다중 펌프 흡수정에서 발생하는 Vortex 수치 해석에 관한 연구
Numerical Analysis on the Flow Vortex in a Multi Pump Intake using a Pump Sump Model
박노석 ＊ ․김성수․현상락․박종호․안영석
No-Suk Park
＊․Seong-Su Kim․Sang-Rak Hyun․Jong-Ho Park․Young-Seog Ahn
한국수자원공사(2010년 2월 16일 접수 ; 2010년 4월 1일 수정 ; 2010년 4월 9일 채택)
Abstract
In order to suggest the methodology for achieving anti-vortex within multi pump intake well, the field test and CFD(Computational Fluid Dynamics) simulation were conducted. The filed test were carried out for domestic W_multi pump intake well according to usual operation condition through the naked observation. From the results, operating ＃4, ＃5, ＃8 and 9＃ pumps, the vortex and swirl occurred above ＃4 and ＃9 intake pipe within two wells. For qualitative analysis, a commercial CFD code, using sump model, was used to predict the vortex generation within the selected pump intake facility accurately. The analysed results by CFD show that the vortex structure and location are in accordance with the results of the field test.
Key words : vortex, Multi pump intake well, CFD(Computational Fluid Dynamics), Qualitative analysis 주제어 : 와류, 다중 펌프 흡수정, 전산유체역학, 정성분석
＊Corresponding author Tel:+82-42-870-7525, Fax:+82-42-870-7549, E-mail: [email protected](Park, N.))
1. 서 론
통상적으로 정수처리 공정 내에서 수체의 이동은 자연유 하를 기본으로 하고 있다. 그러나 댐, 저수지 및 하천으로부 터 원수를 취수하여 정수장으로 유입시키거나(도수), 정수 지에서 염소 소독을 마친 정수를 고도가 높은 배수지로 송수 하기 위해서는 펌프를 사용하게 된다. 이때 개방된 수조(예:
취수장)에서 펌프를 이용하여 갑작스럽게 물을 원거리로 송 수하는 경우 발생하는 수위의 급감은 흔히 vortex(와류)와 swirl(선회류)를 발생시킨다. 수조에서 펌프로 유입되는 흡 입관 주위에서 강한 vortex와 swirl이 발생하면 자유표면에 서 공기를 동반한 vortex와 흡입구 아래에서는 국부적인
압력저하로 인하여 캐비테이션(cavitation)이 발생하게 된 다(최종웅 등, 2009). 이러한 유동 환경으로 인하여 펌프의 효율 저하, 진동 및 소음 문제를 일으킬 수 있는데, 수처리 측면에서는 vortex에 의해 발생된 공기가 미세기포로 분쇄 되어 수체와 함께 정수처리장으로 이송되어 착수정 및 이후 공정에서 심각한 스컴 문제를 발생시키기도 한다(한국수자 원공사, 2009).
스컴은 수질적으로 원수에 조류가 많이 번식하는 경우에 발생하기도 하나, 수리 동역학적으로 착수정에 도수된 원수 에 미세기포가 많은 경우, 특히 혼화공정이 관내 혼화장치가 설치되어 있어 수체에 존재하는 미세 기포가 유출될 통로가 적을 때 그 문제는 더욱 심각하다. 스컴이 정수처리 공정에
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Fig. 1 흡수정에서 발생하는 와류
발생하여 수질적인 문제를 유발할 가능성은 거의 없다. 그러 나, 정수처리 공정에 있어서 응집지 및 침전지 수체 표면을 덮게 되면서 미관적으로 좋지 않으며, 정수처리 시설 운영에 있어서 침전슬러지 배제설비를 통하여 제거되지 않고 인력 으로 제거를 해야 하는 문제를 유발하게 된다.
흡수정에서 발생하는 와류 및 선회류의 연구는 수처리 분 야보다는 유체 기계분야에서 그 연구가 더욱 더 활발하게 진행되어 왔다. 특히, Padmanabhan과 Hecker는 흡수정에 서 펌프 흡입관 주위에서 발생하는 와류의 형태를 정의하고 규모별 실험을 통하여 흡수정의 축적 비율에 대하여 와류의 형태를 Froude수에 의하여 분류하였다.(Padmanabhan &
Hecker, 1984) Lajendran 등은 사각 채널안의 수직 흡입 관을 포함한 흡수정 내의 3차원 난류유동을 수치 해석하여 그 결과를 실험을 통해 검증하였으며(Lajendran et al., 1998), Lee는 흡입관 주위의 자유표면과 자유 표면 아래에 서 발생하는 와류를 가시화 하였고, Nagahara 등은 흡입수 조 내 유로방향으로의 불균형 속도에 의한 흡입관 주위의 유동 구조에 대하여 실험과 수치해석을 수행하였다 (Nagahara 등, 2003). 또한, 일본터보기계협회에서는 펌프 흡입수조에 대한 규격을 재개정하였으며, 동일한 해석 대상 에 대하여 여러 종류의 해석 프로그램을 사용한 수치해석의 활용가능성을 검토하였다(일본터보기계협회, 2005).
