[논문]이젝터 구동관로의 직경비와 끝단의 위치 변화에 따른 유동특성

김노형

doi:10.5293/kfma.2016.19.1.045

이젝터 구동관로의 직경비와 끝단의 위치 변화에 따른 유동특성
Flow Characteristics of Ejector Driven Pipe According to the Changes of Diameter Ratio and End Position 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.19 no.1, 2016년, pp.45 - 51

Abstract ▼ AI-Helper

This study conducted CFD analysis on the mean velocity vector of distribution of the ejector driven pipe while changing the inlet velocity to 1 m/s at the diameter ratio of diffuser of 1:3, 1:2.25, 1:1.8 with the end position of driven pipe at 1, 1.253, 1.333, 1.467 respectively, which used $k-{\varepsilon}$/High Reynolds Number for the turbulence model, SIMPLE method for the analysis algorithm, and PIV experiment to verify the CFD analysis. As a result of the CFD analysis the optimum diameter ratio of ejector driven pipe was 1:3, the optimum end position of driven pipe was 1.333 for the diameter ratio of 1:3, 1:2.25, 1:1.8 and the PIV experiment obtained the same result as the CFD analysis. Therefore, the numerical analysis of the flow characteristics of ejector can be used for the optimum design implementation on ejector system.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

이젝터의 확대관에 대한 구동관로의 최적의 직경비와 구동관로 끝단의 최적의 위치를 얻어내고자 CFD 해석을 사용하여 확대관에 대한 구동관로의 직경비가 1:3, 1:2.25, 1:1.8 이며, 입구의 유속조건이 1 m/s일 때, 각각의 구동관로 끝단의 위치에 대해 확대관에 대한 구동관로의 직경비를 변화시 키면서, 평균속도를 CFD 해석을 통해서 분석 및 고찰한 결과를 바탕으로 PIV 실험을 통해서 검증한 본 연구의 결론은 다음과 같았다.

대상 데이터

CFD 해석 조건으로 확대관에 대한 구동관로의 직경비는 1:3, 1:2.25, 1:1.8이며, 각각의 직경비에 대한 구동관로 끝단의 위치는 1, 1.253, 1.333, 1.467일 때, 입구의 유속 조건은 1 m/s로 설정하여 CFD 해석을 수행하였다. 이젝터의 확대관에 대한 구동관로의 직경비와 구동관로 끝단의 위치를 변화시키면서 각각의 조건에 대해 90번의 실험을 통해 확대관에 대한 구동관로의 직경비에 따른 최적의 직경비와 구동 관로 끝단의 위치에 따른 유량특성을 알아낼 수 있었다.

데이터처리

조명시킨 실험 계측 영역(Test Section) 구간은 고속도 카메라를 이용하여 프레임 시간을 적절히 조정하여 영상을 획득하여 콘트롤 박스(Control Box)에 저장 시키고, 영상정보의 상태를 확인한 후 원시영상을 디지털 신호로 변환시키기 위해 A/D 변환 화상취득장치(Image Grabber)를 사용하였다. 디지털 신호로 변환시킨 영상파일은 프레임(Frame) 영상을 필드(Field) 분할하여 계조치 상호상관법을 적용시켜 입자에 대한 농도 분포를 분석하여 유동에 대한 속도분포를 추출하 였다. 사용된 장비에 대한 세부 장치들에 대한 설명은 Table 3에 도시하였다.

이론/모형

본 계산은 유체의 운동에 대한 전반적 지배방정식인 연속 방정식과 운동량방정식으로부터 수치 해를 구하기 위하여 유체의 유동해석에 많이 쓰이고 있는 유한체적법(FVM)을 사용한 상용 코드 프로그램인 STAR-CD를 사용하여 CFD 해석을 수행하였다. 난류모델은 k-ε/High Reynolds Number 를 적용하였고, 해석 알고리즘은 SIMPLE 해법을 사용하였다. CFD 해석의 계산조건은 정상상태로서 열전달과 압축성 효과를 무시하였다.
본 계산은 유체의 운동에 대한 전반적 지배방정식인 연속 방정식과 운동량방정식으로부터 수치 해를 구하기 위하여 유체의 유동해석에 많이 쓰이고 있는 유한체적법(FVM)을 사용한 상용 코드 프로그램인 STAR-CD를 사용하여 CFD 해석을 수행하였다. 난류모델은 k-ε/High Reynolds Number 를 적용하였고, 해석 알고리즘은 SIMPLE 해법을 사용하였다.

