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, 37(1), 23~33, 2015 Original Paper http://dx.doi.org/10.4491/ksee.2015.37.1.23 ISSN 1225-5025, e-issn 2383-7810 전산유체해석 (CFD) 모의를이용한다공형스크류노즐입수관이적용된물탱크내부의사류구역최소화에대한유동특성 Fluid Flow Characteristics for Minimizing the Area of Rapid Flow Inside the Water Tank to which the Multiple Hoe Screw Nozzle Incurrent Canal is Applied, by Using the Computational Fluid Dynamics (CFD) Simulation 송준혁 권종우 * 최종웅 ** 왕창근 * Jun-Hyuck Song Jong-Woo Kwon* Jong-Woong Choi** Chang-Keun Wang* 계룡환경 ( 주 ) * 충남대학교환경공학과 ** 한국수자원공사 Kyeryong Environment Co., Ltd *Department of Environmental Engineering, Chungnam National University **K-water (Received September 22, 2014; Revised October 14, 2014; Accepted January 8, 2015) Abstract : This study was carried out for the purpose of minimizing the area of rapid flow inside the water tank. And the shape of incurrent canal was improved, and then the characteristics of fluid flow occurring inside the water tank was analyzed by using the Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation method. better multiple hoe screw nozzle incurrent canal was used instead of conventional drop current canal used for the water tank. And according to the results of analyzing the characteristics of fluid flow, in case a screw blade was installed inside the nozzle, fluid flow was sprayed wide. And wide fluid flow was shown inside the cylindrical water tank too. Besides, a tracer simulation was carried out, in case of installing 1 and 2 multiple hoe screw nozzle incurrent canals at the cubic water tank. As a result, MODAL, MODAL index value was close to 1, in case of installing 2 canals. Therefore, it was possible to obtain the results of being close to the characteristics of plug flow. Key Words : Computational Fluid Dynamics (CFD), Screw Nozzle, Water Storage Tank, Dead Water, Water Management 요약 : 본연구는물탱크내부의사류구역최소화에목적을두고진행하였으며입수관의형태를개선하여물탱크내부에서발생하는유동특성을전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 모사기법을이용하여분석하였다. 기존에물탱크에사용되던자유낙하방식의입수관을다공형스크류노즐입수관으로개선하고유동특성을분석한결과노즐안에스크류날개가설치된경우유동흐름의폭이넓게분사되었으며원통형물탱크내부에서도넓은유동흐름이나타났다. 또한사각형물탱크에다공형스크류노즐입수관이 1 개설치되어있을경우와 2 개설치되어있을경우의유동해석과추적자모의를수행하였으며그결과입수관을 2 개설치할경우 MODAL, MORILL index 값이 1 에가깝게나타나 Plug Flow 특성에근접하단결과를얻을수있었다. 주제어 : 사수방지, 물탱크, 와류, 저수조, 사류구역, 전산유체역학 1. 