[논문]선박용 환기구 루버 개발을 위한 수치해석

이중섭; 진도훈

doi:10.14775/ksmpe.2016.16.1.030

선박용 환기구 루버 개발을 위한 수치해석
Numerical Analysis on the Development of a Ventilation Opening Louver for Marine 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.1, 2017년, pp.30 - 35

이중섭 (경남과학기술대학교 산학협력단) , 진도훈 (다원텍(주) 기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is about distributions of flow in a ventilation system used in a louver for marine. In this study, to describe the flow in the ventilation opening louver, 3-dimensional steady-state turbulence was assumed to govern the equation. The flow field with pressure distribution according to the inlet velocity at the louver types is also compared. Flow analysis was performed for the louver numerical analysis on two types. The numerical analysis results in the louver blade indicated increased flow resistance at type-1.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 루버 블레이드의 개수에 따른 유동적인 측면에서 기초적인 설계자료를 확보하기 위해 전산유체역학을 통해 유동장을 확인하고자 한다.

가설 설정

5~5m/s로 속도를 점차 증가시켰고, 출구는 대기압을 부여하여 유동해석을 진행하였다. 또한 루버 입구는 유동방향이 일정한 균일 유동조건을 사용하였으며, 난류운동에너지는 평균입구 유속의 5%로 가정하고, 난류소산율은 난류 혼합거리를 10%로 설정하였다.

제안 방법

루버에 대한 유동해석을 수행하기 위한 경계조건으로 입구에 유속을 0.5~5m/s로 속도를 점차 증가시켰고, 출구는 대기압을 부여하여 유동해석을 진행하였다. 또한 루버 입구는 유동방향이 일정한 균일 유동조건을 사용하였으며, 난류운동에너지는 평균입구 유속의 5%로 가정하고, 난류소산율은 난류 혼합거리를 10%로 설정하였다.

대상 데이터

Fig. 3은 본 연구에 적용되는 선박용 루버의 형상을 보여주고 있으며, 전체 길이와 높이는 1,100mm인 모델이다.

데이터처리

본 연구에는 상용 열유체 프로그램인 STAR-CCM+을 사용하여 계산을 수행하였다. 해석결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산시 종속변수들의 수렴 판정은 잔차값이 10-3이하에 도달하면 수렴한 것으로 간주하였다^[5,6].

이론/모형

루버 블레이드를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류 유동으로 가정하였으며, 속도 분포 및 압력을 계산하기 위해서 사용된 지배방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식이 사용되었으며, 난류모델은 이미 공학적으로 타당성을 검증 받은 Realizable k-ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

