[논문]오일입자 원심분리기 유동장의 수치해석적 연구

김상덕

doi:10.12985/ksaa.2015.23.4.036

오일입자 원심분리기 유동장의 수치해석적 연구
A Numerical Study on the Flowfield of a Cyclone Separator for Oil Droplets 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.23 no.4, 2015년, pp.36 - 41

Abstract ▼ AI-Helper

The cyclone separator is a simple device, which causes the centrifugal separation of materials such as droplets or particles in a fluid stream. The cyclone separator utilizes the energy obtained from fluid pressure and linear motion to create rotational fluid motion. This rotational motion leads the materials suspended in the fluid to separate from the fluid quickly due to the centrifugal force. The rotation is produced by the tangential or involuted introduction of fluid into the vessel. These materials may be droplets of fuel in blow-by gas through an engine. Droplets suspended in the feed liquid may separate according to size, shape, or density. And the change of part dimension in a cyclone separator can yield the its performance variation. The current study shows the influence of design parameters on the performance of a cyclone separator for blow-by gas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 원심분리기의 오일 제거 성능이 엔진의 성능 및 부식에 영향을 주므로, 원심분리기내의 유동 현상을 엄밀히 조사하고 성능에 영향을 줄 수 있는 설계 인자에 대한 연구가 필요하게 된다. 본 연구는 오일입자 제거(filtering)에 대한 CCV의 성능 시험 및 측정에 앞서, CCV 내부의 핵심 부품인 원심분리기 내의 유동장을 엄밀히 해석하고, 원심분리기의 중요 형상 변화가 오일 입자의 제거 성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
이 가스를 대기로 방출하기 전에 함유된 오일 입자를 제거하기 위하여 CCV시스템을 장착하고, 그 핵심 부품으로 원심분리기를 사용한다. 본 연구에서는 원심분리기 내의 유동장을 수치적 해석 방법을 통하여 연구하고 중요한 형상 변수가 원심분리기 성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 원심분리기 원통(vessel), 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)의 단면적이 작을 때 대체로 원심분리기 입자 제거 성능이 좋았다.
본 연구에서는 원심분리기의 내부 유동장에 영향을 줄 수 있는 중요한 형상 인자를 변화시키고 그 것에 의해 나타나는 원심분리기의 성능(β)변화를 살펴보았다.
본 연구에서는 원심분리기의 여러 가지 형상변수 및 입자 크기, 유입 속도의 변화에 따른 원심분리기 성능 변화를 살펴보고자 한다.

가설 설정

입자는 크기가 1, 3 및 5μm의 가솔린 액체 입자로 가정하였고 각각의 오일 입자들은 가스와 같이 원심분리기에 유입된다.

제안 방법

아래 식 (1)에서 보는 바와 같이 유입되는 입자의 질량에 비교되어 유출되는 입자의 질량이 적을수록 원심분리기 성능이 좋아진다. 앞서 원심분리기 내부 유동장 해석 결과를 바탕으로 원심분리기 성능에 영향을 줄 수 있는 중요한 형상 인자로 원통(vessel)의 직경, 내부관(vortex finder)과 유출관(outlet)의 직경과 길이, 유입관(inlet)의 직경을 선정하였다. 이러한 중요 형상들의 크기를 기본 설계를 기준으로 하여 변화시키며 원심분리기 성능(β)을 살펴보았다.
이러한 중요 형상들의 크기를 기본 설계를 기준으로 하여 변화시키며 원심분리기 성능(β)을 살펴보았다.