서론 많은양의물을장시간저장한뒤필요시에사용할수있는물탱크는공동주택, 빌딩, 학교, 공장, 병원, 숙박시설등많은장소에널리이용되고있다. 하지만많은용량의물을장시간저장해야하는특성으로인하여탱크내부의수질문제가항시제기되었으며 1,2) 그에따른많은연구도이루어져왔다. 3,4) 물은사용하는사람의건강을위하여높은수질로생산하는것, 사용하고난후물을최대한정화하여자연으로되돌려보내는것도중요하지만깨끗한상태로장시간저장하는기술역시꼭필요한연구과제이다. 대형용량의물탱크는물의정체현상으로인한사류구역이발생하는데내부에물의흐름을유도하는격벽을설치하는방식으로수질을개선하는방식이있었다. 5) 하지만물탱크내부의사류구역을완전하게제거할수는없었다. 6,7) 본연구 는물탱크내부의입수관구조를개선하여사류구역을최 소화하는데목적을두고진행하였다. 기존의물탱크입수 관은자유낙하방식의입수관으로유입부를수면보다높게 위치하도록설치하고출수관을입수관옆에나란히설치하 는방식이었다. 따라서직경이큰대용량물탱크의경우입 수관및출수관과의거리가먼구역에서물의정체가이루 어지고있는실정이다. 또한물탱크의물을모두소진한뒤 다시채우는방식이아닌항시중간이상의수위를유지하 는방식으로운영되고있는물탱크는 8) 사각지대 ( 탱크하부의모서리부분 ) 에서사류구역이발생하게된다. 9) 이러한문제를개선하기위하여입수관의구조를물탱크의하부부터만수높이까지다수의노즐이입수관측면에등간격으로부착되어있고물유입시노즐전체에서일제히물이분사되어탱크내부에저장된물전체에회전류를유도하는다공형노즐방식으로변경하고스크류노즐내부에 Corresponding author E-mail: dabidjun@hanmail.net Tel: 042-826-1919 Fax: 042-471-1919

24 송준혁 권종우 최종웅 왕창근 와류를발생시키는날개를설치하여분사범위를넓히도록하였다. 이러한다공형스크류노즐입수관과스크류날개에따른물의유동특성을원통형물탱크와사각형물탱크에적용하여전산유체역학 (Computational Fluid Dynamics, CFD) 모사기법을통해분석해보고자한다. Table 1. data of the cylindrical reservoir Diameter of water tank Dimension Height 18,500 3,760 312.5 (unit : mm) Height of free surface Diameter of incurrent canal 3,460 2. 수치해석 2.1. 수치해석대상 Fig. 1은본연구에적용된물탱크의구조를나타내고있다. Fig. 1(a) 는원통형물탱크의형상을나타내고있으며 Fig. 2(b) 는패널 ( 사각 ) 형물탱크의형상을나타내고있다. 본연구에적용된대상시설의원통형물탱크의체적용량은 929.5 m 3 으로, 물의유출입유량은 1,000 m 3 /12 h으로설정하였고, 사각형물탱크의체적용량은 949.8 m 3 으로, 유출입유량은 1,000 m 3 /12 h으로설정하였다. 원통형물탱크와패널형물탱크의탱크내부의입수관에여러개의입수구를등간격으로설치한다공형입수관에대한유동특성을분석하고입수관에스크류날개 (Screw aubage) 를부착한스크류노즐 (Scerw nozzle) 의유동특성을비교분석하였다. 또한원통형물탱크와패널형물탱크에다공형스크류노즐을부착한뒤그에따른유동특성을분석하였다. Table 1과 2는수치해석을수행하기위해적용된물탱크의치수와설계사양을나타내었다. 출수관의지름은입수관과동일하게 312.5 mm (300 A) 로설정하였다. 본해석은자유수면의하부영역에대한유동특성을고찰하는것이므로물탱크바닥면에서자유수면까지를해석영역으로설정하여계산을수행하였으며, 원통형물탱크의자유수면높이는 3,460 mm로, 사각형물탱크의자유수면높이는 4,450 mm 로설정하였다. Table 2. data of the quadrilateral reservoir (unit : mm) Dimension Height of free surface Width Lenght Height Diameter of incurrent canal 4,450 20,425 10,450 4,750 312.5 Fig. 2. The shape of screw nozzle. 본수치해석에사용된저수조형상과스크류노즐의형상을 Fig. 2에나타내었다. Fig. 2는스크류다공형입수관에스크류날개가설치되어있는형상이며본연구에선스크류날개 (Screw aubage1~3) 가있는경우의수치해석과없는경우의수치해석을각각수행하였다. Fig. 3은다공형스크류노즐이설치된물탱크의형상으로 Fig. 3(a) 는원통형물 (a) cylindrical reservoir Fig. 1. Design drawing information of The reservoir. (b) quadrilateral reservoir (a) cylindrical reservoir (b) quadrilateral reservoir (c) quadrilateral reservoir (with the single nozzle) (with the double nozzle) Fig. 3. The reservoir-modeling shape. Journal of KSEE Vol.37, No.1 January, 2015

