[논문]사각덕트 내 이단 오리피스를 지나는 유동의 압력강하에 대한 수치해석

송우열; 김유곤

사각덕트 내 이단 오리피스를 지나는 유동의 압력강하에 대한 수치해석
A Numerical analysis on the pressure drop of the flow field past a two-staged orifice in a rectangular duct 원문보기

대한기계학회 2007년도 춘계학술대회B, 2007 May 30, 2007년, pp.2747 - 2752

송우열 (전남대학교 기계공학과 대학원) , 김유곤 (전남대학교 기계시스템공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical study has been performed on the flow past a two-staged orifice in a rectangular duct. The flow field including the recirculation region behind the orifice was investigated and the pressure drop was calculated. Water was used as a working fluid and the flow was treated as the turbulent flow, of which the Raynolds number was 6000. The main parameters for the pressure drop and the recirculation region were the orifice's inclined angle against the duct, the interval between two orifices, the shape of the orifice's hole having the same area, and the change of the hole position at the same interval. The variation of the flow field was investigated with each parameter. Consequently, it was found that the most dominant parameter influencing the drop of the pressure was the change of the hole position at the same interval between orifices. Especially when the interval between orifices was narrow and the relative position the holes was changed, its effect to the flow field was shown most drastically as a result of this study. The SIMPLER algorithm with FLUENT code was employed to analyze the flow field.

AI 본문요약
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문제 정의

오리피스에 있는 구멍위치에 따른 압력 감소와 후류 유동의 발달과정을 살펴보았다. 오리피스면 중앙에 각각 1개의 구멍이 있다.

가설 설정

Outflow을 지정하여 입구의 유량과 출구의 유량이 같은 상황으로 가정을 하였다.
관내의 흐름을 나타내는 지배 방정식을 기술하기 위해 유체는 3차원 축대칭 비압축성에 대한 난류 유동장으로 k-ε 일정한 점성을 가진 것으로 가정을 하였다.

