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1 한국도시환경학회지제 9 권 1 호 65 ~ 72 ( ) Journal of Korean Society of Urban Environment 전산유체역학을이용한 Hydrocylone 의입자물질제거효율해석 이준호 방기웅 * 충주대학교환경공학부 한밭대학교토목 환경 도시공학부 * Analysis of Particle Trap Efficiency for Hydrocyclone using Computational Fluid Dynamics Jun-Ho Lee Ki-Woong Bang * Department of Environmental Engineering, Chungju National University Division of Civil, Environment and Urban Engineering, Hanbat National University * ABSTRACT Hydrocyclones are widely used as a separator apparatus for solid liquid flows, because of their simple structure and low cost. The particle velocity distribution and particle tracking have been simulated using computational fluid dynamics (CFD) k-epsilon turbulent model and compared with the laboratory scale hydrocyclone experimental results. It is well known that the solid removal efficiency depends on operation related to flow rate, particle size distribution of the feed and also on the geometry of hydrocyclone and underflow ratio to overflow. In recent years, a many research groups focused on the simulation of flow field and particle tracking within hydrocyclone using CFD and have become increasingly applied. This work simulated the particle velocity tracking pattern to efficiency prediction in a hydrocyclone. The flow field and particle traking of the hydrocyclone was simulated with commercial CFD code Fluent The CFD simulated the velocity field and particle tracking will be useful tool to analysis the behavior of particles in the hydrocyclone. Key Words : Hydrocyclone, Road Sediment, Computational Fluid Dynamics Ⅰ. 서론 Hydrocyclone 은높은수면적부하율에서운전이가능하고, 구동부분이없고, 운전및유지 관리비가적게소요되므로입자물질제거에효과적인장치로다양한산업분야에서활용되고있다 (Gupta 등, 2007). 현재까지전세계적으로개발된다양한형태의 Hydrocyclone 이있지 Corresponding author : jlee@cjnu.ac.kr 65

2 한국도시환경학회지 만기본적인처리원리는고형물질을회전류 (vortex) 를주어고액분리시킨다는점에서모두유사한특징을가진다 (Field 등, 1996). Hydrocyclone 본체와유입, 유출부, vortex finder 등내부구조의변화에따른처리효율특성분석을위해모형장치를제작하여수리실험을통해개선및개량을시도하였다. Hydrocyclone 내부구조변경과그효과를분석함에상당히많은비용과시간이요구되고있는실정이다. Hydrocyclone 구조, 처리대상물질의입경과비중, 처리유량, 하부배출유량의변화등에따른처리효율을정확히예측하여설계할수있는기법의개발이필요한실정이다. Hydrocyclone 설계시처리효율을사전에예측하기위한가장적합한기술은전산유체역학 (computational fluid dynamics, CFD) 활용한유체유동및입자거동분석기법이다 (Fluent, 2008 ; Faram 등, 2002). Faram 등 (2002) 은 CFD 프로그램인 Fluent 를활용하여 vortex, gully pot에서강우시입자의궤적을모의하였고, 입경별처리능을분석하였다. 처리대상물질의입경과밀도그리고유입유량을경계조건으로하여다양한형태의처리장치들의처리효율을분석한결과 vortex 유형이미세입자를제거하는데가장효과적인것으로보고하였다. Pandit 등 (2009) 은침전조에서제거되지않는미세입자물질이수력발전소의기계장치및부속품에손상발생을저감시키기위한방안으로 hydrocyclone 을적용하였다. Hydrocyclone 유입부에서발생하는단회로현상을줄이기위해유입부를 10 경사지도록하였다. Neru 등 (2008) 은 2개유입부를가진 hydrocyclone 에서유입유량비의변화에따른처리특성을분석하였는데 2차유입부를적용시추가된유량에의해입자에각속도를증가시켜제거효율이증가한다고보고하였다. 이외에도 CFD를이용하여 hydrocyclone 내유체와입자거동을분석하려고시도한연구도다수있다 (Bergstrom 등, 2007 ; Drumm 등, 2006 ; Lim 등, 2002 ; Narasimha, 2005 ; Puprasert 2004). 본연구에서는 hydrocyclone 의유입부를 2개설치하여처리유량및처리대상입경, 하부배출유량비의변화에따른입자제거특성을 CFD 입자추적 (particle tracking) 기법을이용하여예측하였고실제모형실험결과와비교분석하였다. Ⅱ. 실험방법 1. Hydrocyclone 장치구조 Neru 등 (2008) 은 hydrocyclone 의유입부를 1개, 2개지점으로설치하였을경우처리효율을비교한바있다. 유입지점을 2개로하였을경우추가유량으로인하여입자의각속도가증가되어입자제거효율이향상된다고보고하였다. 본연구에서도강우유출수처리를위한방안으로 2개유입지점이있는 hydrocyclone 를제작하여입자제거특성을분석하였고 CFD 모의에의한입자제거효율과비교분석하였다. 처리장치의구조는 Fig. 1과같이내경이 10 cm, 높이 45 cm인아크릴재질로제작하였다. 장치의구성은 hydrocyclone 본체, 유입수주입펌프, 유입 유출수시료채수밸브, 입자물질주입펌프및밸 Fig. 1. Two side inlet type of hydrocyclone. 66

