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문제 정의
- 본 연구의 목적은 ANSYS CFX 프로그램을 이용하여 캔드모터펌프의 설계점과 탈설계점에서의 유량에 따른 수두를 케이싱(Casing) 전과 후에서 비교하고 펌프내의 유동현상을 관찰하는 데에 있다. 펌프의 성능예측의 정확도를 높이기 위해서 누설유로를 포함한 캔드모터펌프의 모든 구성요소를 계산영역으로 설정하였다
제안 방법
- 있는지를 판단하는 척도가 될 수 있다. 그러나 본 연구는펌프의 실험적 연구에 앞서 선행되었기 때문에, 유량의 변화에 따른 펌프의 수두변화와 각각의 유량에서의 유동만을 관찰하였다. Figure 5에는 앞서 말한 Part A와 PartB에서 유량의변화에 따른 수두를 그래프로 비교하였다.
- 본 논문에서는 원자력발전소용 캔드모터펌프의 유량에 따른 수두의 변화를 케이싱의 통과하기 전과 후로 나누어 비교하였다 두 부분에서의 수두를 비교하였을 때 디퓨져 출구에서의 압력이 유동 출구보다 높았는데 이를 통하여 케이싱을통과하는데 발생하는 손실을 예측할 수 있었다. 작동조건보다고유량이 되면 수두가 떨어지고 저유량이 되었을 때 수두가올라갔으나 유량이 80.
- 4에 나타내었다. 수두 측정은 입구-디퓨져 출구부분 사이의 차압에 의한 수두(PartA), 입구-출구 부분사이의 차압에 의한 수두(PartB)로 펌프의 수두와 케이싱에의한 압력 손실을 측정하였다. 수치해석은 상용프로그램인 ANSYS CFX프로그램을 사용하였으며 CPU-Intel Xeon X64 X6560a QC One Processor 외 5대, 32core로 구성되어있는 병렬컴퓨터로 수행되었으며, 각 해석에서는 2000cycle을 진행하였으며, 각각 9 core를 사용하여 29시간 소요되었다.
- 3에 나타내었다. 이그림에서 윗부분이 유동의 입구 부분이고 우측이 출구 부분이다 격자 구성에는 ANSYS Mesh와 ICEM CFD프로그램이사용되었다 전체 유동 영역에서 임펠러부분과 디퓨져부분은 ANSYS Mesh프로그램을 이용하여 테트라격자를 구성하였고 ICEM CFD 프로그램을 이용하여 입구 방향으로 연장된 부분을 정렬격자로, 케이싱 부분을 테트라 격자로 구성하였다. 전체 유동해석영역의 격자는 노드수로는 235만개, 요소수로는 760만개가 소요되었고 임펠러와 디퓨져 영역에서 190만개의 ^^, 640만 요소의 격자를 집중시켜 해석의 정밀도를 높였다.
- 작동조건에서의 유동흐름을보았을 때 임펠러 입구쪽에서 유동이 불안정한 현상 없이 임펠러로 유입되는 데에 반하여, 저유량조건에서의 유동을 벡터로 나타내었을 때 입구부분에서 임펠러로 유입될 때 유동의역류가 발생함을 확인할 수 있다. 이에 입구길이가 임펠러 입구의 2.2배일 때는 역류가 입구 근처까지 발달되었기 때문에역류의 정도를 정확히 판단하고 입구길이에 따른 속도벡터의변화를 관찰하기 위해서 입구길이를 5배로 늘려 해석을 수행하였고, Fig.7의 (b)에 입구길이가 5배일 때 유동의 벡터를 나타내었다 이에 따른 결과를 비교해 보았을 때 입구길이에 따른 벡터의 변화는 크지 않은 것으로 볼 수 있다. Table1 에는저유량 조건에서의 입구길이에 따른 수두를 비교하였는데 입구길이에 따른 수두의 오차가 1 % 내외인 것으로 확인되었다.
