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CFD를 이용한 고압파이프 파단 시 초음속제트의 압축성유동 특성에 관한 수치해석
Numerical Analysis on the Compressible Flow Characteristics of Supersonic Jet Caused by High-Pressure Pipe Rupture Using CFD 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.41 no.10 = no.385, 2017년, pp.649 - 657  

정종길 (가천대학교 기계공학과) ,  김광추 (한국전력기술(주) 기계기술그룹) ,  윤준규 (가천대학교 기계공학과)

초록
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고압의 파이프 파단 시 파이프 내에 있던 유체가 고속으로 대기로 분출될 때 압축성유동을 동반하는 초음속제트가 발생한다. 이러한 초음속제트는 일반적으로 복잡한 비정상거동을 보여줄 수 있다. 본 연구는 이러한 고압파이프에서 분출되는 초음속제트에 의해 생성되는 압축성유동을 고찰하기 위하여 전산유체역학 해석이 수행되었다. 분출기체의 종류 및 파이프직경 변화에 따른 비정상유동 특성을 해석하기 위해 SST $k-{\omega}$ 난류모델이 채택되었다. 전산해석 시 기본 경계조건은 파이프직경 10 cm, 제트 압력비 5, 기체온도 300 K로 가정하였다. 그 해석결과로 초음속제트로 인해 생성되는 충격파의 거동이 관찰되었고, 간접적인 영향으로 폭풍파도 발생됨을 알 수 있었다. 기체의 분자량이 가장 작은 $H_2$의 압력파 특성은 안전영역까지의 거리가 가장 짧았으며, 분자량이 비슷한 $N_2$, 공기 및 $O_2$는 큰 차이가 없었다. 또한 파이프직경이 커져 제트에 의한 영향범위도 더욱 증대됨을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A rupture in a high-pressure pipe causes the fluid in the pipe to be discharged in the atmosphere at a high speed resulting in a supersonic jet that generates the compressible flow. This supersonic jet may display complicated and unsteady behavior in general. In this study, Computational Fluid Dynam...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 고압파이프의 파단에 의해 분출되는 초음속제트로 인한 비정상 압축성거동과 고압기체의 종류 및 파이프직경 변화에 따른 유동 특성을 수치해석적으로 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 이와 같이 과거의 연구들은 대부분 물체주위에서 발생하는 정상상태의 충격파에 관한 연구가 주를 이루고 있으며, 배관 파단으로 인한 초음속제트의 비정상거동에 따른 유동특성 및 동적영향에 대한 연구는 부족한 실정이다. 이에 본 연구에서는 고압파이프에서 분출되는 초음속제트의 압축성유동 특성을 고찰하고자 수치해석을 수행하였으며, 난류모델의 타당성은 Mohamed와 Paraschivoiu(8)의 선행연구결과와의 비교를 통해 검증하였고, 제트의 비정상 거동 및 제트가 주위 구조물을 타격하는 사고에 대비한 안전범위를 고찰하고자 하였으며, 분출기체의 종류 및 파이프직경 변화에 따른 유동특성을 파악하고자 하였다.

