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문제 정의
- 본 연구에서는 글로브 밸브에서의 유동을 정상 상태, 비압축성 난류 유동으로 가정하여 유동해석을 수행하였으며, 밸브에서 일어나는 3차원적인 유동 현상을 해석하기 위해 실제 밸브 내부와 동일한 유로 형상으로 계산 모델을 구현하였다. 본 연구에 사용된 밸브는 50 mm 글로브 밸브로 밸브 행정은 25 mm, 밸브시트의 지름은 50.
제안 방법
- Fig. 2는 개도율 25%에서의 계산 격자를 나타낸 것으로 육면체, 프리즘, 사면체 요소들로 이루어진 4개의 비 정렬(unstructured) 계산 격자가 생성되었으며, 4가지 밸브 개도율에 따라 모델링을 하였다. 본 연구에서 사용된 격자수는 개도율 25%일 때 약 110만 개의 격자이며, 개도율이 증가할수록 목 주위의 격자가 증가하여 50%일 때 114만 개, 75%일 때 121만 개, 100% 일 때는 약 154만 개의 격자를 사용하여 모델링하였다.
- 밸브의 개도율에 따라 밸브 내부의 플러그가 상승함으로써 목 주위의 유로 형상 및 유로 단면적이 급격히 변화 하기 때문에 유동 변화 및 밸브에서 발생되는 압력강하 대부분이 이 부근에서 일어난다고 판단되어 많은 격자를 집중하였다. 또한 밸브 하류 쪽에서 발생되는 순환 유동이나 back flow가 outlet에서 재유입 되어 계산 결과에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 밸브 출구 측에 연결된 관의 길이를 충분히 길게 (8D) 모델링하였다. 밸브 입구 측 또한 안정된 유체가 밸브로 유입되도록 모델링하였다.
- 배관 시스템에서 가장 흔히 사용되는 글로브 밸브에 대하여 상용 전산 열유체 해석코드를 이용한 유동해석을 수행하였으며 이 해석 결과의 타당성을 알아보기 위해 실험 결과와 비교 검토하였다. 실험으로 측정된 밸브 전후단에서의 압력차와 해석에서 얻어진 결과는 약간의 차이를 갖고 있기는 하지만 비교적 잘 일치하고 있기 때문에 본 해석 결과가 타당성을 갖고 있음을 알 수 있다.
- 밸브 내부에서의 압력강하 및 유동 특성은 밸브의 개도에 따라 매우 다른 양상을 보이기 때문어), 밸브의 개도율(25%, 50%, 75%, 100%)에 따라 4가지 경우에 대해 연속방정식 (1) 과 운동량 방정식(2)을 적용하여 전산해석을 수행하였다.
- 또한 밸브 하류 쪽에서 발생되는 순환 유동이나 back flow가 outlet에서 재유입 되어 계산 결과에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 밸브 출구 측에 연결된 관의 길이를 충분히 길게 (8D) 모델링하였다. 밸브 입구 측 또한 안정된 유체가 밸브로 유입되도록 모델링하였다. 실험 결과와의 비교를 위해 밸브의 개도율에 따라 측정된 질량 유량을 유속으로 환산하여 입구 조건으로 적용하여 각각의 유속은 개도율 25%일 때 1.
- 본 연구에서 사용된 격자수는 개도율 25%일 때 약 110만 개의 격자이며, 개도율이 증가할수록 목 주위의 격자가 증가하여 50%일 때 114만 개, 75%일 때 121만 개, 100% 일 때는 약 154만 개의 격자를 사용하여 모델링하였다. 밸브의 개도율에 따라 밸브 내부의 플러그가 상승함으로써 목 주위의 유로 형상 및 유로 단면적이 급격히 변화 하기 때문에 유동 변화 및 밸브에서 발생되는 압력강하 대부분이 이 부근에서 일어난다고 판단되어 많은 격자를 집중하였다. 또한 밸브 하류 쪽에서 발생되는 순환 유동이나 back flow가 outlet에서 재유입 되어 계산 결과에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 밸브 출구 측에 연결된 관의 길이를 충분히 길게 (8D) 모델링하였다.
