[논문]와류저감기능이 적용된 수중펌프에 관한 수치적 연구

안덕인; 김홍건

doi:10.14775/ksmpe.2019.18.10.083

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A pump is considered to be submersible when a motor and a pump are integrated and operate while submerged in water. Submersible pumps mainly function as rejection pumps to prevent foods in densely populated areas, as cold water circulation pumps in large power plants, as pumps to supply irrigation w...

A pump is considered to be submersible when a motor and a pump are integrated and operate while submerged in water. Submersible pumps mainly function as rejection pumps to prevent foods in densely populated areas, as cold water circulation pumps in large power plants, as pumps to supply irrigation water, as drainage pumps to prevent flooding of agricultural lands, as water supply intake pumps, and as inflow pumps for sewage treatment. The flow in such turbomachines (submersible pumps) inevitably involves various eddy currents. Since it is almost impossible to accurately grasp the complex three-dimensional flow structure and characteristics of a rotating turbomachine through actual testing, three-dimensional numerical analysis using computational fluid dynamics techniques measuring the flow field, velocity, and the pressure can be accurately predicted. In this study, the shape of the impeller was developed to reduce vibration and noise. This was done by increasing the efficiency of the existing submersible pump and reducing turbulence. In order to evaluate the pump's efficiency and turbulence reduction, we tried to analyze the flow using ANSYS Fluent V15.0, a commercial finite element analysis program. The results show that the efficiency of the pump was improved by 4.24% and the Reynolds number was reduced by 15.6%. The performance of a developed pump with reduced turbulence, vibration, and noise was confirmed.

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문제 정의

저항체에서 유체압력이 가장 높은 곳 주위에 경계층이 형성되며 저항체의 표면에 접한 전단력층의 흐름은 흐름의 구속을 받지 않은 유동에 접한 가장 바깥쪽의 전단력층보다 훨씬 느리기 때문에 전단력 충돌은 회전하면서 불연속적인 소용돌이와류형성하게 되고 높고 낮은 압력파 즉 압력맥동을 발생시킨다. 따라서 수중펌프의 진동을 파악하기 위하여 수중펌프벽면의 전단력의 분포를 확인하였다. 기존의 수중펌프의 최대 전단력은 947.
일반적으로 펌프의 성능을 향상시키는 방법으로는 스로틀밸브를 변경하는 방법과 Bypass밸브를 변경하는 방법, 임펠러의 형상을 변경하는 방법, 모터의 출력을 변경하는 방법이 있으나 본 연구에서는 토출케이싱 부를 엘보형태로 개발하여 기존은 T형태의 수중펌프보다 와류 및 진동을 저감시켜 펌프의 효율을 증대시키고자 한다. 또한, 개발된 수중펌프의 기계적 효율증대를 확인하기위하여 내부 유동장 및 펌프 성능을 수치 해석을 통해 양정-유량특성에 미치는 영향 및 효율, 레이놀즈수 도출하고자 한다^[3].
해당 연구에 적용된 수중펌프는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러를 통해 기계적 에너지를 유체의 압력 및 운동에너지로 변환하는 대표적인 유체기계이다. 일반적으로 펌프의 성능을 향상시키는 방법으로는 스로틀밸브를 변경하는 방법과 Bypass밸브를 변경하는 방법, 임펠러의 형상을 변경하는 방법, 모터의 출력을 변경하는 방법이 있으나 본 연구에서는 토출케이싱 부를 엘보형태로 개발하여 기존은 T형태의 수중펌프보다 와류 및 진동을 저감시켜 펌프의 효율을 증대시키고자 한다. 또한, 개발된 수중펌프의 기계적 효율증대를 확인하기위하여 내부 유동장 및 펌프 성능을 수치 해석을 통해 양정-유량특성에 미치는 영향 및 효율, 레이놀즈수 도출하고자 한다^[3].