전산유체해석(CFD) 모의를 이용한 다공형 스크류 노즐 입수관이 적용된 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 대한 유동특성 탱크의 형상이며 Fig. 3(b)와 (c)는 각각 사각형 물탱크에서 Fig. 5는 원통형 및 사각형 물탱크의 수치모의를 수행하 다공형 스크류 노즐 입수관이 1개 설치된 경우와 2개 설치 기 전에 스크류 날개의 부착 유무에 따른 한 개의 노즐에 된 경우의 형상이다. 스크류 노즐의 직경은 입수관의 면적 대한 유동 특성을 평가하기 위한 형상이다. 3개의 스크류 과 10개의 노즐 출구 면적이 같아지도록 설정하였으며, 노 날개를 포함한 노즐은 물탱크에 설치되어 있는 형상과 동 즐의 직경은 98.82 mm이고 길이는 직경의 약 1.5배에 해 일하며, 계산되는 영역은 노즐 직경 D를 기준으로 가로방향 당하는 150 mm로 적용하였다. 으로 150 D, 너비 방향으로 100 D로 확장하여 적용하였다. 2.2. 공간 격자 및 수치해석 방법 로는 하루처리 용량의 1/10을 적용하였다. Fig. 6은 노즐과 Fig. 4는 유동해석에 사용된 공간 격자계 분포를 나타내었 다. 격자 형태는 tetrahedra, wedge, pyramid, hexahedra의 혼 10) 합된 hibrid 격자로 구성되었다. Table 3은 본 계산에 사 용되는 원형 및 사각형 물탱크의 격자 정보를 나타내고 있다. 원형 물탱크의 경우 스크류 날개의 부착 유무에 관계 없이 1,120,000 노드(4,338,000 elements)를 생성하였으며, 사각형 물탱크의 경우 입수관이 한 개일 경우와 두 개일 경우에 대하여 1,156,000 노드(4,477,000 elements), 1,991,000 노드 (7,596,000 elements)를 생성하여 계산에 적용하였다. 계산 영역의 격자 분포를 나타내고 있으며, 스크류 날개의 물탱크에는 10개의 노즐이 설치되어 있으므로, 입구 조건으 유무에 관계없이 동일한 수 650,000노드(3,440,000 elements) 의 격자를 생성하였고, 노즐은 형상을 포함한 주변 영역에 조밀한 격자를 적용하였다. 수치해석은 범용 상용프로그램인 ANSYS CFX 12.111)를 사용하였다. 수치해석에 설정된 경계조건으로 입구조건, 출구조건 그 리고 벽면으로 구성된 벽조건이 적용되었다. 입구조건으로 는 하루(12시간 기준) 처리용량 1,000 m3/12 h에 해당하는 질량유량 23.0787 kg/s를 원통형 물탱크와 사각형 물탱크 입 Fig. 4. Computational domain grid system (cylindrical reservoir with screw nozzle). Fig. 6. grid dispersion of Nozzle and Computational domain. Table 3. Information on the grid used to interpret the cylindrical & quadrilateral reservoir Cylindrical reservoir Item Application or not (Screw aubage) Quadrilateral reservoir The multiple hoe nozzle incurrent canal (without screw) The multiple hoe nozzle incurrent canal (with screw) The multiple hoe nozzle incurrent canal, 1 EA The multiple hoe nozzle incurrent canal, 2 EA does not apply apply apply apply Mesh type mixed (tetrahedra, wedge, pyramid, hexahedra) Number of nodes 1,120,000 1,120,000 1,156,000 1,991,000 Number of elements 4,338,000 4,338,000 4,477,000 7,596,000 Fig. 5. Calculation domain of fluid flow characteristics in the nozzle to which a screw aubage is attached. 대한환경공학회지 제37권 제1호 2015년 1월 25

