오목한 타원 곡면의 충돌판을 사용한 관성 임팩터의 포집효율에 관한 연구

Abstract

관성 임팩터(inertial impactor)는 실내·외 공기중에 존재하는 입자를 분석하거나 샘플링 할 때 널리 사용되는 장치이다. 간단한 구조이면서 가공이 용이하고 작동법 또한 쉬워서 입자의 분류나 분석이 용이하다는 장점이 있다. 대기 중 에어로졸(aerosol)의 입자 크기 분포를 측정할 수 있기 때문에 인체에 유해한 공기 중 먼지의 농도 수준도 파악이 가능하다. 이러한 관성 임팩터는 예전부터 많이 연구되어져 왔으며, 입자의 포집효율에 관한 연구가 대부분이었다. 기존의 연구는 대부분 임팩터에 추가적인 에너지가 필요하거나 구조적인 변경이 필요해 기존에 사용하던 임팩터의 효율을 높이는 것이 용이하지 않다. 본 연구에서는 간단하게 충돌판(impaction plate)의 형상만을 교체할 때, 임팩터의 포집효율(collection efficiency)의 변화를 관찰하였다. 이 연구는 관성 임팩터에서 충돌판의 형상이 포집효율에 미치는 영향을 수치해석적인 방법으로 연구하였다. 임팩터의 유동장은 상용 CFD 코드를 이용하여 2차원 비압축성 층류 모델로 해석하였다. 입자의 궤적과 포집은 gravity, Stoke's drag with slip correction 과 Brownian diffusion을 고려하여 계산하였다. SLPT model 을 이용하여 충돌판의 형상이 달라짐에 따라 임팩터의 포집 효율이 달라지는 것을 확인 할 수 있었다. 여러 종류의 충돌판 형상 중에서 가장 포집 효율이 좋은 형상은 타원형(elliptical) 충돌판으로 나타났다. 이 연구에서는 일정한 Re 수 (1440 ~ 2600) 범위내에서 임팩터의 직경을 변경하면서 타원형 충돌판의 형상 즉 장·단축 길이비에 따른 포집효율을 계산하였다. 그 결과, 타원형 충돌판 의 최적의 장·단축 길이비를 얻을 수 있었고 root(Stk50)은 0.49에서 최대 0.3까지 줄어드는 것을 확인하였다. 최적의 장·단축 길이비를 가진 타원형 충돌판을 이용하여 MST air sampler에 적용시켰을 때, PM10은 절단입경(cut-off size)이 6.7 µ m로 감소 되었고, PM2.5의 절단입경은 1.3 µ m로 감소하는 것으로 예측되었다.