[논문]응집효율 향상을 위한 수직형 교반기의 유동특성 연구

김진훈; 박종호

doi:10.5293/kfma.2005.8.3.033

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The optimum condition is defined as one that best suits the purpose of flocculation; the number of small particles should decrease, while that of large particles should increase. The object of this research was to develop a new impeller and substitute for conventional flocculators. The flow characte...

The optimum condition is defined as one that best suits the purpose of flocculation; the number of small particles should decrease, while that of large particles should increase. The object of this research was to develop a new impeller and substitute for conventional flocculators. The flow characteristics of turbines and hydrofoil type flocculators in turbulent fluids were observed using a standard $k-{\epsilon}$ Model and a computational fluid dynamics (CFD) simulation program-FLUENT. The experiments were performed to compare PBT(Pitched Blade Turbine) flocculator with twisted hydrofoil type flocculators for velocity distribution, and floe formation at conventional water treatment plants in Korea. As a result of the CED solution, twisted hydrofoil types are similar to hydrofoil flocculators for flow characteristics without regard to the twisted angle, On the other hand, it was established that turbine flocculators are greater than hydrofoil flocculators with flow unevenness and dead zone formation. Twisted hydrofoil type-II (Angle $15{\sim}20^{\circ}$) is the most proper impeller for water flocculation from this point of view with a decreasing the dead zone, maintaining of the equivalent energy distribution and a drawing up of the sedimentation substance from the bottom of the flocculation basin.

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문제 정의

본 연구에서는 수처리응집지에 사용되는 hydrofoil type (39O 절곡된 형태의 임펠라)의 성능 비교를 위해 turbine type flocculator의 각 형식별 유동특성과 상호 비교함으로써 hydrofoil floccula- tor의 특장을 분석하였다. 또한 hydrofoil type과 비교하여 동등이상의 성능을 발휘할 수 있는 응집기를 개발하기 위하여 절곡이 아닌 여러 각도의 비틀림각을 준 임펠라에 대하여 수치 해석 (상용유동해석 프로그램 Fluent 사용)하고 기존의 hydrofoil type 및 turbine type flocculator에 대하여 비교 검토하였다 ⑺

제안 방법

FBT는 회전축과 동일한 각이고, PBT는 회전축에 대해 45°, hydrofoil typee 임펠라 적정 지점에서부터 10° 간격으로 절곡을 하였다. Twisted Hydrofoil typee 비틀림각을 세 가지 (10 ~ 15°, 15 ~ 20', 20 ~ 25°)경우로 두고 해석하여 적정 비틀림각을 조사하였다, Hydrofoil type의 임펠라각은 현재 가장 많이 사용되고 있는 39°로 하였다.
Hydrofoil type을 대체할 수 있는 응집기를 개발하기 위하여 turbine type flocculator와 twisted hydrofoil type의 유동특성을 수치해석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 수처리응집지에 사용되는 hydrofoil type (39O 절곡된 형태의 임펠라)의 성능 비교를 위해 turbine type flocculator의 각 형식별 유동특성과 상호 비교함으로써 hydrofoil floccula- tor의 특장을 분석하였다. 또한 hydrofoil type과 비교하여 동등이상의 성능을 발휘할 수 있는 응집기를 개발하기 위하여 절곡이 아닌 여러 각도의 비틀림각을 준 임펠라에 대하여 수치 해석 (상용유동해석 프로그램 Fluent 사용)하고 기존의 hydrofoil type 및 turbine type flocculator에 대하여 비교 검토하였다 ⑺
임펠라 형상에 따른 특성 비교를 중점적으로 해석하기 위해 지(池)의 입구와 출구가 없는 밀폐형으로 임펠라에 의한 유동의 영향만을 고려하였다. 수치 해석 대상의 임펠라는 Flat Blade Type (FBT), Pitch Blade type (PBT), hydrofoil type과 이들을 비교 대상으로 하여 비틀림 각 (Twist Angle) 을 준 이른바 twisted hydrofoil type이다.

대상 데이터

임펠라 형상에 따른 특성 비교를 중점적으로 해석하기 위해 지(池)의 입구와 출구가 없는 밀폐형으로 임펠라에 의한 유동의 영향만을 고려하였다. 수치 해석 대상의 임펠라는 Flat Blade Type (FBT), Pitch Blade type (PBT), hydrofoil type과 이들을 비교 대상으로 하여 비틀림 각 (Twist Angle) 을 준 이른바 twisted hydrofoil type이다.

이론/모형

난류 모델링에는 속도와 압력에 대하여 시간 평균값을 취한 식 (20)에 나타낸 바와 같이 RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식을 이용하였다. (Fluent Inc.
난류모델로서 A: — e 모델을 적용하였으며 난류확산계수 % 특성길이 Ze (21), (22)에서 구한다.

성능/효과

Pitch blade typee flat blade type 에 비하여 유동력은 크게 증가되었고 축방향 흐름이 유동의 주 류를 형성하고 있으나 Fig. 7 (a) vertical section 에서 보듯이 지(池)의 중간부분에서 사구역 발생이 심하고 임펠라 끝단과 주변의 속도차가 더 크다는 것을 알 수 있으며 임펠라의 최대속도와 최저속도에 의한 전단력이 임펠라 tip부근에서 발생되며 유체입자가 이탈될 때 플록이 깨짐이 증가한다. Fig.
1. 수치해석 결과 twisted hydrofoil typee 비틀림 각도에 관계없이 hydrofoil type과 유사한 유동분포를 나타냈으나 turbine type flo- cculatore 유동 불균일 및 사구역 발생이 크게 나타났다.
2. Twisted hydrofoil type 중에서 사구역 (dead zone)을 줄이고 침전물을 끌어올려 더욱 더 큰 플럭을 형성하며 지(池)내의 에너지 분포를 고르게 할 수 있는 형식으로 비틀림 각 (twist angle)0] 15~20°인 type - I[가 응집용으로 가장 효과적이다.
3. Twisted hydrofoil type 임펠라도 수처리 응집용으로 양호한 것으로 확인 되었다.
비틀림 각도별 twisted hydrofoil type을 분석한 결과 축방향 유동대칭성, 사구역 발생정도, 유동력 전달능력 및 지(池) 내의 유속 균일도를 검토한 결과 비틀림각이 15~20°인 type - II가 가장 우 수하였다.

참고문헌 (9)

Amirtharajah A. and O'Melia, C. R., 1990, 'Coagulation process : destabilization, mixing and flocculation in Water Quality and Treatment', 4th Ed., McGraw- Hill, NY
한국수자원공사, 1998, '제1회 수도설계 전문가 Workshop : 혼화 및 응집분야'
Kawamura. S., 1991, 'Integrated Design of Water Treatment Facilities. John Wiley & Sons', INC
Kawamura, S., 1996, 'Optimisation of basic water-treatment processes design and operation : coagulation and flocculation', J.Water SRT, 45(1), pp. 35-47
최영석, 이재환, 김상일, 2000, '날개 형상이 프로펠러형 수중믹서의 성능에 미치는 영향에 관한 수치적 연구'
한국수자원공사, '정수장 자동화 및 정수 관련 기자재의 개발'
송길섭, 오석영, 오정진, 2002, '혼합탱크내의 임펠라 형태에 따른 유동 특성에 관한 수치해석'
ATES, FLUENT Basic Training I
M. Yasuhara & H.Daiguji, 2002, '수치유체역학 기초와 응용', 원기술

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