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문제 정의
- 유동특성과 밀접한 관련이 있다. 따라서 본 연구에서는 밸브 내부유로의 형상에 따른 내부유동장의 변화를 CFD 해석결과 및 PIV 계측에 의한 실험결과를 이용하여 성능에 미치는 영향을 검토하였다.
- 따라서 본 연구에서는 저〕1부에서 버터플라이밸브의 기본적인 성능에 대해서 실험 및 CFD 해석결과를 통하여 확인하고, 성능과 밀접한 관계를 가지고 있는 내부유동에 대하여 CFD 해석결과와 PIV 계측결과를 이용하여 상세하게 검토하였다. 후속하는 저]2부에서는 LNG선용 극저온 버터플라이밸브의 유동특성에 대하여 실물과 같은 크기의 모형에 대하여 CFD 해석을 수행하였으며, 극저온 상태에서의 버터플라이밸브의 유동 특성에 대해서 검토하였다.
제안 방법
- 원관 상류와 하류의 주변에 직육면체의 수조를 설치하여 물을 채워 넣었다. PIV 계측실험을 위한 광원으로서는 최대출력 5W 의 수냉식 아르곤 이온 (Argon-Ion) 레이저를 사용하였으며, 레이저에서 발생되는 2mm의 원형 직진광을 실린드리컬 렌즈로 통과시켜서 만들어진 두께 2 mm의 2차원 시트라이트를 계측 평면에 비추었다.
- 계산격자는 Fig. 4에서 보이는 바와 같이 밸브 디스크를 포함한 유입 및 유출관로에 대하여 Tetra-Prism 타입의 계산격자를 작성하였으며, 전체 격자수는 계산기의 계산능력과 경계층에서의 격자 밀집도(무차원 벽면 거리 를 고려하여 약 40만 노드로 하였다. 밸브 유입구에서 충분히 발달된 유입유동을 적용하기 위하여 밸브의 상류 유입관 길이를 10〃로 설정하였고, 밸브 하류에서는 내부유동 계즉지점에 대한 유줄경계면으로부터의 영향이 미치지 않도록 10〃의 충분한 유출관 길이를 설정하였다.
- 난류모델로서는 I SST모델을 사용하였으며, 계산영역의 경계조건으로서 입구에서는 실험에서 얻어진 값인 0.5m/s~3.6m/s의 입구유속을 밸브의 개도에 대응하는 유량의 유입조건을 설정하였고, 출구에서는 정압일정의 경계조건을 설정하여 정상계산을 수행하였다.
- 1에 보이고 있다. 밸브 모델로서는 시판중인 버터플라이밸브 도면(KSB 2333)을 기준으로 하여 3중 편심 버터플라이밸브 모델을 제작하였으며, 밸브를 포함한 시험장치의 관로는 내부유동의 가시화가 가능하도록 투명한 아크릴수지로 제작하였다. 밸브 디스크의 직경 (Q) 및 밸브 상하류의 접속 원관직경은 동일하게 80mm로 설정하였으며, 밸브 전단 직관부의 길이는 17D로 설정하였다.
- 4에서 보이는 바와 같이 밸브 디스크를 포함한 유입 및 유출관로에 대하여 Tetra-Prism 타입의 계산격자를 작성하였으며, 전체 격자수는 계산기의 계산능력과 경계층에서의 격자 밀집도(무차원 벽면 거리 를 고려하여 약 40만 노드로 하였다. 밸브 유입구에서 충분히 발달된 유입유동을 적용하기 위하여 밸브의 상류 유입관 길이를 10〃로 설정하였고, 밸브 하류에서는 내부유동 계즉지점에 대한 유줄경계면으로부터의 영향이 미치지 않도록 10〃의 충분한 유출관 길이를 설정하였다.
- 밸브의 개폐에 의한 유로 상류 및 하류에서의 압력변화를 검토하기 위하여 밸브로부터 상류와 하류의 각각 LD의 지점인 Point 0과 1의 위치에 압력공을 설치하였으며, 밸브의 하류에는 Point 1로부터 총 6개의 압력공(Point 1~6)을 50mm의 간격으로 설치하였다. 압력의 측정은 각 압력공에 부착된 액주압력계를 이용하여 벽면정압을 계측하였다.
- 버터플라이밸브 모델의 유동관로는 투명한 아크릴수지의 원관으로 제작되었으나, 아크릴 원관의 외부에서 내부유동장을 카메라로 직접 촬영시 아크릴 원관의 굴절에 의한 유동장의 영상왜곡이 발생하므로, 이것을 방지하기 위하여 버터플라이밸브 모델을 포함한 아크릴 수지 원관 상류와 하류의 주변에 직육면체의 수조를 설치하여 물을 채워 넣었다. PIV 계측실험을 위한 광원으로서는 최대출력 5W 의 수냉식 아르곤 이온 (Argon-Ion) 레이저를 사용하였으며, 레이저에서 발생되는 2mm의 원형 직진광을 실린드리컬 렌즈로 통과시켜서 만들어진 두께 2 mm의 2차원 시트라이트를 계측 평면에 비추었다.
- 산업용 버터플라이밸브 모델에 대한 성능과 내부유동 특성을 파악하기 위하여 CFD 해석 및 PIV 계측을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 압력의 측정은 각 압력공에 부착된 액주압력계를 이용하여 벽면정압을 계측하였다. 유량계측에는 Magnetic 유량계를 사용하였으며, 밸브의 상류에 설치하였다.
