KR20100085776A - 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관에 관한 것으로, 그 목적은 해저 망간 단괴를 채광하는 시스템을 이루는 양광관 둘레 표면에 딤플을 형성하여 난류를 발생시킴으로꺼 심해의 해류에 따른 항력을 감소시킨 양광관을 제공함에 있다.

본 발명의 구성은 심해 망간 단괴를 채광하는 집광기와, 양광관, 양광펌프를 포함하여 구성되는 망간단괴 채광 시스템에 사용되는 양광관에 있어서, 양광관의 둘레 표면에 다수개의 딤플을 형성하여 난류를 발생시킴으로써 항력계수를 줄여 심해 해류에 따른 진동을 저감하도록 형성한 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관을 그 기술적 특징으로 한다.

심해 망간단괴, 양광관, 딤플, 광물자원, 난류, 항력계수

Description

심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관{Dimpled lifting pipes for mining deep-sea mineral resources}

본 발명은 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관에 관한 것으로, 자세하게는 심해 망간 단괴를 채광하는 집광기와, 양광관, 양광펌프를 포함하여 구성되는 망간단괴 채광 시스템에 사용되는 양광관이 해류의 흐름에 따른 영향을 덜 받도록 항력을 감소시키도록 표면에 딤플이 형성된 구조를 가진 양관관에 관한 것이다.

세계 광물자원의 수요 증가로 인하여 해양광물자원은 새로운 대안으로 각광을 받게 되었다. 이중 심해저의 망간 단괴(manganese nodule)는 편평한 모양이거나 구상(球狀)을 이루며, 흑갈색을 띠는 비결정질(非結晶質)로서 채집시는 연하고, 마르면 굳어서 부서지기 쉽다.

이와 같은 망간 단괴는 망간, 철, 규산 및 수분을 주로 하여, 미량성분량(微量成分量)에는 지역적으로 차이가 있고, 콜로이드 상태인 수산화물로부터의 침전설과 산화철의 촉매작용에 의한 침전설이 있으며, 심해 4000 ~ 5000 m 에 부존되어 있고, 그 성장속도는 1000년에 0.01∼1㎜정도로 알려져 있다.

상기와 같은 심해저 망간 단괴를 채광하는 시스템은, 심해저면의 집광기와, 양광관, 양광펌프 시스템 및 버퍼, 해상의 채광선으로 구성된다. 집광기에 의해 해저면으로부터 분리 채집되는 망간 단괴는 중간 저장소인 양광관 하단의 버퍼에서 단괴의 유동농도를 최적으로 조절한 후 양광관을 통하여 해상까지 연속적으로 이송된다.

하지만 종래의 양광관(lifting pipes)은 길이가 수백~천m를 이루는데 비해, 그 단면적이 원형으로 형성됨으로 인해 심해의 해류에 따라 진동하게 되며, 이 진동은 전체 양광시스템에 부가적인 문제(양광관의 유동에 따른 집광기와 양광펌프의 안정적인 채광의 어려움 등등)와 기술적인 어려움을 만든다. 따라서 이 양광관의 항력 감소는 이러한 문제를 줄이는 데 중요한 해결책이 될 수 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 해저 망간 단괴를 채광하는 시스템을 이루는 양광관 둘레 표면에 딤플을 형성하여 난류를 발생시킴으로꺼 심해의 해류에 따른 항력을 감소시킨 양광관을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 심해 망간 단괴를 채광하는 집광기와, 양광관, 양광펌프를 포함하여 구성되는 망간단괴 채광 시스템에 사용되는 양광관에 있어서,

양광관의 둘레 표면에 다수개의 딤플을 형성하여 난류를 발생시킴으로써 항력계수를 줄여 심해 해류에 따른 진동을 저감하도록 형성한 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관을 제공함으로써 달성된다.

상기 딤플은 임의의 크기를 가지는 양광관 둘레에 1열당 12개가 배열 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 딤플은 임의의 크기를 가지는 양광관 둘레에 1열당 30ㅀ 간격으로 12개가 배열 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 다수개 배열된 딤플은 1열당 12개가 배열되고, 이웃하는 상하 열과는 엇갈리게 배열되어 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 다수개 배열된 딤플은 1열당 12개가 배열되고, 이웃하는 상하 열과는 엇갈리게 배열하되, 상하 딤플간의 간격은 딤플의 지름에 0.81을 곱한 지점에 또 다른 1개열의 딤플을 형성하고, 상하열간의 배치는 제 1열의 2개 딤플의 중심과 중심사이를 가상의 선으로 연결하고 그 중점에서 수직으로 내리거나 올린 간격에 새로운 딤플의 중심이 오도록 배치한 것을 특징으로 한다.

