• 대한기계학회:학술대회논문집
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• 대한기계학회 2008년도 추계학술대회B
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• pp.2396-2400
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• 2008

The motion of small heavy particles in homogeneous isotropic turbulence in the present of gravity is investigated using Direct Numerical Simulations (DNS) at moderate Reynolds number. The Lagrangian velocity and acceleration statistics of particles and of flow for a wide range of Stokes number, defined as the ratio of the particle response time to Kolmogorov time scale of turbulence, were obtained for the direction of the gravity and normal direction, respectively. It is found that particles lose their correction faster than the case without gravity. Then, a significant increase in the average settling velocity was observed for a certain range of Stokes number. Our focus is placed on gravitational effect on very small particles. Our simulations show that as the Stokes number reduces to zero, their mean settling velocity approaches the terminal velocity in still fluid.

• 한국수자원학회논문집
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• 제55권11호
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• pp.955-967
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• 2022

기존의 입자추적모델에서 입자의 연직방향 변위 예측은 정지 수체에서의 최종침강속도를 바탕으로 계산되었다. 그러나 난류 수체에서의 침강속도에 관한 선행 연구들은 난류가 입자의 침강속도에 영향을 미치는 것으로 보고하고 있다. 본 연구에서는 난류에 따른 침강속도의 변화 특성을 규명하고자 개수로 흐름에서 입자의 침강 실험을 수행하였다. 입자의 침강속도와 난류 특성은 각각 PTV, PIV 기법을 통해 측정하였고, 측정된 침강속도 증가율과 입자 및 난류 특성에 따른 난류 수체에서의 침강속도의 변화 특성을 분석하였다. 그 결과, 입자 직경이 Kolmogorov 길이 스케일의 1~2배가 될 때, 침강속도 증가율이 커지기 시작하였다. 본 실험 결과를 선행 연구들과 비교하였을 때, Stokes 수와 침강속도 증가율의 그래프가 입자의 밀도에 따라 각각 최댓값을 보이는 곡선 형태를 가지는 것으로 나타났다. 결론적으로, 입자의 침강속도는 개수로 흐름에서 정지 수체에서보다 빠르기 때문에, 기존의 정지 수체에서의 침강속도를 이용한 입자추적모델은 연직방향으로 바닥에 도달하는 시간을 과대산정하게 될 수 있다. 이러한 측면에서 본 연구의 결과는 입자추적모델의 성능 개선에 도움을 줄 것으로 기대된다.

• 한국물환경학회지
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• 제23권6호
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• pp.807-813
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• 2007

Settling velocity is one of major parameters determining algal biomass in water quality modeling. In this study, the settling velocity of phytoplankton was measured in reservoir and stream sites of the Nakdong River, Korea. Settling velocities of various phytoplankton species were determined by measuring algal cell biomass settled in a sedimentation cylinder. Mean settling velocities were $0.22m\;day^{-1}$ in reservoir sites and $0.33m\;day^{-1}$ in stream sites, which were relatively higher compared with other default values suggested by water quality models (e.g. $0.1m\;day^{-1}$ in CE-QUAL-W2). The lower settling velocity in reservoirs than in stream implies the adaptation of phytoplakton to low turbulence in lentic environments. Cyanobacteria showed lower settling velocity ($0.2m\;day^{-1}$) than diatoms ($0.3m\;day^{-1}$), and this phenomenon may have resulted from buoyancy mechanisms of cyanobacteria. Cell volume did not show a significant correlation with settling velocity in this study, implying that conformation factors of colonies or other factors had large effects on settling velocity of algal cells as well as cell size. The result of this study may suggest proper coefficients of settling velocity of phytoplankton in the calibration of water quality model.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제16권10호
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• pp.33-38
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• 2015

