[논문]캐비테이션 억제를 위한 감압밸브의 유로 형상에 관한 연구

박우철; 김일겸

doi:10.5762/kais.2015.16.1.50

캐비테이션 억제를 위한 감압밸브의 유로 형상에 관한 연구
Study of the geometry of the flow path of a Pressure Reducing Valve to Suppress the Cavitations 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.1, 2015년, pp.50 - 55

박우철 (강원대학교 자동차공학과) , 김일겸 (첨단기공(주) 부설연구소)

초록
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본 연구에서는 공동 주택의 수전 개방 조건에서, 감압밸브 내부 오리피스 형상이 캐비테이션 발생에 미치는 영향에 대하여 살펴보았다. 이를 위하여 감압밸브 내부의 유로형상을 9가지 유형으로 구별하여 제시하고, 3차원 유한해석 코드인 ANSYS CFX를 사용하여 감압밸브 내의 유동해석을 수행하였다. 급격한 단면 변화가 일어나는 오리피스에서 최저 압력과 최대 속도가 발생하였다. 최대속도가 존재하는 부위에서 0 이상 증기체적비를 나타내어 캐비테이션이 발생함을 확인하였다. 유로 길이가 긴 형상에 비하여 돌연 확대관 형상의 모델에서 유체의 최대 속도가 낮게 나타났다. 돌연확대관 형상의 경우에는 매우 작은 증기체적비를 나타내고 있으며, 돌연확대의 정도가 클수록 증기체적비는 낮게 나타났다. 따라서 감압밸브의 케비테이션 발생을 방지하기 위해서는 돌연확대의 형상을 갖도록 설계하는 것이 타당하다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study examined the relationship between the shape of the inside of the PRV and the cavitation of the water supply system of an apartment house. In this paper, nine types of PRV with different gaps and shapes were analyzed numerically using a 3D model embedded in the commercial code, ANSYS-CFX. The lowest pressure and the maximum velocity occurred at the narrow gap, which is located at the between the stem and the disk. When the gap size was increased, the vapor volume fraction was always greater than 0, but the vapor volume fraction of the type of expansion pipe approached 0. These results indicate that the cavitation of PRV can be reduced by a shape change to the type of expansion pipe.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 공동주택에서 사용하는 single seat direct 방식의 감압밸브에 대하여 전산 유동해석을 수행 하였다. Fig.
실제 공동 주택의 수전 개방 조건에서 감압밸브 내부의 형상에 따른 캐비테이션 현상과의 관계를 살펴보았다. 이를 위하여 9가지 형상의 유형을 제시하고, 3차원 유한해석 코드인 ANSYS -CFX를 사용하여 감압밸브 내의 유동해석을 수행하였다.
이에 본 연구는 실제 공동 주택의 수전 개방 조건에서, 감압밸브 내부의 오리피스 형상이 캐비테이션 발생에 미치는 영향에 대하여 살펴보고자 한다. 이를 위하여 감압 밸브 내부의 유로형상을 9가지 유형으로 구별하여 제시하고, 이를 3D 모델링에 의하여 설계를 하고, 3차원 유한해석 코드인 ANSYS CFX를 사용하여 감압밸브 내의 유동해석을 수행하고자 한다.

제안 방법

8는 밸브 유량 계수와 증기 체적비를 나타낸 것이다. 간극이 크기가 다른 경우는 비교하는 것이 의미가 없어 동일한 간극의 크기를 갖는 경우만을 비교하였다. 밸브 유량 계수 K_v는 밸브의 차압이 1bar일 때 5～30℃의 물이 통과하는 유량을 [m³/h]로 표시한 것으로 밸브를 선정할 때 사용되며, 다음의 공식으로 구한다[8].
따라서 해석의 정확도와 계산 시간의 단축을 고려하여 격자의 최소 크기는 0.002mm∼0.003mm 사이로 하였으며, 메쉬 skewness의 최대값이 0.85이하가 되도록 격자 면과 격자의 최대 크기를 정하였다.
5kg/cm²(245kPa, 게이지 압력)을 주었다. 모든 벽면에는 점착조건(no-slip)과 단열조건을 적용하였다.
2에 나타내었다. 밸브 입구와 출구에서의 역류 현상을 방지하기 위하여 그림과 같이 입구와 출구에 각각 80mm, 100mm의 유동영역을 추가하였다.
본 연구에서는 형상의 대칭성을 이용하여 전체 유동장의 중심면에 대칭조건을 주어 유동장의 절반만을 계산 영역으로 설정하였다.
실제 공동 주택의 수전 개방 조건에서 감압밸브 내부의 형상에 따른 캐비테이션 현상과의 관계를 살펴보았다. 이를 위하여 9가지 형상의 유형을 제시하고, 3차원 유한해석 코드인 ANSYS -CFX를 사용하여 감압밸브 내의 유동해석을 수행하였다. 수치해석을 수행한 결과는 다음과 같다.
이에 본 연구는 실제 공동 주택의 수전 개방 조건에서, 감압밸브 내부의 오리피스 형상이 캐비테이션 발생에 미치는 영향에 대하여 살펴보고자 한다. 이를 위하여 감압 밸브 내부의 유로형상을 9가지 유형으로 구별하여 제시하고, 이를 3D 모델링에 의하여 설계를 하고, 3차원 유한해석 코드인 ANSYS CFX를 사용하여 감압밸브 내의 유동해석을 수행하고자 한다.
캐비테이션 현상에 대하여 오리피스 간극의 크기와 간극의 형상이 미치는 영향을 관찰하기 위하여 Table 1과 같이 9가지 유형의 형상을 설정하였다.