상기 딤플의 직경은 임의의 양광관 지름을 기준으로 할때 원둘레 길이를 24개로 나눈 값의 길이를 딤플의 직경으로 하는 것을 특징으로 한다.

상기 딤플은 레이놀즈수가 2000인 경우 평편한 실린더의 항력 계수 1보다 작은 항력 계수가 0.9이다.

상기 딤플은 지름 1cm 기준일때 깊이는 0.15-0.35 cm의 비율이 되도록 형성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 해저 망간 단괴를 채광하는 시스템을 이루는 양광관 둘레 표면에 딤플을 형성함으로써 난류가 발생하여 양광관이 심해의 해류에 따른 항력감소로 진동이 저감되어 이와 연결된 전체 양광시스템이 안정적으로 채광할 수 있어서 망간단괴의 채광효율이 현저하게 증진될 수 있다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명에 다른 딤플이 형성된 양광관의 사시도, 도 2는 본 발명에 따른 딤플이 형성된 양관관의 평면도, 도 3은 본 발명에 따른 딤플이 형성된 양관관의 정면도를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 양광관(1)의 바깥 둘레 표면에 다수개의 딤플(2)이 연속배열되어 있다. 이러한 딤플은 해류의 주 유동방향에 따른 항력감소 효과를 나타내게 되는데, 그 이유는 주 유동 각도에 대해 60~90°부근의 딤플에 난류가 발생하여 난류에 의한 수송에너지를 증가시켜 박리점을 좀더 하류로 이동시키는 효과가 있어서 양광관에 미치는 해류의 영향 즉, 항력을 감소시키기 때문에 양광관의 유동을 저감시키게 된다.

상기한 양광관의 다양한 직경을 가지는데, 이러한 다양한 직경을 가지는 양광관의 둘레 표면에 형성되는 딤플(2)은 양광관의 원형단면 기준으로 30ㅀ 각격으로 12개 정도 형성되는 것이 바람직하다.

이때 딤플의 바람직한 형성조건은 다음과 같다.

딤플의 직경은 임의의 양광관의 지름을 기준으로 할때 원둘레 길이를 24개로 나눈 값의 길이를 딤플의 직경으로 한다. 예를 들자면 직경이 10cm일 경우 원주길이는 31.4cm가 되고 이를 24로 나누면 1.31cm 이다. 따라서 직경이 10cm 일 경우 직경이 1.31cm가 되는 딤플을 둘레 방향을 12개 형성하면 된다. 즉, 24개의 딤플로 배열되어 이루어지는 배열에서 이웃하는 하나씩을 삭제하면 30ㅀ각도로 1개씩의 딤플이 형성되어 하나의 열을 이루게 된다.

또한 상기와 같은 조건으로 형성된 하나의 열과 상하로 이웃하는 다른 열간의 간격 조건을 설명하자면, 상하 딤플간의 간격의 딤플의 지름에 0.81을 곱한 지점에 또 다른 1개열의 딤플 즉, 12개의 딤플을 형성하면 된다. 이때 상하열간의 배치는 제 1열의 2개 딤플의 중심과 중심사이를 가상의 선으로 연결하고 그 중점에서 수직으로 내리거나 올린 간격에 새로운 딤플의 중심이 오도록 배치하면 된다. 이와 같은 배치 방법에 따라 상하 딤플 열간은 엇갈리게 배열되게 된다.

이와 같이 엇갈린 배열로 한 이유는 정배열보다 난류발생이 더 잘 일어나기 때문이고, 상기처럼 딤플을 12개로 배열하여 간격을 준 이유는 이러한 배열보다 간격이 좁으면 딤플간에 서로 간섭의 영향이 커서 난류발생의 효과를 얻을 수 없고, 마찬가지로 이보다 간격이 멀면 이 역시 난류발생의 효과가 적기 때문이다.

