[논문]CFD에 의한 선박용 유수분리기의 유동특성에 관한 연구

김병준; 김성윤; 노춘수; 이영호

doi:10.5293/kfma.2016.19.4.048

[국내논문] CFD에 의한 선박용 유수분리기의 유동특성에 관한 연구
A Study on the Flow Characteristics of Oil-Water Separator for Marine Ship CFD 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.19 no.4, 2016년, pp.48 - 53

김병준 (한국해양대학교 대학원 기계공학과) , 김성윤 (한국조선해양기자재연구원) , 노춘수 ((주)우레아텍) , 이영호 (한국해양대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The centrifugal separator which uses gravity separation method for oil-water separation, rotating at high-speed, is one of the most commonly used device for controlling the amount of the oil in waste water collected in bilge. The IMO (International Maritime Organization) has set regulations, also known as MARPOL 73/78, for the prevention of marine pollution. In addition, DET NORSKE VERITAS (DNV) has set standards regarding the assignment of Environmental Class Notation, CLEAN or CLEAN DESIGN, of ships. One of the requirements for classification is that in addition to conforming to MARPOL 73/78, more stringent measures must be taken as well. One of these measures is to limit the oil concentration in bilge water to less than 5ppm. So in this study, an Oil-Water Separator (OWS) is used together with multiple separating plates as a filtration system to be used as an oil-water separation device. The OWS operates using centrifugal separation in which the mixture is separated by centrifugal forces. The main purpose of this paper is to present the OWS separation efficiency according to the rotation speed, mass-flow rate, the angle and the number of stacked layers of the laminated plate using Computational Fluid Dynamics (CFD). Improvements to the device will be investigated from these results.

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문제 정의

본 연구에서는 유수분리장치의 회전속도, 유량에 따른 이론과 CFD를 통한 유수분리 효율에 관한 유동 특성을 고찰 하였다.

제안 방법

계산 격자의 품질은 CFD해석에 있어서 해석 결과의 신뢰성 및 해의 수렴성에 직접적인 영향을 미친다. 보다 우수한 계산격자를 확보하기 위해 격자 생성 툴인 ICEM-CFD 13을 사용하여 격자 생성을 수행 하였으며 격자의 구성은 Tetrahedral-prism grid로 격자를 구성하였으며, 전체 격자수는 약 1000만 노드이다.
유수분리기의 경우 축대칭 형상을 지니고 있으며 Disk 사이의 간격이 매우 작고 적층수가 많은 특징을 가지고 있기 때문에 정확한 유동해석을 위하여 많은 격자가 집중 되어야 한다. 따라서 유동장의 1/4에 대하여 격자구성을 하였으며 유동해석 수행 시 Periodic condition을 적용 하였다.
격자는 앞서 설명한 것과 같은 Disk 사이의 유동 현상을 모사해야 하기 때문에 많은 격자를 집중 시켜야만 한다. 이를 위해서 본 연구에서는 Workbench meshing을 이용하여 Disk와 Bowl body 부분을 따로 구성하여 Tetra mesh로 구성하였다. 1/4 model에 대한 총 nod수는 약 1000만개로 각 격자는 CFX를 통해 Interface 시켰다.

대상 데이터

1에서 보이는 바와 같이 크게 Casing, Stator, Rotating disk로 3 부분으로 나뉜다. 과제수행중인 유수분리 장치를 사용하였으며, 길이는 395 mm, Inlet의 직경은 33 mm, Disk수는 90개, Disk 두께는 0.2 mm, Disk사이의 간격은 0.5 mm이다.

이론/모형

이 지배방정식을 이용하여 수치해석을 수행하는 다양한 방법이 존재한다. 통상 레이놀즈수가 낮아 층류형태를 나타내는 회전유동에 대해서는 식(2)를 직접적으로 이산화하여 수치해석하는 DNS(Direct numerical simulation)법이 이용된다. 하지만 고속으로 회전하는 유수분리기 내의 유동과 같이 레이놀즈수가 커서 난류유동이 나타나는 경우에는 DNS법을 사용할 수 없다.
본 유수분리장치는 상용코드인 ANSYS-CFX Ver.13을 사용하였으며, 난류모델은 SST 모델을 이용하였다.⁽⁵⁾ 이 모델은 k-ε모델과 k-ω모델의 장점만을 융합한 모델로써 벽면 근처에서 k-ω모델이 사용되며 나머지 영역에서는 k-ε모델이 사용된다.
Inlet은 유량 8.681×10-6 (Oil)[kg/s], 1.649×10-4 (Water)[kg/s], Outlet pressure=0[Pa]이며, 난류 모델은 SST 난류 모델을 사용하였으며 밀도차이에 의한 부력 효과를 고려하였다.

성능/효과

SST모델과 K-ε모델을 비교한 결과 K-ε모델이 빠른 반응 시간을 보여 준 반면 SST모델은 디스크 주변부의 속도구배 계산과 정밀한 해석 수행에 사용됨을 알 수 있다.
오일의 유량이 5%이고 12000 rpm일때 유수분리장치의 가장 좋은 성능인 25 ppm을 얻었고 선박의 전처리장치와 결합 한다면 더욱 좋은 효율을 보일 것이다.
오일의 유량이 5%이고 12000 rpm일 때 유수분리장치의 가장 좋은 제거효율인 76%을 얻었고 유량이 40%일때는 rpm이 올라 감에 따라 큰 제거 효율은 보이지 않았다.
1) 오일의 유량이 5%이고 12000 rpm일때 유수분리장치의 가장 좋은 성능인 25 ppm, 제거효율은 76%를 얻었다.
2) 경계층영역의 속도구배를 충분히 모사하고 유수분리장치의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 Disk 주변의 정밀한 수치해를 얻기 위해서는 SST 난류모델 사용이 필요하다는 것을 알 수 있었다.

참고문헌 (10)

Latour, J., 1996, "The canadian response model : the necessity for public-private cooperations," Proceedings of the third Korea-Canada Symposium on Marine Environment, pp. 196-207.
Bieger, T., Hellou, J., and Abrajanno, T. A., 1996, "Petroleum biomarkers as tracers of lubricating oil contamination," Marine Pollution Bulletin, Vol. 32, No. 3, pp. 270-274.

상세보기
United Nations Conference on Trade and Development Report, "Review of Maritime Transport 2014".
Hanjin Shipping Interim Report, "Effect of Pre-separator installation", 1997
Sasakura Engineering Co., Ltd, 1996, "Manual of Sasakura oily water separator(Model SMT-A)," Osaka, Japan.
IMO, 1992, "MARPOL73/78 1992 Amendment to Annex I," IMO, London, pp. 1-4.
Jeon, H. J., Kim, C. S., Choi M. S., and Kim, Y. T., 2012, "Marine Auxiliary Machine"(Maritime equipment), DaSom publisher, pp. 247-261.
Lee, J. Y. and Han, W. H., 2000, "An effect of laminated plate on the performance of pre-separator for marine oily water separator," The Korean Society of Tribologists & Lubrication Engineers, Journal of the KSTLE, Vol. 16, No. 6, pp. 440-447.
Veselin Batalovic, "Centrifugal separator, the new technical solution, application in mineral processing," International Journal of Mineral Processing, Vol. 100, Iss. 3-4, 86-95.
ANSYS CFX Solver Modeling Guide, 2009, "The k omega and SST models," Ver. 13, p. 99.

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