[논문]수력학적 공동현상을 이용한 온수 발생 장치에서의 회전체 형상에 대한 수치해석적 연구

손손; 신명섭; 이웅엽; 엄애선; 윤준용

doi:10.5293/kfma.2017.20.2.075

수력학적 공동현상을 이용한 온수 발생 장치에서의 회전체 형상에 대한 수치해석적 연구
A Numerical Simulation Study on the Shape of the Rotor in Hydraulic Cavitation Heat Generator 원문보기

한국유체기계학회 논문집 = The KSFM journal of fluid machinery, v.20 no.2, 2017년, pp.75 - 81

손손 (한양대학교 기계설계공학과) , 신명섭 (특허청 특허심사3국 차세대수송심사과) , 이웅엽 (한양대학교 기계설계공학과) , 엄애선 (한양대학교 식품영양학과) , 윤준용 (한양대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a numerical investigation on the local hydraulic cavitation phenomena of water resulting from the rotor with high rotational speed in the hydraulic cavitation heat generator. The numerical simulation utilizes the standard k-epsilon turbulence model, the mixture multiphase model and the Schnerr-Sauer cavitation model to simulate the complex cavitation phenomena in the generator. For exploring the efficient shape of the dimples on the rotor to causing cavitation phenomena artificially, the pressure distributions and the volume fractions of the vapor on the rotor are investigated respectively about different shapes of the rotor in the generator. The optimum shape of the dimple to causing cavitation phenomena in the selected shapes is obtained by the means of the numerical simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수력학적 공동현상을 이용한 발열장치내의 공동현상을 발생시키는 회전체 딤플(dimple)의 위치와 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하기 위하여 수치해석적 방법을 이용하였다. 유동해석을 수행하기 위해 Commercial CFD code Fluent를 사용하였으며, 딤플의 위치 및 형상에 따른 발열장치 내부 유동장의 압력분포를 확인하였다.
본 연구에서는 수력학적 공동현상을 이용한 온수 발생 장치에서의 회전체 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하였고, 공동현상 발생에 유리한 딤플 형상을 확인하고자 하였다. 딤플의 배열에 따른 결과를 확인하여 딤플의 유무가 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인할 수 있었다.

제안 방법

유동해석을 수행하기 위해 Commercial CFD code Fluent를 사용하였으며, 딤플의 위치 및 형상에 따른 발열장치 내부 유동장의 압력분포를 확인하였다. 공동현상 발생의 정도는 기포의 체적분율(volume fraction ofvapor)결과를 통하여 평가하였으며, 설정한 회전체 형상들 중 공동현상 발생에 가장 유리할 것으로 예측되는 형상을 제시하였다.
회전체의 딤플이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 딤플이 없는 회전체, 딤플이 한 줄로 형성되어 있는 회전체, 딤플이 두 줄로 형성되어 있는 회전체에 대하여 수치해석을 진행하였다. 또한 딤플의 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하고 가장 유리한 딤플의 형상을 확인하기 위해 Cylinder 형태의 딤플과, Cone 형태의 딤플에 대하여 수치해석을 진행하였다. 각 형상의 직경(diameter)은10 mm로 고정하였고, Cylinder 형태는 깊이를 변경하였고 Cone 형태의 딤플은 깊이와 각도를 변경하였다.
회전체의 딤플이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 딤플이 없는 회전체, 딤플이 한 줄로 형성되어 있는 회전체, 딤플이 두 줄로 형성되어 있는 회전체에 대하여 수치해석을 진행하였다. 또한 딤플의 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하고 가장 유리한 딤플의 형상을 확인하기 위해 Cylinder 형태의 딤플과, Cone 형태의 딤플에 대하여 수치해석을 진행하였다.
발생한 기포의 양을 정량적으로 비교하기 위해 각 조건의 체적분율을 측정하였다. 회전체의 중심에서 Y 축을 기준으로 측정하였으며, 딤플이 공동현상 발생에 미치는 영향을 중점적으로 확인하기 위하여 중심으로부터 Y축 방향으로 –70 mm 인 지점부터 회전체 끝단까지 측정하였다. 중심을 기준으로 X축 방향 및 Y축의 양의 방향에 대한 기포체적분율 그래프는 측정 방향에 따른 차이가 미미하여 생략하였다.