26 송준혁 권종우 최종웅 왕창근 수관입구조건으로적용하였으며, 사각형물탱크에 2개의입수관이설치되어있는경우, 처리용량의절반에해당하는값을각각의입수관에입구조건으로적용하였다. 출구경계조건으로는대기압조건인 0 Pa의 Outlet 경계조건을적용하였다. 난류모델은 scalable 벽법칙을사용하는 standart k - ε 난류모델을적용하였다. 3. 결과및고찰 3.1. 스크류날개 (Screw aubage) 부착유무에따른노즐유동특성 Fig. 7과 8은노즐내부의스크류날개의부착유무에따른스트림라인과속도분포를나타낸결과이다. Fig. 7(a) 에 (a) without screw aubage (b) with screw aubage Fig. 7. Fluid flow characteristics in the nozzle according to whether a screw blade is attached (streamline). (a) without screw aubage (b) with screw aubage Fig. 8. Fluid flow characteristics in the nozzle according to whether a screw blade is attached(velocity distribution in the direction of flow passage). Journal of KSEE Vol.37, No.1 January, 2015

전산유체해석 (CFD) 모의를이용한다공형스크류노즐입수관이적용된물탱크내부의사류구역최소화에대한유동특성 27 서노즐내스크류날개가부착되지않은경우노즐의출구에서빠른속도를갖는흐름이진행방향으로갈수록느린속도의흐름을갖는다. 이러한속도구배는노즐중심축방향으로직선형모양의흐름이발생한다. 그러나 Fig. 7(b) 에서노즐내스크류날개가부착되어있는경우노즐출구영역에서회전류가형성되어후류방향으로속도가감소하는흐름이발생하며, 회전류는일정흐름이후선형적흐름으로바뀐다. 회전류의영향으로노즐내스크류날개가설치된경우의흐름이상대적으로폭이넓은유동흐름을갖는다. Fig. 8로부터노즐출구에서형성되는유동형태가유로방향으로진행할수록어떻게변화하는지를알수있다. 노즐내스크류날개미부착시, 원형의노즐출구형상으로인하여원형의유동구조가발생하여하류로확산되며, 노즐내스크류날개가부착된경우에는 3개의스크류날개때문에노즐출구에서 3개의깃모양형태를갖는유동구조로시작하여유로방향으로흐름이진행될수록원형의유동구조가나타났다. Fig. 9는노즐내스크류날개부착유무에따른노즐출구중심에서유로방향으로의속도분포를정량적으로나타낸결과이다. 유로방향약 0.2 m까지는노즐내스크류날개가부착된경우의속도가빠르게발생하였으나, 유로방향 0.2 m~4.5 m 사이에서는노즐내스크류날개가미부착된경우가높은속도값을가진다. 유로방향약 4.5 m 이후에는노즐내스크류날개의부착유무에관계없이유로방향으로같은속도값을가지나앞선결과에서노즐내스크류날개부착시폭이넓은유동구조로나타난다는것이큰차이점이다. 유로방향으로약 2.5 m를기준으로급격하게감소하는유로방향속도는완만한경사도를가지고속도가감소한다. 그리고노즐의출구를막지난초기유동특성을보면노즐내스크류날개미부착시유로방향으로의급격한단면적의변화로속도가줄어들었다가다시회복되는것을볼수있다. 이러한현상은노즐의제트류유동구조에서흔히볼수있는유동특성이다. 노즐내스크류날개가부착된경우에는노즐내의형상을따라회전류의특성으로이러한유동특성은나타나지않았고노즐내스크류날개가미부착된경우보다상대적으로빠른유속즉운 동에너지가발생하였고, 반경방향으로이에너지는확산되 어노즐내스크류날개미부착경우의속도보다낮은값으 로진행되었다. 3.2. 스크류날개미부착원형물탱크의유동특성 (Without Screw aubage) Fig. 10은스크류날개미부착노즐형입수관이설치된경우의원형물탱크내부의유동흐름을속도범위 0.0 m/s~0.2 m/s로나타낸결과이다. 원형물탱크의중심에서느린속도 와외각벽면방향으로빠른속도구배분포가형성되어있 다. 이러한흐름으로원형물탱크중심부영역에서는넒은 사류구역이형성된다. 노즐출구영역에서약 0.1 m/s 속도 로형성된흐름은물탱크외각벽면을따라출수관근처에 서 0.05 m/s 로감소한다. Fig. 11은노즐중심에서의수직단면상에속도분포를나타낸결과로서 10개의노즐출구에서유출되는유동형태는유사하게나타났다. 그러나노즐내부에서의유동은입수관입구즉입수관아래에서상부로흐르면서노즐이설치된위치에의하여유로방향이급격히변경되어노즐의하부영역에서는상부영역보다낮은속도영역이발생하고 Fig. 10. Characteristics of the flow structure in the reservoir of the incurrent canal with the multiple hoe method applied (without screw aubage). Fig. 9. Comparison of velocity in the direction of flow passage according to whether a screw augage is attached. Fig. 11. Characteristics of the flow at a horizontal section of center of nozzle (without screw aubage). 대한환경공학회지제 37 권제 1 호 2015 년 1 월

