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문제 정의
- 이 수치 해석 기법으로 실제 수문에 적용하였다 . 그리고 해석 결과를 진동해석의 결과와 비교하고자 하였으며 이를 통해 공진현상에 대한 적용성을 목표로 하고자 한다.
가설 설정
- 5m 인 사각형으로 구성되어 있다. 수중 축류 펌프 주위의 3차원 비압축성 유동을 계산을 위해 내부 유동을 3차원 정상상태의 난류 유동으로 가정하였으며 , 난류모델은 SST 로 선정하였다 . 사용된 물의 밀도는 998.
제안 방법
- . CFD 방법에 의해 계산된 시간에 따른 압력변화 값을 Ansys Transient Structural 코드의 입력값으로 넣어서 유체유동으로 유발된 진동을 계산하고자 한다 . 해석방식은 유동- 구조 , 진동 one-way 연성 해석방식을 사용한다.
- FSI 해석을 수행하기 위해 CFX 해석의 해석모델 중 유체 영역은 일반적으로 사용되는 Domain Type 으로설계하였다 . Fig.
- 해석 방식은 유동- 구조 , 진동 one-way 연성해석 방식을 사용하고 전달 행렬법을 이용하여 크랙을 가진 티모센코 보의 모델링 및 보의 고유진동수를 구하고 실험을 통하여 그 결과를 검증하였다.[5] 본 연구는 프로펠러의 작업 유체를 고려하여 프로펠러의 유동해석을 하고 유동 압력에 의한 수문의 구조진동 해석을 하였고 , 본 방법을 실제 펌프일체형수문을 제작하였다 . FSI 해석법을 이용하여 수문의 동적 특성인 수압을 예측하였다 해.
- 입증하기 인가하였다 . 경계조건은 흡입구 쪽에 유속을 , 토출구 쪽에 유량제어를 위해 Mass flow outlet 을 인가하였다 . 선정한 유속의 유동흐름에 의한 수문에 가해지는 압력 값을 도출하였다.
- FSI 해석을 통하여 요구되는 성능과 기준을 검증하기 위해 적합한 해석모델을 다른 물리계의 상호작용을 고려하는 연성해석도 같은 환경 내에서 실행가능하다. 물인 유체와 수문인 구조의 상호작용을 고려한 연성 해석을 도입하였다 . FSI 해석에 사용된 모델인 Fig.
- 본 연구에서는 펌프일체형수문의 개발을 위해 FSI 기법을 적용하여 유동해석과 구조해석을 수행하였으며 , 진동해석을 통하여 수압에 따른 구조적 안전성을 얻어진 결과를 통하여 해석하고 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 021MPa 이 발생하였다 . 산출된 유동해석 결과인 유동영역과 구조영역의 경계면에서 발생하는 압력 데이터를 구조해석 모델과 매핑하여 하중이 전달되도록 하였다 . 실제 환경과 비슷한 조건에서 해석을 수행하기 위해 해석모델의 경계조건으로써 Standard Earth Gravity 를 – Z 방향으로 적용하였으며 , 밑바닥 면을 Fixed support 로 구속하였다 .
- 경계조건은 흡입구 쪽에 유속을 , 토출구 쪽에 유량제어를 위해 Mass flow outlet 을 인가하였다 . 선정한 유속의 유동흐름에 의한 수문에 가해지는 압력 값을 도출하였다. Table 2 은 유동해석을 위한 세부적인 해석조건을 나타내며, Fig.
- 산출된 유동해석 결과인 유동영역과 구조영역의 경계면에서 발생하는 압력 데이터를 구조해석 모델과 매핑하여 하중이 전달되도록 하였다 . 실제 환경과 비슷한 조건에서 해석을 수행하기 위해 해석모델의 경계조건으로써 Standard Earth Gravity 를 – Z 방향으로 적용하였으며 , 밑바닥 면을 Fixed support 로 구속하였다 .
- 유동해석 결과 플랩게이트 후면부에 최대압력이 작용하였다 . 유동해석 결과로 도출된 압력 데이터를 구조해석의 동일한 부분에 적용하여 하중 데이터를 매핑 (mapping) 하였다 . Fig.