가설 설정

  • 본 연구의 초음속제트 유동은 3차원 비정상 압축성 난류유동으로 가정하고, 적용되는 고압기체는 이상기체로 고려하여 해석을 진행하였다. 또한 유동장 분석에 사용된 지배방정식은 다음과 같다.
  • 제트 분출 후 제트 전단에 대기 중의 공기가 밀리면서 형성 된 폭풍파는 구 형태로 계속하여 퍼져나간다. 제트 앞쪽에 발생된 충격파는 폭풍파와는 달리 시간이 진행되어도 위치가 거의 변화가 않는다. 초기 1 ms 시점에서의 압력파는 다소 유사한 양상을 보인다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고압유체를 이용한 초음속제트 기술을 응용한 연구에는 무엇이 있는가? 초음속제트는 고압의 유체가 음속보다 빠르게 분출되면서 발생하는 유동으로 압축성유동이 수반되므로 유체유동의 난류혼합 열 및 물질전달, 압축효과 충돌 등의 여러 복잡한 현상들을 규명하기 위해 풍동 가시화실험이나 전산해석 등을 통한 많은 연구가 진행되어 왔다 그 유래를 살펴보면 Bowden과 Brunton(1)이 고속으로 비행하는 항공기가 빗물로 인하여 표면이 깎이면서 변형되는 현상을 관찰하게 되어 초음속제트에 대한 연구의 필요성을 갖게 되었고 다양한 공학 응용분야에 적용되고 있으며, 우주항공 및 연소기술 등 에서도 광범위한 잠재력을 보이고 있다 특히 고압유체를 이용한 초음속제트 기술을 재료의 세척 및 절단 등(2)의 물리적인 현상에 응용함으로써 발전시키고 있다. 이와 관련된 연구로 Jin 등(3)은 3차원 비정상 전산유체역학을 이용하여 고속철도 차량이 경부선 터널진입시 터널내부의 압력을 압축파 파형으로 분석 및 현장시험과의 비교 분석을 통하여 압력파의 2차 상승이 차체의 표면 마찰력에 크게 의존한다는 것을 보였고 Kim 등(4)은 균일 혼상류모델을 이용한 다상유동해석을 통하여 비응축가스를 이용한 환기공동이 포함된 초공동 수중운동체 해석결과와 연소가스의 온도효과를 고려한 해석결과를 도출하여 환기공동조건에서 높은 분사속도를 가진 경우 공동의 불안정성을 보였다. 또한 Lee 등(5)은 Roe의 근사 리만 솔버를 적용하여 1차원 압축성 공기유동을 모사하였으며 오일러방정식으로 해석하여 Roe의 근사 리만 솔버가 충격파관 해석에 있어서 유동의 충격파를 전달하는 특성이 올바르게 모사되는 것을 보여 해석시간을 단축시키고 사용 제원의 최소화하였다. Park 등(6,7)은 직경이 서로 다른 마이크로 충격관에서 발생하는 충격파특성을 고찰하기 위해 파막압력을 변화하여 분석한 결과로 동일한 파막압력에서 충격관의 직경에 따라 충격파의 전파속도가 증가하였고 직경이 큰 경우가 반사충격파의 전파속도가 더 빠름을 보였으며, 격막두께가 두터운 경우가 가장 느린 충격파를 발생시키는 것을 보여주었다. 이와 같이 과거의 연구들은 대부분 물체주위에서 발생하는 정상상태의 충격파에 관한 연구가 주를 이루고 있으며, 배관 파단으로 인한 초음속제트의 비정상거동에 따른 유동특성 및 동적영향에 대한 연구는 부족한 실정이다.
초음속제트란 무엇인가? 초음속제트는 고압의 유체가 음속보다 빠르게 분출되면서 발생하는 유동으로 압축성유동이 수반되므로 유체유동의 난류혼합 열 및 물질전달, 압축효과 충돌 등의 여러 복잡한 현상들을 규명하기 위해 풍동 가시화실험이나 전산해석 등을 통한 많은 연구가 진행되어 왔다 그 유래를 살펴보면 Bowden과 Brunton(1)이 고속으로 비행하는 항공기가 빗물로 인하여 표면이 깎이면서 변형되는 현상을 관찰하게 되어 초음속제트에 대한 연구의 필요성을 갖게 되었고 다양한 공학 응용분야에 적용되고 있으며, 우주항공 및 연소기술 등 에서도 광범위한 잠재력을 보이고 있다 특히 고압유체를 이용한 초음속제트 기술을 재료의 세척 및 절단 등(2)의 물리적인 현상에 응용함으로써 발전시키고 있다. 이와 관련된 연구로 Jin 등(3)은 3차원 비정상 전산유체역학을 이용하여 고속철도 차량이 경부선 터널진입시 터널내부의 압력을 압축파 파형으로 분석 및 현장시험과의 비교 분석을 통하여 압력파의 2차 상승이 차체의 표면 마찰력에 크게 의존한다는 것을 보였고 Kim 등(4)은 균일 혼상류모델을 이용한 다상유동해석을 통하여 비응축가스를 이용한 환기공동이 포함된 초공동 수중운동체 해석결과와 연소가스의 온도효과를 고려한 해석결과를 도출하여 환기공동조건에서 높은 분사속도를 가진 경우 공동의 불안정성을 보였다.
고압의 파이프 파단 시 발생하는 현상은 무엇인가? 고압의 파이프 파단 시 파이프 내에 있던 유체가 고속으로 대기로 분출될 때 압축성유동을 동반하는 초음속제트가 발생한다. 이러한 초음속제트는 일반적으로 복잡한 비정상거동을 보여줄 수 있다.
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참고문헌 (14)

