[논문]CFD를 이용한 회전 운동을 하는 이젝터의 최적화

강상훈; 박영철

doi:10.5762/kais.2017.18.2.31

CFD를 이용한 회전 운동을 하는 이젝터의 최적화
Optimization of ejector for swirl flow using CFD 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.18 no.2, 2017년, pp.31 - 37

초록
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본 연구는 오존 방식 선박평형수 처리의 주요 장치인 기체-액체 이젝터에 대하여 구동 노즐의 유입부에 회전 운동 유도 장치에 의해 발생되는 구동 유체의 회전 운동이 이젝터 효율에 미치는 영향에 관한 연구이다. 먼저 배압에 따른 이젝터의 각 포트별 압력과 흡입 유량을 확인하기 위하여 실험 장치를 구성하고, 회전 운동이 없는 이젝터에 대한 실험 수행 및 데이터를 획득한다. 실험의 데이터를 바탕으로 격자 사이즈 비교를 통해 기체-액체 이젝터에 적합한 유한요소모델을 선정하였으며, 도출된 CFD 모델을 이용하여 구동 유체의 회전 운동이 이젝터의 흡입 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 이를 바탕으로 이젝터의 흡입 유량을 높이기 위하여, 메타 모델을 이용한 크리깅 기법을 사용하여 회전 유도 장치의 내부 형상 인자인 전체 길이 l, 내부 직경 d, 날개 개수 n에 대한 구조 최적화를 수행한다. 최적화된 회전 유도 장치를 적용한 결과 구동 유체의 회전 운동이 없는 이젝터에 비해 이젝터 효율이 약 3% 가량 개선됨을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper investigates the effect of the rotational motion of a driving fluid generated by a rotational motion device at the inlet of a driving nozzle for a gas-liquid ejector, which is the main device used for ozonated ship ballast water treatment. An experimental apparatus was constructed to study the pressure and suction flow rate of each port of the ejector according to the back pressure. Experimental data were acquired for the ejector without rotational motion. Based on the data, a finite element model was then developed. The rotational motion of the driving fluid could improve the suction efficiency of the ejector based on the CFD model. Based on the CFD results, structure optimization was performed for the internal shape of the rotation induction device to increase the suction flow rate of the ejector, which was performed using the kriging technique and a metamodel. The optimized rotation induction device improved the ejector efficiency by about 3% compared to an ejector without rotational motion of the driving fluid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이젝터는 메인 배관의 압력, 흡입부의 압력 및 펌프의 성능이 제한 조건이 되고, 별도의 기계적 동력원을 가지지 않으므로 성능을 향상시키기 위한 조건은 이젝터의 내부 형상으로 한정된다. 본 논문에서는 회전 운동하는 구동 유체를 사용하는 이젝터에 대하여 회전 운동 유도 장치의 내부 구조 형상의 최적화를 통해 이젝터 성능 향상에 대해 다루고자 한다.
본 논문은 오존 방식 선박평형수 처리 장치용 이젝터에 구동 유체의 회전 운동이 이젝터의 효율에 미치는 영향에 관한 연구이다. 유동 모델은 이젝터 실험 데이터를 바탕으로 구성하였으며, 회전 유도 장치의 형상 최적화 과정을 통해 최적의 효율을 가지는 이젝터를 도출하였다.

제안 방법

둘째, 회전 유도 장치에 대한 형상 최적화는 크기링 기법을 이용하여 선정된 형상 변수인 전체 길이(l), 내부 직경(d), 날개 개수(n)를 메타모델을 기반으로 총 35개의 표본점을 추출하였다. 표본점을 이용하여 최적의 설계 변수 l은 62.
3차원 유동 해석은 상당한 양의 컴퓨터 자원 및 계산 시간이 필요하며, 현실적인 문제들로 인해 불필요한 소요를 줄이고 해석의 정확도를 높이기 위한 적절한 격자 수의 선정이 필수적이다. 따라서 적절한 격자 구성을 찾기 위하여 격자 의존도해석을 수행한다. 격자 의존도에 대한 비교는 이젝터의 유동 모델을 구성하는 격자의 크기에 따라 Table 3과 Fig.
오존 방식 선박평형수 처리장치용 이젝터의 운전 조건인 배압 3.0bar 조건 하에서 총 35개의 표본점에 대하여 유동 해석을 수행한다. 유동 해석 결과는 구동 유체가 이젝터로 유입되는 유량 #와 흡입 유체가 흡입되는 유량 #에 대하여 Table 4와 같이 나타내었다.
본 논문은 오존 방식 선박평형수 처리 장치용 이젝터에 구동 유체의 회전 운동이 이젝터의 효율에 미치는 영향에 관한 연구이다. 유동 모델은 이젝터 실험 데이터를 바탕으로 구성하였으며, 회전 유도 장치의 형상 최적화 과정을 통해 최적의 효율을 가지는 이젝터를 도출하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
이젝터에 대한 실험은 구동 유체가 펌프를 통해 일정 유량(Q1) 및 압력(P2)으로 이젝터에 유입되는 환경에서 메인 배관의 압력(P1)의 압력 변화에 따라 흡입되는 흡입 유체의 압력(P4) 및 유량(Q2)을 측정한다.
일정한 구동 유체의 압력과 유량 상태에서 배압의 변화에 따른 흡입 유체의 유량을 확인하기 위하여, Fig. 2 와 같이 메인 배관, 유량계, 압력계, 펌프, 그리고 이젝터로 이루어진 실험 장치를 구성한다.
첫째, 이젝터 실험 장치를 이용하여 배압에 따른 흡입 유체의 유량과 압력 데이터를 바탕으로 격자 의존도 비교를 통해 실험값과 5.2%의 오차를 가지는 유동 모델을 개발하였다.
해석 소요 시간에 대해서는 Grid-3에 비해 Grid-4의경우 약 1.7배가 소요됨으로 본 연구에서는 해석 소요 시간을 줄이기 위해 Grid-3으로 구성된 CFD 모델을 사용하도록 한다.

