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문제 정의
- 본 연구에서는 배관 시스템에서 임의의 위치에서 외적인 충격에 의해 배관 벽에 구멍이 발생했을 경우 구멍을 통한 누출이 발생되고 이때의 유동특성을 CFD상용 패키지인 CFD뉴를 사용하여 이론적으로 해석함으로써 구멍 누출에 의한 저압 확장 파의 발생 메커니즘을 규명하고 저압확장파의 전파 특성으로부터 누출 위치의 예측 가능성을 분석해 보고자 한다.
- 즉 배관상의 일정 거리 구간마다 압력센서를 설치하고 압력센서로부터 저압 확장 파가 검출된다면 그 구간 내의 임의의 위치에 구멍이 발생하여 누출이 발생되고 있음을 알 수 있고 그 구간에 설치된 두 센서의 저압 확장 파 검출 시간차를 통하여 구멍의 위치를 예측할 수 있다. 본 연구에서는 3D 및 2D CFD 해석을 통하여 누출 발생 시의 저압 확장 파발 생을 확인하고, 구멍 위치의 예측을 위한 저압 확장 파도 달 시간을 계산하여 저압 확장 파의 전파 특성을 분석해 보고자한다. 또한 긴 배관 구간에서 누출 발생 시의 유동 해석을 위한 1차원(1D) 해석기법을 제시하고, 2D CFD 해석 결과와 비교분석해 보고자 한다.
- 본 연구에서는 3D 및 2D CFD 해석을 통하여 누출 발생 시의 저압 확장 파발 생을 확인하고, 구멍 위치의 예측을 위한 저압 확장 파도 달 시간을 계산하여 저압 확장 파의 전파 특성을 분석해 보고자한다. 또한 긴 배관 구간에서 누출 발생 시의 유동 해석을 위한 1차원(1D) 해석기법을 제시하고, 2D CFD 해석 결과와 비교분석해 보고자 한다.
- 원형 단면을 갖는 배관 내의 흐름은 축 대칭으로 계산 영역 및 시간을 절약하기 위하여 2D로 가정할 수 있다. 따라서 2D 해석에서는 3D 해석 시보다는 좀 더 긴 배관 구간(L = 20m)에 대하여 해석이 가능함으로 저압 확장 파의 전파 특성, 즉 누출 구멍으로부터 일정거리 위치까지 저압확장파가 도달되는데 걸리는 시간을 계산해 보고자 하였다. 2D 해석을 위하여 역시 CFD++를 사용하였으며 압력변동 및 저압 확장 파의 도달 시간을 관찰하기 위하여 배관 중심의 구멍 위치에 관찰점 point A를 설정하였고 구멍으로부터 하류로 4m 지점 및 8m 지점에 관찰점 point B 및 point C를 각각 설정하였다.
가설 설정
- 구멍은 편의상 배관구간(L)의 중앙(L|=L2=1/2L) 에 발생되는 것으로 하였으며, 배관 길이(L)는 6m로 설정하였다. 배관내의 유동 기체는 공기로 가정하고, 온도가 217 K, 배관 내 압력(环)을 66 bar로 설정하였다. 구멍 외부는 매설 배관의 경우 흙으로 덮여 있으나 역시 공기로 가정 하고 압력 (P°Ge 30 bar, 온도는 295 K 로 가정하였다.
- 배관내의 유동 기체는 공기로 가정하고, 온도가 217 K, 배관 내 압력(环)을 66 bar로 설정하였다. 구멍 외부는 매설 배관의 경우 흙으로 덮여 있으나 역시 공기로 가정 하고 압력 (P°Ge 30 bar, 온도는 295 K 로 가정하였다.
- 원형 단면을 갖는 배관 내의 흐름은 축 대칭으로 계산 영역 및 시간을 절약하기 위하여 2D로 가정할 수 있다. 따라서 2D 해석에서는 3D 해석 시보다는 좀 더 긴 배관 구간(L = 20m)에 대하여 해석이 가능함으로 저압 확장 파의 전파 특성, 즉 누출 구멍으로부터 일정거리 위치까지 저압확장파가 도달되는데 걸리는 시간을 계산해 보고자 하였다.
- 2D 해석을 위하여 역시 CFD++를 사용하였으며 압력변동 및 저압 확장 파의 도달 시간을 관찰하기 위하여 배관 중심의 구멍 위치에 관찰점 point A를 설정하였고 구멍으로부터 하류로 4m 지점 및 8m 지점에 관찰점 point B 및 point C를 각각 설정하였다. 배관 내의 유동기체는 역시 공기로 가정하고, 온도가 217 K, 배관 내 압력 (PQ을 60 bar로 설정하였으며 구멍 외부 압력(Run)은 30 bar, 온도는 295 K로 가정 하였다.
- 3에 나타낸 point 1에 대한 p와 0를 계산한 후 식 (7)을 사용하여 동일 시간에서의 새로운 g를 얻는 방법으로 진행하였다. & = 7X10-5을 사용하였으며, 전파속도인 c는 일정 한 값으로 가정 하였다. 또한 마찰계수 /■는 식 (8) 로 정의하였다.
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