2.1 코로나 방전 반응기 및 CFD 모델

본 연구에서는 코로나 방전 가스 반응기 내부의 유동 특성을 분석하기 위해 상용 전산유체역학(CFD) 해석 소프트웨어인 FloEFD를 활용하였다. 해석 모델은 직경 약 750 mm의 원통형 모듈로 구성된 대형 반응기로, 내부에는 침 전극과 다공성 플레이트가 배열되어 있으며, 플라즈마 방전을 통해 악취 가스를 처리하는 구조이다. 모델링 시 계산 효율성을 고려하여 전체 반응기 구조의 대칭성을 기반으로 1/4 영역만을 해석 도메인으로 설정하였다. 입구에는 50 CMM 유량의 균일한 유속 프로파일을, 출구에는 0 Pa의 대기압 조건을 적용하였으며, 모든 벽면에는 No-slip 고정벽 경계조건을 부여하였다. 유체는 25℃에서의 공기로 가정하였고, 해석은 정상 상태의 난류 유동 조건에서 k-ε 모델을 기반으로 수행하였다. 방전 및 화학 반응은 고려하지 않고, 유동장 변화만을 중심으로 분석하였다.

정확한 수치해석을 위해서는 조밀한 메시 구성이 필요하며, 본 연구에서는 메시 독립성 검토를 위해 총 8가지 메시 수 조건(약 20만~2,300만 요소)에 대해 압력 손실 및 계산 시간 변화를 비교하였다. Fig. 2(a)는 메시 수 증가에 따른 압력 손실 변화를 나타내며, 약 890만 개 이상의 요소에서 결과가 수렴하는 경향을 보였다. Fig. 2(b)는 메시 수에 따른 계산 시간을 나타내는데, 메시가 증가할수록 계산 시간이 급격히 늘어나는 특성이 확인되었다. 또한 Fig. 2(c)는 압력 손실과 계산 시간을 요약 정리한 표로, 두 인자의 상관 관계를 직관적으로 확인할 수 있다.

그 결과, 약 890만 개 요소 조건에서 압력 손실이 안정적으로 수렴함과 동시에 계산 시간 측면에서도 현실적인 수준(약 219분)의 효율을 보여 최종 해석에 적용하였다. 이러한 절차는 수치해석 결과의 신뢰성을 확보하기 위한 사전 검증 과정이며, 실험 결과와의 비교는 본 연구 범위에 포함되지 않는다.

Fig. 2 Effects of different mesh sizes on simulation results: (a) Pressure loss, (b) Calculate time (c) Summary of pressure loss and time by mesh count.

2.2 베플 형상 및 배치 변수

반응기 내 유동 균일화 방안으로 적용된 베플은 원판 형태의 구조물이다. 베플의 전체 지름은 반응기 입구 직경과 동일한 420 mm로 설계되었고, 가운데 원형으로 막힌 부분의 크기와 관통공 개수에 따라 세 가지 형상(A, B, C)으로 구분하였다. 세 형상의 차이는 중앙 막힘 영역의 직경으로 정의되며, 이에 따라 베플의 개구율(구멍을 통한 개방 면적 비율)이 달라진다. Fig. 3(a)는 이러한 세 가지 베플 형상(A, B, C)을 나타낸 것으로, 중앙 블랭크 영역의 직경 차이에 따라 각각 689개, 552개, 432개의 구멍을 포함하고 있으며 개구율이 달라진다.

베플 형상은 기존 분리기, 스크러버, 유입관 등에서 보고된 중앙 유속 제어 메커니즘을 참조하여 중앙 막힘 영역 직경을 변수로 설정하였다. 각 형상은 실제 제작 시 가공 설계의 용이성을 고려하여 10 mm 단위 개구를 기반으로 설계되었다.

또한, 베플 위치는 실제 장비 설계 시 고려되는 설치 여유 공간 및 흐름 발달 길이를 기반으로 설정하였다. Fig. 3(b)는 모듈 입구로부터 0 mm에서 300 mm까지 50 mm 간격으로 배치 가능한 7가지 위치 조건을 나타내며, 축방향으로 베플을 이동시키며 유동 분포 변화를 관찰하기 위한 해석 구성을 보여준다. 베플이 입구에 가까울수록 유동이 초기에 재분배되고, 깊숙이 놓일수록 발달한 유동에 영향을 미치게 된다.