대상 데이터

이는 베르 누이 원리에 따라 유입부와 토출부의 압력 차가 흡입 성능에 미치는 영향을 파악하기 위한 것으로 유동 해석의 검증 시 해석 결과와의 비교 데이터로 사용된다. 본 실험에 사용되는 이젝터는 구동 유체의 회전 운동이 없는 이젝터이며, 배압의 범위는 0.5bar부터 4.0bar까지 0.5bar 간격으로 총 8번의 실험을 수행한다. 또한 안전한 실험의 진행을 위하여 흡입 유체는 인체에 유해한 오존 대신에 대기 중의 공기로 진행한다.

데이터처리

표본점들에 대한 유동 해석 결과 값을 바탕으로 크리깅 모델을 구성하는 파라미터 B와 θi(i=1, 2, 3)을 FORTRAN을 사용하여 계산하며, 임의의 초기 값을 설정하여 프로그램 코딩에 따라 최적화된 와 를 산출한다.

이론/모형

형상설계변수나 비선형해석을 포함하고 있는 최적설계 문제의 경우 최적화 알고리즘을 직접 연계하여 최적 해를 산출하는 것은 어렵다. 따라서 최적설계정식화에 포함되는 반응치를 근사적인 메타모델로 변경한 후 최적 화하는 크리깅 기법을 사용한다. 크리깅 기법은 실험점을 정확히 통과 할 수 있는 대표적인 근사모델이며, 다상 유동 해석과 같이 비선형성이 큰 함수의 예측에 적합하다.
메타모델을 기반으로 한 최적화 기법에 대해 표본점을 생성하는 방법으로 라틴 하이퍼 큐브 방법[7]을 사용하여 총 35개의 표본점을 추출하고 이를 이용하여 최적해를 구한다.
회전 운동 없는 이젝터에 대한 수치 해석은 상이 다른두 가지 유체인 기체와 액체가 혼합된 다상의 유체에 대한 유동 해석이 필요하다. 본 연구에서는 기체-액체 이젝 터의 배압에 따른 흡입 유량을 예측하기 위하여, 상용 유동 해석 소프트웨어인 ANSYS-CFX 16.2를 사용한다.

