수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다. 본 연구에서는 전산유체역학 해석기법을 적용하여 밀폐된 공간 내부의 수소가스 누출 현상에 대한 수치해석 연구를 수행하였고, 실험결과와 비교하였다. 또한, 검증된 해석기법을 적용하여 누출공의 크기에 따른 가스 확산 거동에 대하여 해석하고 다양한 기법을 통해 분석하였다. 누출 시간 경과에 따른 공간 내의 가연영역을 누출공 크기 별로 확인하고, 가연영역의 체적분율을 통하여 누출공의 크기가 증가할수록 공간 내부의 가연영역은 급속히 성장함을 확인하였다. 또한 수소 가스의 누출량과 가연영역이 천장까지 성장하는 최소 소요시간 사이의 관계를 도출하였다. 특정 모니터링 지점에서 가스 몰분율 분석을 통해 가스는 형상 규모의 영향을 받지 않고 등방적 특성으로 퍼져나감을 확인하였으며, 특정 지점에서의 가스 농도는 누출구로부터 발생하는 주 유동의 효과와 밀폐공간에서의 가스 누적 효과를 모두 고려해야 함을 알 수 있었다.
수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다. 본 연구에서는 전산유체역학 해석기법을 적용하여 밀폐된 공간 내부의 수소가스 누출 현상에 대한 수치해석 연구를 수행하였고, 실험결과와 비교하였다. 또한, 검증된 해석기법을 적용하여 누출공의 크기에 따른 가스 확산 거동에 대하여 해석하고 다양한 기법을 통해 분석하였다. 누출 시간 경과에 따른 공간 내의 가연영역을 누출공 크기 별로 확인하고, 가연영역의 체적분율을 통하여 누출공의 크기가 증가할수록 공간 내부의 가연영역은 급속히 성장함을 확인하였다. 또한 수소 가스의 누출량과 가연영역이 천장까지 성장하는 최소 소요시간 사이의 관계를 도출하였다. 특정 모니터링 지점에서 가스 몰분율 분석을 통해 가스는 형상 규모의 영향을 받지 않고 등방적 특성으로 퍼져나감을 확인하였으며, 특정 지점에서의 가스 농도는 누출구로부터 발생하는 주 유동의 효과와 밀폐공간에서의 가스 누적 효과를 모두 고려해야 함을 알 수 있었다.
As a potential clean energy resource, the production and consumption of hydrogen gas are expected to gradually increase, so that hydrogen related studies are also increasing. The thermal and chemical properties of hydrogen result in its high flammability; in particular, there is a high risk if leaks...
As a potential clean energy resource, the production and consumption of hydrogen gas are expected to gradually increase, so that hydrogen related studies are also increasing. The thermal and chemical properties of hydrogen result in its high flammability; in particular, there is a high risk if leaks occur within an enclosed space. In this study, we applied the computational fluid dynamics method to conduct a numerical study on the leakage behavior of hydrogen gas and compared these numerical study results with an experimental study. The leakage hole diameter was selected as an important parameter and the hydrogen gas dispersion behavior in an enclosed space was investigated through various analytical methods. Moreover, the flammable regions were investigated as a function of the leakage time and leakage hole size. We found that the growth rate of the flammable region increases rapidly with increasing leakage hole size. We also investigated the relation between the mass flow rate and the critical time when the hydrogen gas reaches the ceiling. The analysis of the monitoring points showed that the hydrogen gas dispersion behavior is isotropic and independent of the geometry. We found that the concentration of gas in an enclosed space is affected by both the leakage flow rate and amount of gas accumulated in the enclosure.
As a potential clean energy resource, the production and consumption of hydrogen gas are expected to gradually increase, so that hydrogen related studies are also increasing. The thermal and chemical properties of hydrogen result in its high flammability; in particular, there is a high risk if leaks occur within an enclosed space. In this study, we applied the computational fluid dynamics method to conduct a numerical study on the leakage behavior of hydrogen gas and compared these numerical study results with an experimental study. The leakage hole diameter was selected as an important parameter and the hydrogen gas dispersion behavior in an enclosed space was investigated through various analytical methods. Moreover, the flammable regions were investigated as a function of the leakage time and leakage hole size. We found that the growth rate of the flammable region increases rapidly with increasing leakage hole size. We also investigated the relation between the mass flow rate and the critical time when the hydrogen gas reaches the ceiling. The analysis of the monitoring points showed that the hydrogen gas dispersion behavior is isotropic and independent of the geometry. We found that the concentration of gas in an enclosed space is affected by both the leakage flow rate and amount of gas accumulated in the enclosure.