제안 방법

(3) 오리피스 내 구멍 모양을 각각 직사각형 (1cm × 4cm)과 정사각형(2cm × 2cm)으로 하고, 덕트와 오리피스의 각도를 θ1에서 θ7까지 변화시켰다.
FLUENT code를 이용하여 오리피스에 대한 감압효과와 재순환 영역에 대한 영향을 조사 하였다.
또 수직 유동시에 측면 오리피스가 동일면적에 대한 다양한 형태는 두 오리피스 사이 간격과 배치에 따른 감압과 유동 현상에 대해서 조사되어 졌다.^[6]이와 같이 본 연구에서는 실제 열연 공장에서 사용되어지고 있는, 오리피스에서의 압력 감소와 유동 해석을 하기 위하여 상용 프로그램인 FLUENT code^[7]를 이용하여 작동 유체인 물에 대한 Re수를 6000에 대해서 계산하였다. 연구 요소로는 벽면과 오리피스와의 사이 각에서의 효과와 두 오리피스 사이의 거리에 따른 변화를 조사하였다.
연구 요소로는 벽면과 오리피스와의 사이 각에서의 효과와 두 오리피스 사이의 거리에 따른 변화를 조사하였다. 그리고 구멍 모양과 구멍 위치에 따른 압력강하와 유동현상에 대한 영향을 조사하였다.
만큼 이동하였다. 그리고 오리피스 간격이 d₈이상 일 때와 d₈이하 일 때 유동특성을 조사하였다. d₈이상에서는 구멍위치를 e₁, e₂, e₃, e₄, e₅로 이동하여 조사한 결과 구멍위치의 이동량이 많을수록 압력강하는 더 많이 나타났다.
두 오리피스 사이를 d₁부터 d₈까지 변화하여 압력 강하 및 후류 유동의 발달과정을 살펴보았다. d₂이하일 때는 압력 강하효과가 매우 많이 나타났다.
두 오리피스간 길이를 d₈에서 d₁₂까지 변화시켜 압력 감소와 후류 유동의 발달과정을 살펴보았다. Fig.
1에 나타내었다. 벽과 오리피스 사이각도와 두 오리피스 간의 길이에 따른 유동장과 압력 변화를 계산하였다.
벽과 오리피스 사이의 θ를 각각 θ1에서 θ7까지 15° 간격으로 변화시켜 압력 감소와 오리피스 뒤의 후류 유동의 발달과정을 살펴보았다.
본 연구는 FLUENT code로 SIMPLER 알고리즘을 사용하여 이산화 된 Navier-stoke 방정식과 연속 방정식을 풀었다. 관내의 흐름을 나타내는 지배 방정식을 기술하기 위해 유체는 3차원 축대칭 비압축성에 대한 난류 유동장으로 k-ε 일정한 점성을 가진 것으로 가정을 하였다.
유체가 오리피스의 교축부에 통과 할 때, 단면적의 변화로 유속의 변화는 압력변화를 일으키는데, 이러한 압력 손실량을 계량적으로 이용하는 방법이 오리피스를 이용한 유량측정용인 것이고, 압력 손실량의 유체흐름에 직접적으로 이용하는 것이 제한용 오리피스이다. 본 연구는 사각 덕트 내 이단 오리피스를 이용하여 압력감소(Pressure Drop)와 후류유동(Rear Flow)^[2]에 대하여 전산 해석하였다. 실제로 제철소에서 사용중인 제한용 오리피스는 열연 공장에서 후판(Slab)에 열을 가할 때에 생기는 산화물의 박편(Scale)을 제거하기 위하여, 펌프에서 고압수를 만들어 후판표면의 박편을 제거한다.
^[6]이와 같이 본 연구에서는 실제 열연 공장에서 사용되어지고 있는, 오리피스에서의 압력 감소와 유동 해석을 하기 위하여 상용 프로그램인 FLUENT code^[7]를 이용하여 작동 유체인 물에 대한 Re수를 6000에 대해서 계산하였다. 연구 요소로는 벽면과 오리피스와의 사이 각에서의 효과와 두 오리피스 사이의 거리에 따른 변화를 조사하였다. 그리고 구멍 모양과 구멍 위치에 따른 압력강하와 유동현상에 대한 영향을 조사하였다.
오리피스 모양을 직사각형(1cm × 4cm, h1)와 정사각형(2cm × 2cm, h2)일 때 각도를 변화시켜 압력 감소와 후류 유동의 발달과정을 살펴보았다.

