[논문]LNG 안전밸브를 지나는 기체 유동에 관한 연구

이준희; 김희동

초록
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LNG 안전밸브는 LNG 수송배관 내부의 압력조절에 사용되며, 안전밸브를 통하는 유동은 소음과 진동을 동반하기 때문에 시스템에 부정적으로 작용한다. 본 연구에서는 LNG 안전밸브의 실용적인 설계를 위하여, 2차원 축대칭 압축성 Navier-Stokes 방정식에 의한 유한 체적법을 사용하여 LNG 안전밸브를 통하는 압축성 유동의 특성을 수치해석적 방법으로 조사하였으며, 이론해석결과와 비교하였다. 수치해석 결과, 밸브판의 형상 및 노즐출구와 밸브판 사이의 간격은 밸브판에 미치는 기체역학적 힘에 상당한 영향을 미치며, 밸브판에서 추력계수가 급격하게 증가하는 노즐출구와 밸브판 사이의 거리가 존재하는 것을 알았다.

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A LNG safety valve functions to control a constant pressure inside the LNG line of transportation, and the flow through it accompanies with noise and vibration which affect adversely on the system. The present study aims at understanding the flow physics of LNG safety valve for a practical design of...

A LNG safety valve functions to control a constant pressure inside the LNG line of transportation, and the flow through it accompanies with noise and vibration which affect adversely on the system. The present study aims at understanding the flow physics of LNG safety valve for a practical design of LNG safety valve. A computational work using the two-dimensional, axisymmetric, compressible, Navier-Stokes equations is carried out to simulate the gas flow through the LNG safety valve, and compared with the theoretical results. It is found that the shape of valve sheet and the gap size are the key parameters in determining the gas dynamic forces on the valve sheet, and there exists a distance between nozzle exit and valve sheet in which the thrust coefficient at the valve sheet increases abruptly.

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문제 정의

이러한 복잡한 유동현상은 유동의 소음진동을 유발하게 되며, 밸브판에 바람직하지 못한 진동현상을 초래하여 경우에 따라서는 엔진 전체의 심각한 문제를 일으키게 된다. 따라서 노즐 출구면과 밸브판 사이에서 발생하는 압축성 유동현상에 관한 상세한 이해는 안전밸브의 설계에 매우 중요할 뿐만 아니라, 안전밸브에서 발생하게 되는 소음진동 현상을 방지하지 위하여 선행되어야 할 필수적인 연구과제이다.
본 연구는 LNG용 안전밸브의 설계시 고려해야 하는 기체역학적 힘에 의해 발생하는 소음진동 현상을 제어하기 위하여 안전밸브의 노즐출구면과 밸브판 사이에서 발생하는 압축성 유동 현상 관한 상세한 조사를 하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같이 요약된다.
본 연구에서는 LNG선박용 엔진에서 사용되는 안전밸브를 설계하기 위한 기초연구의 일환으로 이론해 석과 수치 해석을 수행하였다. 이론해석 에서는 노즐입구에 작용하는 기체의 압력과 노즐출구와 밸브판 사이의 거리를 변화시켜 기체유동이 밸브판에 가하게 되는 기체역학적인 힘을 구하였으며, 수치계산에서는 축대칭 압축성 Navier-Stokes 방정식에 유한 체적법을 적용하여, 노즐출구와 밸브판 사이에서 발생하는 압축성 유동의 특성을 상세하게 조사하여 이론해석결과와 비교하였다.

