전산유체해석(cfd) fluid flow characteristics for minimizing · pdf file수치해석은...

J. Korean Soc. Environ. Eng., 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

† Corresponding author E-mail: [email protected] Tel: 042-826-1919 Fax: 042-471-1919

전산유체해석(CFD) 모의를 이용한 다공형 스크류 노즐 입수관이 적용된 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 대한 유동특성

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)․*충남대학교 환경공학과․**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 : 본 연구는 물탱크 내부의 사류구역 최소화에 목적을 두고 진행하였으며 입수관의 형태를 개선하여 물탱크 내부에서

발생하는 유동특성을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)모사 기법을 이용하여 분석 하였다. 기존에 물탱크에

사용되던 자유낙하 방식의 입수관을 다공형 스크류 노즐 입수관으로 개선하고 유동 특성을 분석한 결과 노즐 안에 스크류

날개가 설치된 경우 유동흐름의 폭이 넓게 분사 되었으며 원통형 물탱크 내부에서도 넓은 유동 흐름이 나타났다. 또한 사각

형 물탱크에 다공형 스크류 노즐 입수관이 1개 설치되어 있을 경우와 2개 설치되어있을 경우의 유동해석과 추적자모의를 수

행하였으며 그 결과 입수관을 2개 설치할 경우 MODAL, MORILL index값이 1에 가깝게 나타나 Plug Flow 특성에 근접하단

결과를 얻을 수 있었다.주제어 : 사수방지, 물탱크, 와류, 저수조, 사류구역, 전산유체역학

1. 서 론

많은 양의 물을 장시간 저장한 뒤 필요시에 사용할 수

있는 물탱크는 공동주택, 빌딩, 학교, 공장, 병원, 숙박시설

등 많은 장소에 널리 이용되고 있다. 하지만 많은 용량의

물을 장시간 저장해야 하는 특성으로 인하여 탱크내부의 수

질문제가 항시 제기되었으며1,2) 그에 따른 많은 연구도 이

루어져 왔다.3,4) 물은 사용하는 사람의 건강을 위하여 높은

수질로 생산하는 것, 사용하고 난 후 물을 최대한 정화하여

자연으로 되돌려 보내는 것도 중요하지만 깨끗한 상태로

장시간 저장하는 기술 역시 꼭 필요한 연구과제이다. 대형

용량의 물탱크는 물의 정체현상으로 인한 사류구역이 발생

하는데 내부에 물의 흐름을 유도하는 격벽을 설치하는 방

식으로 수질을 개선하는 방식이 있었다.5) 하지만 물탱크 내

부의 사류구역을 완전하게 제거할 수는 없었다.6,7) 본 연구

는 물탱크 내부의 입수관 구조를 개선하여 사류구역을 최

소화 하는데 목적을 두고 진행하였다. 기존의 물탱크 입수

관은 자유낙하방식의 입수관으로 유입부를 수면보다 높게

위치하도록 설치하고 출수관을 입수관 옆에 나란히 설치하

는 방식이었다. 따라서 직경이 큰 대용량 물탱크의 경우 입

수관 및 출수관과의 거리가 먼 구역에서 물의 정체가 이루

어지고 있는 실정이다. 또한 물탱크의 물을 모두 소진한 뒤

다시 채우는 방식이 아닌 항시 중간이상의 수위를 유지하

는 방식으로 운영되고 있는 물탱크는8) 사각지대(탱크 하부

의 모서리 부분)에서 사류구역이 발생하게 된다.9) 이러한 문제를 개선하기 위하여 입수관의 구조를 물탱크

의 하부부터 만수높이까지 다수의 노즐이 입수관 측면에 등

간격으로 부착되어 있고 물 유입시 노즐 전체에서 일제히

물이 분사되어 탱크내부에 저장된 물 전체에 회전류를 유

도하는 다공형 노즐방식으로 변경하고 스크류 노즐 내부에

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송준혁․권종우․최종웅․왕창근

Journal of KSEE Vol.37, No.1 January, 2015

(a) cylindrical reservoir (b) quadrilateral reservoir

Fig. 1. Design drawing information of The reservoir.

(a) cylindrical reservoir (b) quadrilateral reservoir (c) quadrilateral reservoir (with the single nozzle) (with the double nozzle)

Fig. 3. The reservoir-modeling shape.