대상 데이터

해석 모델이 단순한 형태를 가지고 있으나 매우 좁은 영역을 포함하고 있어 격자(meshing)는 Ansys Meshing 의 비정렬(unstructured) 격자를 사용하였으며, 격자로 인한 해석결과의 영향을 최소화하며 정확도를 확보하기 위해 각 형상에 약 500만개의 격자를 생성하였다. 생성한 격자는 Fig.

이론/모형

본 연구의 수치해석은 물과 증기가 동시에 존재하는 다상 유동이다. Fluent에 적용된 Cavitation 모델 중 다른 모델들보다 빠른 수렴성을 가진 강건(robust)한 모델인 SchnerrSauer⁽¹⁴⁾을 사용하였다. Phase 조건은 Primary phase는 물(water), Secondary phase는 증기(vapor)로 설정하였다.
본 연구의 수치해석 프로그램은 ANSYS v14.0 내의 유동해석 모듈인 Fluent를 이용하여 다상 유동해석을 수행하였고, 회전체에 회전 조건을 설정하기 위해, 회전체 해석에서 주로 사용되며 해석시간을 줄일 수 있는 Multi-Reference Frame (MRF) 기법을 사용하였다. Fig.
수치해석에 적용된 난류(turbulence)모델은 일반적으로 공학용으로 가장 많이 사용되며, 난류모델과 Cavitation model을 동시에 사용할 때 수렴성 및 CPU Time이 우수한 Standard K-epsilon⁽¹²⁾을 적용하였고, 속도와 압력의 커플링(coupling)을 위하여 SIMPLE⁽¹³⁾ 알고리즘을 사용하였다. 본 연구의 수치해석은 물과 증기가 동시에 존재하는 다상 유동이다.
본 연구에서는 수력학적 공동현상을 이용한 발열장치내의 공동현상을 발생시키는 회전체 딤플(dimple)의 위치와 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하기 위하여 수치해석적 방법을 이용하였다. 유동해석을 수행하기 위해 Commercial CFD code Fluent를 사용하였으며, 딤플의 위치 및 형상에 따른 발열장치 내부 유동장의 압력분포를 확인하였다. 공동현상 발생의 정도는 기포의 체적분율(volume fraction ofvapor)결과를 통하여 평가하였으며, 설정한 회전체 형상들 중 공동현상 발생에 가장 유리할 것으로 예측되는 형상을 제시하였다.

성능/효과

1) 회전체에 기하학적인 형상이 존재할 경우 공동현상 발생에 유리한 것으로 예측되었다.
2) 회전체의 딤플의 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하였으며, Cone 형태의 딤플이 Cylinder 형태의 딤플보다 공동현상 발생에 유리할 것으로 예측되었다.
3) Cylinder 형태의 깊이 4.0 mm인 딤플의 경우 공동현상 발생에 가장 유리할 것으로 예측되었으며, 깊이가 커질수록 기포 발생에 유리한 것으로 나타나지만, 깊이가 4.5 mm 인 경우 기포 발생량이 깊이가 4.0 mm인 경우보다 작게 나타나 딤플 형상에 대한 적합한 깊이를 설정하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
4) Cone 형태의 깊이 3.5 mm, 각도 150°인 딤플을 포함한 회전체의 경우 공동현상 발생에 가장 유리할 것으로 예측되었으며, 각도보다 깊이 변화가 기포 발생량에 미치는 영향이 큰 것으로 예측되었다. 전반적으로 깊이가 큰 것보다 작은 경우에 기포 발생에 유리할 것으로 예측되었으며, 각도가 작아질수록 기포 발생에 유리할 것으로 예측되었다.
5) 설정한 회전체 딤플의 형상들 중에 딤플이 Cone 형태의 깊이 3.5 mm, 각도 150°인 경우 공동현상 발생에 가장 유리할 것으로 예측되었다.
6) 두 줄의 딤플 배열을 가진 회전체의 경우 한 줄의 딤플 배열을 가진 회전체보다 공동현상 발생에 더 유리할 수 있으나 그 차이가 미미한 것으로 예측되었으며, 가공 및 회전체 가동으로 인한 소비 동력을 고려한다면 한 줄의 딤플 배열을 포함하는 회전체가 적합할 것으로 판단된다. 추후에는 소비 동력을 고려한 연구를 수행할 예정이다.
먼저, 딤플이 없는 회전체와 딤플이 있는 회전체의 수치해석 결과를 비교하여 보면, 딤플이 없는 회전체에 비하여 딤플이 있는 회전체의 경우 딤플로 인하여 압력이 더 낮아지는 것을 확인하였다. 발생한 기포의 양을 정량적으로 비교하기 위해 각 조건의 체적분율을 측정하였다.
5 mm, 각도 150°인 딤플을 포함한 회전체의 경우 공동현상 발생에 가장 유리할 것으로 예측되었으며, 각도보다 깊이 변화가 기포 발생량에 미치는 영향이 큰 것으로 예측되었다. 전반적으로 깊이가 큰 것보다 작은 경우에 기포 발생에 유리할 것으로 예측되었으며, 각도가 작아질수록 기포 발생에 유리할 것으로 예측되었다. 하지만 공동현상에 가장 유리할 것으로 예측된 형상은 깊이 3.