본 논문에서는 물속에서의 조립입자 침강속도에 대한 특성을 파악하기 위해 다양한 재료 및 입자크기에 대한 실험적 관찰을 수행하고 그 결과들을 재료별로 비교함과 더불어 기존에 발표된 입자침강속도 예측을 위한 경험식들과 상호비교하였다. 본 연구에서는 폴리아세탈, 유리 및 스틸의 세 가지 서로 다른 재료 및 크기로 구성된 구모양의 입자를 이용하였으며, 입자의 직경은 1mm에서 20mm까지 다양한 직경을 고려하였다. 실험결과, 조립입자의 침강속도는 아주 작은 크기(약 $50{\mu}m$ 이하)의 입자에만 적용된다고 알려진 Stokes 식과는 상당한 차이를 나타냈으며, 또한 입자의 크기에 관계없이 침강속도를 예측하는 다른 연구자들의 경험식들과도 입자의 크기 및 재료의 종류(밀도)에 따라 서로 상이한 결과를 나타냈다. 실험에서 관찰된 조립입자의 침강속도는 재료의 종류에 관계없이 입자의 크기가 상대적으로 작을 때는(약 3mm 이하) 기존의 입자 침강속도에 대한 경험식들과 유사하였으나 그 이상에서는 입자의 크기가 증가할수록 기존 경험식들과의 차이도 더 크게 발생하였다. 본 연구를 통해서 조립입자의 침강속도는 입자의 크기 및 재료밀도에 따라 상당한 차이가 발생할 수 있다는 것을 알았으며 기존 경험식들은 실제로 발생하는 조립입자의 침강속도를 잘 예측하지 못해 향후 조립입자의 침강속도를 예측하기 위해 기존 경험식들을 있는 그대로 적용하지는 말아야 하고 실험 등을 통해 검증 및 확인하는 과정이 반드시 필요하다는 것을 파악하였다. 본 연구결과는 향후 물속에서의 조립입자의 침강속도를 이해하는 데 유용한 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국방재학회 논문집
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• 제9권4호
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• pp.107-113
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• 2009

본 연구는 점착성 미립자의 침전률에 대한 플록의 영향에 관한 것이다. 연구 진행시 플록 밀도와 입경변화의 영향도 고려하였다. 플록입자의 침전속도는 정지수면에서 측정되었다. 플록 입경과 밀도는 수정된 Stokes방정식에 유체의 밀도, 입자의 밀도, 점성계수 및 측정된 침전속도와 입경과의 관계식으로부터 얻은 플록 차원을 이용하여 분석되었다. 석영과 알루미나의 플록지름은 초기농도가 증가함에 따라 증가되었으며, 염도농도의 증가에 따른 석영의 플록된 입경은 $0.8{\sim}10$ ${\mu}m$이다. 플록밀도는 입경이 증가함에 따라 감소하였다. 플록 침전속도와 입경의 관계는 로그표위에 직선식으로 표현된다. 플록 차원($=n_f$)은 초기농도가 증가할 경우 2.65이며, 염도가 증가할 때 2.93이다. 침전속도를 예측하기 위한 비례상수(n)는 제시되었으며, 그 범위는 $1{\sim}1.93$이다.

• Biotechnology and Bioprocess Engineering:BBE
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• 제9권4호
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• pp.323-325
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• 2004

To model the behavior of expanded beds with aqueous feed streams containing different amounts of glycerol, we previously developed a modified Stokes expression that correlates the terminal settling velocity of a particle of a solution with the properties of the particle (particle diameter and density) and the solution (density and viscosity). Two empirical parameters, the effective diameter of the poly-disperse resins for protein adsorption and an exponent of non-unity for $(\rho_{P}-\rho)/\mu$ term, are introduced in the modified Stokes expression. We applied the same type of the modified Stokes expression in combination with the Richardson-Zaki correlation to the published results [1], and found that the expansions of the beds with feed streams containing different amounts of E. coli homogenates can also be successfully described.

• 한국수산과학회지
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• 제32권6호
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• pp.706-712
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• 1999

