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- 2와 같이 flat paddle, dual flat turbine, dual pitched turbine, concave turbine 등의 다양한 임펠러 종류에 따른 교반 성능 및 효율도 비교하였다. 교반기 내 유체는 등온 상태의 물을 가정하였다. 임펠러의 교반성능만을 연구하기 위하여 유체가 가득 차있는 용기를 가정하여 교반기는 전체적으로 벽 조건으로 설정되었다.
- 교반기 내 유체는 등온 상태의 물을 가정하였다. 임펠러의 교반성능만을 연구하기 위하여 유체가 가득 차있는 용기를 가정하여 교반기는 전체적으로 벽 조건으로 설정되었다.
제안 방법
- 장재원과 허남건(2)은 45° pitched paddle이 설치된 교반기 내 유동을 임펠러의 설치위치와 토크 변화에 따라 수치해석을 수행하였고, 임펠러 설치위치를 제안하였다.
- 은 비정상 상태에서 배플의 형상에 따라 고체와 액체의 교반에 대한 연구를 진행하였다. 교반기 내 고체입자 분포를 확인하였으며 배플의 수가 교반 시간과 유동 특징에 미치는 영향에 대해 분석하였다. 장재원과 허남건(2)은 45° pitched paddle이 설치된 교반기 내 유동을 임펠러의 설치위치와 토크 변화에 따라 수치해석을 수행하였고, 임펠러 설치위치를 제안하였다.
- 터빈 타입의 임펠러는 블레이드의 피칭각의 변화만으로 교반기 내 다양한 유동형태를 형성시킬 수 있어 다양한 교반 상황을 만족시킬 수 있다. 터빈 임펠러 중에서 flat turbine을 기본형상으로 설정하여 블레이드의 피칭각도 변화와 임펠러의 종류에 따른 유동장 특성을 도출하고 교반성능 및 효율을 비교 분석하였다. 교반성능과 효율을 분석하기 위하여 유동계수(Flow Coefficient), 순환계수(Circulation Coefficient)와 동력계수(Power Coefficient)의 무차원계수를 도입하였다.
- 터빈 임펠러 중에서 flat turbine을 기본형상으로 설정하여 블레이드의 피칭각도 변화와 임펠러의 종류에 따른 유동장 특성을 도출하고 교반성능 및 효율을 비교 분석하였다. 교반성능과 효율을 분석하기 위하여 유동계수(Flow Coefficient), 순환계수(Circulation Coefficient)와 동력계수(Power Coefficient)의 무차원계수를 도입하였다. 또한 세 가지 무차원계수를 통해 교반의 효율적 측면이 고려된 토출유용도(Pumping Effectiveness)와 순환유용도(Circulation Effectiveness)을 유도하고 교반기의 형상에 따라 비교하여 효율이 우수한 임펠러의 형상을 규명하였다.
- 교반성능과 효율을 분석하기 위하여 유동계수(Flow Coefficient), 순환계수(Circulation Coefficient)와 동력계수(Power Coefficient)의 무차원계수를 도입하였다. 또한 세 가지 무차원계수를 통해 교반의 효율적 측면이 고려된 토출유용도(Pumping Effectiveness)와 순환유용도(Circulation Effectiveness)을 유도하고 교반기의 형상에 따라 비교하여 효율이 우수한 임펠러의 형상을 규명하였다.
- 2(b)의 flat turbine에 대하여 블레이드 피칭각도를 0˚, 15˚, 30˚, 45˚, 55˚, 60˚, 65˚, 70˚, 75˚로 변화시켰다. 뿐만 아니라 Fig. 2와 같이 flat paddle, dual flat turbine, dual pitched turbine, concave turbine 등의 다양한 임펠러 종류에 따른 교반 성능 및 효율도 비교하였다. 교반기 내 유체는 등온 상태의 물을 가정하였다.