28 송준혁 권종우 최종웅 왕창근 또한 노즐이 시작하는 끝단 형상으로 인하여 노즐 내부 하 부 영역에서 사류구역이 형성된다. 이 유동은 노즐 출구에 서 물탱크로 유입되면서 급격한 유로의 단면 확대로 인하 여 속도가 감소하며, 경사도가 작은 하강류가 발생한다. 감 소된 유동은 노즐 출구 방향 즉 원형 물탱크의 외각 벽면 을 따라 Fig. 10에서와 같은 원형 물탱크 내부에서 큰 회전 류가 형성된다. 그리고 노즐 내부의 유속이 균등하게 발생 하지 않는 것으로 보아 노즐 출구에서 원형 물탱크로 유입 되는 물의 유량이 불균등하게 발생할 것으로 사료된다. 3.3. 스크류 날개가 부착된 원형 물탱크의 유동특성(With Screw aubage) Fig. 12는 스크류 날개가 부착 노즐형 입수관이 설치된 경 우에 대한 물탱크 내부의 유동흐름을 속도 범위 0.0 m/s~ Fig. 13. Characteristics of the flow at a horizontal section of center of nozzle (with screw aubage). 0.2 m/s로 나타낸 결과이다. 스크류 날개 미부착 노즐형 입 전류) 너비가 스크류 날개 미설치 노즐형 입수관 원형 물탱 수관과 같이 유동의 주 흐름은 노즐 출구 방향과 같은 방 크 경우 보다 넓은 너비를 갖는다. 향으로 형성되며, 원형 물탱크 외각 벽면 근처에 설치된 입 Fig. 13은 노즐 중심 수직 단면상에 속도 분포를 나타낸 수관과 노즐의 출구 방향으로 인하여 흐름은 원형 물탱크 결과로서 스크류 날개 미부착 노즐형 입수관과 유동특성은 외각 벽면을 따라 큰 회전 흐름이 발생한다. 또한 노즐 출 매우 비슷한 형태를 보이나 경사도가 높은 각도로 하강류 구 영역에서 발생하는 빠른 속도 영역이 원형 물탱크 외각 가 발생하며, 물탱크 바닥면 근처에 위치한 노즐보다 자유 벽면을 따라 일정 길이 이후 속도가 감소하는 것을 볼 수 수면 근처에 위치한 노즐에 의한 속도 범위가 넓게 분포되 있다. 원형 물탱크의 중심에서 외각 벽면 방향으로 갈수록 고 있다는 특징이 있다. 속도 분포가 빠른 속도 구배가 형성되어 있으며, 주 유동(회 3.4. 1개의 입수관을 갖는 사각형 물탱크의 유동특성 Fig. 14는 노즐형 입수관 1개를 갖는 사각형 물탱크의 흐 름 특성을 나타낸 결과이다. 노즐 출구에서 0.05 m/s의 유 출된 물은 하향류의 흐름을 가지고 사각형 물탱크에 유입 되며, 물은 외각 벽면을 따라 첫 번째 모서리에서 0.025 m/s 의 상승류가 형성되어 후방으로 이송된다. 또한 노즐 출구 방향으로 출수관이 존재함으로서 물의 일부는 출수관으로 빠져 나가며 일부는 사각형 물탱크 벽면을 따라 흐른다. 두 번째 모서리를 지난 물은 외각 벽면을 따라 흐르다가 속도 가 감소한다. 물의 흐름에 따라 주 회전류가 발생하며 회전 Fig. 12. Characteristics of the flow structure in the reservoir of the incurrent canal with the multiple hoe method applied (with screw aubage). 류 끝단을 지난 유동은 입수관 방향으로 흐름이 발생한다. 그리고 각각의 모서리에서는 저속의 사류 영역이 형성된다. Fig. 15는 노즐 출구 중심 수직 단면상의 유동특성을 나타 Fig. 14. Characteristics of the flow structure inside the reservoir with the nozzle incurrent canal applied (quadrilateral reservoir, single incurrent canal). Journal of KSEE Vol.37, No.1 January, 2015

전산유체해석(CFD) 모의를 이용한 다공형 스크류 노즐 입수관이 적용된 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 대한 유동특성 (a) velocity distribution (b) velocity vector and streamline Fig. 15. Characteristics of the flow at a horizontal section of center of nozzle (quadrilateral reservoir, single incurrent canal). 낸 결과이다. Fig. 15(a)에서 노즐 출구에서 사각형 물탱크 로 유입되는 흐름은 경사도를 가진 하향류가 형성된다. 