[논문]믹서의 가동 수 및 각도 변화에 따른 유동형 지붕 탱크의 유동특성

김노형

doi:10.5293/kfma.2015.18.3.020

문제 정의

본 연구에서 유동형 지붕 탱크의 유동해석 모델링을 위해 우선 탱크의 인입배관 조건을 위한 CFD 모델을 만들어 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 600,000 Barrel의 유동형 지붕 탱크에 설치된 믹서(Mixer)는 유체의 균질화를 목적으로 가동하며, 믹서의 가동에 따른 탱크 내의 유동특성에 영향을 미치는 변수는 믹서의 각도와 믹서의 가동 수이므로 믹서의 각도 변화, 믹서의 가동 수를 가변하면서 해석영역의 유동특성을 해석하고자 ADINA 9.0을 이용하여 CFD 해석을 수행한 결과 다음과 같았다.
본 연구에서는 600,000 Barrel의 유동형 지붕 탱크에 설치된 믹서는 유체의 균질화를 목적으로 가동하며, 믹서의 가동에 따른 탱크 내의 유동특성에 영향을 미치는 변수는 믹서의 각도와 믹서의 가동 수이므로 믹서의 각도 변화, 믹서의 가동 수를 가변하면서 특정 해석영역에 대한 정확한 실험 데이터를 얻어 유체유동에 대한 전반적인 내용을 분석하였다. 이 실험을 검증할 만한 자료로서 전산유체역학을 이용하여 실험의 타당성을 점검하여 주어진 문제인 유동형 지붕 탱크의 유동특성을 규명하고자 ADINA 9.
믹서에 대한 실험적 연구 동향은 크게 세 부류로 나눌 수 있다. 첫 번째는 기본적인 설계 변수들에 대한 측정결과와 무차원 변수간의 상관 관계식을 도출하는 연구이다. 이러한 연구들 중에는 Pahl and Muschelknautz⁽¹⁾, Boss and Czastkiewicz⁽²⁾, Shah and Kale⁽³⁾, Chandra and Kale⁽⁴⁾의 압력손실과 레이놀드 수, Grace⁽⁵⁾, Morris and Proctor⁽⁷⁾의 열전달과 레이놀드 수 및 프란틀 수, Morris and Proctor⁽⁷⁾, Morris and Misson⁽⁶⁾의 질량유량과 슈미트 수 등에 대한 연구가 있다.
7과 같이 600,000 Barrel의 탱크를 기반으로 해석하였다. 해석조건의 배경은 유동형 지붕 탱크에 설치된 믹서의 각도 변화 및 가동 수의 가변에 따른 탱크 내부의 유동특성을 파악하고자 모델링을 하였다.

가설 설정

믹서의 경우 실제 유동모델을 넣어 해석하는데 어려움이 있음으로 이를 단순모델로 치환하기 위해 식 1과 같이 믹서의 파워를 유동속도로 치환하여 모델링 하였다. 이때 믹서의 효율을 70%로 가정하였다.(8),(9) Table 4는 식 (1)을 이용하여 유속을 산정한 결과이다.
Table 3은 유동해석 조건을 나타내고 있다. 이를 바탕으로 수치 해를 구하기 위하여 유체 유동해석에 많이 쓰이고 있는 유한체적법(Finite Volume Method)을 사용한 상용 코드 프로그램인 ADINA 9.0을 이용하여 수치해석을 수행하였으며, 주어진 탱크 내의 유동에 대한 Reynolds 수의 기준에 근거하여 난류로 가정하여 계산 하였다. 난류모델은 k-ε/High Reynolds Number를 적용하였고, 유체의 점성은 0.

제안 방법

15는 믹서의 가동 수에 따른 유동해석 결과를 나타내고 있다. 또한 탱크 내의 유체에 대한 균질화를 확인하기 위한 방법으로 믹서의 가동 수에 따라 탱크의 세 곳(Upper, Middle, Lower)에서 두 차례에 걸쳐 시료를 채취하여 API를 분석하여 API의 편차를 확인하여 탱크 내의 유체에 대한 균질화를 확인하였다. 이때 API 편차는 0.
믹서의 유동이 탱크의 내부에 미치는 영향을 분석하기 위하여 믹서의 각도 조건을 Right 60°, Right 30°, 0°, Left 30°, Left 60°로 하여 믹서 각도의 변화에 따른 유동특성을 해석하였다.
본 연구에서는 600,000 Barrel의 유동형 지붕 탱크에 대해 믹서의 가동 수를 4기, 6기로 변화시키면서 유동해석을 수행하였으며, Fig. 14 ~ Fig. 15는 믹서의 가동 수에 따른 유동해석 결과를 나타내고 있다. 또한 탱크 내의 유체에 대한 균질화를 확인하기 위한 방법으로 믹서의 가동 수에 따라 탱크의 세 곳(Upper, Middle, Lower)에서 두 차례에 걸쳐 시료를 채취하여 API를 분석하여 API의 편차를 확인하여 탱크 내의 유체에 대한 균질화를 확인하였다.
본 연구에서는 600,000 Barrel의 유동형 지붕 탱크에 설치된 믹서(Mixer)는 유체의 균질화를 목적으로 가동하며, 믹서의 가동에 따른 탱크 내의 유동특성에 영향을 미치는 변수는 믹서의 각도와 믹서의 가동 수이므로 믹서의 각도 변화, 믹서의 가동 수를 가변하면서 해석영역의 유동특성을 분석하고자 ADINA 9.0을 사용하여 CFD 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 600,000 Barrel의 유동형 지붕 탱크에 설치된 믹서는 유체의 균질화를 목적으로 가동하며, 믹서의 가동에 따른 탱크 내의 유동특성에 영향을 미치는 변수는 믹서의 각도와 믹서의 가동 수이므로 믹서의 각도 변화, 믹서의 가동 수를 가변하면서 특정 해석영역에 대한 정확한 실험 데이터를 얻어 유체유동에 대한 전반적인 내용을 분석하였다. 이 실험을 검증할 만한 자료로서 전산유체역학을 이용하여 실험의 타당성을 점검하여 주어진 문제인 유동형 지붕 탱크의 유동특성을 규명하고자 ADINA 9.0을 사용하여 CFD 해석을 수행하여 해석하고자 한다.

