[논문]다중 흡수정을 갖는 펌프장 모델의 유동균일성 해석

최종웅; 최영도; 임우섭; 이영호

doi:10.5293/kfma.2009.12.4.014

다중 흡수정을 갖는 펌프장 모델의 유동균일성 해석
Numerical Analysis on the Flow Uniformity in a Pump Sump Model with Multi Pump Intake 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.12 no.4 = no.55, 2009년, pp.14 - 22

최종웅 ((주)태성앤스트) , 최영도 (국립창원대학교 메카트로닉스 공학부) , 임우섭 (효성에바라(주)) , 이영호 (한국해양대학교 기계.정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The head-capacity curves for pumps developed by the pump manufacturer are based on tests of a single pump operating in a semi-infinite basin with no close walls or floors and with no stray currents. Therefore, flow into the pump intake is with no vortices or swirling. However, pump station designers relying on these curves to define the operating conditions for the pump selected sometimes meet the reductions of capacity and efficiency, as well as the increase of vibration and additional noise, which were caused by air-entered flow in the pump station. From this background, the authors are carrying out a systematic study on the flow characteristics of intakes within a sump of pump station model. Multi-intake sump model with anti-submerged vortex device basin is designed and the characteristics of submerged vortex is investigated in the flow field by numerical simulation. In this study, a commercial CFD code is used to predict the vortex generation in the pump station accurately. The analysed results by CFD show that the vortex structure and effect of anti-submerged vortex device are different at each pump intake channel.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 흡수정이 7개로 구성된 펌프장 모델에 대하여 각 흡수정 채널에서의 유동분포에 따른 유동균일성을 상세하게 검토하는 것이 목적이며, 특히 단일 흡수정에 대한 Anti-submerged vortex device(AVD) 유무에 따른 유동특성 및 AVD 설치시의 전체 펌프장 모델에 대한 각 흡수정의 유동특성을 수치 해석적 방법으로 비교 및 검토하였다.

가설 설정

5) 펌프장 설계 시 상류로부터의 균일한 유동 유입분포를 고려한 펌프장 설계가 무엇보다 중요한 요소이다.

제안 방법

3은 해석대상 유동장에 대한 계산격자의 형상을 보여주고 있으며, 사용된 격자의 수는 펌프장 모델 해석의 경우 약 330만 노드가 사용되었고, 단일 흡수정 해석에 대한 격자는 약 80만 노드가 사용되었다. 각 격자에 대한 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX를 사용하였으며, 작동유체로는 25℃의 물을, 경계조건으로는 입구에는 압력, 출구에는 속도 조건 (3m/s), 대칭면에는 대칭조건을 적용하였다. 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하여 정상상태 계산을 수행하였다.
계산격자는 격자 생성 전용 프로그램인 IGEM CFD를 이용하여 3-D hexa-hedral type의 격자로 구성하였다.
또한, 일본터보기계협회⑸에서는 펌프 흡입수조에 대한 규격을 재개정하였으며, 동일한 해석 대상에 대하여 여러 종류의 해석 프로그램을 사용한 수치해석의 활용가능성을 검토하였다.
본 연구에서는 흡수정 7개로 구성된 펌프장 모델과 단일 흡수정의 AVD 유무에 의한 유동장의 영향을 수치해석 기법을 사용하여 검토하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구의 CFD 결과의 신뢰성을 확보하기 위하여 Fig. 4와 같이 일본터보기계협회(TSJ)에서 수행한 전산모델과 동일한 형상에 대하여 3차원으로 모델링, 격자 생성, 계산을 수행하였다. Fig.
전체 펌프장 모델을 계산하기 전에 단일 흡수정에 대하여 AVD의 유무에 따른 수치해석을 수행한 후, 전체 펌프장 모델에 대한 수치해석을 수행하였다.
본 연구의 펌프장 모델은 총 7개의 흡수정을 가지고 있으며, 각 흡수정의 흡입관은 동일한 유량으로 토출된다. 전체 형상이 대칭적이므로 절반에 해당하는 형상만 모델링하여 수치해석을 수행하였다. 각 흡수정의 흡입관은 옆벽, 뒷벽, 바닥으로부터 각각 70 mm, 180 mm, 100 mm에 위치하고 있다.
각 흡수정의 흡입관은 옆벽, 뒷벽, 바닥으로부터 각각 70 mm, 180 mm, 100 mm에 위치하고 있다. 흡수정의 상부는 덮게를 적용하여 자유표면으로부터의 공기흡입을 방지하였으며, 수중 보텍스로 인한 캐비테이션을 억제하기 위하여 흡입관 하부에는 십자 형상을 갖는 AVD를 적용하였다.

대상 데이터

1은 본 연구에서 수치해석을 수행하기 위한 전체 유동장 모델의 2-D 형상을 나타내고 있으며, 점선은 수치해석을 적용하기 위한 영역을 나타내고 있다. 본 연구의 펌프장 모델은 총 7개의 흡수정을 가지고 있으며, 각 흡수정의 흡입관은 동일한 유량으로 토출된다. 전체 형상이 대칭적이므로 절반에 해당하는 형상만 모델링하여 수치해석을 수행하였다.

이론/모형

각 격자에 대한 수치계산은 상용프로그램인 ANSYS CFX를 사용하였으며, 작동유체로는 25℃의 물을, 경계조건으로는 입구에는 압력, 출구에는 속도 조건 (3m/s), 대칭면에는 대칭조건을 적용하였다. 난류 모델은 SST(Shear Stress Transport) 모델을 적용하여 정상상태 계산을 수행하였다.

