KR101698186B1 - 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박평형수 관리장치(BWMS)에 설치되어 평형수 처리 후에 배출되는 해수 속에 존재하는 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체수를 파악하기 위해 설치하는 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치는 평형수 배관으로 유입되는 선박용 평형수 속에 존재하는 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체수를 파악하기 위해 설치되는 샘플링 포트 장치로서, 평형수 배관 일측을 통하여 삽입되는 중공이 형성된 소정 길이를 가지는 적어도 하나 이상의 샘플링 배관; 및 샘플링 배관의 연결되는 포트;를 포함하여 이루어지되, 포트는 중공이 형성되어 있으며 샘플링 배관과 외관 일측이 연결되는 원통형의 본체부와; 본체부의 일측 종단부로부터 전방으로 연장되어 형성되고 평형수가 유입되는 복수 개의 관통홀이 형성되어 있는 원추형의 다공유입부; 및 본체부의 타측 종단부에 평형수를 유도하는 안내부를 구비하며, 포트의 원추형의 다공유입부를 통하여 유입된 평형수는 원통형의 본체부를 거쳐 샘플링 배관으로 이동하는 것이다.

Description

선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치{Radial perforated type sampling port apparatus for ballast water}

본 발명은 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박평형수 관리장치(BWMS)에 설치되어 평형수 처리 후에 배출되는 해수 속에 존재하는 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체수를 파악하기 위해 설치하는 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 관한 것이다.

평형수(Ballast water)란 선박의 종경사, 횡경사, 흘수, 복원성 또는 선체응력을 통제하기 위하여 선박에 싣고 있는 생물을 포함한 각종 유기물과 부유성 물질이 포함된 물을 말한다.

좀 더 구체적으로 평형수란 도 1에 도시된 바와 같이 선박으로부터 화물을 하역시킨 상태 또는 선박에 적재된 화물의 량이 매우 적은 상태에서 선박을 운행할 경우, 선박이 균형을 잃는 것을 방지할 수 있도록 선박에 설치된 밸러스트탱크(Ballast tank)의 내부에 채우는 부력조정용 담수 또는 해수를 말한다.

상기와 같은 평형수(Ballast water)에는 평형수를 채운 지역의 담수나 해수에 포함된 병원성균 및 플랑크톤 등의 각종 미생물이 서식하고 있으므로, 이를 아무런 처리 없이 타지역의 수역으로 배출시킬 경우 평형수로 인한 심각한 해양오염 및 생태계 파괴를 유발시킬 우려가 높아진다.

이러한 상황을 반영하여, 1996년 미국에서는 국가 침입종 법률을 제정함으로서, 외래종을 침입자로 규정하여 평형수에 대한 관리와 통제를 의무화하였으며, 호주에서는 검역법을 개정하여 평형수를 검역대상이 되는 수입화물로 규정함은 물론, 이에 대한 검역을 직접 실시하고 있다.

한편, 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서는 선박평형수와 침전물 관리 국제협약을 채택하여 평형수관리장치(BWMS: Ballast Water Management System)의 장착을 의무화하여 수중생물의 이동을 방지하고자 한다.

여기서 평형수관리(Ballast water management)란 평형수와 침전물 내에 포함된 유해한 수생 생물과 병원균을 제거하거나, 해롭지 않도록 하거나 또는 그 유입이나 배출을 방지하기 위하여 기계적, 물리적, 화학적 및 생물학적 방법의 어느 하나 또는 이들의 복합적인 공정을 말하며, 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에서는 2004년 2월 국제협약을 체결하여 2009년부터 순차적으로 평형수의 살균 및 정화처리에 필요한 장치를 선박에 탑재토록 하였으며, 이를 위반할 시에는 해당 선박의 입항을 전면 금지하도록 하였다.

따라서, 최근 들어 선박용 평형수를 처리하기 위한 다양한 기술개발이 이루어지고 있는 바, 대표적인 것으로는 오존(Ozone: 03)을 이용한 평형수의 살균 및 정화처리를 들 수 있으며, 이외에도 여러 가지 종류의 평형수 정화장치가 개발되었거나 개발중에 있다.

상기와 같이 선박에 탑재된 평형수 정화장치는, 국제해사기구(IMO)의 기준에 맞추어 육상시험 및 선상시험을 거쳐 인증서를 받은 다음, 상기 인증서를 선박에 비치하고 운항하게 되므로, 평형수 정화장치에 의하여 처리된 평형수가 국제해사기구에서 규정한 배출기준에 적합한 것인지를 측정할 수 있도록, 평형수로부터 미생물이 농축된 샘플용 추출수를 채수(採水)하는 샘플링장치가 사용되고 있다.

