[논문]단일 원관에서 전방류의 주기적인 속도 변동에 따른 유동 특성에 관한 연구

하지수

doi:10.5762/kais.2019.20.4.613

초록
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열교환기에서 유동 유발 진동은 배관의 파손을 유발할 수 있어서 열교환기의 구조 안정성을 위해 유동 유발 진동 특성을 규명할 필요가 있다. 본 연구는 단일 원관에서 입구의 유속이 일정한 경우와 주기적인 변동이 있는 경우에 대하여 시간에 따라 원관 주위에서 와류의 생성, 발달 및 분리 특성을 비교 분석하고 양력과 항력의 시간 변화 특성과 PSD 특성을 살펴보아 단일 원관에서 전방류의 주기적인 속도 변동에 따른 유동 특성을 규명하였다. 일정 입구 유속의 경우는 잘 알려진 칼만 와류 분포를 보여 주었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 발생, 성장, 분리하는 것을 관찰할 수 있었다. 주기적인 입구 유속의 경우는 원관의 상하에서 동시에 와류가 발생하는 것을 관찰할 수 있었다. 일정 입구 유속의 경우는 양력의 PSD 크기가 항력에 비해 약 500배 컸으며 주파수는 31.15 Hz이며 항력은 2배인 62.3 Hz로 나타났다. 주기적인 입구 유속의 경우는 항력의 PSD가 양력보다 약 500배 컸으며 주파수는 입구 유속의 주파수와 동일하게 15.57 Hz이며 양력의 주파수는 일정 입구 유속과 같은 칼만 와류 주파수인 31.15 Hz로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flow-induced vibration in a heat exchanger may cause the damage to piping. Therefore, it is necessary to establish the flow induced vibration characteristics for the structural stability of a heat exchanger. The purpose of this study was to compare the generation, development, and separation cha...

The flow-induced vibration in a heat exchanger may cause the damage to piping. Therefore, it is necessary to establish the flow induced vibration characteristics for the structural stability of a heat exchanger. The purpose of this study was to compare the generation, development, and separation characteristics of a vortex around a circular tube with respect to time when the flow velocity of the inlet was fluctuating constantly and periodically. The time characteristics of lift and drag and the PSD characteristics were also investigated. In the case of a constant inlet flow velocity, the well-known Kalman vorticity distribution was shown. The vortex generation, growth, and separation were also observed alternately at the upper and lower sides of the tube. In the case of periodic inlet flow velocity, the vortex occurred simultaneously in the upper and lower sides of the tube. In the case of constant inlet flow velocity, the magnitude of the lift PSD was 500 times larger than that of drag. The frequency was 31.15 Hz and that of drag was doubled at 62.3 Hz. In case of a periodic inlet flow velocity, the PSD of the drag was approximately 500 times larger than that of lift. The frequency was 15.57 Hz, which was the same as the inlet-flow velocity frequency. In addition, the frequency of lift was 31.15 Hz, which was the same Karman vortex frequency.

주제어

표/그림 (4)

그림 Fig. 1. Configuration of a circular cylinder tube mesh and its boundary types for CFD analysis.
그림 Fig. 2. Vorticity contours at several time steps for (a) constant inlet velocity and (b) periodic inlet velocity.
그림 Fig. 3. Time history of inlet velocity, lift and drag coefficient fluctuations for (a) constant inlet velocity and (b) periodic inlet velocity.
그림 Fig. 4. Nondimensional PSD of lift and drag for (a) constant inlet velocity and (b) periodic inlet velocity.

AI 본문요약
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문제 정의

지금까지의 연구에서는 단일 원관에서나 전열관군에서 양력의 PSD를 분석하여 유동 유발 진동 특성을 규명하였다. 본 연구에서는 지금까지의 연구들에서와 같이 단일 원관의 전방에서 일정한 속도로 유입되는 경우의 유동 특성과 유동 유발 진동 특성을 재현하고 이와 함께 원관의 전방에서 주기적인 속도 변동이 있는 경우에 일정한 입구 속도의 유동 특성과 비교 분석을 통해 입구 유동이 주기적인 속도 변동이 있을 때의 유동 특성과 유동 유발 진동 특성을 규명하는 것을 목적으로 수행하였다.
열교환기 단일 원관에서 일정 입구 유속의 경우와 주기적인 속도 변동이 있는 경우에 대하여 시간에 따른 와류 분포 특성과 양력과 항력의 PSD특성을 살펴보았으며 다음과 같이 요약할 수 있다.
앞 절에서 입구 유속이 일정한 경우와 주기적으로 변하는 경우에 한 주기 동안의 와류 분포 변화를 살펴보면서 유동 특성을 관찰하였다. 이 절에서는 이런 두 가지 유동에 대하여 양력과 항력의 시간에 따른 변화와 PSD(power spectral density)특성을 살펴보고 이에 따른 유동 유발 진동 특성을 살펴보기로 한다. Fig.

