[논문]극저온 선형 팽창기용 리드밸브의 기하학적 형상변화에 따른 유동 특성 연구

정은아; 김지우; 염한길; 윤소남

doi:10.7839/ksfc.2015.12.4.048

극저온 선형 팽창기용 리드밸브의 기하학적 형상변화에 따른 유동 특성 연구
A Study on the Flow Characteristics of Reed Valve with Variable Geometric Variations for Cryogenic Linear Expander 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.12 no.4, 2015년, pp.48 - 53

정은아 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery ＆ Materials) , 김지우 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery ＆ Materials) , 염한길 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery ＆ Materials) , 윤소남 (Department of Extreme Energy System, Korea Institute of Machinery ＆ Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the flow characteristics of a reed valve analyzed using computational dynamics(CFD) for optimal design. The seat sizes of the valve are modeled asØ6[mm] and Ø8[mm] to compare the flow characteristics. The inlet boundary condition is entered at 10[kPa], 15[kPa], 20[kPa], and 30[kPa] and the outlet boundary condition is set to the atmospheric pressure. The flow coefficient(C) and pressure loss coefficient(K) are calculated from the results of flow analysis. From the analysis results, it was confirmed that the flow coefficient of a reed valve having a seat size of Ø6[mm] is greater than that having a seat size of Ø8[mm], and the coefficient of pressure loss of a valve with a seat size of Ø6[mm] is lower than the Ø8[mm] size valve.

주제어

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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 나선형 리드밸브를 포함하는 몸체 내부에서 발생하는 유동특성에 대하여 CFD(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 해석하였다. 본 연구에서는 리드밸브의 초기 모델을 설계하는데, 목적이 있기 때문에 리드밸브의 동적인 해석을 배제하고 상온조건에서의 정적인 상태에서의 해석이 이루어졌으며, 해석 변수로는 밸브 시트부의 기하학적 형상 변화와 압력변화를 각각 주어 내부 유동 흐름 안정화와 유량계수 및 유동저항을 분석하여 설계 및 운전변수를 도출하였다¹⁾.
본 논문에서는 나선형 리드 밸브를 포함하는 리드밸브 몸체 시트부의 기하학적 형상변화에 따른 유동 해석을 수행하였으며, 시트형상에 따른 유동해석결과를 다양한 기준으로 분석하였다. 분석 결과 밸브 유동 안정화 및 효율향상을 위한 최적화 설계방안을 도출하였다.

가설 설정

리드밸브 내부에서 발생하는 헬륨기체(He gas)의 유동특성을 확인하기 위해서 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램인 ANSYS Fluent를 이용하여 해석을 수행하였다. 밸브 내부에서 발생하는 헬륨 기체의 대략적인 유동특성을 파악하기 위해 속도분포를 계산하였으며, 밸브 내부에서의 헬륨 유동특성은 비압축성 유체로 가정하였고, 입구경계조건(Boundary conditions)으로는 압력을 입력하였다. 밸브 내부에서 발생하는 온도나 압력변화에 따른 밀도 변화를 규명하기 위해 이상기체(Ideal gas) 조건을 부여하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

