테일러 반응기에서 일어나는 유동의 변화를 전산유체역학을 이용하여 3차원 유동해석을 수행하였다. 테일러 유동은 레이놀즈 수의 증가에 따라 5개의 영역(순환 쿠에트 유동(CCF), 테일러 와류 유동(TVF), 물결 와류 유동(WVF), 변조 물결 와류 유동(MWVF), 난류 테일러 와류 유동(TTVF))으로 나뉘어지며, 각각의 영역에서의 유동 특성을 알아보았다. 각각의 영역에서 와류의 형상, 개수, 길이 등에 차이를 나타나며 바이패스 흐름에도 영향을 줌을 확인하였다. 그 결과 TVF, WVF, MWVF, TTVF 영역에서 테일러 와류가 발생하였다. 테일러 와류의 개수는 TVF 영역에서 가장 많으며 TTVF 영역에서 가장 적게 관찰되었다. 수치해석모델의 검증을 위하여 실험결과와 비교하였고, 실험결과 대비 해석결과가 잘 일치함을 나타내었다.
테일러 반응기에서 일어나는 유동의 변화를 전산유체역학을 이용하여 3차원 유동해석을 수행하였다. 테일러 유동은 레이놀즈 수의 증가에 따라 5개의 영역(순환 쿠에트 유동(CCF), 테일러 와류 유동(TVF), 물결 와류 유동(WVF), 변조 물결 와류 유동(MWVF), 난류 테일러 와류 유동(TTVF))으로 나뉘어지며, 각각의 영역에서의 유동 특성을 알아보았다. 각각의 영역에서 와류의 형상, 개수, 길이 등에 차이를 나타나며 바이패스 흐름에도 영향을 줌을 확인하였다. 그 결과 TVF, WVF, MWVF, TTVF 영역에서 테일러 와류가 발생하였다. 테일러 와류의 개수는 TVF 영역에서 가장 많으며 TTVF 영역에서 가장 적게 관찰되었다. 수치해석모델의 검증을 위하여 실험결과와 비교하였고, 실험결과 대비 해석결과가 잘 일치함을 나타내었다.
We conducted the three-dimensional fluid flow analysis in a Taylor reactor using computational fluid dynamics (CFD). The Taylor flow can be categorized into five regions according to Reynolds number, i.e., circular Couette flow (CCF), Taylor vortex flow (TVF), wavy vortex flow (WVF), modulated wavy ...
We conducted the three-dimensional fluid flow analysis in a Taylor reactor using computational fluid dynamics (CFD). The Taylor flow can be categorized into five regions according to Reynolds number, i.e., circular Couette flow (CCF), Taylor vortex flow (TVF), wavy vortex flow (WVF), modulated wavy vortex flow (MWVF), and turbulent Taylor vortex flow (TTVF), and we investigated the flow characteristics at each region. For each region, the shape, number and length of vortices were different and they influenced on the bypass flow. As a result, the Taylor vortex was found at TVF, WVF, MWVF and TTVF regions. The highest number of Taylor vortex was observed at TVF region, while the lowest at TTVF region. The numerical model was validated by comparing with the experimental data and the simulation results were in good agreement with the experimental data.
We conducted the three-dimensional fluid flow analysis in a Taylor reactor using computational fluid dynamics (CFD). The Taylor flow can be categorized into five regions according to Reynolds number, i.e., circular Couette flow (CCF), Taylor vortex flow (TVF), wavy vortex flow (WVF), modulated wavy vortex flow (MWVF), and turbulent Taylor vortex flow (TTVF), and we investigated the flow characteristics at each region. For each region, the shape, number and length of vortices were different and they influenced on the bypass flow. As a result, the Taylor vortex was found at TVF, WVF, MWVF and TTVF regions. The highest number of Taylor vortex was observed at TVF region, while the lowest at TTVF region. The numerical model was validated by comparing with the experimental data and the simulation results were in good agreement with the experimental data.
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가설 설정
006 × 10-6m2/s을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 계산이 시작된 후 초기에 유동의 변화가 급격히 일어나며 일정시간이 지나면 유동의 변화가 없어진다. 유동의 변화가 더 이상 발생하지 않는 시점을 기준으로 유동분포를 고찰하였다.
Figure 4는 Re = 100에서 테일러 반응기 내 유동의 속도분포와 부분 확대한 유선을 나타낸다. 유동의 형태는 CCF 영역에 해당한다. 그림에서 보는 바와 같이, 내부 실린더 근처에서 높은 속도가 분포되고 내부 실린더에서 반경방향으로 멀어질수록 속도가 줄어듦이 관찰되었다.
