서론
우리나라는 산업에 가장 중요한 철, 동, 니켈, 아연, 우라늄, 유연탄의 6대 전략광종을 정해 안정적인 공급처 확보를 위해 노력하고 있다. 특히 니켈, 코발트, 구리와 같은 육상 광물자원이 전무한 우리나라로서는 국가 미래 전략광물자원 확보에 발맞춰 해양수산부의 주도로 심해저광물자원 채광기술 상용화 기반구축을 위한 중장기개발계획(Korea Ministry of Oceans and Fisheries, 2014)에 따라 태평양의 크라리온-크리퍼톤 해역의 광구에 묻혀있는 심해저 망간단괴를 개발하기 위한 채광기술 개발연구를 수행하였다.
심해 5,000 m 이상에 부존된 다금속 망간단괴를 해상까지 끌어올리는 양광은 고난도 기술개발을 요구한다(Chung, 1994; Chung, 2002). 한국지질자원연구원은 연간 300만 톤의 망간단괴를 생산할 수 있는 심해저 망간단괴 채광기술 중에서 가장 중요한 심해저 양광시스템 개발연구를 지속적으로 수행하였다(Yoon et al., 1998; Yoon et al., 1999; Yoon et al., 2001; Yoon, et al., 2004; Yoon, et al., 2005; Yoon, et al., 2009; Yoon, et al., 2010; Yoon, et al., 2011; Yoon, et al., 2013; Yoon, et al., 2014).
위의 10개의 논문을 통해서 양광시스템의 개발 단계를 알 수 있다. 앞의 3 논문은 수력 펌프를 이용한 양광시스템 개발을 위해서 수치해석 및 실험 연구를 통해서 양광관 내부의 고-액 혼합유동특성을 파악하였다. 다섯 번째 논문은 수력 펌프 설계를 위한 연구이며, 네 번째와 여섯 번째 논문은 양광시스템 설계를 위한 Pilot 규모의 실험을 수행하였다. 일곱 번째 논문은 수심 100 m 해역에서 통합 채광실험을 수행한 내용이며, 여덟 번째 논문부터는 차례대로 모니터링을 위한 계측시스템 설계방안, 양광시스템 최적화 및 유연관 설계방안에 대한 내용이다.
심해저 양광시스템은 양광펌프 및 부속장치, 선상처리장치, 선상동력장치, 양광관, 유연관, 제어계측장치, 버퍼시스템 등으로 구성되어 있다. 이 중 버퍼시스템은 양광펌프와 유연관 사이에 위치하고 있으며 유연관과 펌프의 연결 및 고-액 유동의 유출량 조절 및 일시적인 저장기능 등의 역할을 수행한다. 버퍼시스템의 설계에서는 시스템의 안정성 관점에 맞추어 진행되어야 하며 특히, 축방향의 진동에 주의해야 한다. 또한 형상의 영향을 고려하여 항력을 작게 받는 최적의 형상을 유도하여 축 방향 공진 진폭을 줄이는 방향을 고려해야 한다. 따라서 최적화 기법을 이용한 버퍼시스템의 설계가 필요하다.
본 연구에서는 버퍼시스템의 형상 최적화를 시도하였다. 버퍼시스템 설계는 상용 전산해석 코드인 FLUENT를 이용하였다. 저장기능의 탱크가 있는 버퍼시스템의 수치해석을 통하여 버퍼 내부의 망간단괴와 해수의 유동분포 및 관내 압력강하 등을 분석하고 심해에서 사용할 버퍼시스템의 제원을 설계하였다. 이러한 연구는 근해시험 적용 시 버퍼시스템 제작을 위한 자료로 활용될 수 있으며, 궁극적으로 실제 상황에서의 위험도를 최소화하고 비용절감에 도움이 될 것이다.
버퍼시스템 모델링 및 전산해석
버퍼시스템 모델링
양광시스템에서 버퍼시스템은 Fig. 1에 보이는 바와 같이 양광관과 유연관을 연결하여 심해저에서 채취된 망간단괴를 해상의 채취선까지 운송하기 위해서 이용된다. 이러한 버퍼시스템은 양광관의 하단에 하중으로 작용하여 양광관의 안정성 유지, 하단에 위치한 유연관의 균형 유지, 양광관에 위치한 단괴의 신속한 제거, 단괴의 입자 크기 조절 및 유출량 조절, 침전물 제거 등의 기능을 한다.