밸브 내부에서 발생하는 온도나 압력변화에 따른 밀도 변화를 규명하기 위해 이상기체(Ideal gas) 조건을 부여하여 해석을 수행하였다. 구체적인 경계조건과 밸브의 사이즈는 Table 2와 같으며, 밸브 시트의 기하학적 형상변화와 압력변화를 입력으로 하여 각각 해석을 수행하였다. 밸브 내부에서의 유동은 비압축성 유동(Incompressible flow)이며, 난류 유동특성을 확인하기 위해 Realizable k-ε model을 적용하였다.
밸브 내부에서 발생하는 헬륨 기체의 대략적인 유동특성을 파악하기 위해 속도분포를 계산하였으며, 밸브 내부에서의 헬륨 유동특성은 비압축성 유체로 가정하였고, 입구경계조건(Boundary conditions)으로는 압력을 입력하였다. 밸브 내부에서 발생하는 온도나 압력변화에 따른 밀도 변화를 규명하기 위해 이상기체(Ideal gas) 조건을 부여하여 해석을 수행하였다. 구체적인 경계조건과 밸브의 사이즈는 Table 2와 같으며, 밸브 시트의 기하학적 형상변화와 압력변화를 입력으로 하여 각각 해석을 수행하였다.
밸브 내부의 압력손실은 밸브의 사이즈 결정 및 효율에 영향을 미치기 때문에 Ø6[mm]와 Ø8[mm]의 내부 직경을 갖는 밸브 시트 각각에서 발생하는 압력손실을 비교하였다.
밸브 내부의 유동패턴은 Fig. 4, Fig. 5와 같으며, 속도 벡터로 나타내어 밸브 내부의 각 부분에서 유동 방향과 와류 발생을 분석하였다. Fig.
5에 나타내었다. 밸브 시트 크기에 따른 속도분포, 속도벡터분포에 대해 분석하였다.
밸브의 유동특성에 따른 형상설계 최적화를 위해 밸브 시트부 내부 직경 크기를 각각 Ø6[mm], Ø8[mm]로 기하학적 형상 변화를 주었으며, 압력에 따른 유동 분포를 확인하기 위해 10[kPa], 15[kPa], 20[kPa], 30[kPa]로 압력변수를 주었다.
밸브의 크기 및 용량 결정에 필수적이고, 설계과정에 적용되는 유량계수(Flow coefficient, C)를 계산하였다. 유량계수는 입구압력과 출구압력의 차이가 입구압력 값의 1/2보다 크기 때문에 아래의 식(3)을 적용하였으며, 초킹(Choking)현상이 발생하지 않고, 피팅(Fitting)이 없는 것을 가정하여 밸브 내부의 시트 크기 및 압력에 따라 도출되는 결과를 비교하였다^3~4).
따라서, 본 연구에서는 나선형 리드밸브를 포함하는 몸체 내부에서 발생하는 유동특성에 대하여 CFD(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 해석하였다. 본 연구에서는 리드밸브의 초기 모델을 설계하는데, 목적이 있기 때문에 리드밸브의 동적인 해석을 배제하고 상온조건에서의 정적인 상태에서의 해석이 이루어졌으며, 해석 변수로는 밸브 시트부의 기하학적 형상 변화와 압력변화를 각각 주어 내부 유동 흐름 안정화와 유량계수 및 유동저항을 분석하여 설계 및 운전변수를 도출하였다¹⁾.
유동해석 결과를 분석하기 위해 밸브의 관심 영역인 밸브 시트부로부터 약 0.1[mm] ~ 0.2[mm] 간격으로 나누어 결과를 분석하였다. 입구압력 변화에 따른 밸브의 속도 분포 및 압력분포의 유동 형상은 거의 비슷하기 때문에 대표적으로 10[kPa]로 압력을 주었을 경우에 대한 결과를 Fig.
2와 같이 격자를 생성하였다. 유동해석 과정에 큰 영향을 미치지 않는 입구부와 출구부는 격자 밀도를 단순화 하였으며, 관심 영역인 리드 밸브 영역과 밸브 시트부 영역은 격자 사이즈를 0.1[mm]로 조절하여 조밀하게 하였다.
유동해석을 수행하기 위해 밸브 몸체 내부에 유동 영역을 지정하였으며, Fig. 2와 같이 격자를 생성하였다. 유동해석 과정에 큰 영향을 미치지 않는 입구부와 출구부는 격자 밀도를 단순화 하였으며, 관심 영역인 리드 밸브 영역과 밸브 시트부 영역은 격자 사이즈를 0.
밸브의 크기 및 용량 결정에 필수적이고, 설계과정에 적용되는 유량계수(Flow coefficient, C)를 계산하였다. 유량계수는 입구압력과 출구압력의 차이가 입구압력 값의 1/2보다 크기 때문에 아래의 식(3)을 적용하였으며, 초킹(Choking)현상이 발생하지 않고, 피팅(Fitting)이 없는 것을 가정하여 밸브 내부의 시트 크기 및 압력에 따라 도출되는 결과를 비교하였다^3~4).
입구와 출구는 각각 Ø4.2[mm]의 직경을 가지며, 관심 영역인 밸브시트부에 완전 발달된 유동 흐름을 만들어내고, 각각의 위치에서 나타나는 유동특성을 명확히 파악하기 위해 밸브입구와 출구의 위치는 각각 직경의 2배, 6배의 거리를 두어 모델링하였다.

