CFD 모사 기법을 이용한 하수처리장 침사지 유입수로 유량 분배 균등성 제고 방안 도출에 관한 연구

A study on the Evenness Improvement of Influent Flow rates Distributed to Parallel-arrayed Grit chambers using CFD simulation technique

Article information

J Korean Soc Environ Eng. 2023;45(5):225-234
Publication date (electronic) : 2023 May 31
doi : https://doi.org/10.4491/KSEE.2023.45.5.225
1Department of Civil Engineering and Engineering Research Institute, Gyeongsang National University, Republic of Korea
2K-water Research Institute, Republic of Korea
김나영1orcid_icon, 윤석민1orcid_icon, 김성수2orcid_icon, 이영주2orcid_icon, 박노석,1,orcid_icon
1경상대학교 토목공학과 및 공학연구원
2K-water 연구원
Corresponding author E-mail: nspark@gnu.ac.kr Tel: 055-772-1798
Received 2023 April 4; Revised 2023 April 26; Accepted 2023 April 26.

Abstract

목적

본 연구에서는 실제 하수처리에 적용되고 있는 침사지 분배 수로를 대상으로 각 4개의 침사지로 유입되는 유량의 균등 정도를 실측하고, 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 이용하여 수리 구조물의 개선안을 제시하고자 하였다.

방법

본 연구에서는 침사지 유입 분배수로 수리 구조물을 통해 분배되는 유량을 측정하기 위해 이동형 초음파 유량계를 사용하였으며, 이를 검증하고 개선안 도출을 위해 전산유체역학 기법을 이용하였다.

결과 및 토의

비만관 유량계를 이용한 실측과 CFD 모사 결과로부터 본 연구의 대상이 된 침사지 분배 수로 (4개의 outlet) 통과 유량은 편중 현상이 심각한 것으로 나타났다. 양 끝단 outlet 1과 4의 분배수로 통과 유량은 중앙부에 설치된 outlet 2와 3 수로에 비해 20% 이상 차이가 나타나는 것으로 측정되었다.

결론

CFD 모사 결과로부터 수위, 유량 및 4개 분배수로 통과 유량의 백분율 데이터를 검토해 본 결과 case 4(양쪽 정류벽을 설치하는 안) 경우가 유량 균등 분배 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다. 그런데 case 4와 case 6 의 수위를 비교한 결과 case 4의 경우 양쪽 정류벽이 저항체로써 영향이 손실 수두가 급격히 증가할 거라고 예상할 수 있다.

Trans Abstract

Objectives

The objectives of this study are to assess the degree of uniformity of the flow rate flowing into four grit chamber for actual waste water treatment and to to improve hydraulic structure of the existing distribution channel.

Methods

Mobile ultrasonic flow meter was used to measure each flow rate flowing into four grit chambers, and the CFD technique was used to suggest several hydraulic structure improvements for enhancing flow rate evenness.

Results and Discussion

From the results of the actual measurement using ultrasonic flowmeter and CFD simulation, The flow rates distributed to four grit chamber through the existing complicated open channels (four outlets) showed a severe unevenness. It was revealed that the flow rate passing through the outlets 1 and 4 at both right anf left ends showed a difference of more than 20% compared to those through outlets 2 and 3 installed in the center.

Conclusion

As a result of examining the data of the water level, flow rate, and distribution percentages passing through the 4 distribution channels using the CFD simulation, it was found that case 4 (the case to install the orifice walls on both sides) had the most even flow rate distribution effect. However, as a result of comparing the water levels in case 4 and case 6, the case installing both orifice walls make relatively higher head loss.

