[논문]배열회수 보일러 단일 휜튜브의 양력과 항력 변동에 따른 PSD 특성 연구

하지수; 이부윤

doi:10.7842/kigas.2016.20.2.23

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 휜튜브에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 단일 휜튜브에서의 양력과 항력 변화 특성을 살펴보았다. 또한 단일 휜튜브에서 양력과 항력 변동 특성으로부터 유동 유발 진동에 따른 PSD 특성 결과를 도출하여 기존에 단순 원관에서 이루어졌던 연구들과 비교를 통해 단일 휜튜브 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 o...

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 and drag fluctuation over the fin tube was investigated. The derived nondimensional lift PSD was compared with the results of the previous experimental studies and the characteristics of lift and drag PSD over a single fin tube was established from the present CFD study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 것을 위해 배열회수 보일러에 사용하는 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 원관에서의 양력과 항력 변화 특성을 살펴보기로 한다. 또한 휜튜브 원관에서 양력과 항력 변동 특성으로부터 유동 유발 진동에 따른 PSD 특성 결과를 도출하여 기존에 원관 주위의 유동 유발 진동 연구들과 비교를 통해 휜튜브 원관 주위의 양력과 항력 변동의 PSD 특성을 정립하기로 한다.
배열회수 보일러의 전열관군에서 발생하는 유체유발 진동을 규명하기 위해 휜튜브 단일 원관에서 유체유발 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 배열회수 보일러에 사용하는 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 원관에서의 양력과 항력 변화 특성을 살펴보기로 한다.

제안 방법

5x10⁵이므로 본 연구의 휜튜브 원관 형상과 입구유속은 난류 영역이 아니라 층류로 간주할 수 있다. 따라서 본 연구의 유동 지배방정식은 3차원 비정상상태 연속방정식, 운동량방정식으로 아래와 같이 구성할 수 있다. 밀도 변화가 없으므로 연속방정식은 다음과 같다.
5에 나타내었다. 본 연구에서 우선적으로 양력 변동의 PSD와 기존의 실험 연구들과 비교하는 것은 Blevins^[1]가 실험적으로 원관 표면에서 압력을 측정하여 양력 성분만으로 PSD 결과를 도출하였기 때문에 양력 변동으로 PSD를 구하여 비교하기로 한다. Fig.
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 배열회수 보일러에 사용하는 단일 휜튜브 원관에서 비정상 상태 유동해석을 수행하여 주기적인 와동 발생 특성과 원관에서의 양력과 항력 변화 특성을 살펴보기로 한다. 또한 휜튜브 원관에서 양력과 항력 변동 특성으로부터 유동 유발 진동에 따른 PSD 특성 결과를 도출하여 기존에 원관 주위의 유동 유발 진동 연구들과 비교를 통해 휜튜브 원관 주위의 양력과 항력 변동의 PSD 특성을 정립하기로 한다.
지금까지 단일 휜튜브에서 양력과 항력의 시간 변동에 따른 유동 특성을 살펴보았으며 기존의 실험 연구들과 본 연구에의 CFD 해석을 통한 결과를 비교함으로써 본 연구의 CFD 해석의 타당성과 단일 휜튜브의 양력과 항력의 시간 변동에 따른 PSD 특성을 분석하여 이에 대한 연구 결과를 다음과 같이 요약할 수 있다.
아래 그림 오른쪽에는 유동 입구 방향에서 바라본 휜과 휜사이 영역의 유동장의 격자 형상과 휜 형상을 나타내었다. 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 전산해석 프로그램인 Fluent 프로그램을 이용하였고 유동장은 약 530만개의 격자로 구성하였다.

이론/모형

fD/U=1이후에 PSD 상하 변동이 다소 발생하는 것은 본 연구의 비정상상태 해석시 시간 간격의 크기에 따라 고주파수 영역에서 발생하는 변동으로 판단된다. 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

단순 원관에 관한 기존의 실험 연구들에서 도출한 PSD 특성과 본 연구의 휜튜브에서 양력 변동 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 PSD로부터 예측할 수 있음을 알 수 있었다.
4(a)와 (b)에서 살펴보았듯이 양력 변동의 진폭은 항력 변동의 진폭 보다 약 17배 크다. 따라서 원관 주위의 유동 유발 진동은 양력 변동이 주된 역할을 함을 알 수 있었다. 항력 변동의 진폭은 양력 변동의 약 6% 정도의 영향임을 염두에 두기로 한다.
이로부터 휜튜브에서도 적절한 휜튜브 직경을 토대로 한 무차원 주파수, 무차원 PSD를 이용하면 휜튜브에서의 PSD 특성을 단순 원관에서의 PSD로부터 예측할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 항력 변동의 PSD는 양력 변동 PSD에 비해 매우 직은 1x10^-4배로 나타나서 항력 변동에 따른 PSD는 거의 무시 가능한 것으로 나타났다.
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.
단순 원관에 관한 기존의 실험 연구들에서 도출한 PSD 특성과 본 연구의 휜튜브에서 양력 변동 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 PSD로부터 예측할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 항력 변동의 PSD는 양력 변동 PSD에 비해 매우 직은 1x10^-4배로 나타나서 항력 변동에 따른 PSD는 거의 무시 가능한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	배열회수 보일러의 구동 과정은?	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 어떤 방법을 사용해 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.
	열교환기 전열관군에서 유동 유발 진동에 관한 연구에는 어떠한 것이 있는가?	일반적인 열교환기 전열관군에서 유동 유발 진동에 관한 연구는 기존에 많이 진행되어 오고 있다. Blevins(1)는 10행, 12열의 전열관군에서 각 열에서의 원관 표면에 압력센서를 부착하여 시간 변화에 따른 압력을 측정하여 유동 유발 진동 특성을 연구하였다. Taylor(2)는 하나의 원관과 인접한 곳에 반 원관을 좌우에 각각 한 개씩 설치하고 유체는 물을 사용하여 원관에 작용하는 힘을 측정하여 원관의 유동 유발 진동을 측정하여 특성을 분석하였다. Chen(3)은 사각배열의 원관에서 유동 유발 진동 특성을 연구하였고 Axisa(4)는 여러 관련 논문의 유동 유발 진동 특성 실험 결과들에 대하여 검증 실험을 통해 유동 유발 진동에 대한 일반화된 PSD(Power Spectral Density) 함수를 정리하였다. 또한 Paul[7]에 의해 전열관군에서 난류 유동에 관한 실험과 전산유체해석 연구를 통해 전열관군의 난류 특성에 관한 연구도 이루어지고 있다. 최근에는 Ha[8]에 의해 단일 원관에서 양력과 항력 변동에 따른 PSD 특성을 연구가 이루어 졌다.

참고문헌 (8)

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, pp. 31-39, PVP Vol. 104, (1986)
S.S. Chen and J.A. Jendrzejczyk, "Fluid excitation forces acting on square tube array", Journal of Fluids Engineering, Vol. 109/415, (1987)
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", pp. 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, pp 924-932, Vol. 16, No. 5, (1982)
S.S. Paul, S.J. Ormiston and M.F. Tachi, "Experimental and numerical investigation of turbulent cross-flow in a staggered tube bundle", International Journal of Heat and Fluid Flow, pp 387-414, Vol. 29, (2008)

상세보기
J.S. Ha, "The power spectral density characteristics of lift and drag fluctuation on a heat exchanger circular tube", Journal of the Korean Institute of Gas, pp 35-40, Vol. 19, No. 4, (2015)

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