기구 탑재용 관성 임팩터의 대기 고도에 따른 포집효율 예측

Abstract

공장이나 자동차의 수가 급속히 증가하면서 대기오염이 급속히 진행되고 있다. 이러한 오염물질은 지표 부근부터 고도 높은 곳까지 공기 중을 떠다니며 이동하게 된다. 따라서 대기 에어로졸 입자의 직접적인 포집과 분석이 필요하다. 기구를 이용한 입자 측정은 소용비용이 적고, 고도별 연속적인 입자 샘플링이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 용적용량이 적고, 주변 대기의 압력 및 온도에 의해 측정기기가 영향을 받을 수 있다는 단점을 가지고 있다. 관성 임팩터는 구조가 간단하여 가공 및 경량화에 유리한 장점을 가지고 있다. 또한, 간편한 사용법으로 쉽게 측정기기를 동작시킬 수 있다. 따라서 기구 탑재용 샘플러로써 적합하다. 하지만, 주변 대기의 영향으로 측정 오류가 발생할 수 있다는 우려가 있다. 본 연구에서는 수치해석방법인 SLPT (Statistical Lagrangian Particle Tracking) 모델을 이용하여 기구 탑재가 용이한 소형 관성 임팩터를 설계하고, 고도별 포집효율 특성을 예측하였다. 특히, Brownian diffusion이 적용된 Lagrange 방법을 이용한 시뮬레이션은 기존 저압조건의 관성 임팩터 시뮬레이션과 비교하여 그 정확도를 높였다. 설계된 관성 임팩터의 체적유량을 일정하게 유지하게 되면, 포집효율은 해수면과 비교하여 고도 16 km에서 PM1, PM2.5, PM10 임팩터는 각각 52.0%, 31.2%, 22.7%의 절단직경 감소율을 보였다. Stokes scaling을 적용하여 체적유량을 보정하여 고도가 변할 경우 관성 임팩터의 포집효율이 변하게 되는 문제점을 해결하였다. 이렇게 보정된 체적유량을 적용하여 PM1, PM2.5 PM10 임팩터의 절단직경은 해수면과 비교하면, 고도 16 km에서 절단직경의 상대오차는 각각 5.1%, 7.3%, 10.6%이내로 일정하게 유지되었다.