Figure 8은 Re = 2000에서 테일러 반응기 내 유동의 속도분포이며,부분 확대한 유선과 속도벡터를 나타낸다. 유동의 형태는 TTVF 영역에 해당한다. 유동이 난류영역으로 바뀌면서, WVF 영역과 MWVF 영역에서 관찰되던 와류의 비대칭성은 사라지고 반응기 길이방향을 따라 평행한 형태의 테일러 와류가 나타난다.
제안 방법
레이놀즈 수 변화에 따른 각 영역별 유동특성을 파악하기 위하여 테일러 와류의 속도분포와 형성된 와류의 개수 및 길이를 비교하였다. Figure 9는 테일러 반응기의 유동영역 중앙부에서 축 방향을 따라 반경방향 속도분포를 나타낸 그래프이다.
모델의 검증을 위하여 해석 결과와 실험 데이터를 비교하였고 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. 유동특성이 다른 5개 영역(CCF, TVF, WVF, MWVF, TTVF)에서 레이놀즈 수를 변화시켜 각각의 유동특성을 알아보았다. 그 결과 TVF, WVF, MWVF, TTVF 영역에서 테일러 와류가 발생함을 확인하였다.
본 연구는 테일러 반응기의 각 영역별 유동특성을 파악하기 위하여CFD 기법을 이용하여 전산 모사하였다. 이전 연구[13]에서 실시한 2차원 수치해석을 3차원으로 확장하여 테일러 반응기 내의 유동 해석이 이루어졌다. 본 연구는 테일러 반응기 내 각 영역별 유동특성과 유동의 파악이 목적이므로 비교적 간단한 구조인 1 L급 lab-scale의 테일러 반응기를 대상으로 3차원 모델링을 실시하였다.
각 유동 영역에서 나타나는 유동특성을 비교하기 위하여, 내부 실린더의 회전 속도만 변화시켜 레이놀즈 수를 조절하였다. 총 5가지 레이놀즈 수(Re = 100, 140, 400, 800, 2000)의 경우에 발생하는 유동의 변화를 살펴보았다. 이는 각각 CCF, TVF, WVF, MWVF, TTVF 영역에 해당한다.
대상 데이터
Lab-scale의 반응기를모델링 하였으며 반응기의 상세한 치수는 Table 1에 표시하였다. CFD해석을 위하여 약 330만 개의 격자가 사용되었으며, 사용된 격자는 tetrahedral mesh이다.
이전 연구[13]에서 실시한 2차원 수치해석을 3차원으로 확장하여 테일러 반응기 내의 유동 해석이 이루어졌다. 본 연구는 테일러 반응기 내 각 영역별 유동특성과 유동의 파악이 목적이므로 비교적 간단한 구조인 1 L급 lab-scale의 테일러 반응기를 대상으로 3차원 모델링을 실시하였다. 각 영역별로 테일러 유동의 분석과 테일러 와류에의 영향에 관한 고찰을 하였다.
데이터처리
CFD 기법을 이용하여 테일러 반응기에 대하여 3차원 유동해석을 수행하였다. 모델의 검증을 위하여 해석 결과와 실험 데이터를 비교하였고 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다. 유동특성이 다른 5개 영역(CCF, TVF, WVF, MWVF, TTVF)에서 레이놀즈 수를 변화시켜 각각의 유동특성을 알아보았다.
이론/모형
CFD 기법을 이용하여 테일러 반응기에 대하여 3차원 유동해석을 수행하였다. 모델의 검증을 위하여 해석 결과와 실험 데이터를 비교하였고 비교적 잘 일치하는 결과를 얻었다.
본 연구는 테일러 반응기의 각 영역별 유동특성을 파악하기 위하여CFD 기법을 이용하여 전산 모사하였다. 이전 연구[13]에서 실시한 2차원 수치해석을 3차원으로 확장하여 테일러 반응기 내의 유동 해석이 이루어졌다.
또한 반응기 내부 실린더의 회전 속도의 증가로 레이놀즈 수가 증가하게 되면 반응기 내 유동은 난류 유동의 영역으로 바뀌게 된다. 이때, 난류영역에서는 turbulent κ-ε 모델을 이용하여 연속 방정식과 운동량 방정식을 계산하였다. 난류 운동에너지 κ와 소산율 ε의 계산을 위하여 다음과 같은 식이 사용되었다.
유동 영역은 반경방향 레이놀즈 수와 임계 레이놀즈 수(critical Reynolds number, Recr)의 비인 R(R = Re/Recr)에 의해 결정된다. 임계 레이놀즈 수는 테일러 반응기의 내부 반경과 두 실린더 사이의 간격(annular gap)의 비율에 의존하는 값으로 본 연구에서는 Nemri 등[6]의 연구결과를 참고하였다. R이 1보다 작으면 CCF 영역이 나타나며, 이 영역에서는 흐름이 안정적인 쿠에트 유동이 형성된다.
