[논문]배열회수 보일러 단일 휜튜브의 양력 변동 PSD 특성 연구

하지수; 이부윤; 심성훈

doi:10.5855/energy.2015.24.4.211

배열회수 보일러 단일 휜튜브의 양력 변동 PSD 특성 연구
A Study on the Characteristics of Lift Fluctuation Power Spectral Density on a Fin Tube in the Heat Recovery Steam Generator 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.24 no.4, 2015년, pp.211 - 216

하지수 (계명대학교 기계자동차공학과) , 이부윤 (계명대학교 기계자동차공학과) , 심성훈 (한국기계연구원)

초록
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배열회수 보일러의 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르면서 유동 유발 진동을 야기 시키며 배열회수 보일러의 전열관군에서 파손을 야기할 수 있어서 열교환기의 구조적 안정성을 위해 열교환기의 전열관군에서 유동 유발 진동 특성을 규명할 필요가 있다. 일반적인 열교환기 전열관군에서 유동 유발 진동에 관한 실험적 연구는 기존에 많이 진행되어 오고 있으며 단일 원관이나 전열관군의 원관들에서 유동 유발 진동에 대한 무차원 PSD(Power Spectral Density) 함수를 무차원 주파수인 Strouhal 수, fD/U의 함수로 도출된 실험적 결과들이 도출되어 있다. 본 연구는 배열회수 보일러에 사용하는 휜튜브 전열관군에서 유동 유발 진동 특성을 규명하는 것을 목적으로 한다. 이러한 것을 위해 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 휜튜브 원관에서의 양력 변화 특성을 살펴보았다. 또한 휜튜브 원관에서 양력 변동 특성으로부터 유동 유발 진동에 따른 PSD 특성 결과를 도출하여 기존에 단순 원관에서 이루어졌던 연구들과 비교를 통해 휜튜브 원관 주위의 PSD 특성을 정립하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Heat exchanger tube array in a heat recovery steam generator is exposed to the hot exhaust gas flow and it could cause the flow induced vibration, which could damage the heat exchanger tube array. It is needed for the structural safe operation of the heat exchanger to establish the characteristics of flow induced vibration in the tube array. The researches for the flow induced vibration of typical heat exchangers have been conducted by using single cicular tube or circular tube array and the nondimensional PSD(Power Spectral Density) function with the Strouhal number, fD/U, had been derived by experimental method. From the present study, the basis for the application of flow induced vibration to the heat recovery steam generator tube array would be prepared. For the previous mentioned purpose, the present CFD analysis introduced a single fin tube and calculated with the unsteady laminar flow over the single fin tube. The characteristics of vortex shedding and lift fluctuation over the fin tube was investigated. The derived nondimensional PSD was compared with the results of the previous experimental researches and the characteristics of lift PSD over a single fin tube was established from the present CFD study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 비정상상태 유동 특성으로 말미암은 양력 변동이 원관에서 유동 유발 진동(Flow Induced Vibration)을 야기하게 되는데 이에 대한 분석을 구체적으로 살펴보기로 한다.
배열회수 보일러의 전열관군에서 발생하는 유체유발 진동을 규명하기 위해 휜튜브 단일 원관에서 유체 유발 진동을 전산유체 해석을 통해 살펴보고 기존의 실험 연구들의 결과와 비교 검증하여 휜튜브 원관 주위의 PSD 특성을 정립하는 것이 본 연구의 목적이라고 서론에서 언급하였다. Fig.
배열회수 보일러의 전열관군은 표면이 매끄러운 원관이 아니라 전열 효율을 증가하기 위해 휜튜브를 사용한다. 본 연구는 배열회수 보일러에서 사용하고 있는 휜튜브 주위의 비정상 상태 유동 특성을 살펴보고 배열회수 보일러의 전열관군의 유동 유발 진동 특성에 적용하기 위한 기반을 마련하는 것을 목적으로 한다. 이러한 것을 위해 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 원관에서의 양력 변화 특성을 살펴보기로 한다.