그 리고 사각형 물탱크 노즐 출구 방향으로 바닥면을 따라 사 각형 물탱크의 중간 영역에 출구관이 설치되어 유출하는 흐 름의 영향으로 일정한 속도분포가 나타나며, 출구관 이후의 사각형 물탱크 바닥면 속도는 감소한다. Fig. 15(b)에서는 스 트림라인 결과로부터 노즐 출구에서 유출되는 물의 흐름을 살펴 볼 수 있으며, 사각형 물탱크 바닥면으로 갈수록 하향 류의 기울기는 상대적으로 크게 나타난다. 3.5. 2개의 입수관을 갖는 사각형 물탱크의 유동특성 Fig. 16은 사각형 물탱크에 입수관이 2개 설치되어 있는 경우의 유동특성을 나타낸 결과이다. 탱크 내부로 유입되는 물의 유량은 입수관이 1개 설치될 때의 전체 유량과 같도록 설정하였다. 즉 한 개의 입수관 유량은 전체 유량의 절반에 해당한다. 결국 입수관 한 개 설치 시에 대비하여 두 개 설치 시에는 노즐 출구에서 사각형 물탱크로 유입되는 속도는 절 반으로 줄어들게 된다. 그림과 같이 입수관 1 노즐 출구에서 사각형 물탱크로 유입되는 물은 1개의 입수관과 유사한 하 향류가 발생한다. 그러나 입수관 2의 경우 처음엔 하향류가 Fig. 16. Characteristics of the flow structure inside the reservoir with the nozzle incurrent canal applied (quadrilateral reservoir, double incurrent canal). 발생하지만 일정 지점 이후 수평류로 발달한다. 이것은 입수 문이다. 그리고 벽면 모서리에서 와류가 발생되며 사각형 물 관 1 노즐 출구 방향에 설치되어 있는 출구관으로 물이 유출 탱크 중앙 부분에서도 와류가 발생한다. 입수관이 1개 설치 되는 영향으로 인하여 물길이 출구관 방향으로 유도되기 때 되어 있는 경우보다 복잡한 유동 구조를 가지고 있다. 대한환경공학회지 제37권 제1호 2015년 1월 29

30 송준혁 권종우 최종웅 왕창근 (a) velocity distribution (b) velocity vector and streamline Fig. 17. velocity distribution at a horizontal section of center of first incurrent canal (quadrilateral reservoir, double incurrent canal). (a) velocity distribution (b) velocity vector and streamline Fig. 18. velocity distribution at a horizontal section of center of second incurrent canal (quadrilateral reservoir, double incurrent canal). Journal of KSEE Vol.37, No.1 January, 2015

전산유체해석 (CFD) 모의를이용한다공형스크류노즐입수관이적용된물탱크내부의사류구역최소화에대한유동특성 31 Fig. 17과 18은입수관 1과입수관 2 노즐출구중심에서의수직단면상에유동특성을결과로나타낸것이다. Fig. 17(a) 에서하부노즐에서유로방향으로발생하는유동이상부노즐에서발생하는유료방향으로의유동보다높은기울기를가지고하향류가발생한다. 노즐내부의유동은노즐상부의속도가높고하부가속도가낮은속도분포를형성하며, 이것은노즐이입수관에설치되는형상적문제로기인된다. 입수관한개가설치되는경우와유사하게출수관전방의속도가후방보다높게나타났다. 그리고사각형물탱크외각벽면을따라속도가감소하는것을볼수있으며입수관반대쪽의벽면에서저속의속도영역이발생한다. 이것은사각형물탱크의모서리형상으로인한유로의급변경때문이다. Fig. 17(b) 에서오른쪽벽면근처에서와류가형성되는것을볼수있으며, 입수관반대쪽의벽면근처에서발생하는와류는사각형물탱크바닥면을따라흐르는물이급격한유로방향변경으로상승류가발생하여형성되는것이다. Fig. 18(a) 의입수관 2에서중앙수직단면에서발생하는속도분포는입수관 1에서발생하는속도분포에대하여다소주속도분포영역이줄어든특징을갖고있다. 입수관1 의벽면에는출구관이있지만입수관 2의벽면에는출구관이없기때문에 Fig. 18(b) 와같이하항류흐름으로시작한유동이벽면 1/3 일지점에서수평류로바뀐다. 그리고벽면끝에도달한흐름은하향류로바뀌어모서리방향으로흐름이형성된다. 3.6. 사각형물탱크의추적자결과 Fig. 19는사각형물탱크의입수관 1개와입수관 2개가설 치되는경우의 Tracer 결과를나타낸결과이다. Fig. 19(a) 는 C-curve로서시간변화에따른물탱크출구에서의무차원농도분포를나타낸것이다. 좌측그림은시간 900분에대한결과이고우측그림은좌측그림의시간범위중 0~50 분사이의영역을확대한결과이다. 입수관의개수에따라입수관으로유입된 tracer는수분에걸쳐출수관으로유출되며, 이것은출수관이입수관노즐방향으로가까운위치에설치되어있기때문이다. 그리고사각형물탱크내에서발생하는회전류의영향으로두지점에서무차원농도의최대치가나타났다. 