- 유동해석에서 정상상태로 계산된 수중 축류펌프 의표면 압력 값들을 ANSYS CFX 를 활용하여 확인하고 , 구조해석을 하여 변형량과 등가응력을 계산하였다 . CFD 방법에 의해 계산된 시간에 따른 압력변화 값을 Ansys Transient Structural 코드의 입력값으로 넣어서 유체유동으로 유발된 진동을 계산하고자 한다 .
- 유동해석에서 정상상태로 계산된 수중 축류펌프 의표면 압력값들을 Ansys Transient Structural 코드의 입력하여 구조해석을 하여 변형량과 등가응력을 계산하였다 . 유체유동으로 유발된 진동을 계산하였다 .
- . 유체유동으로 유발된 진동을 계산하였다 . 이때 해석방식은 유동- 구조 , 진동 one-way 연성 해석방식을 사용하였다 .
- 축류팬의 구조와 진동을 해석하기 위하여 정상 상태와 비정상상태를 모두 계산하였다. ANSYS CFX 프로그램을 이용하여 유동해석을 수행한 결과 , 본체에 발생하는 속도분포는 Fig.
대상 데이터
- 수중 축류 펌프 주위의 3차원 비압축성 유동을 계산을 위해 내부 유동을 3차원 정상상태의 난류 유동으로 가정하였으며 , 난류모델은 SST 로 선정하였다 . 사용된 물의 밀도는 998.2으로 인가한다.
- 3에 나타낸 바와 같이 Polyhedral mesh 이며 , 다면체 격자는 Tetra mesh 보다 50% 의 격자 개수를 절감할 수 있으며, 동일한 정확도를 유지하며 탁월한 quality 를 가진다 . 사용한 격자의 수는 약 120 만개이며 , 유동 해석을 위한 유동장은 길이가 5.5m 인 사각형으로 구성되어 있다. 수중 축류 펌프 주위의 3차원 비압축성 유동을 계산을 위해 내부 유동을 3차원 정상상태의 난류 유동으로 가정하였으며 , 난류모델은 SST 로 선정하였다 .
- FSI 해석법을 이용하여 수문의 동적 특성인 수압을 예측하였다 해. 석모델로는 펌프와 수문을 사용하였다 . 이 수치 해석 기법으로 실제 수문에 적용하였다 .
- 실제 펌프일체형수문의 사용처인 배수펌프장의 접근 유속 기준으로 1m/s 로 선정하였으며 , 실제 유량보다 20% 높게 적용하여 구조적인 안정성에서 신뢰성을 입증하기 인가하였다 . 경계조건은 흡입구 쪽에 유속을 , 토출구 쪽에 유량제어를 위해 Mass flow outlet 을 인가하였다 .
데이터처리
- 2 는 수중축류펌프의 유체영역의 해석모델을 나타낸다 . 연성해석은 ANSYS 사의 CFX 와 구조해석을 사용하였으며 , CFX 해석에서의 수문 내부 유동장의 정상 상태에 대한 계산을 수행한다.
- . 해석 방식은 유동- 구조 , 진동 one-way 연성해석 방식을 사용하고 전달 행렬법을 이용하여 크랙을 가진 티모센코 보의 모델링 및 보의 고유진동수를 구하고 실험을 통하여 그 결과를 검증하였다.[5] 본 연구는 프로펠러의 작업 유체를 고려하여 프로펠러의 유동해석을 하고 유동 압력에 의한 수문의 구조진동 해석을 하였고 , 본 방법을 실제 펌프일체형수문을 제작하였다 .
이론/모형
- [5] 본 연구는 프로펠러의 작업 유체를 고려하여 프로펠러의 유동해석을 하고 유동 압력에 의한 수문의 구조진동 해석을 하였고 , 본 방법을 실제 펌프일체형수문을 제작하였다 . FSI 해석법을 이용하여 수문의 동적 특성인 수압을 예측하였다 해. 석모델로는 펌프와 수문을 사용하였다 .
- 개발한 펌프일체형수문의 사용처는 유체와 구조물의 상호작용이 발생하므로 수문의 구조적 안정성을 평가하기 위해서는 FSI 해석기법을 적용하였으며 , Fig. 1은 FSI 해석의 절차를 나타낸다 .
