[논문]기포 저감 장치의 기포입자 유동특성에 따른 수치해석에 관한 연구

문현식; 유영철; 박성영

doi:10.5762/kais.2020.21.10.144

기포 저감 장치의 기포입자 유동특성에 따른 수치해석에 관한 연구
Numerical Study on the Flow Characteristics of Bubble Particles in Bubble Reduction Device 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.10, 2020년, pp.144 - 149

문현식 (공주대학교 일반대학원 기계공학과) , 유영철 (공주대학교 일반대학원 기계공학과) , 박성영 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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기포 저감 장치는 기름의 정량 공급과 관련된 문제 해결의 목적을 둔 장치이다. 따라서 본 연구에서는 기포 저감 장치의 작동 중 기포 입자의 크기별 유동특성을 확인하고자 수치해석을 진행하였다. 기초해석을 진행한 결과, 기포의 상승과 하강이 가장 활발하게 나타나는 영역을 발견하였고, 그 지점을 중심으로 수치적 계산을 수행하였다. 수치적 계산에 앞서 각 변수들 간의 동차성을 확보하기 위하여 무차원 유도를 수행하였다. 무차원 유도를 수행한 데이터를 바탕으로 각 입자의 크기별, 유체의 속도별 25개의 변수 조건을 설정하여 별도의 계산을 통해 기포 상승과 하강의 대한 수식을 도출하였다. 각 변수별로 항력과 부력의 비를 계산하여 기포에 작용하는 항력이 부력보다 큰 경우 기포가 하강하며 기포는 저감되지 않는다고 판단하였고, 부력이 항력보다 큰 경우 기포는 상승하며 기포가 저감된다고 판단하였다. 수치 계산 데이터를 바탕으로 유동 해석을 진행하였다. 유동 해석을 통하여 기포의 상승과 하강을 확인하였고, 수치 계산의 결과와도 일치하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Bubble reduction devices are intended to solve problems related to the quantitative supply of oil. Therefore, in this study, numerical analysis was conducted to verify the flow characteristics of bubble particles during the operation of a bubble reduction device. As a result of the basic analysis, the area where the rise and fall of bubbles were most active was found, and numerical calculations were performed focusing on the points. Before the numerical calculations, a non-dimensional derivation was performed to secure homogeneity among the variables. Based on the data obtained from non-dimension derivation, 25 variable conditions for each particle size and fluid velocity were set. Through separate calculations, the equation for bubble rise and fall was derived. By calculating the ratio of drag and buoyancy for each variable, if the drag force acting on the bubble was greater than buoyancy, the bubble falls, and bubbles are not reduced. If the buoyancy is larger than drag, the bubble rises, and the bubble is reduced. Through the analysis, the rise and fall of the bubble were confirmed, and the results were consistent with the separate numerical calculations.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Bubble reduction device
그림 Fig. 2. Principle of mechanical motion
그림 Fig. 3. 3D model of bubble reduction device
그림 Fig. 4. Basic analysis result
그림 Fig. 5. FB/FD calculation using Eq.(3)
그림 Fig. 6. Pre-processing (a) Computational mesh (b) Boundary condition
그림 Fig. 7. Analysis result (a) Bubble drop (d = 10 mm) (b) Bubble rise (d = 30 mm)
표 Table 1. Analysis property value

AI 본문요약
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문제 정의

이는 기포 표면의 변형과 궤적의 불안정성, 그리고 수많은 기포가 존재하는 유동장에서 각 기포를 추적하며 기포의 거동을 측정하기가 어렵기 때문이다[8]. 따라서 본 연구에서는 기름 운송용 탱크로리와 주유소 저장탱크 사이에 기름 공급 시 유입되는 기포를 저감시키는 장비를 설계함에 있어, 성능에 가장 민감한 영향을 미치는 부위에 대한 분석을 수행하고자 하였다. 이를 통하여 향후 장비 설계를 위한 기초데이터를 확보하고자 하였다.
그 이유는 중력방향으로 흐르는 유체와 중력반대 방향으로 상승하려는 기포가 상승하여 제거될 것인지 아니면 하강하여 기포가 배출될 것인지를 결정하는 최소 유동영역이기 때문이다. 따라서 이 유동영역 폭(A 영역)을 일반적으로 결정할 수 있는 무차원 수를 제안하고, 그 의미를 분석하고자 한다.
19 m/s를 나타냈다. 본 연구에서는 기초해석의 결과를 바탕으로, 기포 크기에 따라 해당 영역 내에서의 움직임을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 기포 저감 장치의 기포입자 유동특성을 확인하기 위해 계산 및 수치해석을 진행하였다. 계산 및 해석을 통한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 기포입자의 크기와 작용하는 유체의 속도에 따른 기포입자의 움직임을 관찰하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 기름 운송용 탱크로리와 주유소 저장탱크 사이에 기름 공급 시 유입되는 기포를 저감시키는 장비를 설계함에 있어, 성능에 가장 민감한 영향을 미치는 부위에 대한 분석을 수행하고자 하였다. 이를 통하여 향후 장비 설계를 위한 기초데이터를 확보하고자 하였다.

