분사각도에 따른 정류격자 길이 유동해석 결과

유동해석은 3.2.5절에서 언급한 바와 같이 분사각도를 35° 와 90° 두 가지로 구분하였고, 각 조건에서 노줄 정류격자의 길이를 3 cm, 4 cm, 5 cm 로 다양화 하였을 때 나타나는 분사거리의 변화를 확인하고자 하였다. 해석 방법에는 35°

분사의 경우 시간에 따른 변화가 없는 정상상태 해석으로 계산하였고, 90° 분사 의 경우 시간에 종속된 비정상상태로 해석을 수행하였다.

분사거리에 대한 정의는 35° 분사각도의 경우, 노즐에서 분사된 물이 노즐과 동일한 높이에 도달하기까지의 최소거리로 하였다. 90° 분사각도의 경우, 노즐 에서 분사된 물이 가장 높은 위치에 도달한 높이로 정의하였다.

5.1.2.1 35° 분사각도의 경우

Mobile Water Monitor의 해석 중 분사각도가 35°인 경우, 분사된 물은 중력에 의한 대기 조건과의 밀도 차이로 인해 포물선을 그리며 낙하하게 된다. 이러한 물의 형상은 시간에 지남에 따라 변화하지 않고 일정한 모습을 보이기 때문에 정상상태를 가정하여 해석을 수행하였다.

가. 유체 속도를 활용한 비교

Fig. 81은 분사된 청수의 속도구배(velocity gradient)를 시각화한 그림이다.

분사거리는 위에서 설명한 정의를 바탕으로 a선을 기준으로 하였다. 속도구배를 기준으로 분사거리를 표현한 경우 각각의 노즐 정류격자 길이에서 유속이 강하게 나타난 거리는 3 cm = 40 m, 4 cm = 44 m, 5 cm = 42 m로 노즐 정류격자의 길이 4 cm에서 물의 분사 길이가 가장 길었다. 이러한 분사거리에 대한 해석 결과는 Fig. 82를 통해서 분명하게 확인할 수 있다. Fig. 82는 Fig. 81의 a선을 기준으로 한 분사거리와 유체속도의 관계를 나타낸다. 검정색, 빨간색, 그리고 파란색은 각각 노즐길이 3 cm, 4 cm, 5 cm의 결과이다.

이러한 결과는 관을 지나며 유동의 구배가 발달하는 현상을 완화하기 위한 목적으로, 다시 말하자면 채널의 유동을 안정화하기 위해 설치된 분사 노즐의

정류격자가 405,300 Pa (= 4 atm)의 입구조건의 경우 4 cm에서 가장 우수한 성능을 보였다.

Fig. 81, Fig. 82와 같이 유체의 속도를 기준으로 분사거리를 표현할 경우, 두 가지 영역이 관찰된다. 첫 번째로 약 15 m의 넓은 영역에 걸쳐 속도 구배가 나타나는 영역이 있었다. 앞서 언급한 속도구배에서의 분사거리는 이 영역을 기준으로 표현한 것이다. 두 번째로 이러한 약 15 m의 영역 중에서도 b로 나타 낸 약 5 m의 영역 내에서는 강한 유체속도가 관찰된다. 여기에서 유체 속도는 분사되는 청수와 대기의 공기를 구분하지 못한다. 그러나 실제 소화노즐에서 분사되는 물의 모습은 Fig. 83과 같이 약 1 ~ 2 m 직경의 원형으로 나타나기 때문에, 이렇듯 속도구배를 활용하여 분사거리를 나타내는 것은 현실적이지 못 하다.

나. 물의 체적 분율을 활용한 비교

Mobile Water Monitor의 해석을 위해서는 대기의 공기를 제외한 분사된 청수만을 대상으로 한 현실적인 해석결과가 필요하다. 그렇기 때문에 Fig. 84를 통하여 청수의 체적 분율(volume fraction)을 기준으로 분사거리를 다시 나타내 었다.

