[논문]13" 비대칭 DPF 내 형상에 따른 배압 및 유동균일도 영향에 관한 전산해석연구

한단비; 변현승; 백영순

doi:10.7316/khnes.2020.31.6.614

13" 비대칭 DPF 내 형상에 따른 배압 및 유동균일도 영향에 관한 전산해석연구
CFD Analysis on Effect of Pressure Drop and Flow Uniformity with Geometry in 13" Asymmetric DPF 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.6, 2020년, pp.614 - 621

한단비 (수원대학교 공과대학 환경에너지공학과) , 변현승 (수원대학교 공과대학 환경에너지공학과) , 백영순 (수원대학교 공과대학 환경에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, as the fine dust is increased and the emission regulations of diesel engines are strengthened, interest in diesel soot filtration devices is rapidly increased. In particular, there is a demand for technology development for higher efficiency of diesel exhaust gas after-treatment devices. As part of this, many studies conducted to increase the exhaust gas treatment efficiency by improving the flow uniformity of the exhaust gas in the DPF and reducing the pressure drop between the inlet and outlet of disel particle filter (DPF). In this study, computational fluid dynamics (CFD) simulation was performed when exhaust gas flows into the canning reduction device equipped with a 13" asymmetric DPF in order to maintain the flow uniformity in the diesel exhaust system and reduce the pressure. In particular, a study was conducted to find the geometry with the smallest pressure drop and the highest flow uniformity by simulating the DPF I/O ratio, exhaust gas temperature, inlet-outlet pressure and flow uniformity according to the geometry and hole size of distributor.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. The structure of 13" DPF canning system for reduction of NOx and PM from exhaust gas
표 Table 1. Composition of exhaust gas
그림 Fig. 2. Pressure measurement point of exhaust gas
그림 Fig. 3. Pressure distribution of DPF and DOC for various I/O ratios
표 Table 2. Properties of exhaust gas
표 Table 3. Pressure of DOC and DPF for various I/O ratios
그림 Fig. 4. Pressure distribution of DPF and DOC for exhaust gas temperature
그림 Fig. 5. Distributor geometry of inlet and outlet for 13" DPF Canning
표 Table 4. Pressure of DOC and DPF for various I/O ratios
표 Table 5. Pressure of DOC and DPF for exhaust gas temperature
표 Table 6. Flow uniformity of DOC and DPF for exhaust gas temperature
그림 Fig. 6. Pressure distribution of DPF and DOC for various hole size of mixer in the canning
표 Table 7. Pressure of DOC and DPF for various geometry of canning
표 Table 8. Flow uniformity of DOC and DPF for various geometry of canning
표 Table 9. Pressure of DOC and DPF for geometry of canning with various hole size of distributor
표 Table 10. Flow uniformity of DOC and DPF for geometry of canning with various hole size of distributor

AI 본문요약
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문제 정의

수행하였다. 특히 DPF I/O 비율, 배기가스 배출온도, 배기가스 입-출구 분배기의 형태 및 hole 크기 변경에 따른 입-출구 압력과 유동균일도에 대해 배압이 가장 작고 유동균일도가 높은 형상을 찾고자 연구를 수행하였다.

가설 설정

1은 13" DPF와 DOC가 장착된 canning 저감장치를 나타냈으며 이를 바탕으로 design modeler를 이용하여 모델링 하였다. 배기가스 조성은 Table 1과 같이 가정하여 fluid material을 air로 하였으며, Table 2와 같은 실제 배기가스 물성을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. DPF 동시저감 장치의 입-출구의 지점에 대해서 Fig.

제안 방법

배기가스 조성은 Table 1과 같이 가정하여 fluid material을 air로 하였으며, Table 2와 같은 실제 배기가스 물성을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. DPF 동시저감 장치의 입-출구의 지점에 대해서 Fig. 2의 DPF 장치 위치에서 배기가스의 유속, 온도와 DPF I/O ratio, canning 입-출구 distributor 형상, canning 입-출구 distributor hole 크기에 따른 배압 및 유동균일도를 계산하여 비교하였다.
본 연구에서는 13”의 비대칭 DPF를 장착한 매연 저감장치인 canning 내부에 배기가스가 유입될 때, 압력과 유동균일도를 fluent에 의한 CFD 시뮬레이션을 수행하였다. 특히 DPF I/O 비율, 배기가스 배출온도, 배기가스 입-출구 분배기의 형태 및 hole 크기 변경에 따른 입-출구 압력과 유동균일도에 대해 배압이 가장 작고 유동균일도가 높은 형상을 찾고자 연구를 수행하였다.
비등방성 DPF 설계의 최적화를 위해 CFD를 이용하여 DPF I/O ratio, 배기가스 온도, canning의 입-출구 형상, canning 입-출구의 혼합기 hole 크기 변경에 따른 압력 및 유동균일도에 대해 시뮬레이션 하여 얻은 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

