[논문]확산각이 밸브 트림 특성에 미치는 영향

고태식; 김귀순

doi:10.5293/kfma.2013.16.1.032

확산각이 밸브 트림 특성에 미치는 영향
The Effect of Divergence Angle on the Control Valve Trim Characteristics 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.16 no.1, 2013년, pp.32 - 39

고태식 (부산대학교 항공우주공학과 대학원) , 김귀순 (부산대학교 항공우주공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The multi-stage control valve is one of the devices which controls cavitation and high pressure drop. To attain the high pressure drop, the conventional control valves adopted the multi-stage trim to avoid the occurrence of local cavitation in valves. This work studied the effect of divergence angle on the characteristics of multi-stage trim. Pressure drop and flow characteristics was calculated for the 1 passage of multi-staged trim by using the FLUENT 6.3.26. The result showed that the pressure drop is significantly influenced by the divergence angle of multi-stage trim. In addition, the pressure drop increased consistently as the Reynolds number and divergence angle increases.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 고차압 밸브에 사용되는 미로형 밸브 내의 유동 분포와 압력강하 및 속도 분포를 확인하고 미로형 밸브 내에서 확산각의 영향을 확인하기 위하여 수치해석의 결과들을 서로 비교하였다.
본 연구에서는 단(stage)의 차압을 증가시키기 위해서 다단의 미로형 유로형상에 확산각을 적용하였으며 상용프로그램인 FLUENT를 이용하여 전산해석을 수행하였다. 이 결과를 통해 트림 성능을 평가하고자 한다. 기존의 확산각이 없는(0 °) 고차압 미로형 밸브 모델과 5가지의 확산각(20°, 30°, 40°, 50°, 60°)을 적용한 밸브를 비교해 각각 유동특성과 압력강하 및 손실계수 등을 분석하였다.

가설 설정

연속방정식과 운동량방정식의 조합에는 SIMPLE (Semi-implicit mehtod for pressure linked equation) 해법을 사용하였으며 운동량과 공간차분에는 2차 풍상차분법(upwind method)를 사용하였다. 본 연구에서는 15℃인 물을 3차원 정상상태의 비압축성 유동이라 가정하였으며 난류모델을 적용하여 해석을 수행하였다. 계산 조건은 Table 1과 같이 유량을 3 l/min에서 16 l/min까지 변화시켜가며 계산하였다.
6을 사용하였으며, 계산의 정확도를 높이기 위하여 정렬격자를 생성하였다. 본 연구에서는 미로형 밸브의 내부 유동장에 대해 비압축성 3차원으로 가정하였으며 사용전산 유체역학 코드는 FLUENT 6.3.26을 사용하였다. 연속방정식과 운동량방정식의 조합에는 SIMPLE (Semi-implicit mehtod for pressure linked equation) 해법을 사용하였으며 운동량과 공간차분에는 2차 풍상차분법(upwind method)를 사용하였다.