와류를 발생시키는 날개를 설치하여 분사 범위를 넓히도록

하였다. 이러한 다공형 스크류 노즐 입수관과 스크류 날개

에 따른 물의 유동특성을 원통형 물탱크와 사각형 물탱크

에 적용하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)모사 기법을 통해 분석 해보고자 한다.

2. 수치해석

2.1. 수치해석 대상

Fig. 1은 본 연구에 적용된 물탱크의 구조를 나타내고 있

다. Fig. 1(a)는 원통형 물탱크의 형상을 나타내고 있으며

Fig. 2(b)는 패널(사각)형 물탱크의 형상을 나타내고 있다.본 연구에 적용된 대상 시설의 원통형 물탱크의 체적용량

은 929.5 m3으로, 물의 유출입유량은 1,000 m3/12 h으로 설

정하였고, 사각형 물탱크의 체적용량은 949.8 m3으로, 유출

입 유량은 1,000 m3/12 h으로 설정하였다. 원통형 물탱크와

패널형 물탱크의 탱크 내부의 입수관에 여러개의 입수구를

등 간격으로 설치한 다공형 입수관에 대한 유동특성을 분

석하고 입수관에 스크류 날개(Screw aubage)를 부착한 스

크류 노즐(Scerw nozzle)의 유동 특성을 비교 분석하였다. 또한 원통형 물탱크와 패널형 물탱크에 다공형 스크류 노즐을

부착한 뒤 그에 따른 유동특성을 분석하였다. Table 1과 2는 수치해석을 수행하기 위해 적용된 물탱크

의 치수와 설계 사양을 나타내었다. 출수관의 지름은 입수

관과 동일하게 312.5 mm (300 A)로 설정하였다. 본 해석은

자유수면의 하부영역에 대한 유동 특성을 고찰하는 것이므

로 물탱크 바닥면에서 자유수면까지를 해석 영역으로 설정

하여 계산을 수행하였으며, 원통형 물탱크의 자유수면 높이

는 3,460 mm로, 사각형 물탱크의 자유수면 높이는 4,450 mm로 설정하였다.

Table 1. data of the cylindrical reservoir (unit : mm)

Dimension Height of free

surface

Diameter of water tank

HeightDiameter of

incurrent canal 3,460

18,500 3,760 312.5

Table 2. data of the quadrilateral reservoir (unit : mm)

DimensionHeight of free

surface

Width Lenght HeightDiameter of

incurrent canal 4,450

20,425 10,450 4,750 312.5

Fig. 2. The shape of screw nozzle.

본 수치해석에 사용된 저수조 형상과 스크류 노즐의 형상

을 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2는 스크류 다공형 입수관에

스크류 날개가 설치되어 있는 형상이며 본 연구에선 스크

류 날개(Screw aubage1~3)가 있는 경우의 수치해석과 없는

경우의 수치해석을 각각 수행하였다. Fig. 3은 다공형 스크

류노즐이 설치된 물탱크의 형상으로 Fig. 3(a)는 원통형 물

25J. Korean Soc. Environ. Eng.


대한환경공학회지 제37권 제1호 2015년 1월

Table 3. Information on the grid used to interpret the cylindrical & quadrilateral reservoir

Item

Cylindrical reservoir 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

Application or not (Screw aubage)

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.

탱크의 형상이며 Fig. 3(b)와 (c)는 각각 사각형 물탱크에서

다공형 스크류 노즐 입수관이 1개 설치된 경우와 2개 설치

된 경우의 형상이다. 스크류 노즐의 직경은 입수관의 면적

과 10개의 노즐 출구 면적이 같아지도록 설정하였으며, 노즐의 직경은 98.82 mm이고 길이는 직경의 약 1.5배에 해

당하는 150 mm로 적용하였다.

2.2. 공간 격자 및 수치해석 방법

Fig. 4는 유동해석에 사용된 공간 격자계 분포를 나타내었

다. 격자 형태는 tetrahedra, wedge, pyramid, hexahedra의 혼

합된 hibrid 격자로 구성되었다.10) 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.

Fig. 4. Computational domain grid system (cylindrical reservoir with screw nozzle).

Fig. 5는 원통형 및 사각형 물탱크의 수치모의를 수행하

기 전에 스크류 날개의 부착 유무에 따른 한 개의 노즐에

대한 유동 특성을 평가하기 위한 형상이다. 3개의 스크류

날개를 포함한 노즐은 물탱크에 설치되어 있는 형상과 동

일하며, 계산되는 영역은 노즐 직경 D를 기준으로 가로방향

으로 150 D, 너비 방향으로 100 D로 확장하여 적용하였다. 물탱크에는 10개의 노즐이 설치되어 있으므로, 입구 조건으

로는 하루처리 용량의 1/10을 적용하였다. Fig. 6은 노즐과

계산 영역의 격자 분포를 나타내고 있으며, 스크류 날개의

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. 6. grid dispersion of Nozzle and Computational domain.