성능/효과

구멍위치의 변화가 클수록 압력강하는 크게 나타났다. 구멍 이동이 없을 때 보다 구멍 이동이 최대일 때 128.5% 향상된 압력강하 효과를 볼 수 있었다.
d₈이상에서는 구멍위치를 e₁, e₂, e₃, e₄, e₅로 이동하여 조사한 결과 구멍위치의 이동량이 많을수록 압력강하는 더 많이 나타났다. 구멍 이동이 없을 때 보다 구멍 이동이 최대일 때 42.59% 향상된 압력강하 효과를 볼 수 있었다. d₈이하에서 역시 구멍위치를 e₁, e₂, e₃, e₄, e₅로 이동하여 조사하였으며, 두 오리피스 간격이 2cm 이하일 때 압력강하 효과가 급격히 올라간다.
d₂이하일 때는 압력 강하효과가 매우 많이 나타났다. 구멍이동이 없을 때와 비교해서 e₂일 때 67%, e₃일 때 76.78%, e₄일 때 89.06%, e₅일 때 128.5% 향상된 압력강하 효과를 보여줬다. 오리피스간격이 너무 좁기 때문에 앞단 오리피스에서 통과한 운동에너지가 뒷단 오리피스에 부딪혀 감소하게 된다.
오리피스가 θ₁이므로 이것을 기준으로 앞단 오리피스의 h는 중앙쪽으로 이동하고, 뒷단 오리피스의 h는 벽쪽으로 이동하여 이동위치를 극대화 시켰다. 유동흐름은 오리피스 사이의 거리가 충분히 멀리 있을 때와 극단적으로 가까울 때 압력강하 효과가 매우 다른 것을 관찰할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	오리피스의 어떻게 구분되는가?	오리피스[1]는 압력이 높은 유체를 압력이 낮은 유체로 변환하거나, 유체 흐름을 제한하기 위한 목적의 제한용 오리피스와 유량측정을 위해 차압(Differential Pressure)을 발생시키는 유량 측정용 오리피스로 구분된다. 유체가 오리피스의 교축부에 통과 할 때, 단면적의 변화로 유속의 변화는 압력변화를 일으키는데, 이러한 압력 손실량을 계량적으로 이용하는 방법이 오리피스를 이용한 유량측정용인 것이고, 압력 손실량의 유체흐름에 직접적으로 이용하는 것이 제한용 오리피스이다.
	제한용 오리피스의 특징은?	오리피스[1]는 압력이 높은 유체를 압력이 낮은 유체로 변환하거나, 유체 흐름을 제한하기 위한 목적의 제한용 오리피스와 유량측정을 위해 차압(Differential Pressure)을 발생시키는 유량 측정용 오리피스로 구분된다. 유체가 오리피스의 교축부에 통과 할 때, 단면적의 변화로 유속의 변화는 압력변화를 일으키는데, 이러한 압력 손실량을 계량적으로 이용하는 방법이 오리피스를 이용한 유량측정용인 것이고, 압력 손실량의 유체흐름에 직접적으로 이용하는 것이 제한용 오리피스이다. 본 연구는 사각 덕트 내 이단 오리피스를 이용하여 압력감소(Pressure Drop)와 후류유동(Rear Flow)[2]에 대하여 전산 해석하였다.
	오리피스에 대한 감압효과와 재순환 영역에 대한 영향을 조사한 결과는?	(1) 벽과 오리피스 사이 각도를 Θ1에서 Θ7 까지 변화시켰다. 유동 특성은 Θ1 ~Θ3, Θ4, Θ5 ~Θ7 에서 다르게 나타난다. Θ1 ~Θ3은 오리피스를 통과한 두유동이 충돌하여 압력강하가 일어나고 Θ2에서 가장 압력강하가 잘 일어난다, Θ4는 오리피스가 수직이기 때문에 압력강하 효과가 적다. Θ5 ~Θ7 은 오리피스를 통과한 유동이 벽에 충돌하면서 압력 강하가 잘 일어나고 Θ6에서 가장 압력강하가 잘 일어난다. (2) 두 오리피스 사이의 간격을 d8, d9, d10, d11, d12로 변화시켰다. 간격에 따른 유동의 차이는 있었지만, 오리피스를 통과한 전후의 압력차는 비슷한 형태를 보였다. (3) 오리피스 내 구멍 모양을 각각 직사각형 (1cm × 4cm)과 정사각형(2cm × 2cm)으로 하고, 덕트와 오리피스의 각도를 Θ1에서 Θ7 까지 변화시켰다. 각도에 따라서 압력강하 효과는 구멍 모양에 따라 다르게 나왔다. Θ1 ~Θ3, Θ5 ~Θ7 에서는 정사 각형이 직사각형보다 CP의 값이 0.014 더 많은 압력강하를 보여주며, Θ3 ~Θ5에서는 직사각형이 정사각형보다 CP의 값이 0.030 더 많은 압력강하를 보여주었다. (4) 앞단 오리피스와 뒷단 오리피스 구멍위치를 상대적으로 e1, e2, e3, e4, e5만큼 이동하였다. 그리고 오리피스 간격이 d8이상 일 때와 d8이하 일 때 유동특성을 조사하였다. d8 이상에서는 구멍위치를 e1, e2, e3, e4, e5로 이동하여 조사한 결과 구멍위치의 이동량이 많을수록 압력강하는 더 많이 나타났다. 구멍 이동이 없을 때 보다 구멍 이동이 최대일 때 42.59% 향상된 압력강하 효과를 볼 수 있었다. d8이하에서 역시 구멍위치를 e1, e2, e3, e4, e5로 이동하여 조사하였으며, 두 오리피스 간격이 2cm 이하일 때 압력강하 효과가 급격히 올라간다. 구멍위치의 변화가 클수록 압력강하는 크게 나타났다. 구멍 이동이 없을 때 보다 구멍 이동이 최대일 때 128.5% 향상된 압력강하 효과를 볼 수 있었다.

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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