레이놀즈 수의 변화에 따라 유동은 층류와 난류로 구분되어 형성되므로 각각에 대하여 다른 지배방정식이 사용되었다. 층류에서는 laminar 모델을 이용하여 다음과 같은 연속방정식(continuity equation)과 운동량 방정식(momentum equation)이계산에 사용되었다.
테일러 반응기 내 유동해석을 위하여 Comsol Multiphysics를 이용하여 CFD 해석을 수행하였다. 레이놀즈 수의 변화에 따라 유동은 층류와 난류로 구분되어 형성되므로 각각에 대하여 다른 지배방정식이 사용되었다.
성능/효과
이는 bypass 영역의 감소를 의미한다. TVF 영역에서는 테일러 와류의 개수가 가장 많이 형성되었고, TTVF 영역에서는 테일러 와류가 가장 적게 형성되었으며 끝단과 중심간 와류의 길이차가 많이 발생됨을 확인하였다. WVF 영역과 MWVF 영역에서는 물결모양의 테일러 와류가 관찰되며 bypass 영역이 증가함을 보였다.
Table 2와 보는 바와 같이 테일러 와류의 개수는 TVF 영역에서 가장 많으며 TTVF 영역에서 가장 적게 관찰되었고, 끝단과 중심간 테일러 와류 길이의 차이는 TTVF 영역에서 가장 크며 WVF 영역에서 가장 적었다. WVF 영역 대비 MWVF 영역에서 와류의 개수가 약간량 증가하는 것을 제외하고는 전반적으로 Re 수 증가에 따라 와류의 수는 감소하는 경향을 보였다. 이는 MWVF 영역에서 비대칭성이 크게 증가하기 때문으로 판단되며 내부 실린더의 회전수 증가가 와류의 성장에 영향을 미침을 알 수 있다.
TVF 영역에서는 테일러 와류의 개수가 가장 많이 형성되었고, TTVF 영역에서는 테일러 와류가 가장 적게 형성되었으며 끝단과 중심간 와류의 길이차가 많이 발생됨을 확인하였다. WVF 영역과 MWVF 영역에서는 물결모양의 테일러 와류가 관찰되며 bypass 영역이 증가함을 보였다. 따라서 물질의 혼합은 bypass 영역이 상대적으로 적은 TTVF 영역에서 잘 이루어질 것으로 판단되나,정량적인 평가를 위해서는 입자추적 모델을 적용한 체류시간의 연구가 필요하다.
유동특성이 다른 5개 영역(CCF, TVF, WVF, MWVF, TTVF)에서 레이놀즈 수를 변화시켜 각각의 유동특성을 알아보았다. 그 결과 TVF, WVF, MWVF, TTVF 영역에서 테일러 와류가 발생함을 확인하였다. TVF 영역에서 테일러 와류가 원형을 보이나 회전속도가 증가함에 따라 와류의 크기가 증가하며 TTVF 영역에서는 타원형의 와류형상을 보인다.
그림에서 보는 바와 같이, 수치해석 결과와 실험결과는 매우 유사한 경향을 보인다. 따라서 본 연구에서 사용된 수치해석 모델이 실험결과와 대비 비교적 타당한 결과를 보이는 것을 확인하였다. 또한 해석결과가 타당성을 보여 추가적인 격자 의존성 테스트는 생략하기로 한다.
441 mm로 측정되어 와류 간 크기의 차이는 적지만 TVF 영역에 비해 와류의 두께가 증가하고 와류의 개수가 감소하였다. 또한 유선의 관찰결과, 테일러 와류가 비대칭적인 형태를 보이고 bypass의 영역이 넓어진 것을 확인할 수 있다.
후속연구
WVF 영역과 MWVF 영역에서는 물결모양의 테일러 와류가 관찰되며 bypass 영역이 증가함을 보였다. 따라서 물질의 혼합은 bypass 영역이 상대적으로 적은 TTVF 영역에서 잘 이루어질 것으로 판단되나,정량적인 평가를 위해서는 입자추적 모델을 적용한 체류시간의 연구가 필요하다. 또한 동일 영역 내에서도 레이놀즈 수의 변화에 따라 테일러 와류의 개수와 길이에 차이를 보이는 것으로 판단되어 이는 차후 연구에서 다룰 과제로 남는다.
따라서 물질의 혼합은 bypass 영역이 상대적으로 적은 TTVF 영역에서 잘 이루어질 것으로 판단되나,정량적인 평가를 위해서는 입자추적 모델을 적용한 체류시간의 연구가 필요하다. 또한 동일 영역 내에서도 레이놀즈 수의 변화에 따라 테일러 와류의 개수와 길이에 차이를 보이는 것으로 판단되어 이는 차후 연구에서 다룰 과제로 남는다.