(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).

수관 입구조건으로 적용하였으며, 사각형 물탱크에 2개의 입

수관이 설치되어 있는 경우, 처리용량의 절반에 해당하는 값

을 각각의 입수관에 입구 조건으로 적용하였다. 출구 경계조

건으로는 대기압 조건인 0 Pa의 Outlet 경계조건을 적용하였

다. 난류 모델은 scalable 벽법칙을 사용하는 standart k - ε 난류모델을 적용하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1. 스크류 날개(Screw aubage) 부착 유무에 따른 노즐 유동 특성

Fig. 7과 8은 노즐 내부의 스크류 날개의 부착 유무에 따

른 스트림라인과 속도분포를 나타낸 결과이다. Fig. 7(a)에




서 노즐 내 스크류 날개가 부착되지 않은 경우 노즐의 출구

에서 빠른 속도를 갖는 흐름이 진행 방향으로 갈수록 느린

속도의 흐름을 갖는다. 이러한 속도 구배는 노즐 중심 축 방

향으로 직선형 모양의 흐름이 발생한다. 그러나 Fig. 7(b)에서 노즐 내 스크류 날개가 부착되어 있는 경우 노즐 출구

영역에서 회전류가 형성되어 후류 방향으로 속도가 감소하

는 흐름이 발생하며, 회전류는 일정 흐름 이후 선형적 흐름

으로 바뀐다. 회전류의 영향으로 노즐 내 스크류 날개가 설

치된 경우의 흐름이 상대적으로 폭이 넓은 유동흐름을 갖는

다. Fig. 8로부터 노즐 출구에서 형성되는 유동 형태가 유로

방향으로 진행할수록 어떻게 변화하는지를 알 수 있다. 노즐 내 스크류 날개 미부착시, 원형의 노즐 출구 형상으로 인

하여 원형의 유동구조가 발생하여 하류로 확산되며, 노즐

내 스크류 날개가 부착된 경우에는 3개의 스크류 날개 때

문에 노즐 출구에서 3개의 깃 모양 형태를 갖는 유동 구조

로 시작하여 유로 방향으로 흐름이 진행될수록 원형의 유동

구조가 나타났다. Fig. 9는 노즐 내 스크류 날개 부착 유무에 따른 노즐 출

구 중심에서 유로방향으로의 속도분포를 정량적으로 나타

낸 결과이다. 유로 방향 약 0.2 m까지는 노즐 내 스크류 날

개가 부착된 경우의 속도가 빠르게 발생하였으나, 유로 방

향 0.2 m~4.5 m 사이에서는 노즐 내 스크류 날개가 미부착

된 경우가 높은 속도 값을 가진다. 유로방향 약 4.5 m 이후

에는 노즐 내 스크류 날개의 부착 유무에 관계 없이 유로방

향으로 같은 속도 값을 가지나 앞선 결과에서 노즐 내 스

크류 날개 부착시 폭이 넓은 유동구조로 나타난다는 것이

큰 차이점이다. 유로방향으로 약 2.5 m를 기준으로 급격하

게 감소하는 유로방향 속도는 완만한 경사도를 가지고 속

도가 감소한다. 그리고 노즐의 출구를 막 지난 초기 유동특

성을 보면 노즐 내 스크류 날개 미부착시 유로 방향으로의

급격한 단면적의 변화로 속도가 줄어들었다가 다시 회복되

는 것을 볼 수 있다. 이러한 현상은 노즐의 제트류 유동 구

조에서 흔히 볼 수 있는 유동 특성이다. 노즐 내 스크류 날

개가 부착된 경우에는 노즐 내의 형상을 따라 회전류의 특

성으로 이러한 유동 특성은 나타나지 않았고 노즐 내 스크

류 날개가 미 부착된 경우보다 상대적으로 빠른 유속 즉 운

Fig. 9. Comparison of velocity in the direction of flow passage according to whether a screw augage is attached.

동에너지가 발생하였고, 반경방향으로 이 에너지는 확산되

어 노즐 내 스크류 날개 미부착 경우의 속도보다 낮은 값으

로 진행되었다.

