[논문]수소자동차의 연료주입라인용 Check Valve 내의 유동해석

박경택; 여경모; 박태조; 강병루

수소자동차의 연료주입라인용 Check Valve 내의 유동해석
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박경택 (경상대학교 기계항공공학부) , 여경모 (경상대학교 기계항공공학부) , 박태조 (경상대학교 기계항공공학부) , 강병루 ((주)파카하니핀커넥터)

The high pressure hydrogen gas refueling system is required for fuel cell vehicle. In this paper, a commercial computational fluid dynamics (CFD) code, FLUENT is adopted to investigate the gas flow characteristics inside the check valve for various refueling and tank pressures. The results showed that the choking phenomena can occur for certain refueling pressures, therefore refueling processes should be divided by multiple stages. And a design method to prevent the seal departure problem which reported in CNG usages is required.

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문제 정의

본 논문에서는 내부유로가 복잡한 3차원의 형상인 체크밸브 내에서의 유동특성을 조사하기 위하여 3차원의 압축성 정상상태 난류유동으로 해석하였다. 이때, 난류모델로는 표준 모델을 사용하고 표준벽함수(Standard wall function)를 적용하였다.
한편, 유재찬 등(1)은 참고문헌(4)의 결과를 사용하여 간섭량과 충전압력에 의한 시일의 변형 거동해석 결과로부터 시일의 이탈원인을 규명하였다. 본 논문에서는 연료전지 자동차의 고압수소충 전라인용 체크밸브(Check valve)에서 발생할 수 있는 문제들의 원인규명과 충전과정에 대한 근거를 제시하기 위하여 열.유체해석 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하여 유동특성을 상세하게 조사하고자 한다.
본 논문에서는 연료전지 자동차의 고압수소충전라인용 체크밸브에서 발생할 수 있는 문제들의 원인을 규명하기 위하여 열.유체해석 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하여 입.

제안 방법

본 논문에서는 연료전지 자동차의 고압수소충 전라인용 체크밸브(Check valve)에서 발생할 수 있는 문제들의 원인규명과 충전과정에 대한 근거를 제시하기 위하여 열.유체해석 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하여 유동특성을 상세하게 조사하고자 한다.
1 에 나타내었다. 입구압력이 70bar인 저압의 경우와 700bar인 고압의 경우로 나누어 해석하였다. 이때, 출구압력은 입구압력이 저압인 경우에는 60bar에서 25bar까지, 고압인 경우에는 600bar에서 250bar 까지 각각 변화시켰다.
유체해석 상용 프로그램인 FLUENT를 사용하여 입.출구부의 압력과 압력차이 등에 따른 유동특성을 상세하게 조사하였다. 이 결과, 수소충전용 체크밸브에서는 입구부 압력과 함께 입, 출구간 차압의 크기가 유동특성에 아주 큰 영향을 미쳤다.

대상 데이터

본 논문에서 해석대상으로 하는 수소 충전용 체크밸브는 Parker Instrumentation사(미국) 제품으로 호칭규격은 1/2”이며 이들의 상세한 형상은 참고문헌(4)에 나타내어져 있다.
본 논문에서는 충전압력의 차이에 따른 수소 충전용 체크밸브 내에서의 유동특성의 변화를 조사하기 위하여 사용한 유체는 수소이며, 주요물성 치는 Table.1 에 나타내었다. 입구압력이 70bar인 저압의 경우와 700bar인 고압의 경우로 나누어 해석하였다.

이론/모형

이때, 난류모델로는 표준 모델을 사용하고 표준벽함수(Standard wall function)를 적용하였다. Reynolds-Average 기법을 적용한 질량보존 방정식, 운동량 방정식 및 에너지 방정식은 순서대로 다음 식 들과 같다.

성능/효과

출구부의 압력과 압력차이 등에 따른 유동특성을 상세하게 조사하였다. 이 결과, 수소충전용 체크밸브에서는 입구부 압력과 함께 입, 출구간 차압의 크기가 유동특성에 아주 큰 영향을 미쳤다. 특히, 고압의 수소충전시에는 초우킹의 발생과 이로 인한 제반문제의 발생을 회피하기 위해서는 저압에서 고압으로의 단계별 충전이 필수적임을 알 수 있었다.
이 결과, 수소충전용 체크밸브에서는 입구부 압력과 함께 입, 출구간 차압의 크기가 유동특성에 아주 큰 영향을 미쳤다. 특히, 고압의 수소충전시에는 초우킹의 발생과 이로 인한 제반문제의 발생을 회피하기 위해서는 저압에서 고압으로의 단계별 충전이 필수적임을 알 수 있었다. 또한, CNG 충전용 체크밸브의 경우와 동일하게 충전초기에 시일이 이탈할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위한 설계변경이 요구된다.

후속연구

또한, CNG 충전용 체크밸브의 경우와 동일하게 충전초기에 시일이 이탈할 수 있기 때문에 이를 방지하기 위한 설계변경이 요구된다. 따라서, 본 논문에서 사용한 해석 방법과 결과는 수소충전 시스템을 구성하는 제반부품의 설계와 성능예측에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

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