1. 서 론

정수 및 하수처리에 있어서 형상 및 기능이 같은 여러 개의 단위 반응조들이 병렬로 연결되어 운전되는 경우가 아주 많다. 그 예로 정수처리에서는 혼화 공정의 유출수가 병렬로 배치된 여러 개의 응집・침전조로 개수로인 분배 수로를 통해 유입되고, 침전 공정으로부터 유출된 침전수가 병렬로 배치된 여러 개의 여과지로 개수로 및 위어(weir)를 통하여 분배되는 경우가 그렇다. 하수처리에 있어서는 생물 반응조의 유출수가 관수로인 분배 관로를 통해 여러 개의 2차 침전지로 유입시키는 경우가 그러하다[1].

수처리에 이용되는 침사지와 침전지는 중력을 이용하여 고액분리를 한다는 측면에서는 동일하다. 침사지의 경우 일반적으로 유량조정조의 역할도 하면서 하수 중의 모래와 흙을 가라앉혀 제거한다. 침전지보다는 체류시간이 30~60초로 상대적으로 짧다. 이에 비해 침전지(2차 침전지)의 경우 생물 반응조(예를 들어 포기조)에 유입된 미생물이 부착된 침전물인 슬러지와 물을 분리하는 역할을 담당하고 3~5시간 정도의 상대적으로 긴 체류시간을 가진다[2].

수처리에 이용되는 침전지는 유입부와 유출부 사이의 주된 흐름(main flow) 거동을 고려하여 수평류 장방형 침전지(Horizontal Rectangular type), 상향류식 침전지(Upflow Type), 또는 경사판이 설치된 침전지(Inclined baffle or tube settler) 등으로 구분된다[3,4]. 통상 국내의 정수처리에는 장방형 침전지가 많이 사용되고, 하수처리 2차 침전 공정으로는 상향류식 침전지가 많이 사용되고 있다[3].

병렬로 배치된 침사지 및 침전지로의 분배수로는 일반적으로 관수로나 개수로로 이루어진다. 그런데 각 병렬 배치된 침사·침전지로의 유량 분배가 균등하지 못한 경우 침전 효율이 악화된다. 유량이 적게 유입되는 지에서는 지내 유속이 느려지고 체류시간이 길어지게 되어 슬러지의 퇴적, 부패 및 혐기화 등이 발생할 수 있으며, 반면 유량이 많이 유입되는 지는 유속이 빨라져 체류시간이 단축됨으로써 슬러지의 재부상 및 침전 효율의 악화가 유발될 수 있다[5].

다음 Fig. 1 은 병렬로 설치된 여러 개의 수평류 장방형 침사·침전지에 처리수를 유입시키는 경우 유량의 균등화를 도모할 목적으로 분배 개수로의 단면적을 변화시키는 방법을 소개한 것(Fig. 1(a)참조)이다. 이러한 개수로 형식의 분배수로 설계 및 최적화에 관한 연구가 많지 않지만, 1980년 Chao와 Trussel이 제안한 “Step method”를 널리 이용하고 있다. 이 방법은 흐름 특성을 하류에서 상류방향으로 분배수로의 폭을 확대함으로써 유출 유량을 제어하는 방안으로 혹의 확대에 따라 발생하는 수위 저하는 Froude Number를 충분히 작게 하여 모든 유입 위어의 유량계수가 동일하게 유지하도록 하는 방법이다. Larry 등은 이후에 분배수로에서의 불균등 분배를 최소화하기 위해 위어 수위 변화방법(changing the weir elevation), 수로폭 저감방안(tapering channel)을 제안하였다[6]. 분배 수로의 폭이 감소하는 각도(Fig. 1(a)에서 α)는 분배수로 유입 유량과 유출 유량, 수위의 함수로 결정된다. 그러나 실제 분배수로 유입 유량과 유출 유량, 수위는 시간에 따라 일정하지 않아(unsteady) 이러한 방법의 적용은 한계를 가지는 것으로 나타났다. 이후 Park 등은 개수로 형태의 분배수로에 이중 격벽을 설치하여 CFD(전산유체역학; Computational Fluid Dynamics) 기법과 실증 실험을 통해 병렬로 설치된 침사·침전지로의 유입 유량의 균등성과 침전 효율의 제고를 확인하였다[7].