가설 설정

계산격자는 약 40만개로 생성되었다. 해석조건은 비정상상태의 난류 유동으로 가정하였으며, 난류모델은 k-epsilon 난류 모델을 사용하였다. 입구 속도 조건은 0.

제안 방법

2. 기포입자의 움직임을 파악하기 위하여 수치 계산을 진행하였으며, 부력과 항력, 기포입자의 크기, 유동영역 폭을 변수로 설정하여 각 변수 간 동차성을 확보하기 위해 무차원화를 하였다. 계산을 통해 변수 간의 관계를 파악하였으며, 기포입자의 상승과 하강 관계식을 도출하였다.
3. 기포입자의 상승과 하강 관계식 검증을 위하여 이상 유동 유동해석을 진행하였다. 기포의 상승과 하강이 뚜렷하게 나타나는 두 개의 케이스에 대하여 해석을 진행하였다.
무차원화에서 도출한 수식의 타당성을 검증하기 위해 해석을 진행하였다. Fig. 5.의 그래프에서 기포의 하강이 가장 뚜렷하게 나타난 기포 직경 10 mm, 속도 2.5 m/s의 조건과 상승이 가장 잘 나타난 기포 직경 30 mm, 속도 0.5 m/s의 조건 2가지 경우에 대하여 해석을 진행하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 STAR CCM+를 사용하였다.
영역 A의 간격과 높이를 측정하여 해당 부분의 3D 모델링을 진행하였다. STAR CCM+ 내의 계산격자생성 기능을 사용하여 정사각형 계산격자(Trim mesh)를 생성하였다. 계산격자는 약 40만개로 생성되었다.
기포입자의 움직임을 파악하기 위하여 수치 계산을 진행하였으며, 부력과 항력, 기포입자의 크기, 유동영역 폭을 변수로 설정하여 각 변수 간 동차성을 확보하기 위해 무차원화를 하였다. 계산을 통해 변수 간의 관계를 파악하였으며, 기포입자의 상승과 하강 관계식을 도출하였다.
기초연구로 기포 저감 장치의 유동해석을 진행하였다. 유동해석은 장치의 역설계를 통해 유동영역을 추출한 후 해석을 진행하였으며, 유동 분포 경향을 확인하였다.
기포입자의 상승과 하강 관계식 검증을 위하여 이상 유동 유동해석을 진행하였다. 기포의 상승과 하강이 뚜렷하게 나타나는 두 개의 케이스에 대하여 해석을 진행하였다. 해석결과 계산식에서 확인하였던 상승, 하강 조건을 만족하는 결과를 도출하였다.
과 같다. 또한, 이상 유동 수치해석을 위해 STAR CCM+의 Point injector 기능을 사용하여 기포입자를 주입하였다. 이때 기포입자는 각 10 mm, 30 mm로 설정하였다.
무차원화에서 도출한 수식의 타당성을 검증하기 위해 해석을 진행하였다. Fig.
의 영역 A부분을 중점적으로 해석하였다. 영역 A의 간격과 높이를 측정하여 해당 부분의 3D 모델링을 진행하였다. STAR CCM+ 내의 계산격자생성 기능을 사용하여 정사각형 계산격자(Trim mesh)를 생성하였다.
기초연구로 기포 저감 장치의 유동해석을 진행하였다. 유동해석은 장치의 역설계를 통해 유동영역을 추출한 후 해석을 진행하였으며, 유동 분포 경향을 확인하였다. Fig.
는 유동해석결과를 보여주고 있다. 해석은 기포 저감 효율이 내측 벽면을 타고 흘러내려가는 부분에서 가장 활발하게 나타난다고 판단하여 Fig. 4.의 A영역 유동을 중점적으로 확인하였다. 해석결과 벽면을 타고 내려가는 부분의 유속은 약 0.

