수치해석을 이용한 담수장치용 이젝터의 노즐위치 변화에 따른 이젝터 유동특성 연구 CFD Analysis on the Flow Characteristics of Ejector According to the Position Changes of Driving Nozzle for F.W.G원문보기
In this study, the ejector design was modeled using Fluent 6.3 of FVM(Finite Volume Method) CFD(Computational Fluid Dynamics) techniques to resolve the flow dynamics in the ejector. A vacuum system with the ejector has been widely used because of its simple construction and easy maintenance. Ejector...
In this study, the ejector design was modeled using Fluent 6.3 of FVM(Finite Volume Method) CFD(Computational Fluid Dynamics) techniques to resolve the flow dynamics in the ejector. A vacuum system with the ejector has been widely used because of its simple construction and easy maintenance. Ejector is the main part of the desalination system, of which designs determine the efficiency of system. The effects of the ejector was investigated geometry and the operating conditions in the hydraulic characteristics. The ejector consists mainly of a nozzle, suction chamber, mixing tube (throat), diffuser and draft tube. Liquid is supplied to the ejector nozzle, the fast liquid jet produced by the nozzle entrains and the non condensable gas was sucked into the mixing tube. The multiphase CFD modeling was carried out to determine the hydrodynamic characteristics of seawater-air ejector. Condition of the simulation was varied in entrance mass flow rate (1kg/s, 1.5kg/s, 2kg/s, 2.5kg/s, 3kg/s), and position of driving nozzle was located from the central axis of the suction at -10mm, 0mm, 10mm, 20mm, 30mm.. Asaresult, suction flow velocity has the highest value in central axis of the suction.
In this study, the ejector design was modeled using Fluent 6.3 of FVM(Finite Volume Method) CFD(Computational Fluid Dynamics) techniques to resolve the flow dynamics in the ejector. A vacuum system with the ejector has been widely used because of its simple construction and easy maintenance. Ejector is the main part of the desalination system, of which designs determine the efficiency of system. The effects of the ejector was investigated geometry and the operating conditions in the hydraulic characteristics. The ejector consists mainly of a nozzle, suction chamber, mixing tube (throat), diffuser and draft tube. Liquid is supplied to the ejector nozzle, the fast liquid jet produced by the nozzle entrains and the non condensable gas was sucked into the mixing tube. The multiphase CFD modeling was carried out to determine the hydrodynamic characteristics of seawater-air ejector. Condition of the simulation was varied in entrance mass flow rate (1kg/s, 1.5kg/s, 2kg/s, 2.5kg/s, 3kg/s), and position of driving nozzle was located from the central axis of the suction at -10mm, 0mm, 10mm, 20mm, 30mm.. Asaresult, suction flow velocity has the highest value in central axis of the suction.
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문제 정의
본 연구에서는 Fluent를 이용하여 담수장치에 사용되는 물-가스 이젝터에 대해 흡입부와 노즐 위치에 따른 이젝터 내의 유동특성을 파악하기 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 담수장치에 사용되는 이젝터에 대해서 노즐위치가 이젝터의 구동특성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 상용코드인 Fluent를 이용한 CFD(Computational Fluid Dynamics) 해석을 수행하였으며, 다양한 노즐의 위치에 따른 흡입 유체의 속도와 압력변화에 미치는 영향을 분석하였다.
가설 설정
본 연구에서 유동은 정상상태 비압축성 유동으로 가정하였고 단열과정으로 외부와의 열교환은 없으며 내부 벽면에서의 마찰은 고려하지 않았다. 난류 모델로서는 k-ε 난류 모델을 적용하였다.
제안 방법
표 1은 이젝터의 주요부 치수를 나타낸 것이다. 3㎥/day 용량의 담수기에 사용되고 있는 실제 이젝터 치수를 사용하였으며, 흡입부 중심축으로부터 노즐 끝단의 위치를 -10, 0, 10, 20, 30mm로 5가지 타입의 이젝터를 해석 모델로 정하였다.
격자는 사각형 격자인 Quad-map을 이용하여 약 80,000∼100,000개의 격자를 생성하였고, 유속변화가 예상되는 부위와 기체와 액체의 경계로 예상되는 부위에 조밀하게 격자를 구성하였다.
노즐 위치가 이젝터의 성능변화에 미치는 영향을 알아보기 위하여 노즐의 위치를 흡입부 (2차, 3차측 유동부)중심축을 기준으로 -10,0, 10, 20, 30mm로 노즐끝단의 위치를 변경시켜 각 경우마다 기하학적 구조와 격자를 설정하였다. 그림 3은 각각의 혼합부와 노즐의 위치를 나타낸 것이다.
본 연구에서는 일일 3m3/day급 담수장치에서 사용되는 액체-가스 이젝터에서 혼합부와 노즐 끝단의 위치에 따른 이젝터의 구동특성 파악을 위해 Fluent를 이용하여 분석하였으며, 결론은 다음과 같다.
표 2, 3은 해석에 필요한 기본 물성치 및 경계조건을 나타낸 것이다. 흡입조건은 대기압으로 설정을 하여 이젝터 구동 시 흡입되는 속도와 압력변화를 해석하였다.