Fig. 1.

Examples of distribution channel and pipe to parallel arrayed settling tanks for water treatment.

Fig. 1(b)는 일반적으로 하수처리장 2차 침전지의 배열 형상을 예로 든 것이다. 생물 반응조(포기조)에서 반응이 끝난 원수를 다수의 2차 침전조로 균등하게 유입시키기 위해 유입관로 끝단을 중심으로 대칭적으로 배열함으로써 유량 분배의 균등화를 도모하고 있다. 즉 유입 관수로 끝단의 지관 사이의 각도(Fig. 1(b)에서 β)를 조정함으로써 각 지로의 유입 유량을 균등화할 수 있다.

그러나 상기 방법들은 상대적으로 체류시간이 짧은 수평류 장방형 침사지나 유량 균등조에 적용하기에는 무리가 있다. 침사지나 유량 균등조의 경우 약 1분 정도의 체류시간을 가지므로 병렬로 배치되어 있지만 지의 수가 적어 분배수로 및 관로가 짧고 지내 유속이 빨라 난류거동의 해석이 필요하다. 또한 병렬로 배치된 침사지 및 유량 균등조 유입 수로의 경우 형상의 복잡성으로 인하여 일반화된 방법론 수립이 어렵고, 특히 분배수로 내에서의 유동은 난류가 존재하는 3차원 유동을 보이기 때문에 이를 1차원 시간의 함수로 해석하거나 2차원 shallow water theory를 사용하여 해석하는 경우 그 결과를 신뢰하기 어렵다[8,9].

이에 본 연구에서는 국내 하수처리장에서 운영 중인 병렬로 배치되어 있는 실규모 4개 침사지(장방형) 유입 분배 수로를 대상으로 유량 분배 특성을 CFD 기법으로 모사하고, 모사 결과를 검증하기 위해 수위 관측을 통한 유량계로 각 침사지로 유입되는 유량를 실측하여 비교하였다. 그리고 기존 분배수로를 대상으로 수리 구조물의 변경을 통한 유입 유량의 균등성 제고 방안을 여러 수리 구조물 변경 case 별로 검토하여 제시하고자 하였다.

2. 연구 방법

2.1. 대상 침사지 유입 분배수로

본 연구에서 대상으로 정한 국내 B_하수처리장 침사지 분배수로는 다음 Fig. 2와 같다. 계획(설계) 통수량은 750,000 m3/일이지만 현재 실제 통수량은 약 50% 정도인 375,000 m3/일이다. Fig. 2에서 표시한 inlet 부분의 수문은 100% 개방되어 운영하고 있으며, 유입된 하수 원수는 90o로 선회하여 4개의 침사지로 분배되는 수조를 가지고 있다. 사류를 방지하기 위해 90o로 선회하는 부분은 라운드 모양의 수리 구조물을 설치하였다. 전체 수로와 각 수문들은 자유수면을 가지지만 4개의 폭 2,000 mm 수문에서는 통수량의 변화에 따라 자유수면이 없어지는 관수로가 되기도 한다.

Fig. 2.

Geometry of inlet distribution channel to 4 grit chambers. (unit: mm)(case 1)

2.2. 비만관 수로 유량계를 이용한 유량 분배 실측

본 연구에서는 하수관로에 사용하는 휴대용 비만관 유량계(Q-Eye PSC portable, Hydro vision, ㈜ 뉴텍계기)를 사용하여 각 침사지로 분배되는 유량을 실측하였다. 수위, 유속, 유량은 1~60분 주기로 측정할 수 있는데, 본 연구에서는 2분 단위로 수위와 유량 데이터를 저장하도록 설정하였다. 유량 데이터는 펄스 출력을 이용하여 유량 비례 샘플링 모드로 제어하였다. 다음 Table 1은 본 연구에서 사용한 유량계 및 수위계의 사양을 정리한 것이다.