대상 데이터

3~Fig. 7과 같이 600,000 Barrel의 탱크를 기반으로 해석하였다. 해석조건의 배경은 유동형 지붕 탱크에 설치된 믹서의 각도 변화 및 가동 수의 가변에 따른 탱크 내부의 유동특성을 파악하고자 모델링을 하였다.

이론/모형

난류모델은 k-ε/High Reynolds Number를 적용하였고, 유체의 점성은 0.02 Pa·s, 밀도는 850 kg/m3 , 점정계 수는 0.0055 kg/m·s, 격자의 수는 948,625개이다.

성능/효과

1) 유동형 지붕 탱크의 내부 최대유속은 4기, 6기의 믹서를 가동 했을 때 0.02 m/s의 최대유속을 동일하게 나타내었다. 따라서 믹서의 가동 수는 탱크 내부의 유동에 대한 영향은 미미함으로 탱크 내부의 균질화에 대한 영향은 미미함을 알 수 있었다.
2) 믹서의 각도 변화에 따른 탱크 내부의 유속은 0.42 m/s~0.47 m/s이므로 유동특성은 미미함을 알 수 있 었다. 이는 탱크 중심부의 유동은 믹서에 의한 유동이 탱크의 벽면에 부딪힌 유동이 벽면을 따라서 1차 유동이 발생하여 탱크 내부의 2차 유동으로 발생하므로 직접적인 영향이 낮기 때문이다.
3) 믹서의 가동 수를 변화시키면서 탱크 내부의 유동특성을 해석한 결과 믹서 가동 수에 따른 탱크 내부의 유동은 미미함을 알 수 있었다. 이는 믹서에 의한 유동이 벽면을 따라 유동이 발생하므로 탱크 중심부에 미치는 유동이 직접적인 영향이 낮기 때문이다.
또한 믹서에 의한 2차 유동이 탱크의 중심부에서 지붕으로 상승하는 것을 파악할 수 있었다. 그리고 믹서의 가동 수를 4기, 6기로 가변해서 시료를 채취하여 API를 측정한 결과 API의 편차가 0.5 이하로 탱크 내의 유체가 균질화된 것으로 파악되었으며, 믹서의 가동 수를 증가한다고 해서 탱크의 내의 균질화에 대한 영향은 미미함을 알 수 있 었다.
그리고 탱크의 Upper, Middle, Lower의 세 곳에서 시료를 채취하여 API를 측정한 결과 Upper 는 41.3°API, Middle 은 41.5°API, Lower는 41.5°API 로 API의 편차가 0.5 이하로나타나 유체의 균질화가 되었다고 판단되었다.
그리고 탱크의 Upper, Middle, Lower의 세 곳에서 시료를 채취하여 API를 측정한 결과 Upper 는 41.6°API, Middle 은 41.5°API, Lower는 41.5°API 로 API의 편차가 0.5 이하로 나타나 유체의 균질화가 되었다고 판단되었다.
02 m/s의 최대유속을 동일하게 나타내었다. 따라서 믹서의 가동 수는 탱크 내부의 유동에 대한 영향은 미미함으로 탱크 내부의 균질화에 대한 영향은 미미함을 알 수 있었다.
믹서의 가동 수를 변화시키면서 탱크 내의 유동특성을 해석한 결과 믹서 가동 수에 따른 탱크 내의 유동은 미미함을알 수 있었다. 이는 믹서에 의한 유동이 벽면을 따라 유동이 발생하므로 탱크 중심부에 미치는 유동이 직접적인 영향이 낮기 때문이다.
이때의 유동특성은 믹서의 각도가 0°인 관계로 믹서의 유동이 탱크의 중심부로 향하고 있어서 최대유속이 발생한 것으로 판단되었다.
해석결과 믹서의 각도 변화에 따른 탱크 내부의 유속은 0.42 m/s~0.47 m/s이므로 믹서의 각도 변화에 따른 유동 특성에 미치는 영향은 미미함을 알 수 있었다. 믹서의 각도가 Right 60°, Right 30°, Left 30°, Left 60°일 때 탱크 중심부의 유동은 믹서에 의한 유동이 탱크의 벽면에 부딪힌 유동이 벽면을 따라서 1차 유동이 발생하여 탱크 내부의 2차 유동으로 발생하므로 직접적인 영향이 낮기 때문이다.

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