제안 방법

CFD 해석은 비압축성 유동장의 연속방정식, 운동방정식, 난류 모델을 연계하여 해석하였다. 밸브 내의 난류유동에 대해서는 표준 k-ε 난류 모델을 사용하였다.
기존의 확산각이 없는(0 °) 고차압 미로형 밸브 모델과 5가지의 확산각(20°, 30°, 40°, 50°, 60°)을 적용한 밸브를 비교해 각각 유동특성과 압력강하 및 손실계수 등을 분석하였다.
또한 확산각 6가지 모델(0°/20°/30°/40°/50°/60°)에 대한 계산격자는 약 200,000개로 구성하였다. 모든 벽면은 no-slip 조건을 적용하였으며, 입출구는 주기(Periodic) 조건을 이용하였다. 다단 트림의 압력강하선도는 한 단에서의 압력강하가 연속적으로 일어나는 형태를 보인다.
이 실험에서는 미로형 밸브의 손실계수 측정을 위해 유량계와 압력계를 이용하여 미로형 밸브 내의 손실계수를 측정하였다. 배관 시스템은 미로 모델과, 펌프, 유량계, 압력계를 포함하고 있으며 레이놀즈 수를 변화시키면서 실험이 수행되었다. 또한 실험에 사용된 작동유체는 50℃, 60℃인 물을 이용하였다.
본 연구에서는 90° 로 굽은 관의 거리가 매우 짧으므로 부가적인 손실만을 고려하였다.
본 연구에서는 단(stage)의 차압을 증가시키기 위해서 다단의 미로형 유로형상에 확산각을 적용하였으며 상용프로그램인 FLUENT를 이용하여 전산해석을 수행하였다. 이 결과를 통해 트림 성능을 평가하고자 한다.
15에서는 확산각을 가진 미로형 밸브 한 단에 대한 손실계수선도를 나타내었다. 본 연구에서는 손실계수의 계산에 사용된 속도(v)를 입구 평균 속도로 적용하였다.
본 연구에서는 확산각을 가진 미로형 밸브 한 단의 관 내부를 흐르는 유동장에 0°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60° 의 6가지의 확산각을 적용하여 전산해석을 수행한 후 연속적으로 90° 로 꺾이는 미로형 밸브의 유체역학적 데이터를 확보하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 한 단에서의 차압과 유량 조건을 상용전산해석 코드인 Fluent의 주기조건으로 사용하였다. 유동의 유입 부분은 mass flow inlet (0.28/0.42/0.56)조건으로 설정하였다. 난류 영역에서 작동하는 미로형 밸브 내의 유동을 모사하기 위해 표준 k-ε model을 사용하였으며 벽 근처영역에서는 첫번째 격자점까지의 거리(Y⁺)를 50에서 100으로 분포시켰다.
이 실험에서는 미로형 밸브의 손실계수 측정을 위해 유량계와 압력계를 이용하여 미로형 밸브 내의 손실계수를 측정하였다. 배관 시스템은 미로 모델과, 펌프, 유량계, 압력계를 포함하고 있으며 레이놀즈 수를 변화시키면서 실험이 수행되었다.
14은 미로형 밸브 한 단에서의 레이놀즈 수와 확산각에 따른 최대유속을 나타낸 것이다. 입구 유량 조건은 0.28kg, 0.42kg 및 0.56kg으로 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다. 레이놀즈 수가 증가할수록 확산각 형상 부근에 나타나는 최대유속 또한 함께 증가함을 볼 수가 있다.
해석을 수행하기 위한 작동유체는 비압축성 물을 사용하였으며 원전용 미로형 밸브의 작동 조건인 레이놀즈 수 (18,000/ 28,000/ 38,000) 영역에서 계산을 수행하였다. Fig.
확산각에 따른 영향을 살펴보기 위해 고차압 유량제어용미로형 밸브의 하나의 통로는 8번 꺽임(turn)있는 모델을 사용하였고 내벽 형상은 0° 에서부터 60° 까지의 확산각을 적용하여 한 단에서의 압력강하량과 유동 현상을 알아보았다.

대상 데이터

배관 시스템은 미로 모델과, 펌프, 유량계, 압력계를 포함하고 있으며 레이놀즈 수를 변화시키면서 실험이 수행되었다. 또한 실험에 사용된 작동유체는 50℃, 60℃인 물을 이용하였다.
또한 확산각 6가지 모델(0°/20°/30°/40°/50°/60°)에 대한 계산격자는 약 200,000개로 구성하였다.

이론/모형

난류 영역에서 작동하는 미로형 밸브 내의 유동을 모사하기 위해 표준 k-ε model을 사용하였으며 벽 근처영역에서는 첫번째 격자점까지의 거리(Y+)를 50에서 100으로 분포시켰다.
밸브 내의 난류유동에 대해서는 표준 k-ε 난류 모델을 사용하였다.
따라서 높은 레이놀즈 수에서는 확산 각이 커짐에 따라 급속한 유속 증가를 야기한다. 본 연구에서는 급격한 속도변화에 의한 공동화 현상을 확인하기 위해 공동화 지표(Cavitation indices)를 사용하였다. 공동화 지표(σ)는 공동화를 촉진하는 힘과 공동화에 대항하는 힘의 비로서 나타낸다.
따라서 각 단을 지나는 유체의 압력강하는 유로의 진행 방향으로 일정한 차압을 발생하게 된다. 본 연구에서는 한 단에서의 차압과 유량 조건을 상용전산해석 코드인 Fluent의 주기조건으로 사용하였다. 유동의 유입 부분은 mass flow inlet (0.
26을 사용하였다. 연속방정식과 운동량방정식의 조합에는 SIMPLE (Semi-implicit mehtod for pressure linked equation) 해법을 사용하였으며 운동량과 공간차분에는 2차 풍상차분법(upwind method)를 사용하였다. 본 연구에서는 15℃인 물을 3차원 정상상태의 비압축성 유동이라 가정하였으며 난류모델을 적용하여 해석을 수행하였다.
해석기법을 검증하기 위해 고차압 유량제어용 미로형 밸브의 하나의 통로에서 8번 꺾임(turn)있는 모델을 사용하였으며,(11) 형상은 Fig. 2와 같다.
해석을 수행하기 위한 격자생성은 Gambit 2.4.6을 사용하였으며, 계산의 정확도를 높이기 위하여 정렬격자를 생성하였다. 본 연구에서는 미로형 밸브의 내부 유동장에 대해 비압축성 3차원으로 가정하였으며 사용전산 유체역학 코드는 FLUENT 6.