- 작동조건보다고유량이 되면 수두가 떨어지고 저유량이 되었을 때 수두가올라갔으나 유량이 80.3%이하에서는 더 이상 수두가 올라가지 않았다 해석의 유량이 낮아졌음에도 수두가 올라가지 않아 저유량과 작동조건의 해석값을 비교하였다. 이에 작동조건과 저유량조건에서의 속도벡터를 비교해본 결과 작동조건에서는 입구에서 불안정한 현상 없이 임펠러로 유입되는 데에반하여, 저유량조건에서는 임펠러 입구에서 역류가 발생하여펌프의 성능을 저하시키는 것을 확인할 수 있었다
- 데에 있다. 펌프의 성능예측의 정확도를 높이기 위해서 누설유로를 포함한 캔드모터펌프의 모든 구성요소를 계산영역으로 설정하였다
- 해석은 작동유량을 100%으로 하여 48.2%, 64.2% 80.3%, 100%, 112.4%에서 해석을 수행하였다. 펌프의 해석에서의수두 측정위치를 Fig.
- 2에 나타내었다. 해석의 정확성을높이기 위해서 누설유로를 포함한 원주방향 전체유로를 해석영역으로 지정하였고, 설계도면에 제시되어있는 디퓨져 출구방향의 케이싱을 모델링 하였으며, 펌프의 입구와 출구에서의유동을 안정시키기 위하여 유동의 입구에서 임펠러 직경의 2.2배의 입구관을 출구에서는 케이싱 직경의 3.5배의 출구관을 모델링하여 도메인 내로 유동이 나가거나 들어오는 것을방지하였다 해석에서 임펠러부분을 회전체로 정의하고 그 나머지 도메인을 비회전체로 정의하였으며, 격자구성과 각 단계별 압력의 변화를 측정하기 위해서 도메인을 입구부분, 임펠러부분, 디퓨져부분, 케이싱 부분, 출구부분으로 5개의 도메인으로 나누어 해석을 진행하였다.
데이터처리
- 고유량과 저유량에서의 유동흐름을 비교하기 위해서 작동유량과, 48.2%의 유량에서의 해석결과를 비교하였다. Figure6 과 Fig.
- 수두 측정은 입구-디퓨져 출구부분 사이의 차압에 의한 수두(PartA), 입구-출구 부분사이의 차압에 의한 수두(PartB)로 펌프의 수두와 케이싱에의한 압력 손실을 측정하였다. 수치해석은 상용프로그램인 ANSYS CFX프로그램을 사용하였으며 CPU-Intel Xeon X64 X6560a QC One Processor 외 5대, 32core로 구성되어있는 병렬컴퓨터로 수행되었으며, 각 해석에서는 2000cycle을 진행하였으며, 각각 9 core를 사용하여 29시간 소요되었다.
이론/모형
- 입구, 출구, 인터페이스를 제외한 모든 벽면에서는 점착조건(No-slip condition)으로 하였다 입구도메인-임펠러도메인, 임펠러도메인-디퓨져도메인 사이의 인터페이스에서는 프로즌 로터 기법을 적용하였다.
- 해석에 사용된 유체는 4℃의 물로써 기준기압은 1기압이다 해석모델은 k-e난류모델을 사용하였고, 열전달의 영향은 크지 않을 것이므로 고려하지 않았다 유동해석에서 입구에서는 유량조건, 출구에서는 상대압력 0Pa로 하였다. 입구, 출구, 인터페이스를 제외한 모든 벽면에서는 점착조건(No-slip condition)으로 하였다 입구도메인-임펠러도메인, 임펠러도메인-디퓨져도메인 사이의 인터페이스에서는 프로즌 로터 기법을 적용하였다.
성능/효과
- PartB가 PartA보다 수두가 떨어지는 것은 디퓨져출구에서 유동 출구로 나가는 데에 있어서 케이싱을 통과할 때 발생하는 손실로 볼 수 있다. PaHA와 Part B의 결과를 비교하였을 때 고유량조건보다 저유량에서 Part A와 Part B의 차이가 더 작은 것으로 보아 저유량에서 디퓨져 출구에서 유동출구사이에서 손실이 더 작은 것을 알 수 있다.
- 3 % 이하에서는 유량의 감소에 따른 수두의 상승이 발생하지 않는결과를 확인할 수 있다. 또한 Part A와 PartB에서의 수두를 비교하였을 때 PartB에서 PartA와 비교하여 낮은 수두를 나타내는 것을 확인할 수 있다. PartB가 PartA보다 수두가 떨어지는 것은 디퓨져출구에서 유동 출구로 나가는 데에 있어서 케이싱을 통과할 때 발생하는 손실로 볼 수 있다.