Fig. 84에서 분사거리는 노즐 정류격자의 길이 3 cm = 44 m(Fig. 84a), 4 cm

= 47 m(Fig. 84b), 5 cm = 45 m(Fig. 84c)이고, 위와 동일하게 분사거리를 확인 하기 쉽도록 Fig. 85를 통해 그래프로 나타내었다. 속도구배를 나타낸 Fig. 85와 마찬가지로 물의 체적 분율로 나타낸 해석에서도 노줄 정류격자의 길이 4 cm 에서 분사거리가 가장 길게 나타났다. 또한 Fig. 85, Fig. 85에서 c의 영역으로 표시한 것과 같이 약 1 ~ 2 m 영역에 걸쳐 구배(gradient)가 나타나므로 앞서 보인 속도구배를 활용한 해석보다 더욱 현실적이라 할 수 있다.

Fig. 81 Fluid Velocity Gradient of Stabilizer(a: 3 cm, b:

Fig. 82 Fluid Velocity Graph of Each Stabilizer at 35° Throw Angle

Fig. 83 Throw Picture of Mobile Water Monitor

Fig. 84 Water Volume Fraction of Each Stabilizer( a: 3

Fig. 85 Water Volume Fraction Graph of Each Stabilizer at 35°

Throw Angle

5.1.2.2 90° 분사각도의 경우

Mobile Water Monitor의 해석 중 분사각도가 90°인 경우, 분사된 물은 중력 에 의한 대기 조건과의 밀도 차이로 인해 분수대에서 볼 수 있는 물의 형태로 낙하하게 된다. 이러한 물의 형상은 점성력 보다는 관성력에 종속되게 된다. 다 시 말하자면 난류성이 강하게 작용하기 때문에 시간이 지남에 따라 액적의 형 태가 다양하게 변화하므로 비정상상태를 가정하여 해석을 수행하였다.

1) 유체 속도를 활용한 비교

Mobile Water Monitor의 운용 조건에는 수직분사도 포함되어 있으므로 90°의 분사각도를 대상으로 한 전산유동해석을 수행하였다. 35°분사각도의 해석과 마 찬가지로 Fig. 86를 통해 분사된 청수의 속도구배를 시각화하였다. 속도구배를 기준으로 표현한 경우, 분사거리는 각 각의 노즐 정류격자 길이에 따라 3 cm

= 25 m, 4 cm = 27 m, 5 cm = 25 m 로 나타났으며 이 중 4 cm 에서 청수의 분사거리가 가장 길었다. 이것은 35°분사각도의 실험과 동일한 결과이다. 이러한 분사거리에 대한 해석을 분명하게 확인할 수 있도록 Fig. 87을 통해 그래프로 나타내었다. Fig. 87은 Fig. 86의 D선을 기준으로 한 분사거리와 유체속도의 관 계를 나타낸다. 이 D선은 노즐 출구 중심의 수직선이다. 각각의 정류격자 길이 3, 4, 5 cm 에 따라 검정색, 빨간색, 그리고 파란색으로 표현하였다.

2) 물의 체적 분율을 활용한 비교

35° 분사각도와 동일하게 90° 분사각도의 경우에도, Fig. 88을 통해 청수의 체적 분율(volume fraction)을 기준으로 분사거리를 다시 나타내었다. Fig. 88에서 Mobile Water Monitor의 분사거리는 노줄 정류격자의 길이 3 cm = 25 m(Fig.

88a), 4 cm = 26 m(Fig. 88b), 5 cm = 25 m(Fig. 88c)으로 나타났다.

분사거리를 확인하기 쉽도록 Fig. 89를 통해 청수 체적 분율과 분사거리와의 관계로 그래프로 나타내었다. 35° 분사각도와 동일하게 90°분사각도의 경우, 물의 체적 분율로 나타낸 해석에서도 노줄 정류격자의 길이 4 cm에서 분사거리가

Fig. 86 Fluid Velocity Gradient of Stabilizer(a: 3 cm, b:

4 cm, c: 5 cm) at a 90° Throw Angle

Fig. 87 Fluid Velocity Graph of Each Stabilizer at 90° Throw Angle

Fig. 88 Water Volume Fraction of Each Stabilizer( a: 3 cm, b: 4 cm, c: 5 cm) at 90° Throw Angle

Fig. 89 Water Volume Fraction Graph of Each Stabilizer at 90°

Throw Angle