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문제 정의
본 연구에서는 미래의 유망한 대체에너지 자원인 수소 가스의 누출에 따른 위험성 평가를 위한 연구를 수행하였다. 실제에서 가스 누출 혹은 그로 인한 사고의 발생 가능성은 극히 적다.
본 연구에서는 유효성 검증의 대상으로 Zhang 등[10-11]이 진행한 실험 결과를 선정하고 CFD 결과와 비교하였다. 해당 연구에서는 밀폐공간 내에서 수소 가스 누출에 대한 사고 가능성에 대하여 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 직육면체 형태의 밀폐된 공간 내부에서 누출공을 모사하는 노즐을 위치시키고 수소 가스를 일정한 유량으로 중력반대방향으로 분사하였다.
가설 설정
이 때 시간간격 은 유동안정성을 고려하기 위해 CFL 수를 기준으로 10-4 s 로 초기설정하고, 변동조건을 고려하여, 총 160 초까지 해석하였다. 또한 비압축성 유동으로 가정하였는데, 출구 유속측정 결과를 참고하면 노즐 분사구의 속도가 Ma≺ 0.3 이므로 가정은 타당하다. 수소는 밀도가 공기보다 낮기 때문에 중력가속도를 계산에 고려하였다.
제안 방법
1. 수치해석의 유효성을 판단하기 위하여 기존 문헌에서의 수소 가스 누출 실험과 동일한 조건 하에 CFD 시뮬레이션을 수행하였고, 가스 농도의 경향과 비교적 일치함을 확인하였다.
3. 누출공 크기에 따른 수소 가스의 특정 임계 농도를 정하고, 이 농도의 수직 누출 거리의 성장속도를 확인하였으며, 누출량과 천장까지 임계 농도가 도달하는 시간에 대한 curve-fitting을 수행하였다. 도달 시간과 누출량은 멱함수의 관계로 나타낼 수 있다.
5. 누출공 크기에 따른 특정 지점에서의 가스 농도를 경과시간에 따라 확인하였다. 천장에서는 누출공 크기가 클수록 고 농도의 가스가 분포하며, 특정 지점에서의 가스 농도는 주 유동에 의한 영향과 밀폐공간 효과에 의한 누적 가스의 확산을 함께 고려해야 한다.
초기조건으로는 게이지 압력과 3축 방향에 대한 속도, 초기 가스 농도를 모두 0으로 설정하였고 air의 온도 조건은 300 K으로 설정하였다. 경계조건으로, 노즐 분사구에 질량유량 입구조건을 부여하고, 질량유량을 실험과 같이 1 g/s로, 수소 가스의 질량분율을 1.0으로 설정하였다. 출구조건으로 두 개구 모두 압력출구조건으로 설정하였으며 이때 대기조건으로 설정했다.
265 m이다. 노즐 분사구는 직경 20 mm로 챔버 윗면 중앙에 위치하며, 이곳을 통하여 1 g/s의 수소 가스를 분사하였다.
본 연구에서는 밀폐된 공간을 대상으로 CFD 기법을 적용하여 수소 가스의 누출 상황을 모사하고, 해당 결과를 기존 실험데이터와의 비교분석을 통하여 검증하였다. 다음으로 수소 가스의 누출과정에서 중요한 영향인자인 누출공 크기에 따른 밀폐공간에서 수소 가스의 확산거동을 알아보았다.
천장에서는 누출공 크기가 클수록 고 농도의 가스가 분포하며, 특정 지점에서의 가스 농도는 주 유동에 의한 영향과 밀폐공간 효과에 의한 누적 가스의 확산을 함께 고려해야 한다. 또한, 높이가 낮은 지점에서 속도 구배에 따른 가스 농도의 감소 후 증가 경향을 관찰하고 이를 분석하였다.
