[논문]안쪽축이 회전하는 동심환형관내 고-액 2상 유동연구

김영주; 한상목; 우남섭; 황영규

[국내논문] 안쪽축이 회전하는 동심환형관내 고-액 2상 유동연구
Solid-liquid 2phase flow in a concentric annulus with rotation of the inner cylinder 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.18 no.2 = no.58, 2009년, pp.87 - 92

김영주 (한국지질자원연구원) , 한상목 (성균관대학교 기계공학부) , 우남섭 (성균관대학교 기계공학부) , 황영규 (성균관대학교 기계공학부)

초록
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본 논문은 안쪽축이 회전하는 동심환형관 물과 비뉴튼유체의 고-액 2상 유동연구를 수행하였다. 점탄성유체의 유변학은 굴착구멍의 청결, 입자의 밖으로 수송하는 등 여러 가지 응용에 중요하다. 연구에서 투명한 아크릴관은 고체입자의 이동을 관찰하기 위하여 사용하였다. 환형관 속도는 0.3m/s에서 2.0m/s로 변한다. 머드시스템은 물과 CMC 수용액을 혼합하여 사용하였다. 연구에서 고려된 주요 변수들은 축회전속도, 유체 유동영역과 입자 주입율이다. 입자이송속도와 압력강하는 유체유량(Q, LPM)이 5~30의 범위에서 측정하였다. 물과 0.2% CMC 수용액에서 고체입자의 농도가 높을수록 압력손실이 커짐을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental investigation is conducted to study a 2-phase vertically upward hydraulic transport of solid particles by water and non-Newtonian fluids in a slim hole concentric annulus with rotation of the inner cylinder. Rheology of particulate suspensions in viscoelastic fluids is of importance in many applications such as particle removal from surfaces, transport of proppants in fractured reservoir and cleaning of drilling holes, etc. In this study, a clear acrylic pipe was used in order to observe the movement of solid particles. Annular velocities varied from 0.3 m/s to 2.0 m/s. The mud systems included fresh water and CMC solutions. Main parameters considered in the study were inner-pipe rotation speed, fluid flow regime and particle injection rate. A particle rising velocity and pressure drop in annulus have been measured for fully developed flows of water and of aqueous solutions. For both water and 0.2% CMC solutions, the higher the concentration of the solid particles is, the larger the pressure gradients become.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 기존 연구자들의 연구에서는 비현실적으로 큰 유속을 사용하거나 test section의 길이가 짧아 정상상태에 도달하지 못하는 등의 문제점들이 있다. 따라서 본 연구에서는 환형관내 입자와 유체의 운동에 가장 큰 영향을 미치는 요소를 고려하여 현실적인 유체의 속도, 안쪽 축의 회전속도 등에 대하여 고체 입자의 거동을 조사할 수 있는 실험장치를 이용하여 고-액 2상 유동의 원리에 기초한 유동특성을 규명하고자 한다.
Table 1의 결과와 같이 안쪽축 회전수 변화에 따른 고체 입자의 최소 이송속도를 측정하여였다. 일정한 양의 입자가 흐르는 유동에서 입자의 최소 이송속도를 정량적으로 관찰한 것이다. 안쪽 축 회전은 입자의 이송에 유리하게 작용하기 때문에 최소 이송속도를 감소시키는 효과가 있다.
본 연구에서는 유정의 굴착작업에서 발생하는 굴착 잔재물의 이송과 관련하여 환형관 내 고-액 2상 유동의 거동을 실험과 수치해석 방법을 이용하여 살펴보았다. 안쪽축의 회전은 고체 입자의 이송에 유리하게 작용하여 높은 회전수에서는 낮은 유속에서 고체 입자를 이송할수 있었다.

