Investigation of Deposition and Resuspension of Black Carbon Particles according to Tree Species

Abstract

국내의 도심에 다수 식재되어 있는 9종류의 가로수종에 대하여 그을음 입자 침착 및 재비산 특성을 분석하기 위해 실험적 방법을 통하여 연구하였다. 수목이 그을음 입자에 대해 노출될 때 유동 방향의 단면에 대해 다양한 유속의 발생 가능성 및 입자 균일도가 확보되도록 CFD 상용코드인 ANSYS FLUENT Release 17.0을 이용하여 폭로 체임버 내에 test section을 설계안을 도출하였다. 도심 지역에서 다수 부유하고 있는 미세먼지 발생원 중에서 디젤 엔진과 같은 차량에서 발생하는 그을음 입자는 확산 화염 버너(Diffusion flame burner)에서 아세틸렌(C2H2) 가스와 질소(N2) 가스를 주입하여 불완전 연소를 통해 그을음 입자를 발생시켰다. 본 연구에서는 국내의 도로변 또는 도시숲에 다수 식재되어 있는 산철쭉, 이팝나무, 쥐똥나무, 느티나무, 스트로브잣나무, 중국단풍나무, 무궁화, 동백나무, 백합나무로 선정하였으며 다양한 풍속이 발생 가능한 test section 수목을 한그루씩 배치하였고, 그을음 입자는 폭로 체임버 유입구로 주입되어 수목을 통과하여 외부로 배기되도록 하였다. 수목별 침착 정도 비교는 test section 내 수목을 기준으로 upstream과 downstream에서 입자 수농도를 측정하여 침착속도를 산출하여 비교하였으며, 재비산 정도 비교는 동일한 시간(90분)을 기준으로 downstream에서 떨어져 나오는 입자 수농도를 측정하여 재비산 총 입자개수를 산출하여 비교하였다. 본 연구를 통하여 수목별 나뭇잎의 표면 거칠기와 외부 유동에 의한 수목의 흔들리는 양상 및 나뭇잎 간 공간에서의 난류 특성이 변하는 등의 이유로 입자상 물질의 침착 및 재비산 정도에 차이가 있다는 것을 확인하였다. |This study investigated the soot particle deposition and resuspension characteristics of nine species of roadside trees abundant in city centers in Korea using an experimental method. A test section in an exposure chamber was designed using Ansys Fluent release 17.0, a commercial computational fluid dynamics (CFD) software, to ensure variability of flow and particle uniformity in the cross section in the direction of the flow when a tree is exposed to soot particles. Further, soot particles generated from vehicles, such as from diesel engines, were simulated through incomplete combustion performed by injecting acetylene (C2H2) and nitrogen (N2) gases from a diffusion flame burner. The nine tree species were Rhododendron yedoense, Chionanthus retusus, Ligustrum obtusifolium, Zelkova serrata, Pinus strobus, Acer buergerianum, Hibiscus syriacus, Camellia japonica, and Liriodendron tulipifera, which are commonly planted on the roadside and in urban forests in Korea. Each tree was placed in a test section with variable wind speeds, and soot particles were injected into the inlet of the exposure chamber, passed through the tree, and exhausted to the outside. The rate of soot particle deposition on the various trees was estimated by measuring the particle count upstream and downstream from each tree in the test section. The resuspension from the trees was determined by estimating the total number of particles that were resuspended by measuring the number of particles that flowed downstream for 90 min for each tree species. The study showed that the deposition and resuspension of particles varied depending on the tree species owing to various reasons, including variations in the roughness of the leaf surface, the shaking pattern of the tree due to external flow, and the turbulence in the spaces between leaves.