본 연구에서는 밀폐된 공간을 대상으로 CFD 기법을 적용하여 수소 가스의 누출 상황을 모사하고, 해당 결과를 기존 실험데이터와의 비교분석을 통하여 검증하였다. 다음으로 수소 가스의 누출과정에서 중요한 영향인자인 누출공 크기에 따른 밀폐공간에서 수소 가스의 확산거동을 알아보았다.
전산유체역학 해석기법을 적용하여 수소 누출, 확산 관련 특성을 알아보기 위해서는 해당 수치해석 기법의 유효성을 검증하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 유효성 검증의 대상으로 Zhang 등[10-11]이 진행한 실험 결과를 선정하고 CFD 결과와 비교하였다. 해당 연구에서는 밀폐공간 내에서 수소 가스 누출에 대한 사고 가능성에 대하여 알아보기 위하여 실험을 수행하였다.
생성한 격자의 수치해석적 유효성 판단을 위하여 격자수에 따른 격자 민감도 테스트를 수행하였다. 위의 해석 조건에서 격자의 수에 따라 총 약 50만 개의 격자부터 154만 개의 격자까지 총 다섯 가지의 격자에 대해 unsteady 해석을 수행하였다.
0)을 사용하였다. 수치해석을 수행하기 위하여, Fig. 2와 같이 검증 문헌의 실험과 같은 규모의 형상에 대하여 다면체(polyhedral) 격자를 생성하였다. 이 때 유동의 발달 형상을 정확히 모사하기 위하여 노즐 분사구와 형상 하단부에 위치하는 개구에는 보다 조밀한 격자를 생성하였다.
실제 수소 가스의 누출이 발생 시 사고의 위험성을 변화시키는 영향인자로 누출공 크기에 따른 수소가스의 누출량을 선정하고, 누출 과정에서의 누출공을 모사하는 노즐 분출구의 직경을 변화해가며 밀폐공간에서 수소 가스의 확산거동을 알아보았다. 이 때 노즐 분출구는 앞서 수행한 검증 해석에서 사용한 20 mm 외에 추가로 누출공 크기를 10 mm, 15 mm로 선정하고, 누출량의 경우 출구속도를 보상하기 위하여 누출공의 면적에 비례하도록 설정하였다.
생성한 격자의 수치해석적 유효성 판단을 위하여 격자수에 따른 격자 민감도 테스트를 수행하였다. 위의 해석 조건에서 격자의 수에 따라 총 약 50만 개의 격자부터 154만 개의 격자까지 총 다섯 가지의 격자에 대해 unsteady 해석을 수행하였다. Fig.
실제 수소 가스의 누출이 발생 시 사고의 위험성을 변화시키는 영향인자로 누출공 크기에 따른 수소가스의 누출량을 선정하고, 누출 과정에서의 누출공을 모사하는 노즐 분출구의 직경을 변화해가며 밀폐공간에서 수소 가스의 확산거동을 알아보았다. 이 때 노즐 분출구는 앞서 수행한 검증 해석에서 사용한 20 mm 외에 추가로 누출공 크기를 10 mm, 15 mm로 선정하고, 누출량의 경우 출구속도를 보상하기 위하여 누출공의 면적에 비례하도록 설정하였다. 이에 따라 누출량을 각각 10 mm 누출공에서는 0.
직육면체 형태의 밀폐된 공간 내부에서 누출공을 모사하는 노즐을 위치시키고 수소 가스를 일정한 유량으로 중력반대방향으로 분사하였다. 이 때 수소가스는 총 270초 간 누출시키고 누출 시작 시간으로부터 공간 내의 수소 가스 농도를 센서를 통해 80초 간격으로 측정하였다.
Zhang 등[10]의 실험과 같은 조건 하에서 비정상(unsteady) 수치해석을 수행하였다. 이 때 시간간격 은 유동안정성을 고려하기 위해 CFL 수를 기준으로 10-4 s 로 초기설정하고, 변동조건을 고려하여, 총 160 초까지 해석하였다. 또한 비압축성 유동으로 가정하였는데, 출구 유속측정 결과를 참고하면 노즐 분사구의 속도가 Ma≺ 0.