상기와 같은 선박용 평형수 샘플링장치의 예로서, 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0103487호(공개일자: 2010년 09월 27일), 발명의 명칭 "선박 밸러스트수의 샘플링 시스템"에 기재된 바와 있다.

그러나, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 샘플링 포트 장치는 단순한 곡관의 형태로 이루어져 있다. 이러한 단순한 구조의 샘플링 포트는 포집 능력이 제한적이거나 포집 개체수가 가변적이다. 이에 수집된 개체들의 대표성과 선형성에 대한 신뢰가 어려운 문제점이 있었다.

한국 공개특허공보 제10-2010-0103487호, 발명의 명칭 "선박 밸러스트수의 샘플링 시스템" (2010년 09월 27일) 한국 등록특허공보 제10-1139164호, 발명의 명칭 "밸러스트 처리수의 공급 장치 및 밸러스트 처리수 공급 선" (2012년 04월 16일) 한국 등록특허공보 제10-1201936호, 발명의 명칭 "선박용 밸러스트수의 샘플링장치" (2012년 11월 09일) 한국 등록특허공보 제10-1287626호, 발명의 명칭 "선박용 밸러스트수의 샘플링 검사장치" (2013년 07월 12일) 한국 등록특허공보 제10-0883444호, 발명의 명칭 "발라스트수 처리 장치 및 방법" (2009년 02월 05일)

밸러스트 수처리 시스템(김혜림), 유체제어. 통권 제33호 (2010년 9월) P82-93, 아이에이뉴스 플랫폼의 밸러스트 탱크 충배수 모델링에 관한 연구(변홍석), 연구논문집. 제34권 제1호~제35권 제2호 통권 제47~49호 P.1-8, 울산과학대학(2008.02.28) 산업기술동향분석(선박내 밸러스트 수처리 기술), 한국산업기술평가원(2007) 해양수산. 통권236호 (2004. 5) P.65-86, 韓國海洋水産開發院 한국해양환경공학회

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 종래의 샘플링 포트보다 더 넓은 범위에서 더 많은 개체의 샘플링이 가능하여 개체수의 대표성 및 선형성이 종래보다 우수하고 생물오손(Biofouling) 제거나 청소가 용이한 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치는 평형수 배관으로 유입되는 선박용 평형수 속에 존재하는 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체수를 파악하기 위해 설치되는 샘플링 포트 장치로서, 평형수 배관 일측을 통하여 삽입되는 중공이 형성된 소정 길이를 가지는 적어도 하나 이상의 샘플링 배관; 및 샘플링 배관에 연결되는 포트;를 포함하여 이루어지되, 포트는 중공이 형성되어 있으며 샘플링 배관과 외관 일측이 연결되는 원통형의 본체부와; 본체부의 일측 종단부로부터 전방으로 연장되어 형성되고 평형수가 유입되는 복수 개의 관통홀이 형성되어 있는 원추형의 다공유입부; 및 본체부의 타측 종단부에 평형수를 유도하는 안내부를 구비하며, 포트의 원추형의 다공유입부를 통하여 유입된 평형수는 원통형의 본체부를 거쳐 샘플링 배관으로 이동하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에서 다공유입부의 관통홀은 원추형의 다공유입부의 첨두부를 중심축으로 하여 환형으로 배열되되 적어도 1열 이상 배열되도록 형성되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에서 샘플링 배관은 본체부의 중심축을 기준으로 외관 일측과 경사지게 연결되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에서 안내부는 중심에서 방사상으로 점차 외경이 커지는 원추 형상을 갖는 것이다.

본 발명에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치는 종래의 샘플링 포트보다 더 넓은 범위에서 더 많은 개체의 샘플링이 가능하여 개체수의 대표성 및 선형성이 종래보다 우수한 이점이 있다.

도 1은 선박용 평형수의 유입 및 유출 경로를 설명하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 선박 평형수용 샘플용 포트 장치에 대한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 대한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 대한 정면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 대한 단면도이다.
도 6은 본 발명과 관련한 실험에서 전산유체역학 분석 흐름도(CFD Analysis flow chart)이다.
도 7은 본 발명과 관련한 실험에서 유동 영역 개략도이다.
도 8은 본 발명과 관련한 실험에서 격자 구성 개략도이다.
도 9는 본 발명과 관련한 실험에서 유체 흐름 개략도이다.
도 10은 본 발명과 관련한 실험에서 해석 영역 개략도이다.
도 11은 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경(6A, 10A, 15A)의 개략도이다.
도 12a는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 6A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이다.
도 12b는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 6A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이다.
도 13a는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 10A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이다.
도 13b는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 10A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이다.
도 14a는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 15A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이다.
도 14b는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 15A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이다.
도 15는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 6A일 때 유동 특성을 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 10A일 때 유동 특성을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 15A일 때 유동 특성을 나타내는 도면이다.
도 18a는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 방사형 다공 샘플링 포트일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이다.
도 18b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 방사형 다공 샘플링 포트일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 방사형 다공 샘플링 포트일 때 유동 특성을 나타내는 도면이다.
도 20a는 본 발명에 따른 실험에서 파티클이 1000이하일 때 포트 형상별 샘플링 개체수 비교 그래프이다.
도 20b는 본 발명에 따른 실험에서 파티클이 1000이상일 때 포트 형상별 샘플링 개체수 비교 그래프이다.