유속이 증가할수록 Louver 입구쪽에 압력이 증가하였고, Vane을 통과하면서 압력이 서서히 낮아지다가 출구쪽으로 지나가면서 부압이 발생함을 알 수 있었다. 50mm지점과 90mm 지점에서 압력이 다소 상승하는 것을 확인하였고, 그 이유는 Vane의 각도가 달라지는 지점이기 때문에 유동의 방향이 전환되면서 압력이 증가한 것으로 판단된다.
Sensing position-2의 경우 이 지점에서는 유로의 진행 방향이 변경되는 90mm 이후부터 부압이 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 루버를 빠져나가는 출구 지점에서 다시 압력이 회복되어 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
풍동입구에서 동일한 유속으로 유입되지만 루버 입구에서 압력분포를 살펴보면 Type-1이 Type-2에 비해 2배 이상 높게 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 블레이드 개수가 루버 입구면에서 발생되는 압력분포에 미치는 영향이 주요인자로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.
반면 루버 출구쪽으로 유동이 빠져나가면서 유속의 증가로 인해 부압(Negative pressure)이 발생하면서 급격하게 하강하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 루버를 완전히 빠져나가면서 풍동 출구로 진행하면서 압력이 회복되는 것을 확인할 수 있었다.
선박 환기창에 설치되는 루버에 대한 압력분포에 관하여 2가지 Type에 대한 유동해석 결과 루버에 설치된 블레이드는 유동장 측면에서 저항요소로 작용하기 때문에 루버 내부에 압력강하가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 루버에 설치된 블레이드 간격이 좁을수록 압력강하는 더 크게 발생함을 확인할 수 있었다.
2는 본 수치해석에 사용된 격자와 경계조건을 나타내고 있으며 격자의 경우 Hexahedral+Trim mesh를 적용하여 최대한 정렬 격자 형태를 갖추도록 하였다. 또한 입-출구는 수력반경의 각각 6배, 10배를 두어 유동안정성을 확보하였고, 출구 부분에 보다 길게 Extrude한 이유는 루버 내부에 설치된 블레이드가 중간에 각도를 가지고 있기 때문에 유동이 한쪽방향으로 몰릴 것을 예상하여 출구부분에 충분한 길이를 확보하였다.
그 이유는 루버가 풍동에서 일종의 저항체 역할을 하기 때문에 입구부에서 압력이 증가하였다. 루버 내부에 설치된 블레이드의 형상을 보면 중간지점에서 유동의 방향이 전환되도록 설계됨에 따라 입구부 쪽에서 유동정체 현상이 발생하여 압력이 상승함을 알 수 있었다.
반면 루버 출구쪽으로 유동이 빠져나가면서 유속의 증가로 인해 부압(Negative pressure)이 발생하면서 급격하게 하강하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 루버를 완전히 빠져나가면서 풍동 출구로 진행하면서 압력이 회복되는 것을 확인할 수 있었다.
선박 환기창에 설치되는 루버에 대한 압력분포에 관하여 2가지 Type에 대한 유동해석 결과 루버에 설치된 블레이드는 유동장 측면에서 저항요소로 작용하기 때문에 루버 내부에 압력강하가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 루버에 설치된 블레이드 간격이 좁을수록 압력강하는 더 크게 발생함을 확인할 수 있었다.
Sensing position-1에서의 정압분포를 나타내고 있다. 유속이 증가할수록 Louver 입구쪽에 압력이 증가하였고, Vane을 통과하면서 압력이 서서히 낮아지다가 출구쪽으로 지나가면서 부압이 발생함을 알 수 있었다. 50mm지점과 90mm 지점에서 압력이 다소 상승하는 것을 확인하였고, 그 이유는 Vane의 각도가 달라지는 지점이기 때문에 유동의 방향이 전환되면서 압력이 증가한 것으로 판단된다.
5는 입구유속 변화에 따른 루버 Type-1에서 내부에 작용하는 정압분포를 나타내고 있다. 유속이 증가함에 따라 루버 입구측에서 압력이 증가됨을 확인할 수 있었다. 그 이유는 루버가 풍동에서 일종의 저항체 역할을 하기 때문에 입구부에서 압력이 증가하였다.
10은 Type-1과 Type-2과 압력강하를 비교한 것이다. 유속증가에 따라 각각의 Model에서 압력 강하는 2차 함수 특성을 가지면서 증가 추세를 보여주고 있었고, 블레이드의 개수가 많은 Type-1의 경우 Type-2에 비해 유속증가에 따른 압력강하가 기울기가 커지는 것을 확인할 수 있었다.
Sensing position-3의 경우 Sensing position-2와 마찬가지로 100mm 이후 압력이 부압으로 낮아졌다가 출구로 향하면서 압력회복이 이루어지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 전반적으로 Type-2는 Model-1에 비해 유동저항이 적게 발생되는 구조이므로 루버 내부를 통과하는 정압분포가 상대적으로 낮게 나타남을 확인할 수 있었다.
7은 Type-2에 대한 루버 내부에 발생하는 정압분포를 나타내고 있다. 전반적으로 입구 유속이 증가할수록 입구측에서 압력이 증가하는 것을 확인 할 수 있었고 Type-1과 비교할 때 대략적으로 2배 이상 압력이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
9는 입구속도 5m/s일 경우 루버 입-출구 단면에 대한 압력분포를 Type-1과 Type-2를 비교한 것이다. 풍동입구에서 동일한 유속으로 유입되지만 루버 입구에서 압력분포를 살펴보면 Type-1이 Type-2에 비해 2배 이상 높게 발생되는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 블레이드 개수가 루버 입구면에서 발생되는 압력분포에 미치는 영향이 주요인자로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	루버 입구에서 유속이 증가함에 따라 압력이 증가하는 이유는 무엇인가?	그 이유는 루버가 풍동에서 일종의 저항체 역할을 하기 때문에 입구부에서 압력이 증가하였다. 루버 내부에 설치된 블레이드의 형상을 보면 중간지점에서 유동의 방향이 전환되도록 설계됨에 따라 입구부 쪽에서 유동정체 현상이 발생하여 압력이 상승함을 알 수 있었다.
	선박의 환기구에 설치되는 루버는 어떻게 구분할 수 있는가?	일반적으로 선박에서 공조시스템 및 내부 환기시스템의 가동으로 인해 내부공기를 밖으로 배출시키기 위한 환기구가 설치되어 있다 일반적으로 환기구에 설치되는 루버의 경우 루버 블레이드이 움직이지 않는 고정식과 필요에 의해 환기구 개폐가 가능한 작동식으로 구분되어 설치되고 있다 개폐가 가능한 작동식의 경우 일종의 댐퍼와 유사한 기능을 하고 있다 본 연구에 적용된 루버는 작동식으로 설치되는 방식이다.
	루버에 설치된 블레이드에서 압력강하가 크게 발생하는 이유는 무엇인가?	선박 환기창에 설치되는 루버에 대한 압력분포에 관하여 2가지 Type에 대한 유동해석 결과 루버에 설치된 블레이드는 유동장 측면에서 저항요소로 작용하기 때문에 루버 내부에 압력강하가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 루버에 설치된 블레이드 간격이 좁을수록 압력강하는 더 크게 발생함을 확인할 수 있었다.

참고문헌 (6)

Seo, J. H., Kim, B. T., Chin, D. H., Yoon, M. C. Kwak. J. S., "Comparison of the Contact Characteristics for Sealing strips of the Tsunami Damper", Journal of KSMPE, Vol. 14, No. 1, pp. 21-28, 2015.
Jang, S. C., Jung, W. B., Yi, C. S., "A Study on Performance Improvement of Gear Type Vane Damper in Marine/Offshore FD Fan", Journal of KSMPE, Vol. 14, No. 2, pp. 7-13, 2015.
Lim, K. B., Lee, K. S. and Lee, C. H., "A Numerical Study on the Characteristics of Flow Field, Temperature and Concentration Distribution According to Changing the Shape of Separation Plate of Kitchen Hood System" Journal of KSME B, Vol. 30, No. 2, pp. 177-185, 2006.

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Yi, C. S., Jang, S. C., Choi, J. H., "Numerical Analysis on Hood Shape Improvement of Local Ventilation System", Journal of ACRE, Vol. 21, No. 4, pp. 260-265, 2009.
Park, J. Y., Yi, C. S., Chin, D. H., "Numerical Analysis on the Development of Shut off Damperfor Tsunami at Nuclear Plant", J.of KSMTE, Vol. 23 No. 5, pp. 471-477, 2014
Yi, C. S., "Numerical Analysis of the Kitchen Hood Ventilation System for Marine Environment", Journal of KSMPE, Vol. 14, No. 5, pp. 96-101, 2015.

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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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