개요

미세먼지가 많은 공간에 공기청정벤치를 가동하는 것이 미세먼지 저감에 얼마나 효과적인지 분석하기 위해 주변의 공기 청정도 변화를 파악하였습니다. 이를 위해 유한체적법을 이용한 수치해석용 CFD 소프트웨어인 ANSYS FLUENT를 사용하였습니다. 공기청정벤치의 모델과 경계조건은 제공받은 도면을 기초로 작성되었습니다.

Pre-Processing

고객사가 제공한 3D모델은 CFD해석에 적합하도록 수정하여 사용하였습니다. 하단에 위치한 4개의 입구에서 공기를 흡입하며, 상단 양측 면의 토출구에서 정화된 공기가 토출됩니다. 제품의 설치환경을 고려하여 제품으로부터 좌우 7m, 앞으로 3m, 높이 3m를 해석 주변환경으로 설정하였습니다. 제품 표면의 경계 유동을 모사하기 위해 경계층 메쉬로 구성하였습니다. 또한, 해석의 정확성을 높이고 해석 부하를 줄이기 위해 제품 및 제품과 근접한 공간의 메쉬는 조밀하게 구성하고, 제품에서 멀어질수록 메쉬가 커지도록 설정하였습니다. 

초기조건으로 공간 전역에 미세먼지가 골고루 분포된 상황을 가정하였으며 농도는 100ug/m3(한국 미세먼지 농도 나쁨 기준)으로 설정하였습니다. 미세먼지의 농도는 유동에 영향을 주지 않기 때문에 초기조건 농도에 따른 영향은 없으며, 초기 대비 변화를 확인할 때 비교하기 쉽도록 선택하였습니다. CFD 해석의 solver는 Transient로 해석하여 초기 오염된 상태에서 시작하여 30분이 지날 때까지 수행하였으며, 제품이 작동함에 따라 청정지역의 범위를 확인하였습니다. 

Solving

공기청정벤치 작동 5분까지는 대부분의 해석대상 공간에서 미세먼지 농도가 50ug/m3 이상으로 토출구 주변에만 Iso-surface가 그려진 것을 볼 수 있습니다. 작동 10분 후의 그림을 살펴보면 벤치 상단의 상당 부분이 초기농도의 절반인 50ug/m3 이하 영역에 포함되어 있습니다. 20분 후에는 해석 공간 대부분의 농도가 50ug/m3 이하로 떨어진 것을 볼 수 있습니다. 30분 후에는 전체 공간의 농도가 50ug/m3 이하로 떨어져 50ug/m3에 해당하는 Iso-surface는 보이지 않고 벤치 부근에는 농도가 30ug/m3 이하로 떨어져 있는 것을 확인할 수 있습니다.

Post-Processing

공기청정벤치 가동 약 5분 이내에는 벤치 위 토출구에 근접한 일부 구역에서만 초기 미세먼지 농도의 절반인 50ug/m3 이하로 미세먼지 농도가 감소하는 것을 확인할 수 있었습니다. 10분이 지난 후부터는 공기가 정화된 구역이 점차 늘어나고, 20분 후에는 벤치 주변 대부분의 공간에서 미세먼지 오염도가 절반 수준으로 떨어진 것을 볼 수 있습니다. 또한, 공기청정벤치 가동 30분 후에는 전체 공간의 오염도가 초기의 절반 이하로 떨어졌으며, 특히 공기청정벤치를 사용하는 사람이 위치한 공간에서는 미세먼지 오염도가 초기의 30% 이하로 감소하여 공기청정벤치 가동 시 벤치 주변의 공기를 정화하는 효과가 있음을 확인하였습니다.