이하, 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 대한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 대한 정면도이며, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 대한 단면도이다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치(100)는 샘플링 배관(110) 및 포트(120)를 포함하여 구성된다.

더 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치(100)는 평형수 배관(200)으로 유입되는 선박용 평형수 속에 존재하는 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체수를 파악하기 위해 설치되는 샘플링 포트 장치로서, 평형수 배관(200) 일측을 통하여 삽입되는 중공이 형성된 소정 길이를 가지는 적어도 하나 이상의 샘플링 배관(100); 및 샘플링 배관(100)에 연결되는 포트(120);를 포함하여 이루어지되, 포트(120)는 중공이 형성되어 있으며 샘플링 배관(110)과 외관 일측이 연결되는 원통형의 본체부(122)와; 본체부(122)의 일측 종단부로부터 전방으로 연장되어 형성되고 평형수가 유입되는 복수 개의 관통홀(124h)이 형성되어 있는 원추형의 다공유입부(124); 및 본체부(122)의 타측 종단부에 평형수를 유도하는 안내부(126)를 구비하며, 포트(120)의 상기 원추형의 다공유입부(124)를 통하여 유입된 평형수는 원통형의 본체부(122)를 거쳐 샘플링 배관(110)으로 이동하도록 할 수 있다.

한편, 포트(120)를 고정하는 샘플링 배관(110)은 제 1, 2, 3 배관(110a, 110b, 110c)과 같이 적어도 하나 이상으로 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 샘플링 배관(110)이 3개로 구성되었으나, 그 수량을 3개로 한정되지 않으며 수량을 줄이거나 늘릴 수 있는 것은 자명하다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 포트(120)를 고정하는 샘플링 배관(110)은 제 1 배관(110a) 또는 제 2 배관(110b)로 하나로 구성할 수도 있고, 필요에 따라서는 제 4, 제 5 배관 등을 추가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치(100)에서 다공유입부(124)의 관통홀(124h)은 원추형의 다공유입부(124)의 첨두부(124a)를 중심축으로 하여 환형으로 배열되되 적어도 1열 이상 배열되도록 형성될 수 있다.

한편, 다공유입부(124)의 관통홀(124h)은 평형수가 저항을 적게 받으면서 유입될 수 있도록 유선형을 이룰 수 있고, 유입되는 평형수 유량을 감안하여 적절히 수량을 결정될 수 있으며, 환형을 따라 규칙적인 배열뿐만 아니라 경우에 따라서는 불규칙한 배열도 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치(100)에서 다공유입부(124)의 관통홀(124h) 직경은 샘플링 배관의 내경보다 작게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치(100)에서 샘플링 배관(110)은 본체부(122)의 중심축을 기준으로 외관 일측과 경사지게 연결할 수 있다. 상기 경사진 연결은 본체부(122)로 유입되는 평형수가 샘플링 배관(110)으로 흘러 가는 경로를 완만하게 하므로 원활한 평형수 흐름을 유도할 수 있게 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치(100)에서 안내부(126)는 도 5에 도시된 바와 같이 본체부(122) 내측 중심에서 방사상으로 점차 외경이 커지는 원추 형상을 가질 수 있다. 원추 형상을 가지는 안내부(126)는 본체부(122)로 유입되는 평형수가 샘플링 배관(110)으로 흘러가는 것을 완만하게 하여 원활한 흐름을 유도하게 한다. 즉, 안내부(126)는 본체부(122) 내측 중심에서 방사상으로 점차 외경이 커지는 원추 형상을 가지게 하므로 본체부(122)로 유입되는 평형수가 샘플링 배관(110)으로 완만하게 흘러가게 흐름을 유도한다.

한편, 샘플링 배관(110)과 평형수 배관(200)과는 용접으로 결합 가능하나 평형수 배관(200) 일측을 통하여 삽입되는 구멍에 패킹부재를 이용하여 결합시킬 수도 있고, 평형수 배관(200)은 평형수가 지나는 배관에 플랜지 형태로 체결할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치를 실시하므로 종래의 샘플링 포트보다 더 넓은 범위에서 더 많은 개체의 샘플링이 가능하여 개체수의 대표성 및 선형성이 종래보다 우수한 이점을 가지게 된다.