3.2. 스크류 날개 미부착 원형 물탱크의 유동특성(Without Screw aubage)

Fig. 10은 스크류 날개 미부착 노즐형 입수관이 설치된 경

우의 원형 물탱크 내부의 유동흐름을 속도범위 0.0 m/s~0.2 m/s로 나타낸 결과이다. 원형 물탱크의 중심에서 느린 속도

와 외각 벽면 방향으로 빠른 속도 구배 분포가 형성되어 있

다. 이러한 흐름으로 원형 물탱크 중심부 영역에서는 넒은

사류구역이 형성된다. 노즐 출구 영역에서 약 0.1 m/s 속도

로 형성된 흐름은 물탱크 외각 벽면을 따라 출수관 근처에

서 0.05 m/s로 감소한다.Fig. 11은 노즐 중심에서의 수직 단면상에 속도분포를 나

타낸 결과로서 10개의 노즐 출구에서 유출되는 유동 형태

는 유사하게 나타났다. 그러나 노즐 내부에서의 유동은 입

수관 입구 즉 입수관 아래에서 상부로 흐르면서 노즐이 설

치된 위치에 의하여 유로 방향이 급격히 변경되어 노즐의

하부 영역에서는 상부 영역보다 낮은 속도영역이 발생하고

Fig. 10. Characteristics of the flow structure in the reservoir of the incurrent canal with the multiple hoe method applied (without screw aubage).

Fig. 11. Characteristics of the flow at a horizontal section of cen-

ter of nozzle (without screw aubage).




Fig. 14. Characteristics of the flow structure inside the reservoir with the nozzle incurrent canal applied (quadrilateral reservoir, single incurrent canal).

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. 감소된 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~ 0.2 m/s로 나타낸 결과이다. 스크류 날개 미부착 노즐형 입

수관과 같이 유동의 주 흐름은 노즐 출구 방향과 같은 방

향으로 형성되며, 원형 물탱크 외각 벽면 근처에 설치된 입

수관과 노즐의 출구 방향으로 인하여 흐름은 원형 물탱크

외각 벽면을 따라 큰 회전 흐름이 발생한다. 또한 노즐 출

구 영역에서 발생하는 빠른 속도 영역이 원형 물탱크 외각

벽면을 따라 일정 길이 이후 속도가 감소하는 것을 볼 수

있다. 원형 물탱크의 중심에서 외각 벽면 방향으로 갈수록

속도 분포가 빠른 속도 구배가 형성되어 있으며, 주 유동(회

Fig. 12. Characteristics of the flow structure in the reservoir of

the incurrent canal with the multiple hoe method applied (with screw aubage).

Fig. 13. Characteristics of the flow at a horizontal section of cen-ter of nozzle (with screw aubage).

전류) 너비가 스크류 날개 미설치 노즐형 입수관 원형 물탱

크 경우 보다 넓은 너비를 갖는다. Fig. 13은 노즐 중심 수직 단면상에 속도 분포를 나타낸

결과로서 스크류 날개 미부착 노즐형 입수관과 유동특성은

매우 비슷한 형태를 보이나 경사도가 높은 각도로 하강류

가 발생하며, 물탱크 바닥면 근처에 위치한 노즐보다 자유

수면 근처에 위치한 노즐에 의한 속도 범위가 넓게 분포되

고 있다는 특징이 있다.

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/s의 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

류 끝단을 지난 유동은 입수관 방향으로 흐름이 발생한다. 그리고 각각의 모서리에서는 저속의 사류 영역이 형성된다.

Fig. 15는 노즐 출구 중심 수직 단면상의 유동특성을 나타




(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. 그리고 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

발생하지만 일정 지점 이후 수평류로 발달한다. 이것은 입수

관 1 노즐 출구 방향에 설치되어 있는 출구관으로 물이 유출

되는 영향으로 인하여 물길이 출구관 방향으로 유도되기 때

Fig. 16. Characteristics of the flow structure inside the reservoir with the nozzle incurrent canal applied (quadrilateral re-servoir, double incurrent canal).

문이다. 그리고 벽면 모서리에서 와류가 발생되며 사각형 물

탱크 중앙 부분에서도 와류가 발생한다. 입수관이 1개 설치

되어 있는 경우보다 복잡한 유동 구조를 가지고 있다.

30



Fig. 17. velocity distribution at a horizontal section of center of first incurrent canal (quadrilateral reservoir, double incurrent canal).



