[논문]해양광물자원 개발을 위한 사류형펌프의 내부유동 해석

이진우; 최영도; 이영호; 윤치호; 박종명

doi:10.5293/kfma.2010.13.5.011

해양광물자원 개발을 위한 사류형펌프의 내부유동 해석
Internal Flow Analysis on a Mixed Flow Pump for Developing Marine Mineral Resources 원문보기

유체기계저널 = Journal of fluid machinery, v.13 no.5 = no.62, 2010년, pp.11 - 16

이진우 (한국해양대학교 대학원) , 최영도 (목포대학교) , 이영호 (한국해양대학교 기계정보공학부) , 윤치호 (한국지질자원연구원) , 박종명 (한국지질자원연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The development of lifting pumps that lift minerals to a mining vessel are one of the vital parts of the commercial mining process. The purpose of this study is to investigate internal flow and its effect on the performance of a mixed flow pump in order to improve the pump's performance. Numerical analysis was performed by commercial code of ANSYS CFX-11 based on flow rate and length of flexible hose. The rated rotational speed of the impeller is 1750rpm. For taking into account the turbulence, k-$\omega$ SST model was selected to guarantee more accurate prediction of flow separation. The simulated results are in good agreement with the experimental results and showed that its efficiency and the head of the pump are related mainly to the flow rate and the length of flexible hose. A lesser flow rate caused more secondary flow through the guide vane passage. The length of flexible hose and flow rate exert much more influence on the pump's performance than the shape of the flexible hose.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

펌프 설계기술은 경험적이고 기본적인 방법을 따른다는 점에서 특수 설계된 펌프에 대한 연구가 앞으로도 많이 필요한 시점이다. 따라서 본 연구에서는 해양광물자원 이송용 펌프의 내부유동 및 유연관 형상변화에 따른 펌프성능 변화를 해석하여 펌프의 성능향상에 필요한 기본적인 자료를 확보하고, 성능개선을 위한 방법을 검토하였다.
펌프의 성능 예측을 위하여 본 연구에서는 수치해석을 적용하여 성능을 예측하였다.

가설 설정

펌프 및 유연관의 성능을 분석하기 위해서 유연관 흡입부에 속도조건을 부여하였으며, 유연관 벽(wall)은 모두 점착조건으로 설정하였다. 또한 벽면의 거칠기는 모두 동일하다고 가정하였다. 임펠러는 점착조건 및 회전조건을 부여하였으며, 단상에서의 계산을 수행하였다.

제안 방법

3은 해석대상 펌프의 형상에 격자를 생성한 모습을 나타낸 것이다. 격자는 복잡한 형상에도 상당히 우수한 품질로 격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 주로 이용하여 생성하였으며, 임펠러와 2단 가이드베인부분은 Tetrahedral 모듈을 이용하여 격자를 생성하였다. 격자는 해석의 정확도를 고려하여 블레이드 및 가이드베인 주위에 집중 배치하였으며, 해석에 사용된 전체 도메인의 격자수는 약 360만 노드이다.
유연관 출구는 펌프의 입구에 연결되며, 유연관 직경은 105 mm, 길이는 100 m, 60 m로 설정하였다. 또한 각 길이마다 3가지 형상으로 모델링하였다.
펌프 상단에는 2개의 임펠러를 구동하기 위한 모터가 설치되며, 2개의 임펠러는 모터와 1개의 샤프트로 연결되어 동일한 회전수로 작동한다. 임펠러 입구직경은 150 mm, 전체 직경은 280 mm이며, 펌프의 임펠러는 망간단괴 등 해양 광물의 입자가 크기 때문에 발생할 수 있는 문제점을 고려하여 고체입자가 통과할 수 있도록 임펠러 내부유로를 일반펌프보다 강제적으로 확장시켜 임펠러 출구폭이 상대적으로 넓게 설계하였다.
또한 벽면의 거칠기는 모두 동일하다고 가정하였다. 임펠러는 점착조건 및 회전조건을 부여하였으며, 단상에서의 계산을 수행하였다. 기타 펌프 내부유동계산에 적용된 상세 사항은 table 1에 나타내었다.
계산영역 내 입구경계조건은 균일 유입조건을 주었으며, 출구 경계조건은 동일 압력조건을 부여하였다. 펌프 및 유연관의 성능을 분석하기 위해서 유연관 흡입부에 속도조건을 부여하였으며, 유연관 벽(wall)은 모두 점착조건으로 설정하였다. 또한 벽면의 거칠기는 모두 동일하다고 가정하였다.