후술하는 실험 결과에 따르면, 본 발명에 따른 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치는 동일한 샘플링 배관의 직경(10mm)으로 더 많고 넓은 포집 영역을 확보할 수 있어 더 넓은 범위에서 더 많은 개체의 샘플링이 가능하며 수집되는 개체 수가 다른 Case의 결과보다 크게 증가하였고 선형적인 패턴도 확실하게 관찰할 수 있었다.

이에 동일한 샘플링 배관의 직경(10mm)에서 개체수 포집 능력이 우수하고 개체수의 대표성 및 선형성이 종래보다 우수한 실험 결과를 얻은 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 이론적 근거가 되는 실험 결과는 다음과 같다.

도 6은 본 발명과 관련한 실험에서 전산유체역학 분석 흐름도(CFD Analysis flow chart)이고, 도 7은 본 발명과 관련한 실험에서 유동 영역 개략도이며, 도 8은 본 발명과 관련한 실험에서 격자 구성 개략도이고, 도 9는 본 발명과 관련한 실험에서 유체 흐름 개략도이며, 도 10은 본 발명과 관련한 실험에서 해석 영역 개략도이다.

본 실험은 선박 평형수 샘플링 및 분석방법 국제표준안 개발에서, 샘플링 포트 기초 설계와 대표 배관 형상에 대한 수치해석 수행한 것으로, 기초 설계한 샘플링 포트의 형상별 유동해석을 통해 샘플링 개체 수를 관찰하고, 대표 배관 형상을 선정하여 유속별 유동해석을 통해 완전발달 유동이 관찰되는 위치를 예측하였다.

최근 대부분의 실험은 컴퓨터를 이용한 전산해석이 이루어진 후 이 결과를 설계에 반영하여 최종 모델을 제작하는 방법을 취하고 있다. 이러한 방법을 이용하면 많은 시행착오를 줄일 수 있기 때문에 형상의 변경으로 발생하는 제작비를 줄일 수 있다. 또한 제작시간이 절약되기 때문에 완제품의 상용화까지 시간을 대폭 줄일 수 있다. 상용화가 빨리 이루어진 만큼 시장의 선점효과를 누를 수 있기 때문에 전산해석의 결과를 이용한 설계의 변경은 아주 유용하다고 할 수 있다.

종래에는 실제 구조물을 제작하여 똑같은 조건하에 실험을 통해 결과를 얻을 수 있었지만 현재는 3D 모델링 작업을 통해 구조물의 형상을 실제와 동일하게 만들고 똑같은 외부 경계조건을 입력하여 해석을 수행하면 실제와 거의 흡사한 결과를 얻을 수 있다. 그리고 다양한 형상의 모델과 다양한 해석조건이 주어질 경우 쉽게 적용할 수 있기 때문에 실제 실험하기 어려운 부분도 컴퓨터를 이용하면 쉽게 해석을 수행할 수 있다. 또한 전산해석을 수행할 경우 실험 시 발생할 수 있는 안전사고에 대한 걱정이 없기 때문에 인명피해가 전혀 발생하지 않는다. 이러한 이유로 컴퓨터를 이용한 전산해석은 제품개발은 선택이 아니라 필수적인 요소가 되었다.

일반적으로 밸브, 펌프, 해상 구조물 등과 같이 유체 유동해석을 진행하는 공정(Process)은 도 6과 같이 진행된다. 유체가 차지하는 영역인 유동장의 형상을 분석하여 설계에 있어서 검토를 위해 필요한 결과를 예측하고 실제 유동장과 조건을 검토, 실제의 시스템을 형성하는 경계조건 및 해석조건을 파악한다. 이러한 사전의 검토를 거친 후, 제시된 도면을 기초로 하여 3D Modeling 작업과 Grid Generation을 수행하여 실제 해석하고자 하는 모델을 생성하고 수치연산을 수행하여 결과를 얻으며, 이렇게 얻은 결과는 이론적 검토를 거쳐 추후 필요시 추가적인 모델의 변경이나 경계조건의 변경을 통해 재해석하는 과정을 거친다.

따라서 본 실험에는 Modeling 전문 툴인 CATIA를 이용하여 대상 모델에 대해 3D-Modeling을 수행하고, 상용 유한요소해석 프로그램인 Ansys 12.1을 이용한 전산해석을 통해 기초 설계한 샘플링 포트 및 대표 배관 형상별 유동특성에 예측하였다.

