Introduction

화생방 전쟁 시 사용되는 생물학 무기(BWAs, biological warfare agents)는 바이러스, 세균, 독소를 말하며, 사용 시 인간을 포함한 생태계에 질병을 유발하여 치명적인 피해를 입힐 수 있다. 또한, 생물학 무기는 공격 발생 사실을 초기에 감지하는 것이 어렵고 한번 오염되면 스스로 번식, 확산하는 특성을 가지고 있을 뿐 아니라 일정기간의 잠복기가 있어 즉각적으로 증상이 나타나지 않기 때문에 병원체를 규명하고 치료 방법을 찾는데 많은 시간이 소요되는 특징을 가지고 있다. 이러한 이유는 일반적으로 생물학 무기가 기체나 안개와 같은 에어로졸 형태로 존재하기 때문이다. 특히, 생물학 무기는 무색, 무취의 형태로 공기 중에 에어로졸 형태로 살포가 가능하여 검출하기가 어렵다⁽¹⁾. 이러한 특성으로 생물학 무기 검출을 위한 많은 실험적, 수치적 연구가 수행되고 있다. Miljevic 등⁽²⁾은 에어로졸과 액체 사이의 접촉 표면적을 증가시키는 수단으로서 유리 노즐 팁이 장착된 임핀저(impinger)로 초미립자의 포집에 대한 연구를 실험적으로 수행하였다. Hill 등⁽³⁾은 대기 중의 생물학적 입자를 특성화할 수 있는 실시간 탐지 방법으로 12개의 노즐로 구성된 에어로졸 발생기를 이용하여 연구하였으며, 레이저를 이용하여 입자의 광특성을 제시하고 다양한 대기 조건에서 측정된 입자 스펙트럼을 보여줌으로써 관련 기술의 성능을 입증하였다. Huang 등⁽⁴⁾은 단일 노즐의 관성 충돌기 내부를 비압축성 유동으로 가정하여 충돌판 지름과 입자 밀도가 포집효율에 미치는 영향을 연구하였다. Romay 등⁽⁵⁾은 에어로졸 집중 장치로 3가지 단계를 거치는 가상 충돌 장치 입자 샘플러를 개발 및 제작하여 크기 별 입자 포집의 손실을 최소화하고 검출 기기의 한계 및 검출 속도를 향상시키는 연구를 수행하였다. Rezvanpour 등⁽⁶⁾은 제약 입자 제조공정에서 용액 및 질소 유속 등의 매개 변수가 입자 포집 효율에 미치는 영향을 연구하였다. Taketani 등⁽⁷⁾은 레이저 유도 형광(LIF, laser-induced fluorescence)기술을 사용하여 특정 유형의 에어로졸 입자를 대기에서 온라인으로 탐지하기 위한 계측기 개발 연구를 수행하여 장비의 성능을 향상시켰다. Rostedt 등⁽⁸⁾은 외장유동 노즐(sheath flow nozzle)을 이용하여 에어로졸 입자를 집속시키기 위해 에어로졸 유입량에 따른 외장유동 노즐 유동을 수치적으로 해석하였으며, 이를 실험과 비교 분석하였다. Chun 등⁽⁹⁾은 노즐 형상과 유체 입자의 크기에 따른 입자 거동 특성을 연구하였다. Han 등⁽¹⁰⁾은 입자 물질의 대부분이 입자 제거 설비에 의해 제거되지만 미세 입자는 다른 크기의 입자에 비해 제거 효율이 낮아 응결로 미세입자를 성장시켜 제거하는 실험을 수행하였다. Yang 등⁽¹¹⁾은 에어로졸 형태로 분사되는 DDAC(didecyldimethylammonium chloride)의 포집 및 분석 방법을 연구하였는데, XAD 흡착제를 사용한 DDAC 포집 및 이온크로마토그라피를 이용한 분석 방법이 DDAC 농도를 신속하고 편리하게 모니터링 할 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구의 주된 목적은 에어로졸 탐지를 위해 외장유동 노즐의 분사각을 최적화하여 에어로졸 입자의 집속효율을 향상시키기 위한 것이다. 최적화를 위해 상용프로그램인 ANSYS CFX Ver. 18.1을 사용하였으며, 실험계획법(Design of Experiment, DOE)을 적용하여 설계변수에 대한 해석 횟수를 최소화 하였다. 