- 임펠러의 회전 효과는 주로 터보기계, 교반기, 펌프와 덕트 팬 등에 많이 적용되는 MRF을 사용하였다. 이 방법을 교반기 내부를 회전 영역과 비회전 영역으로 두 개의 영역으로 나누고 회전 영역에 MRF 회전 조건을 설정함으로써 회전 영역의 모멘트 방정식에 Coriolis 힘과 원심력을 추가하여 계산한다. 임펠러의 회전은 축 함께 18.
- 교반기의 성능은 내부에 형성되는 유동특성에 의해 결정되며, 이에 본 연구에서는 임펠러 형상에 따른 교반성능을 평가하기 위하여, 임펠러에 의해 발생하는 토출유동과 교반기 내부에 순환유동, 임펠러의 소비 동력 및 교반효율을 나타내는 변수를 다음과 같이 정의하였다(5),(8).
- 는 각 표면에서 나타나는 토출유량의 합으로 임펠러에 의한 총 토출유량이고, N과 D는 각각 임펠러의 회전 각 속도와 임펠러의 지름이다. 토출 유량은 임펠러 내부로 유입되는 유량을 제외하고 토출되는 유량만을 계산해 토출유량의 합을 계산하였다. 임펠러 주위의 유동형태는 블레이드의 피칭각도와 임펠러 종류에 따라 유체가 토출되는 방향이 다르며, 작지만 상향 토출되는 유동도 존재한다.
- 이 대표 유동장을 도출하기 위해 Fig. 4(b)와 같이 원주 방향으로 3° 간격으로 120개의 평면을 생성하여 각각의 유동장을 계산하였다.
- 4(b)와 같이 원주 방향으로 3° 간격으로 120개의 평면을 생성하여 각각의 유동장을 계산하였다. 계산된 120개 유동장을 원주방향으로 평균하여 대표 유동장을 도출할 수 있으며, 이 대표 유동장을 바탕으로 순환계수를 구하였다.
- 블레이드 피칭각도에 따른 결과를 분석하기 위해서 블레이드의 피칭각도 변화에 따라 형성되는 유동장과 임펠러에 의한 토출유동의 속도 프로파일을 살펴보고, 무차원계수를 통해 교반성능을 비교하였다.
- 임펠러 회전에 의한 유동 발생 형태를 구체적으로 확인하기 위하여 Fig. 6와 같이 임펠러 주변의 검사 표면에서 추출된 각 방향의 속도 프로파일을 나타내었다. Fig.
- 블레이드의 피칭각도에 따라 유동장의 경향성과 임펠러에 의한 토출유동의 속도 프로파일을 연결하여 유동장을 비교 분석하였다. 교반기 내부의 교반성능을 수치적으로 비교하기 위해서 2.
- 임펠러의 종류에 따른 교반성능 및 효율을 비교 분석하기 위하여 유동장과 토출 속도의 프로파일을 살펴보고, 무차원계수를 통해 교반 성능을 비교하였다.
- 본 논문에서는 교반기 내 교반 성능을 예측하기 위하여 flat turbine을 임펠러의 기본형상으로 설정하고, 블레이드의 피칭각도의 변화와 임펠러의 종류에 대하여 유동장과 토출유동의 속도 프로파일을 비교 분석하였다. 또한 교반성능 및 효율을 나타내는 무차원계수를 도출하여 경향성을 분석하고, 성능과 효율이 우수한 임펠러 형상을 규명하였다.
- 본 논문에서는 교반기 내 교반 성능을 예측하기 위하여 flat turbine을 임펠러의 기본형상으로 설정하고, 블레이드의 피칭각도의 변화와 임펠러의 종류에 대하여 유동장과 토출유동의 속도 프로파일을 비교 분석하였다. 또한 교반성능 및 효율을 나타내는 무차원계수를 도출하여 경향성을 분석하고, 성능과 효율이 우수한 임펠러 형상을 규명하였다.
대상 데이터
- 전체적인 교반기의 내부 구조는 교반기의 높이와 동일한 네 개의 배플과 중심축 끝에 여섯 개의 블레이드가 달린 임펠러가 설치되어 있는 형상이다. 본 연구에서 사용된 임펠러의 형상은 Fig. 2에 나타나있다. Fig.