- 10에 나타내었다. 설계점에서 스트릭선은 모든 점에서 임펠러와 디퓨져를지나날 때에 방해를 받지 않고 케이싱으로 토출되지만 저유량 조건에서는 반경이 53%일 때는 뒤로 나가는 유동이 없지만 반경이 69%일 때는 디퓨져 부분에서 박리가 생성되었고, 77%의 반경에서 출발한 유체는 임펠러에서 튕겨져 나오는유동을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
- 수두를 나타내었다. 유량에 따른 수두의 변화를 보았을 때 작동유량보다 고유량이 되면 수두가 감소하고, 작동유량보다 저유량이 되면 수두가 증가한 것을 확인할 수 있다. 그러나 유량이 80.
- 유량은 작동조건을 100%으로 하여 상대적인 %로 나타내었고, 수두도 작동조건에서의 Part A에서의 100%유량에서의 수두를 100 %로 하여상대적인 수두를 나타내었다. 유량에 따른 수두의 변화를 보았을 때 작동유량보다 고유량이 되면 수두가 감소하고, 작동유량보다 저유량이 되면 수두가 증가한 것을 확인할 수 있다.
- 여기서의 압력도 저유량조건에서의 디퓨져출구면의 평균전압과 입구면의 평균 전압의 차이에대한 %로 나타내었다. 이 해석결과를 비교하였을 때 작동조건에서는 유동 입구-임펠러 입구 사이에서 전압의 변화가 거의 없지만 저유량조건에서는 유동입구-임펠러 입구에서 전압상승이 큰 것을 확인할 수 있다. 유동입구와 임펠러 입구 사이에서는 동력이 생성되는 개체가 없기 때문에, 저유량조건에서 유동입구와 임펠러 사이의 전압상승은 임펠러에서 발생되는 동력이 역류되는 유동과 함께 입구방향으로 전달된 것으로 볼 수 있다.
- 3%이하에서는 더 이상 수두가 올라가지 않았다 해석의 유량이 낮아졌음에도 수두가 올라가지 않아 저유량과 작동조건의 해석값을 비교하였다. 이에 작동조건과 저유량조건에서의 속도벡터를 비교해본 결과 작동조건에서는 입구에서 불안정한 현상 없이 임펠러로 유입되는 데에반하여, 저유량조건에서는 임펠러 입구에서 역류가 발생하여펌프의 성능을 저하시키는 것을 확인할 수 있었다
- 7에서는 로 나타내었다. 작동조건에서의 유동흐름을보았을 때 임펠러 입구쪽에서 유동이 불안정한 현상 없이 임펠러로 유입되는 데에 반하여, 저유량조건에서의 유동을 벡터로 나타내었을 때 입구부분에서 임펠러로 유입될 때 유동의역류가 발생함을 확인할 수 있다. 이에 입구길이가 임펠러 입구의 2.
- 이그림에서 윗부분이 유동의 입구 부분이고 우측이 출구 부분이다 격자 구성에는 ANSYS Mesh와 ICEM CFD프로그램이사용되었다 전체 유동 영역에서 임펠러부분과 디퓨져부분은 ANSYS Mesh프로그램을 이용하여 테트라격자를 구성하였고 ICEM CFD 프로그램을 이용하여 입구 방향으로 연장된 부분을 정렬격자로, 케이싱 부분을 테트라 격자로 구성하였다. 전체 유동해석영역의 격자는 노드수로는 235만개, 요소수로는 760만개가 소요되었고 임펠러와 디퓨져 영역에서 190만개의 ^^, 640만 요소의 격자를 집중시켜 해석의 정밀도를 높였다.
- Table1 에는저유량 조건에서의 입구길이에 따른 수두를 비교하였는데 입구길이에 따른 수두의 오차가 1 % 내외인 것으로 확인되었다. 해석의 오차를 고려하였을 때, 2.2배의 입구길이에서 해석을수행하였을 때에도 충분히 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을것으로 판단된다
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