[논문]사류펌프 내 삼차원 유동의 수치해석

안형진; 김진혁; 김광용

문제 정의

본 연구에서는 양ㆍ배수용으로 사용되는 입축사류펌프 모델로, 데이터의 신뢰가 높은 제품을 선정하고자 상용화되어 있는 제품 중에서 최근 4회 이상 제작되었고, 수차례의 실험에 의하여 효율 및 사양이 검증된 제품을 선정하였다. 최고효율점(Best Efficiency Point)에서의 비속도는 Ns=N*Q^0.
본 연구에서는 양배수용으로 사용되는 입축사류펌프 내의 내부 유동특성을 파악하고자 삼차원 RANS 해석을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석의 타당성을 검증하기 위해 격자의존성 테스트를 수행하였고, RANS 해석결과와 성능시험의 결과를 바탕으로 비교하였다.
본 연구에서는 입축사류펌프 내의 내부 유동의 특성을 파악하고자 삼차원 RANS 해석을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석의 타당성을 검증하기 위해 사류펌프 내부유동에 대한 RANS 해석결과를 실험결과와 비교하였고, 수치해석을 통한 사류펌프 내부의 유동특성을 파악하여 향후 최적설계를 위한 기초자료를 마련하고자 하였다.
본 연구에서는 입축사류펌프 내의 내부 유동의 특성을 파악하고자 삼차원 RANS 해석을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석의 타당성을 검증하기 위해 사류펌프 내부유동에 대한 RANS 해석결과를 실험결과와 비교하였고, 수치해석을 통한 사류펌프 내부의 유동특성을 파악하여 향후 최적설계를 위한 기초자료를 마련하고자 하였다.

가설 설정

본 연구에서는 ANSYS사의 상용 소프트웨어인 ANSYS CFX-11.0[7]을 사용하여 사류펌프의 내부 유동장을 삼차원 정상상태로 가정하여 해석을 수행하였다. 사류펌프의 형상, 격자생성, 경계조건의 정의, 유동해석 및 결과 정의는 각각 Blade-Gen, Turbo-Grid, CFX-Pre, CFX-Solver와 CFX-Post를 사용하야 수행하였다.
해석 대상인 사류펌프의 임펠러와 디퓨저는 각각 블레이드가 5개와 6개씩 구성이 되어있으나, 계산시간의 단축과 수렴성의 향상을 위해 인접하는 두 블레이드 사이의 유동장이 회전방향에 대해 주기적으로 형성되어 있다고 가정하여 각각 하나의 유로에 대해서만 해석을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서의 성능시험은 Fig. 4와 같이 설치되어 수행되었으며, 펌프의 전양정(H)을 구하기 위해 펌프의 출구에서 정압을 측정하였고, 토출된 유량을 측정하여 면적에 상응하는 동압을 계산하였다. 회전속도는 동력전달 축에 광센서를 통하여 측정되었으며, 동력은 입력 전력과 사전에 시험된 모터의 효율에 의하여 계산하였다.
0[7]을 사용하여 사류펌프의 내부 유동장을 삼차원 정상상태로 가정하여 해석을 수행하였다. 사류펌프의 형상, 격자생성, 경계조건의 정의, 유동해석 및 결과 정의는 각각 Blade-Gen, Turbo-Grid, CFX-Pre, CFX-Solver와 CFX-Post를 사용하야 수행하였다.
성능곡선 상에서의 효율적 표현을 위하여 유량계수(Φ), 양정계수 (Ψ) 및 효율(η)에 대해서는 다음과 같이 무차원화 된 변수를 사용하였다[10].
4와 같이 설치되어 수행되었으며, 펌프의 전양정(H)을 구하기 위해 펌프의 출구에서 정압을 측정하였고, 토출된 유량을 측정하여 면적에 상응하는 동압을 계산하였다. 회전속도는 동력전달 축에 광센서를 통하여 측정되었으며, 동력은 입력 전력과 사전에 시험된 모터의 효율에 의하여 계산하였다.

대상 데이터

앞에서 기술된 사류펌프의 수치해석을 수행하기 전 단계로서 해석을 위한 최적의 격자계를 구성하고자 Fig. 3과 같이 격자의존성을 제거하기 위한 테스트는 단일유로에 대하여 총 20만개에서 80만개의 격자수 사이에서 이루어졌으며 그 결과 계산에 사용될 최적의 격자수는 총 60만개로 결정하였다.

데이터처리

수치해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 RANS 해석결과와 성능시험의 결과를 바탕으로 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 양배수용으로 사용되는 입축사류펌프 내의 내부 유동특성을 파악하고자 삼차원 RANS 해석을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석의 타당성을 검증하기 위해 격자의존성 테스트를 수행하였고, RANS 해석결과와 성능시험의 결과를 바탕으로 비교하였다. 그 결과, 각 유량계수에서 예측한 양정 및 효율은 대부분 시험결과와 잘 일치함을 보여 주었다.

