본 논문에서는 타공판으로 구성된 필터의 전부 또는 일부를 다공성 매질로 대체하고 Forchheimer 법칙에 따라 판의 수직방향과 횡방향으로 손실계수를 부과하여 스트레이너를 지나는 유동의 압력 강하량를 정확히 예측할 수 있는 다공성모델링 기법을 적용하고 그 유효성을 확인하였다. 먼저 간단한 파이프 유동 해석을 통하여 수직방향 손실계수를 구하였다. 이어 필터 내에 반복되는 타공판 형상과 유동손실특성을 공유할 수 있는 단위주기 형상을 설정하고, 설정된 단위형상에 대하여 원형과 다공성모델 수치모사를 각각 수행한 후, 얻어진 두 결과를 서로 비교하여 횡방향 손실계수를 구하였다. 적용된 다공성모델링 기법을 검증하기 위하여 스트레이너 전체형상에 대하여 다공성모델 수치모사를 수행하였으며, 그 해석결과를 원형 수치모사 결과와 직접 비교하였다. 비교 결과, 다공성모델링 기법은 압력 강하량과 유동특성을 비교적 정확히 예측하였으며 계산비용과 직결되는 노드 수는 약 3~4배 정도 줄일 수 있었다.
본 논문에서는 타공판으로 구성된 필터의 전부 또는 일부를 다공성 매질로 대체하고 Forchheimer 법칙에 따라 판의 수직방향과 횡방향으로 손실계수를 부과하여 스트레이너를 지나는 유동의 압력 강하량를 정확히 예측할 수 있는 다공성모델링 기법을 적용하고 그 유효성을 확인하였다. 먼저 간단한 파이프 유동 해석을 통하여 수직방향 손실계수를 구하였다. 이어 필터 내에 반복되는 타공판 형상과 유동손실특성을 공유할 수 있는 단위주기 형상을 설정하고, 설정된 단위형상에 대하여 원형과 다공성모델 수치모사를 각각 수행한 후, 얻어진 두 결과를 서로 비교하여 횡방향 손실계수를 구하였다. 적용된 다공성모델링 기법을 검증하기 위하여 스트레이너 전체형상에 대하여 다공성모델 수치모사를 수행하였으며, 그 해석결과를 원형 수치모사 결과와 직접 비교하였다. 비교 결과, 다공성모델링 기법은 압력 강하량과 유동특성을 비교적 정확히 예측하였으며 계산비용과 직결되는 노드 수는 약 3~4배 정도 줄일 수 있었다.
In the present paper, we apply a porous modelling technique to accurately predict the pressure drop through the strainer by replacing all or some of the filter composed of perforated plates with porous media and there imposing the streamwise and transverse loss coefficients required according to the...
In the present paper, we apply a porous modelling technique to accurately predict the pressure drop through the strainer by replacing all or some of the filter composed of perforated plates with porous media and there imposing the streamwise and transverse loss coefficients required according to the Forchheimer law and then confirm its effectiveness. At first, the streamwise coefficient is obtained by performing a simple simulation on the pipe flow mimicking the hole flow. Subsequently, the transverse coefficient is obtained by setting a unit pattern to have common flow loss characteristics with the repeated shape patterns in the filter, then performing numerical simulations on the prototype and porous model of the unit shape pattern, and finally comparing their results of pressure drop. To validate the applied modeling technique, we perform the numerical simulation with the two specified loss coefficients on a whole shape of strainer and compare the modeling results with those of the corresponding prototype numerical simulation. Comparison indicates that the modeling technique can predict the pressure drop and flow characteristics comparatively accurately and save the number of nodes closely related to the computational cost (CPU and memory) by about 3~4 times compared with the prototype simulation.
In the present paper, we apply a porous modelling technique to accurately predict the pressure drop through the strainer by replacing all or some of the filter composed of perforated plates with porous media and there imposing the streamwise and transverse loss coefficients required according to the Forchheimer law and then confirm its effectiveness. At first, the streamwise coefficient is obtained by performing a simple simulation on the pipe flow mimicking the hole flow. Subsequently, the transverse coefficient is obtained by setting a unit pattern to have common flow loss characteristics with the repeated shape patterns in the filter, then performing numerical simulations on the prototype and porous model of the unit shape pattern, and finally comparing their results of pressure drop. To validate the applied modeling technique, we perform the numerical simulation with the two specified loss coefficients on a whole shape of strainer and compare the modeling results with those of the corresponding prototype numerical simulation. Comparison indicates that the modeling technique can predict the pressure drop and flow characteristics comparatively accurately and save the number of nodes closely related to the computational cost (CPU and memory) by about 3~4 times compared with the prototype simulation.
