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[국내논문] 전산 시뮬레이션 기반의 위상최적설계에 의한 경량 밸브디스크의 구조적 안전성
Structural Safety of Lightweight Valve Disc by Topology Optimization Design based on Computational Simulation 원문보기

에너지공학 = Journal of energy engineering, v.29 no.3, 2020년, pp.25 - 33  

김태형 (청주대학교 항공학부 항공기계공학전공)

초록
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본 연구에서는 유동해석 및 구조해석을 수행하여 위상최적화에 의해 설계된 버터플라이 밸브 디스크의 구조적 안전성을 살펴보았다. 유동해석을 수행하여 유량계수의 변화와 공동현상을 예측하였으며, 구조해석 후 강도 및 강성의 유효성을 확인하였다. 유동해석 후 열림각이 커질수록 유량계수가 비선형적으로 증가하다가 완만한 경사를 보였고, 열림각이 12o 일 때 공동화 현상을 예측할 수 있었다. 구조해석 후 경량 디스크의 유효응력이 재료의 항복강도보다 작았으며, 최대변형량도 선행연구의 보수적 변형량보다 작았다. 궁극적으로 전산해석에 기초한 경량 밸브 디스크의 구조적 안전성이 유효함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, flow and structural computational analysis were performed to investigate the structural safety of the lightweight butterfly valve disc designed by topology optimization. After flow analysis, as the opening angle increased, the flow coefficient increased non-linearly and showed a gentl...

Keyword

#위상최적화   #버터플라이 밸브   #경량 디스크   #전산시뮬레이션   #구조적 안전성  

표/그림 (15)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 즉, 배관 내 유체가 흐르는 과정에서 경량 설계된 밸브 디스크의 열고 닫음에 따른 유체의 공동현상과 그의 영향, 경량 설계에 따른 무게 경감으로 강성의 변화에 의한 분당 유체 누설량의 안전성에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 기존 상용 버터플라이 밸브디스크의 설계 기준을 만족하는 위상최적화로 설계된 경량 밸브디스크의 건전성 확보를 위한 해석 연구가 수행된다. 이와 같은 안전성 연구는 지금까지 진행되어 온 압력과 유동해석에 기반한 선행연구들(6,7,10,11)의 방법과 표준규격 및 구조해석 선행연구들(2,4)을 바탕으로 3차원 프린팅 제조가 가능한 밸브 디스크에 대한 안전성 연구를 진행한다.

가설 설정

  • 3은 본 연구에 사용된 유동해석 모델의 전체 형상을 보여준다. 유동해석 조건으로 밸브 디스크의 열림각이 달라지는 순간 유동의 영향은 적다고 가정하여 동적인 영향을 배제 하고 비압축성 정상상태로 가정하여 해석을 수행하였다. 난류모델로는 CFD에서 사면체 유체 유동격자 생성시 높은 정확성을 보이는 K-e 의 Realizable 모델을 채택하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
버터플라이 밸브를 많이 채용하는 이유는 무엇인가? 특히 버터플라이 밸브는 원판형 디스크를 회전시켜 유체 흐름을 제어한다.(3-8) 이와 같은 버터플라이 밸브를 많이 채용하는 이유는 무엇보다 동급 밸브류와 비교할 때 중량이 가볍다는 큰 특징이 있고 설치 공간이 협소해도 큰 공간을 차지하지 않아도 된다는 장점 때문이다.(3) 이들 배관라인에 사용되는 밸브들은 대부분 주조 또는 단조법으로 생산되고 있으며 특히 발전소에 사용되는 이들 밸브류들은 그 치수가 상대적으로 크고 무겁다.
버터플라이 밸브는 어떻게 유체 흐름을 제어하는가? 특히 버터플라이 밸브는 원판형 디스크를 회전시켜 유체 흐름을 제어한다.(3-8) 이와 같은 버터플라이 밸브를 많이 채용하는 이유는 무엇보다 동급 밸브류와 비교할 때 중량이 가볍다는 큰 특징이 있고 설치 공간이 협소해도 큰 공간을 차지하지 않아도 된다는 장점 때문이다.
밸브 내에서 공동현상은 어떤 과정을 통해 발생하는가? 액체를 작동유체로 사용하는 유로 기기의 경우 급격한 압력 강하로 증기 기포가 발생하는 공동화 현상을 초래할 수 있다. 밸브의 경우 유동을 차단하고 압력을 제어하기 위한 디스크나 플러그의 개폐 정도에 따라 단면적에 변화를 준다. 단면적이 작아진 영역에서 베나 축소부의 협소한 지점을 통과하기 위해 유속이 증가하는데 이는 압력의 감소를 초래한다. 이때, 밸브 디스크나 플러그 주변 베나 축소부를 통과하는 액체의 압력이 증기압 이하로 저하되면 공동화 현상이 발생한다. 이와 같은 공동화 현상을 예측 분석하기 위해 밸브 통과 유량과 압력강하 제곱근 사이의 선형관계로부터 공동화 영향을 보여주는 식(1)의 유량 곡선 공동화 지표(Flow curve cavitation index, KC)가 사용된다.
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참고문헌 (13)

