[논문]볼 밸브 압력강하와 공동현상감소에 대한 연구

구본찬; 기준우; 이도형

볼 밸브 압력강하와 공동현상감소에 대한 연구
A Study on analysis between pressure-drop and cavitation diminution with ball valve 원문보기

구본찬 (한양대학교 기계공학부) , 기준우 (한양대학교 기계공학부) , 이도형 (한양대학교 기계공학부)

관내의 유량을 제어하는 볼 밸브(ball valve)는 개폐각도(opening degree)가 커짐에 따라 출구에서 유속이 증가하고 밸브(valve)의 입 출구 간 압력강하(pressure drop)가 증가한다. 출구에서의 압력이 작동유체의 포화증기압보다 낮아질 때 공동현상(cavitation)이 발생한다. 관내에서의 공동현상은 배관시스템의 진동 및 소음, 부식 등에 있어서 악영향을 미칠 수 있으므로 설계에 매우 중요한 요소이다. 버터플라이 밸브를 비롯한 다른 밸브에서는 공동현상감소에 대한 연구가 많이 이루어졌다. 이에 본 연구에서는 볼 밸브 내 유동 특성(characteristic of flow)과 볼 밸브의 입출구간 압력강하를 줄이는 연구를 수행하였다. 개폐 각도와 그에 따른 압력강하와의 관계를 Edison_전산열유체를 사용하여 분석하고 공동현상을 감소시킨 볼 밸브의 설계를 제시 하였다.

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문제 정의

본 연구에서는 5m/s의 유속으로 유입되는 물에 대한 볼 밸브에서의 내부 유동해석을 수행하였다. 30°에서는 나타나지 않았지만 40°에서 출구이후로 25℃의 수증기의 포화증기압인 3169Pa보다 낮은 압력이 나타났다.

가설 설정

05로 다른 곳보다 조밀하게 설정하였다. 작동유체는밸브 개발 시 기본적으로 가정하는 물을 사용하였으며 error tolerance는 0.0001, iteration은 50000번으로 설정하였다.

제안 방법

⁽²⁾ 따라서, 30°, 40°에 대한 유동특성을 Edison_전산열유체를 통해 분석함과 동시에, 최종적으로 공동현상이 줄어드는 설계방법을 제시하겠다.
밸브 출구에서 포화증기압까지 내려가지 않는 밸브의 필요성이 제시 되었고, 밸브내부에 유체저항 요소를 추가하는 방법을 고안하였다. 네 가지의 1.75, 2.00, 2.25, 2.50cm case들에 대한 수치해석을 수행하였다. Fig 15를 보면 장애물이 생기면서 기존의 볼 밸브보다 최대압력이 상승하는 경향을 보이지만 최소 압력이 증가하므로 공동현상의 감소를 꾀 할 수 있었다.
30°에서는 나타나지 않았지만 40°에서 출구이후로 25℃의 수증기의 포화증기압인 3169Pa보다 낮은 압력이 나타났다. 밸브 출구에서 포화증기압까지 내려가지 않는 밸브의 필요성이 제시 되었고, 밸브내부에 유체저항 요소를 추가하는 방법을 고안하였다. 네 가지의 1.
유체의 저항 요소로써 총 네 개의 사각형으로 크기가 다른 case에 대한 연구를 수행하였다. 사각형을 집어넣음으로써 좁아지는 유로를 보상하기 위해 밸브내부의 형태를 원형으로하였으며, 개폐각도를 벨브바디를 통해 조절하도록 하였다. 총 네 가지 크기에 대한 case를수행하였으며 case1부터 case4는 각각 한 변의 길이가 1.
위와 같이 40°에서 발생한 공동현상을 감소시키기 위해 정사각형의 장애물을 밸브 내부에 추가한 형상을 고안하였다.
위와 같이 40°에서 발생한 공동현상을 감소시키기 위해 정사각형의 장애물을 밸브 내부에 추가한 형상을 고안하였다. 유체의 저항 요소로써 총 네 개의 사각형으로 크기가 다른 case에 대한 연구를 수행하였다. 사각형을 집어넣음으로써 좁아지는 유로를 보상하기 위해 밸브내부의 형태를 원형으로하였으며, 개폐각도를 벨브바디를 통해 조절하도록 하였다.
mesh는 기본 볼 밸브를 반지름이 50mm인 원형 안에 유로가 존재하는 형상으로 설정하였다. 후단에는 유동의 특성을 충분히 분석 할 수 있도록 직경의 10배인 1000mm에 490*99로 설정 하였고 형상이 급격히 변하는 곳에는 물성치들의 구배가 생기므로 격자 간 간격을 0.05로 다른 곳보다 조밀하게 설정하였다. 작동유체는밸브 개발 시 기본적으로 가정하는 물을 사용하였으며 error tolerance는 0.