대상 데이터

전체 격자점의 수는 약 200만개이며, 격자 형성을 용이하게 하고 계산의 정확성을 위해 정렬 및 비정렬 격자를 혼용하였으며, 난류 계산을 위하여 벽면 가까이에 충분한 격자점을 밀집하였다. 입구와 출구 사이의 압력차는 400mmH₂O가 되게 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 유동장 해석을 위해 FLUENT 6.3 범용 소프트웨어[4]를 사용하였다. FLUENT는 복잡한 유동, 열전달, 물질전달 및 화학반응 등을 해석할 수 있는 CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램으로 질량, 운동량, 에너지 그리고 화학종 보존 방정식 등을 사용한다.
이 방법을 사용하게 되면, 비정상 유동을 정상 유동으로 모사할 수 있게 되고 원심분리기내 완전 발달된 난류 유동장의 형성에 영향을 미치는 설계 인자에 대한 연구를 효율적으로 수행할 수 있게 된다. 본 연구에서는 이방정식 난류모델(two-equation turbulence model)중 다양한 난류 유동장 예측에 널리 사용되고 있는 SST(Shear-Stress Transport) 난류 모델을 사용하였다[5][6][7].

성능/효과

또한, 블로바이 가스의 유입 속도가 크면 상당부분 작은 크기의 입자들도 제거할 수 있었다. 가스의 유입 속도가 오일입자 크기 증가보다 원심분리기 성능 향상에 보다 크게 기여하는 것을 알 수 있었다.
원통의 직경이 커서 회전 유동을 빠르게 발달시키지 않으면 큰 입자들도 유동에 적응할 수 있는 시간이 주어지므로 회전 유동에 적응하여 가스와 함께 흐르며 유출관을 통해 배출된다. 그러므로 원심분리기 원통의 단면적이 커지면 큰 입자의 경우도 유출량이 크게 증가하여, 성능이 나빠지는 것을 볼 수 있었다. 또한 일정 크기보다 원통의 직경이 작아지면 그 크기를 더 작게 하여도 성능이 크게 향상되지 않았다.
다양한 크기 입자들의 영향을 살펴보면, 입자의 크기가 증가하면 원심분리기의 입자 제거 성능이 급격히 향상되었다. 또한, 블로바이 가스의 유입 속도가 크면 상당부분 작은 크기의 입자들도 제거할 수 있었다.
그러므로 원심분리기 원통의 단면적이 커지면 큰 입자의 경우도 유출량이 크게 증가하여, 성능이 나빠지는 것을 볼 수 있었다. 또한 일정 크기보다 원통의 직경이 작아지면 그 크기를 더 작게 하여도 성능이 크게 향상되지 않았다.
8은 원심분리기 중앙에 위치하는 내부관의 길이 변화에 따른 원심분리기 성능변화를 보여주고 있다. 원심분리기 내부관의 길이가 증가할수록 가스와 같이 배출되는 오일 입자의 배출량이 감소하여 원심분리기 성능이 향상되었다. 하지만 일정 길이 이상이 되면 그 변화가 원심분리기 성능에 크게 영향을 주지 않았다.
본 연구에서는 원심분리기 내의 유동장을 수치적 해석 방법을 통하여 연구하고 중요한 형상 변수가 원심분리기 성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 원심분리기 원통(vessel), 유입구(inlet) 및 유출구(outlet)의 단면적이 작을 때 대체로 원심분리기 입자 제거 성능이 좋았다. 하지만, 무거운 입자의 경우 원심분리기 성능이 최고가 되는 최적의 단면 크기 조건이 존재함을 알 수 있었다.
입구 유속을 증가시키면 입자의 관성력이 증가하여 3μm 입자들도 대부분 원심분리기에서 제거되었다. 위 결과에서 원심분리기 성능에 유입 속도와 입자 크기 변화가 주는 영향을 비교해보면, 입자의 크기 증가보다 유입속도 증가가 원심분리기 성능에 보다 크게 기여하는 것을 알 수 있었다.
반면에, 내부관의 단면적이 커지며 입자가 흐르며 유출될 수 있는 면적이 커지므로 입자의 유출량이 증가될 수 있다. 위의 원심분리기 형상변수들 중 원통 및 내부관의 직경의 경우, 무거운 입자의 제거와 관련하여 원심분리기 성능이 최고가 되는 최적 형상 조건이 존재하는 것을 알 수 있었다.
입자 직경 크기가 1과 3μm일 경우, 원통의 직경을 크게 하였을 때 약간의 성능 저하를 보이지만, 전체적으로 원통 직경 변화와 무관하게 거의 일정한 성능을 보여주었다.