- 유체유동으로 유발된 진동을 계산하였다 . 이때 해석방식은 유동- 구조 , 진동 one-way 연성 해석방식을 사용하였다 . 펌프일체형수문의 FSI 해석 결과인 Fig.
- 하서산업( 주 ) 현장에서 적용된 모델을 이용하여 FSI 해석 및 구동부품의 사양선정에 활용하였다 . FSI 해석을 통하여 요구되는 성능과 기준을 검증하기 위해 적합한 해석모델을 다른 물리계의 상호작용을 고려하는 연성해석도 같은 환경 내에서 실행가능하다.
- CFD 방법에 의해 계산된 시간에 따른 압력변화 값을 Ansys Transient Structural 코드의 입력값으로 넣어서 유체유동으로 유발된 진동을 계산하고자 한다 . 해석방식은 유동- 구조 , 진동 one-way 연성 해석방식을 사용한다.
성능/효과
- 1. 펌프일체형수문 시스템을 대상으로 유동해석을 수행한 결과 , 수문에 부가되는 총 변형량은 플랩 게이트 상단부의 플랩밸브에 2.0989mm 의 미세한 변형을 확인하였다.
- 2. 유동해석 결과를 활용하여 구조해석을 수행한 결과 , 최대응력은 67.178MPa 로 구조물의 항복강도인 215MPa 보다 작다 .
- 3. 펌프일체형수문의 수중 축류펌프의 표면에 가해지는 유체 압력의 영향을 계산한 결과 프로펠러의 끝단 부분에서 변형량이 가장 크게 나타났다 . 이는 프로펠러가 회전하면서 익형에 정체되어 가장 큰 압력을 받게 되고 , 고유 과도 상태를 지나 주기 특성을 나타낸다.
- 비정상상태를 모두 계산하였다. ANSYS CFX 프로그램을 이용하여 유동해석을 수행한 결과 , 본체에 발생하는 속도분포는 Fig. 5 와 같으며 , 유체의 유동으로 인해 발생하는 최대속도 7.429m/s 로 계산되었다 . 유동해석 결과 플랩게이트 후면부에 최대압력이 작용하였다 .
- 0989 mm 의 미세한 변형을 확인하였다 . Fig. 8 과 같이 최대응력 확인결과 플랩밸브 및 플랩 게이트 체결부위에서 최대응력 67.178MPa 이 작용함을 확인하였다 . Fig.
- 계산 결과값으로 구경 500mm 의 수중 축류펌프의 프로펠러가 4EA 로 구성되며 , 회전수 691RPM, 유량은 운전점인 33.0min를 갖는다 . 펌프 일체 형수 문을 구성하는 각 부품의 재질은 Guide casing, Suction tube 은 GC200, Propeller 는 SSC13 으로 Table 1 은 GC200 과 SSC13 의 기계적 물성치를 나타낸다 .
- 반면에 응력은 프로펠러가 고정되어있는 부분에서 가장 적게 영향을 받는다 . 구조적인 계산으로 시간에 따른 프로펠러 표면의 응력변동 곡선은 수중 축류펌프의 표면 응력이 주기적으로 변화되며 진동을 유발하는 것을 확인하였다 . 이러한 프로펠러 표면응력 변동의 계산 결과는 앞서의 유속의 변동의 계산결과와 같은 주기 (0.
- 8113 로 최소 안전율을 확인할 수 있었다 . 일반 기계구조용 강재의 허용안전율 기준 2.0 을 만족하는 수준으로 펌프일체형수문시스템의 구조적 안전성을 입증하는 결과를 확인할 수 있었다.
- 9 와 같이 펌프일체형수문에 발생하는 최대 응력이 Table 1 으로부터 구조물의 재료인 SUS304 의 항복강도는 약 215MPa 이므로 펌프일 체형 수문 시스템은 안정성을 가진다고 판단할 수 있다 . 주요 수문부의 안전율 확인결과 최대응력이 발생한 지점과 동일한 지점은 유동에 의해 직접적으로 수문의 배수구동이 이루어지는 수문과 펌프의 결합된 후면부가 3.8113 로 최소 안전율을 확인할 수 있었다 . 일반 기계구조용 강재의 허용안전율 기준 2.
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