1. 유동 영역 및 격자 구성( Fluid Domain and Grid generation )

유동 해석 시에는 구조물 자체가 아닌 내부의 유체가 유동하는 역역에서의 영향을 분석함이 목적이므로 이 현상을 모사하기 위하여 유동 영역(Flow Region)을 따로 생성하여야 한다. 도 7은 3D 모델링을 기초로 하여 만들어진 유동 영역 모습이며 경계 조건에서 각 유량이나 유체 압력의 차이만 있을 뿐 유동영역의 형상이나 격자의 구성은 변하지 않는다. 내부 유체의 유동을 확인하기 위하여 유체가 차지하는 영역에 대한 정보가 필요하므로 내부의 격자에 대한 정보도 필요하다. 도 8은 격자의 생성에 대해 추가적으로 언급하였다.

유동 해석 시 결과에 큰 영향을 미치는 요소 중 하나는 격자의 생성이다. 유로를 완성한 모델에서 입구에서 주어진 경계조건(Boundary Condition)은 그 경계조건을 전달하기 위해 다음 Node나 Element를 거치게 되는데 특별한 형태가 없는 직관의 경우와는 다르게 복잡한 구조물을 가진 모델의 경우에는 그 형상에 따라 속도와 압력의 변화가 매우 커지게 된다. 급격한 변화가 이루어지는 유동 영역에서 격자의 품질이 떨어지거나 크기와 형태가 적절하지 않을시 정확한 결과 데이터를 얻지 못한다. 그리하여 본 실험에서는 도 8과 같이 압력과 속도의 변화가 큰 한 모델 및 형상에 대해 격자의 크기, 개수, 밀집도 등의 변화를 주어 해석을 진행한 뒤 격자수에 따른 결과 데이터의 변화가 적으면서 계산 시에 너무 많은 시간이 소요되지 않는 적정량과 품질의 격자를 생성하였다.

격자의 생성을 위해서 Ansys Workbench의 격자 생성 전문 프로그램을 사용하였으며 격자의 조밀도를 적절하게 생성하기 위해 CFX-Mesh를 이용하여 격자를 생성하였다. 격자계의 Assembly는 CFX V12.1에서 수행하였다.

2. 유체유동 지배방정식( Governing equation )

본 실험에서 사용된 전산수치해석에서, 유동장 내부의 유체 유동은 아래에서 언급되는 연속방정식, 시간평균 운동량 방정식(Reynolds-averaged Navier-Stokes quations), 그리고 난류 모델방정식을 지배방정식으로 적용한다.

연속방정식 :

(1)

시간평균 운동량 방정식 :

(2)

난류 유동의 수치 해석시 통계학적인 처리를 위해 유속성분과 압력성분을 시간평균성분과 변동성분으로 구성하고 다음과 같이 식(1), 식(2)를 변화시킨다.

(3)

(4)

여기서

와

는 시간평균속도와 시간평균압력을 나타낸다. 이것을 이용하여 식(3)과 식(4)을 나타내면 다음과 같다.

시간평균 연속방정식 :

(5)

시간평균 운동량방정식(Navier-Stokes equation) :

(6)

레이놀즈 응력은 난류유동의 특성을 이해하고 수치해석 하는데 있어 매우 중요한 항으로 해석학적으로 식(5)와 식(6)을 이용하여 압력과 평균속도는 구할 수 있으나 레이놀즈 응력은 구할 수 없는 종결문제(closure problem)가 발생하게 된다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 난류모델링을 사용하는데, 일반적으로 표준 k-ε 난류모델, k-ω 난류모델 등이 사용된다.

본 실험에서는 표준 k-ε 난류모델을 주유동장에, k-ω 난류모델을 벽면 근처의 경계층영역의 해석에 사용하는 SST(Shear Stress Transport)모델을 사용하였다. k-ω SST 모델은 경계층 내부에서는 k-ω모델이 정확하고 자유류에서는 k-ε 모델이 정확하다는 점에 착안하여, blending function F1을 이용하여 k-ω모델과 k-ε 모델을 조합한 형태이다. k-ω 모델에 F1을 곱하고, k-ε 난류 모델에는 (1-F1)을 곱하여 k-ω 난류 형태로 다시 쓰면 아래의 식과 같아진다. 따라서 벽면 근처에서의 blending funtion 값이 0이 되어 k-ω 난류모델이 되고, 자유류에서는 blending funtion이 1이 되어 k-ε 난류모델이 된다.

(7)

(8)

(9)

각 난류 상수들은 blending function F1 에 의해 다음과 같이 표현된다.

(10)

: k-ε 난류모델 상수

= 0.09,

= 0.5,

= 0.5,

= 0.075,

=

(11)

: k-ω 난류모델 상수

= 0.09,

= 1,

= 0.856,

= 0.0828,

=

(12)

따라서 정밀한 수치해를 얻기 위해서는 경계층 영역의 속도 구배를 충분히 모사할 수 있도록 벽면 근처에 격자를 조밀하게 집중시킬 필요가 있다.

