[논문]다공판을 이용한 고압 가스 배관 내 밸브 유동 소음 저감에 대한 수치적 고찰

김규남; 구가람; 정철웅; 강웅; 김극수

doi:10.7776/ask.2021.40.1.055

다공판을 이용한 고압 가스 배관 내 밸브 유동 소음 저감에 대한 수치적 고찰
Numerical investigation on reduction of valve flow noise in high pressure gas pipe using perforated plates 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.40 no.1, 2021년, pp.55 - 63

김규남 (부산대학교 기계공학부) , 구가람 (부산대학교 기계공학부) , 정철웅 (부산대학교 기계공학부) , 강웅 (한국표준과학연구원 물리표준본부) , 김극수 (대우조선해양(주) 선박해양연구소)

초록
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본 논문에서는 고압가스 배관의 밸브 유동소음을 평가할 수 있는 수치적 방법론을 제시하고 밸브 유동소음 저감을 위한 다공판의 영향을 정량적으로 분석하였다.먼저, 고정확도의 비정상 압축성 대와류모사 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였다. 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과의 비교를 통하여 수치해석결과의 유효성을 검증하였다. 다음으로 배관내에서 평균 유동장과 중첩되어 전파해가는 음향장의 음향파워를 평가할 수 있는 지표를 기반으로 배관내 밸브 유동에 의하여 하류방향으로 전파하는 음향파워를 분석하였다. 분석결과를 바탕으로 밸브 유동 소음 저감을 위해, 다공평판을 설계하여 밸브 후류에 설치하고 동일한 수치해석 방법을 통해 배관 하류방향으로 전파하는 음향파워를 예측하였다. 예측 결과를 기존 배관 결과와 비교하여 음향파워가 9.5 dB 감소함을 확인하였다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서 제시한 수치방법론은 고압가스 배관의 설계단계에서 뿐만 아니라 기존 시스템에서 발생하는 밸브 유동 소음을 효율적으로 저감할 수 있는 방법 개발에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a numerical methodology is proposed for evaluating valve flow noise in a pipe conveying high pressure gas, and the effects of perforated plates on reduction of such valve flow noise are quantitatively analyzed. First, high-accurate unsteady compressible Large Eddy Simulation techniques are utilized to predict flow and flow noise by a valve in a high-pressure pipe. The validity of the numerical result is confirmed by comparing the predicted wall pressure spectrum with the measured one. Next, the acoustic power of downstream-propagating acoustic waves due to the valve flow is analyzed using an acoustic power formula for acoustic waves propagating on mean flow in a pipe. Based on the analysis results, perforated plates are designed and installed downstream of the valve to suppress the valve flow noise and the acoustic power of downstream-going acoustic waves is predicted by using the same numerical procedure. The reduction by 9.5 dB is confirmed by comparing the predicted result with that of the existing system. Based on these results, the current numerical methodology is expected to be used to reduce valve flow noise in an existing system as well as in a design stage.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. (Color available online) Experimental set-up for measurement of valve flow noise for a piping system: (a) schematic diagram and (b) photograph for target valve and piping system.
그림 Fig. 2. (Color available online) Spectral density levels of pressure measured on inner surface of pipe at 20D downstream of valve outlet.
그림 Fig. 3. (Color available online) Numerical modeling of pipe and valve.
그림 Fig. 4. (Color available online) Simulation geometry part on valve and grid of valve wall.
그림 Fig. 5. (Color available online) Pressure and velocity contour flow on pipe. (a) Pressure contour. (b) Velo-city contour.
그림 Fig. 6. (Color available online) Variation of total pressure, dynamic pressure, and static pressure along with downstream direction.
그림 Fig. 7. (Color available online) Validation on Nu-merical calculation & experiment result.
그림 Fig. 8. (Color available online) Variation of acoustic powers along with downstream direction.
그림 Fig. 9. (Color available online) Iso-contours of vortex sound sources in flow downstream of valve.
그림 Fig. 10. (Color available online) Geometries of per-forated plate designed as a valve-noise suppression device and single hole orifice plate with the same open area as perforated plate.
그림 Fig. 11. (Color available online) Iso-contours of pre-dicted velocity and pressure on centered vertical plane: (a) velocity for OP, (b) velocity for PP, (c) pressure for OP, and (d) pressure for PP.
그림 Fig. 12. (Color available online) Comparison of acoustic power predicted along with downstream direction between original, OP- and PP-installed systems.
그림 Fig. 13. (Color available online) Time-variation of vortex sound source integrated over pipe flow bet-ween 6D and 11D dowstream of OP and PP.
그림 Fig. 14. (Color available online) Comparison of power spectral density of vortex sound sources between downstream flow of PP and OP.

