[논문]전산유체역학을 이용한 교반 탱크 내에서의 회전유동에 대한 해석 모델의 제안 및 검증

황승식; 조환용; 최규홍; 신동훈; 정태용

doi:10.5855/energy.2013.22.1.028

전산유체역학을 이용한 교반 탱크 내에서의 회전유동에 대한 해석 모델의 제안 및 검증
Suggestion of the Analysis Model and Verification on Rotating Flow in Stirred Tanks Using CFD 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.22 no.1 = no.73, 2013년, pp.28 - 37

황승식 (국민대학교 기계공학과) , 조환용 (국민대학교 대학원 기계공학과) , 최규홍 (국민대학교 기계공학과) , 신동훈 (국민대학교 기계공학과) , 정태용 (국민대학교 기계공학과)

초록
AI-Helper

교반 탱크(stirred tank)는 회전하는 임펠러(impeller)를 이용하여 단상 또는 다상의 유체를 지속적으로 유동시키는 장치로 여러 산업분야에 활용되고 있다. 우수한 성능의 교반기를 설계하기 위해서는 교반 성능에 영향을 미치는 다양한 내부유동특성의 정량적 데이터의 확보가 반드시 필요하지만, 복잡한 구조의 내부유동에 관한 정량적 해석은 현재까지 어려운 문제로 인식되고 있다. 본 연구에서는 전산유체 해석을 통해 교반 탱크에 적합한 기법을 제안하기 위해 Flunet 6.3의 두 가지 모델을 사용하였다. mixture model을 이용하여 교반 탱크 혼합을 해석하였으며, standard, k-${\varepsilon}$ model을 이용하여 교반 탱크 내의 유동을 해석하였다. 해석 기법으로는 다중 좌표계(Multiple Reference Frame)와 이동 격자(Sliding Mesh) 기법을 이용하였다. 전산유체해석 결과를 가시화 실험 결과와 비교하여 교반 탱크의 내부 유동 및 혼합 특성을 파악하고, 교반 탱크 내부 유동 해석 시 적절한 해석기법 선정의 기초자료를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Stirred tank is widely used in various industries for mixing operations and chemical reactions for single- or multi-phase fluid systems. For designing agitator of high performance, quantity data of internal flow characteristics influenced by mixing performance are definitely confirmed but quantity analysis about the transient flow characteristics of complicate structure is recognized as difficult problem in the present. In this study, two models of commercial CFD code Fluent 6.3 used to propose suitable for the tank analysis. Agitation of Stirred tank is analyzed using a mixed model and the flow in the stirred tank is analyzed using a standard k-${\varepsilon}$ model. Multiple reference frame(MRF) and Sliding mesh(SM), the analysis techniques were used For compare a result of CFD with a visualization experiment result, to grasp internal flow and mixing characteristic in stirred tank and to present fundamental analysis method.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

가시화 실험은 교반 탱크 내의 유체가 임펠러의 회전에 의해 완전히 혼합된 이후에 진행하여야 하므로 선행 실험으로 교반 탱크 내의 유체가 임펠러의 회전에 의해 완전히 혼합되는 시간을 파악하기 위한 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험은 먼저 각 모델을 통해 적절한 해석 결과를 얻기 위한 해석 기법으로 다중 좌표계(MRF:Multiple Reference Frame, 이하 MRF라 함)와 이동 격자(SM:Sliding Mesh, 이하 SM 이라 함) 기법을 이용하였다. 이러한 해석과 가시화 실험결과의 비교를 통해 교반 탱크의 내부 유동 및 혼합 특성을 파악하고, 교반 탱크 내부 유동 해석 시 적절한 해석기법 선정의 기초자료를 제시하고자 한다.

가설 설정

후)교반탱크의">교반 탱크의 혼합 성능을 예측하기 위하여 일반적인 다상 모델인 mixture model을 사용하여 시간별 탄산칼슘의 체적분율을 해석하였다. 탄산칼슘의 양은 전체 물의 높이의 5 % 높이에 탄산칼슘의 체적분율을 0.6이라고 가정하였다.

