선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 안전밸브에 대한 유동해석을 통해 밸브 내부에 발생하는 압축성 유동현상을 고찰하였고, 밸브의 양정 변화가 유출계수에 미치는 영향을 분석하여 LNG 및 LNG-FPSO 용 안전밸브 설계 시선급 인증에서 요구되는 유출계수를 확보하기 위한 양정의 한계 값을 제시하였다. 또한 실험과 해석에 의한 유출계수를 비교하여 유동해석의 타당성을 검증하였으며, 안전밸브를 지나는 공기의 질량유량을 예측하기 위한 유동해석 모델을 확립하였다.
가설 설정
- 난류 모델로는 SST 표준모델을 사용하였으며, 작동유체는 실험에서 사용되는 공기를 이상기체로 가정하여 이상기체 공기를 적용하였다.
제안 방법
- 열 전달 효과를 고려한다면 해석과 실험의 오차를 줄일 수 있어 보다 더 정확한 해석결과를 얻을 수 있을 것이나, 본 논문에서는 실제 외부온도와 밸브 내부를 지나는 공기의 온도 차가 10℃ 미만으로 밸브의 재질과 두께를 고려하여 열 전달 효과를 무시하였다. 그리고 수렴조건으로는 잔류 항이 10-5 이하가 될 때까지 반복계산을 수행하였다.
- 본 연구에서는 안전밸브에 대한 유동해석을 통해 밸브 내부에 발생하는 압축성 유동현상을 고찰하였고, 밸브의 양정 변화가 유출계수에 미치는 영향을 분석하여 LNG 및 LNG-FPSO 용 안전밸브 설계 시선급 인증에서 요구되는 유출계수를 확보하기 위한 양정의 한계 값을 제시하였다. 또한 실험과 해석에 의한 유출계수를 비교하여 유동해석의 타당성을 검증하였으며, 안전밸브를 지나는 공기의 질량유량을 예측하기 위한 유동해석 모델을 확립하였다.
- 먼저 유동해석의 신뢰성을 검증하기 위해 양정을 실험에서와 동일한 10.5mm 로 고정하고 Table 1 의 모든 실험조건에 대한 정상상태 유동해석을 수행하였다. 이후에 노즐 출구 면과 디스크 판 사이에 형성되는 유로면적을 변화시켜 양정에 따른 유동특성과 유출계수의 변화양상을 확인하기 위해 양정을 1.
- 밸브 유동해석에 적용된 경계조건으로는 노즐과 연결된 배관 상류의 정체실 입구에 입구압력 및 온도조건을 적용하였고, 출구에는 출구압력 조건을 적용하였으며, 밸브 내부의 벽면을 구성하는 모든 면에는 단열 No-slip 조건을 적용하였다. 열 전달 효과를 고려한다면 해석과 실험의 오차를 줄일 수 있어 보다 더 정확한 해석결과를 얻을 수 있을 것이나, 본 논문에서는 실제 외부온도와 밸브 내부를 지나는 공기의 온도 차가 10℃ 미만으로 밸브의 재질과 두께를 고려하여 열 전달 효과를 무시하였다.
- 본 연구에서는 LNG 및 LBG-FPSO 선박에 사용되는 안전밸브의 내부 유동특성과 밸브 유출계수를 실험 및 CFD 해석방법으로 분석하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 고압 저장용기의 압축공기는 2 단계에 걸쳐서 압력이 조정된 후에 저장용 압력용기로 유입되어 일정한 실험 압력으로 유지된다. 본 연구에서는 실험압력의 초기 값으로 안전밸브 입구 압력을 0.5MPa 게이지압력으로 설정하였다. 이후 표준시스템에 설치된 초음속 노즐의 압력을 안전밸브 설정압력보다 10% 큰 허용과부하 압력(allowable over pressure)까지 증가시킨 후 밸브의 질량유량, 압력, 온도가 정상상태에 도달한다음 20 개의 데이터를 약 20 초에 거쳐 기록하였다.
- 7에 나타내었다. 약 21 만개의 격자 점이 사용되었으며, 해석의 정확도를 높이기 위해 내부 유동공간을 3 차원으로 모델링 하였다. 유동이 초크하는 노즐 목과 경계층 유동이 발달하는 밸브 벽면에 상대적으로 조밀한 격자를 생성하였다.