전산유체역학을이용한 Hydrocylone 의입자물질제거효율해석 : 이준호 방기웅 Fig. 2. Laboratory scale of hydrocyclone system. 브, 유입수와유출수를동시에저류하는저류조, 시료혼합용교반기등이다. Hydrocyclone 유입부는밸브조작을통하여 1개또는 2개씩운전이가능하도록하였다. Fig. 2는제작된 hydrocyclone 구성도를나타낸것이다.

3 전산유체역학을이용한 Hydrocylone 의입자물질제거효율해석 : 이준호 방기웅 Fig. 2. Laboratory scale of hydrocyclone system. 브, 유입수와유출수를동시에저류하는저류조, 시료혼합용교반기등이다. Hydrocyclone 유입부는밸브조작을통하여 1개또는 2개씩운전이가능하도록하였다. Fig. 2는제작된 hydrocyclone 구성도를나타낸것이다. 리효율을예측할수있도록 Fluent 사의 Gambit 2.4.6과 FLUENT CFD프로그램을이용하였다. Hydrocyclone 유입부를단일 (one side), 이중 (two side) 유입부로구분하여모의하였다. Hydrocyclone 장치는직경 10 cm, 높이 45 cm로하였고 cell수는 186,200 개, 체적은 3.53 L로모의하였다. 유체는물로하였으며밀도는 kg/m 3, 점도는 kg/m/sec 이다. Residual convergence 기준값은 10-4 로설정하고 50회씩 iteration 을실시하였다. Iteration 후유입과유출유량과의차이는 L/sec 이하고산정하였다. 선회흐름내에서의입자추적은 Lagrangian 함수를이용하여이산상궤적 (discrete phase trajectory) 을계산하는데, 관성, 수리동역학적마찰력, 중력등이포함된다. 입자에대한운동량방정식은다음식 (1) 과같다 (Fluent 2008). du p dt = F D (u-u p )+ g x(ρ p -ρ) ρ p +F x (1) 2. 처리대상입자물질및분석방법처리대상은비중이 1.7, 입경이 300~500 μm인구형이온교환수지입자를대상으로하였다. 유입수시료는시료혼합저류조에서펌프를통해주입된관에서밸브를조작하여관과밸브에퇴적된입자들을제거후채수하였다. 유출수는 500 ml 시료용기를이용하여채수하였고시간을측정하여유량을산정하였다. 하부배출유량은 hydrocyclone 하단밸브를단계별로유량을조작하여유량측정및하부배출시료를채수하였다. 유입수와유출수, 하부배출수를대상으로 SS 성분을분석하였다. 3. Hydrocyclone CFD모의 Hydrocyclone 유속장및입자추적을통한처 여기서, u는유체속도이고 u p 는입자속도, μ는유체의점성계수, ρ는유체밀도, ρ p 는입자밀도이다. F x x는단위입자질량당힘이며, F D (u-u p ) 은단위입자질량당마찰력이다. Ⅲ. 결과및고찰 1. Hydrocyclone 모형실험결과 Hydrocyclone 모형실험을통하여이온교환수지를대상으로하부배출유량비의변화에대한처리능을분석한결과를 Table 1에요약하였다. One side inlet 유형의경우유량을 29.3~54.0 m 3 /day( 평균 37.8 m 3 /day) 의운전조건에서입자제거효율은 97.1~98.5%( 평균 97.9%) 로나타 67