펌프의 흡수정에서 와류 및 선회류를 방지하는 데에는 흡수정의 형상과 치수 및 펌프의 성능과 운전 상태 등이 큰 영향을 주는데, 흡수정의 형상 및 치수에 따라 유황이 변화 하고, 공기 흡입 또는 수중 와류가 발생하면 소음과 진동이 발생한다. 특히 상기 언급한 수처리 공정 상에 스컴 발생뿐 만 아니라 펌프의 효율 측면에서는 성능 저하와 양수 불능의 원인이 되기도 한다.
와류가 발생하지만 흡입구에서 공기를 흡입하지 않는 와류 이며, 두 번째는 단속 와류로서 공기 흡입 와류의 일종으로 수면으로부터 와류가 흡입구까지 도달하지만 공기의 흡입 이 공간적으로 단속적인 것이다. 세 번째는 연속 와류로서 이 또한 공기 흡입 와류의 일종으로 단시간에 수면으로부터 와류가 흡입구에 도달하지만 공기의 흡입이 연속적인 경우 이고, 네 번째 동심 와류는 수위가 흡입구 부근까지 내려갔 을 때 발생하며, 와류의 중심과 흡입구의 중심이 일치하게 되면 많은 양의 공기가 흡입될 수 있다. 마지막으로 수중 와류는 흡입구 바닥면, 측면 벽 또는 뒷 벽면의 구조에서 발생하는 와류와 중심에서 캐비테이션을 형성하고 있는 것 이다(일본터보기계협회, 2005).
이에 본 연구에서는 국내 O_정수장에 원수를 취수하여 도수하고 있는 W_취수장 흡수정을 대상으로 발생하고 있는 와류와 선회류를 수치해석 기법을 통해 분석하고 그 방안을 제시하고자 하였으며, 우선 본 논문에서는 현장 실험과 전산 유체해석(CFD, Computational Fluid Dynamics)기법을 이용하여 각 흡수정에서 발생되는 와류의 정성적 검증을 수 행하고, 운전되는 시나리오에 따라 생성되는 와류의 패턴을 분석한 결과를 기술하였다.
2. 시설현황 및 현장실험
Fig. 2와 Fig. 3은 현재 운전 중인 국내 W_취수장의 구조 를 나타낸 것이다. Fig. 2는 치수가 포함된 CAD도면이며, Fig. 3는 이해를 돕기 위해 전체 geometry를 상용 CFD프로 그램인 CFX 11.0 Pre-Processor를 이용하여 도시한 것이 다. 그림에 도시된 바와 같이, 총 10개의 펌프가 설치되어 있으며, 각각의 펌프 흡입관은 분할된 10개의 흡수정 바닥
Fig. 2 W_취수장 흡수정 도면(geometry 치수포함)
(a) 전체 그림(b) Back-View
Fig. 3 CFD 해석을 위한 Pre processing Framework
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water curtain(Fig. 3 (a)에서 표시된 파란색 막대) 이 설치 되어 있다. W_취수장에서의 현장실험은 2009년 9월 10일 부터 9월11일 이틀간 수행되었는데, 번호가 매겨진 펌프 중
＃4, ＃5, ＃8 그리고 ＃9번의 펌프가 동일하게 4,752 m3/hr로 원수를 취수하여 약 27km의 관로를 통하여 O_정 수장으로 도수하는 과정에 각 흡수정에서 발생되는 와류 및 선회류를 육안관찰 하였다. 육안관찰은 재현성을 위해 총 6번 수행하였으며, 수면변화를 사진 및 동영상으로 촬영하 였다.
3. CFD 해석
본 연구에서 흡수정에서 발생하는 와류를 해석하기 위해 적용한 CFD는 수작업으로 해석이 불가능한 복잡한 구조물 내의 유동장해석을 FVM(Finite Volume Method)기법을 이용하여 작은 격자로 분할하여 각각의 경계조건을 두어 해 를 구하는 방법이다. 본 연구에서 상용전산유체 프로그램인 CFX 11.0을 사용하였다.