버퍼는 중앙에 둥근 탱크가 존재하고 있어 저장기능을 하고 있다. 이러한 저장탱크는 채취선까지 망간단괴의 원활한 공급을 위해 단괴를 일시적으로 저장하는 역할을 담당한다. 버퍼시스템은 길이 7 m, 직경 3.25 m인 저장탱크와 관경이 0.3 m인 유연관과 출구관으로 구성되어 있다(Fig. 2 참조).
유동의 방향은 유연관에서 올라온 유체는 저장탱크의 상단면에서 탱크 안으로 유입된다(Fig. 2의 파란색 선). 탱크 내에서는 하단부에 있는 관을 통해서 탱크외부로 배출되었다가 탱크 중간부분에서 다시 들어와서 탱크 상단부분으로 나간다(Fig. 2의 붉은색 선). 본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 버퍼시스템의 격자구조를 형상화 하였고, 유입관으로부터 저장탱크로 유입된 유체가 저장탱크에서 다시 출구관으로 배출되기까지의 속도 및 압력분포를 계산하였다.
지배방정식 및 전산해석 조건
버퍼 내부의 유동 특성을 알아보기 위해 본 연구에서는 전산유체역학 기법을 사용하였다. 특히 상업용 코드인 Fluent 이용하여 연속방정식(식 (1))과 Navier-Stokes 방정식(식 (2))을 계산하였다. 다상유동 해석을 위해서 Eulerian 모델을 사용하여 유체 물질의 흐름(granular flow)을 모사하였다.
연속방정식
| $$\frac{\partial\rho}{\partial t}+\frac\partial{\partial x_i}\left(\rho u_i\right)=S_m$$ | (1) |
Sm : 화학반응 등에 의한 질량 Source항
Navier-Stokes 방정식
| $$\frac\partial{\partial t}(\rho u_i)+\frac\partial{\partial x_i}\left(\rho u_iu_j\right)=-\frac{\partial\rho}{\partial x_i}+\frac{\partial\tau_{ij}}{\partial x_j}+\rho g_i+F_i$$ | (2) |
p : 정압
𝜏ij : 응력 텐서 (stress tensor)
gi, Fi, : 중력과 Body Force
전산해석은 Eulerian 모델을 사용하여 유체 물질의 흐름(granular flow)을 모사하였으며, 버퍼시스템의 입구는 유입되는 유량에 해당되는 23 m3/min 조건을 입력하였고, 출구는 일반적인 조건인 대기압으로 설정하였다. 격자 구성은 3차원의 격자로 총 906,696개가 생성되었다. 입구와 출구 파이프의 관경은 0.3 m으로 동일하게 설정하였다.
결과 및 고찰
Fig. 3은 버퍼내의 속도 분포를 보여주고 있다. 하단의 유연관에서 올라온 유체는 동일한 면적에서 동일한 유량이 유동하므로 일정한 속도인 3~5 m/s를 유지하였다. 좁은 입구를 통해 면적이 넓은 탱크내로 하강하면서 1 m/s 이하로 감소하며, 속도는 유연관 대비 약 20%로 감소하는 것으로 나타났다. Fig. 4는 탱크 내에서의 속도분포를 보여준다. 유체가 처음 탱크에 유입되는 지점에서 4 m/s 내외로 유입된 유체는 탱크로 확산되면서 속도가 1 m/s 이하로 감소하다가 넓은 탱크에서 좁은 관으로 유출되는 지점에서 다시 8 m/s까지 속도가 급격히 상승함을 확인하였다.
Fig. 5(a)는 탱크로 유입되는 유체의 속도벡터 크기를 보여주고 있다. Fig. 5(b)는 탱크로부터 출구관으로 배출되는 벡터를 보여준다. Fig. 5(a)에서 볼 수 있듯이 탱크내부로 유입되는 입구관에서 벡터의 크기는 일정하게 나타나므로 정상상태 유동임을 확인하였지만, Fig. 5(a)의 출구관은 수평에서 경사 유동방향이 바뀌면서 벡터 크기의 변화가 나타났다. 출구관의 수평방향 유동에서는 대부분 벡터크기가 3~5였으나 경사방향으로 전환 후에는 6~8로 80% 이상 증가함을 확인하였다. 경사유동이 끝나고 유동방향이 수직으로 전환되는 지점에서는 다시 속도벡터가 50% 정도(벡터크기 3~4) 감소하였다. 이러한 현상은 출구관으로 일정량의 유체가 지속적으로 공급이 되지만 유체의 유동방향이 전환될 때 지점 출구관 벽면과의 마찰로 인한 에너지 손실이 발생하므로 속도벡터가 감소하는 것으로 판단된다. 속도벡터가 급격히 감소하는 지점에서는 망간단괴가 지속적으로 누적될 수 있으며, 이 경우에는 관내 유동을 막아 궁극적으로 펌프의 가동을 중지시킬 수 있다. 따라서 실제 탱크제작 및 현장가동 시에는 이러한 요소들을 반영하여 설계해야 할 것이다.
