About 40% of the total water resources used in Korea is taken from man-made reservoirs. However, thermal induced stratification divides water body and it prevents a vertical circulation. This causes serious problems for drinking water supply, which include decreasing aesthetic value along with eutrophication, unpleasant odor and color and clogging of filters in water treatment plants. To overcome these problems, air diffusing systems are widely adopted. It is reportedly used due to its effectiveness, inexpensiveness, and simplicity to agitate aquatic environment of the hypolimnion to be mixed with epilimnion. The circulation causes decreasing of temperature of the surface water and phytoplankton activities. However, because there is little research about bubble plumes' design guide, this research was investigated. Firstly, Bubble plume's dynamics and dimensional analysis was performed. Secondly, energy conversion efficiency with bubble plumes' configuration and water depth in various non-linear stratification condition was evaluated. Finally we could get design criteria from experimental results as following.
1. When the water volume is fixed, diffuser configuration and stratification condition were changed. Then, the energy conversion efficiency at the SIL = 15~30% was relatively higher than equivalent configuration by 5~33%.
2. When the stratification condition is fixed, diffuser configuration and water volume were changed. Then, the highest energy conversion efficiency was at S/H = 0.75. It was almost every experimental conditions. It means that the critical factor in designing air diffusing system is water depth.
From above results, we can hope more energy efficiency when we apply it to real design. However, it is very important to do experiment in pilot scale and elucidate the patterns about bubble plume dynamics and energy efficiency. After completing it, we can give a more powerful design guide for air diffusing system.
우리나라에서 이용되는 수자원 총량 중 약 40%가 댐을 통해 공급되고 있으나, 온도차이로 생기는 성층화로 인해 수체가 층을 이루고 이는 수체의 혼합을 가로 막는다. 이로 인해 표층의 부영양화와 이취미 문제가 발생하고 정수처리시 약품투입이 과다해지며, 여과지가 조기폐색되는 문제등이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 수중폭기장치가 널리 이용되고 있다. 폭기를 통해 수체가 혼합되면 표층의 온도를 저하시키고 독성을 유발하는 플랑크톤의 종이 독성이 덜한 종으로 전이된다. 국내에 380여기가 운영되고 있음에도 불구하고, 수중폭기 장치의 설계에 관한 연구가 미진한 실정이기에 반영할 수 있는 인자를 찾아내고자 본 연구가 진행되었다. 첫 번째로, Bubble plume의 수리동력학적 특성을 분석하고 차원해석을 통해 흐름 특성을 지배하는 인자를 도출하고자 하였다. 두 번째로, 산기기의 간격을 달리하며 다양한 성층 조건에서 에너지 변환 효율을 평가하고 최적의 간격비를 도출하였다. 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
1. 수체의 부피, 산기기의 간격과 성층조건을 변화시켰을 때, 최적의 에너지 변환 효율은 산기기 간격 대 길이비가 15~30%일 때 나타났으며, 균등하게 체적을 분할하여 중앙에 위치시킨 설계보다 5~33%까지 상대적으로 높은 값을 가졌다.
2. 최적의 에너지 효율이 나타나는 범위는 산기기 간격 / 수심의 비율로 나타냈을 때 75%일 때 가장 높은 효율을 나타냈으며, 이는 대부분의 실험 조건에서 비슷한 경향을 나타냈다.
3. 2번 결론에서 도출한 경향성을 산기기 3대일 경우에도 확인한 결과, 비슷한 경향성을 가짐을 알 수 있었다.
위의 결과를 통해 산기기의 간격변화를 통해 보다 높은 에너지 효율을 유도할 수 있음을 알 수 있으며, 최적의 간격비는 수심의 75%임을 알 수 있었다. 그러나 실제 설계에 적용하기 전에 파일럿 규모의 실험을 통해 경향성을 확인한 후에 적용이 가능할 것으로 판단된다.