또한 딤플이 형성된 깊이조건을 설명하자면 딤플의 깊이 대 딤플의 프린트 지름의 비는 0.15-0.35이다. 즉, 프린트 지름 1cm를 기준으로 할때 딤플의 깊이는 0.15-0.35 cm가 되도록 표면 홈 가공을 한다. 이와 같이 딤플의 프린트 지름 1cm기준으로 딤플의 깊이를 0.15-0.35 cm로 한정한 이유는 상한치보다 클경우에는 유동이 흘러가다가 딤플에 막히게 되고, 하한치보다 작으면 매끄러운 표면효과가 나타나 딤플이 없는 것과 같은 효과가 나타나기 때문이다. 즉, 상기와 같은 조건일때 난류가 발생하는 것이고, 이로한 난류가 발생해야만 천이점이 뒤에 형성되어 항력이 작아지게 된다.

이하 보다 구체적으로 본원발명에 따른 항력저감에 따른 원리를 바람직한 실시예에 따라 설명한다.

(실시예)

이하 실시예에서 수치 해석 방법은 수치해석 코드인 FLUENT 버전6.3.26 및 GAMBIT 2.3.16을 이용하였다.

또한 난류모델링은 기본 k-ε 모델보다 채널 표면의 복잡한 유동을 해결하는데 향상된 능력을 보여주기 때문에, 난류모델로 Realizable k-ε 모델을 사용하였다. 이 레이놀즈형 Navier-Stokes 방정식을 수치적으로 풀었으며 난류 난동운동에너지 및 소산율도 더하여 같이 계산되었다. 연속방정식은 SIMPLE 이라 알려진 압력 연계된 방정식을 풀어 만족시켰으며, 수치적 에러를 줄이기 위해 이계공간차분방식 이 선택되었다.

또한 해의 수렴은 각각의 방정식을 암시적으로 풀었으며, 해의 수렴은 residuals이 10^-3 밑으로 떨어질 때로 보았다. 수렴을 위한 총 계산 회수는 일반적으로 대략 200~400번 정도이다.

이에 따른 수치해석결과는 세가지 경우로 나뉘어 분석되었다. 실시예 1은 사각덕트에서 한면이 딤플로 이루어 졌을 때 유동 구조를 분석하였다. 실시예 2는 2차원의 원형 실린더 주위의 유동을 분석하였다. 실시예 3은 딤플이 있는 2차원 원형 실린더 주위의 유동 해석을 하였다.

(실시예 1) 한쪽면이 딤플인 사각 덕트내의 유동 구조

도 4는 한쪽면에 딤플이 형성된 사각 덕트내의 유동 구조를 보인 개략도이다. 딤플면에서 딤플은 모두 7 열이며 엇갈린 형태로 배열되어 있다. 사각덕트 내의 높이및 딤플의 프린트 지름은 모두 0.0508 m 이며 딤플의 깊이는 0.01524m 이다. 딤플의 깊이대 딤플의 프린트 지름은 0.3이며, 덕트의 수력 지름은 0.0942m 이다. 딤플면 앞에 평평하고 딤플이 없는 덕트가 존재하며 그 길이는 1.2m 이다.

공기의 입구속도는 4.43 m/s이며 난류 강도는 0.5%이다. 에너지 방정식은 고려하지 않았으며 도 5에 유동방향으로 자른 면의 계산격자를 보여준다. 벽면과 딤플면에 격자를 집중시켜 계산결과를 향상시키고 벽함수를 사용하지 않았다.

도 6은 유동방향으로 자른 평면에서의 속도 벡터를 보여준다. 유체는 그림의 왼쪽면에서 들어와 오른쪽 면으로 나간다. 딤플내에 재순환영역이 존재하며, 유체의 재부착은 딤플의 하류 부근에서 일어난다.

도 7은 유동방향의 와도(vorticity) 분포를 나타내며 다섯번째 열의 딤플이 끝난 지점에서의 유동방향에 수직한 평면에서의 값을 나타낸다. 딤플이 끝나는 지점에서는 주와류(vortex)의 구조가, 딤플내에서는 여러 개의 부차적인 와류의 구조가 뚜렷하다. 이 주와류 대략적으로 딤플내의 재부착지점에서 시작하여 각각의 딤플의 외향으로 발달되어 간다. 딤플로 유입되어온 유체는 연속방정식을 만족시키기 위하여 이런 와류 구조로 딤플 바깥으로 유출되어 나간다. 이런 딤플 배열들은 많은 수의 와류를 생산하여 3차원 난류 수송을 증가시킨다.

도 8은 도 7과 같은 면에서의 속도벡터이다. 도면에서처럼 주 와류의 존재가 뚜렷하며, 주 와류로 인한 상승기류가 존재한다.