제안 방법

단순한 원관 주위 유동이 아니라 휜이 있을 경우에 이러한 유동 특성으로 양력 변동이 어떻게 나타나고 휜 튜브에서 튜브 표면, 휜 측면 표면, 휜외부 표면 각각에서의 양력 변동 특성과 이에 따른 PSD 특성이 어떻게 나타나는지를 다음 절에서 살펴보기로 한다.
5x10⁵이므로 본 연구의 휜튜브 원관 형상과 입구유속은 난류 영역이 아니라 층류로 간주할 수 있다. 따라서 본 연구의 유동 지배방정식은 3차원 비정상상태 연속방정식, 운동량 방정식으로 아래와 같이 구성할 수 있다.
이러한 것을 위해 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 원관에서의 양력 변화 특성을 살펴보기로 한다. 또한 휜튜브 원관에서 양력 변동 특성으로부터 유동 유발 진동에 따른 PSD 특성 결과를 도출하여 기존에 원관 주위의 유동 유발 진동 연구들과 비교를 통해 휜튜브 원관 주위의 PSD 특성을 정립하기로 한다.
본 연구는 배열회수 보일러에서 사용하고 있는 휜튜브 주위의 비정상 상태 유동 특성을 살펴보고 배열회수 보일러의 전열관군의 유동 유발 진동 특성에 적용하기 위한 기반을 마련하는 것을 목적으로 한다. 이러한 것을 위해 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 원관에서의 양력 변화 특성을 살펴보기로 한다. 또한 휜튜브 원관에서 양력 변동 특성으로부터 유동 유발 진동에 따른 PSD 특성 결과를 도출하여 기존에 원관 주위의 유동 유발 진동 연구들과 비교를 통해 휜튜브 원관 주위의 PSD 특성을 정립하기로 한다.
지금까지 전열관군에서 유동 유발 진동에 대하여 기존의 실험 연구들과 본 연구에의 휜튜브 단일 원관에서 CFD 해석을 통한 결과를 비교함으로써 기존의 실험 연구들에서 도출한 양력 변동에 따른 PSD 특성과 휜튜브 단일 원관에서의 PSD 특성을 비교하였으며 이에 대한 연구 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
휜튜브 원관 주위를 흐르는 유체는 공기를 이용하였으며 입구 유속은 배열회수 보일러에서 전열관군에서 일반적인 유속인 5m/s로 설정하였고 공기의 밀도는 배열회수 보일러 전열관군에 흐르는 배기가스의 밀도에 상응하는 값인 0.4kg/m3으로 하였다.

데이터처리

각 경우의 유동 특성 해석을 위해 사용한 프로그램은 SIMPLE 알고리즘⁽⁵⁾을 채택한 상용 열유체 전산 해석 프로그램인 Fluent 프로그램을 이용하였고 유동장은 약 530만개의 격자로 구성하였다

이론/모형

Fig. 5에는 휜튜브가 아닌 일반 원형 관에서 유동 유발 진동 실험 연구인 Chen⁽³⁾과 Taylor⁽²⁾의 실험 결과를 정리하여 Axisa⁽⁴⁾가 도출한 실험식인 아래 식 (6)을 이용하였다. 그리고 Blevins⁽¹⁾가 실험에서 사용한 12개 열 원관에서의 양력 변동 PSD도 함께 나타내었다.
특히 1과 2열에서는 타 연구들과 차이가 많이 나며 6~12열인 후류 전열관군에서는 다른 연구 결과와 유사한 결과가 나오는 것을 관찰할 수 있다. 본 연구의 CFD 해석 결과는 Axisa⁽⁴⁾가 종합 정리한 무차원 PSD 식(6)에 근접한 결과를 보여 주고 있다. 이로부터 단순 원형관이 아닌 휜튜브에서도 단순 원형관에서의 양력 변동에 따른 PSD 특성과 거의 유사한 결과가 나타남을 알 수 있다.

