선형으로 움직이는 글로브 밸브의 목적은 주로 유량을 제어할 수 있도록 설계 되어 있으며, 디스크의 움직임으로 인해서 유량을 제어가 가능하게 된다. 본 논문은 유량계수를 예측하기 위해서 전산유동해석 프로그램인 ANSYS-CFX로 유동해석을 진행 하였고 본 해석에서 사용되는 글로브 밸브 모델을 시제품과 동일한 형상의 크기로 설계하였다. 유량계수는 밸브 전개 시 $16.5^{\circ}C$의 맑은 물이 전후의 압력차 1psi로 흐를 때 그때의 유량을 말한다. 다시 말해서 밸브의 크기를 결정할 수 있는 중요한 요인이 된다. 밸브의 유량계수와 유량을 해석을 통해서 얻어낼 수 있었고, 그 해석으로 인해서 분당 0~0.1gal 유량을 제어할 수 있는 정밀제어 글로브 밸브를 개발 할 수 있었다. 유동해석과 실험의 결과로 유량계수를 서로 비교하였으며 그 결과로 인해서 유량계수의 오차율이 매우 작음을 확인하였고, 해석의 신뢰성을 확보하였다. 따라서 실험 없이 해석만으로 충분히 유량계수의 경향성을 파악하는데 크게 어려움이 없음을 보여주었다.
선형으로 움직이는 글로브 밸브의 목적은 주로 유량을 제어할 수 있도록 설계 되어 있으며, 디스크의 움직임으로 인해서 유량을 제어가 가능하게 된다. 본 논문은 유량계수를 예측하기 위해서 전산유동해석 프로그램인 ANSYS-CFX로 유동해석을 진행 하였고 본 해석에서 사용되는 글로브 밸브 모델을 시제품과 동일한 형상의 크기로 설계하였다. 유량계수는 밸브 전개 시 $16.5^{\circ}C$의 맑은 물이 전후의 압력차 1psi로 흐를 때 그때의 유량을 말한다. 다시 말해서 밸브의 크기를 결정할 수 있는 중요한 요인이 된다. 밸브의 유량계수와 유량을 해석을 통해서 얻어낼 수 있었고, 그 해석으로 인해서 분당 0~0.1gal 유량을 제어할 수 있는 정밀제어 글로브 밸브를 개발 할 수 있었다. 유동해석과 실험의 결과로 유량계수를 서로 비교하였으며 그 결과로 인해서 유량계수의 오차율이 매우 작음을 확인하였고, 해석의 신뢰성을 확보하였다. 따라서 실험 없이 해석만으로 충분히 유량계수의 경향성을 파악하는데 크게 어려움이 없음을 보여주었다.
The globe valve is a linear motion valve that is designed primarily to stop, start, and regulate flow. The disk of a globe valve can be removed totally from the flow path or it can completely close the flow path. In this study, numerical analysis using ANSYS-CFX was initially performed to predict th...
The globe valve is a linear motion valve that is designed primarily to stop, start, and regulate flow. The disk of a globe valve can be removed totally from the flow path or it can completely close the flow path. In this study, numerical analysis using ANSYS-CFX was initially performed to predict the flow coefficient and build a prototype model of a globe valve. The flow coefficient is the volume of water at $15.6^{\circ}C$ that will flow per minute through a valve with a pressure drop of 1 psi across the valve. In other words, it is an important factor for determining the size of the valve. From the analysis results, the fluid flux of water and flow coefficient of the valve were extracted. From the numerical results, a prototype of ultra-fine precision control valve, which can regulate the fluid flow of range 0 ~ 0.1 gal per min, was developed. The experimental results were compared with the numerical results using the flow coefficient ($C_v$) graph. From the comparative results, the flow coefficient ($C_v$) error percentage between the numerical and experimental results was very low, which is acceptable, proving that the proposed prototype model is convincing. In addition, it is possible to predict the flow coefficient using only numerical analysis.