대상 데이터

격자는 복잡한 형상에도 상당히 우수한 품질로 격자를 생성할 수 있는 ICEM-CFD Hexa 모듈을 주로 이용하여 생성하였으며, 임펠러와 2단 가이드베인부분은 Tetrahedral 모듈을 이용하여 격자를 생성하였다. 격자는 해석의 정확도를 고려하여 블레이드 및 가이드베인 주위에 집중 배치하였으며, 해석에 사용된 전체 도메인의 격자수는 약 360만 노드이다.
본 연구에 사용된 펌프는 총 높이가 약 2 m이며, 2개의 임펠러와 2개의 가이드베인을 가지고 있는 다단펌프로 임펠러의 날개 수는 4매, 가이드베인의 날개 수는 5매로 구성되어 있다. 펌프 상단에는 2개의 임펠러를 구동하기 위한 모터가 설치되며, 2개의 임펠러는 모터와 1개의 샤프트로 연결되어 동일한 회전수로 작동한다.
유연관 출구는 펌프의 입구에 연결되며, 유연관 직경은 105 mm, 길이는 100 m, 60 m로 설정하였다. 또한 각 길이마다 3가지 형상으로 모델링하였다.

이론/모형

해석은 상용코드인 ANSYS CFX Ver.11을 사용하여 SST(Shear Stress Transport) 난류모델을 적용하였다. 계산영역 내 입구경계조건은 균일 유입조건을 주었으며, 출구 경계조건은 동일 압력조건을 부여하였다.