성능/효과

56Hz임을 알 수 있었다. 단순 원관에 관한 기존의 실험 연구들에서 도출한 PSD 특성과 본 연구의 휜튜브에서 PSD 특성을 비교한 결과 거의 유사한 특성이 도출되는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 휜튜브에서도 적절한 휜튜브 직경을 토대로 한 무차원 주파수, 무차원 PSD를 이용하면 휜튜브에서의 PSD 특성을 단순 원관에서의 PSD 로부터 예측할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서의 휜튜브 단일 원관 형상과 유동 속도 조건은 일반적인 배열회수 보일러에 사용하고 있는 형상과 유동 속도, 밀도, 점성계수를 사용하였으며 비정상 상태 해석 결과 단일 원관의 층류 유동에서 나타나는 전형적인 Karmann 와류 이탈을 본 연구의 휜튜브 단일 원관에서도 관찰할 수 있었다. 또한 휜튜브의 휜 사이 공간에도 유동이 적절히 잘 흐르는 것을 관찰할 수 있었다.
본 연구에서 휜튜브 원관 표면, 휜 측면 및 휜 외부 표면에서 양력 변동 성분의 시간의 따른 변화를 살펴본 결과 모두 다 거의 삼각함수와 같은 주기적인 변동을 관찰할 수 있었고 휜튜브 표면의 진폭은 0.2058N/m, 휜튜브 측면은 0.0356N/m, 휜튜브 외부 표면은 0.0914N/m이며 양력 변동 합력의 진폭은 0.3268N/m로 나타났다. 이는 양력 변동 합력을 기준으로 하면 각각 63%, 10%, 27%으로 나타났다.
본 연구에서의 유동 조건은 층류이기 때문에 주된 주파수의 와동 이탈(Vortex shedding)이 관찰되고 그외의 주파수에서는 거의 일어나지 않음을 알 수 있다. 이러한 비정상상태 유동 특성으로 말미암은 양력 변동이 원관에서 유동 유발 진동(Flow Induced Vibration)을 야기하게 되는데 이에 대한 분석을 구체적으로 살펴보기로 한다.
본 연구에서의 휜튜브 단일 원관 형상과 유동 속도 조건은 일반적인 배열회수 보일러에 사용하고 있는 형상과 유동 속도, 밀도, 점성계수를 사용하였으며 비정상 상태 해석 결과 단일 원관의 층류 유동에서 나타나는 전형적인 Karmann 와류 이탈을 본 연구의 휜튜브 단일 원관에서도 관찰할 수 있었다. 또한 휜튜브의 휜 사이 공간에도 유동이 적절히 잘 흐르는 것을 관찰할 수 있었다.
앞 절에서 살펴 본 것과 같이 휜 튜브에서도 단순 원관과 같이 층류에서 주기적인 Karmann 와류가 상하에서 반복적으로 발생하는 것을 확인하였다. 단순 원관과 달리 휜튜브는 원관에 휜이 부착되어 원관 표면과 휜 측면 및 휜 외부 표면에서 압력 변동에 따른 양력 변화가 일어난다.
단순 원관에 관한 기존의 실험 연구들에서 도출한 PSD 특성과 본 연구의 휜튜브에서 PSD 특성을 비교한 결과 거의 유사한 특성이 도출되는 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 휜튜브에서도 적절한 휜튜브 직경을 토대로 한 무차원 주파수, 무차원 PSD를 이용하면 휜튜브에서의 PSD 특성을 단순 원관에서의 PSD 로부터 예측할 수 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배열회수 보일러의 스팀터빈은 어떻게 구동되는가?	복합화력 발전에서 배열을 회수하여 전기를 생산하는 배열회수 보일러는 확대 덕트를 지나 수많은 전열관군으로 구성된 열교환기에서 배열을 회수하여 전열관군 내의 보일러수를 증기로 변환하여 스팀터빈을 구동한다. 배열회수 보일러의 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르게 된다.
	배열회수 보일러는 어떻게 전기를 생산하는가?	복합화력 발전에서 배열을 회수하여 전기를 생산하는 배열회수 보일러는 확대 덕트를 지나 수많은 전열관군으로 구성된 열교환기에서 배열을 회수하여 전열관군 내의 보일러수를 증기로 변환하여 스팀터빈을 구동한다. 배열회수 보일러의 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르게 된다.
	고온의 배기가스는 무엇을 발생시키는가?	배열회수 보일러의 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르게 된다. 이러한 유체의 흐름으로 인해 전열관군에서 시간변화에 따라 양력의 변동이 발생하는데 이에 따라 유동 유발 진동이 발생한다. 유동 유발 진동은 배열회수 보일러의 전열관군에서 파손을 야기할 수 있어서 열교환기의 구조적 안정성을 위해 열교환기의 전열관군에서 유동 유발 진동의 정도에 대한 규명이 필요하다.

참고문헌 (6)

R.D. Blevins, R. J. Gibert and B. Villard, "Experiment on vibration of heat exchanger tube arrays in cross-flow", Trans. 6th Int. Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology, Paper B6/9, (1981).
C. Taylor , M.J. Pettigrew, F. Axisa and B. Villard, "Experimental determination of single and two-phase cross flow induced forces on tube raws", Flow Induced Vibration, PVP Vol. 104, 31-39, (1986).
S.S. Chen and J.A. Jendrzejczyk, "Fluid excitation forces acting on square tube array", Journal of Fluids Engineering, Vol. 109/415, (1987).

상세보기
F. Axisa, J. Antunes, B. Villard and M. Wullschleger, "Random excitation of heat exchanger tubes by cross-flows", Int. ASME Winter Symposium on Low-Induced Vibrations and Noise, CEA-CONF-9744, (1988).
S.V. Patankar, "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow", 126-131, (1980)
K.B. Lee, B.W. Kim, J.S. Yang, M.K. Kim and S.S. Jang, "A study on flow-induced vibration of tube array in uniform cross flow ( I )", Transactions of the KSME B, Vol. 117, No. 5, 924-932, (1992).

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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