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문제 정의
- 0을 이용한 해석을 통해 실험에서의 수력, 흡입 성능과 비교를 수행하였다. 또한 내부유동과 캐비테이션의 발달 과정, 캐비테이션이 펌프 성능에 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다.
제안 방법
- 본 연구에서는 2차 유로와 볼류트 등을 제외한 터보펌프 인듀서와 임펠러에서 캐비테이션을 고려한 유동해석을 수행하였다. 해석에는 RANS 식을 풀어 다양한 환경에서의 유동장을 해석할 수 있는 상용해석프로그램 ANSYS CFX 13.
- 본 연구에서는 터보펌프 인듀서와 임펠러에 대해서 혼합면 기법을 사용하여, 캐비테이션을 고려하지 않은 경우와 고려한 경우에 대해서 정상해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 본 연구에서는 항공우주연구원에서 제공받은 터보펌프 인듀서와 임펠러에 대해서 ANSYS CFX 13.0을 이용한 해석을 통해 실험에서의 수력, 흡입 성능과 비교를 수행하였다. 또한 내부유동과 캐비테이션의 발달 과정, 캐비테이션이 펌프 성능에 미치는 영향에 대해서도 살펴보았다.
- 해석은 실험에서의 회전수와 같은 8310 rpm으로 회전하는 프레임에서 수행되었다. 인듀서와 임펠러는 같은 속도로 회전하지만 블레이드 개수가 다르므로 인듀서와 임펠러의 격자를 각각 제작하여 경계면에는 혼합면 기법을 사용하였다. 경계조건으로 인듀서 입구에는 전압을, 임펠러 출구에는 유량을 주었다.
- 입구 압력을 낮추게 되면 흡입수두가 낮아져 캐비테이션이 발생, 성능 저하가 일어난다. 입구 압력을 조절, 캐비테이션 수를 낮추어가며 흡입 성능을 관찰하였다. 흡입성능은 표준화된 수두를 사용하여 각 유량에서 캐비테이션 미발생 시의 수두를 기준으로 무차원화하여 90 %, 100 %, 110 % 설계 유량에서의 결과를 차례로 1.
- 쉬라우디드 타입인 임펠러와 달리, 언쉬라우디드 타입인 인듀서의 경우 팁간극에서 압력면과 흡입면의 압력차로 인한 역류가 발생하므로 발생한 역류로부터 입구가 영향을 받지 않도록 입구의 위치를 인듀서 전연으로부터 인듀서 직경 크기의 5배 앞에 설정하였다. 출구는 계산 안정성을 위하여 임펠러 블레이드 후연 이후 유로면적이 일정하게 유지되도록 유로의 높이가 점진적으로 줄어드는 디퓨저 형태로 설계하였다.
- 펌프의 수력 성능 측정을 위해 캐비테이션이 일어나지 않을 정도의 큰 입구 압력에서 유량을 바꾸어가며 해석을 진행하였다. 가장 역류가 많이 발생하는 설계 유량의 50 %의 저유량 경우에 대하여 속도 분포를 살펴본 결과, Fig.
대상 데이터
- 0이 사용되었다. 격자 생성은 ANSYS TurboGrid 13.0을 사용하여 1개의 블레이드를 포함하는 유로에 대해서 인듀서와 임펠러 각각 57만개와 35만개의 육면체로 이루어진 격자를 Fig. 2와 같이 생성하였다. 쉬라우디드 타입인 임펠러와 달리, 언쉬라우디드 타입인 인듀서의 경우 팁간극에서 압력면과 흡입면의 압력차로 인한 역류가 발생하므로 발생한 역류로부터 입구가 영향을 받지 않도록 입구의 위치를 인듀서 전연으로부터 인듀서 직경 크기의 5배 앞에 설정하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 2차 유로와 볼류트 등을 제외한 터보펌프 인듀서와 임펠러에서 캐비테이션을 고려한 유동해석을 수행하였다. 해석에는 RANS 식을 풀어 다양한 환경에서의 유동장을 해석할 수 있는 상용해석프로그램 ANSYS CFX 13.0이 사용되었다. 격자 생성은 ANSYS TurboGrid 13.
이론/모형
- (8) 난류모델은 동일한 인듀서 단독 해석에서 실험 결과와 가장 잘 일치한 것으로 나타난 standard k-ε 모델을 사용하였다.
- 본 연구에 사용된 ANSYS CFX 13.0에서 캐비테이션 해석에는 동차 다상(Homogeneous multiphase) 모델이, 액체 상과 기체 상 간의 물질 전달 모델로서 Rayleigh-Plesset 모델이 사용된다. Rayleigh-Plesset 모델은 액체 내 기체 생성과 소멸을 결정하는 기준이 되며 액체 속에서 기포의 성장은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.
성능/효과
- 1) 캐비테이션을 고려하지 않은 경우, 유량이 감소함에 따라서 양정이 상승하였고, 최대효율은 고유량에서 나타났다. 해석에서 볼류트 및 누설 유량을 고려하지 않아 실험과 오차가 발생하였으나 양정, 효율 곡선의 전체적인 경향성은 일치하였다.
- 2) 캐비테이션을 고려한 경우, 해석과 실험 모두에서 유량에 관계없이 캐비테이션 수가 감소함에 따라 일정 캐비테이션 수보다 작아지면 급격한 양정 저하를 보이는 양수불능 현상이 관찰되었으며 이는 고유량으로 갈수록 더 큰 캐비테이션 수에서 발생하였다.