3. 입구영역과 완전발달

파이프를 흐르는 유체는 반드시 적절한 곳에서 파이프로 들어간 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이 유체가 파이프로 들어가는 입구 근방의 영역을 입구영역(Entrance region)이라 한다. 그것은 탱크에 연결되어 있는 파이프 처음의 짧은 길이일 수도 있고, 화덕에서 나오는 뜨거운 공기를 수송하는 긴 덕트의 처음 부분일 수도 있다.

도 9와 같이, 파이프로 들어가는 유체의 속도는 단면 (1)에서 거의 균일하다. 유체가 파이프를 흘게 되면 점성의 영향으로 유체가 파이프 벽에 달라붙는다(점착 경계조건). 이 현상은 유체가 상대적으로 비점성인 공기에서나 점성이 큰 기름에서도 동일하다. 따라서 점성의 영향이 큰 경계층(Boundary layer)이 파이프의 벽면을 따라 형성되고, 초기의 속도 분포가 파이프의 거리

를 따라 입구영역의 끝인 단면 (2)까지 변하고, 그 이후에는 속도 분포에 변화가 없다. 경계층의 두께는 성장하여 파이프를 완전히 세운다. 점성의 영향은 경계층 내에서 매우 크다. 경계층 밖[단면 (1)과 (2) 사이에서 중심선 부근의 비점성 코어(Inviscid length)]의 유체에서는 점성효과가 무시된다.

파이프 내 속도 분포의 모양은 입구영역의 길이

와 같이 층류인가 난류인가에 따라 다르다. 파이프의 다른 많은 성질들과 같이, 무차원 입구길이(Entrance length)

는 Reynolds수와 상관관계를 가진다.

층류인 경우 입구길이는,

(13)

과 난류인 경우 입구길이는,

난류인 경우 (14)

로 주어진다.

Reynolds수가 매우 작을 때는 입구길이가 매우 짧지만(

일 때는

), Reynolds수가 큰 유동인 경우는 입구영역의 끝에 도달하기까지의 거리가 길다(

에 대해서는

). 실질적인 공학문제에서는

이다.

입구영역에서는 속도 분포와 압력 분포를 계산하는 것은 매우 복잡한 일이다. 그러나 유체가 일단 그림의 단면 (2)인 입구영역의 끝에 도달하며, 속도는 파이프 중심선으로부터의 거리

만의 함수이고

의 함수는 아니기 때문에 유체의 유동을 표현하기가 쉬워진다. 이 점은 직경이 변화되거나 단면 (3)에서처럼 유체가 벤드, 밸브, 또는 기타 부품들을 지날 때와 같이, 파이프의 특성이 변하기까지는 유지된다. 단면 (2)와 (3)사이의 유동을 완전히 발달하였다(Fully developed)고 한다.

완전발달 유동에서 벗어난 구역을 지나고 나면[단면(4)], 유동은 다시 완전발달 유동으로 점차 되돌아와서[단면(5)] 다음의 부품에 도착[단면(6)]될 때까지 그 속도 분포가 지속된다. 대부분의 경우에는 파이프의 길이가 충분히 길어서 발달되는 유동의 길이보다 완전히 발달된 유동의 길이가 상당히 길다[

및

]. 그러나 파이프의 부품(벤드, 티, 밸브 등)사이의 거리가 짧아서 완전발달 유동이 이루어지지 않는 경우도 있다.

본 실험에서 사용된 모델은 직경 200 [mm]의 배관에 대한 수치해석이므로, 위 산출식을 이용하여 유속별 완전발달 유동 이론적 거리를 산출하고, 이를 수치해석 결과와 비교하였다.

4. 경계조건( Boundary Condition )

본 실험에서 해석 영역에 대한 입출구 조건은 도 10에 도시된 바와 같으며, 표 1과 같은 경계조건을 설정하였다.(D:200mm)

입구(Inlet)	속도 2 [m/s]
출구(Outlet)	압력, 0 [Pa]
벽면(Wall)	노슬립 조건
샘플개체(Particle)	100 ~ 10,000
난류모델(Turbulent model)	SST(Shear Stress Transport) model

기초 설계한 샘플링 포트 형상별 유동해석을 위해 입구측에 일반적인 배관 유속인 2 [m/s]의 유속 조건을 부여하고, 균일한 간격으로 100개~10,000개의 파티클을 주입하여 샘플 포트로 수집되는 개체 수를 관찰하였다.(참고 : 파티클이란 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체수에 대응하는 실험용 입자를 말한다.)