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 고압가스 배관의 밸브 유동 소음을 평가할 수 있는 수치적 방법론을 제시하고 이를 이용하여 다공성 판이 밸브 유동 소음 저감에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 먼저, 고정확도의비정상 압축성 LES 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였으며, 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과 비교하여 해석 결과의 유효성을 검증하였다.
본 논문에서는 이러한 기존 연구를 확장하여 고압가스 배관 내 실제 밸브 형상에 대하여 유동 소음을 평가할 수 있는 수치적 방법론을 제시하고, 이를 이용하여 밸브 유동 소음 저감을 위한 다공성 판의 영향을 정량적으로 분석하였다. 먼저, 고정확도의 비정상 압축성 LES 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였으며, 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과 비교함으로써 수치해석결과의 유효성을 검증하였다.
첫째는 일반적인 기계장치에 가장 많이 사용하는 소음기이며, 둘째는 항공기 엔진과 같이 유동 저항을 최소화 하는 벽면 흡음 장치, 마지막은 산업 현장에서 고압 배관 내에 가장 많이 사용하는 다공성 판이다. 본 논문에서는 현장에서 가장 많이 사용하는 다공성 판을 설계하고 배관에 부착하여 그 성능을 평가하였다. Fig.

가설 설정

5 dB 감소하였다. PP의 소음저감 메커니즘을 정량적으로 분석하기 위하여 다음식과 같이 와류소음원을 점음원으로 가정하고 소음원의 크기 S를 정의하였다.
1을 사용하였으며, 먼저 압력 기반 압축성 RANS 해석을 수행하였다. 배관 내 유체는 이상기체로 가정하였으며, 지배방정식은 내재적 방법을 통해 연속 방정식과 운동량 방정식을 동시에 푸는 연성 해석기법을 적용하였다. 유동의 차분화 방법은 충격파와 같은 급격한 유동 특성의 변화를 안정적으로 모사하기 위하여 풍상차분법을 적용하였으며, 난류 유동을 모사하기 위하여 k-ω SST 난류 모델을 적용하였다.

