3차원 격자 볼츠만 기법을 이용한 원통형 전기집진기의 EHD유동 시뮬레이션

Abstract

Electrostatic precipitator(전기 집진기), ESP, Electrohydrodynamic flow(전기수력동력학적 유동), EHD flow, Lattice Boltzmann Method (격자 볼츠만 기법), LBM; This article presents electrohydrodynamic flow (EHD flow) inside the electrostatic precipitator at room temperature and atmospheric pressure was simulated to effectively miniaturize the wire/cylinder type electrostatic precipitator. EHD flow inside the electrostatic precipitator represents a change in flow caused by corona discharge. To describe EHD flow, the governing equations for corona discharge are modeled through the Maxwell 's equation and the Kaptsov’s hypothesis and the electric forces generated by the corona discharge are combined with the fluid flow. the finite difference method (FDM) and the method of characteristics (MOC) were used to analyze the corona discharge, and lattice Boltzmann method (LBM) was used to analyze the EHD flow. The flow characteristics were defined based on the two Reynolds numbers, electric Reynolds number and hydrodynamic Reynolds number , which made four different flow characteristics. The numerical simulation was performed in three dimensional spatial coordinate at the room temperature and pressure of atmosphere to confirm the three dimensional effect. To validate this simulation, the results of the corona discharge electric field distributions were compared with analytic solution. The results were identified various flow phenomena inside the wire/cylinder type electrostatic precipitator.; 본 연구는 선/원관 형태의 전기집진기를 효과적으로 소형화하기 위해서 상온, 대기압 상태의 전기집진기 내부에서의 전기수력학적 유동(electrohydrodynamic flow(EHD flow))에 관한 시뮬레이션 연구를 진행하였다. 전기집진기 내부에서의 EHD유동은 코로나 방전(corona discharge)에 의하여 발생하는 유동의 변화를 나타낸다. EHD 유동을 묘사하기 위해서 맥스웰 방정식(Maxwell equation)과 Kaptsov의 가정(Kaptsov’s hypothes is)을 통하여 코로나 방전에 대한 지배방정식을 모델링하고, 코로나 방전에 의하여 발생하는 전기력을 유체의 유동과 결합하였다. 이를 계산하기 위한 수치해석적 방법은 유한 차분법(finite difference method (FDM))과 특성의 방법(method of characteristics (MOC))을 이용하여 비 균일격자에서 코로나 방전을 해석하였고, 격자 볼츠만 기법(lattice boltzmann method(LBM))에 대형 와류모사법(large eddy simulation(LES))을 추가하여 EHD유동을 해석하였다. 유동에 대한 특성은 두개의 레이놀즈수, 전기적 레이놀즈수()와 유체유동의 레이놀즈수()를 척도로 하여 정의되었으며, 4가지의 다른 유동 특성을 형성하였다. 수치해석 시뮬레이션은 3차원적인 효과를 보기 위해서 상온, 대기압 상태에서의 3차원 공간 좌표계를 기준으로 수행하였으며, 시뮬레이션을 검증하기 위해서 코로나 전기장의 결과를 해석해와 비교하였다. 결과로는 선/원관 형태의 전기집진기 내부에서의 다양한 유동현상이 확인되었으며, 그러한 현상들의 정의와 발생 원인에 대하여 밝히고자 결과를 분석하고 고찰하였다.