[논문]극저온 유체 화물창 방벽 내의 액체유동 및 기화 시뮬레이션

이희범; 박범진; 이신형; 배준홍; 이경원; 정왕조; 안상준

문제 정의

수치 계산을 하기 위해서는 LNG에 대한 기화 모델이 반드시 필요하며 LNG에 대한 물리적 특성에 대한 정보를 알아야 한다. 그러나 LNG는 생산지 별로 그 물성치가 조금씩 다르므로 본 논문에서는 Ras Rafan 에서 생산되는 LNG의 물성 치를 기준으로 하였다. 천연가스는 단일 물질이 아닌 혼합 물질이며 Table 1과 같이 구성되어 있다.
본 연구에는 2차 방벽에서 극저온 유체의 누출이 있을 경우 유체가 어떤 거동을 보이며 Inner Hull까지 도달하는지에 대하여 살펴보았으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
이러한 일련의 과정에 대한 정보를 얻기 위하여 실험과 수치 계산을 함께 수행하였다. 실험은 극저온 유체의 한 종류인 액체 상태 LNG와 기체 상태 NG를 이용하였는데, 둘의 혼합 비율을 측정하기가 매우 어려우므로 Inner Hull 위에 온도 센서를 부착하여 철판 위의 최종적인 온도 변화를 주로 보고자 하였다. 수치 계산은 실험에서 얻어진 Inner Hull 위의 온도 변화에 대한 정보를 기준으로 하여 LNG와 NG의 혼합 비율 및 압력 정보 등 방벽 내에서 어떠한 현상이 발생하고 있는지에 대하여 알 수 있도록 하였다.

