[논문]선박용 글로브 밸브의 유동특성에 관한 연구

배기화; 박재현; 강상모

doi:10.5916/jkosme.2008.32.1.110

문제 정의

밸브가 배관 시스템에 미치는 부하로서는 운전온도, 운전압력, 유체의 밀도, 유체의 수송속도 등 계통 내의 부하와 배관진동, 밸브 구동장치에서의 추력 및 자체하중, 배관 떨림 등에 의한 계통 외의 부하가 있다. 이러한 시스템 계통 내외의 과도한 부하로 인하여 밸브의 일부가 손상되어 밸브의 제어기능이 불안하게 되면 운전에 지장을 초래하여 전체 시스템 계통의 기능 유지라는 본연의 목적이 상실될 수 있다. 따라서 밸브는 구조적으로는 충분한 강도를 가지고 있고 내 ^.

가설 설정

한다). 2) 밸브의 순환 장치 압력은 상류측 스로틀 밸브로 조정한다.
밸브의 출구 측에는 대기압과 동일하게 두기 위하여 평균 정압(average static pressure)을 1 atm 으로 두었다. 해석 상태는 유동이 3차원 정상 상태(steady state)이고, 작동 유체가 물로써 비압축성(incompress-ible) 유동이라 가정하고 계산을 수행하였다.

제안 방법

15A〜50A의 6 종류의 글로브 밸브에 대해서 유량 계수 및 기하학적인 형상에 따른 유동특성을 분석하기 위해서 작동유체를 물로 두고 유량의 변화에 따른 유동해석을 수행하였으며 유선, 속도 벡터, 유량계수를 통해 각 밸브의 유동특성을 분석하였으며 다음과 같은 결론은 얻을 수 있었다.
3) 각 각도별로 유량계수 값을 알기 위해서 밸브의 측정 점을 밸브의 열림 각도별로 증가시켜 차압계, 유량계를 이용하여 각각의 데이터를 측정한다. 4) 식(6)에 따라 유량 계수 C_v값을 구한다.
Davis & Stewart⁽⁴⁾⁽⁵⁾는 글로브 밸브의 플러그 유형 및 시트의 직경의 변화에 따른 유량계수 C_y의 변화를 CFD(Computational Fluid Dynamics: 전산유체역학)와 실험을 통해 고찰하였다. 또한 Chung 등^⑹ 은 공기 구동형 글로브 밸브에 대해 k-ε SST(Shear-Stress Transport) 모델을 사용하여 3차원 유동해석과 실험을 통한 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 #150-15A, 20A, 25A, 32A, 40A 및 50A의 6종의 밸브에 대해서 범용 프로그램인 CFX10.
두었다. 밸브의 출구 측에는 대기압과 동일하게 두기 위하여 평균 정압(average static pressure)을 1 atm 으로 두었다. 해석 상태는 유동이 3차원 정상 상태(steady state)이고, 작동 유체가 물로써 비압축성(incompress-ible) 유동이라 가정하고 계산을 수행하였다.
본 실험 장치는 KS 규격^⑻에서 요구하는 측정 장치의 규제 및 권장 사항을 바탕으로 설계 되었다. Fig.
또한 Chung 등^⑹ 은 공기 구동형 글로브 밸브에 대해 k-ε SST(Shear-Stress Transport) 모델을 사용하여 3차원 유동해석과 실험을 통한 분석을 수행하였다. 본 연구에서는 #150-15A, 20A, 25A, 32A, 40A 및 50A의 6종의 밸브에 대해서 범용 프로그램인 CFX10.0의 SST 난류 모델을 사용한 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 또한 밸브 시제품에 대한 실험과 수치 해석의 결과를 비교하여, 보다 신뢰성 있는 값을 얻을 수 있었다.
3은 25A 밸브에 대해서 개도율에 따른 유량계수의 변화를 도시한 것이다. 실험은 유체의 유입을 디스크에 대해서 상향(정방향)과 하향(역방향)의 두 가지에 대해서 수행하였다. 실험결과를 통해서 알 수 있듯이 on-off 형태의 유로 차단을 목적으로 할 경우에는 하향식으로 설치할 경우에는 압력손실이 적게 발생하며 유량조절 목적으로 사용할 경우에는 상향식으로 설치할 때 목적에 부합하는 성능이 보장된다 이는 하향식으로 사용할 때의 구조가 유체의 에너지를 더욱 많이 소모시키는 형태를 보이기 때문이다.
개발하고자 하는 모든 제품에 대해서 시제품을 생산하여 실험을 통해 성능을 검증하기에는 무리가 따르기 때문이다. 실험을 통하지 않고 밸브의 유량 계수를 측정함에 있어 가장 큰 어려움은 차압이 1 Psi(실험의 조건을 경계조건으로 할 경우에는 75 kPa)가 되는 유량을 선정하는 것으로 본 연구에서는 다양한 유량의 조건에 대해서 유동계산을 수행하여 평균값을 구하는 방법을 사용하였다. 이러한 방법의 근거는 유동이 충분히 난류의 특성을 보이는 유량의 범위에서 유량계수가 일정하다는 데에 있다.
해석을 위한 경계 조건으로 밸브의 입구로부터 일정한 유체의 유량을 유입시키고 유체와 접하는 모든 고체의 벽면은 점착 조건(no-slip condition)을 두었다. 밸브의 출구 측에는 대기압과 동일하게 두기 위하여 평균 정압(average static pressure)을 1 atm 으로 두었다.