반경방향의 속도 차이는 WVF, MWVF 영역에서 크게 나타나나 bypass 영역도 동시에 증가하여, 본 영역에서 물질의 혼합이 잘 이루어진다고 유추하기는 어렵다. 물질혼합의 영향을 파악하기 위해서는 입자추적을 통한 체류시간의 연구가 필요하다. Table 2와 보는 바와 같이 테일러 와류의 개수는 TVF 영역에서 가장 많으며 TTVF 영역에서 가장 적게 관찰되었고, 끝단과 중심간 테일러 와류 길이의 차이는 TTVF 영역에서 가장 크며 WVF 영역에서 가장 적었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
테일러 반응기는 무엇인가?
테일러 반응기는 유체의 유동을 이용하여 연속적인 형태로 생산이 가능한 연속식 반응기로 저속 전단 혼합기(low shear mixing), 화학 반응기(chemical reactor), 여과장치(filtration) 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 테일러 반응기는 1923년 Taylor[1]에 의해 처음 발견되었으며, 테일러-쿠에트 유동(Taylor-Couette Flow) 현상을 이용하여 반응물을 혼합, 생산하는 역할을 수행하는 실린더를 의미한다.
테일러 반응기는 어떤 분야에서 사용되는가?
테일러 반응기는 유체의 유동을 이용하여 연속적인 형태로 생산이 가능한 연속식 반응기로 저속 전단 혼합기(low shear mixing), 화학 반응기(chemical reactor), 여과장치(filtration) 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 테일러 반응기는 1923년 Taylor[1]에 의해 처음 발견되었으며, 테일러-쿠에트 유동(Taylor-Couette Flow) 현상을 이용하여 반응물을 혼합, 생산하는 역할을 수행하는 실린더를 의미한다.
테일러 반응기 내 유동 영역은 무엇에 의해 결정되는가?
테일러 반응기 내 유동을 레이놀즈 수에 따라서 영역을 구분하면,circular Couette flow (CCF), taylor vortex flow (TVF), wavy vortex flow (WVF), modulated wavy vortex flow (MWVF), turbulent Taylor vortex flow (TTVF)으로 구분할 수 있다. 유동 영역은 반경방향 레이놀즈 수와 임계 레이놀즈 수(critical Reynolds number, Recr)의 비인 R(R = Re/Recr)에 의해 결정된다. 임계 레이놀즈 수는 테일러 반응기의 내부 반경과 두 실린더 사이의 간격(annular gap)의 비율에 의존하는 값으로 본 연구에서는 Nemri 등[6]의 연구결과를 참고하였다.
참고문헌 (15)
G. Taylor, Stability of a viscous liquid contained between two rotating cylinders, Philos. Trans. R. Soc. Lond. A, 223, 289-343 (1923).
M. Nemri, E. Climent, S. Charton, J. Y. Lanoe, and D. Ode, Experimental and numerical investigation on mixing and axial dispersion in Taylor-Couette flow patterns, Chem. Eng. Res. Des., 91, 2346-2354 (2012).
P. S. Marcus, Simulation of Taylor-Couette flow. Part 2. Numerical results for wavy-vortex flow with one travelling wave, J. Fluid Mech., 146, 65-13 (1984).
H. S. Dou, B. C. Khoo, and K. S. Yeo, Instability of Taylor-Couette flow between concentric rotating cylinders, Int. J. Therm. Sci., 47, 1422-1435 (2008).
Y. Zhang, L. Xu, and D. Li, Numerical computation of end plate effect on Taylor vortices between rotating conical cylinders, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 17, 235-241 (2011).
G. Li, X. Yang, and H. Ye, CFD simulation of shear flow and mixing in a Taylor-Couette reactor with variable cross-section inner cylinders, Powder Technol., 280, 53-66 (2015).
X. Gao, B. Kong, M. Ramezani, M. Olsen, and R. D. Vigil, An adaptive model for gas-liquid mass transfer in a Taylor vortex reactor, Int. J. Heat Mass Transf., 91, 433-445 (2015).
X. Gao, B. Kong, and R. D. Vigil, CFD investigation of bubble effects on Taylor-Couette flow patterns in the weakly turbulent vortex regime, Chem. Eng. J., 270, 508-518 (2015).
S. H. Lee, G. H. Sim, and D. H. Jeon, Numerical study on fluid flow characteristics in Taylor reactor using computational fluid dynamics, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, 40, 9-19 (2016).
S. T. Wereley and R. M. Lueptow, Spatio-temporal character of non-wavy and wavy Taylor-Couette flow, J. Fluid Mech., 364, 59-80 (1998).
Y. Zhang, L. Xu, and D. Li, Numerical computation of end plate effect on Taylor vortices between rotating conical cylinders, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 17, 235-241 (2011).
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