제안 방법

후)유동해석을">유동 해석을 위해 standard, k-ε 모델을 사용하였다. 각각의 모델에서 임펠러의 회전이 미치는 영향을 해석하기 위한 기법으로 MRF와 SM을 이용하여 그 결과를 비교 하였다.
후)격자형상을">격자 형상을 나타낸 것이다. 격자 구성 시 고속으로 회전하는 임펠러 주위의 격자는 T-Grid를 이용하여 interval size 0.5 mm로 격자를 구성하였고, 그 외의 영역은 edge 성분의 interval size를 0.5 mm로 설정하여 Hex와 Hex copper 격자로 구성하였다. Table 3은 후)교반탱크의">교반 탱크의 혼합 성능을 예측하기 위하여 일반적인 다상 모델인 mixture model을 사용하여 시간별 탄산칼슘의 체적분율을 해석하였다. 탄산칼슘의 양은 전체 물의 높이의 5 % 높이에 탄산칼슘의 체적분율을 0.
두 번째는 가시화 실험의 추적 입자로서 탄산칼슘 소량을 물에 넣은 후 각각의 임펠러를 180 rpm으로 구동하면서 1,000 FPS로 촬영하였다.
본 연구에 사용한 실험장치는 Harvey III⁷⁾ , Al-Rashed⁸⁾, Pneerselvam R⁹⁾, Kanimoyama M¹⁰⁾ 등의 기존의 연구에서 다루어진 기하학적 형상을 참조 하여 교반 탱크를 소형화하였다. Fig.
가시화 실험은 교반 탱크 내의 유체가 임펠러의 회전에 의해 완전히 혼합된 이후에 진행하여야 하므로 선행 실험으로 교반 탱크 내의 유체가 임펠러의 회전에 의해 완전히 혼합되는 시간을 파악하기 위한 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험은 먼저 교반 탱크 내에 수치해석에서 가정한 탄산칼슘과 동일한 양(물의 높이의 5 %, 체적분율 60%)의 탄산칼슘을 넣어 침전시킨 후 각각의 임펠러를 180 rpm으로 구동하면서 완전히 혼합되는 시간을 25 FPS(frame/sec)로 촬영하여 측정하였다.

대상 데이터

가시화를">참조). 가시화를 위한 추적입자로는 탄산칼슘 (CaCO₃)을 사용하였다(Fig 2. (c) 참조).
실험에 사용된 교반기의 회전속도는 180 rpm으로 고정하였으며, 임펠러의 형태는 pitched paddle type과 rushton turbine type을 이용하였다(Fig 2. (b)
이론/모형
- 후)유동속도">유동 속도 분포 해석에는 standard, k-ε model을 사용하였다. 각 모델을 통해 적절한 해석 결과를 얻기 위한 해석 기법으로 다중 좌표계(MRF:Multiple Reference Frame, 이하 MRF라 함)와 이동 격자(SM:Sliding Mesh, 이하 SM 이라 함) 기법을 이용하였다. 이러한 해석과 가시화 교반 탱크 혼합 실험을 확인하기 위해 Fluent 6.3(11)의 mixture model을 사용하였으며, 유동 해석을 위해 standard, k-ε 모델을 사용하였다.
- 후)획득 시간을">획득시간을 단축할 수 있으며, 일단 해석 모델에 대한 격자가 완성되면 실제 상황에 맞는 해석기법을 이용해 다양한 운전조건에 따른 결과를 쉽게 얻을 수 있다. 교반기의 임펠러 형상 및 회전 속도별 전산유체역학 해석에 관한 연구를 수행한 이⁶⁾ 등은 CFD 해석을 위한 상용 코드로 ANSYS CFX 11.0을 사용하였다.
- 본 연구에서는 교반 탱크의 혼합 성능과 유동 속도 분포에 대한 CFD 해석을 위해 Fluent 6.311)을 사용하였으며, 교반 탱크의 혼합 성능 해석에는 mixed model을 사용하였고, 유동 속도 분포 해석에는 standard, k-ε model을 사용하였다.