성능/효과

1) 단일 흡수정에 AW를 설치 시 흡입관 주위에서 발생하는 와도 값은 AVD 미설치 시에 비하여 평균적으로 약 3배 낮게 나타났다.
2) 흡수정으로 접근하는 비대칭적인 입구 속도 분포로 인하여 펌프장 모델의 흡입관 주위의 와도 값이 단일 흡수정의 와도 값에 비하여 전체적으로 높게 나타났다.
3) 펌프장 모델 흡입관 3에서의 채널단면에서 평균유속에 대한 국부 유속의 표준편차가 평균 133.2%로 가장 높게 나타났으며, 불균형 속도 분포가 다른 흡입관에 비하여 크게 나타남을 확인하였다.
4) 펌프장 모델에서, 각 흡수정 입구의 불균형 속도 유입이 가장 큰 흡수정 3과 5의 흡입관 주위에서 발생하는 와도값이 다른 흡수정의 흡입관 주위에서 발생하는 와도값보다 평균적으로 약 1.5배 높게 나타났다.
4의 결과로부터 흡수정 입구로부터 흡입관으로의 유동 방향의 수직한 방향으로의 거리(유로방향 축방향 거리)에 따른 X, y, z 속도성분이 일본터보기계협회의 계산결과와 유사하게 나타났다. 유로방향 축방향의 y속도성분에서는 흡입관의 편심에 의한 선회성분이 나타나는 것을 알 수 있으며, z 방향의 속도 성분에서는 흡입관의 주변 흐름이 저면 방향으로 향한 다음 흡입관으로 유입되면 유동은 크게 가속된 후 펌프로 유입되는 것을 알 수 있다.
이는 흡입관 주위에서 발생하는 보텍스 중 옆벽에서 생성된 보텍스의 세기가 상대적으로 높다는 것을 알 수 있다. 전체적으로 AVD가 적용된 유동장의 와도값이 낮게 나타났다.
10는 바닥으로부터 (z = Omm) 높이 (z = 100 mm, 300 mm, 500 mm)에 따른 상류에서 흡수정의 흡입관까지 유입되는 유동장의 속도를 contour로 나타낸 그림이다. 펌프장 모델의 상류로부터의 속도는 각 흡수정 입구로 도달 시 각각 다른 속도 분포를 가지며, 흡수정 3과 5에서 흡수정 입구속도 분포의 변화가 가장 크게 나타났다. 그러나 흡수정의 뒷벽으로부터, Fig.
2%로 유로 채널단면에서 평균유속에 대한 국부 유속의 표준편차가 가장 크게 나타났으며, 이로 인하여 흡입관 3에서 가장 높은 와도와 선회류가 발생한다. 흡수정의 입구에서 흡입관으로의 유동의 균일성이 점차 증가하는 경향을 보이며, 흡수정의 입구에서 가장 높은 값을 갖는 이유는 흡수정으로 접근하는 비대칭적인 속도 분포로 인한 것으로 판단된다.
Table 3은 각 흡수정 뒷벽에서 거리 1500mm~400mm 위치에 대한 단면의 유로 방향 유동 균일성을 나타내고 있다. 흡입관 3의 평균 유동 균일성 133.2%로 유로 채널단면에서 평균유속에 대한 국부 유속의 표준편차가 가장 크게 나타났으며, 이로 인하여 흡입관 3에서 가장 높은 와도와 선회류가 발생한다. 흡수정의 입구에서 흡입관으로의 유동의 균일성이 점차 증가하는 경향을 보이며, 흡수정의 입구에서 가장 높은 값을 갖는 이유는 흡수정으로 접근하는 비대칭적인 속도 분포로 인한 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

Padmanabhan, M., Hecker, G. E., 1984, 'Scale Effects in Pump Models,' J. Hydr. Engrg. ， ASCE, VoL 110(11), pp. 1540-1556

상세보기
Lajendran V. P., Constantinescu G. S., Patel V. C., 1998， 'Experiments on Flow in Model Water-pump Intake Surnp to Validate a Numerical model,' Fluids Engineering Division Summer Meeting, ASME, June 21-25, FEDSM98-5098
Lee, T. S., 2001, 'Visualization of Submerged and Attached Surlace Vortices in pump Surnp,' Asian Symposium on Visualization, ASV. pp. 97-99
Nagahara， T., Sato, T., Okamura, T., 2003, 'Measurement of the Flow around the Submerged Vortex Cavitation in a Pump Intake by Means of PIV,' Fifth Intemational Symposium on Cavitation, Cav03-0S-6-011
Turbomachinery Society of Japan, 2005， 'Standard Method for Model Testing the Performance of a Model Sump,' TSJ S002
이영호 외， 2004, '모형실험을 통한 흡수정 형상결정 설계방 향 수립 한국수자원공사 연구용역최종보고서
김진영， 정경남， 김휴곤， 김영학， 2005， '펌프 흡입수조 모형 시험에서의 수중와에 대한 유동해석,' 유체기계 연구개발 발표회 논문집， pp. 593-597
노형운， 김재수， 서상호， 2002, 'CFD에 의한 펌프장 Sump내 유동해석,' 유체기계 연구개발 발표회 논문집， pp. 89-94
최종웅， 2003， 'PN에 의한 펌프장 흡입수조내 흡입관 주위 의 유동특성에 관한 연구', 한국해양대학교 학위논문

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