5%를 위험 기준으로 규정하고 있다. 이러한 방법론을 수소 가스에 적용하여 연구를 실시한 사례가 있으며[12-13], 본 연구에서 또한 같은 방법론에 따라 수소의 가연한계 농도를 2% 이상 74% 이하로 설정하였다.
그러나 실제 설비를 설계, 건설 및 유지보수 하는 데에 있어서 안전성에 대한 평가는 반드시 고려되어야 한다. 이를 위하여 CFD 시뮬레이션을 수행하였고, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
해당 연구에서는 밀폐공간 내에서 수소 가스 누출에 대한 사고 가능성에 대하여 알아보기 위하여 실험을 수행하였다. 직육면체 형태의 밀폐된 공간 내부에서 누출공을 모사하는 노즐을 위치시키고 수소 가스를 일정한 유량으로 중력반대방향으로 분사하였다. 이 때 수소가스는 총 270초 간 누출시키고 누출 시작 시간으로부터 공간 내의 수소 가스 농도를 센서를 통해 80초 간격으로 측정하였다.
수소는 밀도가 공기보다 낮기 때문에 중력가속도를 계산에 고려하였다. 초기조건으로는 게이지 압력과 3축 방향에 대한 속도, 초기 가스 농도를 모두 0으로 설정하였고 air의 온도 조건은 300 K으로 설정하였다. 경계조건으로, 노즐 분사구에 질량유량 입구조건을 부여하고, 질량유량을 실험과 같이 1 g/s로, 수소 가스의 질량분율을 1.
0으로 설정하였다. 출구조건으로 두 개구 모두 압력출구조건으로 설정하였으며 이때 대기조건으로 설정했다. 이 외에 다른 경계면 들은 모두 비점착조건과 단열조건을 사용하여 처리하였다.
대상 데이터
83 m인 xy 평면 상에서 누출구 위치로부터 특정 거리만큼 떨어진 세 지점에 대한 결과를 나타내고 있다. 떨어진 거리는 Zhang 등의 논문[10]에서 언급된 센서 위치를 참고하여 각각 0.4 m와 1.85 m를 선정 하였다. 해석 형상은 y축 방향의 길이가 x축 방향 길이에 비해 약 2배가량 크다.
비교결과에서 높이에 따른 속도와 수소가스의 몰분율 모두 90만 격자 이상부터 해석에 따른 주 유동과 농도장의 발달을 잘 예측함을 알 수 있다. 해당 결과를 토대로 총 90만 개의 격자를 최적화된 격자로 판단하였다.
데이터처리
검증 연구를 진행하기 위하여 상용 CFD 프로그램인 ANSYS FLUENT (V. 15.0)을 사용하였다. 수치해석을 수행하기 위하여, Fig.
3은 속도와 가스 농도에 대한 격자 민감도 테스트 결과이다. 노즐 분사구로부터 천장 높이까지 속도와 수소 가스 몰분율을 총 계산 시간 0.05초에서 비교하였다. 비교결과에서 높이에 따른 속도와 수소가스의 몰분율 모두 90만 격자 이상부터 해석에 따른 주 유동과 농도장의 발달을 잘 예측함을 알 수 있다.
이론/모형
Zhang 등[10]의 실험과 같은 조건 하에서 비정상(unsteady) 수치해석을 수행하였다. 이 때 시간간격 은 유동안정성을 고려하기 위해 CFL 수를 기준으로 10-4 s 로 초기설정하고, 변동조건을 고려하여, 총 160 초까지 해석하였다.
여기에 추가적으로 유동의 난류모사를 위해 Realizable k-ε 난류모델을 이용하였다. 속도와 압력을 해석하기 위한 압력-속도장은 SIMPLE 알고리즘을 적용하여 연계하였다.
여기에 추가적으로 유동의 난류모사를 위해 Realizable k-ε 난류모델을 이용하였다.