대상 데이터

유동해석은 상용 소프트웨어인 STAR CCM+[9]을 사용하였다. 해석은 약 543만개의 Trim 유동계산 격자와 0.005 m³/s의 작동유량 조건으로 해석을 진행하였다. Fig.

데이터처리

유동해석은 상용 소프트웨어인 STAR CCM+[9]을 사용하였다. 해석은 약 543만개의 Trim 유동계산 격자와 0.
5 m/s의 조건 2가지 경우에 대하여 해석을 진행하였다. 해석은 상용 소프트웨어인 STAR CCM+를 사용하였다. 해석은 기포의 상승 또는 하강이 가장 활발히 일어난다고 판단한 Fig.

성능/효과

1. 기포 저감 장치의 유동특성을 확인하기 위하여 기초 유동해석을 진행하였으며, 내부부품과 벽면 사이의 간격에서 기포의 상승과 하강이 뚜렷하게 나타나는 것을 확인하였다.
기포의 상승과 하강이 뚜렷하게 나타나는 두 개의 케이스에 대하여 해석을 진행하였다. 해석결과 계산식에서 확인하였던 상승, 하강 조건을 만족하는 결과를 도출하였다.

후속연구

4. 본 연구에서 제안한 무차원 식 #은 향후 기포 저감 장치를 설계 및 제작함에 있어 다양한 형태로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 특히, 기포제거장치에서 가장 민감한 성능 설계요소인 최소 유동영역 폭을 결정하는 기초자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서 제안한 무차원 식 #은 향후 기포 저감 장치를 설계 및 제작함에 있어 다양한 형태로 활용이 가능할 것으로 사료된다. 특히, 기포제거장치에서 가장 민감한 성능 설계요소인 최소 유동영역 폭을 결정하는 기초자료로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기포 저감 장치는 어떤 장치인가?	기포 저감 장치는 기름의 정량 공급과 관련된 문제 해결의 목적을 둔 장치이다. 따라서 본 연구에서는 기포 저감 장치의 작동 중 기포 입자의 크기별 유동특성을 확인하고자 수치해석을 진행하였다.
	항력계수에 영향을 주는 것은?	그러므로 입자/기포에 대한 항력을 정확히 이해하는 것은 오랫동안 중요한 유체역학적 문제 중 하나로 다루어져 왔다. 항력계수는 유체의 속도, 밀도 등의 영향을 받게 되는데, 이러한 유동의 특성에 따라 항력계수가 달라지며 따라서 유동저항도 증가하거나 감소하게 된다[1-3].
	기포가 유동장에 미치는 통계적 영향이 광범위 하게 연구되었음에도 기포자체의 거동에 관한 연구는 미비했던 이유는?	기포가 유동장에 미치는 통계적 영향이 광범위 하게 연구되었음에도 기포자체의 거동에 관한 연구는 미비했다. 이는 기포 표면의 변형과 궤적의 불안정성, 그리고 수많은 기포가 존재하는 유동장에서 각 기포를 추적하며 기포의 거동을 측정하기가 어렵기 때문이다[8]. 따라서 본 연구에서는 기름 운송용 탱크로리와 주유소 저장탱크 사이에 기름 공급 시 유입되는 기포를 저감시키는 장비를 설계함에 있어, 성능에 가장 민감한 영향을 미치는 부위에 대한 분석을 수행하고자 하였다.

참고문헌 (11)

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H. H. Park, Y. E. Yoo, S. H. Chang, "Magnetic capture of particles in rounded pinch-off channel for bubble reduction", Proceedings of The Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, pp.56-56, Oct. 2015.
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M. H. Kim, B. J. Kim, "Validation of the two-fluid model for vertical bubbly flows", Proceedings of The Korean Society of Visualization, pp.91-92, Apr. 2018. DOI: http://dx.doi.org/10.5407/JKSV.2018.16.1.037
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CD-Adapco, "Star-CCM+ ver. 13.04 User Guide", 2018
M. C. Potter, D. C. Wiggert, "SI Mechanics of Fluids", Cengage Learning, 4th edition, p.225-229, ISBN-13:978-89-6421-234-9
J. W. Kim, W. H. Lee, H. D. Lee, J. H. Jung, I. J. Hwang, "A numerical study on the behavior of micro bubble in the induced gas flotation", The Society of Convergence Knowledge Transactions Vol. 5, No. 2, pp.113-119, Jul. 2017.

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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