[논문]시스템내 발생하는 캐비테이션 저감방법에 관한 연구

박상언; 노형운

doi:10.5293/kfma.2004.7.1.045

시스템내 발생하는 캐비테이션 저감방법에 관한 연구
Study on the Reduction Method of Occurred Cavitation in a System 원문보기

박상언 (시립인천전문대 기계과) , 노형운 (시립인천전문대 기계과)

Two phenomena often encountered in liquid flow, which were completely absent in gas or vapor flow, were cavitation and flashing. These phenomena were of significant interest in any comprehensive discussion of control valves or contracted devices since their occurrence would affect the device sizing procedures, might introduce noise and vibration, and also may limit the life expectancy of device components and the immediate downstream piping. Thus, this study aimed to find the reduction method of occurred cavitation in system by the computer simulation. A derivative six model with different dimensions of cavity were adopted. From the results, it was found that the length of the cavity was mote important factor to reduce the pressure drop over the control valves or contracted devices than the depth of the cavity. And the pressures along the centerline of the contracted devices were dropped two times in the case of haying the large length (Lc=1.5D) of cavity.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 시스템사이에 발생되는 압력 차의 크기는 원래대로 유지하면서, 밸브나 교축장치에의한 압력의 변화가 유체의 포화증기압까지 떨어지지 않도록 하는 제어기를 설계하고자 한다. 이런 유동 현상을 고려하기 위해서는 관로의 길이, 직경, 구멍의 개수, 구멍의 크기 등 여러가지 인자들을 고려하여야 한다.
본 연구에서는 시스템 사이에 발생되는 압력 차의 크기는 원래대로 유지하면서, 밸브나 교축장치에 의한 압력 변화가 유체의 포화증기압까지 떨어지지 않도록 하는 제어기를 설계하고자 하는 기초연구로써 컴퓨터 시뮬레이션 방법으로 이용하여 얻어진 결과는 다음과 같다.

가설 설정

Fig. 4(b) 기본 모델에 캐비티를 만들어 준 것이다.

제안 방법

따라서 본 연구는 캐비테이션 저감방법의 설계에 대한기초연구로써 여러가지 모델을 선정하고, 선정된 모델 내 유동장을 컴퓨터시뮬레이션 방법으로 이용하여 해석하였다. 또한 각 모델에 대한 캐비테이션 지수를 비교함으로써 설계인자에 따른 성능을 파악하였다.
또한 각 모델에 대한 캐비테이션 지수를 비교함으로써 설계인자에 따른 성능을 파악하였다.
이러한 압력강하는 에너지보존법칙을 만족시키기 위하여 교축부에서급격한 운동에너지의 급상승을 주도하게 된다. 본 연구에서 관심이 있는 부분은 교축부를 만나 발생하는 압력강하가 20℃인 물의 포화증기압인 2.339 로써보다 더 많이 떨어졌는가를 살펴보아야 한다. Fig.
시스템내 유동특성을 파악하기 위하여 위의 지배방정식들을 유한체적법을 이용하여 이산화방정식을 구하였다. 운동량 방정식의 유효점성계수를 계산하기 위해서 본 연구에서는 표준 为-e모델을 적용하였다.
좀 더 자세히 이런 결과를 살펴보기 위하여 Model 4와 같이 Model 2와 Model 3보다 캐비티의 깊이를 2 배 두고 계산을 하여보았다. 즉 Model 4의 경우는 Model 2와 Model 3과 유사한 모델이고 단지 깊이만 차이가 있다.

이론/모형

지배방정식의 대류항에 대한 이산화작업은 HYBRID방법을 이용하였다. 또한, 운동량방정식의 압력항처리는 압력수정 방법을 이용하는 SIWLE방법을 적용하여 압력수정에 관한 근사 이산화방정식을 압력과 속도의 상관관계를 고려 한 연속방정 식 의 이 산화방정 식 으로부터 구하였다';&
운동량 방정식의 유효점성계수를 계산하기 위해서 본 연구에서는 표준 为-e모델을 적용하였다. 지배방정식의 대류항에 대한 이산화작업은 HYBRID방법을 이용하였다.
운동량 방정식의 유효점성계수를 계산하기 위해서 본 연구에서는 표준 为-e모델을 적용하였다. 지배방정식의 대류항에 대한 이산화작업은 HYBRID방법을 이용하였다. 또한, 운동량방정식의 압력항처리는 압력수정 방법을 이용하는 SIWLE방법을 적용하여 압력수정에 관한 근사 이산화방정식을 압력과 속도의 상관관계를 고려 한 연속방정 식 의 이 산화방정 식 으로부터 구하였다'&

성능/효과

1) 제어기'내부에 캐비티를 형성시켜준다면 버퍼의 효과를 얻을 수 있어 압력강하를 감소시킬 수 있다. 이 경우 Model 2와 Model 3의 경우가 기존시스템보다 약 5.
2) 캐비티의 길이는 같지만 깊이가 각각 다른 두 가지일 때 캐비티의 깊이가 큰 경우 (Model 4)의 가 pvc의 절대값이 더 크며, 캐비테이션 지수도 (1.549에서 1.645로) 증가하였다. 이는 압력회복을 위한 주요 인자는 캐비티의 깊이보다는 길이임을 알 수 있었다.
3) 제어기 중심에 지름의 1.5배정도 길이로 캐비티를 형성시켜주었더니, 압력강하의 양상이 2단 감쇠의 효과를 나타내어 캐비테이션 현상을 저감할 수 있었다.
8에서 보듯이 같이 Model 2 와 Model 3보다도 더 못한 결과를 얻어내었다. 즉, 압력회복을 위한 주요 인자는 캐비티의 깊이보다는 길이임을 알 수 있었다.
3의 (b)와 같이 압력강하의 양상이 2단 감쇠의 효과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 즉, 지름에 1.5배정도의 길이로 캐비티를 형성시켜주었기 때문이다, 이는 Fig. 7의 결과와 같이 작은 크기의 버퍼를 여러 개 두는 것보다는 버퍼의 크기를 충분히 크게 만들어 충분히 범퍼 효과를 줄 수 있도록 설계하여야 됨을 알 수 있었다. 그러나 Model 6의 경우 교축기의 입구에서는 어느 정도 캐비테이션을 방지할 수 있었으나 교축기 후단부에서는 다른 모델들과 같은 결과를 나타냄을 알 수 있었다.

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