대상 데이터

1_p를 사용하였다. mesh는 기본 볼 밸브를 반지름이 50mm인 원형 안에 유로가 존재하는 형상으로 설정하였다. 후단에는 유동의 특성을 충분히 분석 할 수 있도록 직경의 10배인 1000mm에 490*99로 설정 하였고 형상이 급격히 변하는 곳에는 물성치들의 구배가 생기므로 격자 간 간격을 0.

이론/모형

본 연구에서 수행하고자 하는 볼 밸브 유동특성분석에 사용된 비압축성 난류유동의 지배방정식으로 작동유체에 관한 연속방정식, 운동량 방정식, SST k-ω model을 사용하였으며 각각 식 (1)부터 (6)에 해당한다.

성능/효과

Fig 15를 보면 장애물이 생기면서 기존의 볼 밸브보다 최대압력이 상승하는 경향을 보이지만 최소 압력이 증가하므로 공동현상의 감소를 꾀 할 수 있었다. 2.00cm의 경우에서 밸브후단의 무 차원압력이 –2.460으로 공동현상이 발생하는 –3.938보다 모든 case중에서 가장 높아 공동현상에 대한 안정성을 확인했다. 따라서 2.
윤준용 등⁽¹⁾은 버터플라이 밸브에서의 압력강하를 감소시키기 위해 밸브표면에 저항요소를 만들었다. 감소된 속력을 통해 밸브 출구의 압력이 상승하였고 공동현상이 감소하였고 마찰로 인한 손실은 공동현상의 감소로 일정부분 회복할 수 있다. 본 연구에서는 볼 밸브 내에서 유동에 저항이 생기는 형상을 설계하여 압력강하의 감소에 대한 유동특성을 연구하였고 볼 밸브의개폐각도 30°에서는 공동현상 발생이 미미하지만, 확연한 공동현상이 개폐각 40°에서 발생한다는 연구결과가 있다.
개선된 형상에서 작동유체의 압력이 포화증기압보다 낮은 곳은 없었으며, 공동현상을 효과적으로 감소시켰다. Fig 13을 통해 사각형의 크기가 커질수록 입구압력이 커짐을 알 수 있었다.
개선된 형상의 밸브의 압력분포가 기존의 밸브와 마찬가지로 입·출구를 경계로 확연한 압력 차이를 볼 수 있으며, 출구 이후 부분에서는 커다란 와류가 생성됨을 볼 수 있었다.
본 연구에서는 볼 밸브 내에서 유동에 저항이 생기는 형상을 설계하여 압력강하의 감소에 대한 유동특성을 연구하였고 볼 밸브의개폐각도 30°에서는 공동현상 발생이 미미하지만, 확연한 공동현상이 개폐각 40°에서 발생한다는 연구결과가 있다.
입구와 출구사이의 속력차이는 30°보다 40°에서 증가하였으며 두 경우 모두 출구 뒷부분에서 큰 와류가 생성됨을 확인했다.

후속연구

00cm에서의 case가 공동현상방지에 최적형상임을 알 수 있다. 본 연구에서 수행하지 못한 다상유동을 이용한 연구와 밸브형상의 변화로 인한 유량제어에 대한 차후연구가 필요하다.

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