제안 방법

단일 원관에서 주기적인 입구 속도 변동에 따른 유동 특성과 유동 유발 진동 특성을 전산유체 해석을 통해 살펴보기로 한다. Fig.
5x10 5이므로 본 연구의 원관 형상과 입구유속은 난류 영역이 아니라 층류로 간주 할 수 있다. 따라서 본 연구의 유동 지배방정식은 2차원 비정상상태 연속방정식, 운동량방정식으로 아래와 같이 구성할 수 있다.
75Hz로 설정하였다. 변화 속도 크기를 여러 가지로 할 수 있고 변화 속도 주파수를 여러 가지로 할 수 있지만 본 연구에서는 각각 모두 일정 입구 유속에서 설정한 속도 크기의 1/2, 칼만 와류 주파수의 1/2로 설정하여 분석하였다. 향후의 연구에서 속도 크기와 주파수를 변화하여 특성을 분석할 예정이다.
본 연구에서는 단일 원관에서 열전달 현상을 배제하고 비정상상태 유체유동에 대한 것에 국한하여 밀도 변화가 없으므로 연속방정식은 다음과 같다.
앞 절에서 입구 유속이 일정한 경우와 주기적으로 변하는 경우에 한 주기 동안의 와류 분포 변화를 살펴보면서 유동 특성을 관찰하였다. 이 절에서는 이런 두 가지 유동에 대하여 양력과 항력의 시간에 따른 변화와 PSD(power spectral density)특성을 살펴보고 이에 따른 유동 유발 진동 특성을 살펴보기로 한다.
2(b)에 입구 유속이 식 (1)과 같이 시간에 따라 변할 때의 한 주기 동안의 와류 분포 변화를 나타내었다. 입구 유속의 주기적 변화에서 주기적 변화의 속도 크기를 평균 속도인 7.63 m/s의 1/2로 설정하였고 일정 입구 유속에서의 칼만 와류 주파수는 31.15 Hz의 1/2인 15.75Hz로 설정하였다. 변화 속도 크기를 여러 가지로 할 수 있고 변화 속도 주파수를 여러 가지로 할 수 있지만 본 연구에서는 각각 모두 일정 입구 유속에서 설정한 속도 크기의 1/2, 칼만 와류 주파수의 1/2로 설정하여 분석하였다.
주기적인 입구 유속의 변화에 따른 원관에서 유동 유발 진동 특성을 분석하기 위해 양력과 항력의 무차원 PSD를 도출하여 분석하기로 한다. 양력의 무차원 PSD는 다음과 같이 정의되며 항력의 무차원 PSD는 아래의 식에서 양력 대신 항력으로 대체하면 된다.

대상 데이터

1에서 보는 바와 같이 원관 주위에는 상대적으로 많은 격자를 생성하였다. 원관 주위를 흐르는 유체는 상온의 공기를 이용하였으며 원관의 직경은 50.8 mm이다. 이 직경은 석탄 화력발전소의 절탄기에 사용하고 있는 원관의 직경이다.

이론/모형

각 경우의 유동 특성 해석을 위해 사용한 프로그램은 SIMPLE 알고리즘[5]을 채택한 상용 열유체 전산해석 프로그램인 Fluent 프로그램을 이용하였고 유동장은 약 100만개의 격자로 구성하였다.