해수 중에서 자연상태의 황토입자의 침강특성에 관한 연구의 요약은 다음과 같다. 1. 2,000mg/$\ell$ 황토용액에 대한 PSD 곡선은 0 min. 침강시간에서 정규분포곡선을 나타내었고 평균입도는 31.6$\mu$m, 변동계수는 $75,6\%$로써 매우 광범위한 입도의 분포상태를 보여 주었다. 그러나 침강시간이 경과함에 따라 비정규분포곡선의 양상을 나타내었다. 한편 무게누적분포곡선에서 거의 $100\%$의 입자가 20$\mu$m 보다 큰 입자로 구성되어 있었다. 2. 해수 중에서 황토입자에 대한 $V_s/(D_{bm})^{1/2}$ 비의 값은 입자의 크기가 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하였으며, 1 $\mu$m 입자를 중심으로 이 이상은 $V_s$ 가 $(D_{bm})^{1/2}$보다 크고 이 미만은$(D_{bm})^{1/2}$이 $V_s$ 보다 큰 값을 나타내었다. 20$\mu$m 크기의 입자에 대하여 $V_s/(D_{bm})^{1/2}$ 비의 값은 2,355이었다. 3. 해수 중에서 황토입자는 매우 엷은 EDL 두께 (0.4$\mu$m)를 나타냄으로써 EDL repulsive force가 거의 존재하지 않았으며, 상호 접근하는 황토입자는 모든 간격에서 LVDW attractive force가 EDL repulsive force보다 큰 값을 나타내어 항상 용이하게 floc을 형성할 수밖에 없는 조건에 있었다. 4. 해수 중의 황토입자의 $V_s/(D_{bm})^{1/2}$ 비의 값과 total interaction energy로부터 자연상태의 황토입자는 해수 중에서 외부의 강력한 전단력이 없이는 매우 확산되기 어려운 상태에 있으며, 조류의 수평운동이 적은 내만에서는 입자의 물리적 거동은 침강에 의하여 지배되는 것으로 나타났다. 5. 2,000mg/$\ell$ 황토용액에 대한 침강실험에서 대략 $22.5\%$의 황토는 격렬한 교반에도 불구하고 즉시 침강하였다. 황토농도가 400, 2,000, 10,000mg/$\ell$으로 증가함에 따라 침강특성은 개별입자침강(Type I settling or discrete settling)에서 응결침강(Type II settling or flocculation settling)의 상태로 바뀌었다. 이것은 실제 해양에서 황토입자들 끼리 floc을 형성할 정도로 많은 양의 황토를 적절한 분산장치 없이 살포하는 것은 지양해야 하며 동시에 동일한 농도의 황토용액도 살포방법에 따라 분산의 크기가 달라질 수 있음을 의미하는 것이다. 6. PVD 그래프로부터 자연상태의 황토는 급격하게 침강하는 입자와 장시간 부유하며 천천히 침강하는 입자로 구성되어 있었고 후자의 양이 전자의 양에 비하여 매우 적은 상태로 나타났다. 7. 황토를 이용하여 적조를 효과적으로 제거하기 위해서는 자연상태의 황토를 그대로 사용하기보다는 (1) 미세한 입자상태로 분쇄하고, (2) 적절한 살포장비와 분산장비를 사용하여 해수 중에서 황토입자가 넓게 부유 분산하여 적조생물과 충분한 충돌을 일으키도록 해야한다. 이것은 적어도 황토입자를 이용하여 적조를 응집 제거하려고 할 경우 피할 수 없는 기본적 원리가 되며 동시에 황토 사용량을 줄일 수 있는 하나의 방법이 된다. 8. 일반적으로 입자의 크기는 응집 및 흡착반응에 매우 중요한 인자가 된다. 황토입자는 크기가 작을수록 용이하게 분산시킬 수 있으며 더욱 효과적으로 Cochlodinium 적조를 제거할 수 있다. 실제로 어떤 황토입자의 크기가 적조 제거에 효과적인가는 현장실험을 통하여 침강속도, 수평분산범위, 적조제거효율 등을 조사하여 반드시 결정하여야 한다.

• 한국지반환경공학회 논문집
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• 제23권9호
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• pp.33-40
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• 2022