성능/효과
20 mm 누출공 크기의 경우 누출 후 20초부터 가연영역 체적분율이 성장하기 시작하여 160초 시점에서는 전체 밀폐공간의 약 40%가 가연영역으로 나타났다. 15 mm와 10 mm의 누출공 크기인 경우는 각각 40초와 140초부터 가연영역이 급격히 성장하기 시작하는데, 특히 15 mm 경우 40초 이후 가연영역 성장 속도가 20 mm 누출공 크기에서 20초 이후 가연영역이 성장하는 경향과 유사하게 나타났다.
2. 10 mm, 15 mm, 20 mm의 총 3가지 경우에 대하여 수소 가스 누출 해석을 수행하였으며, 이를 통해 누출공 크기에 따라 가연영역이 특정한 시점부터 급격하게 성장함을 알 수 있었다.
4. 특정 누출공 크기에 대하여, 천장 높이에서 가스 농도 분포의 방향성을 확인하였으며, 가스 농도의 분포는 등방성임을 알 수 있었다.
Point 3에서 실험 결과와 수치해석 간의 차이가 발견되는데, 이는 벽의 거칠기 등의 부수적인 효과로 인한 차이로 설명할 수 있다. 결과적으로 해석 결과는 실제 실험값과 동일한 경향을 보이며, 따라서 본 연구에서 제안한 CFD 모델은 2차 유동에 대한 수소 가스의 확산을 모사할 수 있다고 판단된다.
(a)의 경우 20초 전후로 급격한 몰분율 증가를 보이는데, 이는 누출 가스가 주 유동에 의해 천장에 접한 뒤 천장을 따라 확산하며 해당 지점에 분포하기 시작함을 의미한다. 누출공의 크기가 클수록 가스의 운동량에 의한 수송 효과와 누출량이 크기 때문에 누출공이 큰 경우에 보다 높은 몰분율로 분포하는 것을 확인할 수 있다. (b)에서는 20 mm 누출공에서 누출 시간 경과 후 약 90초 전후로 몰분율이 급격히 상승하는 경향을 볼 수 있다.
05초에서 비교하였다. 비교결과에서 높이에 따른 속도와 수소가스의 몰분율 모두 90만 격자 이상부터 해석에 따른 주 유동과 농도장의 발달을 잘 예측함을 알 수 있다. 해당 결과를 토대로 총 90만 개의 격자를 최적화된 격자로 판단하였다.
후속연구
63이 가장 정확한 결과로 판단된다. 본 연구에서 수행한 3가지의 누출공 크기 이외에 다양한 누출공 크기에 대한 추가적인 수치해석과 함께, 그에 따른 결과의 curve-fitting을 수행한다면 보다 정확한 관계 및 지수를 산출할 수 있다.
본 연구에서 수행한 분석방법은 수소 가스를 포함하여 공기보다 밀도가 낮은 가연가스의 밀폐된 공간 내 누출 및 확산 상황에 대한 위험성을 평가하는 데에 활용할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
석유를 대체할 수 있는 대체에너지로 각광받는 에너지는 무엇이 있는가?
최근 무분별한 자원 사용에 따른 환경오염과 에너지 고갈 문제가 사회 곳곳에서 제기됨에 따라, 기존 산업에 핵심적이던 석유를 대체할 수 있는 대체에너지의 활용에 대한 관심이 커지고 있다. 그 중에서도 수소는 공해를 일으키지 않기 때문에 연료전지에 적용되는 등 미래의 청정에너지 자원으로 각광받고 있다[1]. 최근에는 수소를 활용하는 연료전지 자동차의 개발 등 산업에서 수소를 에너지원으로 이용하려는 움직임이 있다[2].
수소는 어떤 에너지 자원인가?
수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다.
수소의 열화학적 특성은 어떠한가?
수소는 공해가 없는 청정에너지 자원으로, 이를 활용하기 위한 많은 연구가 진행되고 점차 생산 및 소비량이 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 수소의 열화학적 특성 상 매우 높은 가연성을 가지며, 특히 밀폐공간에서 수소 가스가 누출되는 경우에 위험성이 높다. 본 연구에서는 전산유체역학 해석기법을 적용하여 밀폐된 공간 내부의 수소가스 누출 현상에 대한 수치해석 연구를 수행하였고, 실험결과와 비교하였다.
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