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 CFD원문보기
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.
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.
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...
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 Dynamics (CFD) analysis was performed to investigate the compressible flow generated by a supersonic jet ejected from a high-pressure pipe. A Shear Stress Transport (SST) turbulence model was selected to analyze the unsteady nature of the flow, which depends upon the various gases as well as the diameter of the pipe. In the CFD analysis, the basic boundary conditions were assumed to be as follows: pipe of diameter 10 cm, jet pressure ratio of 5, and an inlet gas temperature of 300 K. During the analysis, the behavior of the shockwave generated by a supersonic jet was observed and it was found that the blast wave was generated indirectly. The pressure wave characteristics of hydrogen gas, which possesses the smallest molecular mass, showed the shortest distance to the safety zone. There were no significant difference observed for nitrogen gas, air, and oxygen gas, which have similar molecular mass. In addition, an increase in the diameter of the pipe resulted in the ejected impact caused by the increased flow rate to become larger and the zone of jet influence to extend further.
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 Dynamics (CFD) analysis was performed to investigate the compressible flow generated by a supersonic jet ejected from a high-pressure pipe. A Shear Stress Transport (SST) turbulence model was selected to analyze the unsteady nature of the flow, which depends upon the various gases as well as the diameter of the pipe. In the CFD analysis, the basic boundary conditions were assumed to be as follows: pipe of diameter 10 cm, jet pressure ratio of 5, and an inlet gas temperature of 300 K. During the analysis, the behavior of the shockwave generated by a supersonic jet was observed and it was found that the blast wave was generated indirectly. The pressure wave characteristics of hydrogen gas, which possesses the smallest molecular mass, showed the shortest distance to the safety zone. There were no significant difference observed for nitrogen gas, air, and oxygen gas, which have similar molecular mass. In addition, an increase in the diameter of the pipe resulted in the ejected impact caused by the increased flow rate to become larger and the zone of jet influence to extend further.
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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.
대상 데이터
본 연구에서는 Mohamed와 Paraschivoiu(8)의 충격파관에 대한 선행연구와 비교 및 분석하기 위해 동일한 형상의 파이프(직경 10 cm, 1 m) 길이 형상을 모델링하였다. 파이프 중간위치를 기준으로 정하여 좌우측의 압력을 각각 50 MPa, 10 MPa로 설정하여 해석하였다.
의 충격파관에 대한 선행연구와 비교 및 분석하기 위해 동일한 형상의 파이프(직경 10 cm, 1 m) 길이 형상을 모델링하였다. 파이프 중간위치를 기준으로 정하여 좌우측의 압력을 각각 50 MPa, 10 MPa로 설정하여 해석하였다. 그 결과로 선행연구의 결과값과 SST k-ω 난류모델을 설정한 해석값이 매우 근사한 값을 얻음으로써 본 연구의 수치해석에 대한 타당성을 검증할 수 있었으며, Fig.
데이터처리
본 연구에서는 ANSYS v.16의 전처리 프로그램인 Design modeler를 이용하여 고압파이프의 형상과 해석영역을 모델링하였으며, 해석영역에 대한 모델링은 Fig 1에 나타내었다. 또한 Table 1에 나타난 바와 같이 고압파이프의 직경(D)은 10 cm이다.
Table 2는 격자의 품질을 나타낸 것이다. 해석의 신뢰도를 높이기 위하여 품질이 가장 좋은 형상인 사각형(Quadrilateral) 격자를 사용하였고, 원통 형태라는 형상의 특성을 반영하여 축대칭(Axisymmetric) 조건을 부여함으로써 총 격자 50만개를 사용하여 3차원해석 계산시간을 기존 계산시간보다 절약할 수 있었다. 기본 경계조건은 기체온도 300K, 제트압력비 5로 하였으며 밀도 함수는 이상기체법칙, 점성함수는 Sutherland 점성 법칙을 사용하였다.
이론/모형
해석의 신뢰도를 높이기 위하여 품질이 가장 좋은 형상인 사각형(Quadrilateral) 격자를 사용하였고, 원통 형태라는 형상의 특성을 반영하여 축대칭(Axisymmetric) 조건을 부여함으로써 총 격자 50만개를 사용하여 3차원해석 계산시간을 기존 계산시간보다 절약할 수 있었다. 기본 경계조건은 기체온도 300K, 제트압력비 5로 하였으며 밀도 함수는 이상기체법칙, 점성함수는 Sutherland 점성 법칙을 사용하였다. 또한 해석의 신뢰도를 높이기 위하여 모든 해석에서 계산변수에 대하여 잔차(Residual values) 계산값이 10-7 이하일 때를 수렴판정으로 선정하였으며, 매 Time step마다 15회 이상 반복계산을 수행하도록 하였다.
