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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 수도용 감압밸브에서 발생하는 소음과 진동의 원인을 규명하기 위하여 유체-구조 연성 해석을 수행하고, 분석된 결과를 근거로 해결책을 제시하고자 한다.
가설 설정
- 1차측 압력과 2차측 압력 차이에 유체의 유동이 발생하기 위해서는 시트와 디스크 사이의 간극이 존재하여야만 한다. 해석을 수행하기 위하여 시트와 디스크 사이의 간극은 0.3mm로 가정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 그림 4의 (a)에서와 같이 계산시간의 단축과 수렴성의 향상을 위해 유로의 형상을 단순화 하였고, 유동해석형상의 대칭성을 이용하여 유동해석 형상 중심면에 대칭조건을 주어 계산을 할 수 있도록 형상을 설계하였다. 그림 4의 (b)는 유동 해석 방법의 결정과 난류 모델 설정 및 해석결과의 타당성을 검증하기위해 제작된 유동형상의 계산 격자점을 나타내고 있다.
- 감압 밸브를 결합 상태와 운동조건으로 고려하여 몸체 (body), 스템(stem), 스템 가이드(stem guide)는 단품으로 형태만 고려하였으며, 유체의 유동과 연관성이 높은 부분은 스템과 디스크만으로 구성된 어셈블(어셈블1)과 스템, 가이드 그리고 디스크로 구성된 어셈블(어셈블2)로 구성 하여 유한요소법에 이용하여 모드해석을 수행하였다. 해석에는 상용 소프트웨어인 ANSYS workbench를 사용하였다.
- 감압 밸브의 각 부품별 진동해석을 통하여 현장에서 파악된 소음과의 상관관계를 살펴보았다.
- 감압 밸브의 운전조건에서 유체의 유동에 의한 밸브 내의 압력 분포에 의해 밸브 부품에 가해지는 힘을 계산 하여 구조물의 변형을 예측하고, 소음과 진동과의 연관성을 살펴보기 위하여 상용코드인 ANSYS사의 CFX를 이용하여 유동 해석을 수행하였다.
- 디스크부의 구조해석을 위하여 필요 없는 부분은 생략하고 2D 축대칭으로 모델링 하였다. 앞 서 수행한 유동해석 결과를 바탕으로 그림 8과 같이 하중 조건을 부여하였다.
- 밸브표면에서의 압력분포는 밸브 갭을 지나면서 급격 하게 변하므로 밸브 표면의 유동 특성을 반영한 구조적인 검토가 필요하다. 따라서 유동 해석의 결과를 가지고 디스크를 구조해석 하여 디스크의 변형 형태를 분석하였다.
- 수도용 감압밸브의 소음과 진동문제에 대한 근본적인 원인을 분석하고자, 감압밸브의 유동해석과 구조해석을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 수도용 감압밸브의 소음과 진동을 정확히 파악하기 위하여 감압밸브의 소음이 유발되는 실제의 아파트에서 소음을 측정하였다. 실험대상 건물은 오산시에 위치한 **아파트이며, 측정 대상 세대는 과다 소음과 심한 배관 진동 증상을 제기한 세대에서 측정하였다.
- 입구와 출구의 경계조건은 수도용 감압밸브의 정상 동작 조건과 유사하게 하기 위하여 1차측 압력(P1)은 7kg/cm2, 2차측 압력(P2)는 2.5kg/cm2로 하였다. 주어진 1차측 압력과 1차측 압력의 차압에서는 캐비테이션이 발생하지 않는 영역에 해당된다[7].
- 주어진 1차측 압력과 1차측 압력의 차압에서는 캐비테이션이 발생하지 않는 영역에 해당된다[7]. 작동 물체는 물로 하였으며, 모든 벽면에는 점착조건(no-slip)과, 단열조건을 적용하였으며, 유동해석 형상 중심면을 기준으로 유동혼합이 없는 대칭조건(symmetry)을 주었다. 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다[10].
- 캐비테이션을 정확하게 해석하기 위해서는 cavitation model로 적용하여야 하지만, 본 연구에서는 캐비테이션의 형상과 분포에 대한 집중적인 연구가 아니므로 포화 압력을 이용하여 분석하였다. 물의 포화압력을 3547Pa로 하였다[10].
대상 데이터
- 그림 4의 (b)는 유동 해석 방법의 결정과 난류 모델 설정 및 해석결과의 타당성을 검증하기위해 제작된 유동형상의 계산 격자점을 나타내고 있다. 격자계는 Tetra/Prism 격자로 구성하였으며, 총 격자수는 총 120만 개이다.
