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문제 정의
- 본 연구에서는 기-액 원심 분리기의 가장 기초적인 형상인 실린더 분리기의 기-액 다상유동 특성에 대해 CFD 기법을 이용하여 시뮬레이션하고, 물만의 단상유동에 대해 Farchi(1990)의 실험 및 Erdal et al.(1997)의 시뮬레이션 결과와의 비교 분석을 통한 검증 및 머드를 포함한 다상유동 특성에 관해 살펴보는 것을 목적으로 한다.
제안 방법
- (1997)의 시뮬레이션 결과와 비교·검증하기 위해 물만 사용한 단상유동의 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 유입 영역은 높이 62mm, 길이 10mm의 직사각형이며, 유출영역은 길이 45mm인 정사각형 형상이고, 분리기의 전체 지름은 186mm이다. Fig. 1에서 표시된 두 계측지점(Probe-1과 Probe-2)에서 분리기의 지름 방향에 따른 분리기 벽면과 접선방향의 속도성분을 계측하였다.
- 이후 물-공기의 다상유동을 시뮬레이션하여 물만의 단상유동 결과와 비교하였다. 다음으로 머드의 단상유동과 머드-공기의 다상유동에 대하여도 동일한 방법으로 시뮬레이션 하였다.
- 다음으로, 회전유동에 대한 난류모델의 타당성을 시험하기 위해 총 네 가지의 모델을 적용하였으며, 각각 k-ε, RNG k-ε, Realizable k-ε, 그리고 k-ω 난류 모델이다.
- 본 연구에서 사용할 격자계의 타당성을 조사하기 위하여 격자 수렴성 테스트를 수행하였으며, Table 2에는 조건을 나타내었다. 격자수를 변화시켜가며 Fig.
- 본 연구에서는 상용 소프트웨어인 FLUENT ver.13을 사용하여 유동장 해석을 수행하였다. 사용한 FLUENT는 유한체적법(Finite-volume method)에 기초한다.
- 시뮬레이션 조건으로, 물과 머드를 각각 사용한 두 가지의 단상유동과 물-공기와 머드-공기의 두 가지 다상유동에 관한 총 네 가지의 시뮬레이션을 진행하였다. 유입유체의 유량 및 혼합비는 Table.
- (1997)의 시뮬레이션 결과와 비교·검증하기 위해 물만 사용한 단상유동의 경우에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 이후 물-공기의 다상유동을 시뮬레이션하여 물만의 단상유동 결과와 비교하였다. 다음으로 머드의 단상유동과 머드-공기의 다상유동에 대하여도 동일한 방법으로 시뮬레이션 하였다.
대상 데이터
- (1997)의 시뮬레이션 결과와의 비교·검증을 위하여, Fig. 1과 같은 기-액 실린더 원심분리기 형상을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다.
- 격자는 Fig. 2와 같이 Gridgen ver. 15.17을 사용하여 생성하였고, 총 24만개의 격자를 사용하였다. 단, 3.
- 17을 사용하여 생성하였고, 총 24만개의 격자를 사용하였다. 단, 3.1절의 격자 수렴성 테스트에서는 12만 개 ~ 32만 개의 격자를 사용하였다.
- 1과 같은 기-액 실린더 원심분리기 형상을 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 유입 영역은 높이 62mm, 길이 10mm의 직사각형이며, 유출영역은 길이 45mm인 정사각형 형상이고, 분리기의 전체 지름은 186mm이다. Fig.
데이터처리
- (2006)은 Lim et al.(2010)과 동일한 형상의 원심분리기 내부에서 공기와 먼지가 혼합되는 유동장의 속도를 실험과 시뮬레이션을 비교하였다.
이론/모형
- 따라서 이후 연구에서의 난류모델은 k-ε의 모델을 적용하기로 한다.
- 본 연구에서는 기-액 원심분리기 내의 다상유동 특성을 살펴보기 위한 기초 단계로 단순형상인 실린더 원심분리기의 단상 및 다상유동을 상용 소프트웨어인 FLUENT ver. 13을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 먼저, 물만의 단상유동에 대해 Farchi(1990)의 실험 및 Erdal et al.
