베인 타입 스태틱 믹서의 기하학적 변수에 따른 디젤 배기관 내 유동특성에 관한 연구 Numerical Study of the Flow Characteristics in a Diesel Exhaust System with a Vane-Type Static Mixer원문보기
디젤엔진SCR 시스템 내에서 $NO_x$를 저감을 위한 베인 타입 스태틱 믹서의 혼합유동특성을 수치적으로 연구하였다. 믹서는 원형관의 입구로부터 유동방향으로 직경의 57배 떨어진 구간에 설치하였다. 베인이 유동 축과 이루는 각과 베인의 크기 그리고 위치의 변화에 따른 유동 및 혼합특성을 고찰하였다. 원형관내에서 믹서를 통과하는 유동의 특성은 UI, 선회비, 그리고 압력계수와 같은 특성화된 성능지수로 나타내었다. 해석결과 성능지수들은 베인 각과 차단비, 베인 위치와 같은 기하학적 변수에 영향을 받음을 확인하였다. 특히, 베인 각, 베인 크기가 커지거나 원형관내의 벽면에 가까이 설치될수록 선회비는 증가하는 것을 확인하였다.
디젤엔진 SCR 시스템 내에서 $NO_x$를 저감을 위한 베인 타입 스태틱 믹서의 혼합유동특성을 수치적으로 연구하였다. 믹서는 원형관의 입구로부터 유동방향으로 직경의 57배 떨어진 구간에 설치하였다. 베인이 유동 축과 이루는 각과 베인의 크기 그리고 위치의 변화에 따른 유동 및 혼합특성을 고찰하였다. 원형관내에서 믹서를 통과하는 유동의 특성은 UI, 선회비, 그리고 압력계수와 같은 특성화된 성능지수로 나타내었다. 해석결과 성능지수들은 베인 각과 차단비, 베인 위치와 같은 기하학적 변수에 영향을 받음을 확인하였다. 특히, 베인 각, 베인 크기가 커지거나 원형관내의 벽면에 가까이 설치될수록 선회비는 증가하는 것을 확인하였다.
In this research, a numerical study was carried out on the mixing and flow characteristics of a vane-type static mixer for the reduction of $NO_x$ in the SCR systems from the diesel exhaust environments. The mixer was located at a distance of 57 times the pipe diameter away from the inlet...
In this research, a numerical study was carried out on the mixing and flow characteristics of a vane-type static mixer for the reduction of $NO_x$ in the SCR systems from the diesel exhaust environments. The mixer was located at a distance of 57 times the pipe diameter away from the inlet. The analyses were performed by changing various parameters such as vane angles, blockage ratio, and location of the vane. Flow characteristics through the mixer were characterized by the uniformity index, swirl number, and pressure drop. The results show that uniformity index, pressure coefficient and swirl number are substantially influenced by the vane angle, blockage ratio and position of the vane of the mixer. In particular, the swirl number was increased when the vane was located near the pipe wall, or the vane angle was increased or scale was extended.
In this research, a numerical study was carried out on the mixing and flow characteristics of a vane-type static mixer for the reduction of $NO_x$ in the SCR systems from the diesel exhaust environments. The mixer was located at a distance of 57 times the pipe diameter away from the inlet. The analyses were performed by changing various parameters such as vane angles, blockage ratio, and location of the vane. Flow characteristics through the mixer were characterized by the uniformity index, swirl number, and pressure drop. The results show that uniformity index, pressure coefficient and swirl number are substantially influenced by the vane angle, blockage ratio and position of the vane of the mixer. In particular, the swirl number was increased when the vane was located near the pipe wall, or the vane angle was increased or scale was extended.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 원형관내에서의 베인의 기하학적 형상에 따른 혼합유동특성을 수치적으로 고찰하였다. 이를 위해 정사각형으로 이루어진 베인을 모델링하여 각각 0°, 30°, 45°, 60°, 그리고 90°의 베인 각을 갖는 믹서에 의해 형성된 유동장의 후류특성을 압력강하, UI 그리고 SN과 같은 성능계수들을 이용하여 해석적으로 고찰하였다.
본 연구에서는 수치적 해석을 통하여 원형 배기관 내 믹서의 기하학적 변수에 따른 혼합유동 특성을 고찰하였다. 믹서에 사용된 베인의 각도와 크기, 그리고 베인 위치의 변화에 따른 유동 성능지수들을 고찰하였으며, 그 결과를 아래와 같이 정리할 수 있다.
가설 설정
7894×10-5N·s/m으로 하였다. 믹서로 유입되는 공기유동은 비압축성 정상유동으로 가정하였고, 입구조건을 Re=223,600로 하여 계산하였다.
제안 방법
2는 믹서 후방에서 전형적으로 나타나는 축 방향 속도와 접선 방향 속도를 3차원 구조로 나타낸 것이다. 각각의 속도는 혼합유동특성을 분석하는데 있어 중요한 종속변수로서 이를 이용하여 혼합성능지수인 UI와 SN을 계산하였다. 여기에서 속도의 균일정도를 측정하는 기준인 UI는 아래의 식 (4)와 같이 정의된다.
이를 위해 정사각형으로 이루어진 베인을 모델링하여 각각 0°, 30°, 45°, 60°, 그리고 90°의 베인 각을 갖는 믹서에 의해 형성된 유동장의 후류특성을 압력강하, UI 그리고 SN과 같은 성능계수들을 이용하여 해석적으로 고찰하였다. 또한 베인 크기와 위치에 따른 믹서 후단에서의 유동특성을 고찰하였다.