제안 방법

유량은 1∼60LPM의 측정범위를 갖고 정확도가 0.5%이내로 보정된 마그네틱 유량계를 사용하여 측정하였다.
1에 도시하였다. 축 방향으로 유동을 완전히 발달시키기 위해 시험부(test section)까지의 길이를 수력직경의 116배 이상이 되도록 하여 1.7m로 제작 하였다. 안쪽축이 회전할 때 생기는 편심도는 ±0.
1mm 이내이다. 차압을 측정하기 위해 시험부의 길이 방향으로 0.5m 간격으로 2개의 압력 탭을 설치하였다. 압력 탭 내부 hole의 직경은 0.
5mm인 정압 탭을 사용하였다. 유동의 안정적인 발달을 위하여 환형관의 입구 부분에서도 유동이 두 방향으로 유입되도록 하였으며 또한 실험장치 윗부분에서 부압이 발생하는 것을 방지하기 위해서 출구를 세 방향으로 설계하여 유체가 방해를 받지 않고 빠져나갈 수 있도록 제작하였다.
2에 간단히 도시하였다. 축방향으로 200개의 격자점을, 반경방향과 회전방향에 대해서는 똑같이 11개씩의 격자점을 주었고, 특히 반경방향은 양쪽 벽면으로 조밀하게 주었다.
8에서 작동유체의 변화에 대한 축방향 유량과 축방향 압력손실이나 표면마찰계수와 레이놀즈수와의 관계는 Kim 등⁽⁴⁾의 논문에서 이미 발표된 적이 있다. 유정의 굴착 작업에서의 유동은 일반적으로 층류영역에 속하며 본 연구에서도 층류영역에 대한 실험만을 수행하였다. 층류영역에서는 표면마찰계수와 축방향 유량의 관계는 선형적이다.
3에 나타내었고, Table 1에 정리하였다. 고속 카메라를 이용하여 다양한 조건에 대한 정밀한 실험을 수행하기 위한 선행 실험으로 디지털 카메라를 이용하여 모래 입자의 거동을 살펴보았다
3초이다. 따라서 모래 입자의 속도는 이동거리와 시간 간격을 이용하여 구하였으며 물의 유속은 마그네틱 유량계에서 측정한 유량을 환형관의 단면적으로 나누어 평균값을 계산하였다.
4mm 정도로 측정된 모래입자를 사용하였다. 배관의 환수부분에 필터를 설치하여 모래 입자를 회수하였는데 시간에 대한 모래입자의 회수량을 조사하여 모래 입자의 volume fraction을 계산하였다. 모래 입자가 최대한 균일하게 투입될 수 있도록 입자 투입구의 스크류 피더의 회전수와 투입구 측으로 역류하는 유체에 압력조절기로 적절하게 압력을 조절하였다.
배관의 환수부분에 필터를 설치하여 모래 입자를 회수하였는데 시간에 대한 모래입자의 회수량을 조사하여 모래 입자의 volume fraction을 계산하였다. 모래 입자가 최대한 균일하게 투입될 수 있도록 입자 투입구의 스크류 피더의 회전수와 투입구 측으로 역류하는 유체에 압력조절기로 적절하게 압력을 조절하였다.
축방향 압력손실 측정 실험에서는 우선 물을 이용해서 실험을 수행하여 실험장치의 신뢰성을 확인하였고, 이후 고-액 2상 유동에 대한 실험을 수행하였다.
5(a)에 도시하였다. 반 경비가 0.7인 환형관에서 유체가 물인 경우는 난류유동으로 해석하였고, 0.2% CMC 수용액의 경우는 점도가 물에 비해 6배 정도 증가하므로 층류유동으로 해석하였다. 물과 0.
수치해석 연구에서는 실험에서 관찰하기 힘든 유체와 고체입자의 유동을 층류영역에 대하여 살펴보았다. 이 기초 연구결과들은 실제 굴착이수의 성질을 가지는 CMC 및 벤토나이트 수용액과 고속 카메라를 이용한 연구의 기초 자료로 사용될 수 있을 것이다.

대상 데이터

반경비가 0.8인 환형관의 경우 바깥쪽 실린더는 직경이 36mm인 투명 아크릴 파이프를 사용하여 제작하였고, 안쪽 축은 외경이 30mm인 스테인레스 연마봉을 사용하였다. 실험장치의 개략을 Fig.
5%이내로 보정된 마그네틱 유량계를 사용하여 측정하였다. 바깥쪽 실린더는 내부 유동을 관찰할 수 있는 투명한 아크릴 재질로 제작하였고, 안쪽축은 직경이 30mm인 스테인레스 강재 연마봉을 사용하였고 개략적인 실험장치를 Fig. 1에 도시하였다. 축 방향으로 유동을 완전히 발달시키기 위해 시험부(test section)까지의 길이를 수력직경의 116배 이상이 되도록 하여 1.
2상 유동에 있어서 가장 중요한 유동 특성 중 하나는 2상 유동의 속도와 압력손실과의 관계이다. 모래 입자는 크기별로 분류하여 최대한 균일한 입자들이 되도록 하였으며, 본 실험에서는 평균 지름은 0.4mm 정도로 측정된 모래입자를 사용하였다. 배관의 환수부분에 필터를 설치하여 모래 입자를 회수하였는데 시간에 대한 모래입자의 회수량을 조사하여 모래 입자의 volume fraction을 계산하였다.