제안 방법

PP의 경우 Laffay et al.^[10]이 고려하였던 형상 중 자체 소음을 가장 작게 발생시키는 PP 형상을 참고해서 설계하였다.
계산 비용을 고려하여 20D 압력 측정위치를 포함하면서 밸브에서 발생한 유동섭동이 감쇠되고 음향 파가 전파되는 영역을 포함하도록 하류 방향 배관의 길이는 30D로 설정하였다. 감압 밸브의 경우 감압 상태의 밸브를 모사하기 위해 밸브가 완전히 열린 형태로 모델을 구현하였다. 해석 시 경계조건으로 밸브 입구단에는 측정 유량 0.
3에서 전체 계산영역과 관련치수를 나타내었다. 계산 비용을 고려하여 20D 압력 측정위치를 포함하면서 밸브에서 발생한 유동섭동이 감쇠되고 음향 파가 전파되는 영역을 포함하도록 하류 방향 배관의 길이는 30D로 설정하였다. 감압 밸브의 경우 감압 상태의 밸브를 모사하기 위해 밸브가 완전히 열린 형태로 모델을 구현하였다.
고압 탱크를 이용하여 밸브 상류방향에서의 절대압력을 12기압으로 유지하였으며, ISO 9300 규격에 따라 압력 센서와 온도 센서를 부착하였다. 유량, 온도, 벽면 압력 섭동을 측정하였으며, 배관 내 측정 유량 및 온도는 각각 0.
먼저, 고정확도의비정상 압축성 LES 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였으며, 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과 비교하여 해석 결과의 유효성을 검증하였다. 다음으로 배관 내에서 평균 유동장과 중첩되어 전파하는 음향 장의 음향파워를 계산하였으며, 다공성 판에 의한 밸브 유동 소음 저감 효과를 확인하였다. PP에 의한 음향 파워 예측 결과를 다공성 판이 설치되지 않은 기존 배관 밸브 결과와 비교하여 9.
먼저, 고정확도의 비정상 압축성 LES 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였으며, 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과 비교함으로써 수치해석결과의 유효성을 검증하였다. 다음으로 배관 내에서 평균 유동장과 중첩되어 전파해가는 음향 장의 음향파워를 예측하였으며, 다공성 판의 설치 전후 음향 파워를 비교함으로써 다공성 판의 소음저감 효과를 확인하였다.
2 kg/s를 적용하였으며, 출구단에는 대기압 조건을 주었다. 또한 배관 끝에서 음향파의 반사를 최소화하기 위하여 비반사조건을 적용하였다.
격자 크기는 음향파의 정밀한 계산을 위하여 5 kHz에 해당하는 한 파장에 격자가 20개 이상 들어가도록 구성하였으며, 총 약 3천만 개의 격자를 사용하였다. 또한, 밸브 내 난류 및 충격파와 같은 주요 유동소음원의 정밀한 모사를 위하여 밸브 내부에 15M개의 격자를 적용하였으며, 벽면 경계층 유동을 정밀하기 모사하기 위하여 배관 내부벽면에 8개의 프리즘 격자를 구성하였다.
정량적으로 분석하였다. 먼저, 고정확도의 비정상 압축성 LES 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였으며, 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과 비교함으로써 수치해석결과의 유효성을 검증하였다. 다음으로 배관 내에서 평균 유동장과 중첩되어 전파해가는 음향 장의 음향파워를 예측하였으며, 다공성 판의 설치 전후 음향 파워를 비교함으로써 다공성 판의 소음저감 효과를 확인하였다.
정량적으로 분석하였다. 먼저, 고정확도의비정상 압축성 LES 기법을 이용하여 고압가스 배관의 밸브 유동과 이로 인한 유동소음을 예측하였으며, 예측한 벽면 압력 스펙트럼을 측정값과 비교하여 해석 결과의 유효성을 검증하였다. 다음으로 배관 내에서 평균 유동장과 중첩되어 전파하는 음향 장의 음향파워를 계산하였으며, 다공성 판에 의한 밸브 유동 소음 저감 효과를 확인하였다.
1에서 배관 내 밸브유동소음을 측정하기 위한 전체 실험에 대한 개념도와 대상 밸브와 배관시스템 압력측정 사진을 나타내었다. 밸브 출구 직경(D = 50 mm)을 기준으로 하류방향으로 20D, 66D, 96D 위치에 압력 센서를 부착하고 배관 내 밸브 유동에 의한 압력을 측정하였다. 압력 측정을 위하여 PCB Piezotronic 102B15 동압력센서와 NI PXI 5922 디지털 신호변환기, PCB conditioner 482C05 파워 공급장치를 사용하였으며, PXI 5922는 NI PXI 1033-Chassis에 장착하고 LabVIEW 프로그램을 이용하여 신호 분석을 수행하였다.
는 각각 확산 플럭스와 열원이다. 압축성 배관 내 밸브 유동과 유동소음 해석을 위해 먼저 정상 상태 Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) 방정식 기반의 수치해석을 수행하였으며, 수렴해를 압축성 LES 해석의 초기조건으로 활용함으로써 고정확도비정상 유동해석의 효율성을 높였다.
압력 센서와 온도 센서를 부착하였다. 유량, 온도, 벽면 압력 섭동을 측정하였으며, 배관 내 측정 유량 및 온도는 각각 0.2 kg/s, 288 K이다.
감압 밸브의 경우 감압 상태의 밸브를 모사하기 위해 밸브가 완전히 열린 형태로 모델을 구현하였다. 해석 시 경계조건으로 밸브 입구단에는 측정 유량 0.2 kg/s를 적용하였으며, 출구단에는 대기압 조건을 주었다. 또한 배관 끝에서 음향파의 반사를 최소화하기 위하여 비반사조건을 적용하였다.