제안 방법

500 ㎥/min에서 690 ㎥/min까지 설계 유량을 포함한 총 5가지의 송출유량에 대한 수치해석을 실시하였다. 기존 모델과 토출구 형상을 개발한 모델 유동해석을 실시하였다.
그리고 펌프 출구의 경계면에서 본 펌프 사양에 기재되어 있는 설계 유량인 660 ㎥/min을 포함한 500 ㎥/min ,600 ㎥/min, 630 ㎥/min , 690 ㎥/min까지 다섯 가지 경우의 유량의 유체가 토출되는 조건으로 설정하였다. 이는 설계 유량의 변화에 따른 펌프의 성능의 변화를 확인하기 위함이다.
기존의 수중펌프의 효율증대 및 난류저감을 통한 진동과 소음이 저감시키기 위하여 임펠러의 형상을 개발하였으며, 이에 따른 효율 및 난류저감의 파악하기 위하여 상용유한요소해석 프로그램인 ANSYS Fluent 15.0V를 통해 유동해석을 실시하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
본 유동해석에 사용된 펌프의 모델은 외형을 제외한 유체가 흐르는 부분만을 모델링하여 유동해석을 진행하였다. Fig.
본 해석에서는 복잡한 형상의 모델에서 우수한 품질의 격자를 생성할 수 있도록 불필요한 요소를 제거하여 유동장 형성하였으며, 해석의 정확도를 고려하여 임펠러와 케이싱 영역에서 많은 수의 격자를 집중시켰다. 주로 격자는 비정렬 사면체(Unstructured tetrahedral mesh)를 사용하였으며, 흡입부와 토출부에는 많은 속도와 압력의 변화가 예상되는 부분인 임펠러와 케이싱 영역에 비해 상대적으로 적은 수의 격자를 배치시켰다.
3. 수중펌프의 난류강도를 파악하기 위하여 입출·구부에서 떨어지 위치에 따른 난류운동에너지를 분석하였다. 입구부에서 3.
1. 수중펌프의 성능을 파악하기위하여 입 출구의 전·압력차, 전양정, 토크를 구함으로써 유량(500 ∼ 690 ㎥/min)에 따른 펌프의 효율을 분석하였다. 펌프설계 유량인 660 /min ㎥ 에서는 기존의 모델은 83.
토출부 형상개발로 통하여 수중펌프의 난류저감성을 파악하기 위하여 수중펌프의 레이놀즈수를 비교하였다. 설계유량 660 ㎥/min일 경우 기존모델은 1,072,240이며, 개발모델은 910,681.

대상 데이터

본 모델에서 작동유체는 물의 액체상태로써 밀도는 998.2 kg/㎥, 점성(Viscosity)는 0.001003 kg/m-s)이다. 모든 벽면에는 점착 조건(No-slip condition)을 적용하였으며 흡입부와 케이싱, 토출부를 제외한 임펠러 영역은 회전영역(Rotating domain)으로 설정 하였으며, 펌프사양인 220 rpm으로 조건으로 유동장을 회전시켰다.
주로 격자는 비정렬 사면체(Unstructured tetrahedral mesh)를 사용하였으며, 흡입부와 토출부에는 많은 속도와 압력의 변화가 예상되는 부분인 임펠러와 케이싱 영역에 비해 상대적으로 적은 수의 격자를 배치시켰다. 본 해석에서 격자의 조밀도, 수치해석 오차율을 고려하여 전체 유동 해석 모델에 사용된 격자의 수는 약 1300만개로 하였다.

데이터처리

500 ㎥/min에서 690 ㎥/min까지 설계 유량을 포함한 총 5가지의 송출유량에 대한 수치해석을 실시하였다. 기존 모델과 토출구 형상을 개발한 모델 유동해석을 실시하였다. 그 결과를 산출하여 아래의 Table 1과 Table 2에 나타냈으며, 또한 Fig.

이론/모형

본 해석은 유동해석 상용프로그램인 ANSYS Fluent V15.0을 사용하였으며, 적용 가능한 많은 난류 모델 중 유동 박리(Flow separation)에 의한 2차 유동 및 벽면 경계층에 의한 영향을 비교적 정확히 예측이 가능한 k-ωSST(Shear Stress Transport)모델을 사용하였다. 정상상태의 유동조건으로 계산을 수행하였고 잔여 오차의 수렴성을 확인하면서 잔여오차 3× 10^-4정도의 오차를 확인하였다.
수중 보텍스 수치해석은 위한 난류 모델은 Menter의 k-ω SST 난류모델을 적용하였다. 일반적으로 Wilcox model의 단점으로 자유유선에 민감한 결과를 보이는 것을 들 수 있는데 Fluent에서는 이러한 단점을 보완하여 벽면근처에서는 k-ω모델을 사용하고 바깥쪽은, k-ε 모델을 사용하는 BSL(Baseline model)과 SST(Shear Stress Transport)모델을 지원한다.