- 범용 열유체해석 프로그램인 FLUENT를 사용하여 차분방정식 (6) 의 해를 구하였다. FLUENT는 유동, 열전달, 상변화, 연소 등과 관련된 현상의 수치해석을 위해 개발된 프로그램으로 전처리 장치인 GAMBIT, Solver 와 후처리 장치인 FLUENT로 구성되어 있다⑹.
- 유 동장 해석을 수행하여 압력강하 및 유동 특성을 알아보고 이로부터 얻어진 해석 결과의 타당성을 검증하기 위해 동일 조건 하에서 밸브 개도에 따른 유체 유동실험을 수행함으로써 전산해석 결과와 비교. 검토하였다.
- James 등叫⑸은 글로브 밸브의 플러그 유형 및 시트의 직경의 변화에 유량계 수 %의 변화를 CFD와 실험을 통해 고찰하였다. 이때 입구 영역과 출구 영역은 3차원으로 플러그와 시트 영역은 2차원으로 모델링하여 해석하였다.
- 제어부는 유체의 압력 및 유량을 측정하기 위한 유체 압력 센서 (COPAL Electronic Co., PG-35, ±0.2%FS) 와 유량 센서(한국후로셀, FTB50SSX) 그리고 시험 밸브에 유입되는 공기압력을 측정하기 위한 공기 압력 센서(Sensys사, PSH series, 0.052%FS) 및 밸브의 개도를 측정하기 위한 LVDT 센서(SETech사, SPL-30S, 0.1%FS)와 신호의 입력 및 출력을 제어하기 위해 National Instruments 사에서 개발한 SC2345 모듈을 이용한 계측 장비를 구성하여 밸브의 개도에 따른 유체압력과 유량, 밸브의 공기압력과 개도를 측정하였다. 밸브의 개도 제어는 밸브 스템에 장착된 LVDT 의 출력신호를 측정하여 원하는 밸브 개도가 되도록 밸브 I/P의 입력전류를 제어하였다.
대상 데이터
- 본 시험에 사용된 밸브는 크기가 50 mm인 실린더 구동형 글로브 밸브이고 펌프의 토출 양정은 30 m로 밸브의 전, 후단 차압이 최대 4 Kgf/cnf 이내가 되도록 설계하였다. 유체압력 센서는 시험 밸브로부터 전단 압력 센서는 200 mm, 후단 압력 센서는 600 mm 그리고 유량 센서는 시험 밸브로부터 400 mm 전단에 설치하였다.
- 본 연구에서는 글로브 밸브에서의 유동을 정상 상태, 비압축성 난류 유동으로 가정하여 유동해석을 수행하였으며, 밸브에서 일어나는 3차원적인 유동 현상을 해석하기 위해 실제 밸브 내부와 동일한 유로 형상으로 계산 모델을 구현하였다. 본 연구에 사용된 밸브는 50 mm 글로브 밸브로 밸브 행정은 25 mm, 밸브시트의 지름은 50.5 mm로 연구에 사용된 밸브의 내부 구조는 Fig. 1과 같다.
- 2는 개도율 25%에서의 계산 격자를 나타낸 것으로 육면체, 프리즘, 사면체 요소들로 이루어진 4개의 비 정렬(unstructured) 계산 격자가 생성되었으며, 4가지 밸브 개도율에 따라 모델링을 하였다. 본 연구에서 사용된 격자수는 개도율 25%일 때 약 110만 개의 격자이며, 개도율이 증가할수록 목 주위의 격자가 증가하여 50%일 때 114만 개, 75%일 때 121만 개, 100% 일 때는 약 154만 개의 격자를 사용하여 모델링하였다. 밸브의 개도율에 따라 밸브 내부의 플러그가 상승함으로써 목 주위의 유로 형상 및 유로 단면적이 급격히 변화 하기 때문에 유동 변화 및 밸브에서 발생되는 압력강하 대부분이 이 부근에서 일어난다고 판단되어 많은 격자를 집중하였다.
