The Effects of Mixer Geometry on Hydraulic Turbulence : Computational Modeling

3-D 전산유체를 이용한 급속혼화조 형상에 따른 난류 유동장 연구

The rapid mixing process has been considered as an important step in water treatment. Since the coagulant dispersion into raw water by rapid mixer can influence on the flocculation and filtration efficiency, many researchers have developed various devices and mixing methodologies. Until now, they focused attention on only coagulant dose, pH. rotating velocity and G value but overlooked the real turbulent flow and mixer geometry in rapid mixer. Therefore this paper questions the significance of turbulent flows in rapid mixer and focuses on the analysis of turbulent fluid in various mixer geometry with CFD(Computational Fluid Dynamics). The results of the jar-tests using various geometries indicate that the turbidity removal rate in a circular jar without baffle is higher than that of a circular with baffle. And the turbidity removal rate in Hudson jar is also founded to be higher than in the circular jar with baffle. The CFD simulation of velocity fields in jar demonstrates that the differences of removal rates among the various geometries are largely due to the formation of the different turbulent fluids fields with different geometries.

지금까지 급속혼화는 정수처리 공정 중에서 매우 중요한 공정으로 인식되어 왔다. 특히, 응집제의 원수내 확산은 급속혼화 공정에 이어지는 flocculation이나 filtration 공정에 지대한 영향을 미치게 되므로 지금까지 많은 연구자들이 혼화장치의 개발이나 효율적인 혼화방식에 관해 연구를 해왔다. 그러나 선행 연구자들은 급속혼화에 있어서 중요한 변수로 응집제 주입량, pH, 임펠러의 회전속도, 그리고 G값만을 고려하였으나, 실제 응집제와 콜로이드입자와의 충돌기회에 지대한 영향을 미치는 급속혼화 공정상에서 발생되는 난류장을 간과하였다. 특히 급속혼화에서의 난류의 발생은 G값에 전적으로 의지하여 난류장의 평균값으로 혼화조내의 난류를 표현하여 왔으며, 혼화조의 형상에 따라 달라지는 난류장 해석은 연구가 미약한 실정이다. 이에 본 연구는 급속혼화에서 난류장 해석의 중요성을 인식하고 혼화조의 형상 변화에 따라 달라지는 난류장을 전산유체 프로그램을 통하여 해석하였다. 그리고 혼화조 형상을 달리하며 jar-test를 수행한 결과 배플이 없는 원형 jar의 경우가 배플이 장착된 원형 jar나 Hudson jar보다 응집제의 확산에 따른 탁도 제거효율이 좋은 것으로 나타났으며, 전산유체 프로그램을 이용하여 각각 모사한 결과 벽면효과나 사류지역의 발생 등으로 배플이 없는 원형 jar가 혼화에 효과적인 난류장이 분포되는 것으로 확인되었다. 이 결과를 통해 혼화조 형상이 응집제의 확산이나 난류장의 발생에 영향을 미치는 것으로 결론 내릴 수 있다.