이론/모형

밸브 내부에서의 유동은 비압축성 유동(Incompressible flow)이며, 난류 유동특성을 확인하기 위해 Realizable k-ε model을 적용하였다. 또한, 운동량방정식을 풀 때 유용한 장점을 가지고 있는 SIMPLE 알고리즘을 적용하였다²⁾.
리드밸브 내부에서 발생하는 헬륨기체(He gas)의 유동특성을 확인하기 위해서 유한체적법(Finite Volume Method)을 적용한 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 프로그램인 ANSYS Fluent를 이용하여 해석을 수행하였다. 밸브 내부에서 발생하는 헬륨 기체의 대략적인 유동특성을 파악하기 위해 속도분포를 계산하였으며, 밸브 내부에서의 헬륨 유동특성은 비압축성 유체로 가정하였고, 입구경계조건(Boundary conditions)으로는 압력을 입력하였다.
밸브 내부에서 발생하는 기체의 흐름을 분석하기 위해 3차원 나비에-스톡스(Navier-Stokes) 방정식이 적용되었으며, 난류(Turbulence) 모델을 사용하였다. 난류 k와 ε에 관련된 수송방정식은 식(1), 식(2)과 같다.
밸브 내부에서의 유동은 비압축성 유동(Incompressible flow)이며, 난류 유동특성을 확인하기 위해 Realizable k-ε model을 적용하였다.

성능/효과

1. 밸브 내부 각 위치에서의 속도분포 분석 결과 Ø6[mm]의 시트 크기를 갖는 것이 유체를 제어할 수 있는 나선형 밸브 사이로 균일하게 유동이 발생하며, Ø8[mm]의 밸브 시트 가장자리 부분보다 분산되는 유동의 밀집도가 적어서 출구를 향한 유동흐름이 더 집중되고 있는 것으로 확인되었다.
2. 밸브 시트 직경의 크기가 작아짐에 따라 유체의 흐름이 출구로 원활이 이동하며, 기본적인 유체의 유동 및 와류의 균일한 분포를 가진다. 따라서 유량계수가 높고, 압력손실계수가 낮게 도출된 것으로 보아 밸브 시트의 형상이 밸브의 유량제어에 영향을 미칠 수 있으며, 설계과정에서는 밸브시트의 내부직경 사이즈를 줄여 최적화 형상을 제작할 필요가 있다.
나선형 밸브와 시트사이에서는 유로의 감소로 약 250[m/s]인 가장 높은 속도분포를 보이고 있다. 또한 밸브 시트부의 유동면적이 증가함에 따라 유체의 속도가 조금 더 높은 것을 확인할 수 있었다. 또한 유동은 Ø6[mm], Ø8[mm] 모두 나선형 밸브를 통과한 후 밸브 시트부 아래쪽부터 벽면주위까지 와류가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 급격한 속도의 유체들끼리의 충돌로 인하여 발생하는 것을 확인할 수 있다.
또한 유동은 Ø6[mm], Ø8[mm] 모두 나선형 밸브를 통과한 후 밸브 시트부 아래쪽부터 벽면주위까지 와류가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 급격한 속도의 유체들끼리의 충돌로 인하여 발생하는 것을 확인할 수 있다.
밸브 각각의 위치에서 유량계수를 확인한 결과 Fig. 6과 같은 결과를 얻을 수 있었으며, Ø6[mm]의 내부직경을 갖는 밸브가 Ø8[mm] 내부직경을 갖는 밸브보다 전체 압력분포에서 유량계수가 높아 밸브의 효율이 좋은 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 나선형 리드 밸브를 포함하는 리드밸브 몸체 시트부의 기하학적 형상변화에 따른 유동 해석을 수행하였으며, 시트형상에 따른 유동해석결과를 다양한 기준으로 분석하였다. 분석 결과 밸브 유동 안정화 및 효율향상을 위한 최적화 설계방안을 도출하였다.
압력손실의 계산결과는 Fig. 7과 같으며, 압력이 10[kPa], 15[kPa]일 때에는 두 밸브 모두 압력손실계수가 비슷하나 압력이 증가함에 따라 Ø6[mm]의 밸브가 Ø8[mm]의 밸브보다 압력손실계수가 낮게 나타나서 효율이 더 좋은 것을 확인할 수 있다.

