[논문]접촉한 두 평면과 균열한 틈새에서의 유동마찰계수 비교

남호윤; 최병해; 김종범; 이용범

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.10.1075

접촉한 두 평면과 균열한 틈새에서의 유동마찰계수 비교
Comparison of the Friction-Loss Coefficient for the Gap of Two Contact Surfaces and a Crack 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.10 = no.313, 2011년, pp.1075 - 1081

남호윤 (한국원자력연구원) , 최병해 (한국원자력연구원) , 김종범 (한국원자력연구원) , 이용범 (한국원자력연구원)

초록
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이중벽관 증기발생기에서 전열관의 내관과 외관 사이의 틈새에 채워진 헬륨가스의 압력변동으로 전열관의 파손을 감지하는 방법이 개발되고 있다. 이 현상을 모사하기 위해 압력으로 밀착된 두 평판사이의 미세한 틈새에서의 누설률을 측정하여 실험식을 개발하였다. 이 실험식에서는 틈새의 간격과 유동마찰계수가 표면조도에 의해 상호 결합된 형태로 기술되는데, 간단한 평판접촉 모델을 사용하여 유동마찰계수 식을 분리하였다. 이 실험식과 균열에서의 누설률 예측에 사용되고 있는 기존의 유동마찰계수 관련 실험식들을 상호 비교하였다. 레이놀즈 수의 적용범위가 상이함에도 불구하고 개발한 실험식이 0.1~0.35 에서는 레이놀즈 수가 높은 경우에 적용되는 실험식들과 유사한 값을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A leak-detection method has been developed by measuring the pressure variation between the inner and outer heattransfer tubes of a double-wall tube steam generator. An experiment was carried out to measure the leak rate in the gap between two surfaces pressed with a hydraulic press in order to simulate the phenomena, and a correlation was determined for the leak rate in a micro gap. However, in the correlation, the gap width and friction coefficient were coupled with the surface roughness, which affects the two parameters. The two parameters were separated using a surface-contact model to develop a correlation for the friction coefficient. The correlation was compared with the existing correlations used for crack analysis. Although the applied ranges of Reynolds numbers were different, the developed correlation for Reynolds numbers of 0.1.0.35 showed similar tendencies to existing correlations used for higher Reynolds numbers.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 논문에서는 이중벽관에서의 누설률을 모사하기 위해 가압되는 두 개의 맞붙은 평판의 틈새에서 누설되는 헬륨가스의 양을 측정하였다. 실험인자는 인발 시에 가해지는 압력을 모사한 초기압력, 잔류응력을 모사하는 접촉압력, 평판의 표면조도 및 레이놀즈수이다.

가설 설정

이다. 그러나 꼭지점과 골이 만날 확률도 있으므로 실제의 넓이는 이 넓이의 1/2 로 가정하였다. 즉, A_F =εS_m 이다.