대상 데이터
격자는 사각형 격자인 Quad-map을 이용하여 약 80,000∼100,000개의 격자를 생성하였고, 유속변화가 예상되는 부위와 기체와 액체의 경계로 예상되는 부위에 조밀하게 격자를 구성하였다. 본 연구에서 사용된 이젝터의 형상은 일일 3㎥/day 해수담수화 장치에 실제 사용되는 이젝터이다.
이론/모형
난류 모델로서는 k-ε 난류 모델을 적용하였다.
본 연구에서 해석한 이젝터는 액체-가스(불 응축)이젝터로서 구동유체는 물(해수), 흡입 유체는 물(해수)과 공기로 하여 Two-phase 모델을 사용하였다.
성능/효과
(1) 노즐 위치에 따른 흡입 가스의 유속을 보면 노즐 위치가 흡입부 중심에 위치할 때 2차 측 유체의 흡입부 평균 유속은 구동 유체 유량이 3kg/s 일 때 59.94m/s로 가장 크게 나타났고, 3차 측 유체의 흡입부도 65.61m/s로 가장 높게 나타났다.
(2) 노즐의 끝단이 흡입부 중심축과 가까울수록 고압의 구동유체가 노즐을 통과하면서 만들어지는 음압의 크기는 증가하는 것으로 나타났다.
그림 5는 흡입부 중심부에서 노즐끝단의 거리에 따른 2차 측 유체의 흡입 속도를 구동 유량에 따라 나타낸 것이다. 2차 측 유체 흡입부의 유속은 노즐의 끝단이 흡입부 중심축에 위치할 경우 구동유량이 3kg/s 일 때 59.94m/s로 가장 높게 나타났으며, 노즐의 끝단이 흡입부 중심축으로부터 디퓨저 입구 쪽으로 30mm 이동할 경우 50.82 m/s로 Secondary fluid 흡입부의 평균 유속이 감소하는 것으로 나타났다. 구동 유체의 유량이 0.
그림 6은 흡입부 중심부에서 노즐끝단의 거리에 따른 3차 측 유체의 평균 유속을 나타낸 것이다. 2차 측 유체의 평균 유속과 마찬 가지로 3차 측 유체 흡입부의 유속도 노즐의 위치가 흡입부의 중심축에 위치하면 흡입부의 평균 유속이 증가하는 것으로 나타났다. 흡입부의 중심축에 노즐 끝단이 위치할 때 3차측 유체 흡입부의 평균 유속은 구동 유체의 유량이 3kg/s 일 때 65.
2차 측 유체의 평균 유속과 마찬 가지로 3차 측 유체 흡입부의 유속도 노즐의 위치가 흡입부의 중심축에 위치하면 흡입부의 평균 유속이 증가하는 것으로 나타났다. 흡입부의 중심축에 노즐 끝단이 위치할 때 3차측 유체 흡입부의 평균 유속은 구동 유체의 유량이 3kg/s 일 때 65.61m/s 으로 가장 높게 나타났으며, 흡입부의 중심축으로부터 디퓨저 입구 쪽으로 30mm에 위치하였을 경우 52.46m/s로 가장 낮게 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이젝터는 어떻게 구성되는가?
일반적으로 이젝터는 유체를 고속으로 분사하는 노즐과 저압의 유체가 들어오는 흡인실, 구동유체와 흡인유체의 운동량 교환이 이루어지는 혼합부, 속도에너지의 일부를 압력 에너지로 변환함으로써 토출을 가능하게 하는 디퓨저로 크게 구성되어 있다. 그리고 이 젝터는 분사유체의 종류에 따라 흔히 증기 이젝터, 액체-가스 이젝터와 액체-액체 이젝터 로 분류되는데, 증기를 구동으로 하는 이젝터는 여러 산업의 공정과정에서 흡수, 혼합, 진공, 동결건조,탈수 등의 목적으로 널리 이용 되고 있다.
혼합부와 노즐 끝단의 위치에 따른 이젝터의 구동특성 파악을 위해 Fluent를 이용하여 분석한 결론은 어떠한가?
(1) 노즐 위치에 따른 흡입 가스의 유속을 보면 노즐 위치가 흡입부 중심에 위치할 때 2차 측 유체의 흡입부 평균 유속은 구동 유체 유량이 3kg/s일 때 59.94m/s로 가장 크게 나타났고,3차 측 유체의 흡입부도 65.61m/s로 가장 높게 나타났다.
(2) 노즐의 끝단이 흡입부 중심축과 가까울수록 고압의 구동유체가 노즐을 통과하면서 만들어지는 음압의 크기는 증가하는 것으로 나타났다.
이젝터의 작동원리는 무엇인가?
그림 1은 이젝터 내부의 유동현상 이해를 위해 본 연구에서 사용된 이젝터를 유동구역 별로 나타내었다. 이젝터의 작동원리는 고압의 구동유체(Motivefluid)가 노즐을 통과하면서 속도 에너지를 증가하고 압력 에너지는 감소하게 된다.
참고문헌 (5)
Fluegel, G., 1939, Berechnung von strahlapparaten, VDI Forschungsheft 395 Ausgabe B Band 10.
Witte, J.H., 1965, Efficiency and design of liquid-gas ejector, British chemical engineering, Vol. 10, No. 9, pp. 602-607.
지명국 외, 2008, 공기구동 이젝터의 노즐형상과 위치 변화에 따른 성능특성, 한국마린엔지니어링학회지, Vol. 32, No. 4, pp. 550-556.
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