The Flow meter specifications.

2.3. 전산유체역학 모사 방법론

2.3.1. 형상 작업 및 경계 조건

본 연구에서는 기존 침사지 분배수로 수리 구조물 형상을 ‘case 1’으로 분류하고, 현재 분배 유량의 불균등 문제가 심각하여 전문가들의 의견을 수렴하여 다음 8개의 수리 구조 개선안(case 2~9)을 도출하였다. 다음 Fig. 3은 수리 구조 개선안 case 2~9까지의 형상을 정리한 것이다.

Fig. 3.

Geometries of inlet distribution channels for CFD simulation.

Case 2는 직경 0.2 m의 오리피스 266개(7행 38열)가 설치된 정류벽을 전단에 설치한 경우이다. 바닥은 가로 15.33 m, 세로 0.2 m, 면적 3.06 m2의 개방된 공간을 마련하였다. 개방된 공간은 침전된 슬러지의 청소를 위한 것이다. 정류벽 설치 총 면적은 49.45 m2이며, 오리피스를 포함한 개구 구간의 면적은 11.42 m2으로 개구비는 23%으로 계산되었다.

Case 3는 case 2에서 정류벽을 바닥까지 확장한 것이다. 구멍의 직경은 0.2 m로 동일하고 행을 8열로 늘여 바닥에 개구부를 없앤 것이다. 개구비는 9.55 m2/49.45 m2으로 19.27%로 계산되었다.

Case 4는 직경 0.2 m 오리피스 40개(5행, 8열)가 설치된 정류벽을 하류 양쪽에 설치하는 방법이다. 두 개의 정류벽은 각각 개구비가 1.26 m2/6 m2으로 21%로 계산된다.

Case 5는 case 4의 정류벽 바닥을 개방한 것이다. 오리피스의 총 면적은 1.01 m2이고, 바닥 개구부의 면적은 3 m(가로)×0.2 m(세로)로 0.6 m2이다. 그래서 개구비는 26.76%로 도출되었다.

Case 6는 case 4의 조건에서 오리피스의 직경을 0.4 m로 확장한 것이다. 정류벽에 오리피스는 총 24개(4행, 6열)이며, 개구비는 50.3%로 나타났다.

Case 7은 표시한 각 침사지 유입 개수로의 수로 폭을 3 m에서 2 m로 축소한 것이다. 이에 수로 통수 면적이 6 m2에서 4 m2으로 감소하였다.

Case 8과 9는 폭 0.2 m의 연직 기둥을 각각 2개와 3개를 설치한 경우이다.

하수 처리장 내 다양한 공정 및 시설물의 평면 배치에 한계가 있으며, 하수 원수가 처리장으로 유입되는 침사지의 특성상 표고가 가장 높은 곳에 위치시킨다. 공간은 협소하고, 분배수로는 수리 구조물의 특성상 그 형상이 복잡하게 설계된다. 이에 앞서 서론에서 언급한 장방형 및 원형 침전지의 분배수로 및 관로의 형태를 도입할 수 없으며, Fig. 4와 같은 전문가들의 의견을 반영한 여러 모사 대상을 도출하게 된 것이다. 본 연구에서는 상기 총 10개의 case를 전산유체역학 기법으로 모사하기 위해 상용코드인 ANSYS CFX16.0을 사용하였다.

Fig. 4.

The CFD simulation results (water level).

2.3.2. 공간 격자계 및 해석 조건

CFD 모사 대상 분배수로 수리 구조물 전체 격자는 범용적으로 사용되는 tetra 형상을 사용하였으며, 벽면 근처에서는 더 정확한 해상도와 수치해석을 위해 프리즘(prism) 격자를 사용하였다. 경계면에 프리즘 격자를 적용한 것은 벽면과 유체 사이 경계층에서 발생하는 급격한 유속 변화를 효율적으로 모사하기 위해 격자를 상대적으로 작게 배열하기 위해서이다.

