Performance of Porous Media Model for Simulating Flow Through an Electrostatic Precipitator

Abstract

전기집진기는 발전소에서 발생하는 배기 가스에 존재하는 유해 미세 입자를 여과하여 대기 중 미세 먼지를 저감하는 기능을 한다. 수많은 선행 연구들에 따르면 전기 집진기의 집진 성능 향상을 위해서는 집진 영역으로 들어가는 유동장이 균일할수록 좋다. 그러나 대부분의 선행 연구는 디퓨저 내부 타공판을 통과하는 유동에 대해 porous media modeling을 적용하는 경우가 많았는 데, 압력장과 달리 속도장 측면에서 이 모델링의 적합성은 충분히 검증되지 않았다. 따라서 본 연구는 전기집진기 내부 유동에 대한 porous media model의 적절성을 평가하기 위해 전산 시뮬레이션과 실험을 수행하였다. Porous media model을 적용하여 계산한 유동장과 실질적인 타공판의 형상을 반영하여 계산한 유동장을 비교하였다. 이 두 가지 경우로부터 얻은 유동장은 디퓨저 상류에서는 실험 결과와 일치하는 경향을 보였으나, 디퓨저 내부에 설치된 타공판 전후 유동장에서는 모델링 적용 여부에 따라 매우 큰 차이를 보였다. 전반적으로, 이 모델은 타공판의 고체 영역에서 발생한 정체 유동 및 타공판 후방에서 발생하는 후류를 반영하지 못 하는 특징을 보였고, 유동이 타공판의 빈 공간을 통과하면서 유동의 단면이 감소하여 발생하는 베나 콘트랙타 현상을 예측하지 못 한다는 점이 발견되었다. 결과적으로, 이와 같은 유동장의 왜곡은 집진 영역으로 들어가는 유동을 실험과 매우 다르게 해석하였다. 따라서 이와 같은 porous media model은 전기집진기 내부 유동장 해석과 같은 산업계에서의 광범위한 활용을 위해서는 추가적인 개선이 필요하다.

An electrostatic precipitator (ESP) collects detrimental particles of flue gas discharged from power plants. Previous studies revealed that the more even the inflow to the collection region is, the better collection efficiency is assured. However, numerous conventional investigations widely adopted porous media modeling, which has not been sufficiently validated in terms of the velocity field, not the pressure field, to resolve the flow field across the perforated plates installed within a diffuser. Therefore, this study aims to evaluate the flow characteristics when the porous media modeling is applied to the perforated plates by conducting numerical simulation and experiment. Flow fields acquired from porous media modeling and fully resolved cases were compared to validate the model. As a result, two simulation cases showed a good agreement with the experiment at the far upstream region of the diffuser whereas the flow field across the perforated plates exhibited a quite different regime. Porous media modeling could not predict stagnated flows at the solid part of the perforated plates and wakes just beyond the plates as well as the vena contract phenomenon along the void part of the plates. Consequently, these sorts of distortions in the flow field by porous media modeling resulted in a highly inconsistent regime compared to the one obtained from the experiment. Therefore, this modeling needs to be largely improved to be utilized in practical prediction in the industries.