FILTER SYSTEM 내부에서의 속도 분포

황문식·한현각·오경문□

순천향대학교 신소재화학공학부

□경기도 수원시 권선구 SK 케미칼 공장內 다이나제트 연구소 소장

Velocity Distribution in the Filter System

Moon-Sik Hwang·Hyun-Kak Han·Kyoung Moon-Oh□

Division do Material and Chemical Engineering, College of Engineering

Soonchunhyang University, Asan 336-745, Korea.

□DYNA JET CO.,LTD, SK Chemical Plant, Gwonsun-Gu, Suwon, Korea.

1. 서론

과거의 장치 산업에서의 동향은 직접 장치를 설계하고 조립완성하여 시험운전을 거친 후에 부족한 점을 보완하기 위하여 다른 장치를 만드는 일을 반복해왔다. 하지만 이렇게 함으로써 아주 작은 시험장치라도 비용이 적지 않게 들어갔고, 그만큼 경제적으로 손해가 많았었다. 하지만 최근에는 그 시험장치조차 만들지 않고 computer program으로 modeling하고 simulation하여 차후에 발생할 변수들과 문제점들을 미리 보완하고 최종적으로 완벽하고 이상적인 장치를 만들 수 있게 되었다. 그 중 swirling flow는 실제로 장치내부에서 발생하므로 그 현상들을 직접 관찰하고 문제점들을 고찰할 수가 없었다. Swirling flow란 유체 흐름의 일종으로 난류흐름에서 발생하고, 원심력과 여려가지 변수에 의해 생기는 흐름이다. 최근에 많이 연구되고 있는 swirl flow는 여러 공학분야에서 발생하였고 연구되어지고 있지만, 독단적으로 발생하는 현상이 아니고 다른 현상과 복합적으로 발생하기 때문에 swirl flow만을 명백하고 완전하게 규명하지는 못하고 있는 실정이다. Swirling flow가 연구되고 있는 분야로는 주로 디젤과 제트엔진의 분사에 따른 엔진내부의 swirl flow가 있다. 그리고 대기에서 기류의 흐름 또한 중요한 연구대상중 하나이다. 최근에는 정수분야에 까지 적용시켜 일반 정수법과 swirl flow를 이용한 정수법을 비교하여 정수기의 성능을 향상시키기 위한 연구도 활발히 진행되고 적용되고 있다. 본 연구에서는 FLUENT program을 이용하여 원통형의 vessel을 modeling하고, swirl flow가 발생하는 vessel에서 유속과 압력의 변화를 모사 실험하여 vessel 내부의 형태와 최적유량을 계산하고, 더 나아가 vessel capacity에 적합한 유속과 Input 연결 pipe의 주사방향에 따른 zero point의 위치를 계산하는 것을 목적으로 한다.

2. 실험

2.1 이론

Swirling과 Rotating flows의 물리학적 표현

이상적인 자유 소용돌이 흐름에서, 완만한 움직임에 의해 만들어지는 원심력에 대한 방사 압력 분포와 사용된 Momentum Equations는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

[eqn: {□p}over{□ gamma}~=~{rho` omega^2}over{gamma}]□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□(압력 분포)

[eqn: □_i ([x_i ],t)=U_i ({[x_i ])}+u([x_i ],t)]□□□□□□□□□□(Momentum Equations)

[eqn: U_i (X)= INT ^{T}□(X,t) ~dt]

[eqn: INT ^{T}u_i (X,t)~dt=0]

Swirling Flows에서 난기류의 모델링

더 큰 정확성을 위하여 Navier-Stokes Eq.에서 얻어진 RNG-□,□난기류 모델을 일반적으로 사용하고, 이곳에 Swirl number(s)의 개념을 도입한다.

[eqn: S~=~ { INT _{ 0}^{R_{(i n)}} U ` omega {gamma}^{2} □d r }over{□_{(i n)} INT {U}^{2}` gamma □dr}]□□□□□□□□□□□□□□□□□□(Swirl number)

[eqn: □_i,j=0]□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□(Navier-Stokes Eq.)

[eqn: rho □_i,t + rho (□_i □_j )_ij =- p_,i +( mu ~□■_i,j )_,j]

[eqn: kappa = (□_i □_i )/2]□□□□□□□□□□□□□□□□□(Turbulent kinetic energy(□))

[eqn: epsilon = mu (□_i,j )^2 /2]□□□□□□□□□□□□□□□□(Rate of energy dissipation(□))

□Renormalization Group Theory(RNG)

[eqn: S epsilon =C■_ epsilon1 G { epsilon } over { kappa } -C■_ epsilon2 rho {epsilon^2 } over {kappa } -R]

[eqn: G=2 mu □S_ij S_ij]

[eqn: mu =mu_0 LEFT [ 1+ kappa SQRT { { rho C _mu } over { mu _0 epsilon } } RIGHT ]^2]

[eqn: R= {C _mu eta ^3 (1- eta / eta_ 0 ) } over {1+ beta eta ^3 }□ { epsilon ^2} over { kappa }]

2.2 실험 방법

1. Gambit program을 이용하여  그림과 같은 vessel을 3-차원으로 설계한다.

2. 각면을 wall로 설정해주고 상단pipe를 input, 하단pipe를 output으로 설정한다.

3. FLUENT 5.3을 이용하여 각 유량에 따른 vessel 내부의 속도변화를 관찰한다.

a. 유량 : 10    gal(US)/min 일 경우.

b. 유량 : 20    gal(US)/min 일 경우.

c. 유량 : 30    gal(US)/min 일 경우.

4. 주사각도에 따른 속도 변화를 관찰한다.

a. 주사각도 : +15□일 경우.

b. 주사각도 :   0□일 경우.

c. 주사각도 : -15□일 경우.

3. 결과

A. 유량에 따른 속도 변화

a. 10 gal(US)/min          b. 20 gal(US)/min         c. 30 gal(US)/min

B. 주사각도에 따른 속도 변화

a. +15□일 경우.              b. 0□일 경우.              c. -15□일 경우.

5. 참고문헌

1. Warren L. McCabe and Julian C. Smith and Peter Harriott, "Unit Operations of Chemical Engineering" 5th edition, McGraw-Hill(1993)

2. R. Byron Bird and Warren E. Stewart and Edwin N. Lightfoot, "Transport Phenomena", John Wiley & Sons(1960)

3. Frank M. White, "Viscous Fluid Flow",  McGraw-Hill(1974)

4. "Fluent Inc.", Fluent Incorporated vol.2(1994,1995), vol.1(1996)