이것은 tracer가물탱크로유입된후출수관을통하여일부유출되는과정중일부는회전류에의하여물탱크내에서거동하다가다시출구관으로유출하기때문이다. 같은유량으로입수관 1개설치된경우보다 2개설치된경우의 tracer가출구관으로유출되는최대값의시간이더소요되었다. Fig. 19(b) 는 tracer 전체양이출수관을통하여유출되는양을누적값으로나타낸결과이다. 좌측그림에서 100% 의 tracer가출구관으로유출되는시간은입수관 2개가설치된경우시간이적게소요되었다. 이것은 1개의설치시노즐입구에서사각형물탱크로유입되는유속은빠르게발생하나유로방향으로흐르는물이일정거리이후에는유속이약하게형성되어회전류영역에포함되어반복적으로출수관으로유출되지못하기때문이다. 그러나초기시간대에서출수관을통하여유출되는 tracer 양이 1개의입수관설치한경우가더높은이유는상대적인노즐출구의유속과노즐출구방향으로설치되어있는출수관설치위치때문이다. 이러한경향은그림 Fig. 19(b) 우측그림에서확인할수있다. 1개설치된사각형물탱크의경우급격하게출구관을통하여일정시간이후 50% 이상의 tracer (a) C-curve (b) F-curve Fig. 19. Graph of results from the tracer simulation inside the quadrilateral reservoir. 대한환경공학회지제 37 권제 1 호 2015 년 1 월

32 송준혁 권종우 최종웅 왕창근 Table 4. Results of the tracer simulation on the quadrilateral reservoir Incurrent canal, 1 EA Incurrent canal, 2 EA Q (m 3 /day) 2000 2000 V 950 950 T 10 2.94 5.52 T 50, Tg 3.77 28.55 T 90 725.82 461.67 T p 3.18 5.95 T 684 684 Q : Rate of inflow at water storage tank (m 3 /day) T 10 : Time for 10% of tracer to pass (min) T 50 : Time for 50% of tracer to pass (min) T 90 : Time for 90% of tracer to pass (min) V : Volume of water storage tank (m 3 ) T p : Time for maximum tracer concentration T (V/Q) : Hydraulic retention time (min) Table 5. Index value of the quadrilateral reservoir Incurrent canal, 1 EA Incurrent canal, 2 EA beta 0.0043 0.0081 MODAL index 0.0047 0.0087 MORILL index 246.878 83.636 Short circuiting index 0.1565 0.7916 beta : T 10 / T MODAL index : T p / T MORILL index : T 90 / T 10 Short circuiting index : ((T g - T p) / T g) 양이유출되나 2 개의입수관이설치된사각형물탱크경우 는 50% 이하의 tracer 양이출수관을통하여유출된다. Table 4 는 Tracer 결과를정량적으로정리한것이다. 본해 석에적용된사각형물탱크의이론적체류시간은 684 분이 며, 입수관 1 개와 2 개설치된사각형물탱크의 T 10 값은각 각 2.94 분, 5.52 분으로서입수관 2 개설치된경우가약 3 분 더소요되었다. 그리고 T 50 의경우입수관 1개일때 3.77분, 입수관 2개일경우 28.55분으로많은차이가발생하였다. Table 5 는사각형물탱크의추적자모사결과로부터구한 Index를나타낸다. beta는입수관 2개가설치된경우 0.0081 값으로입수관 1개설치된경우보다 2배큰값을가지며, Model index 또한입수관 1개설치된경우보다약 2배큰 값을가진다. 그리고 MORILL index 는입수관 2 개설치된 경우가입수관 1 개설치된경우보다 83.636 값으로약 3 배 작은값을갖는다. 단락류인텍스는입수관 2 개설치된경 우가 5 배큰값인 0.7916 값으로나타났다. 4. 결론 본연구에서는기존의물탱크에서발생하는사류구역에 대한문제를극복하고자스크류날개의부착여부에따른다공형스크류노즐입수관에대한유동해석을고찰하였다. 또한다공형스크류노즐입수관을원통형물탱크에적용하였을경우와사각형물탱크에 1개또는 2개의입수관을적용하였을경우에대한유동특성을고찰하여다음과같은결과를얻을수있었다. 1) 스크류노즐이적용된물탱크의유동특성을확인한결과탱크내부에 1개또는다수의회전류가발생한다는것이확인되었다. 