[논문]다공튜브 오리피스 면적비 변화가 출구유동에 미치는 영향

이상규; 이지근

doi:10.6110/kjacr.2013.25.6.317

다공튜브 오리피스 면적비 변화가 출구유동에 미치는 영향
Effect of the Orifice Area Ratio on the Exit Flow of a Multi-Perforated Tube 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.6, 2013년, pp.317 - 323

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A multi-perforated tube indicates the existence of multiple holes of various shapes on the surface of a long cylinder-type or rectangular tube, and a hole installed on the surface is called an orifice, as it is relatively small in size, compared with the surface area of the tube. In this study, the flow characteristics of a circular multi-perforated tube with many orifices on the surface were investigated experimentally and numerically. The volume flowrate issuing from each orifice, discharge angle, effective flow area ratio, and the flow fields around the orifices were measured and visualized, with the variation of the orifice area ratio, at the same blockage ratio. The volume flowrate distributions along the flow direction of the multi-perforated tube tends to be more uniform, as larger orifices were positioned at the inlet side of the multi-perforated tube, compared with no orifice area change along the flow direction.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 PIV(particle image velocimetry) 시스템을 이용하여 오리피스 근처 유동장을 가시화하고 유량분포에 영향을 끼치는 오리피스의 실제 유동면적을 조사하였다. 궁극적으로 다공튜브 오리피스 사이의 유량분배 특성을 제어할 수 있는 설계변수를 찾아 다공튜브가 사용되는 시스템의 성능향상에 기여할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
3은 다공튜브의 오리피스 방출 유량 특성을 조사하기 위해 오리피스 직경이 8 mm일 때 각 오리피스에서 측정한 유량을 입구 유량으로 무차원화하여 나타낸 것이다. 또한 오리피스 출구 유동장에 대한 거동을 알아보기 위해 오리피스 단면의 속도 및 유량분포에 대한 해석 결과를 함께 나타내었다. 다공튜브에 설치된 오리피스는 연속적이지 않지만 유량분포의 경향을 이해하기 쉽도록 연속적인 선으로 연결하여 나타내었다.
반면 1번 오리피스 면적이 8 mm직경의 면적보다 20% 작고 길이방향으로 갈수록 점점 오리피스 면적이 증가하여 마지막 오리피스 면적이 20% 큰 -20의 경우 오리피스 면적변화가 없는 0의 경우보다 더 큰 오리피스 사이의 유량 차이를 보여주고 있다. 이러한 결과는 다공튜브에 설치된 오리피스 면적비 변화를 통해 오리피스 방출 유량을 조절할 수 있음을 의미하는 것으로 본 연구의 목적인 오리피스사이의 균일 유량분포에 상당히 접근한 결과이다.