대상 데이터

3은 유동 해석 방법의 결정과 난류 모델 설정 및 해석결과의 타당성을 검증하기 위한 Type A 형상의 계산 격자점을 나타낸 것이다. 격자계는 Tetra/Prism 격자로 구성하였으며, 벽 근처 속도 구배의 정확한 해석을 위해 벽 근체 격자는 육면체로 구성하였다.
해석에 사용된 작동 유체는 물이며, ANSYS CFX 라이브러리의 25℃ 액상과 기상의 값들을 사용하였다[6].

이론/모형

다상(multiphase) 모델로 동질 다상유동 (homogeneous multiphase flow)모델을 사용하였으며, 캐비테이션 모델은 Rayleigh-Plesset Model을 사용하였다. 물의 포화압력은 3574Pa의 고정값을 사용하였다.
본 연구에서는 대류항에 대한 차분법으로 2차 High resolution scheme을 사용하였고, 지배방정식에 포함된 레이놀즈 응력항 계산을 위한 난류모델로 SST(Shear Stress Transportation)모델을 사용하였다. SST 모델은 감압밸브 내부 유동과 같이 계산 영역 내의 매우 작은 구간에서 변화가 큰 유동현상이 일어나는 상황에서 경계층과 경계층 밖의 유동현상을 잘 모사할 수 있다[7,8].
연속방정식과 운동량 방정식, 즉, Navier -Stokes 방정식의 풀이를 통해 유로 내부의 유동장을 모사하였다. 지배방정식은 다음과 같다[5].

성능/효과

1. 급격한 단면 변화가 일어나는 스템과 디스크 사이의 오리피스 영역에서 매우 큰 압력강하와 최대 속도가 존재함을 확인하였다.
2. 최대속도가 존재하는 부위에 증기 체적비의 값이 0 이상의 값을 나타내어 캐비테이션이 발생함을 확인 하였다.
3. 유로의 길이가 길게 형성되는 형상에 비하여 돌연 확대관 유형의 형상에서 유속의 최고 속도가 낮게 나타났다.
4. 간극 크기의 증가는 캐비테이션 감소에 영향을 미치지 않으며, 돌연 확대관 형태의 경우에는 매우 작은 증기체적비를 나타내어 캐비테이션을 감소시킬 수 있음을 확인하였으며, 확대 정도가 클수록 증기 체적비는 작게 나타났다.
그림에 나타난 바와 같이 입구측은 급수압력에 가까운 800kPa 정도의 높은 압력 분포를 나타내고 있으며, 출구측의 압력도 사용 압력인 320kPa 이상의 압력 분포를 나타내고 있다. 그러나 오리피스 역할을 하는 스템과 디스크 사이의 간극 부분에서 가장 큰 압력 강하가 이루어져, 대기압보다 낮은 압력이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 대기압보다 낮은 압력 분포로 인하여 캐비테이션 현상이 일어날 것으로 예측할 수 있다.