- 3) 인듀서의 양정 저하는 비교적 큰 캐비테이션 수에서 발생하나 임펠러의 양정 저하는 더 낮은 캐비테이션 수에서 발생한다. 인듀서가 캐비테이션으로 인하여 양정 저하가 일어나고 제 기능을 못하는 경우, 임펠러에서 양정 저하가 발생하기 전까지는 임펠러에서 캐비테이션이 발생하지 않을 때보다 더 높은 압력 상승으로 보상해주어 펌프의 성능저하가 거의 일어나지 않았다.
- 4) 캐비테이션 수가 낮아지면서 임펠러 전연의 저압영역이 확장되며 블레이드 캐비테이션이 발생하였다. 양정 저하 직전까지는 임펠러 허브쪽에 캐비테이션이 집중되어 있으나, 양정 저하 이후에는 쉬라우드쪽에 큰 캐비테이션이 발생한다.
- 펌프의 수력 성능 측정을 위해 캐비테이션이 일어나지 않을 정도의 큰 입구 압력에서 유량을 바꾸어가며 해석을 진행하였다. 가장 역류가 많이 발생하는 설계 유량의 50 %의 저유량 경우에 대하여 속도 분포를 살펴본 결과, Fig. 3에서 보이는 바와 같이 인듀서 전연 상류로 인듀서 직경 크기의 약 3배 정도까지 역류가 크게 발생하였으나 입구에는 영향을 미치지 않은 것으로 보아 유동의 영향을 받지 않는 곳에 입구가 위치되었다고 판단되었다. 유량에 따른 양정곡선과 효율곡선을 Fig.
- 6에 나타낸 흡입 성능 곡선은 인듀서 입구로부터 임펠러 출구까지 상승된 양정을 바탕으로 한 전체 펌프에 대한 흡입 성능이다. 그 결과, 실험에 비해 계산에서 양정이 감소하기 시작하는 캐비테이션 수가 낮았지만 고유량일수록 높은 캐비테이션 수에서 양정이 감소되는 경향은 실험 및 인듀서의 경향과 같았고, 인듀서에서 양정 감소 시의 기울기보다 더 급격한 기울기로 양정이 감소하는 모습을 보여주었다. 그러나 양정이 감소하기 시작하는 캐비테이션 수에 있어서 실험과 해석 간의 차이가 있었으며 그 이유는 유체 내 불응축 가스의 함유량이 다르고, 실험에서는 유체 내로 공기가 내포되어 캐비테이션 발생의 정도가 달라질 수 있기 때문이다.
- 5의 흡입 성능 곡선은 인듀서 입구로부터 인듀서와 임펠러의 경계면까지 상승된 양정을 바탕으로 나타낸 것으로서 인듀서 만의 흡입 성능을 짐작할 수 있다. 그 결과, 인듀서는 일반적으로 알려진 것과 같이 고유량일수록 높은 캐비테이션 수에서 양정이 감소하였으며 양정 저하 이후에는 저유량일수록 양정이 급격하게 감소하였다.
- 9, 10에 도시하였다(유량에 상관없이 비슷한 경향을 보였으므로 설계유량에 대해서만 나타내었다). 그 결과를 살펴보면 압력이 상대적으로 낮은 임펠러 전연 근처의 흡입면에서 캐비테이션이 발생하기 시작하여 캐비테이션 수가 낮아짐에 따라 저압 영역이 후류 쪽으로 확대되는 것을 볼 수 있다. Fig.
- 9, 10의 B에서는 블레이드 캐비테이션이 크게 발생하였으나 주로 임펠러 허브쪽에 집중되어있다. 따라서 Fig. 8의 허브에 가까운 20% 스팬에서는 캐비테이션으로 인한 A와 B간의 임펠러 내 압력 분포의 차이가 크지만 쉬라우드에 가까운 80% 스팬에서는 A와 B간의 압력 분포의 차이가 거의 없고, 그 결과 출구에서 비슷한 수준의 양정을 보였다고 판단된다.
- 그리고 캐비테이션의 발달로 급격한 압력 저하가 발생한 C에서는 임펠러 또한 제 기능을 못하고 A와 B 대비 절반 정도의 양정만 상승한다. 이 결과에서 임펠러에서 급격한 양정 저하가 발생하기 직전에 인듀서는 이미 많은 캐비테이션 발생으로 인해 제 기능을 못하나, 임펠러에서는 캐비테이션이 발생하지 않을 때 보다 더 큰 폭의 압력 상승으로 양정을 보상해주었음을 알 수 있다. 즉, 임펠러의 양정 저하 이전에는 캐비테이션 수가 높을 때보다 낮을 때 임펠러에서 더 큰 압력 상승이 있었으며 더 자세한 분석을 위해 설계유량에서의 임펠러 내 20 %, 50 %, 80 % 스팬에서의 압력 분포를 Fig.
- 1) 캐비테이션을 고려하지 않은 경우, 유량이 감소함에 따라서 양정이 상승하였고, 최대효율은 고유량에서 나타났다. 해석에서 볼류트 및 누설 유량을 고려하지 않아 실험과 오차가 발생하였으나 양정, 효율 곡선의 전체적인 경향성은 일치하였다.
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