본 모사에서는 ‘inlet’ 부분은 물의 질량을 입력하고 4개의 ‘outlet’ 영역에는 4개 침사지의 평균 수위를 압력으로 주었다. 수로 및 침사지 내 수위 변화를 관측하기 위해 자유수면 상부를 공기로 가정하는 ‘Free Surface 유동해석’ 방법을 적용하였다.

2.4.3. 지배 방정식

CFD 모사를 위한 지배방정식은 연속, 운동량 및 에너지 방정식이며 식(1), (2) 및 (3)과 같이 표현된다[10].

(1) pt+xjpuj=0
(2) tpuj+xjpujpui=Pxj+Tijxj+Su
(3) tpHP+xjpUJH=xjkaTaxjxjujτij+ST

여기서, p =밀도, υi,j =속도, P=압력, μ = 점성계수, H=전엔탈피, h=정적엔탈피, T=온도, τij=응력텐서를 나타낸다.

상태방정식 ρ=ρ(P,T), 점성계수와 변형률의 함수로서 응력텐서의 응력-변형률 관계, 그리고 h=(P,T)가 방정식에 추가되었으며, 난류유동은 와점성(Eddy Viscosity)이 추가되고 방정식은 레이놀즈 평균 물리량에 대해 해석하였다.

2.4.4. 난류 모델링

본 해석에서의 난류 모델링은 k - ϵ난류모델을 사용하였으며, 난류 모델은 평균성분과 변동성분을 도입하여 수정된 수송 방정식(Transport equation)의 해를 구하기 위한 수단이다. 본 연구에서 k - ϵ난류모델을 사용한 이유는 적합한 근사해를 구하는데 효율적이기 때문이다. 전엔탈피는 평균운동에너지(Mean kinetic energy)와 난류운동에너지(Turbulent kinetic energy)를 포함한다. 여기서 난류운동에너지는 식(4)와 같이 정의 된다[10,11].

(4) k=12u2

k는 난류운동에너지이며, 속도 변동의 분산으로 정의되고, 차원은 (L2T-2) 즉m2 /s2이다. ϵ은 난류 소산율(Turbulence eddy dissipation)이고 단위시간당 k의 차원을 갖는다. 즉, (L2T-3),m2 /s3이다. k - ϵ모델은 기본 방정식에 2개의 변수가 추가된다. k - ϵ모델은 난류 점성을 난류운동에너지와 소산율을 이용하여 다음과 같이 가정한다(식(5)참조).

(5) μt=Cupk2ϵ

여기서, μt는 난류 점성이며, Cμ는 상수이다.

3. 결과 및 토의

3.1. 유량 분배 실측 실험 결과

다음 Table 2는 2.2에서 언급한 초음파 유량계를 이용하여 4개의 유량 분배 개수로 전단(정류벽 예정 설치 전단 중앙부)의 수위와 유량을 측정한 결과를 정리한 것이다. 실험은 2021년 8월에 측정하였으며, 수위 및 유량 분배 실측 시 개수로 통과 유량은 CFD 모사 시와 같이 375,000 m3/일이었다. 즉 기존 시설인 case 1에서의 실측 수위와 유량을 측정한 것이다. Outlet 1은 Fig. 2 하단에 나타낸 바와 같이 평면도상에서 왼쪽부터 오른쪽으로 outlet, 2, 3, 그리고 4로 명명하였다.

Experimental measurement results (water level and distribution flow rate).