관찰 결과 데이터는 표 2 및 표 3과 같다.

count	case1	case2	case3	방사형 다공
100	1	0	0	0
200	1	0	1	0
300	0	2	1	3
400	1	1	4	4
500	0	3	2	2
600	1	1	3	3
700	1	5	4	5
800	0	3	2	9
900	1	3	2	8
1000	2	2	5	8

<파티클 100개 ~ 1,000개 투입시 수집되는 개체 수>

count	case1	case2	case3	방사형 다공
1000	2	2	5	8
2000	1	8	13	15
3000	1	6	13	24
4000	2	10	21	36
5000	1	9	24	53
6000	8	11	28	59
7000	4	13	33	63
8000	3	16	43	74
9000	7	20	46	87
10000	8	21	45	100

<파티클 1,000개 ~ 10,000개 투입시 수집되는 개체 수>

5. 샘플링 포트 형상별 유동해석 결과

도 11은 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경(6A, 10A, 15A)의 개략도이고, 도 12a는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 6A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이며, 도 12b는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 6A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이고, 도 13a는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 10A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이며, 도 13b는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 10A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이다.

또한, 도 14a는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 15A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이고, 도 14b는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 15A일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이며, 도 15는 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 6A일 때 유동 특성을 나타내는 도면이고, 도 16은 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 10A일 때 유동 특성을 나타내는 도면이며, 도 17은 본 발명과 관련한 실험에서 샘플링 포트 직경이 15A일 때 유동 특성을 나타내는 도면이다.

1) 1차 설계 샘플링 포트 유동해석 결과

도 11는 1차 설계 형상을 나타내고 있고, 도 12a 내지 도 14b는 형상별 샘플링 개체수 비교 그래프를 나타내고 있으며, 도 15 내지 도 17은 형상별 유동 특성을 나타내고 있다.

도 18a는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 방사형 다공 샘플링 포트일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이하)이고, 도 18b는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 방사형 다공 샘플링 포트일 때 포집되는 개체수 그래프(파티클 1000이상)이며, 도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 실험에서 방사형 다공 샘플링 포트일 때 유동 특성을 나타내는 도면이고, 도 20a는 본 발명에 따른 실험에서 파티클이 1000이하일 때 포트 형상별 샘플링 개체수 비교 그래프이며, 도 20b는 본 발명에 따른 실험에서 파티클이 1000이상일 때 포트 형상별 샘플링 개체수 비교 그래프이다.

2) 2차 설계 샘플링 포트 유동해석 결과

도 18a 내지 도 18b는 형상별 샘플링 개체수 비교 그래프를 나타내고 있고, 도 19는 형상별 유동 특성을 나타내고 있다.

특히, 샘플링 포트의 형상이 차압을 많이 발생하게 되면, 샘플링 포트 전/후단부에 설치된 펌프나 기타 장치류의 성능저항 및 고장의 원인이 될 수 있기에 차압이 크게 발생하지 않도록 형상을 설계해야 한다.

배관 내에서 유속은 압력과 연관성이 크고 평균 유속만 고려하므로 유속이 일정하게만 유지된다면 샘플링에는 큰 영향은 없다.

따라서, 샘플링 포트 주면 유동특성에서 압력은 발생되는 차압과 형상에 따른 국부적인 유동특성만 고려 대상이며, 본 실험에서는 이러한 유동특성을 관찰하여 방사형 다공 타입의 경우처럼 국부적인 압력정체를 해소한다거나 문제를 해결하기 위한 관찰/분석 변수로만 보고 있다.

3) 1차, 2차 설계 종합 결과

방사형 다공 형상 구조물은 같은 샘플링 배관의 직경으로 더 많고 넓은 포집 영역을 확보하기 위해 발명된 것으로, 더 넓은 범위에서 더 많은 개체의 샘플링이 가능하 여 개체수의 대표성 및 선형성이 종래보다 우수한 이점을 가지는 실험 결과를 얻었다.

CASE	Total Pressure [Pa]			Pressure [Pa]			비 고
	2 D	6 D	dP	2 D	6 D	dP
Case 1	2,411	2,122	288.6	392.3	88.85	303.4
Case 2	2,430	2,120	309.9	411.2	90.43	320.8
Case 3	2,434	2,111	323.3	415.6	88.78	326.8
다공 타입	2,604	2,108	496.2	593.1	101.5	491.6

<포트 형상별 차압 데이터>

Total pressure는 전압력을, Pressure는 정압력을 말한다.

2D 및 6D는 압력값 측정 위치를 나타내는 것으로 관직경의 길이를 1D라고 정하면 샘플링 포트 기준 입구쪽으로 관직경의 2배 길이 지점, 즉 2D(D:관직경) 길이 만큼의 전단부 위치에서 압력 측정한 값과. 포트 후단부쪽으로 6D 길이 지점에서의 압력 측정값을 비교하여 차압을 산출하였다.

