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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 극저온 상태의 버터플라이 밸브 유동장에 대한 캐비테이션 특성에 대하여 검토하기 위하여 LNG선 화물이송시스템에서 액화 메탄 이송에 실제로 사용되고 있는 극저온 버터플라이밸브를 대상으로 하여 수치해석을 수행하였다
제안 방법
- 이와 같이 밸브 개도각이 상대적으로 매우 작은 각도에서의 이러한 급격한 압력저하는 밸브 내부에서 캐비테이션을 발생시킬 가능성이 크기 때문에. 액화 메탄의 포화증기압(R=10L300Pa)" 을 Fig. 3(a)에서와 같이 함께 표기하여 캐비테이션의 발생 가능성을 검토하였다.
- Fig. 5에서는 밸브 주변부 캐비테이션 발생 결과를 예측하기 위하여 체적분율 (Volume of Fraction)상 증기율 10%(액화 메탄 중에 기화된 체적 비율이 10%일 경우)의 메탄을 이용하여 캐비테이션 발생여부를 예측하였으며. 유속이 2m/s에서는 밸브디스크 후면 지지축 하단부의 밸브시트 가장자리에서 매우 좁은 부분에서 증기율 10% 영역이 존재함을 알 수 있으며, 유속이 증가할수록증기율 10%의 영역이 더욱 증가하여.
- LNG선용 극저온 버터플라이밸브의 내부유동 특성을 파악하기 위하여 유입유속 변화에 따른 정상 상태의 수치해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 2에서 본 연구에 적용한 버터플라이 밸브의 계산격자를 보이고 있다. 계산격자의 구성은 밸브 시트와 관로의 2영역으로 구분하여 작성하였으며, 밸브시트 후면의 디스크 지지 축 부분 형상이 상당히 복잡하기 때문에 형상의 제한이 없이 비교적 우수한 격자를 생성할 수 있는 tetra 격자로 구성하였다.
- 난류모델로서는 비교적 넓은 범위의 무차원 벽면 거리에 대하여 양호한 해석결과를 나타내는 것으로 알려진 k-a)SST모델을 사용하였으며, 작동 유체로는 조성의 99.8%를 차지하는 알라스카산 LNG 를 작동유체로 가정하여 온도 - 162℃의 액화메탄 (CHQ에 대하여 정상상태의 계산을 수행하였다. 캐비테이션 해석을 위해서 Rayleigh plesset model 을 적용하였으며, Multiphase model (homogeneousX 사용하였다.
- 또한, sub-layer 영역의 정확한 해석을 위해서 벽면 경계조건이 적용되는 경계면에 다수의 prism 격자를 분포시켰다.
- 또한, 실제 LNG 이송 배관망 내에 설치된 버터플라이 밸브 하류측 측정 게이지 압력이 420, 000Pa 정도로 설정되어 있기 때문에, 계산의 유출 경계조건으로서 이 압력을 2종류의 개도 각에 대하여 정압조건으로 동일하게 적용하였다.
- 배관 유로 도메인 내부 격자계의 효율적인 구성을 위해서 배관 내부유동장 영역에 대해서 hex-core 격자를 사용하여 계산기의 성능을 고려한 최적격자계를 구성하였다.
- 배관의 직경은 D=400mm이며. 밸브시트 상류측 배관길이의 결정은 밸브시트로 유입되는 작동유체가 충분히 발달한 유동을 가질 수 있는 거리를 기준으로 하였으며, 다양한 상류측 배관 거리에 대한 검토결과 5D로 설정하였다. 밸브시트 하류측 배관길이는 밸브 시트를 통과하며 교란된 유동장이 안정화 될 수 있는 거리를 검토하여 10D로 결정하였다.
- 밸브시트 상류측 배관길이의 결정은 밸브시트로 유입되는 작동유체가 충분히 발달한 유동을 가질 수 있는 거리를 기준으로 하였으며, 다양한 상류측 배관 거리에 대한 검토결과 5D로 설정하였다. 밸브시트 하류측 배관길이는 밸브 시트를 통과하며 교란된 유동장이 안정화 될 수 있는 거리를 검토하여 10D로 결정하였다.
- 1은 본 연구에 적용한 버터플라이 밸브 형상을 보이고 있으며, 실제 LNG 이송용 버터플라이 밸브로 사용되고 있는 모델을 채택하였으며, 밸브 모델의 흐름방향 전면 디스크와 케이싱을 보이고 있다. 수치해석 조건으로서 밸브 디스크의 개도 각을 캐비테이션 발생 가능성이 비교적 높은 # = 10° 및 그 보다 상대적으로 큰 개도각을 가지는 0 = 50°의 2종류에 대해서 검토하였으며. 밸브 개도 각의 정의는 밸브 디스크가 완전히 닫혔을 때를 0=0°로 하였다.