The globe valve is a linear motion valve that is designed primarily to stop, start, and regulate flow. The disk of a globe valve can be removed totally from the flow path or it can completely close the flow path. In this study, numerical analysis using ANSYS-CFX was initially performed to predict the flow coefficient and build a prototype model of a globe valve. The flow coefficient is the volume of water at $15.6^{\circ}C$ that will flow per minute through a valve with a pressure drop of 1 psi across the valve. In other words, it is an important factor for determining the size of the valve. From the analysis results, the fluid flux of water and flow coefficient of the valve were extracted. From the numerical results, a prototype of ultra-fine precision control valve, which can regulate the fluid flow of range 0 ~ 0.1 gal per min, was developed. The experimental results were compared with the numerical results using the flow coefficient ($C_v$) graph. From the comparative results, the flow coefficient ($C_v$) error percentage between the numerical and experimental results was very low, which is acceptable, proving that the proposed prototype model is convincing. In addition, it is possible to predict the flow coefficient using only numerical analysis.
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제안 방법
1. 본 연구에서는 정밀 제어 글로브 밸브의 유동해석을 통해 유량계수를 수치적으로 예측하였으며, 또한 유동해석 방안을 제시하였음을 보였다.
대상 데이터
본 실험은 disk 최대 높이 6.2mm 일 때의 밸브 입·출구를 기준으로 2배, 6배 지점에서 압력계로부터 차압 측정이 가능하며 출구 지점에서의 유량을 측정하여, 식(1)로부터 유량계수 값을 도출할 수 있다. 차압은 2.
Davis & Stewart 는 글로브 밸브의 플러그 유형 및 시트의 직경의 변화에 따른 유량계수의 변화를 CFD (Computational Fluid Dynamics; 전산유체역학)와 실험을 통해 고찰하였다[4]. 본 연구에서 사용된 글로브 밸브는 유량 조절하기 위해 플러그와 연결된 정밀모터에 의해서 디스크가 움직이게 된다. 디스크의 행정에 따라 유량도 계속 변하며 또한 유량계수도 유량에 따라서 변하게 된다.
2를 사용하였으며, 미국 규격 협회 (ANSI)의 기준으로 글로브 밸브의 차압 측정 방법과 유량계수 측정 방법을 근거하여 적용하였다[5]. 작동유체는 물을 이용하였으며, 본 글로브 밸브 모델의 유동장을 Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 해석모델의 입·출구 직경을 기준해서 각각 2배와 6배를 늘린 부분에서 차압을 측정하였으며, 출구 부분의 유량을 측정하여 아래의 유량계수 식(1)으로부터 유량계수 값을 도출할 수 있다.
데이터처리
즉 디스크 개폐에 따라서 유량계수 값을 알게 되면 밸브의 유량계수 특성이 파악이 가능해진다. 따라서 본 연구는 분당 0.1gal 이하의 소량 유량제어가 가능한 글로브 밸브 모델을 범용 프로그램인 ANSYS-CFX16.2 를 이용하여 유동해석을 진행하였고, 본 연구에서 사용한 글로브 밸브 모델을 해석으로 예측한 유량계수, 실험을 통해 측정한 유량계수와 유량특성곡선을 서로 비교 분석하였다.
본 실험에서 Fig. 11는 정밀제어 글로브 밸브의 유동 해석과 실험에서 각각 얻어진 유량계수 곡선을 비교하였다.
본 실험에서는 글로브 밸브 유량계수 측정을 미국 규격 협회(ANSI)의 기준[5]으로 글로브 밸브 입구에서 2배, 출구에서 6배 지점에서의 압력을 측정하여 차압을 구할 수 있게 된다. 또한 실험에서 사용한 관로의 지름, 관로의 길이, 작동유체는 물로서 모든 조건을 앞서 설명한 유동해석의 경계조건과 동일하게 실험을 하였다.
2에서 나타내었다. 상기 그림으로부터 시트부와 디스크의 본 연구는 유동해석을 수치 전산해석프로그램인 ANSYS-CFX16.2를 사용하였으며, 미국 규격 협회 (ANSI)의 기준으로 글로브 밸브의 차압 측정 방법과 유량계수 측정 방법을 근거하여 적용하였다[5]. 작동유체는 물을 이용하였으며, 본 글로브 밸브 모델의 유동장을 Fig.