성능/효과

5bar 이상에서는 실험 결과와는 달리 흡입부로부터 흡입 유량이 발생하지 않는 것을 알 수 있다. 격자 사이즈가 작아질수록 실험 결과 값과 유사한 경향을 보이며, 실험값과의 오차는 Grid-3 은 5.2%, Grid-4는 5.0%으로 큰 차이가 없다는 것을 알수 있다.
공기 흡입 유량에 대하여 크리깅 모델로 예측된 결과 값(Q4 ′ )과 유동 해석 결과값(Q4)를 비교하면 약 0.64%의 오차를 보여 크리깅 모델이 최적화에 대한 신뢰성이 높다고 평가되었다.
구동 유체의 회전 운동이 없는 이젝터에 대한 실험 결과, 배압이 증가함에 따라 흡입 유체의 흡입 유량은 줄어 든다. 이는 구동 노즐로 유입되는 구동 유체의 압력과 메인 배관의 배압과의 압력 차가 클수록 구동 유체와 흡입 유체 간의 에너지의 교환량이 커짐을 알 수 있다.
넷째, 최적화된 회전 유도 장치를 적용한 이젝터는 유동 해석 결과를 바탕으로 계산된 효율은 23.82%로 산출 되었다. 이는 구동 유체의 회전 운동이 없는 이젝터에 비해 약 3%의 효율이 개선이 이루어졌다.
이는 구동 노즐로 유입되는 구동 유체의 압력과 메인 배관의 배압과의 압력 차가 클수록 구동 유체와 흡입 유체 간의 에너지의 교환량이 커짐을 알 수 있다. 따라서 구동 노즐로 유입되는 구동 유체의 압력과 유량이 일정할 경우 메인 배관의 배압이 가장 낮은 0.5bar에서 가장큰 흡입 유체의 유량인 약 28.8m³/hr로 나타났다.
셋째, 크리깅 기법을 통해 흡입 유체의 유량(Q4′)이 7.896m3 /hr으로 예측되었으며, 유동 해석을 통해 산출된 흡입 유체의 유량(Q4)인 7.890m3 /hr과 0.64%의 오차를 보여 크리깅 모델의 신뢰성이 높은 것으로 평가되었다.
이젝터 효율은 식 (15)를 통해 산출한 결과, 구동 유체의 회전 운동이 없는 기존 이젝터의 경우 20.56%의효율을 보였으며, 회전 운동 유도 장치의 내부 구조가 최적화된 이젝터의 경우 23.82%로 기존 대비 약 3%의 성능이 향상되는 것을 확인하였다.
크리깅 모델로 도출된 최적의 설계 변수를 적용하여 유동 해석을 수행한 결과, 흡입 유체의 흡입 유량 Q4이 7.890m3 /hr으로 산출되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이젝터를 통해 오존이 주입되는 원리는 무엇인가?	이젝터를 통해 오존이 주입되는 원리는 펌프에 의해 고압의 구동 유체인 선박평형수가 구동 노즐을 통해 분사되면, 흡입관으로부터 저압의 흡입 유체인 오존이 이젝터 내부로 주입되게 된다. 이는 고압의 구동 유체와 저압의 흡입 유체 간의 운동량 교환에 의해, 별도의 기계적 장치 없이도 흡입관을 음압 상태를 발생시켜 이젝터 내부로 2차 유체의 유입이 이루어진다.
	선박평형수는 무엇인가?	선박평형수는 선박에 짐을 싣고 내리는 과정에서 선박의 균형을 잡기 위해 선박의 평형수 탱크에 채우거나 바다로 배출하는 바닷물을 말한다. 선박은 연간 약 500만톤 가량의 해양으로 배출되는 선박평형수를 처리하는 방법 중 본 논문의 연구 대상인 이젝터는 강력한 살균 가스인 오존을 선박평형수에 주입시키는 장치로서, 오존과 직접 접촉을 통해 선박평형수 내 해양 침입종이 일부 사멸되고, 이후 오존과 선박평형수 내 화합물과의 반응 으로 생성되는 총잔류산화물에 의해 잔류 해양 침입종이 사멸하게 된다.
	구동 유체의 회전 운동이 없는 이젝터에 대한 실험 결과로 알 수 있는 것은?	구동 유체의 회전 운동이 없는 이젝터에 대한 실험 결과, 배압이 증가함에 따라 흡입 유체의 흡입 유량은 줄어 든다. 이는 구동 노즐로 유입되는 구동 유체의 압력과 메인 배관의 배압과의 압력 차가 클수록 구동 유체와 흡입 유체 간의 에너지의 교환량이 커짐을 알 수 있다. 따라서 구동 노즐로 유입되는 구동 유체의 압력과 유량이 일정할 경우 메인 배관의 배압이 가장 낮은 0.

참고문헌 (7)

Witte, J.H., "Efficiency and design of liquid-gas ejector", British-chemical Engineering, Vol. 10, No. 9 pp. 602-607, 1965.
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H. M. Jeong, T. Utomo, Z. H. Jin, H. S. Chung, "A CFD Analysis on the Gas-Liquid Ejector", Journal of The Korea Society for Power System Engineering, Vol. 12, No. 1, pp. 28-34, 2008.

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S. B. Mun, H. K. Choi, J. H. Choi, H. J. Kwon, K. K. Kim, S. H. Choi, "Experimental Study for the Development of New Type Water Ejector", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 30, No. 6, pp. 677-684, 2006.
S. Y. Jeong, K. B. Lee, S. H. Rhi, "Secondary Flow Characteristics of Liquid Ejector According to the Nozzle Diameter Change", Journal of Industrial Science and Technology Institute, Vol. 29, No. 2, pp. 7-11, 2015.
Y. J. Kim, S. H. Park, K. H. Lee, Y. C. Park, "Lightweight Design of an Outer Tie Rod Using Meta-Model Based Optimization Technique", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 11, pp. 7754-7760, 2015. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.11.7754

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Y. H. Lee, M. O. Kim, C. G. Kim, Y. T. Kim, "The evaluation of performance and flow characteristics due to the length of throat and diffuser for ship's ejector", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 38, No. 1, pp. 31-38, 2014. DOI: https://doi.org/10.5916/jkosme.2014.38.1.31

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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