(실시예 2) 원형 실린더 주위의 2차원 유동

도 9는 2차원 원형실린더의 개략도이다. 입구의 길이는 실린더지름의 40배이다. 실린더는 그림의 중앙에 존재하는 원이며 실린더 주위의 유동장은 사각 도메인내에 존재한다. 입구속도는 일정하며 Re=150 인 층류 유동을 해석하였다. 일정한 점성값과 밀도값을 갖는 물이 작동유체로 선택되었다.

도 10은 시간이 7670s이고, Re=150 일 때의 실린더 주위의 유동장의 결과이다. 유체 유동이 실린더를 지나면서 후류영역에서 von Karman 와열(vortex street) 을 생성하였다. 이 와는 실린더의 후류속에서 발생, 성장, 파괴 과정이 주기적으로 되풀이 된다.

항력계수는 다음과 같이 정의한다.

(1)

상기에서 ρ는 물의 밀도이고 U₀은 물의 입구에서의 속도이다. A는 투영된 실린더의 면적이며, F_D는 실린더에 작용하는 항력이다. White(1986)에 의하면, Re=150일 때 항력계수는 1.3 정도이고, 이 시뮬레이션의 결과 값은 근접한 값인 1.26이 나왔다.

(실시예 3) 딤플을 가진 2차원 실린더 주위의 유동장 분석

실시예 2에서 사용된 동일한 실린더의 외부 표면에 2차원의 원형 딤플이 달려있는 경우이다. 레이놀즈 수는 2000이며 이 범위는 층류영역이다. 모두 12개의 딤플이 실린더의 외벽에 만들어 졌으며, 각각의 옆의 딤플과 30도의 각을 이루고 있다. 딤플의 깊이 대 딤플의 프린트 지름의 비는 0.15-0.35이다.

도 11은 딤플을 갖는 양광관의 개략도를 보여주고 있다. 딤플의 형상 또한 그림에 나와 있으며, 딤플의 프린트 지름은 1cm이고 딤플의 깊이는 0.15-0.35 cm 이다. 유동은 그림의 좌측면에서 들어와 우측면으로 이동한다. 상기에서 딤플의 프린트 지름은 1cm 기준 딤플의 깊이를 0.15-0.35 cm로 한정한 이유는 상한치보다 클 경우에는 유동이 흘러가다가 딤플에 막히게 되고, 하한치보다 작으면 매끄러운 표면효과가 나타나 딤플이 없는 것과 같은 효과가 나타나기 때문이다. 즉, 상기와 같은 조건일때 난류가 발생하는 것이고, 이로한 난류가 발생해야만 천이점이 뒤에 형성되어 항력이 작아지게 되는 것이다.

도 12는 Re=2000 인 경우 12개의 딤플중 유동방향에 30도 와 60도를 이루는 딤플에서 수치해석 결과이다. 30도에 위치한 딤플내에서는 역방향으로의 유동현상이 없으나 60도에 위치한 딤플내에서는 역방향으로의 속도벡터가 존재한다.

도 13은 Re=2000 인 경우 12개의 딤플중 유동방향에 90도를 이루는 딤플에서 수치해석 결과이다. 딤플내의 역방향으로의 유동이 뚜렷이 보이며, 이 유동은 실시예 1과 같이 한쪽면이 딤플인 사각덕트내에서의 유동현상에서 보여지듯이 주와류와 여러 개의 부차적인 와류 운동에 관련이 되어 있다. 이 와류들은 난류에 의한 수송에너지를 증가시켜 박리점을 좀더 하류로 이동시키는 효과를 내게 된다. 이에 따라 딤플을 갖는 양광관의 항력계수는 약 0.9로 White(1986)의 1.0 보다는 낮은 값을 가진다.

상기에서 살펴본 바와 같이 외부에 딤플을 갖는 원형 양광관 주위의 유동을 FLUENT를 이용하여 분석하였다. 딤플내의 유동 분석을 하기 위하여 세가지의 경우를 조사하였는데 실시예 1은 딤플이 있는 사각 덕트내의 유동분석을 하였으며 실시예 2는 2차원의 원형 실린더 주위의 속도 분포를 분석하였다. 실시예 3은 딤플을 갖는 원형 양광관 주위의 유동분석으로 실시예 2와 결과를 비교 분석하였다.