성능/효과

(1) 일정 입구 유속의 경우에 한 주기 동안의 시간 변화에 따른 와류 분포 변화는 잘 알려진 칼만 와류 분포 변화로 재현되었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 생성되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 주기적인 입구 유속 변동의 경우에는 원관의 상하에서 동시에 와류가 생성, 발달되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다.
(2) 시간에 따른 양력과 항력의 변화와 PSD 특성을 살펴보았으며 일정 입구 유속의 경우는 양력의 PSD 최대값이 항력의 최대값보다 약 500배 크게 나타났으며 양력의 주파수는 31.15 Hz이고 항력은 2배인 62.3 Hz로 나타났다. 주기적인 입구 유속의 경우는 양력의 PSD 최대값이 항력의 최대 값보다 약 1/500배 작게 나타났으며 양력의 주파수는 일정 입구 유속과 같은 31.
4(b)에는 주기적인 입구 속도 변화의 경우의 무차원 PSD 결과이다. 양력의 PSD를 살펴보면 주기적인 속도 변동 주파수보다 일정 입구 속도에서의 칼만 와류에 의한 주파수인 31.15 Hz에서 상대적으로 큰 값의 무차원 PSD 값이 나타났으며 이는 양력의 경우는 원관 고유의 칼만 와류가 상대적으로 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 그러나 그 크기는 항력에 비해 약 1/500배의 값으로 작은 값이다.
(1) 일정 입구 유속의 경우에 한 주기 동안의 시간 변화에 따른 와류 분포 변화는 잘 알려진 칼만 와류 분포 변화로 재현되었으며 원관의 상하에서 교대로 와류가 생성되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다. 주기적인 입구 유속 변동의 경우에는 원관의 상하에서 동시에 와류가 생성, 발달되어 떨어져 나가는 것을 관찰할 수 있었다.
3 Hz로 나타났다. 주기적인 입구 유속의 경우는 양력의 PSD 최대값이 항력의 최대 값보다 약 1/500배 작게 나타났으며 양력의 주파수는 일정 입구 유속과 같은 31.15 Hz가 주된 주파수이며 항력의 경우는 주기적인 입구 유속의 주파수인 15.57 Hz에 크게 영향을 받는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

변화 속도 크기를 여러 가지로 할 수 있고 변화 속도 주파수를 여러 가지로 할 수 있지만 본 연구에서는 각각 모두 일정 입구 유속에서 설정한 속도 크기의 1/2, 칼만 와류 주파수의 1/2로 설정하여 분석하였다. 향후의 연구에서 속도 크기와 주파수를 변화하여 특성을 분석할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열교환기는 주로 어디에 사용되는가?	열교환기는 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 열전달을 통해 고온의 유체를 냉각시키거나 저온의 유체의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 이러한 열교환기는 석탄 화력발전소, 배열회수보일러 등의 발전설비와 냉장고, 에어컨 등의 냉동 공조 설비 등의 에너지 설비에 중요한 여러 기기에 사용되고 있다. 열교환기는 주로 원형의 관으로 된 전열관군으로 이루어 져 있고 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르게 된다.
	열교환기의 역할은 무엇인가?	열교환기는 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 열전달을 통해 고온의 유체를 냉각시키거나 저온의 유체의 온도를 상승시키는 역할을 한다. 이러한 열교환기는 석탄 화력발전소, 배열회수보일러 등의 발전설비와 냉장고, 에어컨 등의 냉동 공조 설비 등의 에너지 설비에 중요한 여러 기기에 사용되고 있다.
	열교환기의 전열관군에서 파손을 야기할 수 있는 유동 유발 진동이 발생하는 원인은 무엇인가?	열교환기는 주로 원형의 관으로 된 전열관군으로 이루어 져 있고 전열관군은 외부에 고온의 배기가스가 흐르게 된다. 유체가 전열관군을 지나면서 전열관군에서 시간변화에 따라 양력의 변동이 발생하는데 이에 따라 유동 유발 진동이 발생한다. 유동 유발 진동은 열교환기의 전열관군에서 파손을 야기할 수 있어서 열교환기의 구조적 안정성을 위해 열교환기의 전열관군에서 유동 유발 진동에 대한 규명이 필요하다.

참고문헌 (8)

R.D. Blevins, et al., "Experiment on vibration of heat exchanger tube arrays in cross-flow", Trans. 6th Int. Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology, Paper B6/9, 1981.
C. Taylor, et al., "Experimental determination of single and two-phase cross flow induced forces on tube raws", Flow Induced Vibration, PVP Vol. 104, pp. 31-39, 1986.
S.S. Chen and J.A. Jendrzejczyk, "Fluid excitation forces acting on square tube array", Journal of Fluids Engineering, Vol. 109/415, 1987.
F. Axisa, et al., "Random excitation of heat exchanger tubes by cross-flows", Int. ASME Winter Symposium on Low-Induced Vibrations and Noise, CEA-CONF-9744, 1984.
S.V. Patankar, "Numerical Heat Transfer and Fluid Flow", pp. 126-131, 1980.
K.B. Lee, et al., "A study on flow-induced vibration of tube array in uniform cross flow ( I )", Transactions of the KSME B, Vol. 117, No. 5, pp 924-932, 1982.
J.S. Ha, B.Y. Lee, "A study on the characteristics of lift fluctuation power spectral density in a heat exchanger tube array", J. of Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 16, No. 10, pp 6641-6646, 2015.

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J.S. Ha, et al., "A study on the flow induced vibration on a heat exchanger circular cylinder", J. of Energy Engineering, Vol. 24, No. 3, pp. 109-114, 2015.

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