  1. Bowden, F. P. and Brunton, J. H., 1958, "Damage to Solids by Liquid Impact at Supersonic Speeds," Nature, Vol. 181, No. 4613, pp. 873-875. 

  2. Jeong, S. M. and Jang, S. M., 2012, "A Design and Development of Multi Air Gun for Suction and Shooting a Jet of Compressed Air," Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 13, No. 11, pp. 4944-4949. 

  3. Jin, Y. M., Kwon, H. B., Hong, S. W. and Rho, J. H., 2015, "A Study of the Viscous Effect to the Compression Wave When a High-speed Train Passing Through the Tunnel," Korean Society for Railway, 2015(1), pp. 652-657. 

  4. Kim, D. H., Park, W. G. and Jang, C. M., 2012, "Numerical Multi-phase Flow Analysis for Highspeed Underwater Vehicle with Compressible Effect," Korean Society of Computational Fluids Engineering, 2012(2), pp. 119-122. 

  5. Lee, S. S. and Park, K. R., 2013, "Numerical Analysis for Shock Wave Propagation in Tube," The Wind Engineering Institute of Korea, Vol. 17, No. 3, pp. 85-91. 

  6. Park, J. O., Kim, G. W. and Kim, H. D., 2013, "Experimental Study of the Shock Wave Dynamics in Micro Shock Tube," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 5 pp. 54-59. 

  7. Park, J. O., Kim, G. W. and Rasel, M. A. I. and Kim, H. D., 2015, "Experimental Study of Micro Shock-tube Flow," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 39, No. 5 pp. 385-390. 

  8. Mohamed, K. and Paraschivoiu, M., 2004, "Real Gas Numerical Simulation of Hydrogen Flow," International Energy Conversion Engineering Conference Technical Papers, pp. 727-740. 

  9. Kam, H. D. and Kim, J. S., 2013, "Assessment and Validation of Turbulence Models for the Optimal Computation of Supersonic Nozzle Flow," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 1, pp. 18-25. 

  10. ANSYS FLUENT Theory Guide 16.1 ANSYS Inc., 2016 

  11. Aungier, R. H., 1995, "A Fast, Accurate Real Gas Equation of State for Fluid Dynamic Analysis Applications," J. Fluids Eng 117(2), pp. 277-281. 

  12. Anderson, J. D., 2011, "Fundamentals of Aerodynamics," Fifth Edition, Mcgraw Hill, pp. 515- 543. 

  13. Yu, Q. and Gronig, H., 1996, "Shock Wave from an Open-ended Shock Tube with Different Shapes," Shock waves, Vol. 6, No. 5, pp. 249-258. 

  14. ANP-10318NP, Revision. 1, 2013, "Pipe Rupture External Loading Effects on U.S. EPR Essential Structures, Systems, and Components," Technical Report of AREVA NP Inc. 

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