1. 실시예 1의 결과는 딤플내에 재순환 영역이 존재함을 보여주고 있다. 이것은 와류로 인한 것으로, 엇갈린 딤플의 배열은 여러가지 형태의 와류를 생성하고 발달시킨다. 이것은 국부적인 3차원 난류 수송 강도를 증가시킨다.

2. 실시예 2에서는 수치해석의 결과가 실험 결과값과 잘 일치함을 보여준다.

3. 실시예 3에서는 원형 양광관 외벽에 존재하는 딤플내에 재순환 영역이 존재하고 있음을 보여준다. 특히 유동방향에 60도와 90도의 각을 이루는 딤플에서는 재순환영역이 존재하며 30도의 각을 이루는 딤플내에서는 유동의 재순환영역이 명확하지 않았다. 이 재순환 영역은 난류 수송의 크기를 증가시키며, 이 증가는 운동량의 증가로 이어져 경계층의 박리점을 하류로 이동시키는 원인이 됨을 알 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명에 다른 딤플이 형성된 양광관의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 딤플이 형성된 양관관의 평면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 딤플이 형성된 양관관의 정면도이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따라 한쪽면에 딤플이 형성된 사각 덕트내의 유동 구조를 보인 개략도이고,

도 5는 본 발명의 실시예 1에 따라 유동방향으로 자른 면의 계산격자를 보인 예시도이고,

도 6은 본 발명 실시예 1에 따라 유동방향으로 자른 평면에서의 속도 벡터를 보인 예시도이고,

도 7은 본 발명의 실시예 1에 따라 유동방향의 와도(vorticity) 분포를 보인 예시도이고,

도 8은 본 발명의 실시예 1에 따라 도 7과 같은 면에서의 속도벡터를 보인 예시도이고,

도 9는 본 발명의 실시예 2에 따른 2차원 원형실린더의 개략도이고,

도 10은 본 발명의 실시예 2에 따른 시간이 7670s 일 때의 실린더 주위의 유동장의 결과를 보인 예시도이고,

도 11은 본 발명 실시예 3에 따른 딤플을 갖는 양광관의 개략도이고,

도 12는 본 발명의 실시예 3에 따른 Re=2000 인 경우 12개의 딤플중 유동방향에 30도 와 60도를 이루는 딤플에서 수치해석 결과를 보인 예이시도이고,

도 13은 본 발명의 실시예 3에 따른 Re=2000 인 경우 12개의 딤플중 유동방향에 90도를 이루는 딤플에서 수치해석 결과이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 양광관 (2) : 딤플

Claims (8)

1. 심해 망간 단괴를 채광하는 집광기와, 양광관, 양광펌프를 포함하여 구성되는 망간단괴 채광 시스템에 사용되는 양광관에 있어서,

   양광관의 둘레 표면에 다수개의 딤플을 형성하여 난류를 발생시킴으로써 항력계수를 줄여 심해 해류에 따른 진동을 저감하도록 형성한 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 딤플은 임의의 크기를 가지는 양광관 둘레에 1열당 12개가 배열 형성된 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 딤플은 임의의 크기를 가지는 양광관 둘레에 1열당 30ㅀ 간격으로 12개가 배열 형성된 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 다수개 배열된 딤플은 1열당 12개가 배열되고, 이웃하는 상하 열과는 엇갈리게 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 다수개 배열된 딤플은 1열당 12개가 배열되고, 이웃하는 상하 열과는 엇갈리게 배열하되, 상하 딤플간의 간격은 딤플의 지름에 0.81을 곱한 지점에 또 다른 1개열의 딤플을 형성하고, 상하열간의 배치는 제 1열의 2개 딤플의 중심과 중 심사이를 가상의 선으로 연결하고 그 중점에서 수직으로 내리거나 올린 간격에 새로운 딤플의 중심이 오도록 배치한 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
6. 청구항 1 또는 청구항 5에 있어서,

   상기 딤플의 직경은 임의의 양광관 지름을 기준으로 할때 원둘레 길이를 24개로 나눈 값의 길이를 딤플의 직경으로 하는 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 딤플은 레이놀즈수가 2000인 경우 평편한 실린더의 항력 계수 1보다 작은 항력 계수가 0.9인 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.
8. 청구항 1에 있어서

   상기 딤플은 지름 1cm 기준일때 깊이는 0.15-0.35 cm의 비율이 되도록 형성한 것을 특징으로 하는 심해저 광물자원 채취용 딤플형상의 양광관.

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