성능/효과

1) 다상 모델 중 mixture model을 이용하여 시간별 탄산칼슘의 분포를 전산 유체해석한 결과 임펠러의 종류가 같으면 해석 기법에 관계없이 교반 탱크 전체에 탄산칼슘이 분포하게 되는 시간은 동일하게 나타났으며, rushton turbine type이 pitched paddle type 보다 교반이 더 빠르게 이루어짐을 확인할 수 있었다.
2) 교반 성능에 대하여 mixture model이 교반 형태를 예측하는 적절한 방법인 것을 알 수 있었다.
4) 전산 유체해석 및 가시화 실험을 비교한 결과 교반 탱크 내의 유동처럼 움직이는 물체를 위한 전산 유체해석 기법에는 물리적 현상을 더 유사하게 표현하는 SM 기법이 적절함을 확인할 수 있었다.
가시화 실험 결과 최대 속도는 2.04 m/s로 나타났으나 해석 결과 최대 속도는 1.8 m/s로 나타났다. 임펠러 상부에서 임펠러에 의해 토출되는 유동과 임펠러 하부에서 임펠러에 의해 토출되는 유동은 비슷한 경향을 보이고 있으나, 상하부에서 임펠러로 흡입되고 순환하는 SM 기법과는 달리 MRF 기법은 상부로는 토출되는 유동을 나타내고 있으며, 하부에서는 흡입되는 주된 유동만 관찰되고 있다.
가시화">것이다. 가시화 실험 결과 최대 속도는 4.0 m/s로 나타났으나 해석 결과 최대 속도는 3.0 m/s로 나타났다.
후)교반탱크">교반 탱크 내부의 유동 해석 및 가시화 실험의 비교를 통해 MRF 기법과 SM 기법 모두 유체가 임펠러로 흡입되어 벽면으로 토출되는 전체적인 순환 패턴 및 임펠러 회전날개 끝단에서의 유체속도를 유사하게 예측하였다.
후)교반탱크의">교반 탱크의 경우 MRF 기법에 비해 SM 기법이 더 적절함을 알 수 있다. 또한 해석결과와 실험 결과를 비교한 결과 시간에 따른 교반 탱크 내부 비정상 유동 패턴의 파악 및 탄산칼슘 분포를 통해서 SM 기법이 MRF 기법에 비해 내부 유동 형태에 대한 정확한 예측이 가능할 것으로 파악되었다.
3) Standard, k-ε 모델을 이용하여 교반 탱크 내의 유동 속도를 해석한 결과 임펠러의 종류에 관계없이 MRF 기법보다 SM 기법이 가시화 실험의 결과와 유사함을 보였다.
실험 결과 rushton turbine type이 pitched paddle type보다 벽면의 회전유동이 발생되기까지 소요되는 시간 및 임펠러로 흡입 후 벽면 전체로 퍼지는데 소요되는 시간이 짧은 것을 확인할 수 있었다.
실험 결과 거시적으로 투명하던 교반 탱크 내부에 탄산칼슘이 골고루 분포할 때까지의 시간을 측정한 결과, pitched paddle type은 약 25 s, rushton turbine type은 약 12 s가 소요되었다. Paddle의 설치 각도로 인하여 하부로 유입되는 높은 유속의 유동에 상부에서 흡입되는 유동의 일부가 유입되어 벽면 쪽으로 토출되는 현상을 볼 수 있다. 이러한 유동에 의해 상부의 유동이 하부로 가지 못하고 상부 쪽에서 회전하고 있으며 벽면으로 토출되는 유속이 임펠러 주위의 유속보다 느린 것을 확인할 수 있었다.
후)전산해석결과와">전산 해석결과와 가시화 실험결과의 비교 결과 MRF 기법보다 SM 기법이 더 유사한 것으로 나타났다.
후)전산해석결과와">전산 해석결과와 실험결과와의 비교 결과 MRF 기법보다 SM 기법이 더 유사한 것으로 나타났다.
전체적인 속도분포와 임펠러 상하부의 속도분포는 MRF 기법과 SM 기법이 거의 유사하게 나타났다. 하지만 탱크 벽면을 따라 회전하는 유동은 MRF 기법에 비해 SM 기법으로 해석한 결과가 가시화 결과와 비슷하게 나타났다.
후)교반탱크">교반 탱크 내부 벽으로 토출되는 경향을 보이고 있다. 토출되는 유속은 임펠러 근처에서의 최대 유속과 동일함을 확인할 수 있다.

