[논문]배관구조에 따른 속도분포 변형과 선회가 오리피스 유량계의 압력차에 미치는 영향에 대한 수치적 연구

김홍민; 허재영; 김광용

doi:10.3795/ksme-b.2003.27.10.1450

배관구조에 따른 속도분포 변형과 선회가 오리피스 유량계의 압력차에 미치는 영향에 대한 수치적 연구
Numerical Study on the Effects of Velocity Profile Distortion and Swirl on Pressure Difference of Orifice Flowmeter Due to Pipe structure 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.27 no.10 = no.217, 2003년, pp.1450 - 1456

김홍민 (인하대학교 대학원 기계공학과) , 허재영 (한국가스공사 연구개발원) , 김광용 (인하대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Three-dimensional pipe flows with elbows, tees and headers in three different pipe systems are calculated to estimate the effect of asymmetry of axial velocity profile and swirl on measuring accuracy of an orifice flowmeter. It is evaluated how the pressure difference across the orifice is dependent on the upstream straight pipe length and how swirl intensity, swirl angle, and axial velocity distribution affect the measuring error of the orifice flowmeter. From the results, it is found that variation of the pressure difference across the orifice is negligible in case that maximum swirl angle is less than 2$^{\circ}$, and also that the pressure difference across the orifice is more sensitive to the asymmetry of axial velocity profile rather than the swirl intensity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 엘보우와 T-자관, 헤더를 포함하는 실제 삼차원 배관에 대한 유동해석을 통해 오리피스 상류의 직관길이에 따른 선회각, 선회강도 및 축방향 속도의 비대칭성 등이 오리피스 유량계의 측정오차에 미치는 영향을 연구하였다.
오리피스 상류의 배관구조로 인해 발생한 유동의 선회가 오리피스 유량계의 측정오차에 미치는 영향을 파악하기 위해 다음과 같이 정의되는 선회강도(swirl intensity)가 측정오차에 미치는 영향을 검토하였다.

가설 설정

입구조건으로는 유입되는 천연가스의 속도가 일정하다고 가정한 균일 속도분포를 사용하였다. 출구조건으로는 축방향의 모든 물리량의 구배가 무시된다는 조건을 사용하였으며, 벽조건으로는 점착조건 (no slip) 을 사용하였다.

제안 방법

T-자관과 엘보우, 헤더를 갖는 서로 다른 세 가지 실제 배관형상에 대한 삼차원 유동해석을 통해 오리피스 상류의 직관길이와 이에 따른 선회와 축방향 속도분포의 비대칭성이 오리피스 유량계의 측정오차에 미치는 영향을 분석하였다. 선회각은 이차원 보다 삼차원 배관구조에서 더 크게 나타났고, 오리피스 전후의 압력차에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다.
Prabu 등(°은 레이놀즈수가 30, 000 ~ 494, 000 의 범위에서 상류에 교란이 있는 경우와 교란이 없는 경우의 유출 계수를 비교하여 교란이 있는 경우 유량측정 오차가 커짐을 확인하였으며, 교란으로 인한 오차는 레이놀즈수가 작을수록 커짐을 밝혔다. 또한 동일평면상의 90° 엘보우와 동일 평면상에 있지 않은 연결된 2 개의 90° 엘보우에서 유출 계수를 비교하여, 동일 평면상의 엘보우인 경우 22D, 동일 평면상에 있지 않은 엘보우의 경우 최소 48P 이상의 오리피스 상류 직관길이가 필요하다고 제시하였다. Morrison 등'"은 관의 직경에 대한 오리피스의 직경비를 0.
Langsholt 와 Thomassen"。은 동일평면상의 90°엘보우와 동일 평면상에 있지 않은 연결된 2 개의 90° 엘보우, 그리고 헤더 (header)에 대한 수치해석 및 실험을 통해 선회각과 축방향 속도분포를 비교하였다.
사용하였다. 출구조건으로는 축방향의 모든 물리량의 구배가 무시된다는 조건을 사용하였으며, 벽조건으로는 점착조건 (no slip) 을 사용하였다. 계산에 사용된 유체는 천연가스로서 밀도는 작동압력에 따라 7.

대상 데이터

계산에 사용된 격자수는 직관길이에 따라 240, 000 ~ 310, 000 개의 격자가 사용되었다.
본 연구에서는 유동해석을 위해 상용 소프트 웨어인 CFX43 을 사용하였다. 지배방정식으로는 정상상태, 비압축성유동에 대한 연속 방정식, Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 사용 하였고, 난류모델로는 표준 蛙모델을 이용하였다.
본 연구에서는 천연가스를 수송하는 한국가스공사의 세가지 배관구조를 대상으로 하였으며, Fig 1 은 T-자관과 엘보우를 갖는 계산영역의 형상을 나타낸다. 그림에서 볼 수 있듯이 관심의 대상이 되는 배관을 제외한 나머지 배관은 전체 길이 중 일부만을 계산영역으로 선택하였는데, 이는 전체길이를 계산영역으로 선정할 경우, 격자수의 증가로 인해 계산시간이 현저히 증가하기 때문이며, 이로 인한 결과의 차이를 모든 배관의 전체길이를 계산한 경우와 Fig.

