상승하는 다중-버블 유동에서의 열 혼합 영향에 대한 수치적 연구

Abstract

본 연구는 버블링을 통한 열 혼합 특성을 버블의 형상, 버블간의 수직거리, 버블간의 수평 거리에 따른 열 혼합 특성을 분석하였다. 버블은 생성, 붕괴, 합침이 유동에 의하여 발생함으로 이것을 수치적으로 모사하는 방법이 연구 중이다. 현재 혼합공정시의 버블링의 제어는 실험적인 방법을 통해 진행되고 있으며, 새로운 교반시설 설계하는 경우, 대부분의 공정이 실험에 의존을 하는 방법이 이용되고 있다. 이차원 단일 버블에 대한 수치적 연구가 활발히 진행 됐으며, 현재 삼차원 단일 버블의 형성과 성장 까지 진행이 되었다. 그러나 산업현장에서 사용되는 다중 버블 링의 혼합공정은 수치 해석적으로 현시점에서는 구현이 사실상 불가능 하다. 이는 혼합정도의 계산은 다양한 변수와 버블간의 상호 작용 생성과 깨짐이 연속적으로 일어나기 때문에, 현 연구시점에서 변수를 모두 고려하여 삼차원 혼합특성의 해석은 용의하지 않은 실정이다. 본 연구에서는 다중버블의 현상을 단일 버블상승 현상과으로 동일하게 가정하여, 유동장 내의 열 혼합 정도를 계산하였다. 다중버블의 경우 상승하는 속도는 기체와 작동유체의 밀도차이, 표면장력, 버블의 특성직경에 의해 결정 된다. 버블의 배열은 버블의 특성지름에 비례하여, 수직방향과 수평방향으로 1D부터 5D, 버블의 비틀림 각은 0°, 30°, 60° 로 선정하였다. 혼합특성은 버블형상의 평균적인 Cd 값과 버블간의 간격이 주된 영향을 주었으며, 비틀림 각은 상대적으로 작은 변화를 보여주었다.