믹서 내부의 변화에 의한 혼합과정을 해석하기 위하여 아래와 같은 질량보존식과 운동량 보존식을 이용하였다.(14)
본 연구에서는 수치적 해석을 통하여 원형 배기관 내 믹서의 기하학적 변수에 따른 혼합유동 특성을 고찰하였다. 믹서에 사용된 베인의 각도와 크기, 그리고 베인 위치의 변화에 따른 유동 성능지수들을 고찰하였으며, 그 결과를 아래와 같이 정리할 수 있다.
원형관 전면에서의 유동분포에 영향을 주는 여러 가지 변수 중 믹서의 형상에 따른 유동현상의 변화를 알아보기 위하여 입구부, 믹서, 그리고 출구부로 구성된 해석 격자를 생성하였다. 모든 해석 수행 시 격자 조밀도를 동일하게 하여 격자로 인한 영향을 최소화하였으며, 수치해석은 상용프로그램 Fluent(13)를 사용하였다.
이를 위해 정사각형으로 이루어진 베인을 모델링하여 각각 0°, 30°, 45°, 60°, 그리고 90°의 베인 각을 갖는 믹서에 의해 형성된 유동장의 후류특성을 압력강하, UI 그리고 SN과 같은 성능계수들을 이용하여 해석적으로 고찰하였다.
데이터처리
원형관 전면에서의 유동분포에 영향을 주는 여러 가지 변수 중 믹서의 형상에 따른 유동현상의 변화를 알아보기 위하여 입구부, 믹서, 그리고 출구부로 구성된 해석 격자를 생성하였다. 모든 해석 수행 시 격자 조밀도를 동일하게 하여 격자로 인한 영향을 최소화하였으며, 수치해석은 상용프로그램 Fluent(13)를 사용하였다.
이론/모형
한편, 난류유동은 k-ε 난류모델을 적용하였다.
성능/효과
(1) 베인 형상변화에 따른 선회 유동특성은 믹서후단 x/D가 3~5인 범위에서 잘 관찰되며 베인 각이 45°일 경우에 상대적으로 높은 균일분포지수 및 선회비 성능을 갖는다.
(2) 베인 크기가 커질수록 균일분포지수와 선회비가 높아지는 경향을 갖지만, 0.24이상이 되면 벽면 유동이 발달하여 균일분포지수가 낮아지는 경향을 갖는다.
(3) 베인 위치는 완전히 발달된 속도분포를 갖는 유동이 믹서에 유입될 경우 r/D가 0.25에 위치할 때 비교적 양호한 균일분포지수 및 압력계수 값이 얻어지며, 선회비는 원형 관 벽면에 가까워질수록 증가하는 경향을 나타낸다.
(a)에 나타낸 UI 분포를 살펴보면 베인각이 증가함에 따라 UI는 증가하다 45° 근처에서 가장 높은 값을 나타낸 후 점차 감소하는 경향을 보여주고 있음을 알 수 있다.
(b)의 SN 분포를 살펴보면 베인각이 45° 일 때 가장 높은 SN 값을 나타내고 있을 뿐만 아니라 베인각이 90°의 경우 0°인 경우와 비슷한 매우 낮은 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
한편, Fig. 8(b)의 SN값 변화를 살펴보면 r/D가 점점 증가할수록 거의 선형적으로 증가하다 r/D=0.25에서부터 증가 경향이 둔화되어 일정한 값에 수렴하고 있음을 알 수 있다. Fig.
결과를 살펴보면 BR값이 증가함에 따라 Cp 값이 증가하며, 베인 각 0°인 경우와 90°사이에 약 25%정도의 차이를 나타내고 있다.
이는 원형관 벽면 근처는 비교적 속도 크기가 작아 압력손실에 큰 영향을 끼치지 않기 때문으로 사료된다. 따라서 베인의 위치는 믹서에 유입되는 속도분포를 고려하여 결정되어야 함을 알 수 있으며, 완전히 발달된 속도분포를 갖는 경우 r/D=0.25에 위치할 때 비교적 양호한 UI, SN 및 Cp 값이 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
7(b)의 SN변화는 베인 크기에 큰 영향을 받고 있음을 보여주고 있다. 즉, 베인 크기가 커질수록 거의 선형적으로 SN이 증가하고 있으며 축방향 거리에 따라 큰 변화를 나타내고 있음을 알 수 있다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
혼합 제어의 적용분야?
혼합 제어(mixing control)는 기계 및 장치 산업 전반에 걸쳐서 매우 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어 화학공업에서는 급속반응을 위한 반응물과 촉매의 혼합, 그리고 상하수도 처리시설의 경우 오염물질 제거를 위한 산소농도 증가작업과 소독작업을 원활하게 하기 위한 염소 투입작업에 사용된다.
요소수의 일반적인 형태는?
요소수는 일반적으로 32.5%의 농도를 갖는 수용액의 형태로 이용된다. 인젝터(injector)를 통해 분사된 요소수는 높은 온도의 배기가스에 의해 열분해 되어 암모니아로 변환된다.
혼합 제어는 화학공업에서 어떤 분야에 적용되는가?
혼합 제어(mixing control)는 기계 및 장치 산업 전반에 걸쳐서 매우 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어 화학공업에서는 급속반응을 위한 반응물과 촉매의 혼합, 그리고 상하수도 처리시설의 경우 오염물질 제거를 위한 산소농도 증가작업과 소독작업을 원활하게 하기 위한 염소 투입작업에 사용된다. 한편, 최근 디젤엔진의 배기가스 저감 기술에서는 SCR이 가장 유력한 기술(1,2)로 주목받고 있다.
참고문헌 (15)
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