- 밸브 유동해석에 적용된 경계조건으로는 노즐과 연결된 배관 상류의 정체실 입구에 입구압력 및 온도조건을 적용하였고, 출구에는 출구압력 조건을 적용하였으며, 밸브 내부의 벽면을 구성하는 모든 면에는 단열 No-slip 조건을 적용하였다. 열 전달 효과를 고려한다면 해석과 실험의 오차를 줄일 수 있어 보다 더 정확한 해석결과를 얻을 수 있을 것이나, 본 논문에서는 실제 외부온도와 밸브 내부를 지나는 공기의 온도 차가 10℃ 미만으로 밸브의 재질과 두께를 고려하여 열 전달 효과를 무시하였다. 그리고 수렴조건으로는 잔류 항이 10-5 이하가 될 때까지 반복계산을 수행하였다.
- 이후 표준시스템에 설치된 초음속 노즐의 압력을 안전밸브 설정압력보다 10% 큰 허용과부하 압력(allowable over pressure)까지 증가시킨 후 밸브의 질량유량, 압력, 온도가 정상상태에 도달한다음 20 개의 데이터를 약 20 초에 거쳐 기록하였다. 이 데이터 값을 이용하여 밸브 입구의 평균압력, 평균온도, 평균유량 및 밸브의 유출계수를 구하였다. 밸브 입 · 출구 직경이 각각 25.
- 이를 통해 LNG 및 LNG-FPSO 선박용 안전밸브를 지나는 공기의 질량유량을 예측하는 유동해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 5mm 로 고정하고 Table 1 의 모든 실험조건에 대한 정상상태 유동해석을 수행하였다. 이후에 노즐 출구 면과 디스크 판 사이에 형성되는 유로면적을 변화시켜 양정에 따른 유동특성과 유출계수의 변화양상을 확인하기 위해 양정을 1.5mm 에서 9.5mm 까지 1.0mm 간격으로 변화시켰다. 이 경우 정체실 입구의 전압은 절대압력 기준으로 밸브의 허용과부하 압력인 1201.
대상 데이터
- Fig. 2 와 같이 안전밸브는 노즐과 디스크를 포함하여 총 13 개의 부품으로 구성되어 있으며, 압축성 유동의 대표적인 현상인 초킹(choking)을 이용한 밸브로서 내부에 설치된 초음속 노즐 상·하류의 압력비가 일정한 값에 도달하면 하류의 압력에 상관없이 항상 일정한 유량이 노즐을 통해 유동하게 되는 특징을 가진다.
- 밸브 입·출구 직경이 각각 25.4mm, 50mm 이고, 노즐 목 직경은 19.0mm, 양정은 10.5mm 이며, 설정압력은 1.0MPa 인 안전밸브에 대하여 실험이 수행되었다.
- 본 연구에 사용된 실험장치는 한국표준과학연구원에 설치되어 있는 고압가스 유량 표준 시스템으로 개략도가 Fig. 4 에 표시되어 있다.
- 5MPa 게이지압력으로 설정하였다. 이후 표준시스템에 설치된 초음속 노즐의 압력을 안전밸브 설정압력보다 10% 큰 허용과부하 압력(allowable over pressure)까지 증가시킨 후 밸브의 질량유량, 압력, 온도가 정상상태에 도달한다음 20 개의 데이터를 약 20 초에 거쳐 기록하였다. 이 데이터 값을 이용하여 밸브 입구의 평균압력, 평균온도, 평균유량 및 밸브의 유출계수를 구하였다.
데이터처리
- 안전밸브의 작동 압력 비와 양정에 따른 유동 특성 및 유출계수 변화에 대한 해석을 수행하기 위하여 유체기계 내부 유동과 성능해석에서 비교적 양호한 해석결과를 보이는 것으로 알려진 상용코드 ANSYS CFX 11.0(8)를 이용하였다.
성능/효과
- (1) 밸브 유출계수 실험과 CFD 해석기법에 의한 유출계수 결과를 비교한 결과 실험 값을 기준으로 최대 오차율 3.58%를 나타내었다.
- (2) 노즐 상류의 정체실 압력이 1201.3kPa과 3731.3kPa 일 때, 노즐 출구 면과 디스크 판 사이의 거리 즉, 양정이 4.5mm 이하의 조건에서는 디스크 판의 영향으로 인해 노즐 출구에서 유동의 팽창이 억제되어 디스크 판 하부에 충격파가 발생하지 않았으며, 디스크 판을 벗어나는 지점에서 초음속으로 변화되어 출구로 방출됨을 관찰할 수 있었다.
- (3) 각각의 정체실 압력에 대하여 양정이 5.5mm이상이면 초음속 유동이 발생하여 디스크 판 하부에 활형 충격파가 형성되었고, 양정이 길어질수록 충격파의 강도는 증가하였다.