본 연구는 고압파이프로부터 분출되는 기체에 대한 압축성유동을 고찰하기 위하여 CFD 상용프로그램중 FLUENT v16.1을 사용하여 해석을 진행하였다. Fig.
는 전단응력텐서를 나타낸다. 수치해석을 위한 난류모델로는 Kam과 Kim(9)의 기존연구에서 나타난 결과와 같이 다른 RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) 난류모델중에서 가장 우수한 결과를 보여준 SST(Shear Stress Transport) k-ω 난류모델을 채택하였다. 난류 지배방정식은 다음과 같다.
여기서 Po는 국소압력, P는 게이지압력, Pa는 절대압력, R은 기체상수, Mg는 기체의 분자량, T는 기체온도, V는 특정 몰 부피, α, b, c, δ 및 ∊는 Aungier의 실제기체 방정식(11)에 의해 설정된다.
일반적으로 수치해를 구할 때 이상기체로 가정하여 계산하는 것이 보편적이나 이상기체는 실제로 존재하지 않기 때문에 이를 보완하기 위해 실제기체 밀도법칙을 적용하여 계산할 수 있다. 그러나 실제기체 밀도법칙은 실험 결과치와 접근하는 정확도는 높지만 연구영역경계를 넘지 못하는 불편함이 있다.
성능/효과
(1) 압축성유동 평가에서 사용한 SST k-ω 난류모델을 기존연구의 결과와 비교하였을 때 근사한 차이를 보여 난류모델의 타당성을 확인하였다.
(2) 고압파이프 파단 시 분출되는 초음속제트로 인해 생성되는 압축성유동에서 충격파의 형상이 관찰되었고, 이 충격파의 간접적인 영향으로 인해 폭풍파도 발생됨을 알 수 있었다.
(3) 기체의 분자량이 클수록 초음속제트로 인한 안전영역까지의 거리가 증대됨을 알 수 있었다.
(4) 동일한 제트 압력비에서 파이프직경이 커질 수록 영향거리 또한 증가하는 것으로 나타났으나, 파이프직경의 크기에 비례하여 위험영역과 안전영역이 선형적으로 증대하지는 않는 것으로 나타났다.
Fig. 4에 나타난 바와 같이 압력강하와 온도의 급변하는 위치도 동일한 점을 보아 본 연구에 사용된 수치해석방법이 압축성유동의 가장 큰 특성인 충격파를 잘 관찰하고 있다는 것을 알 수 있다.(12)
그 결과로 압력비율(Pt/Pb) 특성과 비슷한 경향으로 분자량이 작은 기체일수록 Mach수의 안전영역(Ma < 1)인 영역까지의 거리가 단축됨을 알 수 있었다. 결과적으로 기체의 밀도가 낮은 H2>N2>공기 >O2 순으로 안전영역이 빨리 도달하는 것을 알 수 있었다. 또한 N2와 공기 및 O2 는 분자량이 큰 차이가 없으므로 거의 유사한 유동특성을 나타냄을 알 수 있었고 작은 분자량의 차이에도 불구하고 안전영역이 달라지는 것을 관측하였다.
파이프 중간위치를 기준으로 정하여 좌우측의 압력을 각각 50 MPa, 10 MPa로 설정하여 해석하였다. 그 결과로 선행연구의 결과값과 SST k-ω 난류모델을 설정한 해석값이 매우 근사한 값을 얻음으로써 본 연구의 수치해석에 대한 타당성을 검증할 수 있었으며, Fig. 3과 Fig.
후속연구
본 연구의 결과를 토대로 다양한 유체 및 제트 형상 등의 유동인자들에 따른 충격파 및 폭풍파의 영향범위에 관한 실험 및 CFD 해석연구가 병행된다면 고압시스템의 안전설계에 큰 도움을 줄 것으로 사료된다.
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.
참고문헌 (14)
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.
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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.
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.
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.
Mohamed, K. and Paraschivoiu, M., 2004, "Real Gas Numerical Simulation of Hydrogen Flow," International Energy Conversion Engineering Conference Technical Papers, pp. 727-740.
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.
ANSYS FLUENT Theory Guide 16.1 ANSYS Inc., 2016
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.
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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