[논문]임펠러 타입 계량 밸브 입·출구 차압에 따른 유동해석에 관한 연구

김태준; 이중섭; 이치우

doi:10.21289/ksic.2023.26.3.381

임펠러 타입 계량 밸브 입·출구 차압에 따른 유동해석에 관한 연구
A Study on the Flow Analysis of Impeller type Measuring Valve according to Differential Pressure at Inlet and Outlet 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.26 no.3, 2023년, pp.381 - 387

김태준 (경상국립대학교 대학원) , 이중섭 (한국승강기대학교 승강기공학부) , 이치우 (경상국립대학교 미래자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study conducts the flow analysis on the basis of the impeller RPM of water measuring valve and differential pressure at valve inlet and outlet. The software used for the flow analysis is STAR-CCM+. In terms of the structure of the measuring valve, it has an impeller installed inside, and a metering chamber has inlet and outlet holes. The flow analysis on the water measuring valve drew the following conclusions: The flow rate and flow coefficient distribution according to the impeller RPM and differential pressure were on the linear increase. Regarding the flow field in the valve, the increased differential pressure had the highest velocity distribution, and complex flow field was generated in the measuring chamber. In particular, since the path between the inlet and outlet holes in the measuring chamber and the valve body was narrow, there was a section that had flow field interference. Given that, it showed the feature of the valve used for water measuring on the basis of the impeller RPM.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1 Valve inner configuration
그림 Fig. 2 Valve assemble and CFD model
그림 Fig. 3 Boundary conditions and FEM model
그림 Fig. 4 Results of velocity vector at 1,400rpm
그림 Fig. 5 Results of static pressure at 1,400rpm
그림 Fig. 6 Results of velocity vector in inlet hole plane at 1,400rpm
그림 Fig. 7 Results of velocity vector in outlet hole plane at 1,400rpm
그림 Fig. 8 Results of total pressure on impeller surface at 1,400rpm
표 Table 1. Result of flow rate
표 Table 2. Result of flow coefficient Kv

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 현재 상수도에 적용되고 있는 계량 밸브에 대한 내부 유동해석을 수행하고자 한다. 계량 밸브의 경우 일반적인 유체의 유량을 조절하 거나 차단하는 목적으로 사용되는 것이 아니라 수 도사용량을 측정하기 위해 사용되는 밸브이기 때 문에 정확한 유량을 계측하는 것이 목적이다.
본 연구는 상수도용으로 많이 사용되는 15A 배 관용 계량 밸브에 대한 입·출구 압력차에 따른 유 동해석을 통해 출구 유량 및 유량계수를 파악하고 자 한다.
본 연구는 현재 상수도에 적용되고 있는 계량 밸브에 대한 내부 유동해석을 수행하고자 한다. 계량 밸브의 경우 일반적인 유체의 유량을 조절하 거나 차단하는 목적으로 사용되는 것이 아니라 수 도사용량을 측정하기 위해 사용되는 밸브이기 때 문에 정확한 유량을 계측하는 것이 목적이다.

가설 설정

본 연구에서는 밸브 내부를 흐르는 유동을 3차원 정상상태의 난류 유동으로 가정하여 유동해석을 수 행하였다. 밸브에서 속도 분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배 방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 이미 산업계에 서 타당성을 검증받은 k -ε모델을 사용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용되는 유동해석 모델은 Fig. 1 과 같은 내부 구조를 나타내고 있다.
유동해석을 수행하기 위해 제어 체적의 형태는 다면체 격자(Polyhedral mesh)로 구성하였고, 임 펠러와 계량 체임버 주위는 보다 조밀하게 구성하 여 약 120만 개의 격자가 소요되었다.

데이터처리

유동해석 결과의 신뢰성 확보를 위해서는 해석 모델의 적절한 모델링과 해석에 적절한 난류 모델 의 선정, 계산 격자의 신뢰성 확보가 필요하다. 이 와 더불어 Solver의 선택 또한 계산 정확도에 미치 는 영향이 크기 때문에 상용 S/W는 CD-adapco 사의 STAR-CCM+를 사용하여 해석을 수행하였다.

이론/모형

밸브에서 속도 분포 및 압력을 산출하기 위해서 사용된 지배 방정식은 연속 방정식과 운동량 방정식을 사용하였으며, 난류 모델은 이미 산업계에 서 타당성을 검증받은 k -ε모델을 사용하였다.
수치해석 기법으로는 지배 방정식에서 압력과 속도의 연결은 SIMPLE(semi-implicit method for pressure-linked equations)에 따른 Segregate Flow 알고리즘을 사용하였으며, 본 연구를 위해 적용되는 수치해석 코드인 STAR-CCM+는 밸브를 해석하기 위해 다음과 같은 수치 알고리즘으로 계 산을 수행하게 된다. 해석 결과를 취득하기 위한 수치해석의 환경은 정상상태에서 반복 계산 시 종 속변수들의 수렴 판정은 출구 유량이 변하지 않고 안정적인 값으로 고정된 계산 결과가 나타날 때와 정상상태에서 반복 계산 시 종속변수들의 수렴 판 정은 잔차 값이 10-3 이하에 도달하면 수렴 판정 의 기준으로 삼았다.

성능/효과

또한 밸브 입·출구 압력차가 증가할 수록 밸브 출구에서의 유량이 증가하였다. 그러나 유량계수 Kv의 경우 입·출구 압력차의 영향으로 인해 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 압력 차의 존재로 인해 밸브를 통과할 때 그만큼 저항 이 높아지기 때문인 것으로 판단된다.
임펠러의 회전수에 따른 유량 분포는 선형적인 증가 추세를 나타내고 있어 임펠러 회전수에 의해 수도계량을 목적으로 하는 밸브의 특성을 잘 나타 내고 있었다. 또한 밸브 입·출구 압력차가 증가할 수록 밸브 출구에서의 유량이 증가하였다. 그러나 유량계수 Kv의 경우 입·출구 압력차의 영향으로 인해 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
또한 밸브 입·출구 압력차가 증가할수록 유량 분포가 선형적으로 증 가함을 확인할 수 있었다.
임펠러의 회전수에 따른 유량 분포는 선형적인 증가 추세를 나타내고 있어 임펠러 회전수에 의해 수도계량을 목적으로 하는 밸브의 특성을 잘 나타 내고 있었다. 또한 밸브 입·출구 압력차가 증가할 수록 밸브 출구에서의 유량이 증가하였다.

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