 입구의 거리를 50 mm로 선정한다.

이론/모형

기포펌프에 대한 수치해석 결과를 검증하기 위하여, Khalil⁽⁵⁾ 등의 연구와 동일한 조건으로 전산유동해석을 수행한다. 분사된 공기에 의한 기포펌프내 체적분율은 Fig.
기포펌프에 대한 전산유동해석은 상용 프로그램인 ANSYS FLUENT(release 14.0)를 사용한다. 또한, 기체상(공기)과 액체상(물)으로 구성된 2상 유동에 대한 수치해석에는 VOF(volume of fluid) 방법을 적용한다.
0)를 사용한다. 또한, 기체상(공기)과 액체상(물)으로 구성된 2상 유동에 대한 수치해석에는 VOF(volume of fluid) 방법을 적용한다. 지배방정식⁽⁷⁾은 식(1)∼식(3)과 같으며, 식(1)은 연속방정식, 식(2)는 VOF 방법에 따라 액체상과 기체상의 체적분율(volume fraction)의 합이 1이 됨을 나타내는 식이다.

성능/효과

1) 기포펌프는 부력에 의하여 작동하는 관계로, 침수길이가 증가할수록 무차원 유량비는 증가한다.
2초 동안 기록하고, 이러한 유량 값을 한 주기의 유량 값으로 빼고 나누어 준다. 10 m/s의 속도에서 상대적으로 큰 진폭과 안정적인 주기를 보이며, 진폭과 주기가 안정적인 점에서 플러딩 현상에 의한 유량 손실이 가장 작게 나타난 것으로 예측할 수 있다. 참고로, 편차가 (+)이면 파이프 단면에서 상대적으로 물의 유량이 많다는 것을 의미하며, 편차가 (-)이면 공기 유량이 많다는 것을 의미한다.
2) 공기 분사구와 파이프 입구 사이의 거리가 상대적으로 짧고, 공기분사구가 파이프내에 있는 경우 주변 유체의 순환 범위가 넓어진다.
3) 수면 위의 파이프 길이가 0 m인 경우 무차원 유량비가 가장 높으나, 현실적인 운용을 위해서 적절한 길이가 필요하다.
4) 효율적인 무차원 유량비를 얻기 위한 공기 분사 속도는 약 10 m/s∼15m/s이다.
5) 수면 근처 파이프의 직경이 일반 파이프 직경의 2배가 되면, 파이프 내의 압력분포가 낮게 나타나 일반 파이프보다 더 효율적이다.
6) 수면 근처 파이프 외벽에 홀이 있는 경우, 공기 분사 유량이 증가하면 무차원 유량비가 증가한다.
Khalil⁽⁵⁾ 등은 공기 분사 방법이 기포펌프 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 그 결과, 3개의 분사 홀(hole)과 0.75의 침수비(submergence ratio)를 갖는 경우에서 효율이 가장 높게 나타났다. Li⁽⁶⁾ 등은 소형 기포펌프의 성능평가 및 기초 데이터를 얻기 위하여, 수치해석을 이용하여 실험값과 비교하였다.
25 m이고, 침수길이가 2 m에서의 무차원 유량비(빨간색 직선)보다 약 2배 가까이 높게 나타난다. 즉, 부력의 영향으로 수면 위의 파이프 길이가 수면 아래 침수길이보다 기포펌프에 더 큰 영향을 주는 것으로 나타난다.
Li⁽⁶⁾ 등은 소형 기포펌프의 성능평가 및 기초 데이터를 얻기 위하여, 수치해석을 이용하여 실험값과 비교하였다. 침수비가 0.5 미만에서 정확도가 높게 나타났으며, 공기 유량이 많을 때 수직 상승 점에서 불안정한 유동을 보였다.

후속연구

이 연구에서 수행한 전산유동해석 결과는 기포펌프를 제작하고 운용하는데, 기초적인 데이터로 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 다양한 기포펌프에 대하여 범용적인 데이터를 얻는 연구를 수행할 계획이다.
이 연구에서 수행한 전산유동해석 결과는 기포펌프를 제작하고 운용하는데, 기초적인 데이터로 사용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 다양한 기포펌프에 대하여 범용적인 데이터를 얻는 연구를 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기포펌프의 토출 유량에 영향을 주는 인자는 무엇인가?	기포펌프는 유체에 대한 직접적인 운동이 없기 때문에 효율이 낮고 유량이 제한적이다. 기포펌프의 토출 유량에 영향을 주는 요인으로는, 형상적인 측면에서 파이프의 직경과 길이가 있으며, 역학적인 측면에서 유동의 형태와 기체의 부력 및 속도가 있다.(2) 그리고, 기포펌프에서 기체상과 액체상 사이의 운동량 차이로 인하여, 경계면에서 플러딩(flooding) 현상이 나타난다.
	기포펌프는 어떠한 단점을 가지는가?	기포펌프는 유체에 대한 직접적인 운동이 없기 때문에 효율이 낮고 유량이 제한적이다. 기포펌프의 토출 유량에 영향을 주는 요인으로는, 형상적인 측면에서 파이프의 직경과 길이가 있으며, 역학적인 측면에서 유동의 형태와 기체의 부력 및 속도가 있다.
	기포펌프는 어떠한 목적으로 사용되는가?	기포펌프는 분사펌프의 한 종류로 일반펌프와 다르게 유체의 점성저항에 의한 파손이나 발열이 거의 발생하지 않는다. 이러한 이유로 작은 동력으로 오랜 시간 작동이 가능하여, 유체의 지속적인 순환이나 정화가 필요한 곳에 사용된다. 또한, 기체상과 액체상으로 이루어진 2상 유동을 갖는 기포펌프는 다른 액체와 고체도 함께 운반이 가능하다.

참고문헌 (7)

Lee, C. H., Park, J. W., and Ahn, K. H., 2014, "Micro-Bubble Generating Properties on Gas/Liquid Flow Rate Ratio with Sludge Flotation/ Thickening Apparatus," Journal of Environmental Science International, Vol.23(1), pp.97-104.

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Kim, S. H., Sohn, C. H., and Hwang, J. Y., 2013, "Experimental Study of Performance and Bubble Pattern of Air-Lift Pumps with Various Tube Diameters and Submergence Ratio," Transactions of the Korean Society Mechanical Engineers-B, Vol.37(9), pp.837-845.

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Lee, B. R., Jang, Y. J., Ko, M. S., Lee, B. A., Lee, Y. G., and Kim, S., 2013, "Vertical Upward Air-Water Two-Phase Flow Regime Identification," Journal of Energy Engineering, Vol.22(4), pp.362-369.

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Todoroki, I., Sato, Y., and Honda, T., 1973, "Performance of Air-Lift Pump," Bulletin of the JSME, Vol.16(94), pp.733-741.

상세보기
Khalil, M. F., Elshorbagy, K.A., Kassab, S. Z., and Fahmy, R. I., 1999, "Effect of Air Injection Method on the Performance of an Air Lift Pump," International Journal of Heat and Fluid Flow Vol.20, pp.598-604.

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Li, X. S., Jeong, H. M., and Chung, H. S., 2012, "CFD Modeling of Unsteady Gas-Liquid Flow in a Small Scale Air-Lift Pump," Journal of the Korean Society for Power System Engineering, Vol.16(1), pp.30-37.

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Kim, Y. C., Choi, J. W., and Kim, S. C., 2015, "Analysis of Heat Transfer Performance with Aspect and Filling Ratios in Thermosyphon," Journal of Computational Fluids Engineering, Vol.20(1), pp.92-98.

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저자의 다른 논문 :

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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