[논문]심해저 바이패스 밸브의 기하학적 형상과 제어조건에 따른 유동특성에 관한 수치해석적 연구

이정희; 민천홍; 오재원; 조수길; 김형우

doi:10.6112/kscfe.2016.21.2.099

심해저 바이패스 밸브의 기하학적 형상과 제어조건에 따른 유동특성에 관한 수치해석적 연구
NUMERICAL ANALYSIS FOR FLOW CHARACTERISTICS WITH GEOMETRIC SHAPE AND CONTROL CONDITIONS IN SUBSEA BY-PASS VALVE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.21 no.2 = no.73, 2016년, pp.99 - 105

이정희 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업기술센터) , 민천홍 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업기술센터) , 오재원 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업기술센터) , 조수길 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업기술센터) , 김형우 (선박해양플랜트연구소 해양플랜트산업기술센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The present study has been carried out to analyze the flow characteristics with geometric shape and control conditions in subsea by-pass valve. The function of by-pass valve is to prevent reverse flow. In this study, the static analysis has been perform for analyzing fluid flow in open state. In order to consider the turbulent effect, the standard ${\kappa}-{\varepsilon}$ model was used. A variety of parametric studies, such as by-pass valve type or size, volume flow rate, leakage hole size, leakage hole position, block type, block shape, were performed. The pressure difference across the valve in the model broadened the flow channel cross-sectional area was greater than the base model for the same operating conditions. As the pipe diameter in the block decreases the pressure difference is greatly increased. The pressure difference according to block shape such as edge type and round was almost negligible. For the same Reynolds number the pressure difference was little changed according to the size of the valve.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

축유동 체크밸브[3]는 블록과 스프링을 사용하여 제어함으로써 디스크의 작동거리가 짧으며 구조가 작동거리가 짧으며 구조가 간단하여 소음이 작고 유동의 안정적인 조절이 가능하며 밸브 작동에 따른 진동이 매우 작은 장점이 있어 다른 형태에 비해 바이패스 밸브 개발에 가장 적합한 모델이라고 사료된다. Cho[4]는 바이패스 밸브의 정상 유동을 해석하여 밸브 형상에 따른 압력차를 계산하여 안정성을 연구한 바 있으며 본 연구에서는 슬러리 유동에 적합한 블록형상에 대해 해석을 차압특성을 분석하고자 한다. 기존에 유동흐름제어에 널리 사용되고 있는 체크 밸브형은 힌지, 회전체 등과 같이 구조적으로 매우 불안정한 형태로 인해 현 상황에 적용하기 어렵다.
본 연구에서는 바이패스 밸브 내의 정적 유동특성을 해석하기 위하여 질량보존방정식과 Full Navier-Stokes방정식을 풀어 국소적인 유동특성과 밸브 양단의 차압특성을 분석하고자 하며 블록의 형상변화에 따른 영향을 해석하고자 한다.
13을 사용하여 정적유동을 해석하여 기본설계의 타당성을 미리 점검하고 이를 바탕으로 새로운 개선안을 도출[5]한 바 있다. 이를 위해 기본적인 두 가지 형태의 모델에 개념설계 하였고 선행연구로 각 모델별로 형상 및 유량에 따른 정적유동특성을 파악하고 누설이 발생하는 경우에 밸브 양단의 압력특성을 파악하고자 하며 블록형상의 변화와 사이즈 효과에 따라 유동특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

또한 Passive 밸브형태로 제작하여 정방향 유동은 펌프 압력으로 작동되고 역방향 유동은 유체흐름에 의해 발생되는 압력과 스프링 힘에 의해 작동되도록 설계한다. 바이패스 밸브의 높은 수밀성을 보장하기 위해 쇄기형태의 블록을 사용하고 이를 기반으로 개념설계를 하였다. 본 연구에서는 개념설계를 바탕으로 만들어진 모델을 ANSYS/FLUENT Ver.
본 연구에서는 바이패스 밸브의 블록의 형상, 입구유량, 블록 내 파이프의 직경, 블록의 형상 및 밸브사이즈에 따른 압력차를 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

이 레이놀즈 응력은 요동(Fluctuation)하는 속도성분으로부터 생성되며 해석을 위하여 추가적인 모델링이 필요하게 된다. 본 연구에서는 모터 내의 난류효과를 고려하기 위하여 일반적인 표준 k-ε모델을 적용하였다. 난류점성계수는 층류점성계수(μ_l)에 난류점성계수(μ_t)를 더한 유효점성계수를 이용하여 층류 방정식과 같은 형태의 방정식으로 해석한다.

