FLUENT Code를 이용한 Vessel 내부흐름의 동적 모사

황문식·한현각·오경문※

순천향대학교 신소재화학공학부

※경기도 수원시 권선구 SK 케미칼 공장內 다이나제트 연구소 소장

Dynamic Simulation internal Vessel using Fluent Code

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 방향의 연결 pipe의 크기까지 추산하여 더 적합한 vessel을 modeling하는 것을 목적으로 한다.

2. 실험

2.1 이론

Swirling과 Rotating flows의 물리학적 표현

Swirling flows 안에서, 가장자리 부분의 momentum(rw 또는 r2□ =constant)에 의해 보다 더 자유로운 vortex flow를 일으키는 경향성이 있다. 거기에 있어서 swirling momentum에 의한 속도(W)는 반경(R)이 감소(점성력과 같이 R=0에 가까워지므로 결국 W만 존재하게된다.)함으로써 급격하게 증가한다. 자유로운 소용돌이의 한 예로 회오리바람을 들 수 있다.

이상적인 자유로운 소용돌이 흐름을 위해, 완만한 움직임에 의해 만들어지는 원심력이 방사 압력 경사는 다음과 같은 식으로 평형에 있는 것을 나타낼 수 있다.

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

이상적이지 못한 소용돌이의 전개에서의 바깥부분의 momentum의 배열에 따라, 이 방사의 압력 경사의 형태는 바뀌고, 비균일한 더 높은 압력에 대응하여 x축의 흐름과 r축의 흐름이 변화한다. 이와 같이, FLUENT/UNS 모델에서 소용돌이의 배열을 계산하는 것에 따라, 정적인 압력 배열에 있어서의 변화를 알 수 있고, 기준흐름과 방사흐름속도에서 일정하게 변화하는 것을 알 수 있을 것이다. 복합적인 Swirling flows의 모델을 제작하는 것은 swirl과 압력의 정교한 조화를 필요하다.

기하학적인 면과 흐름 상태에 관해서 선형대칭일지도 모르지만 swirling phenomena를 포함할 것이다. 이 경우, 2차원의 흐름으로 modeling할 수 있고, vessel 주위의 속도를 예측할 수 있다. 흐름이 선형대칭이라는 가정이 어떤 회전하는 흐름에 없다는 것을 의미하지만 vessel 내부 어느 부분에서는 0이상의 swirl velocity가 생길 것이고, 이점에 유의하여야한다.

2차원의 swirling flow에 대한 표현식은 다음과 같다.

[eqn: {□} over {□t}(rho`omega)+ {1} over {gamma} {□} over {□ x}(gamma `rho`u `omega)+{1}over{gamma}{□}over{□gamma}(gamma` rho` v ` omega)~=~{1}over{gamma}{□}over{□x}`[gamma mu `{□omega} over {□x}] ##+{1} over {gamma}^{ 2} {□} over {□gamma} `[{gamma } ^{3} mu{□} over {□gamma} ({omega} over {gamma})] - rho{v` omega} over {gamma}]

where x is the axial coordinate, r is the radial coordinate, u is the axial velocity, v is the radial velocity, and w is the swirl velocity.

여기서 x는 기준축의 좌표, r는 방사축의 좌표, u는 축의 속도이고, v는 방사축의 속도이다. 그리고 w는 swirling 속도이다.

Swirling Flows에서 난기류의 모델링

FLUENT/UNS 모델로 심하게 소용돌이치는 흐름을 더 복잡하게 조작하여 고찰하려면, RNG-k-e 난기류 모델을 사용하여 더 정확한 흐름을 예측할 수도 있다.

이 모델은 더 큰 정확성을 위하여 사이클론 분리기 또는 소용돌이 노즐에서 같은 흐름을 modeling할 때에 일반적으로 사용하고, 이곳에서의 swirl number(S)는 단순히 접근하거나, 초과한다.

Swirl number는 바깥부분 momentum의 flux와 축 momentum의 flux의 비율로서 정의될 수 있다.

[eqn: S~=~ {INT gamma` omega `v □d ALPHA }over{□ INT u` v □d ALPHA}]

□ 3-Dimension : 선형대칭 문제에서 회전 축은 x축임을 상기해야한다.

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 압력변화, 속도변화를 관찰한다.

a. 유량 : 10    kg/sec 일 경우.

b. 유량 : 30    kg/sec 일 경우.

c. 유량 : 50    kg/sec 일 경우.

3. 결과

a. 유량=10  kg/sec

velocity 변화                    pressure 변화

b. 유량=30  kg/sec

velocity 변화                    pressure 변화

c. 유량=50  kg/sec

velocity 변화                    pressure 변화

4. 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)