[논문]선박용 SCR 시스템에서 혼합기 구조에 따른 난류유동과 우레아 수용액의 혼합특성

김태경; 성연모; 한승한; 하상준; 최경민; 김덕줄

doi:10.5916/jkosme.2012.36.6.814

초록
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선박용 SCR 시스템에서 유동 및 혼합특성을 개선하기 위해 상하유도 및 스월 형상의 혼합기가 고려되었다. 본 연구의 목적은 혼합기 구조에 따른 난류강도 및 균일지수(Uniformity Index)를 상세히 분석하여 SCR 성능을 개선하는 것이다. 그 결과, 촉매부 전단에서의 농도균일도는 혼합기를 사용하였을 경우 약 5% 개선됨을 알 수 있었다. 상하유도형 혼합기의 사용에 따라 주위에서 높은 RMS 수치 및 상대난류강도를 보이지만, 하류로 진행하면서 두 값은 감소하는 경향을 보였다. 스월형 혼합기의 경우 유동의 진행에 대해 RMS 수치와 상대난류강도의 감소가 비교적 적고 상대난류강도의 경우 상대적으로 균일한 분포를 보였다. 두 혼합기에서 발생하는 유동특성에 의해 혼합효과 및 혼합거리가 달랐음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To improve the flow and mixing characteristics of marine SCR system, two different mixer including up-down and swirl type mixer were considered. The purpose of this study is to analyse turbulence intensity and uniformity index in detail and to improve the performance of SCR with respect to the mixer...

To improve the flow and mixing characteristics of marine SCR system, two different mixer including up-down and swirl type mixer were considered. The purpose of this study is to analyse turbulence intensity and uniformity index in detail and to improve the performance of SCR with respect to the mixer structure. The results showed that, the concentration uniformity index is improved by about 5% with the utilization of both mixers in the front of catalyst part. Although the RMS value and relative turbulence intensity increased after the up-down type mixer, it could observed that the value of two parameters decreased with the flow proceeding forward to the downstream. For the case of swirl type mixer, the decrease of RMS value and relative turbulence intensity were relatively smaller than that of up-down type mixer, and uniform distribution of relative turbulence intensity was observed. As a results, it could be concluded that the mixing effects and the distance of the two kinds of mixer were different.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 선행연구에서 제안된 상하유도형 혼합기와 차별되는 새로운 형상의 혼합기를 제안하였다. 본 연구의 목적은 혼합기 형상에 따라 난류강도 및 균일지수 등의 혼합특성을 규명하고 SCR 성능을 개선하는 것이다.
본 연구에서는 선박용 SCR 시스템에서 혼합기 형상에 따른 유동 및 혼합특성에 관한 3차원 시뮬레이션을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 선행연구에서 제안된 상하유도형 혼합기와 차별되는 새로운 형상의 혼합기를 제안하였다. 본 연구의 목적은 혼합기 형상에 따라 난류강도 및 균일지수 등의 혼합특성을 규명하고 SCR 성능을 개선하는 것이다.

제안 방법

3을 사용하였다. 속도와 압력을 계산하기 위해 아래와 같은 질량 보존식과 운동량 보존식을 이용하였고, 난류를 고려하기 위해 질량 방정식과 운동량 보존 방정식을 시간 평균하였다[11].
환원제의 분무모사 해석을 수행하기 전에 유동해석을 먼저 진행 하였고 Δt= 0.0005 s 로 하여 잔사가 10-8까지 수렴하는 0.3 s까지 해석을 진행 하였다.

대상 데이터

혼합기는 Figure 1(b)와 (c)에서와 같이 2가지 형태의 혼합기를 사용했으며, 상하유도 및 스월 타입의 혼합기를 사용하였다. 베인 개수는 동일하게 36개를 사용하였으며 배기가스가 통과하는 개폐율이 동일하도록 혼합기의 날개를 배치하였다.