대상 데이터

본 절에서는 배관 내 밸브유동에 의한 유동소음원의 정량적분 석을 위해 Eq. (12)에서 나타낸 와류소음원을 사용하였다.
3의 계산영역을 반영하여 구성한 격자를 나타내었다. 격자 크기는 음향파의 정밀한 계산을 위하여 5 kHz에 해당하는 한 파장에 격자가 20개 이상 들어가도록 구성하였으며, 총 약 3천만 개의 격자를 사용하였다. 또한, 밸브 내 난류 및 충격파와 같은 주요 유동소음원의 정밀한 모사를 위하여 밸브 내부에 15M개의 격자를 적용하였으며, 벽면 경계층 유동을 정밀하기 모사하기 위하여 배관 내부벽면에 8개의 프리즘 격자를 구성하였다.
여기서 D는 밸브 출구 배관의 직경이며, 50 mm이다. 측정 시 샘플링 주파수는 20 kHz 이며, 주파수 해상도는 3.125 Hz이다. 측정결과의 신뢰성을 위하여 나이키스트의 반인 5 kHz까지 제시하였다.
해석을 수행한 결과이다. 해석 시간 간격은 10 μs 이며, 배관 출구에서 유량이 실험과 동일하게 수렴된 시점으로부터 0.01 s까지의 시변 자료를 활용하였다.

데이터처리

밸브 출구 직경(D = 50 mm)을 기준으로 하류방향으로 20D, 66D, 96D 위치에 압력 센서를 부착하고 배관 내 밸브 유동에 의한 압력을 측정하였다. 압력 측정을 위하여 PCB Piezotronic 102B15 동압력센서와 NI PXI 5922 디지털 신호변환기, PCB conditioner 482C05 파워 공급장치를 사용하였으며, PXI 5922는 NI PXI 1033-Chassis에 장착하고 LabVIEW 프로그램을 이용하여 신호 분석을 수행하였다.

이론/모형

또한 시간 평균을 이용하는 RANS 방정식과는 달리 공간 필터링만을 사용하기 때문에 시간 변동에 따른 비정상 유동을 풀기에 적합하다. 격자 크기보다 작은 난류 구조를 모사하기 위하여 LES 해석 시 많이 사용되는 Smagorinsky-Lilly 모델을 적용하였으며, 난류 동점성 계수는 다음 식을 이용하여 계산한다.
배관 내 밸브유동에 대한 지배방정식으로 3차원 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다.
본 연구에서는 상용 코드인 Ansys Fluent v.19.1을 사용하였으며, 먼저 압력 기반 압축성 RANS 해석을 수행하였다. 배관 내 유체는 이상기체로 가정하였으며, 지배방정식은 내재적 방법을 통해 연속 방정식과 운동량 방정식을 동시에 푸는 연성 해석기법을 적용하였다.
실제 현장에서 사용되는 밸브와 배관을 대상으로 실제 작동조건을 반영하여 실험을 진행하였으며, 배관 내 밸브 유동에 의한 압력섭동을 측정하기 위하여 한국표준과학연구원(Korea Research Institute of Standards and Science, KRISS)의 고압 가스 유동 표준시스템을 사용하였다^[6].
배관 내 유체는 이상기체로 가정하였으며, 지배방정식은 내재적 방법을 통해 연속 방정식과 운동량 방정식을 동시에 푸는 연성 해석기법을 적용하였다. 유동의 차분화 방법은 충격파와 같은 급격한 유동 특성의 변화를 안정적으로 모사하기 위하여 풍상차분법을 적용하였으며, 난류 유동을 모사하기 위하여 k-ω SST 난류 모델을 적용하였다.