상기 데이터를 보면 본 연구 대상인 하수처리장 운영자의 우려대로 유량의 편중 현상이 심각한 것으로 나타났다. 유량이 균등하게 분배되지 않고 편중되는 현상은 수리 구조물의 비대칭 적 형상이 가장 큰 이유이다. 원수가 왼쪽에 유입되어 오른쪽으로 흐르면서 발생되는 수두손실, 특히 동수두 손실 또한 유량 불균등의 원인이 될 수 있다. 양 끝단 outlet 1과 4의 분배수로 통과 유량은 중앙부에 설치된 outlet 2와 3 수로에 비해 20% 이상 차이가 나타나는 것으로 측정되었다. 실험 시 통과 유량을 수위계를 통해 계산하였을 때 375,000 m3/일로 도출되었는데, outlet 1에서부터 outlet 4까지 각 분배수로의 통과유량을 합산한 결과 이 보다 약간 많은 375,700 m3/일로 계산됐다. 이러한 차이는 개수로 내 자유수면이 일정하지 않아 수위 측정을 통한 유량의 계산에서 오차가 발생한 것으로 짐작된다.

3.2. CFD 모사 결과

다음 Fig. 4는 CFD 모사 결과 중 case 1(기존 분배수로), case 2, case 4, case 7, case 8의 대표 수리 구조물 개선안을 대상으로 자유 수면의 높이(water level)을 선택하여 나타낸 것이다. 수리 구조물 개선안을 대상으로 통과 유량의 손실 수두를 확인하기 위해 수위를 검토하고자 하였으며, 위치는 라운드 코너가 위치한 두 번째 실의 중앙에서 추출한 결과이다 (Fig. 4 파란색 선으로 표시). 수위를 모사한 결과 실측에서는 1.250 m가 관측된 반면에서 case 1 기존 분배수로 전단의 수위는 1.229 m로 모사되었다. 실측치와는 약 2.1 cm의 차이가 나타났다. 이는 모사 결과에서 보이듯 자유 수면이 일정하게 유지되지 않아 나타난 오차로 생각된다.

수리 구조물의 개선안 case 2(전면 정류벽 및 하부 개구부 설치)에서는 1.243 m, case 4(양쪽 정류벽)에서는 1.594 m, case 7(수로폭 축소)에서는 1.266 m, 그리고 case 8(수로 기둥 설치)에서는 1.242 m로 나타났다. 수리 구조물의 개선안(cas 2, 5, 7 및 8)은 모두 자유 수면의 상승을 유발하는 저항체로 작용하는 것을 알 수 있었다. 개선 안 중에서는 case 4, 수로 전단에 양쪽 정류벽을 설치하는 것이 가장 큰 수위 상승 효과를 유발하는 것을 알 수 있었으며, 전면 정류벽과 하부 개구부 설치안(case 2)과 수로 기둥을 설치하는 안(case 8)은 수위 상승 효과가 미비한 것으로 나타났다.

다음 Fig. 5는 CFD 모사 결과로부터 바닥에서 0.5 m 이격된 거리의 평면(Top view)에서 속도장을 contour로 나타낸 것이다.

Fig. 5.

The CFD simulation results (water superficial velocity at 0.5 m pan form bottom).

상기 Fig. 5에서 진한 파란색은 상대적으로 낮은 유속을, 연두색은 상대적으로 높은 유속을 나타낸다. 그림에서 나타나듯이 case 4(양쪽 정류벽을 설치하는 안)와 case 6(양쪽 정류벽의 오리피스 직경을 0.2 m에서 0.4 m로 확대한 안)의 경우에 4개의 분배 수로를 통과하는 유속이 비슷하게 나타났다. 이에 총 9개의 case를 대상으로 수행한 CFD 모사 결과로부터 수위, 유량 및 4개 분배수로 통과 유량의 백분율 데이터를 추출하였다. 다음 Table 3은 각 case별 수위, 통과 유량 및 백분율을 정리한 것이다.

Comparison results of flow rate and water level by case.