후속연구

3. 유동해석의 결과를 토대로 일정 수준 이상의 압력으로 운전했을 경우 효율이 증가하는 것으로 판단되며, 명확한 운전조건의 선정을 위해서는 차후의 리드밸브 실험결과와 비교 검증을 수행하여야 한다.
밸브 시트 직경의 크기가 작아짐에 따라 유체의 흐름이 출구로 원활이 이동하며, 기본적인 유체의 유동 및 와류의 균일한 분포를 가진다. 따라서 유량계수가 높고, 압력손실계수가 낮게 도출된 것으로 보아 밸브 시트의 형상이 밸브의 유량제어에 영향을 미칠 수 있으며, 설계과정에서는 밸브시트의 내부직경 사이즈를 줄여 최적화 형상을 제작할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스터링 냉동기는 어떻게 구성되는가?	현재 다양한 분야에서 극저온 시스템이 적용됨에 따라 극저온으로 냉각시킬 수 있는 냉동기 등의 개발이 활발히 이루어지고 있다. 최근에 많이 응용되고 있는 극저온 냉동기로는 스터링(Stirling) 냉동기가 있으며, 스터링 냉동기는 피스톤을 구동할 수 있는 압축기와 극저온으로 온도를 낮출 수 있는 팽창기로 구성되어 있다. 또한 냉동기의 구동과정에서 유체의 유량을 제어할 수 있는 방안으로 제작과 제어가 용이한 나선형 리드밸브(Reed valve)가 많이 사용되고 있으며, 밸브를 통과하는 유동에 따른 효율 및 신뢰성에 대한 검증 요구가 증가되고 있다.
	해석을 통해 도출된 나선형 리드 밸브 유동 안정화 및 효율향상을 위한 최적화 설계방안은 무엇인가?	1. 밸브 내부 각 위치에서의 속도분포 분석 결과 Ø6[mm]의 시트 크기를 갖는 것이 유체를 제어할 수 있는 나선형 밸브 사이로 균일하게 유동이 발생하며, Ø8[mm]의 밸브 시트 가장자리 부분보다 분산되는 유동의 밀집도가 적어서 출구를 향한 유동흐름이 더 집중되고 있는 것으로 확인되었다. 2. 밸브 시트 직경의 크기가 작아짐에 따라 유체의 흐름이 출구로 원활이 이동하며, 기본적인 유체의 유동 및 와류의 균일한 분포를 가진다. 따라서 유량계 수가 높고, 압력손실계수가 낮게 도출된 것으로 보아 밸브 시트의 형상이 밸브의 유량제어에 영향을 미칠수 있으며, 설계과정에서는 밸브시트의 내부직경 사이즈를 줄여 최적화 형상을 제작할 필요가 있다. 3. 유동해석의 결과를 토대로 일정 수준 이상의 압력으로 운전했을 경우 효율이 증가하는 것으로 판단 되며, 명확한 운전조건의 선정을 위해서는 차후의 리드밸브 실험결과와 비교 검증을 수행하여야 한다.
	냉동기에서 나선형 리드밸브는 어떤 방안으로 사용되고 있는가?	최근에 많이 응용되고 있는 극저온 냉동기로는 스터링(Stirling) 냉동기가 있으며, 스터링 냉동기는 피스톤을 구동할 수 있는 압축기와 극저온으로 온도를 낮출 수 있는 팽창기로 구성되어 있다. 또한 냉동기의 구동과정에서 유체의 유량을 제어할 수 있는 방안으로 제작과 제어가 용이한 나선형 리드밸브(Reed valve)가 많이 사용되고 있으며, 밸브를 통과하는 유동에 따른 효율 및 신뢰성에 대한 검증 요구가 증가되고 있다. 밸브 설계 과정의 하나로 밸브의 성능을 예측하기 위해 시뮬레이션을 통한 분석이 많이 이루어지고 있으나 리드밸브의 세부적인 움직임에 따른 유체의 흐름 변화를 예측하는 문제는 매우 어렵다.

참고문헌 (7)

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J. H. Lee, S. C. Baek, B. G. Choi and H. D. Kim, "A Study of the Compound Choking Phenomenon in Gas Flows," Korea Society of Mechanical Engineers, Vol.27, No.1, pp.54-60, 2003.

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H. J. Kim, J. P. Park, "Assessment of CFD Estimation Capability for the Local Loss Coefficients of Sudden Contraction and Expansion," Appl. Chem. Eng., Vol.21, No.3, pp.258-264, 2010.
H. B. Park, H. J. Sung, D. R. Ryu and Y. S. Kim, "Flow Analysis of Servo Valve for energy saving of CAES system," KSFC, No.10, pp.145-149, 2008.
M. T. Cho, J. H. Cho, "Heat and Fluid Flow Analysis by SC/Tetra," KSFC, Vol.2, No.1, pp.48-54, 2005.

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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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