- 본 연구에서는 비압축성 유체의 지배 방정식으로 다음과 같은 연속방정식과 RaNS(Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식을 사용하였다.
- 13을 사용하여 유동장 해석을 수행하였다. 사용한 FLUENT는 유한체적법(Finite-volume method)에 기초한다. 지배방정식은 유한체적법에 의해 이산화되며, 대류항과 난류항에는 3차 정확도의 MUSCL(Monotone upstream-centred schemes for conservation laws) 스킴을, 속도와 압력의 연성을 위하여 PISO(Pressure implicit with splitting of operators) 법을 사용하였다.
- 지배방정식에 포함된 난류에 의해 발생되는 응력을 가정하기 위하여 기본적으로 k-ε 모델을 사용하고, 혼상유동에 대해서는 “MIXTURE model”을 적용하였다.
- 사용한 FLUENT는 유한체적법(Finite-volume method)에 기초한다. 지배방정식은 유한체적법에 의해 이산화되며, 대류항과 난류항에는 3차 정확도의 MUSCL(Monotone upstream-centred schemes for conservation laws) 스킴을, 속도와 압력의 연성을 위하여 PISO(Pressure implicit with splitting of operators) 법을 사용하였다. 지배방정식에 포함된 난류에 의해 발생되는 응력을 가정하기 위하여 기본적으로 k-ε 모델을 사용하고, 혼상유동에 대해서는 “MIXTURE model”을 적용하였다.
성능/효과
- 또한, 원심분리기 내부의 회전유동의 회전중심에서 압력저하로 인한 바닥면으로부터의 상승기류 발생을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 가벼운 공기가 상부에 집중되는 사실을 이해할 수 있었다. 다음으로, 물과 머드의 각각의 단상유동에 대한 비교 시뮬레이션에서는, 점성과 밀도가 높을수록 원심분리기 벽면에서의 마찰이 커지고 유동에 저항이 되어 전체적으로 회전속도를 저하시키는 것을 알 수 있었다. 마지막으로, 머드-공기의 혼상유동 시뮬레이션에서는 물-공기의 경우와 거의 정성적으로 동일한 유동특성을 보였다.
- 이후, 물-공기의 다상유동에 대한 시뮬레이션을 수행하여, 유입구 부근의 상부에서 상대적으로 운동량이 적은 공기가 벽면을 감싸며 벽면과의 마찰저항을 감소시켜 회전효과를 높이는 것을 알 수 있었다. 또한, 원심분리기 내부의 회전유동의 회전중심에서 압력저하로 인한 바닥면으로부터의 상승기류 발생을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 가벼운 공기가 상부에 집중되는 사실을 이해할 수 있었다. 다음으로, 물과 머드의 각각의 단상유동에 대한 비교 시뮬레이션에서는, 점성과 밀도가 높을수록 원심분리기 벽면에서의 마찰이 커지고 유동에 저항이 되어 전체적으로 회전속도를 저하시키는 것을 알 수 있었다.
- 다음으로, 물과 머드의 각각의 단상유동에 대한 비교 시뮬레이션에서는, 점성과 밀도가 높을수록 원심분리기 벽면에서의 마찰이 커지고 유동에 저항이 되어 전체적으로 회전속도를 저하시키는 것을 알 수 있었다. 마지막으로, 머드-공기의 혼상유동 시뮬레이션에서는 물-공기의 경우와 거의 정성적으로 동일한 유동특성을 보였다. 하지만, 회전운동은 전반적으로 훨씬 줄어들었으며 원심분리기 내부의 압력변화가 상당히 완화되어 나타났으며, 이로부터 머드-공기의 분리는 물-공기의 분리에 비해 추가적인 외적요인(유입구의 유량 증가, 원심기 형상 최적화 등)이 훨씬 더 필요할 것으로 보인다.