성능/효과

트림을 통과하는 유체는 마찰이 발생하게 되어 유체의 속도와 압력 회복계수를 낮춰서 설계에 요구되는 차압을 만들어낸다.⁽⁹⁾밸브의 한 단을 지나가는 유동은 단을 지나면서 일정량의 에너지 손실을 일으키며 압력 강하를 유발하게 된다.
[1] 확산각이 증가함에 따라 박리유동 영역이 커지면서 압력손실이 커짐을 확인할 수 있다.
[2] 확산각이 증가함에 따라 박리유동영역이 커지면서 주유동의 속도가 증가하게 된다. 이로 인해 주유동이 벽면에 충돌하고 방향을 전환하는 정도가 커지면서 압력 손실을 증가시키게 된다.
[3] 확산각이 증가함에 따라 미로형 밸브 내의 2차유동이 증가하게 되고 이로 인해 유체의 손실이 증가함을 난류 생성항 분포에서 확인할 수 있었다.
[4] 국부유체손실계수는 관내의 형상과 레이놀즈 수에 지배적인 영향을 받으며 확산각이 증가할수록 관내의 박리유동과 재순환 유동으로 인해 난류의 생성과 유체와 벽면 간의 마찰을 증가시켜 유체의 내부 에너지가 증가시키게 된다. 이러한 유체의 에너지 손실은 유체의 압력강하를 증가시키게 된다.
또한 내벽 C'-D'를 지나는 유속은 확산각 50° 에 비해 확산각 60° 에서 더 큰 값을 보이며 주 재순환 영역 P1의 중심을 지나는 유체의 유속은 감소함을 확인할 수 있다.
레이놀즈 수 18,000과 38,000 사이의 최대 유속 차이는 확산각이 없는 경우 보다 확산각 60° 의 경우에서 크게 나타남을 확인 할 수가 있었다.
그러나 그 이상의 레이놀즈 수에서는 거의 일정한 손실계수 값을 나타내고 있다. 전산해석의 결과는 전영역에서 일정한 손실계수 값을 가지며 레이놀즈수 전영역 내에서 실험과 전산해석 결과가 유사함을 확인할 수 있었다.
9(b)는 레이놀즈 수 28,000 영역에서 확산각이 60° 인 경우에 대한 결과로서, (a)경우보다 2차유동이 커진것을 알 수 있다. 즉, 확산각이 커짐에 따라 2차 유동에 대한 손실이 증가하는 것을 확인할수 있다.
확산각에 따른 압력강하는 40° 까지 비교적 완만하게 증가하다가 확산각 50°, 60° 에서 급격하게 증감함을 확인할 수가 있었다.
확산각을 가진 경우와 그렇지 않은 두 경우 모두가 레이놀즈 수에 큰 영향 없이 손실계수가 증가함을 확인할 수가 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	압력 강하로 인해 생성된 유체의 높은 운동에너지는 어떤 문제점을 야기하는가?	고차압 밸브는 과도하게 높은 압력강하에서도 동작할 수있도록 설계된다. 압력 강하로 인해 생성된 유체의 높은 운동에너지는 공동화 현상(cavitation), 플래싱(flashing), 질식유동(choked flow), 소음 및 진동과 같은 문제를 발생시킨다. 이로 인해 밸브의 주요 부품인 트림(trim), 디스크(disk), 씨트링(seat-ring), 플러그(plug)등에 손상을 유발한다.
	밸브 내의 공동화 현상 방지를 위해 어떤 연구들이 이뤄졌는가?	공동화 현상은 밸브 내의 국부적인 높은 속도로 인한 낮은 압력 영역에 의해 발생되는데, 일반적으로 씨트(Seat) 지역이나 밸브 개구부(vena contracta), 하류부(down-stream)와 같은 대상 지역에서 발생하게 된다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위해서 선진국에서는 1980년대 초부터 유로 면적의 변화 없이 압력 손실을 유도하는 미로형 밸브(labyrinth type valve)를 연구하였으며, Rahmeyer 등(2)은 구불구불한 형태의 트림유로가 공동화 현상을 감소시키는데 효과적임을 실험으로 입증하였다. 현재 밸브 내의 공동화 현상 방지를 위한 미로형 밸브들은 CCI, FISHER, JVS Engineers, CopesVulcan 등의 주요 밸브 제작업체에서 제품화되어 있다.
	공동화 현상은 밸브의 어느 부위에서 주로 발생하는가?	공동화 현상은 밸브 내의 국부적인 높은 속도로 인한 낮은 압력 영역에 의해 발생되는데, 일반적으로 씨트(Seat) 지역이나 밸브 개구부(vena contracta), 하류부(down-stream)와 같은 대상 지역에서 발생하게 된다. 이와 같은 문제점들을 해결하기 위해서 선진국에서는 1980년대 초부터 유로 면적의 변화 없이 압력 손실을 유도하는 미로형 밸브(labyrinth type valve)를 연구하였으며, Rahmeyer 등(2)은 구불구불한 형태의 트림유로가 공동화 현상을 감소시키는데 효과적임을 실험으로 입증하였다.

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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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