- 따라서. 이와 같은 결과에 대하여 캐비테이션 모델을 사용한 버터플라이 밸브 내부의 3차원 유동해석을 통하여 유속에 따른 캐비테이션의 발생 현상에 대해서 상세하게 검토하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에 적용한 버터플라이 밸브 형상을 보이고 있으며, 실제 LNG 이송용 버터플라이 밸브로 사용되고 있는 모델을 채택하였으며, 밸브 모델의 흐름방향 전면 디스크와 케이싱을 보이고 있다. 수치해석 조건으로서 밸브 디스크의 개도 각을 캐비테이션 발생 가능성이 비교적 높은 # = 10° 및 그 보다 상대적으로 큰 개도각을 가지는 0 = 50°의 2종류에 대해서 검토하였으며.
- 밸브 개도 각의 정의는 밸브 디스크가 완전히 닫혔을 때를 0=0°로 하였다. 배관의 직경은 D=400mm이며. 밸브시트 상류측 배관길이의 결정은 밸브시트로 유입되는 작동유체가 충분히 발달한 유동을 가질 수 있는 거리를 기준으로 하였으며, 다양한 상류측 배관 거리에 대한 검토결과 5D로 설정하였다.
- 본 연구에 적용된 밸브 유입유속은 밸브 개도각 10° 및 50°에 대하여 각각 2m/s, 4m/s, 4.5m/s, 5m/s, 5.5m/s 그리고, 6m/s 등 6종류의 유속을 적용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서 극저온 버터플라이 밸브의 성능과 내부유동을 상세히 검토하기 위하여 상용코드인 ANSYS-CFX Ver.ll'm을 사용하여 계산을 수행하였다.
이론/모형
- 8%를 차지하는 알라스카산 LNG 를 작동유체로 가정하여 온도 - 162℃의 액화메탄 (CHQ에 대하여 정상상태의 계산을 수행하였다. 캐비테이션 해석을 위해서 Rayleigh plesset model 을 적용하였으며, Multiphase model (homogeneousX 사용하였다.
성능/효과
- 2. 밸브 개도각 0 = 10°에서 유입유속이 2m/s 부근에서 극저온 액화 메탄의 체적분율상 증기율 10% 영역이 미소영역에서 발생되었기 때문에 캐비테이션의 초생점이 존재할 가능성이 매우 높으며, 유속이 6m/s에서는 증기율 90% 영역이 밸브 후방에서 매우 넓게 분포하기 때문에 충분히 발달한 캐비테이션이 발생할 가능성이 매우 높다.
- 밸브후방에서 일정한 거리까지 도달하여도 다른 유속에서의 결과와 비교하여 압력회복이 잘 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 계산결과로부터 밸브 개도각 0 = 10°, 유입유속 6m/s에서 캐비테이션이 발생할 가능성이 매우 높다는 것을 예측할 수 있다.
- 본 연구에서 적용한 LNG 수송용 버터플라이 밸브의 경우 측정 게이지 압력이 4.2 bar로 비교적 높게 유지되기 때문에 밸브 개도각이 클 경우에는 극저온 액화 메탄의 이송 운전시에 캐비테이션이 발생할 우려가 거의 없다고 판단된다.
- 5에서는 밸브 주변부 캐비테이션 발생 결과를 예측하기 위하여 체적분율 (Volume of Fraction)상 증기율 10%(액화 메탄 중에 기화된 체적 비율이 10%일 경우)의 메탄을 이용하여 캐비테이션 발생여부를 예측하였으며. 유속이 2m/s에서는 밸브디스크 후면 지지축 하단부의 밸브시트 가장자리에서 매우 좁은 부분에서 증기율 10% 영역이 존재함을 알 수 있으며, 유속이 증가할수록증기율 10%의 영역이 더욱 증가하여. 유속이 6m/s에서는 밸브시트 후방의 관 벽면 전체에서 증기율 10% 영역을 확인할 수 있다.
- 6에서는 증기율 90%의 메탄 영역을 이용하여 캐비테이션 발생여부를 검토하였으며. 유속이 2m/s에서는 증기율 90% 영역이 거의 나타나지 않고 있지만, 유속이 4m/s에서는 밸브디스크 하단부에 매우 얇은 띠 모양의 증기율 90% 영역이 발생하고, 유속이 6m/s에서는 밸브시트 후방의 상단부 및 하단부에서 매우 넓은 증기율 90% 영역을 확인할 수 있다.
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