CFD 모사 결과로부터 수위, 유량 및 4개 분배수로 통과 유량의 백분율 데이터를 검토해 본 결과 case 4(양쪽 정류벽을 설치하는 안) 경우가 유량 균든 분배 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다. 그리고 같은 조건에서 하부를 개방하는 경우(case 5)는 급격하게 유량이 불균등하게 분배되는 것으로 나타났다. 두 번째로 유량 균등 효과가 좋은 case는 case 6이다. case 4와 case 6을 비교하면 수위가 각각 1.594 m와 1.273 m로 모사되었다. 기존 분배 수로의 경우 수위는 1.229 m임을 감안한다면 case 4의 경우 양쪽 정류벽이 저항체로써 영향이 손실 수두가 급격히 증가할 거라고 예상할 수 있다. 이에 본 연구에서 제시하는 가장 좋은 방법은 오리피스 직경이 0.4 m이고 하부를 개방하지 않은 양쪽 정류벽이 가장 좋은 수리 구조물 개선안으로 추천할 수 있다. 개구비가 약 50% 정도이므로 손실 수두도 그리 크지 않게 나타남을 알 수 있다.

본 연구에서 다루지 않은 수리 구조물의 개선안도 많다. 본 연구에서는 복잡한 침사지 분배 수리 구조물의 개선안 도출을 위해 전문가들의 다양한 의견을 청취하여 최적이라기보다는 최선의 방안을 제시하고자 하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 국내 하수처리장에서 운영 중인 병렬로 배치되어 있는 실규모 4개 침사지(장방형) 유입 분배 수로를 대상으로 유량 분배 특성을 CFD 기법으로 모사하고, 모사 결과를 검증하기 위해 수위 및 압력 관측을 통한 비만관 유량계로 각 침사지로 유입되는 유량를 실측하여 비교하였다. 그리고 기존 분배수로를 대상으로 수리 구조물의 변경을 통한 유입 유량의 균등성 제고 방안을 여러 수리 구조물 변경 case 별로 검토하여 제시하고자 하였다. 이에 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1) 비만관 유량계를 이용한 실측과 CFD 모사 결과로부터 본 연구의 대상이 된 침사지 분배 수로 (4개의 outlet) 통과 유량은 편중 현상이 심각한 것으로 나타났다. 양 끝단 outlet 1과 4의 분배수로 통과 유량은 중앙부에 설치된 outlet 2와 3 수로에 비해 20% 이상 차이가 나타나는 것으로 측정되었다. 이러한 유량의 차이는 유량이 많이 유입되는 침사지의 경우 기준이 되는 체류시간을 만족할 수 없으며, 유량이 상대적으로 적게 유입되는 침사지의 경우 슬러지 퇴적량이 지나치게 많아 혐기 상태를 유지할 가능성이 있다.

2) CFD 기법을 이용하여 수위를 모사한 결과 실측에서는 1.250 m가 관측된 반면에서 기존 분배 수로 전단의 수위는 1.229 m로 모사되었다. 실측치와는 약 2.1 cm의 차이가 나타났다. 이는 모사 결과에서 보이듯 자유 수면이 일정하게 유지되지 않아 나타난 오차로 판단된다.

3) CFD 모사 결과로부터 수위, 유량 및 4개 분배수로 통과 유량의 백분율 데이터를 검토해 본 결과 case 4(양쪽 정류벽을 설치하는 안) 경우가 유량 균등 분배 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다. 그런데 case 4와 case 6 의 수위를 비교한 결과 case 4의 경우 양쪽 정류벽이 저항체로써 영향이 손실 수두가 급격히 증가할 거라고 예상할 수 있다. 이에 본 연구에서 제시하는 가장 좋은 방법은 오리피스 직경이 0.4 m이고 하부를 개방하지 않은 양쪽 정류벽이 가장 좋은 수리 구조물 개선안으로 추천할 수 있다.

Acknowledgements

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구(No. 022R1A2C10064941161382116530101) 및 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2020R1I1A1A01070718).

Notes

Declaration of Competing Interest

The authors declare that they have no known competing interests or personal relationships that could have appeared to influence the work reported in this paper.