성능/효과
2. 본 연구에서는 유동해석에서 동일한 설정 조건을 실험에 적용하여 유량계수와 유량계수 곡선 특성을 확인하였으며, 본 연구에서 측정된 유량계수와 유량계수 특성 곡선의 유사성 측면에서 오차가 작았음을 보였다.
3. 본 논문에서 제시한 유동해석 방법으로 실험 없이 해석만으로도 유량계수와 유량계수 곡선을 충분히 예측이 가능할 것임을 보였다.
5. 본 논문에서 밸브 구조와 디스크와 시트의 형상으로 분당 0.1 gallon 이하의 소량의 유량을 제어할수 있는 디스크 형상을 제시하였음을 보였다.
유동해석과 실험으로부터 얻어진 유량계수 곡선으로부터 밸브의 디스크가 시트에 근접해 있을 때에는 유량 변화가 적음을 확인할 수 있었고, 디스크가 시트로부터 멀리 있을 경우에는 유량 변화가 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이 사실로부터 디스크와 시트 사이가 좁아지면 좁아질수록 유량 조절에는 어려움이 있을 것임을 알 수 있었다.
후속연구
4. 본 본문에서 제시한 유량계수의 측정 방법으로 밸브 크기 선정 시 도움이 될 것으로 예상이 된다.
6. 본 연구는 향후, 유량계수 곡선을 선형적인 형태로 구현하고자, 디스크와 밸브 내부 형상 최적 설계를 시행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유량 조절용으로 산업에서 가장 널리 사용되는 밸브의 단점?
글로브 밸브는 유체가 흐르는 내부 형상이 매우 복잡하기 때문에 밸브를 통과하면서 발생되는 압력 강하를 미리 예측하는 것이 매우 어렵고, 밸브 내부의 형태와 밸브의 개도율에 따른 밸브 내부에서의 유체 유동이 매우 복잡하고 다양한 현상을 보임으로써 유동에 관한 유동해석에 많은 어려움이 있다[1]. 글로브 밸브의 작동원리는 밸브의 플러그의 움직임으로 인해서 디스크가 개폐되어 유량을 조절할 수 있도록 한 밸브이다[2].
유량계수란?
유량계수(Cν)는 15.6°C 의 정수를 이용하여 밸브 전후의 압력 차이 1psi일 때 1분간 흐르는 유량 gallon/min 으로 정의 된다[3]. 다시 말하면 유량계수는 동일 차압에서 유량계수가 클수록 유량이 많다고 생각하면 쉽게 이해가 될 것이다.
유량 조절용으로 널리 쓰이는 밸브?
현재 산업에서는 압력을 조절하는 밸브, 유량을 조절하는 밸브 등 여러 종류의 밸브들이 많이 사용되고 있다. 그 중 제어 밸브는 볼밸브, 버터플라이 밸브, 글로브 밸브, 플러그 밸브, 이외에도 많은 밸브가 있지만 그 중 글로브 밸브는 유량 조절용으로 산업에서 가장 널리 사용이 되고 있다.
참고문헌 (7)
K. H. Bae, J. H. Park, S. M. Kang "A Study on the Flow Characteristics inside a Glove Valve for Ships," J. of the Korean Society of Marine Engineering, vol.32, no. 1, pp. 110-118, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2008.32.1.110
K. C. Goh, Control Valve Handbook, p.14, Hongneung Science Publishers, 2007.
K. M. Kwak, J. S. Cho, J. D. Kim, J. H. Lee, "A Study on Flow Coefficient and Flow Characteristics for Butterfly Valve by Numerical Analysis," J. of The Korean Society of Manufacturing Process Engineers, vol. 11, no. 4, pp. 62-66 2012.
K. H. Bae, J. H. Park, S. M. Kang, "A Study on the Flow Characteristics inside a Glove Valve for Ships," J. of The Korean Society of Marine Engineering, vol. 32, no. 1, pp. 110-118 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.5916/jkosme.2008.32.1.110
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