이러한 형상과 위치의 조합으로 총 21가지의 베플 설계안에 대해 유동 해석을 실시하였고, 베플이 없는 기본 모델(Basic model)과의 비교를 통해 성능 평가를 수행하였다.

Fig. 3 Configuration and cross-sectional design of baffles in the gas flow reactor.

3.1 베플에 따른 유속 및 압력 분포 변화

CFD 해석 결과, 베플 유무 및 형상에 따라 반응기 내 유동 분포가 뚜렷하게 달라짐을 확인하였다. 기본 모델에서는 중심부에 고속 코어 흐름이 집중되고 외곽부는 저속 영역으로 정체되어 유속 편차가 크게 나타났다.

베플을 적용하면 중심 유속이 감소하고 외곽 유속이 증가하여 유속 분포가 평탄화되는 경향을 나타냈다. 특히 B형과 C형은 중앙을 넓게 차단해 외곽 유동을 유도하며 강한 재분배 효과를 보였다. Fig. 4에서는 이러한 효과로 중심 압력이 저하되고 외곽 압력이 상대적으로 높아지는 흐름 패턴이 나타난다.

Fig. 5의 유속 분포 그래프는 베플 형상 및 설치 위치에 따른 유속 재분배 양상을 정량적으로 보여준다. A형(0 mm)은 중심과 외곽 간 유속 차이가 가장 작아 균일한 흐름을 형성하였고, C형(150 mm)은 외곽 유속이 과도하게 증가하여 오히려 불균일한 흐름을 유발하였다. 이는 유입 초기에 유동을 적절히 분산시킬 수 있는 구조가 유동 균일화에 효과적임을 시사한다.

Fig. 4 Pressure distribution contours and cross-sectional views of various baffle configurations.

Fig. 5 Z-Axis velocity distribution as a function of distance from the central axis for various models.

3.2 유동 균일화 평가를 위한 속도 균일도 지수 정량평가

속도 균일도 지수(UI)는 단면 내 구획별 유속 편차를 면적으로 가중 평균한 뒤 정규화하여 산출되며, 값이 1에 가까울수록 유동이 평탄하게 유지됨을 의미한다. 본 연구에서는 모듈 1의 다공성 플레이트 내 홀이 위치한 면을 단면으로 간주하고 구획화한 후, 각 구획의 유속 분포를 기반으로 UI를 정량 평가하였다.

속도 균일도 지수는 다음 식(1), (2)로 정의된다:

이러한 정의에 따라 계산된 속도 균일도 지수 결과는 Fig. 6에 제시되어 있다. Fig. 6은 세 가지 베플 형상(A, B, C)과 각 베플의 설치 위치(0 ~ 300 mm)에 따른 UI 변화를 시각적으로 비교한 그래프로, 유동 분포의 평탄화 정도를 정량적으로 평가할 수 있도록 구성되었다. 분석 결과, A형 베플을 0 mm 위치에 설치한 경우 UI가 96% 이상으로 유지되며 모든 조건 중 가장 높은 유동 균일도를 기록하였다. 이는 베플이 유입 직후의 난류 유동을 효과적으로 재분배함으로써, 중심과 외곽 간의 유속 편차를 최소화하고 균일한 흐름을 형성했기 때문이다.

반면, B형 및 C형 베플은 후방(150 ~ 250 mm) 설치 시 일부 개선 효과가 나타났지만, 설치 위치가 전방(100 mm 이하)으로 이동함에 따라 UI가 점차 감소하는 경향을 보였다. 특히 C형 베플의 경우, 전방 설치 시 UI가 86% 이하까지 급격히 하락하였으며, 이는 베플의 높은 중앙 차단 면적에 의해 유속이 외곽부로 과도하게 집중되고 중심부에 저속 유동 또는 정체가 발생했음을 의미한다. 이러한 유속 비대칭은 다공성 플레이트를 통과하는 유량의 국부 편차를 유발하며, 결과적으로 반응기 내부의 체류시간 분포 불균일로 이어질 수 있다.

Fig. 6 Velocity uniformity index for different models.