- 본 연구에서 교반기 내부유동의 레이놀즈수는 18,000이상이므로, 난류 효과를 고려하기 위하여 Standard k-ε 난류 모델을 적용하였다. 임펠러의 회전 효과는 주로 터보기계, 교반기, 펌프와 덕트 팬 등에 많이 적용되는 MRF을 사용하였다. 이 방법을 교반기 내부를 회전 영역과 비회전 영역으로 두 개의 영역으로 나누고 회전 영역에 MRF 회전 조건을 설정함으로써 회전 영역의 모멘트 방정식에 Coriolis 힘과 원심력을 추가하여 계산한다.
- 04 버전을 사용하였다. 임펠러의 복잡한 형상을 계산하기 위하여 다면체 격자가 사용하였고, 교반기의 전체 격자는 약 150 만개로 구성하였다.
이론/모형
- 본 연구에서 교반기 내부유동의 레이놀즈수는 18,000이상이므로, 난류 효과를 고려하기 위하여 Standard k-ε 난류 모델을 적용하였다.
- 교반 현상을 예측하기 위해 교반기는 삼차원으로 모델링되었으며, 비압축성을 가정한 연속 방정식과 Navier-Stokes 방정식을 계산하였다. 본 연구에서 교반기 내부유동의 레이놀즈수는 18,000이상이므로, 난류 효과를 고려하기 위하여 Standard k-ε 난류 모델을 적용하였다.
- 8 rad/s의 각속도로 회전하여 교반기 내부 유동장을 형성한다. 위에서 언급한 방정식을 계산하기 위하여, 상용 CFD 프로그램인 STAR-CCM+ 6.04 버전을 사용하였다. 임펠러의 복잡한 형상을 계산하기 위하여 다면체 격자가 사용하였고, 교반기의 전체 격자는 약 150 만개로 구성하였다.
성능/효과
- 5(a)∼(f)는 블레이드 각도가 순서대로 0°, 30°, 55°, 60°, 65°, 70°로 피치된 경우의 유동형태를 나타낸 그림이다. 전체적인 유동은 임펠러와 수평하게 토출되는 반경 방향 유동이 블레이드의 피칭각도가 증가하면서 축 방향 유동으로 변하는 경향을 보인다. 특히 55°에서 60°로 피칭각도가 증가하는 시점에서 토출유동은 반경 방향에서 축 방향으로 바뀐다.
- 먼저, 유동계수가 45°를 기점으로 39%의 완만한 감소 이후에 77%의 급감하는 이유는 0°∼45° 사이에 평균한 속도가 윗면의 검사표면에서 14%, 측면에서 37%, 아랫면에서 88%가 감소하는데 반해 55°∼75°사이의 평균된 속도가 윗면의 검사표면에서 32%, 측면에서 77%, 아랫면에서 125%의 비교적 큰 감소를 보이기 때문이다.
- 블레이드의 전투영 면적이 0°∼30°사이에서 5%, 30°∼60°사이에서 21%, 60°∼75°사이에서 6%가 감소하여, 동력계수는 순서대로 23%, 64%, 39%로 감소하였다.
- 반면 임펠러의 종류에 따른 결과는 dual pitched turbine에서 토출유용도와 순환유용도가 가장 우수하게 나타났다. 이를 통해 교반 효율을 향상시키기 위해서는 유입유동을 감소시킬 수 있는 형상의 변화가 필요하다는 결론이 도출된다.
후속연구
- 반면 임펠러의 종류에 따른 결과는 dual pitched turbine에서 토출유용도와 순환유용도가 가장 우수하게 나타났다. 이를 통해 교반 효율을 향상시키기 위해서는 유입유동을 감소시킬 수 있는 형상의 변화가 필요하다는 결론이 도출된다.
- 이러한 임펠러의 형상에 따른 교반 성능 및 효율의 결과는 교반기 설계에 대한 기초자료로 활용 될 것으로 사료된다.
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