후속연구

따라서 감압밸브의 케비테이션 발생을 방지하기 위해서는 돌연확대의 형상을 갖도록 설계하는 것이 타당하다고 판단된다. 향후 본 연구 결과를 적용한 밸브에 대한 실험을 병행한 연구가 수행되어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	부스터 펌프방식의 층간 압력 차를 해소하기 위해 사용하는 감압밸브의 문제점은 무엇인가?	부스터 펌프방식을 사용하는 경우에는 손실과 층간의 압력 차이를 해소하기 위하여 고압으로 송출한 후 감압밸브를 사용하여 각 세대별 공급하는 압력을 균등하게 조절하는 방식을 사용하고 있다. 감압밸브를 사용하는 경우, 부스터 펌프의 공급 압력에 해당되는 입구측의 압력과 사용 유량과 연관된 출구측 압력의 차이가 지나치게 클 경우에는 캐비테이션 현상이 발생할 가능성이 높다. 캐비테이션 현상은 감압 밸브의 파손 및 성능 저하, 그리고 소음의 원인이 된다. 감압밸브는 거주공간과 직접적으로 접하는 장소에 설치되므로 감압밸브에서의 캐비테이션 발생은 삶의 질과 직결된 소음문제를 발생시킨다[2,3].
	고가수조방식의 단점은 무엇이 있는가?	최근 몇 년간 대규모 아파트 단지와 초 고층화된 빌딩의 급수 시스템이 고가수조방식에서 가압급수방식으로 변화하는 추세이다. 고가수조방식은 건물 옥상에 물탱크를 설치하여 중력에 의한 급수방식으로 일부 상층부에서 압력부족현상, 옥상 물탱크의 수질오염문제, 건설원가 상승과 비효율적인 건축 공간 활용, 유지관리 불편과 동파 누수사고 등의 단점이 있다. 가압급수방식은 지하저수조로부터 급수 사용처까지 직접 일정한 압력으로 공급하는 부스터 펌프 시스템으로써 여러 대의 부스터 펌프를 대수 제어하여 급수사용량에 따라 일정한 압력을 안정적으로 사용처에 공급하는 방식이다[1].
	고가수조방식이란 무엇인가?	최근 몇 년간 대규모 아파트 단지와 초 고층화된 빌딩의 급수 시스템이 고가수조방식에서 가압급수방식으로 변화하는 추세이다. 고가수조방식은 건물 옥상에 물탱크를 설치하여 중력에 의한 급수방식으로 일부 상층부에서 압력부족현상, 옥상 물탱크의 수질오염문제, 건설원가 상승과 비효율적인 건축 공간 활용, 유지관리 불편과 동파 누수사고 등의 단점이 있다. 가압급수방식은 지하저수조로부터 급수 사용처까지 직접 일정한 압력으로 공급하는 부스터 펌프 시스템으로써 여러 대의 부스터 펌프를 대수 제어하여 급수사용량에 따라 일정한 압력을 안정적으로 사용처에 공급하는 방식이다[1].

참고문헌 (8)

Y. J. Na, I. H. Yang, "Comparison between Gravity Tank and Booster Pump System in Apartment Buildings using Life Cycle Cost Analysis", J. of the Society of Living Environment System, Korea, Vol. 15, No. 2, pp.165-171, Jun. 2008
T. J. Kim, D. J. Kim, "Influence of Pressure Reducing Valves on Flow Characteristics of the Water Supply System for an Apartment Complex", J. of Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, Vol. 12, No. 6, pp.23-28, Dec. 2012
J. H. Park, K. N. Rhee, M. C. Cha, M. S. Yeo, K. W. Kim, "A Study on the Prevention of Cavitation for Pressure Reducing Valves in Residential Buildings", Proc. KIAEBSE Spring Annual Conference, pp.260-264, March, 2010
W. C. Park, J. K. Lee, I. G. Kim, Y. S. Park, "Study on Vibration Induced by Fluid at a Water Pressure Reducing Valve through Structure-Fluid Coupled Analysis ", J. of Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 13, No. 10, pp.4371-4377 Oct. 2012 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2012.13.10.4371

원문보기 상세보기
A. Alexandrou, 2002, Principles of Fluid Mechanics, Prentice-Hall, New Jersey.
ANSYS Inc, 2013. 11, ANSYS CFX-Solver Modeling Guide, Release 15.0, Southpointe.
W. Vieser, T. Esch, F. Menter, "Heat Trasfer Preditions using Advanced Two-Equaion Turbulence Models", CFX, c2002[cited Nov. 06. 2002], http://www.software.aeat.com/cfx/(accessed Dec. 10, 2013)
Spirax-Sarco Limited, "Sizing valves for water services" Spirax-Sarco Limited, http:// www. spiraxsarco.com/resources/steam-engineering-tutorials/co ntrol-hardware-el-pn-actuation/control-valve-sizing-for -water-systems.asp (accessed May, 08, 2014)

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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