제안 방법

본 수치계산에 적용된 경계조건으로는 노즐상류의 정체실 입구에서 pressure inlet 조건, 안전밸브 외부의 계산경계에는 pressure outlet 조건을 적용하였으며, 안전밸브의 내부를 구성하는 모든 벽면에는 단열 no-slip 조건이 적용되었다. 수치계산에서는 노즐 줄구면과 밸브판 사이에 형성되는 유로면적을 변화시키기 위하여 밸브판을 L/R=0.
0의 범위에서 변화시켰고, 노즐 상류의 정체온도를 To=298K, 노즐의 배압(back pressure)을 pa=101 kPa로 유지하여 계산을 수행하였다. 본 수치계산에서 유동은 노즐의 중심축에 대하여 대칭형태이므로, 유로의 상반부에 대해서만 계산을 수행하였으며, 70,000여개의 정렬격자점에 대하여 약 20, 000회의 반복 계산이 수행되었다. Table 1에는 본 수치계산의 계산조건을 나타내었다.
적용되었다. 수치계산에서는 노즐 줄구면과 밸브판 사이에 형성되는 유로면적을 변화시키기 위하여 밸브판을 L/R=0.5~4.0의 범위에서 이송하며, 작동압력비를 p0/pa=1.5~ 10.0의 범위에서 변화시켰고, 노즐 상류의 정체온도를 To=298K, 노즐의 배압(back pressure)을 pa=101 kPa로 유지하여 계산을 수행하였다. 본 수치계산에서 유동은 노즐의 중심축에 대하여 대칭형태이므로, 유로의 상반부에 대해서만 계산을 수행하였으며, 70,000여개의 정렬격자점에 대하여 약 20, 000회의 반복 계산이 수행되었다.
석과 수치 해석을 수행하였다. 이론해석 에서는 노즐입구에 작용하는 기체의 압력과 노즐출구와 밸브판 사이의 거리를 변화시켜 기체유동이 밸브판에 가하게 되는 기체역학적인 힘을 구하였으며, 수치계산에서는 축대칭 압축성 Navier-Stokes 방정식에 유한 체적법을 적용하여, 노즐출구와 밸브판 사이에서 발생하는 압축성 유동의 특성을 상세하게 조사하여 이론해석결과와 비교하였다.

이론/모형

수치 계산에는 2차원, 축대칭, 압축성 Navier-Stokes 방정식에 유한체적법을 적용하였다. 수치 계산에 사용된 적분방적식의 형태는 문헌[3]의 경우와 동일하다.
수치 계산에 사용된 적분방적식의 형태는 문헌[3]의 경우와 동일하다. 지배방정식에서 대류항은 upwind scheme, 시간항의 적분은 4단계 Runge-Kutta법을 적용하였고, 안전밸브의 벽 근처의 유동을 적절히 모사하기 위하여, standard k - ε 난류모델과 standard wall function을 적용하였다.

성능/효과

(1) 안전밸브의 노즐외부와 제트가 밸브판에 충돌하여 발생하는 유동 사이에는 강한 와류가 발생하여 제트의 팽창을 억제한다.
(3) 작동압력비가 p0/pa=1.5인 경우에, 수치해석의 결과는 이론해석의 결과와 일치하며, 작동압력비가 증가할수록 노즐출구에서 부족팽창의 정도가 커진다.
(4) 밸브판에 작용하는 추력계수는 L/R이 0으로부터 증가하면 급격하게 상승하다가 L/R이 어느 일정값에 이르면 가장 높은 추력계수의 값을 가지며, 다시 L/R이 증가함에 감소한다.
(5) 작동압력비가 증가하는 경우, 안전밸브의 노즐 출구면에서의 추력계수는 증가하지만, 밸브판에서의 추력계수는 감소한다.
0의 범위에서 수행하였다. 실선으로 나타낸 이론해석의 결과 식 (1)에서 알 수 있듯이, 노즐의 작동압력비가 증가할수록 노즐출구면의 압력, 속도, 질량유량이 증가하여 추력이 증가하므로 추력계수 G는 증가한다. 또 배압 pa가 일정하고 노즐상류의 전압 "가 증가하므로 작동압력비가 증가할수록 추력계수의 증가폭은 감소한다.

참고문헌 (5)

Zucker, R. D. and Biblarz, O., Fundamentals of Gas Dynamics, 2nd ed., John Wiley & Sons Inc., 2002
Harrison, S. F. Jr., Papa, D. M., D'Urso, U., Cox, J. A., Hart, W. F., Keyser, D. R., Neumann, C. A., Scallan, D. J., Thibaults, D. G., Wang, Z. and York, B. S., "Pressure Relief Devices," ASME PTC 2-2001, 2001
James, E. A. J., Gas Dynamics, Allyn and Bacon, 1984, pp.94-96
Shapiro, A. H., The Dynamics and Thermodynamics of Compressible Fluid Flow, The Ronald Press Company, 1953, pp.100-101
Kim, H. D., Kim. J. H. and Park, K. A., "Study for the Gas Flow through a Critical Nozzle," Proceedings of 4th ASME-JSME Fluids Engineering Conference, FEDSM 2003-45593, 2003

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