제안 방법

2와 같이 제작 하였다. 1차 방벽은 이미 손상되었다고 가정하였으므로 1차 방벽 일부를 제거한 상태로 모형을 제작하였으며 2차 방벽 사이의 Flat Joint 위로 지름 3mm와 5mm의 구멍을 뚫어 LNG가 이 구멍을 통하여 주입될수 있도록 하였다. LNG가 기화되면 내부 압력이 급격하게 상승할 것이므로 Flat Joint 측면에 지름 10mm의 구멍을 뚫어 기화된 NG가 빠져나갈 수 있도록 하였다.
1차 방벽은 이미 손상되었다고 가정하였으므로 1차 방벽 일부를 제거한 상태로 모형을 제작하였으며 2차 방벽 사이의 Flat Joint 위로 지름 3mm와 5mm의 구멍을 뚫어 LNG가 이 구멍을 통하여 주입될수 있도록 하였다. LNG가 기화되면 내부 압력이 급격하게 상승할 것이므로 Flat Joint 측면에 지름 10mm의 구멍을 뚫어 기화된 NG가 빠져나갈 수 있도록 하였다.
이에 따라 본 연구에서는 극저온 유체를 운반하는 선박 중 LNG선을 택하여 화물창의 손상에 따른 극저온 유체의 액체 유동과 기화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 1차 방벽에 손상이 생겨 극저온 유체가 2차 방벽까지 도달한 상태를 가정하고 2차 방벽에 손상이 생겼을 시 Inner Hull까지 도달 하는 과정을 해석하였다. 이를 위해 2차 방벽에 지름 5mm 정도의 구멍을 뚫어 Flat Joint 사이로 극저온 유체가 흘러 들어가도록 격자를 생성한 후, CFD 소프트웨어를 이용하여 극저온 유체의 액체 유동과 기화에 대한 계산을 수행하였으며 이를 실험 결과와 비교 분석하였다.
먼저 액체 상태에 대한 Porosity 계수를 측정하기 위하여 물을 Glass Wool 위 20cm 높이까지 채운 후 물의 높이가 Glass Wool 위 0cm 까지 줄어드는 시간을 측정 하였다.
3 에 적용 하였다. 먼저 천연가스의 액체 상태 및 기체 상태인 LNG와 NG를 User Defined Material로 정의하였으며 LNG 기화 후 질소와 혼합된 Species Transport Equation을 풀기 위한 Mixture gas를 정의하였다. 또한 앞서 살펴본 것과 같이 메탄에 대한 Mollier[2] 선도를 이용하여 LNG에서 NG로 상이 변화하는 메커니즘을 정의 하였고 잠열과 같은 정보를 추가하기 위하여 Energy Equation에 사용되는 Source Term 역시 정의하였다.
실험은 극저온 유체의 한 종류인 액체 상태 LNG와 기체 상태 NG를 이용하였는데, 둘의 혼합 비율을 측정하기가 매우 어려우므로 Inner Hull 위에 온도 센서를 부착하여 철판 위의 최종적인 온도 변화를 주로 보고자 하였다. 수치 계산은 실험에서 얻어진 Inner Hull 위의 온도 변화에 대한 정보를 기준으로 하여 LNG와 NG의 혼합 비율 및 압력 정보 등 방벽 내에서 어떠한 현상이 발생하고 있는지에 대하여 알 수 있도록 하였다.
위 실험 조건에 맞추어 격자를 생성한 후 Trial & Error 방식을 사용하여 액체 상태에 대한 Porosity 계수를 추정하였으며 Momentum Equation에서 Source Term으로 적용하였다.
그러나 이러한 극저온 유체가 1차 방벽과 2차 방벽 사이로 흘러 들어가게 되는 순간 기화가 곧바로 진행되기 때문에 물과 같은 액체류가 Inner Hull에 도달하는 단순한 문제와는 달리 액체와 기체가 혼합되어 Inner Hull로 도달하는 보다 복잡한 문제에 직면하게 된다. 이러한 일련의 과정에 대한 정보를 얻기 위하여 실험과 수치 계산을 함께 수행하였다. 실험은 극저온 유체의 한 종류인 액체 상태 LNG와 기체 상태 NG를 이용하였는데, 둘의 혼합 비율을 측정하기가 매우 어려우므로 Inner Hull 위에 온도 센서를 부착하여 철판 위의 최종적인 온도 변화를 주로 보고자 하였다.
먼저 1차 방벽에 손상이 생겨 극저온 유체가 2차 방벽까지 도달한 상태를 가정하고 2차 방벽에 손상이 생겼을 시 Inner Hull까지 도달 하는 과정을 해석하였다. 이를 위해 2차 방벽에 지름 5mm 정도의 구멍을 뚫어 Flat Joint 사이로 극저온 유체가 흘러 들어가도록 격자를 생성한 후, CFD 소프트웨어를 이용하여 극저온 유체의 액체 유동과 기화에 대한 계산을 수행하였으며 이를 실험 결과와 비교 분석하였다.
이에 따라 본 연구에서는 극저온 유체를 운반하는 선박 중 LNG선을 택하여 화물창의 손상에 따른 극저온 유체의 액체 유동과 기화에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 1차 방벽에 손상이 생겨 극저온 유체가 2차 방벽까지 도달한 상태를 가정하고 2차 방벽에 손상이 생겼을 시 Inner Hull까지 도달 하는 과정을 해석하였다.
식 (11)에서 우변은 Mass Flux Rate 이며 Inet과 Outlet 표면에서의 Normal Vector의 방향은 도메인 안쪽을 향한다. 질량 보존의 여부를 알아보기 위하여 구멍이 3mm 경우에 대하여 계산이 60분 진행되었을 때의 값을 선택하여 확인하였다. 우변의 Mass Flux Rate는 적분형태이기 때문에 바로 값을 구할 수 있으나 좌변의 경우 시간에 관한 미분항을 바로 알 수 없으므로 다음과 같이 4차 정도를 가지는 Polynomial Fitting 방법으로 근사하여 구하기로 한다[1].
11과 같이 나타내었다. 최저 온도는 -180˚C, 최고 온도는 40˚C로 설정 하였으며 20단계로 나누어 Contour를 표현 하였다. Fig.

대상 데이터

본 논문에서 사용한 수치 계산은 기화 모델링이 들어가 있으며 Inlet은 액체상태인 LNG가 들어오고 Outlet은 기체상태인 NG가 빠져 나간다. 따라서 질량 보존을 확인하기 위해 계산 도메인 내에서 식 (11)을 만족하여야 한다[1].
3과 같은 형태로 부착 하였다. 센서의 간격은 가로 300mm, 세로 225mm로 설정하였으며 25 개의 온도 센서를 사용하였다. 그림에서 알 수 있듯이 13 번 센서는 LNG가 주입되는 구멍의 바로 하단에 위치하게 된다.

