[논문]전산 시뮬레이션 기반의 위상최적설계에 의한 경량 밸브디스크의 구조적 안전성

김태형

doi:10.5855/energy.2020.29.3.025

[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

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

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 gentle slop. When the opening angle was 12 degree, the cavitation could be predicted. After FE analysis, all FE von-Misses stresses of the lightweight disc were smaller than the yield strength of the material, and all FE maximum deformations were also smaller than the conservative deformation of the previous study. Ultimately, it was confirmed that the structural safety of the lightweight valve disc based on computational analysis is effective.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Butterfly valve disc
그림 Fig. 2. Basic model(left) and lightweight model(right)
그림 Fig. 3. Computational simulation model for fluid analysis
그림 Fig. 4. Flow coefficient with various disc open angle
그림 Fig. 5. Fluid flow with various disc open angle
그림 Fig. 6. Simulation grid with disc opening angle
그림 Fig. 7. Pressure around the disc with opening angle
그림 Fig. 8. Occurrence of cavitation around the valve disc at the opening angle a=12°
그림 Fig. 9. Occurrence of cavitation around the valve disc at the opening angle α=15°
그림 Fig. 10. Occurrence of cavitation around the valve disc at the opening angle α=18°
그림 Fig. 11. FE mesh and boundary conditions
그림 Fig. 12. Distribution of von-Misses stress with various applied pressure
그림 Fig. 13. Contours of von-Misses stress with various applied pressure
그림 Fig. 14. Distribution of von-Misses stress with various applied pressure
그림 Fig. 15. Contours of maximum deformation with various applied pressure

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.

제안 방법

본 연구에서는 선행된 연구들^(6,7,10,11)과 같이 관내에서 밸브를 통과하는 유량 및 디스크에 작용하는 압력 특성을 분석하고자 유동해석을 수행하였다. 디스크 열림각에 따른 유량 변화에 대한 해석을 위해 ANSYS 18.
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. 이를 위해 3차원 버터플라이 밸브 디스크 기본 모델과 위상최적화로 경량 설계된 해석모델을 이용하여 유동 및 구조해석을 수행하고 실제 사용 환경에 대한 안전성을 확인한다.
일반적으로 밸브의 설계 및 제작에 있어 상기와 같은 공동화 지표가 사용되지만 특정 밸브 설계 요건에 따라 달라진다. 이에 본 연구에서는 유동해석 후 얻은 밸브 디스크 및 플러그 주변 베나 축소부 영역에서의 최대 압력강하 값을 이용하여 밸브 내 공동화 현상 발생 여부를 예측하였다. 이때 경험적으로 공동화 현상이 많이 발생되는 경우의 디스크 열림각을 적용하였다.
에 규정되어 있으며 누설시험 압력과 시험 시간을 규정하고 있다. 이와 같은 밸브 시트의 누설시험은 많은 비용과 시간이 요구되기 때문에 본 연구에서는 디스크의 강성해석을 통해 누설여부를 예측해 보았다. 변형량의 유효성을 판단하기 위해 선행연구⁽²⁾결과를 참고하였다.
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. 이를 위해 3차원 버터플라이 밸브 디스크 기본 모델과 위상최적화로 경량 설계된 해석모델을 이용하여 유동 및 구조해석을 수행하고 실제 사용 환경에 대한 안전성을 확인한다.