- 특히, 유입구 부근의 접선방향 속도성분에서는 최댓값이 15%가량 정확도가 향상되었음을 알 수 있었다. 이후, 물-공기의 다상유동에 대한 시뮬레이션을 수행하여, 유입구 부근의 상부에서 상대적으로 운동량이 적은 공기가 벽면을 감싸며 벽면과의 마찰저항을 감소시켜 회전효과를 높이는 것을 알 수 있었다. 또한, 원심분리기 내부의 회전유동의 회전중심에서 압력저하로 인한 바닥면으로부터의 상승기류 발생을 확인할 수 있었으며, 이로 인해 가벼운 공기가 상부에 집중되는 사실을 이해할 수 있었다.
- 285m 떨어진 PROBE-2에서 측정된 유속은 이보다 크게 감소하며 양쪽 벽면근처에서의 크기는 거의 동등하게 나타나는 것을 알 수 있다. 전체적으로 두 계측지점에서 격자수가 증가함에 따라 Farchi(1990)의 실험값에 수렴하는 경향을 보이며, 격자수가 가장 많은 Case 4에 비해 Case 3의 경우 최대 0.5%의 오차를 나타낸다. 따라서 이후의 계산에는 Case 3의 격자를 사용하기로 한다.
- (1997)의 시뮬레이션 결과에 비해 Farchi(1990)의 실험결과에 보다 더 근접하는 것을 볼 수 있다. 특히 최댓값이 나타나는 지점으로부터 실린더 중심방향으로 향하는 유속변화의 기울기가 실험값과 잘 일치하고 있으며, PROBE-I에서의 최댓값은 타 시뮬레이션 결과에 비해 15%가량 정확도가 향상되었다.
- (1997)의 시뮬레이션 결과에 비하여 실험에 보다 근접한 것을 확인하였다. 특히, 유입구 부근의 접선방향 속도성분에서는 최댓값이 15%가량 정확도가 향상되었음을 알 수 있었다. 이후, 물-공기의 다상유동에 대한 시뮬레이션을 수행하여, 유입구 부근의 상부에서 상대적으로 운동량이 적은 공기가 벽면을 감싸며 벽면과의 마찰저항을 감소시켜 회전효과를 높이는 것을 알 수 있었다.
후속연구
- 점성과 밀도가 높을수록 원심 분리기 벽면에서의 마찰이 커지기 때문에 전체적으로 속도가 느려지는 것을 확인할 수 있다. 특히, PFOBE-2에서 머드의 접선방향 속도성분이 현저하게 작게 나타나며, 하부로의 혼합을 억제시킬 것으로 기대된다.
- 마지막으로, 머드-공기의 혼상유동 시뮬레이션에서는 물-공기의 경우와 거의 정성적으로 동일한 유동특성을 보였다. 하지만, 회전운동은 전반적으로 훨씬 줄어들었으며 원심분리기 내부의 압력변화가 상당히 완화되어 나타났으며, 이로부터 머드-공기의 분리는 물-공기의 분리에 비해 추가적인 외적요인(유입구의 유량 증가, 원심기 형상 최적화 등)이 훨씬 더 필요할 것으로 보인다. 향후 본 시뮬레이션 기법은 다양한 유체 조합의 다상유동 및 복잡한 형상의 기-액 원심분리기 시뮬레이션 수행을 통하여, 머드 핸들링 시스템에 대한 이해 및 기술개발에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 하지만, 회전운동은 전반적으로 훨씬 줄어들었으며 원심분리기 내부의 압력변화가 상당히 완화되어 나타났으며, 이로부터 머드-공기의 분리는 물-공기의 분리에 비해 추가적인 외적요인(유입구의 유량 증가, 원심기 형상 최적화 등)이 훨씬 더 필요할 것으로 보인다. 향후 본 시뮬레이션 기법은 다양한 유체 조합의 다상유동 및 복잡한 형상의 기-액 원심분리기 시뮬레이션 수행을 통하여, 머드 핸들링 시스템에 대한 이해 및 기술개발에 적극 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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