후속연구

6) 두 줄의 딤플 배열을 가진 회전체의 경우 한 줄의 딤플 배열을 가진 회전체보다 공동현상 발생에 더 유리할 수 있으나 그 차이가 미미한 것으로 예측되었으며, 가공 및 회전체 가동으로 인한 소비 동력을 고려한다면 한 줄의 딤플 배열을 포함하는 회전체가 적합할 것으로 판단된다. 추후에는 소비 동력을 고려한 연구를 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 발열장치에 대한 개발에서 단점은 무엇인가?	Ozonek 는 수력학적 공동현상 발생의 중요 변수에 대한 연구를 발표하였으며,(10) Kumar 등은 형상이 서로 다른 오리피스 장치를 이용하여 수력학적 공동현상을 발생시켜 화학반응기로 사용되는 장치에 대한 실험을 진행하였다.(11) 최근 화석연료 고갈에 따른 고효율 발열장치의 필요성이 부각되고 있으며, 화석연료의 열 발생 효율을 높이기 위하여 기존의 발열장치에 대한 개발이 지속적으로 이루어지고 있지만, 열효율이 약 75% 수준이며, 운전과정에서 탄소가 필연적으로 배출되는 단점이 있다. 수력학적 공동현상의 에너지를 이용한 발열장치는 환경에 악영향을 미치지 않는 친환경적인 에너지원으로써 긍정적인 평가를 받고 있으며, 대형화의 용이함과 더불어 에너지 효율 또한 우수한 것으로 보고되고 있다.
	회전체의 딤플이 공동현상에 미치는 영향을 살피기 위해 본 논문에서 제시한 실험 기준은?	회전체의 딤플이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하기 위하여, 딤플이 없는 회전체, 딤플이 한 줄로 형성되어 있는 회전체, 딤플이 두 줄로 형성되어 있는 회전체에 대하여 수치해석을 진행하였다. 또한 딤플의 형상이 공동현상 발생에 미치는 영향을 확인하고 가장 유리한 딤플의 형상을 확인하기 위해 Cylinder 형태의 딤플과, Cone 형태의 딤플에 대하여 수치해석을 진행하였다. 각 형상의 직경(diameter)은10 mm로 고정하였고, Cylinder 형태는 깊이를 변경하였고 Cone 형태의 딤플은 깊이와 각도를 변경하였다. Fig.
	공동현상은 무엇인가?	공동현상(空洞現象, cavitation)이란 일반적으로 액체가 유동할 때, 국소절대압력(local absolute pressure)이 순간적으로 포화증기압(saturated vapor pressure)이하로 내려가면 그 지점에서 국부적으로 증발이 일어나 기포(bubble)가 발생하는 현상 또는 이렇게 발생한 기포의 압력이 포화증기압 이상으로 회복됨에 따라 붕괴(collapse)하게 되는데, 이러한 기포의 발생, 성장, 소멸의 일련의 과정을 공동현상이라고 한다. Vogel 등은 이러한 공동현상으로 인해 발생하는 순간적인 압력은 1300~7150 MPa 정도이며, 기포가 최대 반지름일 때 기포 벽에서의 속도는 390~2450 m/s 정도인 것으로 밝혔다.

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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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