성능/효과

2. 기존제품에 대비하여 난류가 저감이 되었다는 것을 파악하기위하여 수중펌프의 최대 레이놀즈수를 구하였으며 기존모델은 1,072,240로 개발모델은 910,681.6으로 약 15.6 %가 저감되었다는 것을 확인할 수 있다.
저항체에서 유체압력이 가장 높은 곳 주위에 경계층이 형성되며 저항체의 표면에 접한 전단력층의 흐름은 흐름의 구속을 받지 않는 유동에 접한 가장 바깥쪽의 전단력층보다 훨씬 느리기 때문에 전단력 충돌은 회전하면서 불연속적인 소용돌이와류를 형성하게 되고 높고 낮은 압력파 즉 압력맥동을 발생시킨다. 따라서 전단력이 클수록 진동과 소음이 크게 발생하게되며, 이를 파악하기 위하여 임펠러 및 수중펌프의 벽면의 전단력 분포를 비교하였으며, 전단력 기존대비 1.25%가 감소하는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 난류저감 및 진동과 소음이 저감이 되었을 것으로 판단된다.
성능 그래프에서 확인 할 수 있듯이 수직 점선으로 표시된 설계유량에서 전양정(Total head)는 기존모델은 9.22 m와 개발모델은 9.44 m로 나타났으며 효율은 83.69 %, 기존모델 개발모델 87.97%로 약 4.28 %가 향상된 것을 확인 할 수 있다. 이는 개발모델이 기존모델보다 적은 토크가 분포 및 전양정이 높았으며, 이로 인해 효율이 4.
수중펌프의 성능을 파악하기위하여 입 출구의 전·압력차, 전양정, 토크를 구함으로써 유량(500 ∼ 690 ㎥/min)에 따른 펌프의 효율을 분석하였다. 펌프설계 유량인 660 /min ㎥ 에서는 기존의 모델은 83.69 %로 나타났으며, 개발모델은 87.93 %로 4.24 %가 향상되는 것을 확인 할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중펌프란 무엇입니까?	수중펌프는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러를 통해 기계적 에너지를 유체의 압력 및 운동에너지로 변환하는 대표적인 유체기계이다. 수중펌프는 송출량이 매우 크고(보통 100-400 ㎥/min) 전양정이 낮은 (보통 20 m이하) 경우에 적용되는 펌프로 대규모의 배수시설(빗물 펌프장) 또는 관개 용수공급시설에 적합하다.
	일반적으로 펌프의 성능을 향상시키는 방법은 무엇입니까?	해당 연구에 적용된 수중펌프는 외부로부터 동력을 받아 회전하는 임펠러를 통해 기계적 에너지를 유체의 압력 및 운동에너지로 변환하는 대표적인 유체기계이다. 일반적으로 펌프의 성능을 향상시키는 방법으로는 스로틀밸브를 변경하는 방법과 Bypass밸브를 변경하는 방법, 임펠러의 형상을 변경하는 방법, 모터의 출력을 변경하는 방법이 있으나 본 연구에서는 토출케이싱 부를 엘보형태로 개발하여 기존은 T형태의 수중펌프보다 와류 및 진동을 저감시켜 펌프의 효율을 증대시키고자 한다. 또한, 개발된 수중펌프의 기계적 효율증대를 확인하기위하여 내부 유동장 및 펌프 성능을 수치 해석을 통해 양정-유량특성에 미치는 영향 및 효율, 레이놀즈수 도출하고자 한다[3].
	수중펌프의 주된 사용처는 어디입니까?	주된 사용용처를 보면 인구밀집지역의 빗물침수방지를 위한 우수배제펌프, 대형 발전소의 냉수 순환수 펌프, 관개용수 공급을 위한 양수펌프, 농지 침수방지를 위한 배수펌프, 상수도 원수 취수펌프, 하수도 처리를 위한 유입펌프 등으로 사용되고 있다. 수중펌프는 크게 흡입케이싱, 임펠라, 토출케이싱, 모터(전동기)로 구성되며 전동기 구동에 의해 주축 및 임펠라가 회전하게 되면 흡입케이싱을 통해 유체가 흡입되어 임펠라와 안내깃을 거쳐 외부로 송출된다[1.

참고문헌 (9)

Lee, H. D., Heo, H. W., Suh, Y. K., “Study On the Effect of the Impeller Diameter on the Performance of a Mixed-flow Pump,” Journal of Korean Society for Fluid Machinery, Vol. 15, No. 4, pp. 61-66, 2012.

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Kim, Y. S., Shim, H. S., Kim, K. Y., “Hydraulic Performance Characteristics of a Submersible Axial-Flow Pump with Differenct Angle of Inlet Guide Vane,” Journal Korean Society Fluid Machinery, Vol. 21, No. 1, pp. 34-40, 2018.
Kim, J. H., Ahn, H. J., and Kim, K. Y., “Numerical Study on Three-Dimensional Flow in a Mixed-Flow Pump for Irrigation and Drainage,” Journal of Korean Society for Fluid Machinery, Vol. 13, No. 1, pp. 17-22, 2010.
ALAWADHI, E. M., "Finite element simulations using ANSYS," CRC Press, 2015.
Lee, B. S., Kim, T. Y., Park, Y. W., Lee, D. H., "Numerical Simulation of Square Cylinder near a Wall with the $\epsilon$ -SST Turbulence Model," Journal of Korean Society for Aeronautical & Space Science, Vol. 31, No. 8, pp. 1-7, 2003.
Jeon, E. C., Youn, G. H., Kang, C. H., “A Study on Effect of Flow Characteristics for Turbine Impeller Shape,” Journal of Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 13, No. 4, pp. 36-43, 2014.

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Cho, J. Y., Go, S. H., Kim, H. G., “Analysis of Drainage Efficiency of Different Type of Drainage using Computational Fluid Dynamic Method,” Journal of Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 16, No. 2, pp. 34-43, 2017.

원문보기 상세보기
Lee, Y. G., Shin, J. H., Park, I. H., Kim, S., Lee, K. Y., Choi, S. Y., “Mixed-Flow Pump Impeller-Diffuser Optimization Method by Using CFX and HEEDS,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 39, No. 10, pp. 831-842, 2015.
Yun, J. E., “Effects of Impeller Shape of Submersible Nonclogging Pump on its Performance,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 36, No. 12, pp. 1201-1207, 2012.

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