이론/모형

LNG의 기화 메커니즘은 LNG 구성 물질 중 가장 큰 비율을 차지하고 있는 메탄의 Mollier 선도를 이용 하였다.
속도 압력 연성에 대한 Scheme은 PISO를 사용하였으며 압력항은 PRESTO!로 이산화 하였다. Momentum 과 Energy, Mixed Gas에 대해서는 모두 2nd Order Upwind 방법으로 이산화 하였으며 Volume Fraction은 QUICK로 이산화 하였다.
수치 계산에 사용될 기화 모델은 User Defined Function 형식을 사용하여 CFD code인 FLUENT v6.3 에 적용 하였다. 먼저 천연가스의 액체 상태 및 기체 상태인 LNG와 NG를 User Defined Material로 정의하였으며 LNG 기화 후 질소와 혼합된 Species Transport Equation을 풀기 위한 Mixture gas를 정의하였다.
질량 보존의 여부를 알아보기 위하여 구멍이 3mm 경우에 대하여 계산이 60분 진행되었을 때의 값을 선택하여 확인하였다. 우변의 Mass Flux Rate는 적분형태이기 때문에 바로 값을 구할 수 있으나 좌변의 경우 시간에 관한 미분항을 바로 알 수 없으므로 다음과 같이 4차 정도를 가지는 Polynomial Fitting 방법으로 근사하여 구하기로 한다[1].
이상의 지배방정식 이외에도 두 상간의 상대속도 계산에 필요한 추가적인 Scalar 방정식들을 사용한다. 또한 상변화가 일어날 경우 상변화의 영향은 운동량보존방정식과 에너지보존방정식 그리고 체적분율방정식에 각각 Source Term으로 적용되며, 이러한 Source Tern은 FLUENT의 UDF(User-Defined Function)를 이용해 구현한다.

성능/효과

1) 도메인 내에서 질량이 보존된다는 것을 확인하였으며 본 연구에 사용된 기화 모델링의 타당성을 알 수 있었다.
2) 실험과의 오차는 Inner Hull에 설치된 장치의 영향이 크다는 것을 알 수 있었으며 계산의 정확도를 위해서는 이러한 장치도 격자생성에서 고려해야 한다는 것을 알수 있었다.
5bar의 강한 압력에 의하여 거의 수직으로 내려오고 있음을 알 수 있다. Glass Wool 안에 분포되어 있는 LNG는 열전도가 많이 이루어지지 않아 기화가 거의 되지 않은 상태로 있다는 것을 확인할 수 있으며, 반면에 Inner Hull에 도달한 LNG는 거의 모두 기화가 되는 현상을 확인할 수 있다. 또한 기화된 NG는 Inner Hull의 표면을 타고 빠르게 퍼지고 있다는 것도 확인할 수 있다.

후속연구

3) 실험 및 계산에서의 불확실성과 오차가 있었지만 Inner Hull 중앙에서의 시간에 따른 온도 분포가 잘 일치하는 것으로 보아 정량적으로도 본 연구의 시뮬레이션 방법이 잘 맞는다는 것을 확인하였으며 차후 실험과 계산을 개선하여 Inner Hull의 온도 분포가 보다 더 실제 상황에 가깝도록 노력할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Flat Joint 부분은 어떻게 구현하는가?	Flat Joint 부분은 FLUENT에 포함되어 있는Porous Media Model을 이용하여 구현한다. Porous Media로 모델링 된 Fluid zone에서는 운동량보존방정식에 다음과 같은 Source Term이 더해진다.
	극저온 유체를 운반하는 선박의 화물창이 1차 2차 방벽으로 구성되는 이유는?	극저온 유체를 운반하는 선박의 화물창은 보통 1차 방벽과 2차 방벽으로 구성되어 있다. 1차 방벽에 소량의 극저온 유체의 누출이 생기더라도, 액밀이 되는 2차 방벽에서 추가적인 극저온 유체의 누출을 방지할 수 있기 때문이다. 그러나 2차 방벽에 추가적인 손상이 생길 경우 유리솜으로 만들어진 Flat Joint를 거쳐 선체내벽까지 극저온 유체에 노출될 가능성이 있게 된다.
	극저온 유체를 운반하는 선박의 화물창의 2차 방벽에 추가적인 손상이 생길 경우 어떻게 되는가?	1차 방벽에 소량의 극저온 유체의 누출이 생기더라도, 액밀이 되는 2차 방벽에서 추가적인 극저온 유체의 누출을 방지할 수 있기 때문이다. 그러나 2차 방벽에 추가적인 손상이 생길 경우 유리솜으로 만들어진 Flat Joint를 거쳐 선체내벽까지 극저온 유체에 노출될 가능성이 있게 된다. 본 연구의 관심사는 2차 방벽의 손상 정도에 따라, 그리고 누출되는 극저온 유체의 양에 따라, 내측선체에 얼마나 영향이 미치는가를 알아보는 것이다.

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