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문제 정의
그렇지만 그들은 직접수치 모사의 높은 비용 때문에 단 하나의 구멍만이 존재하는 경우(반복형상)를 해석하였기 때문에 그들의 연구를 스트레이너 전체형상에 적용하기는 매우 어렵다. 본 논문에서는 스트레이너 안에 내장되어 있는 필터나 타공판(perforated plates)의 전부 또는 일부를 다공성 매질로 가정하고 Forchheimer 법칙을 채택하여 산업용 스트레이너를 지나는 유동의 압력 강하량을 정확히 예측하는 다공성모델링 기법을 적용하여 그 유효성을 확인하였다. 지금까지 다공성 매질을 지나는 유동에 대한 연구는 많이 이루어졌으나[2]-[10], 이를 타공형 스트레이너(perforated-type strainer)에 직접 적용한 연구는 문헌에서 거의 찾을 수 없다.
반면에 횡방향 손실계수는 수직방향 손실계수에 비하여 구하기가 매우 어렵다. 본 연구에서는 타공판 위에 뚫려있는 구멍들이 규칙적으로 배열되어 있다는 사실에 착안하여 적절한 수치모사를 활용하여 구하는 방법을 제안한다[1]. 먼저 구멍들이 규칙적으로 배열되어 있기 때문에 유동손실 특성을 공유할 수 있는 최소한의 단위주기 형상을 가진 타공판만을 설정한다.
가설 설정
경사면의 경우에는 φ8의 크기를 가진 다수의 구멍들이 일정한 규칙으로 배열되어 있기 때문에 본 연구에서는 이 부분 전체를 다공성 매질로 가정하였다.
먼저 수직방향 손실계수 Kloss,n은 타공판에 뚫린 구멍을 지나는 유동을 일반 파이프유동으로 가정하고, 이 유동에 대하여 간단한 수치모사를 수행하면 구해질 수 있다. 파이프의 직경과 평균 유동속도는 타공판 구멍의 경우와 동일하게 설정한다.
유동해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX를 사용하여 이루어졌다. 스트레이너를 포함한 유동시스템에 사용되는 작동유체는 25℃의 물(water)로 가정하였다. 뿐만 아니라 본 연구에서는 3가지 형태의 서로 다른 유동해석(수치모사)을 수행해야만 한다.
제안 방법
2. Forchheimer 법칙을 적용하기 위하여 간단한 파이프유동 해석을 통하여 수직방향 손실계수를 구하였다. 이어 필터 내에서 반복되는 형상을 대표할 수 있는 단위형상을 설정한 후 원형과 다공성모델에 대하여 각각 유동해석을 수행하고, 원형과 모델 수치모사 사이에 해석결과를 서로 비교하여 횡 방향 손실계수를 구하였다.
이어 설정된 단위주기 형상에 대하여 원형 수치모사를 수행한 후 정확한 압력 강하량을 구한다. 그리고 동일한 조건에 대하여 횡방향 손실계수 비를 바꾸어가면서 다공성모델 수치모사를 수행하고 압력 강하량을 구한다. 최종적으로 원형 수치모사와 같은 압력 강하량을 가져다주는 손실계수 비와 이에 해당되는 횡방향 손실계수가 우리가 구하고자 하는 최종 값이 된다.
본 논문에서는 앞서 설명한 바와 같이 타공판을 기준으로 수직방향과 횡방향 손실계수(loss coefficients)가 필요한데, 이러한 손실계수들을 수치적으로 간단히 구하는 방법을 역시 설명한다. 끝으로 적용된 다공성모델링 기법을 검증하기 위하여 스트레이너 전체형상에 대하여 원형 수치모사와 다공성모델 수치모사를 각각 수행하였으며, 얻어진 수치모사 결과들을 서로 비교한다.
다공성 매질에 부과할 수직방향 손실계수(Kloss,n)를 측정하기 위하여 타공판 구멍과 같은 크기인 φ8 직경과 충분한 길이를 가지는 파이프 유동에 대하여 유동해석을 수행하였다.