이론/모형

본 연구에서는 3차원, 비압축성 유체에 대하여 수치해석 상용코드인 Fluent를 사용하여 해석하였고 지배방정식은 다음과 같은 연속방정식과 모멘텀 방정식 및 고체 입자운동량 방정식을 사용하였다.
위의 식에서 u, ρ, ν, p 는 각각 유체의 속도, 밀도, 동점성계수, 압력을 의미한다. 위 지배방정식은 수학적으로 이산화하기가 편리하고 수렴성이 좋아 유체 유동장 해석에 많이 사용되는 유한체적법(Finite Volume Method)을 사용하였다. 대류항의 이산화는 1계 상류도식(Upwind Differencing Scheme)을 사용하였다.
위 지배방정식은 수학적으로 이산화하기가 편리하고 수렴성이 좋아 유체 유동장 해석에 많이 사용되는 유한체적법(Finite Volume Method)을 사용하였다. 대류항의 이산화는 1계 상류도식(Upwind Differencing Scheme)을 사용하였다. 본 환형관 유동장의 해석에 사용된 격자계는 Fig.

성능/효과

2% CMC 수용액의 경우는 점도가 물에 비해 6배 정도 증가하므로 층류유동으로 해석하였다. 물과 0.2% CMC 수용액 모두 실험과 수치해석의 결과가 10%의 오차 범위에서 일치하였다.

후속연구

수치해석 연구에서는 실험에서 관찰하기 힘든 유체와 고체입자의 유동을 층류영역에 대하여 살펴보았다. 이 기초 연구결과들은 실제 굴착이수의 성질을 가지는 CMC 및 벤토나이트 수용액과 고속 카메라를 이용한 연구의 기초 자료로 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	굴착 잔재물의 이송에 대한 기존연구들은 크게 어떻게 나눌 수 있는가?	굴착 잔재물의 이송과 관련된 기존 연구들은 크게 유체 내에서 입자의 운동역학, 굴착 이수의 특성 및 작용, 편심 환형관에서의 비뉴튼유체의 속도분포 등에 대한 내용으로 크게 세 부류로 나눌 수 있다.
	굴착 잔재물 이송과 관련하여, 환형관 내 고-액 2상 유동의 거동은 어떻게 나타났는가?	본 연구에서는 유정의 굴착작업에서 발생하는 굴착 잔재물의 이송과 관련하여 환형관 내 고-액 2상 유동의 거동을 실험과 수치해석 방법을 이용하여 살펴보았다. 안쪽축의 회전은 고체 입자의 이송에 유리하게 작용하여 높은 회전수에서는 낮은 유속에서 고체 입자를 이송할수 있었다. 고-액 2상 유동에서의 축방향 압력손실이 단일 유동에서보다 크게 측정되었다.
	층류영역에서 표면마찰계수와 축방향 유량의 관계는 어떠한가?	유정의 굴착 작업에서의 유동은 일반적으로 층류영역에 속하며 본 연구에서도 층류영역에 대한 실험만을 수행하였다. 층류영역에서는 표면마찰계수와 축방향 유량의 관계는 선형적이다. 안쪽 축의 회전과 축방향 유속이 존재 하는 환형관 유동은 일반적인 파이프 유동보다 복잡한 유동 형태를 나타낸다

참고문헌 (6)

Becker, H. A.: "The effects of Shape and Reynolds Number on Drag in the Motion of a Freely Oriented Body in an Infinite Fluid", Can. J. Chem. Eng., pp.85-91, (1959)
Hottovy, J. D. and Sylvester, N. D.: "Drag Coefficients of Irregularly Shaped Particles", I&EC Process Design and Development, Vol.18, pp.443, (1997)
Lauzon, R. V. and Reid, K. I. B.: "New Rheological Model Offers Field Alternatives", Oil and Gas Journal, Vol.77, pp.51-57, (1979)
Kim, Y. J. and Hwang, Y. K.: "Experimental study on the vortex flow in a concentric annulus with a rotating inner cylinder", International Journal of KSME, Vol.17, No.4, pp.562-570, (2003)

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Tao, L. N. and Donovan, W. F.: "Through Flow in Concentric and Eccentric Annuli of Fine Clearance With and Without Relative Motion of the Boundaries", Trans. ASME, pp.1291-1301, (1955)
Escudier, M. P., Oliveira, P. J. and Pinho, F. T.: "Fully developed laminar flow of purely viscous non-Newtonian liquids through annuli, including the effects of eccentricity and inner-cylinder rotation", I. J. Heat and Fluid Flow, Vol.23, pp.52-73, (2002)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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