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파수-주파수 분석을 통한 고압 배관 내 수축 확장 노즐의 유동 소음원에 대한 수치적 연구
Numerical investigation into flow noise source of a convergent-divergent nozzle in high pressure pipe system using wavenumber-frequency analysis 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.5, 2017년, pp.314 - 320  

구가람 (부산대학교 기계공학부) ,  이송준 (부산대학교 기계공학부) ,  김극수 (대우조선해양(주) 선박해양연구소) ,  정철웅 (부산대학교 기계공학부)

초록
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일반적으로 감압밸브는 고압 가스에 의한 배관 파손을 방지하기 위해 설치된다. 그러나 감압 밸브를 지나면서 발생하는 급격한 압력 저하는 음향파의 형태로 전파되는 큰 음향 에너지를 발생 시키며, 하류 방향으로 전파되면서 배관의 벽면을 진동시키는 가진원으로 작용하여 배관의 파손을 유발한다. 따라서, 본 연구에서는 단순 수축-확장 배관을 대상으로 LES(Large-Eddy Simulation)기법과 파수-주파수 분석을 통해 유동장 내 비압축성 압력섭동압축성 압력 섭동을 분리하고, 밸브 유동에 의한 내부 유동소음을 예측하였다. 수치해석의 수렴성을 향상시키기 위해 먼저 정상상태 Reynolds-Averaged Navier-Stokes 방정식을 해석하여, 고정확도의 비정상 LES해석의 초기 값으로 활용하였으며, 비정상 유동장 결과로부터 파수-주파수 분석을 실시하였다. 파수-주파수 분석을 통해 비압축성 압력섭동과 압축성 압력섭동을 분리하였으며, 이를 통해 배관 내 음향유기진동에 의한 소음원 정보를 정확히 제공할 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A pressure relief valve is generally used to prevent piping systems from being broken due to high pressure gas flows. However, the sudden pressure drop caused by the pressure relief valve produces high acoustic energy which propagates in the form of compressible acoustic waves in the pipe and someti...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고압 배관 내에서 감압밸브를 지나면서 발생하는 급격한 압력 변화에 의한 음향에너지를 고려하기 위하여 먼저 유동장을 해석하였으며, 그 결과로부터 파수-주파수 분석을 실시하였다.
  • 이러한 설계기준의 대부분은 단순 경험식에 의해 제시된 것으로서 사용 편의성을 장점으로 가지나 경험식의 특성상 관련된 물리적 발생 메커니즘에 대한 이해에 한계를 보이며, 적절한 경제적 해결방법을 마련하는 데는 어려움이 따른다. 이에 본 연구에서는 유동 소음을 예측 하기 위한 기본 원칙에 기초하여 배관 음향유기진동 문제를 접근하고 해석할 수 있는 방법론을 개발함으로써 소음원을 규명하고, 소음 예측 결과로부터 배관 파손에 기여하는 주파수 및 모드 정보를 제공하고자 하였다. Nyquist 주파수를 10,000 Hz로 선정하여 LES(Large-Eddy Simulation) 기반의 고정밀 유동 해석을 실시하여 높은 해상도의 유동장 해석결과를 얻었며, 해석결과로부터 소음원을 추출하기 위하여 파수-주파수 분석을 실시하였다.

가설 설정

  • 전산해석은 상용코드인 Fluent를 이용하였으며, 압축성 유동을 해석하기 위하여 밀도 기반(density-based)의 해석을 수행하였다. 배관 내 유체는 이상기체로 가정하였으며, 지배방정식은 내재적(implicit) 방법을 통해 연속 방정식과 운동량 방정식, 그리고 에너지 방정식을 동시에 풀며, 유동의 차분화 방법은 충격파와 같은 급격한 유동 특성의 변화를 모사하기 위하여 풍상차분법(upwind scheme)을 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유동이 감압밸브를 지날 때, 무엇이 높은 음향에너지를 발생시키는 소음원으로 작용하는가? 유동이 감압밸브를 지나면서 밸브 후단에서 발생하는 급격한 압력 저하는 높은 음향에너지를 발생시키는 소음원으로 작용한다. 이러한 음향에너지는 하류 방향을 따라 음속으로 전파되면서 벽면을 가진시키는 가진원으로 작용하며, 이로 인해 배관의 용접부와 같은 불연속면에서 피로파괴가 발생한다.
해저 원유와 천연가스 채굴 과정에서 배관 시스템이 필요한 이유는? 세계 원유 및 천연가스 매장량의 약 75 %가 해저에 존재하여 많은 해양 플랜트가 설치되어 해저 원유와 천연가스 채굴에 사용되고 있다. 채굴 및 정제과정 에서 고온 및 고압의 가스가 발생하기 때문에, 이를 처리하기 위하여 배관 시스템이 필수적으로 필요하며, 이러한 고온 및 고압의 가스로 인한 배관 파손이 빈번하게 발생하고 있다. UK’s Health & Safety Executive for the offshore industry에 따르면 배관의 파손의 원인중 20 %는 배관의 진동에 의한 피로 손상에 기인한 것으로 판단하고 있다.
감압밸브는 무엇을 방지하기 위해 설치되는가 일반적으로 감압밸브는 고압 가스에 의한 배관 파손을 방지하기 위해 설치된다. 그러나 감압 밸브를 지나면서 발생하는 급격한 압력 저하는 음향파의 형태로 전파되는 큰 음향 에너지를 발생 시키며, 하류 방향으로 전파되면서 배관의 벽면을 진동시키는 가진원으로 작용하여 배관의 파손을 유발한다.
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참고문헌 (9)

  1. R. D. Bruce, A. S. Bommer, and T. E. LePage, "Solving acoustic-induced vibration problems in the design stage," J. Sound and Vibration 47, 8-11 (2013). 

  2. V. A. Carucci and R. T. Mueller, "Acoustically induced piping vibration in high capacity pressure reducing systems," ASME 82-WA/PVP-8 (1982). 

  3. F. L. Eisinger, "Designing piping systems against acoustically-induced structural fatigue," J. pressure vessel technology 119, 379-383 (1997). 

  4. F. L. Eisinger and J. T. Francis, "Acoustically induced structural fatigue of piping systems," J. pressure vessel technology 121, 438-443 (1999). 

  5. Norsok Standard L-002, Piping system layout, design and structural analysis, 2009. 

  6. J. D. Anderson Jr, Fundamentals of Aerodynamics (Tata McGraw-Hill Education, New York, 2010), pp. 543-741. 

  7. S. J. Lee and C. Cheong. "Decomposition of surface pressure fluctuations on vehicle side window into incompressible/compressible ones using wavenumberfrequency analysis," (in Korean) Trans. KSNVE 26, 765-773 (2016). 

  8. M. L. Munjal, Acoustics of Ducts and Mufflers (John Wiley and Sons, Chichester, UK, 1987), pp. 1-20. 

  9. H. D. Kam and J. S. Kim, "Assessment and validation of turbulence models for the optimal computation of supersonic nozzle flow" (in Korean), J. KSPE 17, 18-25 (2013). 

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