[논문]실제기체 상태방정식을 적용한 열압축기 내부유동에 대한 수치해석

강위관; 최두열; 신지영; 김무근

doi:10.5916/jkosme.2011.35.2.216

초록
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열압축기는 고압 증기를 이용하여 저압 증기를 중간압으로 이송하는 일종의 이젝터이다. 이젝터에 대한 기존의 수치해석 연구는 대부분 작동유체를 이상기체로 취급하고 있으나 상변화가 발생하는 경우 이상기체 거동에서 크게 벗어날 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이상기체 상태방정식 대신 Redlich-Kwong 방정식을 적용하여 열압축기 내부 유동을 수치 해석하였고, realizable k-${\epsilon}$ 모델과 SST k-${\omega}$ 모델을 비교한 결과 SST k-${\omega}$ 모델이 shock diamond 패턴과 박리 및 난류경계층을 잘 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실제기체 상태방정식을 사용한 경우가 이상기체 상태방정식을 사용한 경우에 비해 상대적으로 디퓨저 입구 부분과 디퓨저 목부분에서 에너지 손실이 많은 것을 알 수 있었으며, 디퓨저 출구부분에서 shock train에 의한 압력상승은 상대적으로 적으나 pseudo shock에 의한 압력상승은동일한 것으로 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

TVC is a kind of ejector which entrains low pressure working fluid by using the high pressure working fluid. While most papers relating with ejectors treat the working fluid as an ideal gas for convenience, the fluid doesn't behave as the ideal gas when phase change occurs. In this study, numerical ...

TVC is a kind of ejector which entrains low pressure working fluid by using the high pressure working fluid. While most papers relating with ejectors treat the working fluid as an ideal gas for convenience, the fluid doesn't behave as the ideal gas when phase change occurs. In this study, numerical analysis is conducted by applying Redlich-Kwong equation of state instead of ideal gas equation of state. Two turbulent models are compared for the better prediction and SST k-${\omega}$ model is preferred rather than realizable k-${\epsilon}$ model by comparison. Energy loss at the diffuser inlet and throat using the real gas equation of state is relatively greater than that using ideal gas law. For the real gas case, pressure increase due to shock train at the diffuser outlet is relatively smaller than the ideal gas case, but both cases have the same pressure increase due to a pseudo shock.

주제어

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 우선 주어진 시스템에 대하여 선행연구에서 주로 사용한 realizable k- ε모델과 SST k- ω 모델을 적용하여 어느 모델이 실제유동을 보다 잘 예측하는 지 비교 분석하였다.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 우선 주어진 시스템에 대하여 선행연구에서 주로 사용한 realizable k- ε모델과 SST k- ω 모델을 적용하여 어느 모델이 실제유동을 보다 잘 예측하는 지 비교 분석하였다. TVC 출구와 입구의 경계조건은 Table 2에 정리한 바와 같이 상태방정식과 난류모델에 따라 구동증기와 흡입증기 모두 초크 유동이 되는 배압과 구동증기만 초크 유동으로 되는 배압으로 나누어서 설정하였다.
고효율의 안정적인 운전특성을 갖는 TVC를 설계하기 위해서는 성능실험을 통하여 설계인자를 찾아내는 것이 필수적이지만, 대형 실험 설비를 구현하는 것이 시간적, 경제적으로 매우 어렵기때문에, 시간과 비용을 절감하기 위하여 상용 프로그램인 FLUENT를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 해석 대상인 TVC의 사양은 Table 1과 같으며 Gambit 2.
본 연구에서는 TVC 내부의 수증기 거동을 보다 정확하게 파악하기 위해 Van der Waals 식에 기초한 Redlich-Kwong 상태방정식을 적용하고, 상용 프로그램인 FULENT를 이용한 수치해석을 수행하여, 실제 기체 상태 방정식을 사용한 경우와 이상 기체 상태방정식을 사용한 경우의 TVC의 작동 특성을 비교 분석하였다.
열압축기의 구동 조건에 따라 작동유체가 상변화하는 경우 작동유체를 이상기체로 보기 어렵기 때문에 실제기체 상태방정식인 Redlich-Kwong 방정식을 사용하여 다양한 경계조건에서 내부 유동을 수치 해석하여 비교, 분석하였다. 수치 해석한 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
따라서, 수치해석에 사용할 난류모델로 SST k- ω 모델을 선정하였고. 이를 이용하여 상태방정식에 따른 유동 특성의 차이를 비교 분석하였다.

대상 데이터

고효율의 안정적인 운전특성을 갖는 TVC를 설계하기 위해서는 성능실험을 통하여 설계인자를 찾아내는 것이 필수적이지만, 대형 실험 설비를 구현하는 것이 시간적, 경제적으로 매우 어렵기때문에, 시간과 비용을 절감하기 위하여 상용 프로그램인 FLUENT를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 해석 대상인 TVC의 사양은 Table 1과 같으며 Gambit 2.3.16을 이용하여 약 25,000개의 격자를 생성하였고, 특히 강한 전단력 혹은 충격파가 발생할 것으로 예상되는 부분에 격자를 집중 배치 하였다.

이론/모형

따라서, 수치해석에 사용할 난류모델로 SST k- ω 모델을 선정하였고.
앞에서 언급한 바와 같이 이상기체 상태방정식의 결과와 비교 분석하기 위해 실제기체 상태방정식으로 Redlich-Kwong 방정식을 채택하였다.