이론/모형

SCR 촉매필터를 모사하기 위해 수치해석적으로 다공성모델을 적용하였다[10]. Figure 2와 같이 촉매부에서 하나의 셀(Cell)을 이용하여 일정 범위의 속도영역(0.
본 연구에서는 혼합기에 의해 발생한 난류의 특성과 그에 따른 혼합특성을 해석하기 위하여 상용 프로그램 FLUENT 6.3을 사용하였다. 속도와 압력을 계산하기 위해 아래와 같은 질량 보존식과 운동량 보존식을 이용하였고, 난류를 고려하기 위해 질량 방정식과 운동량 보존 방정식을 시간 평균하였다[11].
분무액적의 초기 입력값은 Rosin-Rammler의 분포에 따라 최대 45μm, 최소 1μm, 평균 35 μm의 크기로 유지하였다. 액적분열 모델로는 TAB 모델을 적용하였다[12].
운동량 보존 방정식을 시간평균하면 난류의 효과는 레이놀즈 응력으로 표현되며, 레이놀즈 응력은 아래의 “식 (5)”와 Boussinesq 가설을 사용하여 유도된 standard κ-ε모델을 사용하였다.
엔진에서 배출되는 배기가스 유동해석을 위하여 작동유체인 혼합가스 온도는 300℃, 속도는 엔진 가동률 100%로 하여 20 m/s로 유입된다. 촉매부 영역은 다공성 모델을 적용하였고 출구조건은 표준 대기압 조건을 사용하였다. 환원제의 분무모사 해석을 수행하기 전에 유동해석을 먼저 진행 하였고 Δt= 0.
혼합기 형태에 따른 환원제와 배기유동의 혼합 효과를 알아보기 위하여 Weltens [15]에서 제안한 농도균일도 지수를 도입하였고, 다음과 같은 식을 통하여 시간에 따라 계산하였다.
3 s까지 해석을 진행 하였다. 환원제를 물로 가정하여 분무홀이 6개인 Solid-cone 모델을 적용하였다. 분사각은 70°, 분사방향은 중심에서 원주방향으로 45°로 25 m/s 의 속도로 분사된다.