대상 데이터

에 규정된 CF8M 재질을 이용하여 주강품으로 제작된다. 본 해석연구에 사용된 기계적 물성들로서 항복강도는 205GPa, 인장강도는 485MPa, 연신율은 30%이다. 해석에 반영한 재료의 탄성계수는 200GPa이며 푸아송의 비는 0.
본 해석연구에 사용된 버터플라이 밸브 디스크는 ASTM A351⁽¹²⁾에 규정된 CF8M 재질을 이용하여 주강품으로 제작된다. 본 해석연구에 사용된 기계적 물성들로서 항복강도는 205GPa, 인장강도는 485MPa, 연신율은 30%이다.
밸브 디스크의 표준 규격은 200A이며 호칭지름이200mm임을 의미한다. 실제 디스크의 직경은 188mm 이고 두께는 16mm이며, 3차원 곡면 형상을 이룬다. 두께는 16mm, 그리고 디스크 원판 상단 면에 디스크 원판을 개폐할 때 회전 지지해 주는 두 개의 브라켓이 부착되어 있다.
06 소프트웨어를 사용하였다. 유동해석을 위해 직경 188mm, 관로 총 길이는 5000mm 로 모델링 하였으며, 관로 전방(Shaft side)에서2000mm 떨어진 곳에 밸브 디스크를 위치시켰다. 해석모델 수립 시 축이 삽입되는 브라켓의 축 중심을 기준으로 직경이 198mm가 되는 구를 추가하여 열림각에 따라 밸브 디스크가 관로를 침범하지 못하도록 설정하였다.

데이터처리

구조해석은 상용 유한요소해석 소프트웨어인 ANSYS 18.0을 사용하였고 Static Structural 옵션을 선택하였다. Fig.
과 같이 관내에서 밸브를 통과하는 유량 및 디스크에 작용하는 압력 특성을 분석하고자 유동해석을 수행하였다. 디스크 열림각에 따른 유량 변화에 대한 해석을 위해 ANSYS 18.0 Fluent 소프트웨어를 사용하였으며, 공동화 현상⁽¹¹⁾ 발생 가능성에 대한 해석을 위해 STAR-CCM+ 9.06 소프트웨어를 사용하였다. 유동해석을 위해 직경 188mm, 관로 총 길이는 5000mm 로 모델링 하였으며, 관로 전방(Shaft side)에서2000mm 떨어진 곳에 밸브 디스크를 위치시켰다.
디스크 Shaft side 및 Sheet side에 작용하는 압력에 따른 최대 유효응력이 모두 선형으로 증가함을 알 수 있다. 본 연구의 버터플라이 밸브 디스크에 대한 구조적 안전 기준은 KS B 2333⁽¹³⁾의 최대허용압력(1.37MPa)에 대한 유효응력을 재료의 항복강도와 비교하여 판단하였다. 해석 후 Sheet side의 경우 기본 디스크 모델은 1MPa부터 2MPa까지 모든 영역에서 유효응력이 재료의 항복강도 205MPa보다 낮은 값을 보여 충분히 안전함을 알 수 있다.

이론/모형

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. 유동해석의 작동유체는 물 (H₂0) 이며, 상온 밀도는 1.
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, K_C)가 사용된다.