Fig. 18. velocity distribution at a horizontal section of center of second incurrent canal (quadrilateral reservoir, double incurrent canal).

J. Korean Soc. Environ. Eng.






(a) C-curve

(b) F-curve

Fig. 19. Graph of results from the tracer simulation inside the quadrilateral reservoir.

Fig. 17과 18은 입수관 1과 입수관 2 노즐 출구 중심에서

의 수직 단면상에 유동 특성을 결과로 나타낸 것이다. Fig. 17(a)에서 하부노즐에서 유로 방향으로 발생하는 유동이 상

부노즐에서 발생하는 유료 방향으로의 유동보다 높은 기울

기를 가지고 하향류가 발생한다. 노즐 내부의 유동은 노즐

상부의 속도가 높고 하부가 속도가 낮은 속도 분포를 형성

하며, 이것은 노즐이 입수관에 설치되는 형상적 문제로 기

인된다. 입수관 한 개가 설치되는 경우와 유사하게 출수관

전방의 속도가 후방보다 높게 나타났다. 그리고 사각형 물

탱크 외각 벽면을 따라 속도가 감소하는 것을 볼 수 있으며

입수관 반대쪽의 벽면에서 저속의 속도 영역이 발생한다. 이것은 사각형 물탱크의 모서리 형상으로 인한 유로의 급

변경 때문이다. Fig. 17(b)에서 오른쪽 벽면 근처에서 와류

가 형성되는 것을 볼 수 있으며, 입수관 반대쪽의 벽면 근

처에서 발생하는 와류는 사각형 물탱크 바닥면을 따라 흐

르는 물이 급격한 유로방향 변경으로 상승류가 발생하여 형

성되는 것이다. Fig. 18(a)의 입수관 2에서 중앙 수직 단면에서 발생하는

속도분포는 입수관 1에서 발생하는 속도 분포에 대하여 다

소 주 속도분포 영역이 줄어든 특징을 갖고 있다. 입수관1의 벽면에는 출구관이 있지만 입수관 2의 벽면에는 출구관

이 없기 때문에 Fig. 18(b)와 같이 하항류 흐름으로 시작한

유동이 벽면 1/3 일 지점에서 수평류로 바뀐다. 그리고 벽면

끝에 도달한 흐름은 하향류로 바뀌어 모서리 방향으로 흐름

이 형성된다.