4 한국도시환경학회지 났다. Two side inlet 유형의경우유량을 21.1~48.0 m 3 /day ( 평균 40.0 m 3 /day) 의운전조건에서입자제거효율은 98.1~98.9%( 평균 98.3%) 로 Two side inlet 유형이입자제거효율이다소높게나타났다. Fig. 3은두가지유형의유입부형태별 hydrocyclone 운전시간에따른유입수농도와유출수농도를나타낸것이다. One side inlet 유형의경우유입수농도변화로유사한경향으로유출수농도가변동되는것을나타낸다. Two side inlet 유형의경우에는운전시간 5분까지는유입수농도가유출수농도에영향을주지않는것으로나타났고, 이후에는유사한변동특성을나타내었다. 수면적부하율변화에대한 hydrocyclone 유형별처리효율을 Fig. 4에나타내었다. 수면적부하율이증가함에따라처리효율도완만하게감소하는경향을나타내었다. Fig. 3. Variation of influent and effluent concentration according to operation time for two types of hydrocyclone. Table 1. Summary of particle trap efficiency ranges and operation for ion exchanger bead One side inlet type Range Influent Effluent Underflow SS(mg/L) Q(m 3 /day) SS(mg/L) E (SS)% Q(m 3 /day) Q u Q o + Q u ( 100%) Min 1, Max 2, Mean 1, Two side inlet type Range Influent Effluent Underflow SS(mg/L) Q(m 3 /day) SS(mg/L) E (SS)% Q(m 3 /day) Q u Q o + Q u ( 100%) Min Max 1, Mean 1,

5 전산유체역학을이용한 Hydrocylone 의입자물질제거효율해석 : 이준호 방기웅 FLUENT 6.3 난류모델인 RNG k-epsion model 을 HDS에적용한결과는 Fig. 6과같다. One side inlet 유형의경우유입부에서 180 지점에서유속이빠르며, Two side inlet 유형은각각의유입부지점에서유속이빠른것을나타낸다. Fig. 7은유형별 hydrocyclone 별유속백터장을나타낸것이다. Fig. 4. SS trap efficiency as a function of surface loading rate. 유입유량에대한하부배출유량비 ( Q u /(Q o + Q u )) 를 0% 에서 28.3% 까지총 10단계로나누어 SS제거특성을분석하였다. Fig. 5에서와같이하부배출유량이약 8% 이상이되면처리효율에미치는영향은미미한것으로분석된다. (a) one side inlet type Fig. 5. The relationship between the percent of underflow rate and SS trap efficiency. 2. CFD 에의한유속장분포 경계조건으로모형실험에적용한평균유량인 40 L/sec, Q u /(Q o +Q u ) 비는 10% 로하고, (b) two side inlet type Fig. 6. Sectional and axial contours of vector magnitude. 69

한국도시환경학회지 (a) one side inlet type (a) one side inlet type (b) two side inlet type Fig. 7.

유입수유량변동에따른입자제거효율예측 Fluent CFD모델에입자를 hydrocyclone에직각으로유입부 (surface) 에균일하게주입하는경계조건을부여하여입자의거동을예측하였다.

Two side inlet 의경우입자궤적이 hydrocyclone 내부상단부분에서강한선회류 (vortex) 를유지하였는데, 이는모형실험에서나타난현상과유사한경향을나타내었다.

6 한국도시환경학회지 (a) one side inlet type (a) one side inlet type (b) two side inlet type Fig. 7. Distribution of velocity vectors for two type hydrocyclone. 3. 유입수유량변동에따른입자제거효율예측 Fluent CFD모델에입자를 hydrocyclone에직각으로유입부 (surface) 에균일하게주입하는경계조건을부여하여입자의거동을예측하였다. 모의입자는 300 μm입경을가진 anthracite 로하였다. 유입부유형별입자추적의결과는 Fig. 5와같다. Two side inlet 의경우입자궤적이 hydrocyclone 내부상단부분에서강한선회류 (vortex) 를유지하였는데, 이는모형실험에서나타난현상과유사한경향을나타내었다. Fig. 8은모형실험시 hydrocyclone 내부상단에모습을나타낸것이다. CFD 입자추적을통하여처리효율은다음식 (2) 를이용하여산정 (b) two side inlet type (c) lab scale model test Fig. 8. Results of hydrocyclone particle tracking. 70