3.1 격자 작업
Fig. 4는 해석 Domain에 적용된 격자를 보여주고 있다.
격자로는 Tetra 격자를 적용하였고, 벽 근접영역의 속도 구 배를 모사하기 위해 벽 쪽으로 Prism 격자를 적용하였다.
사용된 격자수는 약 280만 개의 Node가 사용되었다. 수면 변화관측과 초기 계산의 안정성을 확보하기 위하여 물과 공 기의 경계면에 조밀한 격자를 적용하였다.
3.2 해석 Domain 설정
본 연구에서 CFD모사는 자유 표면의 유동을 해석하므로 유체를 공기와 물로 구분하여 설정하였다(Fig. 4참조). 또 한 밀도차에 의해 유동이 발생할 것을 예상하여 buoyance (부력) 모델을 적용하였다. 난류해석을 위해서는 standard k-ε모델을 적용하였으며, 자유표면에서 발생하는 와류의 구현을 위해 Free surface 모델을 적용하였다.
3.3 경계조건
수치모사를 진행하기 위해서 설정하여야 할 경계조건으 로 각 관로벽면, 측벽 및 바닥은 No-Slip Condition을 적용 하고, 잘 알려진 Prandtle 이론에 의해 유체의 점성에 의한 표면 박리현상이 발생한다는 가정을 적용하였다(Currie, 1993).
3.4 입출구 조건
10개의 흡수정에 설치된 펌프를 통하여 물이 영역 밖으로 유출되는 현상이므로, 각 파이프의 끝단 출구 조건은 아래 Table 1과 같이 정리하였다.
Pump ＃4, ＃5,＃8, ＃9 Flow rate : 4,725 m3/hr Inlet condition Hydrostatic pressure Initial surface height 3.7(m)
Table. 1 입출구 조건
#4, 5, 8, 9번 펌프 외 작동되지 않는 펌프에 대해서는 벽면 조건을 사용하여 유량이 유입 또는 유출되지 않도록 설정하였다. 공기영역 상부는 실제 대기와 접촉하고 있으므 로 대기 압력 조건을 설정하였으며, 입구는 정수압이 작용하 도록 하고 출구에서 유출되는 유량만큼 유입상태를 유지하 도록 하였다.
4. 결과 및 고찰
4.1 현장실험 결과
현장실험으로 W_취수장에서 2009년 9월 10일부터 9월 11일 이틀간 ＃4, ＃5, ＃8 그리고 ＃9의 펌프가 가동될 때 발생되는 와류 및 선회류를 사진 및 동영상으로 촬영한 결과를 다음 Fig. 5에 도시하였다.
Fig. 5에서 나타낸 바와 같이, ＃4 흡수정 왼편 벽쪽과
＃9 흡수정내 흡입관 부분에서 와류와 선회류가 발행하고
Fig. 5 현장 실험결과(흡수정에서 발생되는 와류 사진촬영 결과)
Fig. 6 자유 수면에서의 속도 벡터
시 발생한 와류는 공기 흡입 와류이며, 흡수정 내 발생위치 는 불규칙하게 변화는 것으로 관측되었다. 또한 와류의 크기 는 ＃9 흡수정 내에서 발생하는 와류가 ＃4흡수정 보다 작은 것으로 나타났다.
4.2 CFD 모사 결과
다음 Fig. 6은 자유 수면에서 발생되는 흐름 양상을 벡터 (vector)로 표시한 것이다. 그림에서 나타난 바와 같이, ＃ 4, ＃8 그리고 ＃9 흡수정에서 강한 와류가 형성되는 것을 알 수 있다. 현장 실험결과와 비교시 ＃8흡수정에서는 와류
가 육안 관측되지 않았음에도 CFD모사에서는 약하지만 발 생하는 것으로 나타났다. 이는 정확한 벽면의 상대조도 및 각 펌프의 흡입량을 실측하여 입력 값으로 설정하지 못한 것에 기인한 것으로 판단된다. 또한 ＃8흡수정에서 발생한 와류의 종류가 육안 관측이 가능한 공기흡입 와류인지 아님 수중 와류인지 수면에서 육안관측으로는 판단하기 어려운 것도 그 이유가 된다.
CFD를 이용하여 펌프 흡입 흡수정에서 발생하는 와류 및 선회류를 모사하는 것은 발생 양상이 시간에 따라 불규칙 하게 변함에 따라 정량적으로 모사하는 것이 불가능하다.