- 버터플라이밸브의 개도각。에 따른 내부 유동장의 속도 및 압력에 대한 정량적인 해석을 위하여 실험과 병행하여 수치해석을 수행하였으며, 유체기계의 내부유동과 성능의 해석에서 비교적 양호한 해석결과를 보이는 것으로 알려진 상용코드 ANSYS CFX’m를 본 연구에 적용하였다.
- 한편, 실험과 CFD 해석에 의한 압력손실계수의 값이 정량적으로 잘 일치하는 것으로부터 본 연구에서 적용한 수치해석법의 높은 신뢰성을 확보할 수 있었기 때문에, 후속의 제2부에서 다루게 될 LNG선용 극저온 버터플라이밸브의 유동특성에 대한 검토에서도 본 수치해석법을 적용하였다.
- 상세하게 검토하였다. 후속하는 저]2부에서는 LNG선용 극저온 버터플라이밸브의 유동특성에 대하여 실물과 같은 크기의 모형에 대하여 CFD 해석을 수행하였으며, 극저온 상태에서의 버터플라이밸브의 유동 특성에 대해서 검토하였다.
대상 데이터
- 밸브 모델로서는 시판중인 버터플라이밸브 도면(KSB 2333)을 기준으로 하여 3중 편심 버터플라이밸브 모델을 제작하였으며, 밸브를 포함한 시험장치의 관로는 내부유동의 가시화가 가능하도록 투명한 아크릴수지로 제작하였다. 밸브 디스크의 직경 (Q) 및 밸브 상하류의 접속 원관직경은 동일하게 80mm로 설정하였으며, 밸브 전단 직관부의 길이는 17D로 설정하였다.
- 영상입력장치로서는 1280x1024 Pixel 의 고해상도를 가지는 디지털 고속도카메라 (Photron FASTCAM, 1, 000 fps at full frame)를 사용하였으며, 추적 입자로서는 물과 비중이 비슷하고(평균비중 1.02) 실험에 사용된 디지털고속도카메라의 해상도를 고려하여 평균직경이 110 “n인 구형의 PVCXPoly Vinyl Chloride) 입자를 사용하였다. 유동해석을 위한 동일입자 추적 알고리즘은 FFT 계 조치 상호상관법을 이용하였다.
이론/모형
- 따라서 본 연구에서는 내부유동장의 정량적인 동시 다점 계측 및 가시화가 가능한 PW 계측기법啊을 적용하였으며, Fig. 2에 PIV 실험장치의 개략도를 보이고 있다.
- 02) 실험에 사용된 디지털고속도카메라의 해상도를 고려하여 평균직경이 110 “n인 구형의 PVCXPoly Vinyl Chloride) 입자를 사용하였다. 유동해석을 위한 동일입자 추적 알고리즘은 FFT 계 조치 상호상관법을 이용하였다.
성능/효과
- 1) 버터플라이 밸브의 성능에 대한 실험 및 CFD 해석을 통하여 정량적으로 일치하는 결과를 획득할 수 있었으며, 실험결과에 대한 CFD 해석 결과의 신뢰성을 확보할 수 있었다.
- 3) 밸브 내부유동장의 가시화를 위하여 CFD 해석과 PIV 계측을 수행하였으며, 밸브 개도에 따른 내부유동 특성을 명확하게 파악할 수 있었으며, 밸브가 부분 열림에서는 밸브 디스크 후방에서 강한 2 차 흐름이 형성되어 매우 복잡한 유동 패턴을 나타내었다.
- 버터플라이밸브의 내부유동장에 대한 CFD 해석 및 PIV 계측 결과로부터 밸브 개도에 따른 내부 유동장의 흐름 패턴을 정확하게 파악할 수 있었으며, 밸브의 하류에서는 매우 복잡한 유동장이 형성됨을 확인할 수 있었다. 따라서 이상과 같은 결과로부터 본 연구에서 적용한 CFD 및 PIV에 의한 가시화 기법이 밸브의 성능개선을 위한 내부유동장의 최적 설계인자 도출을 위해서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 7에서 알 수 있는 바와 같이 유량계수가 밸브 개도의 2승에 비례하는 Parabolic 특성(1)을 보이고 있으며, 이러한 결과는 버터플라이밸브의 전형적인 유량 특성에 속한다. 실험과 CFD 해석결과는 개도가 비교적 큰 영역에서 다소 차이를 보이고 있지만, 전체적으로 양호하게 일치하는 결과를 나타내고 있다.
- 5는 밸브의 개도가 10°, 50° 그리고 90°일 때의 밸브 상류로부터 하류의 각 위치에 설치된 압력 공을 통하여 측정된 압력과 CFD 해석을 통해서 구한 값을 비교하고 있다. 실험과 계산의 결과가 양호하게 일치하는 것을 알 수 있으며, 밸브의 각 개도에서 밸브 전후에서 압력차가 상대적으로 매우 크게 존재하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 그래프의 종축에서 보이고 있는 압력값의 크기가 밸브의 각 개도에 따라서 크게 차이를 보임을 알 수 있다.
후속연구
- 따라서 이상과 같은 결과로부터 본 연구에서 적용한 CFD 및 PIV에 의한 가시화 기법이 밸브의 성능개선을 위한 내부유동장의 최적 설계인자 도출을 위해서 유용하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
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