성능/효과

1) 유량이 상대적으로 적을 때 가이드베인 압력면과 부압면의 압력차가 크게 나타나고, 임펠러 내부유로에서 순환흐름이 많이 발생함을 확인할 수 있으며, 이러한 유로내부에서의 큰 압력차는 주류의 방향과 일치하지 않는 2차흐름 등의 발생을 야기하여 유로내의 손실을 유발하고, 임펠러 내부에서의 순환흐름은 펌프 성능저하를 야기할 수 있다.
2) 유량이 50 m³/h에서 150 m³/h로 증가할 때 1단 임펠러에 걸리는 torque값은 약 4 Nm 증가하지만, 유량이 150 m³/h에서 250 m³/h로 증가할 때 토크는 약 29 Nm로 급격하게 증가함을 보인다.
3) 유연관에서 유량이 50 m³/h에서 150 m³/h로 증가함에 따라 압력손실은 수두로 약 8 m 이상 발생하고, 유연관 길이가 60 m에서 100 m로 길어지면 압력손실이 수두로 약 6 m정도 나타남을 확인할 수 있다. 또한 유연관 형상이 직선에서 곡면부가 1개, 2개 추가됨에 따라서 압력손실이 증가하는데 그 크기는 약 0.
4) 유연관 길이가 변화함에 따라 펌프의 효율이 변화하는 것을 알 수 있으며, 길이가 60 m인 유연관을 부착한 경우 유량 150 m³/h일 때 최고 높은 효율을 보인다.
12는 유연관 길이가 60 m, 100 m일 때의 각 형상에서의 압력손실을 나타낸 것으로, 유연관의 길이변화에 따라 발생하는 압력손실(head)을 알 수 있다. 그래프를 보면 유연관 길이의 증가에 따라 유연관에서 발생하는 손실이 증가함을 알 수 있으며, 손실은 약 6 m 증가함을 보이고 있다.
성능곡선을 보면 유량이 증가할수록 효율은 상승해 200 m³/h일 때 가장 높은 효율 57.9 %를 보이지만, 전양정은 유량이 증가할수록 감소해 약 52.5 m를 보이는 것을 확인할 수 있다.
4는 CFD를 통해 펌프성능을 수치해석한 결과와 실험결과를 비교한 그래프이다. 수치해석 결과는 유량에 따라 약간의 차이는 있지만 실험값과 유사한 경향을 보이고, 설계점 유량보다 유량이 상승하였을 때 효율이 상승함을 확인할 수 있는데 이는 고체입자가 원활하게 통과하도록 하기 위해 임펠러 내부유로를 일반펌프보다 강제적으로 확장시킨 특수펌프를 설계하였고, 양정이 낮은 것을 보완하기 위해서 저유량역 설계를 수행하였기 때문에 설계점 유량보다 유량이 증가하였을 때 효율이 상승하는 경향을 보이고 있다.
1 Shape of flexible tube에서와 같이 변하였을 때 발생하는 압력손실(head)을 나타낸 것으로 형상에 곡면부가 1개, 2개 추가됨에 따라서 압력손실이 증가함을 알 수 있다. 압력손실의 크기는 case 1을 기점으로 하여 곡면부가 1개일 때에는 압력손실이 약 0.1 m 증가하고, 곡면부가 2개일 때에는 압력손실이 약 0.3 m 증가함을 보인다. 이를 통하여 유연관 형상 변화에 따라 발생하는 손실은 유연관 통과유량 증가에 따라 발생하는 손실 및 유연관 길이의 변화에 의해 발생하는 손실에 비해 그 크기가 미미함을 알 수 있다.
유량 150 m³/h에서 250 m³/h으로 유량이 증가함에 따라 1단 가이드베인에서의 2차흐름 발생이 감소하고 가이드베인 유로를 따라서 펌프 2단측으로 자연스럽게 흘러가는 것을 확인할 수 있다.
임펠러의 토크는 유량이 증가할수록 상승하는 것을 보인다. 유량이 150 m³/h, 250 m³/h인 경우에는 1단 임펠러의 토크보다 2단 임펠러의 토크가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있는데 유량이 50 m³/h인 경우에는 반대로 2단 임펠러의 토크가 더 작게 나타남을 확인할 수 있다.
압력은 음의 값도 포함하고 있는데 이는 경계 조건으로 입구에 유량조건을 출구에 대기압조건을 주었기 때문에 나타난 값으로, 이 값은 실질적인 값이 아니라 상대적인 비교값으로써만 의미가 있다. 이 그래프를 통해 임펠러를 지남에 따라서 압력이 단계적으로 상승함을 알 수 있으며, 유량이 증가함에 따라 2단 임펠러 출구에서 1단 임펠러 입구까지의 압력차는 감소함을 알 수 있다.
10은 1ㆍ2단 케이싱의 가이드베인 부근에서의 압력 분포를 나타낸 것이다. 전체적으로 임펠러 출구에서 흘러나온 흐름이 가이드베인 입구측 압력면에서 높은 압력을 나타내며, 출구측으로 갈수록 부압면측과 압력이 균등해짐을 알 수 있다. 이는 임펠러 토출유동의 원심력으로 인한 것으로 가이드베인 압력면에서 압력이 높게 나타나고 중심축에 가까운 부근에서 낮게 나타난다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 해양광물자원 이송용 펌프의 내부유동 및 유연관 형상변화에 따른 펌프성능 변화를 해석하여 펌프의 성능향상에 필요한 기본적인 자료를 확보하고, 성능개선을 위한 방법을 검토한 결과를 요약하시오.	1) 유량이 상대적으로 적을 때 가이드베인 압력면과 부압면의 압력차가 크게 나타나고, 임펠러 내부유로에서 순환흐름이 많이 발생함을 확인할 수 있으며, 이러한 유로내부에서의 큰 압력차는 주류의 방향과 일치하지 않는 2차흐름 등의 발생을 야기하여 유로내의 손실을 유발하고, 임펠러 내부에서의 순환흐름은 펌프 성능저하를 야기할 수 있다. 2) 유량이 50 m3/h에서 150 m3/h로 증가할 때 1단 임펠러에 걸리는 torque값은 약 4 Nm 증가하지만, 유량이 150 m3/h에서 250 m3/h로 증가할 때 토크는 약 29 Nm로 급격하게 증가함을 보인다. 3) 유연관에서 유량이 50 m3/h에서 150 m3/h로 증가함에 따라 압력손실은 수두로 약 8 m 이상 발생하고, 유연관 길이가 60 m에서 100 m로 길어지면 압력손실이 수두로 약 6 m정도 나타남을 확인할 수 있다. 또한 유연관 형상이 직선에서 곡면부가 1개, 2개 추가됨에 따라서 압력손실이 증가하는데 그 크기는 약 0.1 m, 0.3 m 로 유량이나 길이에 비해 그 크기가 상대적으로 미미함을 알 수 있다. 4) 유연관 길이가 변화함에 따라 펌프의 효율이 변화하는 것을 알 수 있으며, 길이가 60 m인 유연관을 부착한 경우 유량 150 m3/h일 때 최고 높은 효율을 보인다.
	본 연구에서 SST 난류모델 적용 시 해석은 어떠한 상용코드를 사용하였는가?	해석은 상용코드인 ANSYS CFX Ver.11을 사용하여 SST(Shear Stress Transport) 난류모델을 적용하였다. 계산영역 내 입구경계조건은 균일 유입조건을 주었으며, 출구 경계조건은 동일 압력조건을 부여하였다.
	본 논문의 수치해석방법에서 계산영역 내 입구경계조건은 어떻게 설정하였는가?	11을 사용하여 SST(Shear Stress Transport) 난류모델을 적용하였다. 계산영역 내 입구경계조건은 균일 유입조건을 주었으며, 출구 경계조건은 동일 압력조건을 부여하였다. 펌프 및 유연관의 성능을 분석하기 위해서 유연관 흡입부에 속도조건을 부여하였으며, 유연관 벽(wall)은 모두 점착조건으로 설정하였다.

참고문헌 (2)

Chi Ho Yoon, Dong Kil Lee, Yong Chan Park, Seok Ki Kwon, and Ou Kwang Kwon, “Flow characteristics of solid-liquid two-phase mixture in a flexible pipe”, The Korean society for geosystem engineering, Vol.6 No.1, 2003, pp. 7-12.

원문보기 상세보기
윤치호 외 4명, “근해역 채광용 양광펌프 및 유연관의 유동시험 연구” 한국지구시스템공학회지 Vol.44, No.4, 2007, pp.308-313

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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