References

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8. Park N, Kim S, Park J, Yoon C, Kim C. The remodel ing of hydraulic structure in a distribution channel for improving the equality of the flow distribution(I): Design using CFD simulation. Korean Soc. Environ. Water & Wastewater 21(5):571–579. 2007;
9. Park N, Kim S, Hwang J, Lim J, Kim C. The remodel ing of hydraulic structure in a distribution channel for improving the equality of the flow distribution(II): Optimization through wet test. Korean Soc. Environ. Water & Wastewater 21(5):581–587. 2007;
10. Kim C, Yoon S, Kim S, Kim J, Park N. A study on the appropriateness evaluation of membrane module piping design using CFD simulation technique. J. Korean Soc. Environ. Eng 40(3):103–110. 2018;
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Fig. 1.

Examples of distribution channel and pipe to parallel arrayed settling tanks for water treatment.

Fig. 2.

Geometry of inlet distribution channel to 4 grit chambers. (unit: mm)(case 1)

Fig. 3.

Geometries of inlet distribution channels for CFD simulation.

Fig. 4.

The CFD simulation results (water level).

Fig. 5.

The CFD simulation results (water superficial velocity at 0.5 m pan form bottom).

Table 1.

The Flow meter specifications.

Transmitter
Memory 16 GB Communication WLAN(Wireless Local Area Network), GPRS, LAN
Inputs max. 2×4-20 mA Outputs max. 2×4 mA
2×Relay, 1×Pulse
Air Ultrasonic Sensor
Range 0-350 cm Accuracy ±5 mm
Area Velocity Sensor
Frequency 1 MHz Range velocity -6 to + 6 m/s
water level 0,04 – 1 m expandable via optional hydrostatic sensor: 0 – 3,5 m (other ranges available upon request)
Accuracy velocity: 1% ± 0,0025 m/s
level: 1 % ± 0.001m

Table 2.

Experimental measurement results (water level and distribution flow rate).

Outlet 1 Outlet 2 Outlet 3 Outlet 4
Water level (m) 1.250
Flow rate (m3/hr) 65,500 2,245.8 2,137.5 5,812.5
Percentage (%) 34.87 14.35 13.65 37.13

Table 3.

Comparison results of flow rate and water level by case.

Case 1 (existing) Case 2 Case 3
water level (m) 1.229 1.243 1.320
Flowrate (m3/day) percentage (%) Flowrate (m3/day) percentage (%) Flowrate (m3/day) percentage (%)
Outlet 1 130,700 34.88 116,500 31.07 115,200 30.71
Outlet 2 52,900 14.11 65,500 17.48 67,200 17.91
Outlet 3 50,500 13.47 67,800 18.09 72,700 19.11
Outlet 4 137,300 36.62 120,500 32.13 115,700 30.85
Case 4 Case 5 Case 6
water level (m) 1.594 1.364 1.273
Flowrate (m3/day) percentage (%) Flowrate (m3/day) percentage (%) Flowrate (m3/day) percentage (%)
Outlet 1 93,500 24.93 121,700 32.45 105,100 28.04
Outlet 2 87,000 23.20 62,000 16.54 79,900 21.31
Outlet 3 89,100 23.77 62,100 16.56 80,000 21.35
Outlet 4 98,000 26.12 125,500 33.48 104,800 27.95
Case 7 Case 8 Case 9
water level (m) 1.266 1.242 1.246
Flowrate (m3/day) percentage (%) Flowrate (m3/day) percentage (%) Flowrate (m3/day) percentage (%)
Outlet 1 110,500 29.46 113,900 30.37 107,800 28.75
Outlet 2 70,500 18.80 68,600 18.29 75,300 20.07
Outlet 3 62,000 16.53 71,600 19.09 78,200 20.86
Outlet 4 123,800 33.01 117,400 31.31 113,100 30.16