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문제 정의
- 본 연구에서는 세라믹 필터 집진기 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정 하여, 해석된 결과를 바탕으로 성능곡선에 필요한 유동정보를 획득하고자 한다. 촉매 변환기에서의 속도분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배 방정식은 연속방정식과 운동량 방정식이며, 난류 모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 k-ε모델을 사용하고자 한다.
제안 방법
- 촉매 변환기에서의 속도분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배 방정식은 연속방정식과 운동량 방정식이며, 난류 모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 k-ε모델을 사용하고자 한다. 본 연구에 적용되는 계산모델은 총 3가지로 Model-1을 기준으로 70mm씩 증가시켜 유동특성을 분석하였다.
- 본 연구에서는 세라믹 필터 집진기 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동을 해석하기 위해서 계산모델은 총 3가지로 Model-1를 기준으로 70mm씩 증가시켜 유동특성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 세라믹 필터를 통과하는 유체에 대한 압력분포를 다공성 물질로 상사되어 모델링 되고 있으며, 필터에 의한 배압의 증가를 구현하기 위해서 일반적으로 아래의 식과 같은 압력증가 항이 사용되고 있다.
- 2와 같이 축대칭이기 때문에 하나의 모듈만 유동해석을 수행하였다. 작동유체는 공기로 설정 하였으며 이상기체 상태방정식을 만족하도록 Ideal Gas로 지정하여 유동해석을 수행하였다.
- 4는 설계모델을 유동해석에 맞게 제작된 유동해석 계산 모델과 비교한 것이다. 전반적인 형태는 동일하게 구성하였고, 필터 배열에 대한 도면치수가 없는 이유와 계산격자에 대한 부담을 줄이기 위해 일정 배열만 모델링하여 유동해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 적용되는 계산모델은 총 3가지로 Fig. 3과 같이 Model-1를 기준으로 70mm씩 증가시켜 유동특성을 분석하고자 한다.
데이터처리
- 수치해석 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 해석 모델의 적절한 모델링과 해석에 적절한 난류모델의 선정, 계산 격자의 신뢰성 확보가 필요하다. 이와 더불어 Solver의 선택 또한 계산 정확도에 미치는 영향이 크기 때문에 상용 S/W는 CD-adapco사의 STAR-CCM+를 사용하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 세라믹 필터 집진기 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류유동으로 가정 하여, 해석된 결과를 바탕으로 성능곡선에 필요한 유동정보를 획득하고자 한다. 촉매 변환기에서의 속도분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배 방정식은 연속방정식과 운동량 방정식이며, 난류 모델은 이미 산업계에서 타당성을 검증받은 k-ε모델을 사용하고자 한다. 본 연구에 적용되는 계산모델은 총 3가지로 Model-1을 기준으로 70mm씩 증가시켜 유동특성을 분석하였다.
성능/효과
- 1. Model-1의 경우 분사관이 벤츄리관과 거리가 가장 가까이 설치되어 있기 때문에 벤츄리관을 통과하면서 유동의 직진성이 있는 것으로 나타 났다.
- 2. Model-1이 분사관에서 토출될 때 주변에 비해 빠른 유속을 가지고 있기 때문에 순간압력이 감소하면서 주변에 있는 유동장이 벤츄리관으로 유입되는 것을 확인할 수 있었다.
- 3. 분사관과 벤츄리관과의 거리가 멀어질수록 주변에서 유입되는 유동장의 영향으로 인해 벤튜 리관을 통과하면서 아래쪽으로 치우쳐서 유동이 진행됨을 확인할 수 있었다.
- 4. Model-1의 경우 분사관이 벤츄리관과 가장 가까운 관계로 유동이 압력분포가 다소 높게 나타남을 확인할 수 있었다.
- 5Pa 이하의 압력만 나타내어 모델별 압력분포를 비교하였다. 그 결과 Model-1의 경우 분사관이 벤츄리관과 가장 가까운 관계로 유동이 압력분포가 다소 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 반면 Model-2와 Model-3은 거의 유사한 압력분포를 나타내고 있었다.
- 이는 필터 통과 후 출구로 빠져나갈 때 주변의 유동장에 간섭을 많이 받지 않는 것으로 판단할 수 있다. 또한 벤츄리관을 통과한 후 필터로 유입되는 부분을 살펴보면 Model-1 의 유동장이 가장 안정적으로 유입되는 것을 확인할 수 있었다. 그림에서 흰색 화살표는 유동장의 진행방향을 간략하게 나타낸 것을 보면 확연히 다른 Model과 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
- 06m/s)에 대한 속도벡터를 모델별로 비교한 것이다. 모델별 형상차이는 없고, 분사관과 벤츄리관과의 거리가 변수이기 때문에 정성적인 결과를 비교할때 거의 유사한 유동분포를 가지고 있음을 확인할 수 있었다. Model-1의 경우 분사관이 벤츄리관과 거리가 가장 가까이 설치되어 있기 때문에 벤츄리관을 통과하면서 유동의 직진성이 있는 것으로 나타났다.
- 분사관에서 유속이 빠르기 때문에 필터에 유입되는 유속을 관찰하기 어려워 이와 같은 방법을 통해 필터부분에서 유속을 확인하였다. 저속에서의 유동장을 살펴본 결과 벤츄리를 빠져나오면서 필터 입구에 비교적 균일한 유동장을 형성하고 있는 것은 Model-1이 좋았 고, Model-3이 다소 복잡한 유동장을 형성하고 필터로 유입되는 것을 확인할 수 있었다. 추후 입구경계조건이 달라지는 변수에 대해서도 이와 유사한 경향의 유동장을 형성하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 유선의 경우 속도장을 이해하는데 속도벡터보다 유리하기 때문에 이에 대한 분석을 하였다. 전반적으로 보면 분사관에서 토출되는 유동은 세라믹 필터를 통해 출구쪽으로 잘 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 특히 Model-1의 경우 필터를 통과 하면서 가장 안정적인 유선분포를 보이고 있음을 확인할 수 있었다.
- 전반적으로 보면 분사관에서 토출되는 유동은 세라믹 필터를 통해 출구쪽으로 잘 빠져나가는 것을 확인할 수 있었다. 특히 Model-1의 경우 필터를 통과 하면서 가장 안정적인 유선분포를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 필터 통과 후 출구로 빠져나갈 때 주변의 유동장에 간섭을 많이 받지 않는 것으로 판단할 수 있다.
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