성능/효과

(2) 밸브 디스크의 열림각에 따른 공동현상을 조사한 결과 열림각이 작은 12^o일 때 더 낮은 출구 압력조건에서 공동화 현상이 발생할 수 있는 증기압 이하의 압력이 넓게 분포되었다. 실질적인 공동 현상 분석을 위해 본 결과는 다양한 디스크 열림각 및 입출구 차압 조건에서 기포 생성 및 소멸 등에 대한 상변화를 포함한 다상유동해석 자료로 활용될 것이다.
(4) 밸브 디스크의 강도해석을 통한 유효응력을 KS B 2333의 최대허용압력 1.35MPa을 적용한 해석적 유효응력과 비교하였으며 Shaft side 및 Sheet side 모두 재료의 항복강도보다 낮은 값을 주어 구조적으로 안전함을 확인하였다.
(5) KS B 2333의 최대허용압력 1.35MPa을 적용하여 밸브 디스크의 강성해석을 수행하였으며 해석 후 변형량이 선행연구의 보수적인 변형량보다 충분히 낮은 값을 주어 기밀에 효과적일 것으로 예측된다. 궁극적으로 본 연구를 통해 위상최적화에 의해 설계된 경량 버터플라이 밸브 디스크의 구조적 안전성이 유효함을 확인하였다.
35MPa을 적용하여 밸브 디스크의 강성해석을 수행하였으며 해석 후 변형량이 선행연구의 보수적인 변형량보다 충분히 낮은 값을 주어 기밀에 효과적일 것으로 예측된다. 궁극적으로 본 연구를 통해 위상최적화에 의해 설계된 경량 버터플라이 밸브 디스크의 구조적 안전성이 유효함을 확인하였다.
12는 밸브 디스크 입구 측 표면(Shaft side)및 출구 측 표면(Sheet side)에 작용하는 압력 조건에 대해 유한요소해석에 기초한 강도해석 수행 후의 유효응력을 보여준다. 디스크 Shaft side 및 Sheet side에 작용하는 압력에 따른 최대 유효응력이 모두 선형으로 증가함을 알 수 있다. 본 연구의 버터플라이 밸브 디스크에 대한 구조적 안전 기준은 KS B 2333⁽¹³⁾의 최대허용압력(1.
157mm보다 충분히 낮은 값을 주어 기밀에 효과적이라 판단된다. 따라서 강도해석에 이어 강성해석에서도 위상최적설계에 의한 경량 밸브 디스크가 구조적으로 안전하다고 판단된다. Fig.
35MPa일 때 유효응력이 약 181MPa로서 역시 항복강도보다 낮은 값을 주어 안전함을 알 수 있다. 이로부터 위상최적설계에 의한 디스크의 강도가 유효함을 확인하였다. Fig.
157mm의 변형량을 주었고 기밀유지에 큰 영향을 미치지 않는다고 하였다. 이를 근거로 본 연구에서는 1.157mm보다 작은 변형량을 주면 안전하다고 판단하였다. Fig.

후속연구

⁽⁹⁾ 이렇게 설계된 밸브디스크는 3차원 금속프린팅으로 제조가 가능하기 때문에 궁극적으로 경량의 밸브 부품을 제작할 수 있다. 그러나 경량 설계 후 실제 설계된 밸브와 디스크 부품을 장착하여 밸브의 개폐에 따른 유체의 흐름과 양, 수압 등에 대한 운전 환경을 고려한 구조적 안전성 연구가 병행되지 못했다. 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.
열림각이 증가할수록 유량이 비선형적으로 증가하는데 특히 60^o 이상부터 완만하게 증가함을 알 수 있는데 이결과는 선행 연구결과들^(6,7,10)과도 경향이 잘 일치 된다. 본 연구에서 얻은 이 유량계수 결과는 밸브 업체나 수요자들이 적절한 밸브 유량을 선정하고 밸브의 제원을 선택함에 유용한 자료로 활용될 것이다. Fig.
일 때 더 낮은 출구 압력조건에서 공동화 현상이 발생할 수 있는 증기압 이하의 압력이 넓게 분포되었다. 실질적인 공동 현상 분석을 위해 본 결과는 다양한 디스크 열림각 및 입출구 차압 조건에서 기포 생성 및 소멸 등에 대한 상변화를 포함한 다상유동해석 자료로 활용될 것이다.
본 해석 결과는 실제 버터플라이 밸브에서 공동화 현상을 검증하기 위한 선행 결과로써 의미가 크다. 이는 추후 다양한 디스크 열림각 및 입출구 차압 조건에서 공동화 현상에 따른 기포의 생성, 소멸 등에 대한 상변화를 포함한 다상유동 해석을 위한 자료로 활용될 것이다.
그러나 경량 설계 후 실제 설계된 밸브와 디스크 부품을 장착하여 밸브의 개폐에 따른 유체의 흐름과 양, 수압 등에 대한 운전 환경을 고려한 구조적 안전성 연구가 병행되지 못했다. 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.

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.

참고문헌 (13)

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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.

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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.
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.
ASTM A351, 2000, Cast Stainless Steel CF8M., 4th Ed., ASM Material Data Series, ASM International, Materials Park, OH.
KS B 2333, 2015, Burtterfly Valves., pp. 1-10.

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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