- (4) 밸브 유출계수의 경우, 노즐 상류의 정체실 압력에 상관없이 양정 5.5mm 이상에서 약 0.96 의 일정한 값을 가졌으며, 따라서 밸브의 설정압력이 1100kPa과 3630kPa 이고 노즐 목의 직경이 19.0mm를 가지는 안전밸브의 경우 선급의 인정을 받기 위한 양정의 한계 값은 5.5mm 임을 알 수 있었다.
- 3kPa 이하의 조건에서는 전압에 따른 유출계수의 변화를 무시해도 무방할 것으로 판단된다. 결론적으로 노즐 상류의 설정압력이 1100kPa 과 3630kPa 이고 노즐 목의 직경이 19.0mm 인 LNG 및 LNG-FPSO 선박용 안전밸브의 경우에 선급 인정을 받기 위한유출계수의 값인 0.8 이상을 만족시키기 위해서는 Fig. 8 의 최대 오차율을 반영하여 유동해석에 의한 유출계수 값이 0.829 이상이 되어야 함을 알 수 있다. 즉, 유출계수를 만족시키기 위한 최소 양정이 5.
- 충격파 발생위치의 경우 정체실 압력에 상관없이 거의 동일한 위치임을 확인 할 수 있었다. 그리고 유동이 노즐 확대 부에서 팽창파를 지나면서 마하 수는 증가하고 압력은 감소함을 확인할 수 있었다.
- 노즐 상류에 위치한 정체실의 전압이 1201.3kPa과 3731.3kPa 의 두 가지 경우 모두 양정이 5.5mm 이상일 때 유동은 노즐 입구에서부터 노즐 목까지 팽창하여 점차 가속된 후 노즐 목에서 초크하는 현상을 보이고, 노즐 확대 부에서 부족 팽창하여 압력이 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 디스크 판에 의해 충격파가 형성되어 압력이 급격하게 증가하고 있음을 알 수 있다. 또한, 노즐 상류 정체실의 전압이 증가하여도 충격파의 발생위치가 거의 변하지 않음을 알 수 있으며, 디스크 판 하부의 국소 정압 크기를 통해 양정이 증가할 수록 충격파의 강도가 증가하여 디스크 판 중심의 압력이 낮아지는 경향을 확인할 수 있다.
- 96 으로 일정하게 유지되고 있음을 알 수 있다. 노즐 상류의 전압이 증가함에 따라 유출계수도 미소하게 증가하는 경향을 보이고 있지만 가장 큰 차이를 보이는 양정 4.5mm에서 약 0.01%로 3731.3kPa 이하의 조건에서는 전압에 따른 유출계수의 변화를 무시해도 무방할 것으로 판단된다. 결론적으로 노즐 상류의 설정압력이 1100kPa 과 3630kPa 이고 노즐 목의 직경이 19.
- 또한, 노즐 상류 정체실의 전압이 증가하여도 충격파의 발생위치가 거의 변하지 않음을 알 수 있으며, 디스크 판 하부의 국소 정압 크기를 통해 양정이 증가할 수록 충격파의 강도가 증가하여 디스크 판 중심의 압력이 낮아지는 경향을 확인할 수 있다.
- 실험에 의한 유출계수가 유동해석 결과보다 작은 경향을 보이는데 이것은 실제 유동에 있어 해석에서 고려하지 않은 이상기체와 실제기체의 상태방정식 및 비열 비의 차이, 밸브 벽면을 통한 열 전달 등의 영향에 기인한 것으로 판단된다. 오차율의 경우 유동해석 결과를 기준으로 약 3.58% 이내의 차이를 보이며, 이를 통해 안전밸브를 지나는 공기의 질량유량을 예측하는데 있어서 본 연구에서 사용된 유동해석 기법이 타당함을 알 수 있다.
후속연구
- 은 임계음속 노즐의 입구형상이 유출계수에 미치는 영향을 분석하여 입구 곡률반경과 입구 길이가 같을 때 유출계수가 가장 크다는 연구내용을 보고한바 있다. 이와 같이 대부분의 연구가 초음속 노즐 자체의 유동특성 및 유출계수에 초점이 맞추어져 있는 것을 알 수 있으며, 안전밸브 내부의 유동 공간을 동시에 고려하여 초음속 노즐의 유동특성 및 유출계수를 연구한 사례가 미흡하기 때문에 안전밸브의 운전 범위와 내부 유동공간을 고려한 체계적인 연구가 요구된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.