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Fig. 7 수심 3.08m에서의 속도 벡터
Fig. 8 흡입관으로 유입되는 streamline
시간 및 수위 저하에 따라 발생되는 와류는 Fig. 1에서 언급 한 각각의 종류가 변화하면서 나타나게 된다(최종웅, 2003). 이에 CFD 모사 결과에서 나타난 와류가 추후 정수 처리공정에서 스컴을 발생시키는 공기 흡입 와류인지를 확 인하기에는 무리가 있다. 다음 Fig. 7은 바닥면으로부터 수 심 3.08 m가 되는 수면에서 발생하는 속도장을 벡터로 표 현한 것이다. 와류의 발생 패턴은 Fig. 6의 자유 수면에서 속도 벡터와 거의 유사한 것으로 나타나며, 마찬가지로 ＃4,
＃8 그리고 ＃9 흡수정에서 강한 와류가 형성되는 것을 알
하가 발생되어 지점별 최소 수심이 3.08 m까지 감소되는 것으로 나타났기 때문이다.
다음 Fig. 8는 자유 수면에서 시작된 water parcel이 이동 하여 흡입관까지 도달하는 경로를 나타내는 streamline을 도시한 것이다. 그림에서 나타나듯이 ＃4, ＃8 그리고 ＃9 흡입관 상부에서 강한 맴돌이가 발생하는 것으로 나타났으 며, 이와 같은 와류는 공기 흡입으로 이어지며, 추후 정수처 리공정으로 이송된 원수에 미세공기 포함됨에 따라 공기와 의 접촉면이 큰 수처리 공정(예 : 침전지)내에서 심각한
5. 결 론
본 연구에서는 원수를 취수하여 도수하고 있는 국내 한 취수장내 10개의 흡수정을 대상으로 발생하고 있는 와류 와 선회류를 수치해석 기법을 통해 분석하고 그 방안을 제 시하고자 하였는데, 우선 본 논문에서는 현장 실험과 CFD (Computational Fluid Dynamics)기법을 이용하여 각 흡 수정에서 발생되는 와류의 정성적 검증을 수행하고, 운전되 는 시나리오에 따라 생성되는 와류의 패턴을 분석한 결과를 기술하였다. 이에 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 현장 실험결과 본 연구의 대상이 된 10개의 흡수정 및 펌프의 운전에 있어서 ＃4, ＃5, ＃8 그리고 ＃9의 펌프 가 각각 일정한 유량(4,725 m3/hr)으로 원수를 도수하는 경우, ＃4과 ＃8 흡수정 흡입관 상단에서 공기 흡입 와류와 선회류가 발생하는 것을 육안 관측하였다. 또한 와류의 크기 는 ＃9흡수정 내에서 발생하는 와류가 ＃4흡수정 보다 작은 것으로 나타났다.
2) 각 흡수정에서 발생되는 와류의 정성적 검증 및 운전되 는 시나리오에 따라 생성되는 와류패턴을 분석하기 위하여 수행한 CFD 모사결과, 현장실험과 동일한 조건의 경우 ＃4,
＃8 그리고 ＃9 흡입관 상부에서 강한 맴돌이가 발생하는 것으로 나타나는 것으로 관측되었다. 현장 실험결과와의 검 증에 있어서 ＃8흡수정에서는 와류가 육안 관측되지 않았음 에도 CFD모사에서는 약하지만 발생하는 것으로 나타났다.
이는 정확한 벽면의 상대조도 및 각 펌프의 흡입량을 실측하 여 입력 값으로 설정하지 못한 것에 기인한 것으로 판단되며, 또한 ＃8흡수정에서 발생한 와류의 종류가 육안 관측이 가 능한 공기흡입 와류인지 수중 와류인지 수면에서 육안관측 으로는 판단하기 어려운 것도 원인이 된다.
3) 본 연구에서는 와류 방지 대책(Anti-vortex)을 제안 하기 이전에 취수장내 펌프 가동시 흡수정에서 발생되는 와 류 및 선회류의 CFD 모사 가능 여부 및 정성적 검증에 초점 을 맞추었다. 이러한 과정에서 시간 및 수위 저하에 따라 발생되는 와류의 종류가 수시로 변화하면서(공기 흡입 와류
↔ 수중 와류)나타나게 정량 자체는 정확하게 모사할 수 없 으나 실제 발생되는 지점을 정확하게 예측할 수 있는 것으로 나타났다. 이에 추후로 현재 문제가 되고 있는 흡수정 와류 의 방지대책을 제안하는 연구를 수행하고자 한다.