본 논문에서 제시한 다공성모델링 기법의 유효성을 검증하기 위하여 단위주기 형상에 대한 수치모사로부터 얻어진 손실계수를 부과하여 스트레이너 전체형상에 대한 다공성모델 수치모사를 수행하였다. 동시에 모델링의 성능을 평가하기 위해 같은 형상과 조건에 대해서도 원형 수치모사를 역시 수행하였다.
따라서 Forchheimer 법칙을 적용할 때 두 가지 종류의 서로 다른 손실계수가 필요하며, 이 때문에 방향에 따라 서로 다른 손실계수를 부과하는 방향성손실 모델(directional loss model)을 적용해야만 한다. 본 논문에서는 앞서 설명한 바와 같이 타공판을 기준으로 수직방향과 횡방향 손실계수(loss coefficients)가 필요한데, 이러한 손실계수들을 수치적으로 간단히 구하는 방법을 역시 설명한다. 끝으로 적용된 다공성모델링 기법을 검증하기 위하여 스트레이너 전체형상에 대하여 원형 수치모사와 다공성모델 수치모사를 각각 수행하였으며, 얻어진 수치모사 결과들을 서로 비교한다.
물론 길이, 높이 및 두께는 서로 동일하다. 설정된 단위주기 형상에 대하여 먼저 원형 수치모사를 수행하였으며, 부과된 경계조건은 Table 1에 나타내었다. 이어 동일한 경계조건을 부과하고 다공성모델 수치모사를 역시 수행하였다.
Figure 11은 전체형상의 원형과 다공성모델에 대하여 어느 수평 단면 위 필터 주위에 발생시킨 격자 모습을 보여주고 있다. 스트레이너 해석을 위해 연장한 입구 및 출구 측의 관로에는 단순한 형상 때문에 정렬 격자(structured mesh)를 그리고 스트레이너 몸체 부분에는 복잡한 형상 때문에 사면체 격자(tetrahedral mesh)를 사용하였다. 참고로 본 수치모사에서는 원형의 경우 약 1300만개를 그리고 다공성모델의 경우 약 400만개의 노드를 사용하였다.
앞서 제시한 다공성모델링 기법을 스트레이너 압력강하 해석에 적용하였으며, 본 절에서는 그 과정과 결과를 상세히 소개한다.
이때 앞서 구한 수직방향 손실계수를 부과하였으며, 횡방향 손실계수 비 α을 바꾸어 가면서 다공성모델 수치모사를 수행하고 압력 강하량을 계산하였다.
설정된 단위주기 형상에 대하여 먼저 원형 수치모사를 수행하였으며, 부과된 경계조건은 Table 1에 나타내었다. 이어 동일한 경계조건을 부과하고 다공성모델 수치모사를 역시 수행하였다. 이때 앞서 구한 수직방향 손실계수를 부과하였으며, 횡방향 손실계수 비 α을 바꾸어 가면서 다공성모델 수치모사를 수행하고 압력 강하량을 계산하였다.
먼저 구멍들이 규칙적으로 배열되어 있기 때문에 유동손실 특성을 공유할 수 있는 최소한의 단위주기 형상을 가진 타공판만을 설정한다. 이어 설정된 단위주기 형상에 대하여 원형 수치모사를 수행한 후 정확한 압력 강하량을 구한다. 그리고 동일한 조건에 대하여 횡방향 손실계수 비를 바꾸어가면서 다공성모델 수치모사를 수행하고 압력 강하량을 구한다.
Forchheimer 법칙을 적용하기 위하여 간단한 파이프유동 해석을 통하여 수직방향 손실계수를 구하였다. 이어 필터 내에서 반복되는 형상을 대표할 수 있는 단위형상을 설정한 후 원형과 다공성모델에 대하여 각각 유동해석을 수행하고, 원형과 모델 수치모사 사이에 해석결과를 서로 비교하여 횡 방향 손실계수를 구하였다.
대상 데이터
본 논문에서 다루는 스트레이너는 S 사에서 제작한 제품으로, 입구 직경이 φ600이다.
스트레이너 해석을 위해 연장한 입구 및 출구 측의 관로에는 단순한 형상 때문에 정렬 격자(structured mesh)를 그리고 스트레이너 몸체 부분에는 복잡한 형상 때문에 사면체 격자(tetrahedral mesh)를 사용하였다. 참고로 본 수치모사에서는 원형의 경우 약 1300만개를 그리고 다공성모델의 경우 약 400만개의 노드를 사용하였다. 이는 전체형상에 대해서 격자-수렴성 시험을 통해 얻어진 최소 필요 노드 수이다.