  1. Han, S. H., Lee, K. C., Ahn, J. T., Han, J. W., 2011, Structural Safety Analysis of Butterfly Valve for Nuclear Power Plant., Proceedings of the KSME Conference, pp. 241-242. 

  2. Son, I. S., Hur, K. D., Lee, C. G., Oh, B., Kim, Y. G., Park, K. T., 2017, Study on Development of 600oC Class Butterfly Valve., Proceedings of the KSMPE Conference, pp. 195. 

  3. Lee, S. P., Kim, K. S., Koh, B. K., 2009, Evaluation of Design Safety for Butterfly Valve., Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 18, No. 1, pp. 29-35. 

  4. Shin, M. S., Yoon, J. Y., Park, I. W., Lee, S. H., Park, H. Y., Jung, S. H., 2011, A Study on Structural Analysis of Butterfly Valve Components by Pressure Testing of the Industrial Standard., Journal of Fluid Machinery, Vol. 14, No. 3, pp. 5-9. 

  5. Shin, M. S., Yoon, J. Y., Park, I. W., Lee, S. H., Park, H. Y., Jung, S. H., 2009, A Study on Stuctural Stability by Shape of Butterfly Valve Disc., R&D Conference of Korean Society for Fluid Machinery, pp. 523-528. 

  6. Kwak, K. M., Cho, J. S., Kim, J. D., Lee, J. H., 2012, A Study on Flow Coefficient and Flow Characteristics for Butterfly Valve by Numerical Analysis., Journal of the Korea Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 4, pp. 62-66. 

  7. Lee, H. S., Jung, J. H., Song, X., Park Y. C., 2010, Prediction of Flow Coefficient of Butterfly Valve using CFD., Proceedings of the KSME Spring Conference, pp. 283-284. 

  8. Son, I. S., Hur, K. D., Lee, C., Shin, H. K., Jeong, E. A., Kim, Y. G., Park, K. T., 2017, The KSNVE Autumn Conference, pp. 151. 

  9. Kim, T., 2018, Shape Design based on Topology Optimization for Manufacturing of Lightweight Valve Disc by 3-D Printing., Journal of Energy Engineering, Vol. 27, No. 4, pp. 13-19. 

    원문보기 상세보기 crossref

  10. Park, S. M., Choi, H. K., Yoo, G. J., 2013, Flow Research of Butterfly Valve with Thick Disc., Proceeding of the KSMPE Spring Conference, pp. 131. 

  11. Yoon, J. Y., Lee, S. J., Kim, E. S., 2004, Numerical Analysis of Flows in Butterfly Valves to Prevent Cavitation., Journal of Fluid Machinery, Vol. 7, No. 1, pp. 9-16. 

  12. ASTM A351, 2000, Cast Stainless Steel CF8M., 4th Ed., ASM Material Data Series, ASM International, Materials Park, OH. 

  13. KS B 2333, 2015, Burtterfly Valves., pp. 1-10. 

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