Bubble plume의 중첩효과가 저수지 성층파괴 효율에 미치는 영향에 대한 수리동역학적 2상-3차원 평가

Abstract

수중폭기장치로 저수지 성층을 파괴시켜 저수지 수질을 개선시키기 위한 방법이 최근 널리 이용되고 있다. 본 연구는 주요 성층 파괴기작인 Bubble Plume(공기 부력류)의 수리동역학적 거동특성과 플륨 간격에 따라 변하는 모멘텀 중첩효과가 성층파괴 효율에 어떠한 영향을 미치는지에 대하여 수행하였다. 이를 위해 전산유체(CFD) 소프트웨어를 이용한 2상(공기-물) 3차원의 탈성층모델을 개발했으며, 이로부터 계절에 따라 변하는 다양한 성층강도와 주입 공기량에 따라 변하는 비정상상태의 성층파괴 발달과정은 물론 최적 탈성층 효율을 갖는 플륨간격을 제안할 수 있었다. 모델검증을 위한 실험을 위해 대형 실험조를 개발했으며, 온도성층은 소금물을 이용했던 기존연구와는 달리 가열순환수를 이용한 자연성층을 재현시켜 수행하였다. 연구결과 탈성층 효율은 디퓨서 배치간격에 크게 영향을 받는 것으로 밝혀졌으며, 플륨간격이 수심의 약 1.5배 이내익 때 중첩영향이 강하게 일어났고, PN가 클수록 간격에 영향을 상대적으로 크게 받았다. 또한, 간격이 수심보다 작곤 때는 효율이 PN에 비례해서 선형적으로 증가한 반면 그 이상에서는 효율이 상대적으로 감소하면서 비선형적으로 증가하는 현상을 밝혀냈다. 이상의 연구결과를 통해 주입공기량은 PN가 약 1000, 디퓨서 배치간격은 수심의 1.5배일 때가 최적의 성층파괴 조건인 것으로 나타났다. The use of air diffuser system to ameliorate the reservoir by breaking stratification is now widespread. This study focuses on the hydrodynamic behavior of bubble plumes, which is the major mechanism of destratification and their combined effect of adjacent plumes on destratification efficiency. By introducing 2-phase Computational Fluid Dynamics(CFD) technique, we could suggest the optimal diffuser spacing having optimal destratification efficiency by simply analyzing the complex destratification procedures varying with the seasonal stratification intensity and bubble flow rate. Lab experiments were also carried out to verify CFD model in thermally stratified fresh water which quite differs from former researches using salts. This study showed that the mixing efficiency strongly depends on the spacing of neighboring plumes. When diffuser spacing is lower than 1.5 times the depth, the combined effect is stronger; as Plume Number(PN) is increased, the efficiency is strongly affected by spacing. If the distance is shorter than the depth of water, the efficiency increases linearly in proportion to PN. Otherwise, the efficiency increases non-linearly. These findings suggest that the combined effect should be more quantitatively taken into consideration for design and operation of air-diffuser destratification system, and recommend that the optimal destratification efficiency will be when plume number is 1000 and the spacing between neighboring diffusers is 1.5 times the depth.