이론/모형

을 사용하였다. 지배방정식으로는 정상상태, 비압축성유동에 대한 연속 방정식, Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 사용 하였고, 난류모델로는 표준 蛙모델을 이용하였다. 지배방정식의 이산화방법으로는 유한체적법(fnite volume mettiod)을 사용하였고, 대류항과 확산항의 계 산에는 상류차분법 (upwind difference scheme)과 중 심차분법 (cenlial difference scheme)을 각각 채택 하였으며, 압력보정방법으로는 SIMPLE (Seni-Ir理)licit Method for Pressure Linked Equations) 방법을 이용하였다.
지배방정식으로는 정상상태, 비압축성유동에 대한 연속 방정식, Reynolds-averaged Navier-Stokes 방정식을 사용 하였고, 난류모델로는 표준 蛙모델을 이용하였다. 지배방정식의 이산화방법으로는 유한체적법(fnite volume mettiod)을 사용하였고, 대류항과 확산항의 계 산에는 상류차분법 (upwind difference scheme)과 중 심차분법 (cenlial difference scheme)을 각각 채택 하였으며, 압력보정방법으로는 SIMPLE (Seni-Ir理)licit Method for Pressure Linked Equations) 방법을 이용하였다.

성능/효과

가로축은 축방향 거리를 나타내며, 왼쪽과 오른쪽의 세로축은 각각 무차원화된 오리피스 전후의 압력차와 선회강도를 나타낸다. 대체적으로 선회강도가 감소함에 따라 오리피스 압력차의 변화는 축소되고 있으나, 오리 피 스 압력 차의 변화가 case A 와 case C 에 서 각각 직 관길 이 30£>와 50D 이 후에서 급격히 감소하는데 반해, 동일한 위치에서 선회강도는 특별한 변화를 나타내지 않고 여전히 상당한 크기를 가지고 있어, 본 연구의 유량범위에서 오리피스 압력차는 선회강도에 의해 영향을 받고 있으나 그다지 민감하지는 않음을 알 수 있다.
배관구조가 비교적 복잡한 case A 가 약 5%의 오차를 보이고 있으나, 나머지 두 경우는 0.2% 이내의 오차만을 보임으로써 삼차원 유동해석이 실험치를 비교적 정확하게 예측함을 알 수 있다.
T-자관과 엘보우, 헤더를 갖는 서로 다른 세 가지 실제 배관형상에 대한 삼차원 유동해석을 통해 오리피스 상류의 직관길이와 이에 따른 선회와 축방향 속도분포의 비대칭성이 오리피스 유량계의 측정오차에 미치는 영향을 분석하였다. 선회각은 이차원 보다 삼차원 배관구조에서 더 크게 나타났고, 오리피스 전후의 압력차에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었다. 특히 ISO 규격에서 규정한대로 단면 내에서 최대선회각의 크기가 2° 이하인 경우 선회각은 오리피스 압력차에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다
선회강도와 축방향 속도의 비대칭도가 오리 피스 전후의 압력차에 미치는 영향을 분석한 결과 본 연구에 사용된 유량범위 내에서 선회강도 뿐 아니라 비대칭도가 측정오차의 감소에 중요한 영향을 미치며, 선회강도 보다 비대칭도의 영향이 더 민감함을 알 수 있었다.
오리피스 압력차의 변화가 사라지는 각각 30£＞와 50£＞의 위치에서 축방향속도의 비대칭도의 변화도 급격히 감소함을 알 수 있다. 이러한 결과를 통해 축방향 속도의 비대칭도 역시 오리피스 전후의 압력차에 영향을 미치는 중요한 변수이고 널리 알려진 유동선회의 영향 보다 더 민감한 영향을 미친다는 사실을 알 수 있다.

참고문헌 (14)

ANSI/API, 1985, Orifice Metering of natural Gas and Other Related Hydrocarbon Fluids 2 Edn. American Gas Association and American Petroleum Institute, Washington, DC
Morrow,T.B. and Park, J.T., 1992, 'Effects of tube bundle location on orifice mether error and velocity profiles,' Pipeline Technology, V-A, pp 13-17
Shen, J.J.S., 1992, 'Velocity profile survey in a 16-in custody-transfer orifice mether for natural gas,' SPE Prod, Engng., Vol. 5, pp. 40-44
Shen, J. J. S., 1991, 'Characterization of swirling flow and its effects on orifice metering,' SPE paper 22865 66th Annual Conf. Exhib. Society of Petroleum Engineers, Dallas, TX
Mattingly, G. E., Yeh, T. T., 1990, 'Flowmeter Installation Effects Due to Several Elbow Configurations,' 2nd Int. Symp. Fluid Flow Measurement, June 6-8. 1990, Calgary, Alberta, Canada
Prabu, S. V., Mascomani, R., Balakrishnan, K. and Konnur, M. S., 1996, 'Effects of upstream pipe fittings on the performance of orifice and conical flowmeters,' Flow Meas. Instrum., Vol. 7, No. 1, pp. 49-54

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Morrison, G. L., Hall, K. R., Macek, M. L., Ihfe, L. M., DeOtte, R. E., and Hauglie, J. E., 1994, 'Upstream velocity profile effects on orifice flowmeters,' Flow Meas. Instrum., Vol. 5, pp. 87-91

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Brennan, J. A., McFaddin, S. E., Sindt, C. F., Kothari, K. M., 1989, 'The Influence of Swirling Flow on Orifice and Turbine Flowmeter Performance,' Flow Meas. Instrum. Vol. 1, pp. 5-8

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Morrison, G. L., 1997, Flow Field Development Downstream of Two in Plane Elbows,' FEDSM97-3021
Silva, F. S., Ruiz, J. H., Velazquez, T. and Ugalde, V. Z., 1998, 'Curved Pipe Flow Numerical Simulation for Metrology Purposes Using CFD 2000,' FEDSM 98-5287
Langsholt, M., Thomassen, D., 1991, 'The Computation of Turbulent Flow through Pipe Fittings and the Decay of the Disturbed Flow in a Downstream Straight Pipe,' J. Flow Meas. Instrum. Vol. 2, pp. 45-55

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KOGAS Flow Measurement data, 2001
ISO 4006, 1992, Measurement of fluid flow in closed conduits-Vocabulary and symbols
ISO 5167, 1991, Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices

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