후속연구

이를 효과적으로 제거하기 위한 커먼레일(common rail) 디젤엔진용 CCV 시스템은 원심분리기 형태의 사이클론 분리기(cyclone separator)를 주로 사용한다. 이 원심분리기의 오일 제거 성능이 엔진의 성능 및 부식에 영향을 주므로, 원심분리기내의 유동 현상을 엄밀히 조사하고 성능에 영향을 줄 수 있는 설계 인자에 대한 연구가 필요하게 된다. 본 연구는 오일입자 제거(filtering)에 대한 CCV의 성능 시험 및 측정에 앞서, CCV 내부의 핵심 부품인 원심분리기 내의 유동장을 엄밀히 해석하고, 원심분리기의 중요 형상 변화가 오일 입자의 제거 성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다.
이와 같은 부분의 형상이 원심분리기 성능에 크게 영향을 줄 수 있을 것으로 생각된다. 하지만 유입관의 단면적은 처리용량과 밀접한 관계가 있으므로 성능과 용량의 관계에 대한 연구가 필요할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원심분리기는 산업적으로 다양한 응용분야에서 사용되는데, 어떤 분야에서 널리 사용되는가?	원심분리기는 산업적으로 다양한 응용분야에서 사용된다. 채광(mining), 광물 처리공정(mineral processing), 석유화학(petrochemicals), 석유생산(oil production), 폐수(waste water), 식품가공(food processing), 제약(pharmaceuticals) 등의 분야에서 널리 사용되고 있다. Fig.
	원심분리기의 형상 변수는 무엇이 있는가?	이것은 입자가 작고 가벼운 경우 원심분리기 내부 유동의 흐름을 따라 입자가 빠르게 적응해 움직이지만, 입자가 무거우면 큰 관성에 의해 원심분리기 내부 벽에 쉽게 부딪치기 때문이다. 원심분리기의 형상 변수로는 유입관(inlet) 및 유출관(outlet)의 길이, 원심분리기 원통(vessel) 직경 등이 있다. 원심분리기 원통직경이 작아지면 내부 회전 유동의 회전 반경이 작아져서 운동량 보존에 의해 유동의 회전 속도가 증가한다.
	원심분리기 성능을 주는 요소들은 무엇이 있는가?	원심분리기 성능에 영향을 주는 여러 가지 요소들 중에서 중요한 요소로는 오일 입자의 크기, 입자의 유입 속도 및 원심분리기 형상 등이 있다. 입자의 크기가 크고 무거우면 원심분리기로 분리해내기 쉽다.

참고문헌 (7)

Climate Change 2007, Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC)
Smith, J. L., "An Experimental Study of the Vortex in the Cyclone Separator", Trans. ASME Dec. 1962, pp. 602.
Ogawa, A., "Experimental Study of the Angular and Axial Momentum Fluxes in the Cylindrical Vortex Chambers", World Congress III of Chemical Engineering, TyoKo, Vol. II, 1986, pp. 208.
임함, 김동현, 김유성, 김요한, 김석수, "충격파 및 유동박리 효과를 고려한 초임계 에어포일의 천음속 플러터 특성", 한국항공운항학회, 제17권, 제2호, 2009, pp.8-17.
Dong, L., Johansen, S. T., and Engh, T. A., "Flow Induced by an Impeller in an Unbaffled Tank-II: Numerical Modeling," Chem. Eng. Sci., 49, 1994, pp. 3511-3518.

상세보기
Gosman, A. D., Lekakou, C., Politis, S., Issa, R. I., and Looney, M. K. "Multidimensional Modeling of Turbulent Two-Phase Flows in Stirred Vessels," AIChE J., 38, 1992, pp. 1946-1956.

상세보기
Kim, S. D., and Song, D. J., "Computations of Droplet Impingement on Airfoils in Two-Phase Flow", KSME International Journal, Vol. 19, Dec. 2005, pp.2312-2320.

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].

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