그리고, 그 결과를 기반으로 ANSYS에서 제공하는 반응면 최적설계 기법(Response Surface Method, RSM)을 이용하여 최적화 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 외장유동 노즐의 형상이 에어로졸집속효율에 미치는 영향을 고찰하였다. 설계변수는 외부 노즐과 내부 노즐의 분사각으로 설정하였으며, 설계변수에 대한 해석 시간을 줄이고자 실험계획법을 사용하여, 9개의 설계점을 도출하였으며 각 지점에 대한결과를 기반으로 반응표면법을 이용하였다. 반응표면법으로 3개의 최적점을 얻었고 그 결과는 Table 6에 기술하였다. 3개의 최적점 중 가장 집속효율이 높은 점을 CFD를 이용하여 결과를 비교하였다. 그 결과는 Table 7에 기술하였다. 반응표면법과 CFD 값의 상대오차는 0.14%를 나타내어 반응표면법 결과의 타당성을 확인하였다. 최적화된 형상과 기본 형상에 대한 집속 효율의 상대오차는 3.36%를 나타내었다(Table 7 참조). Figure 4은 기본 모델과 최적 모델의 횡단면에서의 속도장을 나타낸 것이다. 그림과 같이 내부 노즐에서의 분사각이 감소하여 에어로졸 입자의 속도가 증가하게 될 뿐 아니라 가속되는 영역이 기존 형상에 비해 출구 영역으로 이동한 것을 알 수 있다. 따라서 에어로졸 입자 속도가 증가하여 관성력이 증가하기 때문에 입자의 운동 방향성을 유지시켜 집속효율이 향상되는 것으로 판단된다. 외부 노즐에서 분사각 또한 감소하여 외장유체 유입 구간 감소로 외장유체 속도가 증가하여 에어로졸 입자의 유동방향을 보조하는 힘이 강해짐을 예측할 수 있으며 유동 개선에 따른 입자 집속효율이 향상됨을 유추할 수 있다. Figure 5는 기본 모델과 최적 모델의 탐지 영역에서의 입자 체적분율을 확인한 결과이다. 외·내부의 분사각이 감소하면서 체적분율은 감소하였으나 입자와 외장유체가 중심부로 집중되는 것을 확인할 수 있다(Table 7 참조). 이러한 결과는 입자와 외장유체의 관성력 증가로 유동의 방향성을 유지하여 탐지영역에 집속효율이 향상되는 것으로 판단할 수 있다. 그러나 노즐 형상 변화에 따라 입자와 외장유체 속도가 계속 증가하게 되어 압축성 유동의 특성을 나타나게 되면 입자 검출의 정확성과 노즐 유동의 안정성에 문제가 나타날 것으로 사료된다.

Fig. 4 
Comparison of velocity distributions between optimal model and reference model (a) velocity field (b) particle flow characteristics

Fig. 5 
Comparison of volume fraction at detecting area

본 연구에서는 외장유동 노즐의 외부와 내부의 분사각을 설계변수로 설정하여 실험계획법과 반응표면법으로 최적화를 수행하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

• 1) 내부 노즐의 분사각 감소는 에어로졸 입자의 속도를 증가시키는 요인이 되고 이에 따라 운동 방향성이 유지되고 집속 효율이 향상됨을 알 수 있다.
• 2) 외부 노즐의 분사각 감소는 외장유체의 속도를 증가시켜 입자의 유동을 보조하는 힘이 증가하여 입자를 중심부로 집속시키는데 영향을 미쳐 집속효율이 향상되는 경향을 나타내었다.

이러한 결과를 통해 외장유동 노즐의 분사각은 에어로졸 입자 집속효율에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 설계변수와 다양한 최적화 기법을 적용하여 외장유동 노즐에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 사료된다.