이론/모형
- 난류 모델로는 k-e 모델을 사용하였으며, 난류 운동에너지 »와 난류 운동에너지 소멸율 e에 대한 방정식은 다음과 같다.
- 수치 해법은 SIMPLE과 SMMPLECf- 채용하고 있다. 본 연구에서는 power-law scheme, k—e 난류 모델, SIMPLE algorithm을 사용하여 전 산해석을 수행하였다.
성능/효과
- 본 해석 결과로부터 얻어진 글로브 밸브 내 부에서의 유동장에 대한 압력 분포, 속도분포, 유동궤적등과 같은 해석 결과들은 밸브 내부에서의 유동 특성을 이해하는 데 상당한 기여를 할 것으로 판단된다. 또한 기존의 밸브회사에서 개발한 밸브의 손실 계수나 유량계수 등과 같은 성능 평가를 위한 인자들을 구할 때 실험이 유일한 방법이었지만, 본 연구 결과를 고려할 때 전산해석을 통해서도 얻을 수 있다는 것을 보여주고 있다.
- 밸브 입구 측 또한 안정된 유체가 밸브로 유입되도록 모델링하였다. 실험 결과와의 비교를 위해 밸브의 개도율에 따라 측정된 질량 유량을 유속으로 환산하여 입구 조건으로 적용하여 각각의 유속은 개도율 25%일 때 1.768 nVs(Re=85,000), 50%일 때 3.1 m/s (Re=148, 000), 75%일 때 4.937 m/s (Re= 236, 000), 100일 때 5.282 m/s(Re=253, 000)이며, 입구에서의 난류 강도는 1%, 수력직경은 파이프 직경인 0.0481 이로 계산하였다. 출구 조건은 압력을 제외하고 모든 유동 변수의 수직구배가。이 된다는 조건을 사용하였다.
- 배관 시스템에서 가장 흔히 사용되는 글로브 밸브에 대하여 상용 전산 열유체 해석코드를 이용한 유동해석을 수행하였으며 이 해석 결과의 타당성을 알아보기 위해 실험 결과와 비교 검토하였다. 실험으로 측정된 밸브 전후단에서의 압력차와 해석에서 얻어진 결과는 약간의 차이를 갖고 있기는 하지만 비교적 잘 일치하고 있기 때문에 본 해석 결과가 타당성을 갖고 있음을 알 수 있다. 본 해석 결과로부터 얻어진 글로브 밸브 내 부에서의 유동장에 대한 압력 분포, 속도분포, 유동궤적등과 같은 해석 결과들은 밸브 내부에서의 유동 특성을 이해하는 데 상당한 기여를 할 것으로 판단된다.
후속연구
- 실험으로 측정된 밸브 전후단에서의 압력차와 해석에서 얻어진 결과는 약간의 차이를 갖고 있기는 하지만 비교적 잘 일치하고 있기 때문에 본 해석 결과가 타당성을 갖고 있음을 알 수 있다. 본 해석 결과로부터 얻어진 글로브 밸브 내 부에서의 유동장에 대한 압력 분포, 속도분포, 유동궤적등과 같은 해석 결과들은 밸브 내부에서의 유동 특성을 이해하는 데 상당한 기여를 할 것으로 판단된다. 또한 기존의 밸브회사에서 개발한 밸브의 손실 계수나 유량계수 등과 같은 성능 평가를 위한 인자들을 구할 때 실험이 유일한 방법이었지만, 본 연구 결과를 고려할 때 전산해석을 통해서도 얻을 수 있다는 것을 보여주고 있다.
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