제안 방법

실험인자는 인발 시에 가해지는 압력을 모사한 초기압력, 잔류응력을 모사하는 접촉압력, 평판의 표면조도 및 레이놀즈수이다. 미세한 틈새에서의 유동마찰계수를 기술하는 실험식을 개발하여 기존의 균열 문제에서 적용되었던 실험식들과 비교하였다.
설정한 표면조도를 갖는 시편을 고압 유압계를 사용하여 설정한 초기압력으로 15 분 이상 가압한 후에 누설이 정상상태에 도달하면 저압 유압계로 교체하였다. 저압 유압계로 시편을 설정한 접촉압력으로 가압한 후에 헬륨가스의 압력을 변화시키면서 누설률을 측정하였다.
시편을 가공한 후에 접촉면을 연마하고, 시편의 평면성을 조사하기 위하여 253MPa 로 압착한 상태에서 헬륨가스로 2MPa 압력을 가하면서 누설률을 측정하였다. 이 시험에서 누설률이 0.
시편의 내경은 11mm, 외경은 25mm 이다. 시편의 지지대는 고강도 재질인 SK11 강으로 만든 후에 열처리하여 강도를 높였다.
05~24MPa 범위에서 5 번 설정치를 변화시키면서 측정하였다. 유량을 변화시키기 위하여 헬륨가스의 압력을 0.1~2.1 MPa 범위에서 5 번 설정치를 바꾸었다. 이 실험에서 틈새의 수력직경으로 정의된 레이놀즈수의 범위는 0.
시편을 가공한 후에 접촉면을 연마하고, 시편의 평면성을 조사하기 위하여 253MPa 로 압착한 상태에서 헬륨가스로 2MPa 압력을 가하면서 누설률을 측정하였다. 이 시험에서 누설률이 0.01cc/s 이하인 시편을 선택하여 Blast 방법으로 시편의 표면을 설정한 표면조도로 가공하였다.
이 실험에서는 표면조도, 초기압력, 접촉압력을 처음 설정한 값으로 유지한 상태에서 헬륨가스의 압력을 조절하여 유량을 각각 5 번 변화시키면서 차압(dP=Po-P∞)과 질량유량을 측정하였다.
설정한 표면조도를 갖는 시편을 고압 유압계를 사용하여 설정한 초기압력으로 15 분 이상 가압한 후에 누설이 정상상태에 도달하면 저압 유압계로 교체하였다. 저압 유압계로 시편을 설정한 접촉압력으로 가압한 후에 헬륨가스의 압력을 변화시키면서 누설률을 측정하였다. 접촉압력을 변화시킬 때마다 질량유량계의 영점을 보정하였다.
25µm 범위에서 제작하여 사용하였다. 초기압력은 0~531MPa 범위에서 6~10 번 바꾸었고, 접촉압력은 5.05~24MPa 범위에서 5 번 설정치를 변화시키면서 측정하였다. 유량을 변화시키기 위하여 헬륨가스의 압력을 0.
표면조도가 적은 두 평판이 외압으로 밀착된 틈새에서의 누설률을 예측하는 실험식을 개발하였고, 이 실험식을 평판접촉 모델을 사용하여 유동마찰계수에 관한 실험식을 개발하였다. 실험범위에서 비교한 결과, 개발한 실험식은 낮은 레이놀즈수에 적용되는 실험식들보다 낮은 값을 나타내지만, 레이놀즈수의 적용범위가 다름에도 불구하고 0.
1 은 이중벽관의 형상이다. 헬륨가스의 유동이 용이하도록 외관의 내벽에 길이방향으로 폭과 높이가 각각 1mm, 0.3mm 정도인 4 개의 홈을 설치하고, 각 전열관의 하부에서 이 홈들이 서로 연결되는 플레넘을 만들어 압력을 측정한다. 홈과 홈 사이에서 내관 또는 외관이 파손되어 증기 또는 헬륨가스가 누설할 경우에, 내관과 외관의 틈새를 통과한 후에 홈에 들어가고 다시 플레넘으로 흐르게 된다.
2 에 보이는 것과 같이 두 개의 환형 평판을 마주 붙인 상태에서 유압기로 밀착시켰다. 홈이 형성된 내부에 헬륨가스를 주입하고 틈새로 누설되는 헬륨가스의 양을 측정하였다. 시편은 증기발생기의 전열관으로 사용되는 재질인 9Cr-1Mo-V 강으로 제작하였다.

대상 데이터

홈이 형성된 내부에 헬륨가스를 주입하고 틈새로 누설되는 헬륨가스의 양을 측정하였다. 시편은 증기발생기의 전열관으로 사용되는 재질인 9Cr-1Mo-V 강으로 제작하였다. 시편의 내경은 11mm, 외경은 25mm 이다.
시편은 증기발생기의 전열관으로 사용되는 재질인 9Cr-1Mo-V 강으로 제작하였다. 시편의 내경은 11mm, 외경은 25mm 이다. 시편의 지지대는 고강도 재질인 SK11 강으로 만든 후에 열처리하여 강도를 높였다.
이 논문에서는 이중벽관에서의 누설률을 모사하기 위해 가압되는 두 개의 맞붙은 평판의 틈새에서 누설되는 헬륨가스의 양을 측정하였다. 실험인자는 인발 시에 가해지는 압력을 모사한 초기압력, 잔류응력을 모사하는 접촉압력, 평판의 표면조도 및 레이놀즈수이다. 미세한 틈새에서의 유동마찰계수를 기술하는 실험식을 개발하여 기존의 균열 문제에서 적용되었던 실험식들과 비교하였다.
3K 이며, K 는 Kelvin 온도이다. 이 분석에는 925 개의 데이터를 사용하였고 상대표준편차는 1.2% 이었다.
이 실험에서는 총 925 개의 데이터를 생산하였다. 각 시편의 표면조도와 조도의 폭은 40 번 측정하였는데, 95% 신뢰도를 갖는 표면조도의 오차는 6.
표면조도가 모두 다른 7 개의 시편들을 0.082-1.25µm 범위에서 제작하여 사용하였다.