성능/효과

(1) 배기가스의 유동 및 분사된 수용액의 농도분포에서 혼합기의 사용 후 배관내에서는 약 20%, 촉매부 전단에서는 균일도가 약 5% 개선됨을 알 수 있었다.
(2) 혼합기의 형태에 따른 RMS 수치와 상대난류강도를 비교할 때 상하유도형은 혼합기를 통과 직후 높은 RMS 수치와 상대난류강도를 가지지만 유동이 하류로 진행됨에 따라 두 값이 크게 감소 하는 경향을 보인다. 반면 스월형의 경우는 유동이 하류로 진행 되어도 RMS 수치와 상대난류강도의 감소가 비교적 적고 상대난류강도의 경우 균일한 분포를 가지게 된다.
(3) 상하유도형 혼합기 후류에서 발생하는 작은 스케일의 와의 생성과 빠른 소멸에 의해 분사된 액적은 짧은 거리에서 빠르게 혼합되어 혼합기를 통과 직후에는 스월형에 비해 높은 균일도를 보이지만, 유동이 진행 할수록 오히려 스월형보다 낮은 농도 균일도를 보인다. 반면 스월형의 경우 혼합기통과 후 벌크 스케일의 와의 형성에 의해 혼합거리가 증가하지만 농도 균일도는 상하유도형보다 개선됨을 알 수 있다.
(4) 실제 시스템과 같이 분사기와 같은 저항체나 곡관 등의 영향으로 인한 불규칙한 유동과 농도분포의 액적 유입이 발생하게 된다. 따라서 실제 시스템의 형상을 고려하였을 시 일정 혼합 거리를 확보하고 스월형의 혼합기를 사용하는 경우 높은 균일도를 유지 할 것으로 예상된다.
이는 상하유도형의 경우, 혼합기 후류에서 발생하는 작은 스케일의 와가 형성되어 빠르게 소멸하며 짧은 영역 내에서 급격히 혼합 효과가 일어나는 반면 스월형의 경우 벌크 스케일의 와류가 형성되어 좀 더 긴 거리에 걸쳐 혼합이 일어나기 때문이다[10]. 따라서 실제 시스템에 적용할 시 저항체나 곡관 등의 영향으로 인한 불규칙한 유동과 농도 분포를 균일화하기 위해 일정 혼합 거리를 확보하고 스월형의 혼합기를 사용 하는 것이 혼합 효과를 더 개선시킬 수 있음을 알 수 있다.
분무액적의 초기 입력값은 Rosin-Rammler의 분포에 따라 최대 45μm, 최소 1μm, 평균 35 μm의 크기로 유지하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	디젤 엔진의 장점은?	디젤 엔진은 가솔린 엔진보다 열효율이 높고 연비 및 이산화탄소(CO2)의 배출이 적다는 장점이 있어 디젤 엔진의 개발 및 보급이 확대되고 있다[1]. 디젤 엔진에서 문제가 되는 유해 배출물질은 질소산화물(NOx)과 입자상물질(Particle Matter)이며 이를 동시에 저감시키는 방향으로 배출가스 규제가 강화되고 있다[2].
	선박용 SCR 시스템에서 혼합기 구조에 따른 난류 유동과 우레아 수용액의 혼합특성 연구 목적은?	선박용 SCR 시스템에서 유동 및 혼합특성을 개선하기 위해 상하유도 및 스월 형상의 혼합기가 고려되었다. 본 연구의 목적은 혼합기 구조에 따른 난류강도 및 균일지수(Uniformity Index)를 상세히 분석하여 SCR 성능을 개선하는 것이다. 그 결과, 촉매부 전단에서의 농도균일도는 혼합기를 사용하였을 경우 약 5% 개선됨을 알 수 있었다.
	선박용 SCR 시스템에서 상하유도 및 스월 형상의 혼합기가 고려된 이유는?	선박용 SCR 시스템에서 유동 및 혼합특성을 개선하기 위해 상하유도 및 스월 형상의 혼합기가 고려되었다. 본 연구의 목적은 혼합기 구조에 따른 난류강도 및 균일지수(Uniformity Index)를 상세히 분석하여 SCR 성능을 개선하는 것이다.

참고문헌 (15)

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www.imo.org/ourwork/environment/pollution prevention/airpollution/pages/nitrogen-oxides-(nox)- --regulation-13.aspx; Accessed 25 Jul 2012.
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M. J. Park, H. S. Chang, and J. S. Ha, "Numerical study on the baffle structure for determining the flow characteristics in small scale scr system", Enviromental Engineering Research, vol. 32, no. 9, pp. 862-869, 2010.
Fluent Inc, "Fluent User's Guide v6.3", Fluent Inc, pp. 375-397, 2006.
S. H. Park, S. H. Rhee, "Numerical investigation of unsteady cavitating flow on a three- dimensional twisted hydrofoil," Korean Society for Computational Fluids Engineering, vol. 16, no. 3, pp. 37-46, 2011.

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J. Gao, S. W. Park, Y. Wang et al, "Simulation and analysis of group-hole nozzle sprays using a gas jet superposition model," Fuel, vol 89, pp. 3758-3772, 2010.

상세보기
Stephen R. Turns, An Introduction to Combustion, Mc Graw Hill, 1999.
H. S. Park, H. S. Yoon, M. C. Kim et al, "Study on the resultant vorticity numerical model of the propeller wake," Journal of the Society of Naval Architects of Korea, vol. 48, no. 2, pp. 141-146, 2011.

원문보기 상세보기
H. Weltens, H. Bressler, and F. Terres, "Optimization of catalytic converter gas flow distribution By cfd distribution," Korean Society of Automotive Engineers Technical Paper 930780, pp. 131-151, 1993.

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