성능/효과

선행 연구에서 검증된 realizable-k- ε 모델과 SST k- ω 모델을 비교해 본 결과 SST k- ω모델이 상대적으로 shock diamond 패턴과 박리 및 난류경계층을 잘 예측하는 것을 확인할 수 있었다.
2에서 수직 충격파가 생성되어 후단에 다수의 충격파가 생성되지만 Case Ⅱ-A에 비해 상대적으로 ST의 발생 영역이 짧은 것을 볼 수가 있다. 특별히 아음속 디퓨져 영역에서 4가지 경우를 비교해 보면 3가지 경우는 최초의 수직 충격파 이후 유속이 아음속 이상이었지만 Ⅶ-A의 경우는 최초의 충격파 이후 바로 아음속으로 감소함을 알 수 있고, 그 결과 마하수 약 1.6에서 수직 충격파가 하나만 생성된 것을 알 수 있다.[10]

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열압축기는 무엇인가?	열압축기는 고압 증기를 이용하여 저압 증기를 중간압으로 이송하는 일종의 이젝터이다. 이젝터에 대한 기존의 수치해석 연구는 대부분 작동유체를 이상기체로 취급하고 있으나 상변화가 발생하는 경우 이상기체 거동에서 크게 벗어날 수 있다.
	담수화기술은 어떻게 구분되는가?	담수화기술은 크게 상변화(phase change)의 유무에 따라서 증발법과 역삼투법(reverse osmosis)으로 구분한다. 이중에서 증발법에 의한 생산량이전 세계 담수 생산량의 75% 이상을 차지하고 있으며, 2005년 이전에 설치된 대부분의 증발식 담수 설비는 다단 플래쉬(multi-stage flash; MSF)방식이다.
	Redlich-Kwong 방정식을 사용하여 다양한 경계조건에서 내부 유동을 수치 해석한 결과는?	선행 연구에서 검증된 realizable-k- ε 모델과 SST k- ω 모델을 비교해 본 결과 SST k- ω모델이 상대적으로 shock diamond 패턴과 박리 및 난류경계층을 잘 예측하는 것을 확인할 수 있었다. 구동 조건이 동일한 경우에 실제기체 상태방정식을 사용한 경우가 이상기체 상태방정식을 사용한 경우에 비해 상대적으로 디퓨저 입구 부분과 디퓨저 목부분에서 에너지 손실이 많았다. 디퓨저 출구 부분에서 shock train에 의한 압력상승은 상대적으로 적으나 의사충격파에 의한 압력상승은 동일하게 나타났다. 실제기체 상태방정식을 사용한 경우 디퓨저 목에서 후단의 역압력 구배를 이겨낼 정도의 운동에너지가 이상기체 상태방정식을 사용한 경우보다 적기 때문에 낮은 압력에서 임계압력 지점이 생성되는 것으로 판단된다.

참고문헌 (12)

UN water, "Coping with water scarcity, A strategic issue and priority system wide action", August 2006.
T. Ueda., "On the performance characteristics of steam ejectors", Japan Society of Mechanical Engineers, vol. 4, no. 13, pp. 124-130, 1961.
K. Matsuo, K. Sasaguchi, K. Tasaki and H. Mochizuki, "Investigation of supersonic air ejectors, Part 1. Perpormance in the case of zerosSecondary flow", Bulletin of the JSME, Series B, vol. 24, no. 198, pp. 2090-2097, 1981.
K. Matsuo, K. Sasaguchi, K. Tasaki and H. Mochizuki, "Investigation of supersonic air ejectors, Part 2. Effects of throat-area-ratio on ejector performance", Bulletin of the JSME, Series B, vol. 25, no. 210, pp. 1898-1905, 1982.
Amel Hemidi, Francois Henry, Sebastien Leclaire, Jean-Marie Seynhaeve, and Yann Bartosiewicz, "CFD analysis of a supersonic air ejector. Part I: Experimental validation of single-phase and twophase operation", Applied Thermal Engineering, vol. 29, pp. 1523-1531, 2009.

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Amel Hemidi, Francois Henry, Sebastien Leclaire, Jean-Marie Seynhaeve, and Yann Bartosiewicz, "CFD analysis of a supersonic air ejector. Part II: Relation between global operation and local flow features", Applied Thermal Engineering, vol. 29, pp. 2990-2998, 2009.

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T. Sriveerakul, S. Aphornratana, and K. Chunnanond, "Performance prediction of steam ejector using computational fluid dynamics: Part 1. validation of the CFD results", International Journal of Thermal Sciences, vol. 46, pp. 812-822, 2007.

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T. Sriveerakul, S. Aphornratana, and K. Chunnanond, "Performance prediction of steam ejector using computational fluid dynamics. Part 2. flow structure of a steam ejector influenced by operating pressures and geometries", International Journal of Thermal Sciences, vol. 46, pp. 823-833, 2007.

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K. Pianthong, W. Seehanam, M. Behnia, T. Sriveerakul, and S. Aphornratana, "Investigation and improvement of ejector refrigeration system using computational fluid dynamics technique", Energy Conversion and Management, vol. 48, pp. 2556-2564, 2007.

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K. Matsuo, Y. Miyazato, and Heuy-Dong Kim, "Shock train and pseudo- shock phenomena in internal gas flows", Progress in Aerospace Sciences, vol. 35, pp. 33-100, 1999.

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Y. Bartosiewicz, Zine Aidoun, P. Desevaux, Yves Mercadier, "Numerical and experimental investigations on supersonic ejectors," International Journal of heat and mass transfer, vol. 26, pp. 56-70, 2005.
P. Desevaux., "A method for visualizing the mixing zone between two co-axial flows in an ejector", Optics and Lasers in engineering, vol. 35, pp. 317-323, 2001.

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