이론/모형

난류모델로는 벽함수와 함께 SST(Shear Stress Transport)모델[8]을 사용하였다. 일반적으로 SST모델은 역압력구배로 인한 유동박리현상을 예측하는데 있어 다른 2-방정식 난류모델들에 비해 성능이 우수하다고 Bardina[9]에 의해 보고된 바 있다.
Hwang 등[5]은 waterjet 추진용 시류펌프의 설계에 대하여 CFD코드에 의한 해석결과를 도입함으로서 비교적 신뢰할 결과를 얻었고, 연구결과를 통하여 최적설계, 성능해석 및 제작을 하는데 있어서 기존의 산업용 시류펌프에 대한 설계제한조건을 제시하였다. 상용 CFD 코드를 이용한 원심펌프 임펠러의 성능 해석은Choi 등[6]에 의해 수행되었다. 그들은 수치해석결과와 실험결과의 좋은 일치성을 보여주었오며, 또한 각각의 수치기법과 난류모델을 조합하여 평가한 결과, 임펠러의 성능을 평가하는 성능변수는 면적 적분된 값이 사용된 수치기법이나 난류모델의 영향을 거의 받지 않는다는 결과를 도출하였다.
사류펌프를 통과하는 작동유체는 물로 하였고, 경계조건으로 입구조건은 균일한 상태의 대기압을 주었으면 난류강도는 5%로 설정을 하였다. 출구조건으로는 단일유로에서의 유량을 주었으며, 지배방정식은 유한체적법으로 이산화 하였다. 회전하는 임펠러와 정지상태의 디퓨저 사이의 경계면은 격자면의 계산 값을 그대로 정지좌표계에 입력 값으로 사용하는 방식인 Frozen-Rotor 방식을 적용하지 않고, 회전 좌표계의 격자면에서 계산 값을 평균화하여 정지좌표계에 입력하는 Stage방식을 적용하였다.
출구조건으로는 단일유로에서의 유량을 주었으며, 지배방정식은 유한체적법으로 이산화 하였다. 회전하는 임펠러와 정지상태의 디퓨저 사이의 경계면은 격자면의 계산 값을 그대로 정지좌표계에 입력 값으로 사용하는 방식인 Frozen-Rotor 방식을 적용하지 않고, 회전 좌표계의 격자면에서 계산 값을 평균화하여 정지좌표계에 입력하는 Stage방식을 적용하였다.[7]

성능/효과

수치해석의 타당성을 검증하기 위해 격자의존성 테스트를 수행하였고, RANS 해석결과와 성능시험의 결과를 바탕으로 비교하였다. 그 결과, 각 유량계수에서 예측한 양정 및 효율은 대부분 시험결과와 잘 일치함을 보여 주었다. 설계점에서의 수치해석을 토대로 내부 유동장을 분석 한 결과, 디퓨저 날개의 뒷전 부근의 흡입면 영역에서 압력이 다소 침체되는 구간이 발생하는 것을 볼 수 있었으며, 이는 향후 최적설계를 통하여 성능 향상을 도모할 수 있는 주요인자로 보여진다.
상용 CFD 코드를 이용한 원심펌프 임펠러의 성능 해석은Choi 등[6]에 의해 수행되었다. 그들은 수치해석결과와 실험결과의 좋은 일치성을 보여주었오며, 또한 각각의 수치기법과 난류모델을 조합하여 평가한 결과, 임펠러의 성능을 평가하는 성능변수는 면적 적분된 값이 사용된 수치기법이나 난류모델의 영향을 거의 받지 않는다는 결과를 도출하였다.
수치해석 결과를 토대로 설계점에서의 내부 유동장을 살펴본 결과, Fig. 6에서 볼 수 있듯이 디퓨저 영역에서의 압력손실이 일부 발생하는 것으로 확인되었다. Fig.

후속연구

설계점에서의 수치해석을 토대로 내부 유동장을 분석 한 결과, 디퓨저 날개의 뒷전 부근의 흡입면 영역에서 압력이 다소 침체되는 구간이 발생하는 것을 볼 수 있었으며, 이는 향후 최적설계를 통하여 성능 향상을 도모할 수 있는 주요인자로 보여진다. 본 연구 결과를 통하여 향후 RANS 해석과 대리모델을 결합한 최적설계를 수행할 시, 기준 사류펌프에 대한 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.
그 결과, 각 유량계수에서 예측한 양정 및 효율은 대부분 시험결과와 잘 일치함을 보여 주었다. 설계점에서의 수치해석을 토대로 내부 유동장을 분석 한 결과, 디퓨저 날개의 뒷전 부근의 흡입면 영역에서 압력이 다소 침체되는 구간이 발생하는 것을 볼 수 있었으며, 이는 향후 최적설계를 통하여 성능 향상을 도모할 수 있는 주요인자로 보여진다. 본 연구 결과를 통하여 향후 RANS 해석과 대리모델을 결합한 최적설계를 수행할 시, 기준 사류펌프에 대한 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 생각된다.

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