또한이회전류는물탱크내유동흐름특성에영향을미치며, 노즐내스크류날개가설치된경우의분사형태가회전류의영향으로상대적으로폭이넓은유동흐름을갖는다는것을알수있었다. 2) 사각형물탱크의추적자결과입수관 1개설치된경우 T 90 의값이많은시간을가지며, 입수관 2 개설치된경우의 MODAL, MORILL Index 값이입수관이 1 개설치된경우와 비교하였을때 1에가까우므로 plug flow 특성에가깝다. 3) 본연구에서는물탱크내부가물의유동흐름에장애를받지않는구조로되어있다가정하였으나, 실제현장에설치되는경우보강제및구조물이설치되어물탱크내부유동흐름에영향을주고그에따라유동특성도다르게해석될수있다판단되므로기존시설물에대한현장조사를실시하여탱크내부에구조물이있는경우의유동해석에대한연구가필요할것으로사료된다. References 1. Rossman, L. A., Uber, J. G. and Grayman, W. M., Modeling Disinfectant Residuals in Drinking-water Storage Tanks, J. Environ. Eng., 121(10), 752~755(1995). 2. Kennedy, M. S., Moegling, S., Sarikelle, S. and Suravallop, K., Assessing the Effects of Storage Tank Design on Water Quality, J. Am. Water Works Assoc., 85(7), 78~88(1993). 3. Park, H.-G., Ryu, S.-C. and Jun, S.-I., A Study on the Water Quality for Efficient Management in the Water Tanks on Gyeongnam Area, Report on the Joint Conference of KSWW & KSWQ in 2008, Seoul, pp. 680~681(2008). 4. Lee, D.-Y., Moon, B.-H., Lee, T.-S., Seo, G.-T., Hwng, H.-U., Hwang, S.-H. and Kim, D.-Y., A study on the Characteristics of Ingredients in water storage Tank, Report on the Joint Conference of KSWW & KSWQ in 2008, Seoul, pp. 414~ 415(2008). 5. Kim, J.-H., Kang, D.-Y., Jung, T.-J., Kim, S.-Y., Choi, J.-W. and Chu, B-G., Analysis of Flow Field in the Circular Water Tank According to the Number of Baffles, J. Korean Soc. Environ. Eng., 31(1), 15~20(2009). 6. Mark, M., Bishop, J., Mark, M., Brendon, C. and Donald, K. J., Improving the Disinfection Time of Water Plant Clearwell, J. Am. Water Works Assoc., 85(3), 68~75(1993). Journal of KSEE Vol.37, No.1 January, 2015

전산유체해석 (CFD) 모의를이용한다공형스크류노즐입수관이적용된물탱크내부의사류구역최소화에대한유동특성 33 7. Mark, M. C., Joel, D. and Catherine, B., Improving Clearwell Design for CT Compliance, AWWARF and AWWA (1999). 8. Grayman, W. M. and Clark, R. M., Using Computer Models to Determine the Effect of Storage on Water Quality, J. Am. Water Works Assoc., 85(7), 67~77(1993). 9. Shilton, A. and Harrison, J., Development of guidelines for improved hydraulic design of waste stabilisation ponds, Water Sci. Technol., 48(2), 173~180(2003). 10. ANSYS, ANSYS ICEM CFD12 Mannual, United King- Dom(2009). 11. ANSYS, ANSYS CFX 12 Mannual, United King-Dom (2009). 12. Teefy, S., Tracer Studies in Water Treatment Facilities: A Protocol and Case Studies, AWWARF, USA(1996). 대한환경공학회지제 37 권제 1 호 2015 년 1 월