본 차압산출 방법은 배관 내 설치되는 모든 장치류의 수치해석에서 차압 산출에 공통적으로 사용되는 계산 방법이다.

상기 표 4를 참조하여, 차압이 클 경우 전/후단부에 설치된 장치류에 고장이나 오작동 등의 좋지 않은 영향을 줄 가능성이 높으며, 따라서 배관에 설치되는 장치들은 차압이 되도록 작게 되도록 설계를 한다.

KS규격인 밸브의 용량계수 시험법을 예를 들면, 1[psi](=6894.7[Pa])의 차압이 발생하게 하여 밸브의 용량계수를 산출하는데, 이 차압은 전/후단부 장치류에 영향을 주지 않을 정도의 차압을 기준으로 하는 것이다.

본 실험의 방사형 다공 구조물의 차압은 최대 496.2[ Pa ]로 배관 내 설치되는 장치 기준으로 매우 작은 차압을 발생시키는 형상임을 알 수 있다.

6. 본 유동해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가. 본 실험에서는 기초 설계한 샘플링 포트 형상을 바탕으로, 포트 형상별 수집되는 개체 수를 비교하기 위한 유동해석을 수행하였고, 샘플링 포트의 최적 설치 지점을 산출하기 위하여, 선박평형수 처리장치에 연결되는 대표 배관 형상을 선정하였으며 유동해석을 통해 유속별 완전발달 유동 지점을 예측하였다.

나. 샘플링 포트의 직경을 변화시킨 1차 설계 샘플링 포트 형상별 유동해석 결과 파티클 100개부터 1,000개까지 변화시켜 주입한 결과에서는, 3개의 Case 모두 적은 수의 파티클이 수집되고 포트 직경 변화와 주입 개체 수 증가에 따른 선형적인 결과를 관찰할 수 없었다.

다. 1차 설계 샘플링 포트에서 파티클 개수를 증가시켜 유동해석한 결과, Case 1보다 Case 2가 조금 더 많은 파티클을 수집하였고 Case 3의 결과에서는 어느 정도 선형적인 패턴을 관찰할 수 있었다.

라. 샘플링 포트의 형상을 변화시킨 2차 설계 샘플링 포트에 대한 유동해석 결과 방사형 다공 형상에서는 수집되는 개체 수가 다른 Case 의 결과보다 크게 증가하였고 선형적인 패턴도 확실하게 관찰할 수 있었다.

마. 본 실험에서 수집되는 샘플링 되는 개체 수를 바탕으로, 배관을 지나는 개체의 수를 예측하기 위한 샘플링 포트 형상을 기초로 설계하였고, 이 샘플링 포트의 최적 설치 지점을 선정하기 위하여 대표 배관을 선정하여 유속별 완전발달 유동 거리를 산출하였다.

100 : 방사형 다공 샘플링 포트 장치
110 : 샘플링 배관
120 : 포트
200 : 평형수 배관

Claims (4)

1. 평형수 배관으로 유입되는 선박용 평형수 속에 존재하는 동·식물, 유해한 수생 생물 또는 병원균의 개체 수량을 파악하기 위해 설치되는 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치에 있어서,
   상기 평형수 배관 일측을 통하여 삽입되는 중공이 형성된 소정 길이를 가지는 적어도 하나 이상의 샘플링 배관; 및
   상기 샘플링 배관에 연결되는 샘플링 포트;를 포함하여 이루어지되,
   상기 샘플링 포트는
   중공이 형성되어 있으며 상기 샘플링 배관과 외관 일측이 연결되는 원통형의 본체부;
   상기 본체부의 일측 종단부로부터 전방으로 연장되어 형성되고 평형수가 유입되는 복수 개의 관통홀이 형성되어 있는 원추형의 다공유입부; 및
   상기 본체부의 타측 종단부에 상기 평형수를 유도하는 안내부;를 구비하며,
   상기 다공유입부의 관통홀은 상기 원추형의 다공유입부의 첨두부를 중심축으로 하여 환형으로 배열되되 적어도 1열 이상 배열되도록 형성되고,
   상기 관통홀의 크기는 상기 개체의 크기보다 크며,
   상기 샘플링 포트의 다공유입부를 통하여 유입된 상기 평형수는 상기 원통형의 본체부를 거쳐 상기 샘플링 배관으로 이동하고,
   상기 샘플링 배관은 상기 본체부의 중심축을 기준으로 상기 외관 일측과 경사지게 연결되며,
   상기 안내부는 상기 본체부 내측 중심에서 방사상으로 점차 외경이 커지는 원추 형상을 가지게 하므로 상기 본체부로 유입되는 평형수가 상기 샘플링 배관으로 완만하게 흘러가게 흐름을 유도하는 것을 특징으로 하는 선박 평형수용 방사형 다공 샘플링 포트 장치.
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