Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation

FLOW-3D를 이용한 와류 유동 거동에 대한 수치적 연구

1. 서론

  • 와류 침전지(Vortex Settling Basin, VSB)는 유동의 와류 현상을 이용하여 침전물을 분리하는 장치로, 기존 침전지보다 비용이 적게 들고 공간 활용도가 높음.
  • VSB 내의 유동은 강제 와류(Forced Vortex)와 자유 와류(Free Vortex)로 구성되며, 이들의 형성과 거동을 정확히 이해하는 것이 중요함.
  • 본 연구는 FLOW-3D를 이용하여 와류 침전지 내부의 3차원 난류 유동을 수치적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하는 것을 목표로 함.

2. 연구 방법

실험 및 수치 모델 개요

  • 실험 장치
    • 직경 0.7m, 깊이 1.5m의 원형 와류 침전지 사용.
    • 중앙 배출구(Flush Pipe) 직경: 0.075m.
    • 입구 및 배출구 배치는 Paul et al.(1991)의 설계 권장사항을 따름.
  • FLOW-3D 기반 CFD 시뮬레이션 설정
    • VOF(Volume of Fluid) 기법을 사용하여 자유 수면 추적.
    • RNG k-ε 난류 모델을 적용하여 난류 해석 수행.
    • 격자(Grid) 설정: 중심부 0.5cm, 벽면 주변 1cm, 나머지 영역 2cm.
    • 경계 조건:
      • 유입: 부피 유량 조건(volume flow rate).
      • 유출: 자유 배출(outflow) 경계 조건.
      • 벽면: No-slip 조건 적용.

3. 연구 결과

유동 패턴 및 와류 형성

  • 강제 와류와 자유 와류가 동시에 존재하며, 시간이 지나면서 와류 강도가 변화함.
  • 중앙부에서 강한 와류 코어 형성 후, Overflow Jet에 의해 변형되는 현상 확인.
  • 와류 중심(Core)이 초기에는 유지되다가 시간이 지나면서 점차 소멸되는 현상 관찰.

난류 강도 및 에너지 해석

  • 침전지 중앙부에서 난류 강도가 가장 높고, 벽면에서는 상대적으로 낮음.
  • 시간이 경과할수록 에너지가 감소하며, Overflow Jet이 난류 강도를 증가시키는 역할을 함.
  • 실험 결과와 비교했을 때, 수치 모델이 높은 정확도를 보이며, 최대 5% 이내의 오차율 확인.

4. 결론 및 제안

결론

  • FLOW-3D 기반 시뮬레이션이 실험 결과와 높은 신뢰도로 일치하며, 와류 침전지의 유동 거동을 정밀하게 분석할 수 있음.
  • 중앙부에서 형성된 강한 와류가 시간이 지남에 따라 소멸되며, Overflow Jet이 유동 패턴을 크게 변화시킴.
  • 기존 이론 모델(Rankine Combined Vortex)과 비교 시, 실제 유동에서는 난류 효과로 인해 와류 코어가 변형됨.

향후 연구 방향

  • 다양한 입구 및 배출구 배치 조건에서의 추가 실험 및 시뮬레이션 수행.
  • LES(Large Eddy Simulation) 모델과의 비교 연구.
  • 실제 현장 데이터를 활용한 검증 연구 진행.

5. 연구의 의의

본 연구는 FLOW-3D를 활용하여 와류 침전지의 유동 및 난류 특성을 정량적으로 분석하고, 실험 데이터를 통해 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수처리 시스템 및 하천 공학 분야에서 VSB 설계 최적화에 기여할 수 있는 데이터 및 분석 방법을 제공한다.

Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basin
Fig. 4 Numerical mesh and boundary conditions of vortex settling basin
Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation
Fig. 8 Computation of (TKE) in horizontal sections of basin at end time of simulation

6. 참고 문헌

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