1. Title & Journal
Numerical simulation on dynamic mixing of Rotary Pressure Exchanger (RPE) in SWRO
Zhou Yihui*, BI Mingshu, LIU Yu
(Department of Chemical Machinery, Dalian University of Technology, Dalian, China)
3. Summary
본 논문은 RPE 에너지회수장치에서 장치의 구조적 특징 때문에 유발되는 mixing현상이 에너지회수장치의 직경 및 구조 변화 (설계적 측면)에 따라서 어떻게 변화되는지에 대한 mixing 과정의 dynamics를 3D CFD (computational fluid dynamics)를 통해 보여주고 있다. 시뮬레이션을 위한 소프트웨어는 FLUENT가 사용되었으며, 지배방정식은 Continuity equation, Momentum equation이 사용됐으며, Turbulence model로는 standard k-epsilon model이 사용되었다.
모델 시뮬레이션은 크게 5가지 측면(아래항목)에서 수행되었으며, 그에 따른 결과는 다음과 같다.
- Concentration distribution inside the duct
- Characterization of radial mixing
- The impact of radial mixing on RPE function
- Reasons for radial mass transfer
- Solution to radial mixing
a) Concentration distribution inside the duct
위 Fig. 4.에서 보여주는 duct내 농축수의 농도는 35000ppm(red zone) 이며, 유입수는 18000ppm(blue zone)이다. 시뮬레이션 결과 duct의 반지름이 증가할 수록 axial mass transfer뿐만 아니라 radial mass transfer 정도가 커지는 것을 보여주고 있다. 이는 곧 duct밖으로 배출되는 mixing section(green zone)의 양이 많다는 것을 의미한다.
b) Characterization of radial mixing
그 다음 작업으로 저자는 duct 반지름에 따른 duct내 radial mixing 정도를 정량화 하기 위하여 radial mixing coefficient(
위 그래프는 duct의 반지름이 증가할수록 radius mixing이 심화되어, 배출되는 고압의 유입수(x축의 60을 기준으로 오른쪽 붉은선) 농도가 증가하고, 저압의 농축수(x축의 60을 기준으로 왼쪽 붉은선)의 농도는 감소됨을 보여주고 있다.
c) The impact of radial mixing on RPE function
아래 Figure는, 7은 다른 유입유속 및 반지름에 따른 volumetric mixing의 정도 및 경향 (Fig.6) 과 고압으로 배출되는 유입수의 단면적 농도분포 (Fig.7)를 보여주고 있다. 아래의 결과를 통해 알 수 있듯이 ,유입유속 보다는 duct의 반지름의 길이가 volumetric mixing이 상대적으로 크다는 것을 보여준다.
d) Reasons for radial mass transfer
본 논문에서 저자는 radial direction에 따른 유속의 차이가 상당히 큰 것을 경향을 duct 내의 유속 분포 시뮬레이션(Figure.8. b)을 통해 보여주고 있으며, 이로 인해 유발되는 유동의 역류 및 소용돌이 확장의 비정상적인 양상이 radial mixing의 심화(직경이 증가함에 따라)를 유도한다고 언급하고 있다.
e) Solution to radial mixing
마지막으로, 지금까지 시뮬레이션 된 결과들을 토대로 저자는, duct내의 radial mixing이 심화되는 원인인 radial direction에 따른 접선속도 (tangential velocity)의 차이를 최소화 시킬 수 방법으로 duct의 직경이 줄어든 double-trapezoidal duct 디자인을 제안하고 있으며, 그에 따른 시뮬레이션 결과 (Fig.9, 10)를 일반적인 RPE 에너지회수장치 형태인 single duct 경우와 비교하여 radial mixing 저감에 효과적인 디자인임을 증명하고 있다. Figure.10(duct 하나당 volumetric mixing rate)을 토대로 저자는 결과적으로 전체 ducts를 고려했을 시 34%정도의 volumetric mixing rate이 감소됨을 증명하고 있다.
4. Originality
본 논문에서 저자는 기존의 isobaric ERD에서 압력회수과정에서 발생하는 mixing 과정을 시뮬레이션 하였던 1-D모델(Wang., et, al.), 2-D모델(Zhou., et, al.)의 다음과 같은 한계성을 지적하고,
1-D model: no real operating condition
2-D model: no consideration for radial fluid flow
3-D model을 통해 에너지회수장치의 구조적인 측면에서의 duct 직경과 radial mixing과의 관계 및 그에 따른 영향이 상당하다는 것을 증명하였다.
5. Reviewer: 정관호 jkh@gist.ac.kr