구형 발열체에 의해 수직 상승하는 플룸에 대한 이론 및 수치해석적 연구

Theoretical and Numerical Study on the Plume Rising by Spherical Heating Element

공기 중의 오염물질과 미립자물질은 호흡기 기능이 취약한 노인과 어린이에게 심각한 공중 보건의 위협이 되는 것으로 알려져 있다. 이러한 공기 중의 미립자를 걸러내기 위해 실내에서는 가정용 공기 청정 장치가 사용되고 있으나, 실외의 경우에는 특별한 해결책이 없는 것이 현실이다. 최근 중국은 오염된 공기를 정화하는 거대한 굴뚝을 도입했는데, 이것의 원리는 굴뚝의 아래 부분에 대형 유리 구조물을 설치하고, 유리 아래의 공기를 태양의 복사열로 가열하도록 되어있다. 가열된 공기는 부력에 의해 상승하면서 섬유질 필터를 통과하여 정화되도록 만들었다. 비슷한 개념에서, 본 연구는 태양의 복사열과 구형의 대형 흑체를 이용하여 도시주변의 오염물질을 더 높은 고도로 상승시켜 제거하는 방법을 제안하고 있다. 이를 위해 태양의 복사열에 의해 발열하는 검은 대형 구체를 모델링하였고, 오염된 공기를 제거하기 위한 대규모의 공기 리프팅 모델을 설계하였다. 그리고 구체의 주변에 생성되는 부력과 플룸 현상을 이론식과 수치해석 방법을 사용하여 분석하고 비교하였다.

Contaminants and particulate matter in the air are known to be serious health threats to the elderly and children with poor respiratory function. In order to filter such fine particles in the air, a household air cleaning device can be used indoors, but there is no specific solution for outdoor use. Recently, China introduced a huge chimney that purifies contaminated air. The principle behind the chimney is the installation of a large glass structure at the lower part of the chimney. The air beneath the glass is then heated by solar radiation and allowed to pass through a fibrous filter to be purified as it rises. In a similar concept, this study proposes a method of removing contaminants around the city at high elevation using solar radiation and a large, black spherical-shaped body. We developed a model of the large black sphere generated by solar radiation, and designed a massive air lifting model to remove polluted air. The buoyancy and plume phenomena around the sphere were analyzed and compared using a theoretical equation and numerical analysis method