성능/효과

1) 확대관에 대한 구동관로의 직경비가 1:3이고, 구동관로 끝단의 위치가 1.333일 때, 가장 빠른 유속을 나타내었으며, 확대관에 대한 구동관로의 직경비와 구동관로 끝단의 위치가 최적인 것을 확인하였다.
2) 구동관로 끝단의 위치가 1, 1.253, 1.333, 1.467일 때, 확대관에 대한 구동관로의 직경비를 1:3, 1:2.25, 1:1.8로 변화시키면서 유동특성을 해석한 결과는 직경비가 1:3에서 흡인효과는 가장 크게 나타났으며, 이때 흡인 효과는 구동관로 끝단의 위치와는 무관하였다.
3) CFD 해석과 PIV 실험에 의한 무차원 평균속도값은 평균 96％ 정도 일치하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이젝터는 무엇인가?	이젝터(Ejector)는 고압의 유체를 구동관로에서 분출시켜 그 주변의 저압기체와 운동량 교환을 통하여 저압의 유체를 보다 높은 압력까지 상승시켜 흡인되는 원리를 이용한 수송 장치로서 기계적 운동부분이 없기 때문에 고장이 거의 없다. 액체, 기체는 물론 고체가 혼입하여도 작동상 별다른 무리가 없다는 점에서 열기관, 발전소, 석유화학, 식품공업.
	이젝터가 이론적 해석과 실험결과가 동시에 설계에 요구되는 이유는 무엇인가?	설계 제작비가 저렴할 뿐만 아니라 유지보수가 거의 불필요한 반영구적인 유체기계라는 장점을 가지고 있다. 이젝터는 구조가 간단함에도 불구하고, 열·유체 공학적으로 매우 복잡하여 명확한 이론해석이 어려워, 이론적 해석과 실험결과가 동시에 설계에 요구된다. 이러한 이젝터에 관한 연구로써, Fluegel(1)은 액체-액체 이젝터의 유동특성을 베르누이 방정식과 운동량 방정식을 적용하여 기본적인 해석방법을 제시하였으며 증기-증기 이젝터의 각각의 상태점을 엔탈피-엔트로피 선도로 나타내었 다.
	이젝터는 어떤 분야에 적용되는가?	이젝터(Ejector)는 고압의 유체를 구동관로에서 분출시켜 그 주변의 저압기체와 운동량 교환을 통하여 저압의 유체를 보다 높은 압력까지 상승시켜 흡인되는 원리를 이용한 수송 장치로서 기계적 운동부분이 없기 때문에 고장이 거의 없다. 액체, 기체는 물론 고체가 혼입하여도 작동상 별다른 무리가 없다는 점에서 열기관, 발전소, 석유화학, 식품공업. 환경 산업 등 많은 공업 및 건축분야에 적용되고 있다. 또한 이젝 터는 시스템이 대형, 소형화 등 크기에 상관없이 단순 구조로 제작이 가능하고, 설치가 용이하여 유체가 유동하고 있는 장소에서 쉽게 이용할 수 있으며.

참고문헌 (5)

Fluegel Gustav, 1939, "Berechung von Strahlapparaten," VDI-Forschungsheft 395 Ausgabe B Band 10 March/April.
Sun, D. W. and Eames, I. E., 1995, "Recent Developments in the Design Theories and Applications of Ejectors a Review," Journal of the Institute Energy, Vol. 68, Jun., pp. 665-676.
Witte, J. H., 1995, "Efficiency and Design of Liquid-Gas Ejector," British-Chemical Engineering, Vol. 10, No. 9, pp. 602-607.
U., J., Kim, 2008, "A Study on the Effect of Nozzle Geometry on the Suction Flow Rate in a Jet Pump," The Graduate School of Dong-A University, Master's thesis.
J., H., Jeong, 2011, "A Study of Flow Characteristics Inside of Ejector," The Graduate School of Dong-A University, Master's thesis.

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