제안 방법

본 연구에서는 다공튜브 측면에 설치된 오리피스의 유량분포 특성이 실험적으로 조사되었으며 해석결과와 비교되었다. 다공튜브 길이방향으로 설치된 오리피스의 유량분포 제어를 위해 오리피스 면적비 변화에 따른 영향이 조사되었다. 또한 PIV(particle image velocimetry) 시스템을 이용하여 오리피스 근처 유동장을 가시화하고 유량분포에 영향을 끼치는 오리피스의 실제 유동면적을 조사하였다.
다공튜브 오리피스 방출 유량 및 유동장이 실험 및 해석적 연구를 수행하였으며 오리피스 유량분포 조절을 위해 오리피스 면적비 변화 효과를 조사한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
다공튜브 길이방향으로 설치된 오리피스의 유량분포 제어를 위해 오리피스 면적비 변화에 따른 영향이 조사되었다. 또한 PIV(particle image velocimetry) 시스템을 이용하여 오리피스 근처 유동장을 가시화하고 유량분포에 영향을 끼치는 오리피스의 실제 유동면적을 조사하였다. 궁극적으로 다공튜브 오리피스 사이의 유량분배 특성을 제어할 수 있는 설계변수를 찾아 다공튜브가 사용되는 시스템의 성능향상에 기여할 수 있는 방안을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 다공튜브 측면에 설치된 오리피스의 유량분포 특성이 실험적으로 조사되었으며 해석결과와 비교되었다. 다공튜브 길이방향으로 설치된 오리피스의 유량분포 제어를 위해 오리피스 면적비 변화에 따른 영향이 조사되었다.
2와 같은 실험장치를 사용하였다. 송풍기로부터 공급되는 공기유량은 덕트 입구에 설치된 층류유량계(Soken LFE-50B) 및 마이크로 마노메터(Furness controls, FCO12)를 이용하여 측정하였다. 다공튜브 오리피스 출구 유량은 피토관을 이용하여 측정하였으며 10,000개의 샘플을 이용하여 평균값을 계산하였다.
다공튜브의 오리피스에서 방출되는 유량은 오리피스 면적과 비례관계가 있기 때문에 오리피스 면적을 기준으로 변화시켰다. 오리피스 면적은 다공튜브의 길이방향에 따라 변화되었으며 변화된 면적을 이용하여 오리피스의 직경을 계산하였다. 다공튜브 길이방향에 따른 오리피스 면적은 선행연구 결과⁽³⁾와 다공튜브의 기하학적 형상을 고려하여 +40, +20 및 -20으로 변화되었다.
다공튜브 오리피스 출구 유량은 피토관을 이용하여 측정하였으며 10,000개의 샘플을 이용하여 평균값을 계산하였다. 오리피스 출구 유동장 가시화 및 유동특성은 PIV 시스템(TSI Co.)을 이용하여 조사되었으며 가시화를 위해 스모그 발생기를 사용하였다. 실험은 20℃ 상온에서 원형 아크릴 덕트(③) 입구로 유입되는 공기의 Reynolds 수 6.
와점성 계수 계산을 위한 난류모델은 표준 k-ε 모델을 사용하였다. 해석은 실험에 사용한 조건과 동일한 경계조건을 적용하여 수행하였다.

대상 데이터

(16) 배기관 입구 유입속도와 입구 크기를 기준으로 한 레이놀드 수는 최소 5×104 이상이므로 난류모델을 사용하였다.

데이터처리

송풍기로부터 공급되는 공기유량은 덕트 입구에 설치된 층류유량계(Soken LFE-50B) 및 마이크로 마노메터(Furness controls, FCO12)를 이용하여 측정하였다. 다공튜브 오리피스 출구 유량은 피토관을 이용하여 측정하였으며 10,000개의 샘플을 이용하여 평균값을 계산하였다. 오리피스 출구 유동장 가시화 및 유동특성은 PIV 시스템(TSI Co.

이론/모형

다공튜브 오리피스 출구 유량 및 유동장 해석을 위해 전산해석 상용프로그램 중 하나인 Fluent V6.3을 이용하였다. 해석모델은 Fig.
와점성 계수 계산을 위한 난류모델은 표준 k-ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