3.6. 사각형 물탱크의 추적자 결과

Fig. 19는 사각형 물탱크의 입수관 1개와 입수관 2개가 설

치되는 경우의 Tracer 결과를 나타낸 결과이다. Fig. 19(a)는

C-curve로서 시간 변화에 따른 물탱크 출구에서의 무차원

농도 분포를 나타낸 것이다. 좌측 그림은 시간 900분에 대

한 결과이고 우측 그림은 좌측 그림의 시간 범위 중 0~50분 사이의 영역을 확대한 결과이다. 입수관의 개수에 따라

입수관으로 유입된 tracer는 수분에 걸쳐 출수관으로 유출

되며, 이것은 출수관이 입수관 노즐 방향으로 가까운 위치

에 설치되어 있기 때문이다. 그리고 사각형 물탱크 내에서

발생하는 회전류의 영향으로 두 지점에서 무차원 농도의 최

대치가 나타났다. 이것은 tracer가 물탱크로 유입된 후 출수

관을 통하여 일부 유출되는 과정중 일부는 회전류에 의하여

물탱크 내에서 거동하다가 다시 출구관으로 유출하기 때문

이다. 같은 유량으로 입수관 1개 설치된 경우보다 2개 설치

된 경우의 tracer가 출구관으로 유출되는 최대 값의 시간이

더 소요되었다. Fig. 19(b)는 tracer 전체 양이 출수관을 통

하여 유출되는 양을 누적값으로 나타낸 결과이다. 좌측 그

림에서 100%의 tracer가 출구관으로 유출되는 시간은 입수

관 2개가 설치된 경우 시간이 적게 소요되었다. 이것은 1개의 설치시 노즐 입구에서 사각형 물탱크로 유입되는 유속

은 빠르게 발생하나 유로 방향으로 흐르는 물이 일정 거리

이후에는 유속이 약하게 형성되어 회전류 영역에 포함되어

반복적으로 출수관으로 유출되지 못하기 때문이다. 그러나

초기 시간대에서 출수관을 통하여 유출되는 tracer 양이 1개의 입수관 설치한 경우가 더 높은 이유는 상대적인 노즐 출

구의 유속과 노즐 출구 방향으로 설치되어 있는 출수관 설

치 위치 때문이다. 이러한 경향은 그림 Fig. 19(b) 우측 그림

에서 확인할 수 있다. 1개 설치된 사각형 물탱크의 경우 급

격하게 출구관을 통하여 일정 시간 이후 50% 이상의 tracer




Table 4. Results of the tracer simulation on the quadrilateral re-servoir

　 Incurrent canal, 1 EA Incurrent canal, 2 EA

Q (m3/day) 2000 2000

V 950 950

T10 2.94 5.52

T50, Tg 3.77 28.55

T90 725.82 461.67

Tp 3.18 5.95

T 684 684

Q : Rate of inflow at water storage tank (m3/day)

T10 : Time for 10% of tracer to pass (min)



V : Volume of water storage tank (m3)

Tp : Time for maximum tracer concentration

T (V/Q) : Hydraulic retention time (min)

Table 5. Index value of the quadrilateral reservoir

　Incurrent canal,

1 EAIncurrent 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 : T10 / T

MODAL index : Tp / T

MORILL index : T90 / T10

Short circuiting index : ((Tg - Tp) / Tg)

양이 유출되나 2개의 입수관이 설치된 사각형 물탱크 경우

는 50% 이하의 tracer 양이 출수관을 통하여 유출된다.Table 4는 Tracer 결과를 정량적으로 정리한 것이다. 본 해

석에 적용된 사각형 물탱크의 이론적 체류 시간은 684분이

며, 입수관 1개와 2개 설치된 사각형 물탱크의 T10 값은 각

각 2.94분, 5.52분으로서 입수관 2개 설치된 경우가 약 3분

더 소요되었다. 그리고 T50의 경우 입수관 1개일 때 3.77분, 입수관 2개일 경우 28.55분으로 많은 차이가 발생하였다.

Table 5는 사각형 물탱크의 추적자 모사 결과로부터 구한

Index를 나타낸다. beta는 입수관 2개가 설치된 경우 0.0081값으로 입수관 1개 설치된 경우보다 2배 큰 값을 가지며, Model index 또한 입수관 1개 설치된 경우보다 약 2배 큰

값을 가진다. 그리고 MORILL index는 입수관 2개 설치된

경우가 입수관 1개 설치된 경우보다 83.636 값으로 약 3배

작은 값을 갖는다. 단락류 인텍스는 입수관 2개 설치된 경

우가 5배 큰 값인 0.7916 값으로 나타났다.

4. 결 론

본 연구에서는 기존의 물탱크에서 발생하는 사류구역에

대한 문제를 극복하고자 스크류 날개의 부착 여부에 따른

다공형 스크류 노즐 입수관에 대한 유동 해석을 고찰하였

다. 또한 다공형 스크류 노즐 입수관을 원통형 물탱크에 적

용하였을 경우와 사각형 물탱크에 1개 또는 2개의 입수관을

적용하였을 경우에 대한 유동특성을 고찰 하여 다음과 같은

결과를 얻을 수 있었다.

1) 스크류 노즐이 적용된 물탱크의 유동특성을 확인한 결

과 탱크 내부에 1개 또는 다수의 회전류가 발생한다는 것

이 확인되었다. 또한 이 회전류는 물탱크 내 유동 흐름 특성

에 영향을 미치며, 노즐 내 스크류 날개가 설치된 경우의 분

사 형태가 회전류의 영향으로 상대적으로 폭이 넓은 유동

흐름을 갖는다는 것을 알 수 있었다.2) 사각형 물탱크의 추적자 결과 입수관 1개 설치된 경우

T90의 값이 많은 시간을 가지며, 입수관 2개 설치된 경우의

MODAL, MORILL Index 값이 입수관이 1개 설치된 경우와

비교하였을 때 1에 가까우므로 plug flow 특성에 가깝다.3) 본 연구에서는 물탱크 내부가 물의 유동흐름에 장애를

받지 않는 구조로 되어 있다 가정하였으나, 실제 현장에 설

치되는 경우 보강제 및 구조물이 설치되어 물탱크 내부 유

동 흐름에 영향을 주고 그에 따라 유동 특성도 다르게 해

석될 수 있다 판단되므로 기존 시설물에 대한 현장 조사를

실시하여 탱크 내부에 구조물이 있는 경우의 유동 해석에

대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.

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