성능/효과

(1) 같은 블록 무게에 대해 기본모델과 유로단면적을 넓힌 모델을 비교한 결과, 기본모델에서는 재순환 없이 유로를 따라 잘 흘러간 반면 유로단면적을 넓힌 모델에서는 블록의 단면적 변화에 따라 재순환영역이 발생하는 등 유동의 저항이 커져 전체적으로 밸브 양단의 압력차가 증가되었다.
(2) 기본 모델과 유로단면적을 넓힌 모델 모두 유량이 증가함에 따라 밸브 양단이 압력차는 증가하였고 유로단면적을 넓힌 모델의 압력차가 유량이 증가함에 따라 전체적으로 기본모델에 비해 더 크게 나타났다.
(3) 블록 내의 파이프 직경이 감소함에 따라 압력차이는 크게 증가함을 보였다.
(4) 블록 형상에 따른 압력차를 비교한 결과, Edge type과 Round type의 압력차이는 거의 미미하였다.
11과 같이 블록 내 파이프 길이 방향으로 홀을 2/3, 1/2, 1/3인 각각의 위치에 설치하였을 때 밸브 양단의 압력차를 계산하여 분석해 보았다. 해석결과, 홀의 위치에 따라 밸브 양단의 압력차는 거의 변화가 없음을 확인할 수 있었다.

후속연구

(6) 향후 실험과 같은 형상에서 동적거동을 해석하여 누설량, 응답특성, 블록의 거동에 관한 상세한 결과를 얻고 실험 결과와 비교하여 타당성을 검증하고자 하며 밸브 형상을 개선하고자 한다.
난류운동에너지와 소멸율방정식은 시간 평균된 물리량으로 표시하면 레이놀즈 응력(Reynolds Stress)이 나타나게 된다. 이 레이놀즈 응력은 요동(Fluctuation)하는 속도성분으로부터 생성되며 해석을 위하여 추가적인 모델링이 필요하게 된다. 본 연구에서는 모터 내의 난류효과를 고려하기 위하여 일반적인 표준 k-ε모델을 적용하였다.
5 bar 정도 낮게 예측되었는데 이것은 수치해석에서는 누설량을 고려하지 않았서 나타난 결과로 사료된다. 향후 정량적 비교를 위해서는 실험에서와 같이 같은 형상에 대해 동적거동을 해석하여야 하며 누설량, 응답특성, 블록의 거동에 대한 상세한 정보를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심해저 통합채광시스템 운용 중 기기 이상으로 슬러리가 하강 시 발생하는 문제점은 무엇인가?	심해저 통합채광시스템의 운용 중 양광관이 막히는 경우나 양광펌프의 작동이 멈추는 경우에 채광선으로 이송되던 슬러리가 하강하게 된다. 그 때, 하강하는 슬러리가 양광펌프와 직접적으로 충돌이 발생하여 펌프의 고장을 야기할 수 있다. 양광펌프의 고장이 발생할 경우 양광시스템 전체를 다시 해체 후 펌프 정비 후 설치해야 하므로 많은 시간과 비용이 소요된다.
	양광 시스템의 역할은 무엇인가?	심해저 5,000 m 정도에 부존하는 망간단괴를 끌어올리는 양광 시스템은 Fig. 1과 같이 수력 펌핑 양광 시스템(펌프)과 버퍼 장치 및 유연관 시스템으로 구성된다.
	양광시스템의 정상 여부에 따라 슬러리의 유로를 변경해주는 체크밸브의 대표적인 종류에는 무엇이 있는가?	이를 방지하기 위해서는 양광시스템이 정상작동 시에는 슬러리 유동이 선박으로 향하도록 하고 정지 시 다른 유로로 유동을 변동해줄 수 있는 장치가 필요하다. 이러한 기능을 가진 가장 대표적인 장치가 체크밸브인데 대표적인 종류로는 스윙체크밸브,듀얼플레이트 체크밸브, 축유동 체크밸브가 널리 사용된다. 스윙체크 밸브[2]의 경우에는 암과 로드핀에 의해 디스크가 회전하면서 개폐하는 장치인데 제작이 쉽고 저압에서 고압,소형에서 대형 제작이 용이한 장점이 있다.

참고문헌 (5)

2011, Xu, H., Guang, Z.M., Qi, Y.Y., "Hydrodynamic Characterization and Optimization of Contra-push Check Valve by Numerical Simulation," Annals of Nuclear Energy, Vol.38, pp.1427-1437.

상세보기
2015, Yu, J. and Yu, S., "Numerical and Experimental Research of Flow and Sound Fields in an Axial-flow Check Valve and its Optimization," Advances in Mechanical Engineering, Vol.7, No.11, pp.1-8.
2011, Turesson, M., "Dynamic simulation of check valve using CFD and evaluation of check valve model in RELAP5," Master of Science Thesis, Chalmers University of Technology, Sweden.
2008, Cho, A.T., "Analysis of Flow Through High Pressure By-pass Valve in Power Plant," Master Thesis, Inha University.
2016, Lee, J.H., Min, C.H., Oh, J.W., Cho, S., Kim, H.W. and Hong, S., "Numerical Analysis For FLow Characteristics of By-pass Valve eith Geometric Shape and Control Conditions," 2016 Korean Society for Computational Fluids Engineering(KSCFE) Spring Proceeding, pp.148-149.

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