Fig. 1은 13" DPF와 DOC가 장착된 canning 저감장치를 나타냈으며 이를 바탕으로 design modeler를 이용하여 모델링 하였다. 배기가스 조성은 Table 1과 같이 가정하여 fluid material을 air로 하였으며, Table 2와 같은 실제 배기가스 물성을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

이론/모형

본 시뮬레이션에서 배기가스 저감장치의 해석은 전산 유체역학 상용코드인 ANSYS Fluent 2020 R1을 이용하였다. 전산유체역학에서 사용되는 지배방정식은 정상 상태 3차원 비압축성 유동(3-dimensional Reynolds averaged Navier-stokes)기반으로 배기가스의 난류 영향을 고려하기 위해 K-ℇ realized model을 이용하였다10).
유동균일도의 경우 Weltense가 제안한 식을 이용하여 나타냈다.
전산유체역학에서 사용되는 지배방정식은 정상 상태 3차원 비압축성 유동(3-dimensional Reynolds averaged Navier-stokes)기반으로 배기가스의 난류 영향을 고려하기 위해 K-ℇ realized model을 이용하였다10). K-ℇ model은 대부분이 유체 흐름 문제에 널리 사용되는 방정식으로 realized model은 난류의 점도가 변수로 적용되는 소멸속도 ℇ에 대한 전달방정식이며 복잡한 구조의 흐름, 압력구배, 분리에 대해 예측이 가능하다.

성능/효과

3) 13" DPF의 canning 입-출구 distributor 형을 변화하여도 압력은 거의 유사한 값을 나타냈으며 유동 균일도 역시 98%로 일정한 값을 보였다.
1) DPF I/O ratio가 1.0, 1.2, 1.3, 1.5로 증가하면서 등방성(ratio=1)에 비해 압력은 감소하였으며, 배압은 등방성에 비해 16-26 mbar 감소하였다.입-출구 유동 균일도의 경우 모든 I/O ratio에서 DOC 내에서 약 93%, DPF 내에서 약 98%로 일정한 균일도를 보였다.
2) DPF I/O ratio 1.2에서 배출가스의 온도가 변화함에 따라 310℃ (49.7 m/s)에서 25℃ (25 m/s) 보다 유속이 증가함에 따라 압력이 증가하였으며 배압 차이도 약 2배 높아졌다. 유동균일도는 98-99%로 매우 높은 균일도를 보였다.
4) DPF canning 혼합기의 hole 크기를 증가시키면 압력 감소하였으며, 10 mm와 15 mm의 배압차이는 28 mabr로 나타난다. 유동균일도 역시 hole 크기가 커지면서 하나의 hole에서 빠져나가는 가스의 유량이 증가하면서 최대 21%까지 감소하였다.
입출구의 유동균일도는 Table 6 에서 보듯이 DPF에서의 98-99%로 매우 양호한 값을 나타내고 있다. 따라서 온도가 높은 배기가스에서도 유동 균일도를 양호하게 유지하여 저감장치 효율을 유지할 수 있을 것으로 사료된다.
5배로 증가시킨 15 mm와 10 mm의 배압 차이는 약 28 mbar 로 나타났다. 또한 입-출구의 유동균일도는 Table 10 에서 보는 바와 같이 hole 크기가 커질수록 DPF 내유동 균일도는 21% 이상 감소하는 것으로 나타났다. Hole 크기가 커지면 압력강하와 최대 유속이 작아지고, 작은 hole 사이즈일수록 유동저항이 증가하여 배압이 증가하게 된다14).
3에서 보듯이 DPF I/O ratio가 증가하면서 내부의 압력이 출구 방향으로 가면서 더 낮아지는 것을 나타내고 있으며, 압력과 유동균일도를 Table 4에 수치화 하였다. 비등방성 DPF 배압은 등방성에 비해 약 16-26 mbar 감소하였으며, 유동균일도는 큰 차이가 없이 DPF는 약 98%, DOC는 약 93%로 일정하게 나타났다.
7 m/s)에서 25℃ (25 m/s) 보다 유속이 증가함에 따라 압력이 증가하였으며 배압 차이도 약 2배 높아졌다. 유동균일도는 98-99%로 매우 높은 균일도를 보였다.
5로 증가하면서 등방성(ratio=1)에 비해 압력은 감소하였으며, 배압은 등방성에 비해 16-26 mbar 감소하였다.입-출구 유동 균일도의 경우 모든 I/O ratio에서 DOC 내에서 약 93%, DPF 내에서 약 98%로 일정한 균일도를 보였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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