직경 1 m, 높이 1 m의 교반탱크 내 유체흐름 패턴을 상용 전산유체역학 프로그램의 하나인 CFX를 사용하여 해석함으로써 교반속도, 임펠러 회전날개의 경사각, 방해판의 존재 유무, 탱크바닥 형태가 흐름패턴에 미치는 영향을 알아보았다. 방해판이 없을 경우 탱크 중심에서 와류가 관찰되었으며 교반속도가 증가함에 따라 탱크 중심의 와류 현상이 증가하였으나, 방해판 설치에 의해 와류가 감소하였다. 임펠러 날개의 경사각을 증가시킴으로써 교반탱크 상하로의 유체흐름이 증가하였고 와류도 감소하였다. 탱크바닥을 수평으로 하는 것 보다 둥글게 함으로써 탱크 바닥 구석에서 유체흐름이 원활하게 변화하였다.
직경 1 m, 높이 1 m의 교반탱크 내 유체흐름 패턴을 상용 전산유체역학 프로그램의 하나인 CFX를 사용하여 해석함으로써 교반속도, 임펠러 회전날개의 경사각, 방해판의 존재 유무, 탱크바닥 형태가 흐름패턴에 미치는 영향을 알아보았다. 방해판이 없을 경우 탱크 중심에서 와류가 관찰되었으며 교반속도가 증가함에 따라 탱크 중심의 와류 현상이 증가하였으나, 방해판 설치에 의해 와류가 감소하였다. 임펠러 날개의 경사각을 증가시킴으로써 교반탱크 상하로의 유체흐름이 증가하였고 와류도 감소하였다. 탱크바닥을 수평으로 하는 것 보다 둥글게 함으로써 탱크 바닥 구석에서 유체흐름이 원활하게 변화하였다.
The flow patterns in a stirred tank, 1m in diameter and 1 m in height, were studied using CFX, a commercial computational fluid dynamics program, with the impeller rotation speed, the impeller blade angle and the tank-bottom shape varied and the baffles included or excluded. A vortex was observed in...
The flow patterns in a stirred tank, 1m in diameter and 1 m in height, were studied using CFX, a commercial computational fluid dynamics program, with the impeller rotation speed, the impeller blade angle and the tank-bottom shape varied and the baffles included or excluded. A vortex was observed in the center of the tank in the absence of the baffles, and the intensity of the vortex increased with increasing the rotation speed. The vortex was considerably reduced in the presence of the baffles. An increase in the blade angle increased the vertical flow and decreased the vortex intensity. The flow in the corners of the tank bottom turned smoother as the tank bottom was varied in shape from flat to round.
The flow patterns in a stirred tank, 1m in diameter and 1 m in height, were studied using CFX, a commercial computational fluid dynamics program, with the impeller rotation speed, the impeller blade angle and the tank-bottom shape varied and the baffles included or excluded. A vortex was observed in the center of the tank in the absence of the baffles, and the intensity of the vortex increased with increasing the rotation speed. The vortex was considerably reduced in the presence of the baffles. An increase in the blade angle increased the vertical flow and decreased the vortex intensity. The flow in the corners of the tank bottom turned smoother as the tank bottom was varied in shape from flat to round.
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문제 정의
이전의 연구들에서는 교반 탱크의 바닥이 평평한 형태를 대상으로 선정하였으나, 본 연구에서는 탱크의 바닥을 접시 형태로 아래로 둥글게 했을 경우 유체 흐름 패턴에 미치는 영향을 조사해 보았다. 임펠러 회전속도를 500 rpm으로 하였을 때 방해판 존재 유무에 따른 탱크 바닥 구석에서의 유체 흐름 패턴을 비교해 보았다.
제안 방법
CFX 전산 유체역학 프로그램을 이용하여 교반 속도, 임펠러 날개의 경사각, 방해판의 존재 유무, 탱크 바닥의 형태가 직경 1 m, 높이 1 m의 교반탱크 내 유체 흐름 패턴에 미치는 영향을 관찰, 분석하였다. 방해판이 없을 경우 교반 속도가 증가함에 따라 탱크 중심의 와류 현상이 증가하였으나, 방해판 설치에 의해 와류 현상이 감소하였다.
2에 교반탱크의 격자 구조를 나타내었다. 격자 수를 증가시키면 정확도가 증가하나 계산 시간이 오래 걸리기 때문에 본 연구에서는 예비과정을 거쳐 수렴판정 기준 10-3을 만족시키도록 격자수를 결정하였다. 수렴기준은 모든 셀의 유체방정식 질량 잔류 값 (residual)의 합을 유체의 총 질량으로 나눈 값으로 정의한다.
이전의 연구에서도 동일한 수렴판정기준을 사용한 바 있다 [11]. 교반기의 벽, 바닥에서 유체의 속도는 0으로 지정하였고, 물과 공기에 의해 형성되는 경계면은 자유표면으로 설정하였다. 식 (5) 의 난류 점도는 k七 모델 [12]을 사용하여 구하였다.
본 연구에서는 교반 탱크의 직경을 1 m로 확대하였고, CFX 프로그램을 사용하였으며, 탱크 바닥이 수평인 것과 아래로 볼록한 것, 방해판이 있을 때와 없을 때, 임펠러 날개의 각도 변화가 탱크 내 물의 정상상태 흐름 패턴에 미치는 영향을 해석하였다. 분무건조기 해석 [7] 또는 시멘트 킬른 버너 해석 [8]에 CFX를 응용한 사례는 있으나 교반탱크 해석에 적용한 예는 아직 찾아볼 수 없다.
임펠러 회전속도를 500 rpm으로 하였을 때 방해판 존재 유무에 따른 탱크 바닥 구석에서의 유체 흐름 패턴을 비교해 보았다. 바닥을 평평하게 했을 때와 비교해 볼 때 접시 형태로 했을 경우 구석에서의 유체 흐름이 훨씬 활발한 것을 볼 수 있다 (Fig.
대상 데이터
임펠러의 날개는 4개이고 방해 판도 4개로서 등 간격으로 설치되어 있다. 상기 유체 지배방정식을 수치 해석 방법으로 풀기 위해 교반 탱크 내 공간을 여러 개의 격자 (mesh)로 나누었는데 임펠러가 회전하는 영역에는 tetragonal 형태의 격자 530, 000개, 그 밖의 영역에는 hexagonal 형태의 격자 340, 000개를 사용하였다. Fig.
이론/모형
본 연구에서 사용된 CFX 프로그램은 상기 미분방정식의 이산화 (discretization) 방법으로 유한체 적법을 채택하고 있다. 교반 탱크, 임펠러, 방해판의 형상을 Fig.
성능/효과
방해 판의 설치에 의해 탱크 중심에서의 vortex가 현저하게 줄어들었음을 알 수 있다. 방해판의 vortex 감소효과는 이미 실험적으로 잘 알려져 있지만 본 연구에서는 유체지배방정식의 수치해석을 통하여 그 효과를 재현해 보았다는데 의의가 있다고 할 수 있다.
후속연구
탱크 바닥을 수평으로 하는 것보다 둥글게 함으로써 탱크 바닥 구석에서 유체 흐름이 원활하게 변화하였다. 앞으로 기체, 액체뿐만 아니라 고체 입자를 포함하는 3 상계교 반 탱크 수치해석으로의 확장이 기대된다.
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