성능/효과

5(a)의 압력장으로부터 유동이 밸브를 지나면서 압력이 급격하게 저하되는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 5(b)의 속도장으로부터 밸브를 지나는 유동이 초음속으로 가속되어 충격파와 함께 복잡한 난류 구조가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 또한 하류로 흘러가면서 이러한 난류에 의한 섭동은 급격히 감소하고 유동 소음에 의한 음향파가 하류로 전파되고 있음을 알 수 있다.
거의 모든 주파수 대역에서 PP를 설치한 배관에서 소음원 레벨이 작다는 것을 알 수 있다. Fig. 14의 결과를 기초로 계산한 OP와 PP의 Overall 값은 각각 179 dB와 173 dB로서 PP의 경우 OP와 비교하여 6 dB 작다는 것을 확인할 수 있다.
다음으로 배관 내에서 평균 유동장과 중첩되어 전파하는 음향 장의 음향파워를 계산하였으며, 다공성 판에 의한 밸브 유동 소음 저감 효과를 확인하였다. PP에 의한 음향 파워 예측 결과를 다공성 판이 설치되지 않은 기존 배관 밸브 결과와 비교하여 9.5 dB 감소함을 확인하였으며, 와류소음원을 이용하여 PP의 후류에서 발생하는 유동소음원이 OP보다 6 dB 작다는 것을 확인하였다. 결국 OP와 PP 모두 밸브 후류에서 발생한 음향 파를 판을 지나면서 발생하는 와류파로 전환하여 소음을 저감시키지만 OP의 경우 다시 이러한 와류 파에 의하여 발생하는 음향파가 저감량보다 큰 반면 PP의 경우는 저감량이 발생량보다 커서 전체적으로 소음을 저감하는 것으로 판단된다.
12에 나타내었다. 밸브출구인 0D 위치에서는 밸브 후류에 설치한 다공성 판에 의한 저항으로 인해 밸브 입출구 압력차가 감소하므로 OP와 PP 경우 모두 섭동량이 다공성 판을 설치하지 않은 기존 밸브보다 2.5 dB ~ 4 dB정도 감소하였다. OP의 경우 자체에서 발생한 난류섭동의 영향으로 배관 끝단에서 기존 시스템보다 4.
본 절에서 제시하는 결과는 모두, 정상상태의 RANS 해석을 수행하여 유량과 압력을 기준으로 실험과 동일 조건이 되도록 수렴시킨 후, 이를 초기 조건으로 LES 해석을 수행한 결과이다. 해석 시간 간격은 10 μs 이며, 배관 출구에서 유량이 실험과 동일하게 수렴된 시점으로부터 0.
측정결과의 신뢰성을 위하여 나이키스트의 반인 5 kHz까지 제시하였다. 원형 절단면을 따라 측정 위치 차이에 따른 소음변화는 미미한 수준이며, 전 주파수 영역대에서 100 dB 이상의 강한 압력섭동이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

후속연구

이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서 제시한 수치 방법론은 고압가스 배관의 밸브 유동 소음을 설계단계에서부터 평가할 수 있을 뿐만 아니라 기존 시스템에서 발생하는 밸브 유동 소음을 효율적으로 저감할 수 있는 저소음 설계에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 추후 좀 더 다양한 형상의 다공평판에 대해서 비교분석하고 관련 샘플을 제작하여 실험 검증할 예정이다.
추후 좀 더 다양한 형상의 다공평판에 대해서 비교분석하고 관련 샘플을 제작하여 실험 검증할 예정이다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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M. S. Howe, "Contributions to the theory of aerodynamic sound with appliction to excess jet noise an the theory of the flute," J. Fluid Mech. 71, 625-673 (1975).

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P. Laffay, S. Moreau, M .C. Jacob, and J. Regnard, "Experimental investigation of the noise radiated by a ducted air flow discharge though diaphragms and perforated plates," J. Sound Vib. 472, 115177-115201 (2020).

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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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