후속연구

따라서, MRF 기법은 회전체 형상 효과가 중요하지 않은 유동에 대한 해석에 적절할 것이라 판단된다. 즉, 형상 효과가 무시되는 경우 특정 시점의 유동장을 나타내는 MRF 기법의 해석결과를 정상상태의 유동장으로 간주하여도 무방할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전산유체 해석을 통해 교반 탱크 내에서의 회전유동에 대한 해석모델의 제안 및 검증 연구의 결과는?	1) 다상 모델 중 mixture model을 이용하여 시간별 탄산칼슘의 분포를 전산 유체해석한 결과 임펠러의 종류가 같으면 해석 기법에 관계없이 교반 탱크 전체에 탄산칼슘이 분포하게 되는 시간은 동일하게 나타났으며, rushton turbine type이 pitched paddle type 보다 교반이 더 빠르게 이루어짐을 확인할 수 있었다. 2) 교반 성능에 대하여 mixture model이 교반 형태를 예측하는 적절한 방법인 것을 알 수 있었다. 3) Standard, k-? 모델을 이용하여 교반 탱크 내의 유동 속도를 해석한 결과 임펠러의 종류에 관계 없이 MRF 기법보다 SM 기법이 가시화 실험의 결과와 유사함을 보였다. 4) 전산 유체해석 및 가시화 실험을 비교한 결과 교반 탱크 내의 유동처럼 움직이는 물체를 위한 전산 유체해석 기법에는 물리적 현상을 더 유사하게 표현하는 SM 기법이 적절함을 확인할 수 있 었다.
	교반 탱크는 어떤 장치인가?	교반 탱크는 회전하는 임펠러를 이용하여 단상 또는 다상의 유체를 지속적으로 유동시켜 균질하게 혼합시키는 장치이다. 성능이 우수한 교반기를 설계 하기 위해서는 교반성능에 영향을 미치는 다양한 내부 유동특성의 정량적 데이터의 확보가 필요하나, 3차원 비정상 유동특성을 나타내는 복잡한 구조의 내부유동에 관한 정량적 해석은 현재까지 어려운 문제로 인식되고 있다.
	전산유체 해석을 통해 교반 탱크 내에서의 회전유동에 대한 해석모델의 제안 및 검증 연구에 사용된 해석 기법은?	311)을사용하였으며, 교반 탱크의 혼합 성능 해석에는 mixed model을 사용하였고, 유동 속도 분포 해석에는 standard, k-? model을 사용하였다. 각 모델을 통해 적절한 해석 결과를 얻기 위한 해석 기법으로 다중 좌표계(MRF:Multiple Reference Frame, 이하 MRF라 함)와 이동 격자(SM:Sliding Mesh, 이하 SM 이라 함) 기법을 이용하였다. 이러한 해석과 가시화 실험결과의 비교를 통해 교반 탱크의 내부 유동 및 혼합 특성을 파악하고, 교반 탱크 내부 유동 해석 시 적절한 해석기법 선정의 기초자료를 제시하고자 한다.

참고문헌 (11)

Harvey III, A. D., and Rogers, S. E. "Steady and unsteady computation of impeller-stirred reactors", AIChE J., 1996, Vol. 42, pp. 2701-2712

상세보기
Fentiman K. Ng, J. N., Lee K. C., and Yianneskis, M., "Assessment of sliding mesh CFD predictions and LDA measurements of the flow in a tank stirred by a Rushton impeller", Chem. Eng. Res. Des., 1998, Vol. 76, pp. 737-747

상세보기
Al-Rashed, M. H., and Jones, A. G., "CFD modelling of gas-liquid reactive precipitation", Chem. Eng. Sci., 1999, Vol. 54, pp. 4779-4784

상세보기
Panneerselvam, R., Savithri, S., and Surender, G. D., "CFD modeling of gas-liquid-solid mechanically agitated contactor", Chem. Eng. Res. Des., 2008, Vol. 86, pp. 1331-1344

상세보기
Hirata, Y. and Y. Aoshima, "Formation and growth of cavern in yield stress fluids agitated under baffled and non-baffled conditions", Chem. Eng. Res. Des., 1996, Vol. 74a, pp. 438-444
이승엽, 전현태, 남청도, 이영호, "교반기의 임펠러 형상 및 회전속도별 CFD 해석", 대한기계학회 부산지부, 2007년도 춘계학술대회 논문집, pp. 29-34
Harvey III. A.D., Rogers S.E, "Steady and unsteady computation of impeller-stirred reactors", AIChE, Journal, 1996, Vol. 42, pp. 2701-2712

상세보기
Al-Rashed M.H., Jones A.G., "CFD modelling of gas}liquid reactive precipitation", Chemical Engineering Science, 1999, Vol. 54, pp. 4779-4784

상세보기
Pneerselvam R., Savithri S., Surender G.D, "CFD modeling of gas？liquid？？solid mechanically agitated contactor", Chemical Engineering Research and Design, 2008, Vol. 86, pp. 1331-1344

상세보기
Kaminoyama M., Nishi K., Misumi. R, Inue. T, "Numerical analysis of the mixing process of heterogeneously viscous system with high concentration slurry liquids in s stirred vessel", Journal of chemical engineering of Japan, 2007, Vol 80, No. 8, pp. 645-651
Fluent 6.3 User Guide, Fluent Inc., 2006.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증