본 연구에서는 산 오염수 전처리를 위한 침전 및 중화 공정에 대해 연구하였다. 침전 및 중화 공정은 오염물질 흡착, 휘발, 생분해 혹은 산화 등과 같은 제거공정 전에 필요한 전처리 공정으로 좀 더 효과적인 제거효율을 도출해 내기 위함이다. 침전 공정에선 일반적인 퇴적토인 부산 감천항의 퇴적토를 이용하여 침강 속도, 입자 균등계수, 곡률계수 및 입도지수를 파악하였고, 이를 위해 스테인리스 스틸로 구성된 표준체 판을 사용하였다. 각 표준체의 망 단위는 4, 10, 20, 40, 80, 100, 200이며 조립된 체 상부에 건조된 퇴적토를 투하시킨 후 진동을 가하여 입경별로 분류하였다. 입경별로 분류한 건조퇴적토는 1L 크기의 임호프콘(Imhoff cone)과 200mL 메스실린더에 침강시켰다. 각 입경별 침강속도를 구한 후 스토크스의 법칙(Stokes' law)에 따라 입자의 밀도를 계산하였다. 그 결과, 사용된 건조퇴적토의 평균 입자밀도는 1.93g/cm³였으며 침강속도가 가장 낮은 값은 0.11cm/s이였다. 침강속도와 입자 밀도를 통하여 화학사고 시 입자의 침전 위치나 퇴적 가능한 범위를 알아 대비할 수 있다. 중화 공정의 경우 강한 산성을 지니고 있는 질산과 황산을 사용하였고 중화제로 수산화나트륨과 산화칼슘을 사용하였다. 질산과 황산의 산도는 2, 3, 4, 5로 선정하였고 수산화나트륨과 산화칼슘(0.1, 0.01, 0.001M)를 사용하여 중화제 사용량이 pH 7의 조건을 맞췄을 때 5v/v% 미만으로 나올 수 있는 값을 도출하였다. 가장 농도가 높은 0.1M의 중화제의 경우 가장 낮은 pH 2를 제외하고 모두 5v/v% 미만으로 충족시켰고, 0.01M의 중화제는 일부 pH에서만 충족되었으며, 농도가 가장 낮은 0.001M의 중화제는 모든 pH에서 5v/v% 미만의 조건을 충족시키지 못 하였다. 질산과 황산 모두 산화칼슘이 수산화나트륨 보다 더 적은 부피비를 차지하였고 중화에 적합한 효과를 도출하였다.

• 한국수자원학회:학술대회논문집
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• 한국수자원학회 2019년도 학술발표회
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• pp.87-87
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• 2019

흔히 진흙으로 대표되는 점착성 유사는 모래와 같은 비점착성 유사와 달리 응집 현상으로 인해 지속적으로 유사 입자의 크기가 변화한다. 응집 현상은 점착성 유사 입자의 응집 과정과 파괴과정으로 구성된다. 응집 현상 중 응집 과정은 유사 입자 간의 충돌로 인해 발생하는 것으로 이해되며, 충돌을 야기하는 메커니즘으로는 브라운 운동(Brownian Motion), 차등침강(Differential Settling), 난류 전단 (Turbulent Flow Shear)이 있다. 파괴 과정은 입자간 충돌로 인해 깨지는 것이 아닌 난류 전단(Turbulent Shear)로 인한 덩어리 분리(Massive Splitting)가 발생하는 것으로 이해한다. 이러한 유체의 특성, 흐름 특성 (난류 거동) 뿐만 아니라 유사 입자의 특성 모두의 영향을 받으며 지속적인 응집 현상을 겪는 점착성 유사 입자들은 하나의 커다란 덩어리인 플럭(Floc)을 형성한다. 형성된 플럭의 구조는 프랙탈 기하학을 따르는 것으로 이해된다. 따라서 플럭의 구조는 자기 유사성을 띠며, 플럭의 밀도는 형성된 플럭 크기의 함수가 된다. 플럭의 크기가 증가할수록 플럭의 프랙탈 차원이 감소하며, 플럭의 밀도는 감소한다. 많은 이전의 연구에서 플럭의 침강 속도를 농도에 따른 함수로 가정하고 경험식을 이용하여 산정하나, 유사 입자의 침강 속도는 크기와 밀도의 함수임을 Stokes Law를 통해 생각해 볼 수 있다. 이에 본 연구에서는 응집 현상의 결과물로 형성된 응집물의 크기와 밀도를 각각 산정하고, Stokes Law를 이용하여 침강 속도와 응집물 크기의 관계에 대한 연구를 수행하고자 한다. 보다 심도 있는 연구를 위해서는 응집 현상을 야기하는 메커니즘에 대한 이해가 필수적이다. 간소화된 응집 모형으로부터 얻어진 플럭 크기를 이용하여 프랙탈 차원, 플럭의 밀도를 산정한다. 형성된 응집물의 크기와 침강 속도의 관계에 대한 이해를 통해 보다 정확한 플럭의 침강 속도 산정이 가능할 것으로 생각된다.