데이터처리
3. 제안된 다공성모델링 기법을 검증하기 위하여 스트레이너 전체형상에 적용하였으며, 그 모델링 결과를 원형 수치모사 결과와 비교하였다. 비교 결과 제안된 모델링 기법은 압력 강하량뿐만 아니라 속도장 및 압력 분포 등 유동특성을 비교적 정확히 예측하였다.
유동해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX를 사용하여 이루어졌다. 스트레이너를 포함한 유동시스템에 사용되는 작동유체는 25℃의 물(water)로 가정하였다.
이론/모형
1. 본 논문에서 다루고 있는 스트레이너는 매우 빠른 유동속도를 수반하기 때문에(Re≈ 106) 점성효과를 무시하고 관성효과만을 고려하는 Forchheimer 법칙을 적용하여 그 유효성을 확인하였다.
난류 모델로는 k-ε 모델과 k-ω 모델의 장점을 갖는 SST(Shear Stress Transport) 모델을 사용하였다.
본 논문에서 다루는 스트레이너의 입구 유동속도가 매우 빠르기 때문에(Re≈ 106) 점성효과를 무시하고 다음과 같은 순수 Forchheimer 법칙만을 직접 사용한다.
성능/효과
제안된 다공성모델링 기법을 검증하기 위하여 스트레이너 전체형상에 적용하였으며, 그 모델링 결과를 원형 수치모사 결과와 비교하였다. 비교 결과 제안된 모델링 기법은 압력 강하량뿐만 아니라 속도장 및 압력 분포 등 유동특성을 비교적 정확히 예측하였다. 게다가 계산비용도 현저히 줄일 수 있었다.
타공판과 다공성매질 사이에 구조적인 차이가 존재함에도 불구하고 정성적인 압력분포는 매우 잘 일치하였다. 스트레이너를 지나는 압력 강하량은 원형 수치모사와 다공성모델 수치모사에 의해 각각 ∆P = 10,285 Pa과 ∆P = 10,230 Pa로 예측되어 양 결과 사이에는 거의 오차가 없이 매우 정확함을 알 수 있다. Figure 13은 유동속도 분포를 보여주는데, 근본적인 구조 차이(타공판과 다공성매질) 때문에 필터 근처에서 양 결과 사이에 미세한 흐름의 차이는 발생하지만 전체적인 양상은 서로 잘 일치하였다.
최종적으로 원형 수치모사와 모델 수치모사 사이에 가장 근접한 압력 강하량을 가져다주는 횡방향 손실계수를 구하였으며, 그 결과는 α = 14.6이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스트레이너는 어떻게 구성되어 있는가?
선박 및 플랜트에 사용되는 산업용 스트레이너(industrial strainer)는 해수 또는 청수가 유입되는 펌프의 전단부에 설치되어 불순물 유입을 방지하여 내부 기관의 안전운전을 보장하는 대표적인 기자재중 하나이다. 스트레이너는 기본적으로 외면을 둘러싸는 몸체(body)와 내부에 이물질을 여과해 주는 필터(filter)로 구성된다. 필터는 작동유체 내 이물질을 걸러주기 위한 목적으로 사용 되는데, 외부의 필터는 일반적으로 판금(sheet metal)을 가공해 사용한다.
필터의 목적은?
스트레이너는 기본적으로 외면을 둘러싸는 몸체(body)와 내부에 이물질을 여과해 주는 필터(filter)로 구성된다. 필터는 작동유체 내 이물질을 걸러주기 위한 목적으로 사용 되는데, 외부의 필터는 일반적으로 판금(sheet metal)을 가공해 사용한다.
복잡한 형상을 가지는 스트레이너의 압력 강하량을 수치적으로 구하기 어려운 이유는?
최근 대부분의 스트레이너들은 많은 구멍(holes)과 구부림(bending)을 수반하는 등 필터의 형상이 매우 복잡하다. 이러한 스트레이너를 지나면서 발생하는 압력 강하량을 수치적으로 구하기 위해서는 원형 또는 직접 수치모사(prototype or direct numerical simulations)가 필요하나 이는 너무 높은 계산비용 때문에 수행하기가 매우 어렵거나 거의 불가능하다. 따라서 복잡한 형상을 가지는 스트레이너의 경우 원형 수치모사 대신 필터의 일부 또는 전체 영역을 다공성 매질(porous media)로 대체하여 해석하는 등 모델링 기법을 사용하는 것이 가장 경제적인 방법이라 할 수 있다.
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