이론/모형

)의 함수만으로 기술하였다. 고압 관의 균열에 대해 연구한 문헌⁽¹⁰⁾에서는 누설률을 계산하는데 레이놀즈수에 무관한 Moody 의 임계유속 모델을 적용하였다. 이외에 많은 문헌에서는 Nikuradse 의 유동마찰계수나 이를 보완한 실험식들을 사용하고 있다.

성능/효과

이 실험에서는 총 925 개의 데이터를 생산하였다. 각 시편의 표면조도와 조도의 폭은 40 번 측정하였는데, 95% 신뢰도를 갖는 표면조도의 오차는 6.4%, 조도의 폭의 오차는 11% 이었다. 유량은 낮은 범위에서는 10%, 높은 범위에서는 2% 오차를 가졌고, 가압하는 압력은 최대 2.
표면조도가 적은 두 평판이 외압으로 밀착된 틈새에서의 누설률을 예측하는 실험식을 개발하였고, 이 실험식을 평판접촉 모델을 사용하여 유동마찰계수에 관한 실험식을 개발하였다. 실험범위에서 비교한 결과, 개발한 실험식은 낮은 레이놀즈수에 적용되는 실험식들보다 낮은 값을 나타내지만, 레이놀즈수의 적용범위가 다름에도 불구하고 0.1~0.35 범위에서는 레이놀즈수가 높은 범위에 적용되는 실험식들과 유사한 경향을 갖는 것으로 나타났다.
4%, 조도의 폭의 오차는 11% 이었다. 유량은 낮은 범위에서는 10%, 높은 범위에서는 2% 오차를 가졌고, 가압하는 압력은 최대 2.25%, 최소 1.25%의 오차를 가졌다.
적용범위를 비교하면, 상대조도는 실험이 실험식들의 적용범위보다 10 배 정도 크고, Reynolds 수는 유일하게 Hagen-Poiseuilli 식을 만족시키나 속도는 이 식의 적용범위보다 대단히 빠르다. 균열에서도 상대조도가 크고, 유속은 빠르나 레이놀즈수가 적은 경우에 해당한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	균열에서의 누설률은 무엇에 많은 영향은 받는가?	균열에서의 누설률은 균열의 간격과 형태에 많은 영향을 받는다. 균열의 문제에서 다루어지는 틈새의 간격은 수십 µm 정도이고, 균열의 형태가 주요한 인자이다.
	내관과 외관 사이에 형성된 틈새에 헬륨가스를 채우는 이유는 무엇인가?	내관과 외관 사이에 형성된 틈새에는 열전달 성능을 향상시키기 위해 제작시 생성된 잔류응력을 그대로 유지시킨 채로 헬륨가스를 채운다. 증기발생기의 물 측의 압력은 16.
	증기발생기의 신뢰성을 높이기 위한 방안 중 하나로 전열관을 이중벽관으로 하는 것은 어떤 개념인가?	소듐냉각 고속로에서는 증기발생기의 신뢰성을 높이기 위한 방안 중 하나로 전열관을 이중벽관으로 하는 연구가 수행되고 있다. 반응성이 강한 두 유체 사이에 두 겹의 방호막을 형성시켜 전열관파손으로 인한 소듐-물 반응사고 확률을 줄임으로써 증기발생기의 신뢰성을 향상시키는 개념이다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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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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