Fig. 6에서 버퍼 내부의 속도 벡터를 확인하였다. 유체가 입구관에서 탱크의 상부로부터 유입되면서 좌우측에서 순환류가 조성되는 것을 확인하였다. 이는 좁은 유연관과 수평 방향으로 유동하던 유체들이 용량이 큰 탱크내로 유입되면서 각각의 입자들의 운동에너지 방향을 따라 회전하는 것으로 판단된다.
Fig. 7은 입자의 이동경로(pathline)를 보여준다. 입자들은 유연관을 따라 상승하다가 버퍼의 탱크 상부로 유입된다. 탱크 내에서 회전을 하면서 아래로 하강한 후에 출구관을 통해 배출되었다. 탱크 내에서는 중심축을 따라 입자들이 좌측과 우축 두 개의 회전 그룹으로 나뉘었다. 이러한 현상은 입자의 운동에너지를 고려했을 때 설명이 가능하다. 상단으로 유입되어 하단으로 유출되는 경로가 가장 적은 운동 에너지를 소모하므로 입자들은 탱크 중심축을 따라 직선의 유동을 조성하게 된다. 직선경로 유동을 갖지 못하는 입자들은 직선경로 유동입자와 마찰하면서 회전력을 갖게 되고, 좌측회전과 우측회전 그룹으로 나누어 순환유동을 한다. 따라서 탱크 내부를 회전하면서 주 유동의 압력손실로 이어지기 때문에 이러한 주 유동을 축소하거나 제거할 수 있는 탱크의 설계가 필요하다.
Fig. 8은 버퍼 입구관과 출구관에서의 압력분포를 보여준다. 입구관의 하부에서 23 m3/min 유량의 유체가 지속적으로 공급되면서 280 psi 이상의 압력으로 상승한다. 입구관의 하부에서 상부로 유동하면서 약 30 psi의 압력을 손실하고 상부에서는 250 psi가 됨을 확인하였다(Fig. 8 (a) 참조). 출구관에서는 탱크로부터 수평관으로 처음 유입되는 지점에서는 150 psi 이상 분포하지만 유체가 수직관을 통해 배출되면서 압력이 급격하게 감소했다(Fig. 8 (b) 참조). 이러한 압력분포의 예측을 통해서 버퍼시스템 제작 시 적정 내압범위와 이에 맞는 재질을 선택하는데 활용될 수 있을 것이다.
결론
본 연구에서는 심해저 양광시스템의 버퍼시스템의 유동 해석을 전산유동해석을 이용하여 분석하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
1.저장기능이 있는 탱크가 존재하는 버퍼의 전산해석을 통하여 유동의 분포를 연구하였다. 유연관을 통하여 올라온 유체는 저장탱크로 이동하며 탱크 내에서는 순환류가 존재한다. 그 순환류의 속도는 매우 낮은 저속 영역에 들어가며 다시 출구 관을 통할 시에는 속도의 증가를 보여주고 있다.
2.압력은 입구관에서 미세하게 감소하였다가 버퍼 내부의 탱크에서 갑자기 넓은 부피를 만나게 됨으로 압력이 감소함을 보여준다. 출구관에서는 다시 압력은 상승하며 관마찰로 인하여 미소하게 에너지를 잃는다.
3.입자는 입구관과 출구관을 따라 유동하지만 탱크 내에서는 복잡한 유동 형태를 보여준다. 탱크 내에서 큰 유동의 흐름으로 입구관을 중심으로 하여 두개의 회전을 보여준다.
4.탱크 내부의 쌍으로 된 주 유동이 압력손실로 이어지기 때문에 이 주 유동을 축소하거나 제거할 수 있는 탱크의 설계의 필요성을 확인하였다.