- 수도용 감압밸브의 소음과 진동을 정확히 파악하기 위하여 감압밸브의 소음이 유발되는 실제의 아파트에서 소음을 측정하였다. 실험대상 건물은 오산시에 위치한 **아파트이며, 측정 대상 세대는 과다 소음과 심한 배관 진동 증상을 제기한 세대에서 측정하였다.
데이터처리
- 감압 밸브를 결합 상태와 운동조건으로 고려하여 몸체 (body), 스템(stem), 스템 가이드(stem guide)는 단품으로 형태만 고려하였으며, 유체의 유동과 연관성이 높은 부분은 스템과 디스크만으로 구성된 어셈블(어셈블1)과 스템, 가이드 그리고 디스크로 구성된 어셈블(어셈블2)로 구성 하여 유한요소법에 이용하여 모드해석을 수행하였다. 해석에는 상용 소프트웨어인 ANSYS workbench를 사용하였다.
이론/모형
- 난류모델은 k-ε모델을 사용하였다[10].
성능/효과
- 그림에 나타난 바와 같이 배관 내 유체의 유동에 의한 소음 영역인 2,000Hz에서 약 46dB(A) 정도의 소음을 나타내고 나머지 영역에서는 그 이하의 음압이 분포하는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 그림 3의 (b)와 같이 배관계의 과다 소음 증상을 제기한 아파트 세대에서 소음을 측정한 결과에서는 유체의 유동 소음 영역이 아닌 250Hz 부근의 저주파 영역에서 50dB(A) 이상의 음압이 존재하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 감압밸브에서 발생되는 소음은 감압밸브 배부에서의 물의 유동 변화와 감압밸브 내부의 구조 문제가 혼합되어 나타나는 것으로 생각된다.
- 1) 시트와 디스크 사이에 형성된 간극의 전후의 유로에서는 최대 약 40 m/s의 유체 속도가 형성되며, 유로를 지난 후에 약 -1.0 bar의 부압이 발생한다.
- 2) 디스크의 표면에 0.1bar의 압력차이가 발생하며, 디스크와 시트 사이의 유로에서의 빠른 유속에 의해 발생하는 부압이 디스크를 시트 쪽으로 잡아당기는 형태의 변형을 유발하였으며, 그 크기는 0.3mm 이상의 값을 나타냈다.
- 3) 디스크의 변형은 감압밸브의 구조상 반복적으로 발생할 수밖에 없으며, 이러한 반복적인 디스크의 변형이 소음과 진동이 유발되는 것으로 판단된다.
- 디스크 구조해석 결과를 그림 9에 나타내었다. 그림에 나타난 바와 같이 디스크와 시트 사이의 유로에서의 빠른 유속에 의해 발생하는 부압이 디스크를 시트 쪽으로 잡아 당겨 고무 재질의 디스크에 변형이 발생하는 것으로 나타나고 있으며, 이 변형의 크기는 유로를 유로의 간극인 0.3mm를 넘어선 값으로 나타나고 있어, 급격한 단면 변화에 의한 유속의 변화가 유로를 차단할 수 있는 충분한 힘으로 작용한다는 결론을 얻었다. 디스크의 변형은 일시적으로 유로를 막게 되고, 유로가 일시적으로 막히게 되면 유체의 유속이 떨어지고, 디스크에 미치는 부압이 해소되어 변형되었던 디스크는 원 위치 되어 유로가 다시 열리게 된다.
- 그림 5는 밸브 내부의 유체의 속도와 압력분포를 나타낸 것이다. 분석한 결과, 시트와 디스크 사이에 형성된 간극의 전후의 급격한 형상 변화로 인한 노즐 효과로 인하여 간극 사이에 형성된 유로에서는 최대 약 40 m/s의 유체 속도가 형성되며, 그 이외의 영역에서는 5m/s의 속도를 나타내고 있다. 그림 5의 (b)는 감압밸브 내의 압력을 나타난 것이다.
- 그림 5의 (b)는 감압밸브 내의 압력을 나타난 것이다. 시트와 디스크 사이에 형성된 유로를 지나면서 급격하게 압력이 떨어져 약 -1.0 bar의 부압이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이와 같이 시트와 디스크 사이의 유로에 발생된 이 압력은 고무재질의 디스크의 변형을 가중시키는 힘으로 작용될 수 있다고 판단된다.
- 디스크의 변형은 일시적으로 유로를 막게 되고, 유로가 일시적으로 막히게 되면 유체의 유속이 떨어지고, 디스크에 미치는 부압이 해소되어 변형되었던 디스크는 원 위치 되어 유로가 다시 열리게 된다. 이상의 일련의 작용은 반복적으로 발생하여 소음과 진동이 유발되는 것으로 판단된다.
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