대상 데이터

또한 상류 쪽의 압력 탭과 하류 쪽의 압력 탭의 구멍 지름은 원칙적으로 같은 값으로 하였다. 실험 밸브로는 15A와 25A 밸브를 채택하였다.

데이터처리

1은 본 연구에서 사용된 격자 생성 모습을 50A의 밸브에 대해 나타낸 것으로 격자의 구성은 구경에 따라서 동일한 방법을 적용하여 생성하였다. 격자의 생성을 위하여 격자 생성 프로그램인 CFX-Mesh 를 사용하였으며 격자계의 조합(assembly)은 CFX10.0에서 수행하였다. 격자계
본 연구에서 지배방정식에 대한 수치 해석을 수행하기 위하여 유동해석 전용 프로그램인 CFX10.0을 사용하였다. 밸브 내부에서는 상당히 복잡한 3차원 유동장이 형성되며 이를 위해서 직접 수치 코드를 개발, 적용하는 것은 현실적으로 많은 무리가 있다.

이론/모형

밸브 내부에서는 상당히 복잡한 3차원 유동장이 형성되며 이를 위해서 직접 수치 코드를 개발, 적용하는 것은 현실적으로 많은 무리가 있다. CFX10.0은 지배방정식을 유한체적법(FVM, Finite Volume Method)으로 이산화하여 수치 계산을 수행하고 압력항과 속도항을 완전 연동(fully coupling)하며 대류항의 처리를 위해서 고해상도 기법(high resol-ution scheme)을 사용한다.
따라서 정밀한 수치 해를 얻기 위해서는 경계층 영역의 속도 구배를 충분히 모사할 수 있도록 벽면 근처에 격자를 조밀하게 집중시킬 필요가 있으며 앞서 설명한 바와 같이 본 연구에서는 이를 위하여 프리즘(prism) 격자를 이용하였다.

성능/효과

(1) 15A와 25A 밸브에 대해 실험 및 수치 해석적으로 구한 유량계수를 비교하면 그 오차가 15% 이내의 정확도를 가지므로 동일한 수치해석적인 방법을 적용하여 구한 나머지 밸브의 유량계수의 정확도 역시 신뢰성이 있다고 보인다.
(2) 스로틀 타입 25A 밸브에 대해 실험적으로 구한 유량계수를 통해서 정방향에 대해서는 개도율에 따른 유량조절 능력이, 역방향에 대해서는 on/off 능력이 있는 것으로 판단된다.
1) 밸브의 내경에 따라 라인 파이프를 선정한다(파이프의 내경은 밸브 최대 내경보다 크게 한다). 2) 밸브의 순환 장치 압력은 상류측 스로틀 밸브로 조정한다.
Table 6을 통해서 알 수 있듯이 실험적으로 구한 15A에 대한 유량계수를 수치해석으로 구한 유량 계수와 비교해보면 6% 이하의 오차 범위 내의 정확도를 보이고 있다. 밸브 내의 유동해석에 있어서 많은 연구결과에 의하면 수치시뮬레이션의 결과를 실험 결과와 비교하여 30% 정도 오차가 나올 경우 성공적인 평가를 받고 있는 점을 감안하면 본연구에 있어서 6%내의 오차, 특히 유동흐름이 역방향일 경우 3% 내의 오차를 보이는 것은 선택한해석적인 방법의 타당성을 보여주는 것이라고 판단할 수 있다.
해석에 사용된 글로브 밸브는 구경에 관계없이 본체, 보넷, 디스크, 인디케이터 지지부, 잠금 나사, 패킹 마개 나사, 패킹 마개, 스템으로 구성되며 크기와 디스크 형상의 차이만 있을 뿐 전체적인 형상 및 구조, 작동방식은 거의 유사하다. 유로를 통해서 유입된 작동유체는 본체, 디스크 사이의 유로 부를 거쳐 반대편의 출구를 통해서 유출되며, 핸들의 수 작동에 의해서 이루어지는 밸브 디스크에 의해서 on/off 되는 구조를 가진다.

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