7 전산유체역학을이용한 Hydrocylone 의입자물질제거효율해석 : 이준호 방기웅 하였는데, hydrocyclone 에주입한입자수에대한하부배출에의해회수된입자수의비율이다. Trap Efficiency = Νumber of Traped Particle Νumber of Injected Particle (2) 수면적부하율변동에따른 SS제거효율을 CFD 입자추적모의를통해산정한결과를 Fig. 8에나타내었다. CFD로예측한 SS제거효율은모형실험결과인 Fig. 4와비교하여측정값보다낮게산정되었지만수면적부하율증가에대한처리효율감소경향은유사하게나타났다. (1) 모형실험결과 Two side inlet 유형 hydrocyclone 경우가 One side inlet 보다입자제거효율이다소높게나타났다. (2) Two side inlet 유형 hydrocyclone의처리성능에유입수농도영향을적게받는다. (3) 하부배출유량이증가하면처리효율이다소증가하지만하부배출유량비가약 8% 이상일경우그영향은없어진다. (4) FD모의결과 One side inlet 유형의경우유입부에서 180 지점에서유속이빠르며, Two side inlet 유형은각각의유입부지점에서유속이빠르게나타난다. (5) CFD 입자추적을통해제거효율을예측한결과는실측값보다낮게산정되었지만수면적부하율증가에대한처리효율감소경향은유사하게모의할수있었다. (6) CFD 모의기법은 hydrocyclone 유형의구조변화에따른사전에효율을예측하여적합한구조를설계할수있는도구로활용될수있다. 사사 이논문은 2009 년충주대학교교내학술연구비의지원을받아수행한연구임 Fig. 9. The relationship between the surface loading rate and SS removal efficiency using CFD particle tracking. 참고문헌 Ⅳ. 결론 Hydrocyclone 의유입부를 One side, Two side로하여처리유량및대상입경, 하부배출유량비의변화에따른입자제거특성을 CFD 유속장분석과입자추적기법을이용하여예측하였고실제모형실험결과와비교분석한결론은다음과같다. Bergstrom J., Vomhoff H. (2007) Experimental hydrocyclone flow field studies, Separation Purification Technology, 53, 8-20 Drumm C., Bart H.J. (2006) Hydrodynamics in a RDS extractor : Single and two-phase PIV measurements and CFD simulations, Chemical Engineering Technology, 29(11), Field R, O'Connor T. P. (1996) Swirl technology : Enhancement of design, evaluation, 71

8 한국도시환경학회지 and application, Journal of the Environmental Engineering, ASCE, 122(8), Fluent user's manual, ANSYS (2008) Faram M.G., Harwood R. (2002) A method for numerical assessment of sediment intercepts, Sewer Precesses and Networks, Paris, France, pp Gupta R., Kaulaskar M.D., Kumar V., Spripriya R., Meikap B.C., Chakraborty (2008) Studies on the understanding mechanism of air core and vortex formation in hydrocyclone, Chemical Engineering Journal, 144, Lim M.T.N., Amal R., Cathers B., Pinson D. (2002) Computational and experimental studies of floc behaviour in a vortex separator, Urban Drainage, ASCE. Menezes F. M., Amal R., Luketina D. (1996) Removal of particles using coagulation and flocculation in a dynamic separator, Power Technology, 88, Majumder A.K., Shah H., Shukla P., Barnwal J.P. (2007) Effect of operating variables on shape of fish-hook curves in cyclones, Mineral Engineering, 20, Neru R.K.R, Yoshida H. (2008) Comparison of separation performance between single and two inlets hydrocyclones, Advanced Power Technology, in press Narasimha M., Sripriya R., Banerjee P.K. (2005) CFD modelling of hydrocyclone- Prediction of cut size, Journal of Mineral Processing, 75, Orlins J., Ross A., Scalfaro J., Spencer T., Njuki S. (2002) PIV Measurements of free-surface turbulence in an open flow, World Water Congress 2002, ASCE. Pandit H.P, Shakya N.M. Stole H. and Garg N.K. (2009) Hydraulic and sediment removal performance of modified hydrocyclone, Minerals Engineering, 22, Puprasert C., Hebrard G., Lopez L., Aurelle Y. (2004) Potential of using hydrocyclone and hydrocyclone euqipped with grit pot as a pre-treatment in runoff water treatment, Chemical Engineering and Processing, 43,

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<31325FB1E8B0E6BCBA2E687770> 88 / 한국전산유체공학회지 제15권, 제1호, pp.88-94, 2010. 3 관내 유동 해석을 위한 웹기반 자바 프로그램 개발 김 경 성, 1 박 종 천 *2 DEVELOPMENT OF WEB-BASED JAVA PROGRAM FOR NUMERICAL ANALYSIS OF PIPE FLOW K.S. Kim 1 and J.C. Park *2 In general,