(1) 오리피스에서 유동이 발생하는 유효유동면적은 다공튜브 길이방향에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 나타냈다.
(2) 오리피스 면적에 수직한 속도성분은 다공튜브 길이방향에 따라 선형적으로 증가하며 수평방향 속도 성분은 다공튜브 중간지점에서 가장 높은 분포를 그리고 입구와 출구부분에서 낮은 분포를 나타냈다.
(3) 다공튜브에 설치된 오리피스 면적비 변화를 통해 오리피스 출구 유량분포를 조절할 수 있으며, 입구 쪽에 설치된 오리피스 면적이 크고 길이방향에 따라 감소하는 오리피스 배열의 경우 각 오리피스의 유량분포가 균일화 되는 경향을 보였다.
해석 결과 또한 입구근처 오리피스에서 다소 높은 값을 보이지만 전반적으로 유사한 증가 경향을 보여주고 있다. 가장 낮은 유량을 보이는 1번 오리피스와 가장 많은 유량을 방출하는 12번 오리피스 사이에 7배 정도의 유량 차이를 보여주고 있어 오리피스 사이의 유량분포의 불균일 정도가 큼을 알 수 있다.
6은 각 오리피스로부터 방출되는 분류의 거동을 상세히 관찰하기 위해 두 개의 오리피스에 대한 이미지와 PIV 시스템에서 교차상관법(cross-corelation technique)을 적용하여 얻어진 등속도선도 분포를 함께 나타낸 것이다. 등속도선도 분포에서 알 수 있듯이 유동방향에 따라 속도분포가 점차 큰 값을 나타내고 있으며 다공튜브 입구에서 가장 먼 11번 및 12번 오리피스에서 가장 높은 속도분포를 보여주고 있다. 또한 오 리피스로부터 방출되는 분류의 방출각은 입구에서 멀어질수록 점차 수직방향에 가까워짐을 알 수 있다.
면적변화에 따른 1번 및 12번 오리피스직경(d₁ 및 d₁₂)과 변화된 직경에 따른 인접한 두 오리피스 사이의 간격을 Table 1에 나타내었다. 면적비 변화 효과는 다공튜브 길이방향으로 일정한 직경(d = 8 mm)이 설치되어 면적비 변화가 없는 0으로 표시된 경우와 비교를 통하여 확인하였으며, 면적비 변화와 관계없이 차단비는 20.3%로 동일하다.
다공튜브 길이방향에 따른 유량 분포는 균일하지 않고 입구로부터 끝단으로 갈수록 점차 증가하는 경향을 보여주고 있다. 해석 결과 또한 입구근처 오리피스에서 다소 높은 값을 보이지만 전반적으로 유사한 증가 경향을 보여주고 있다. 가장 낮은 유량을 보이는 1번 오리피스와 가장 많은 유량을 방출하는 12번 오리피스 사이에 7배 정도의 유량 차이를 보여주고 있어 오리피스 사이의 유량분포의 불균일 정도가 큼을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다공튜브란 무엇인가?	다공튜브(multi-perforated tube)란 긴 원형 또는 각형 튜브 표면에 다양한 형태의 구멍이 다수 존재하는 것으로, 표면에 설치된 구멍은 튜브 표면적에 비하여 크기가 작아 일반적으로 오리피스라고 부른다. 다공튜브는 표면에 설치된 오리피스 개수 만큼 나누어 유량을 분출하는 유량 분배기 역할을 수행할 수 있어 산업전반에 널리 활용되고 있다.
	다공튜브가 산업전반에 널리 활용되는 이유는 무엇인가?	다공튜브(multi-perforated tube)란 긴 원형 또는 각형 튜브 표면에 다양한 형태의 구멍이 다수 존재하는 것으로, 표면에 설치된 구멍은 튜브 표면적에 비하여 크기가 작아 일반적으로 오리피스라고 부른다. 다공튜브는 표면에 설치된 오리피스 개수 만큼 나누어 유량을 분출하는 유량 분배기 역할을 수행할 수 있어 산업전반에 널리 활용되고 있다.(1, 2)
	Urea-SCR 시 스템에서 분사된 요소수로부터 생성된 암모니아니는 어떤 원리를 갖고 있는가?	(7-9) Urea-SCR 시 스템은 배기가스 오염물질인 NOx를 저감하기 위한 방법으로써 요소수(Urea-water solution)를 분사장치를 통해 배기관 내에 정밀하게 분사시킨다. 분사된 요소수는 배기가스 열에 의해 열분해 되어 암모니아(NH3)로 변환되며, 생성된 암모니아는 SCR 촉매에서 질소산화물(NOx)과 반응하여 인체에 무해한 물과 질소로 분해하는 원리를 갖고 있다.(10)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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