180° 곡관을 갖는 원형 혼합배관에서 유동특성에 관한 수치해석 연구 :A Numerical Study on Flow Characteristics in a Circular Mixing-Tee with 180° Curved Pipe

이형민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이형민 (가천대학교, 가천대학교 대학원)

지도교수: 윤준규

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2020

180° 곡관을 갖는 원형 혼합배관에서 분기관의 설계인자에 따른 유동특성에 관한 연구

이형민 , 김광추 , 임종한 외 1명 한국기계기술학회지 2020.01 학술저널

2019

180° 곡관을 갖는 원형 혼합배관에서 유동특성에 관한 수치해석 연구

이형민 기계공학과 2019.01 학위논문

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곡관내의 유동은 원심압축기 및 펌프, 가스터빈의 유로, 열교환기, 파이프시스템, 원자로 및 엔진 배기가스관 등과 같은 기계공학 응용분야뿐만 아니라 전력생산, 폐기물 관로이동, 화학 및 식료품 등 다양한 산업분야에서 광범위하게 널리 활용되고 있다. 예로부터 연구자들은 곡관내의 유동특성을 규명하는 것에 대해 많은 관심을 보이면서 열·유체기계의 설계와 운용, 성능향상을 위하여 연구해왔지만, 실험장비의 한계로 상당한 오차범위의 결과를 얻을 수밖에 없었다. 그러나 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics) 상용프로그램이 발달되면서 상당히 경제적이고 신뢰도가 높은 해석 결과를 얻을 수 있게 됨으로써, 여러 산업설비에 적용하는 복잡한 곡관형태의 많은 배관 구조물에 대해서도 다양한 수치해석연구를 적용할 수 있게 되었다.
본 연구에서는 주배관과 분기관에 각각 다른 유동형태를 제시하여 유속에 따른 곡관부의 단면에서의 속도분포특성 및 곡관후류 직관부의 유효거리에 대한 특성을 고찰하는 데 그 목적을 두고 있다. 이에 앞서, Chang 등과 Lee가 각각 수행했던 정사각형 및 원형 단면을 갖는 180° 곡관에서 난류유동의 연구결과와 비교하여 RSM(Reynolds Stress Model) 모델의 타당성을 검증하여 본 연구에 RSM 난류모델을 적용하여 수치해석을 진행하였다.
CFD해석을 위한 유동인자로 작동유체는 공기와 물을 사용하였으며, 유동인자 및 해석의 경계조건은 다음과 같다. 곡률반경은 2.5D, 3.357D, 4.5D, 주배관의 입구속도는 5, 9.2, 15, 25m/s, 분기관의 입구속도는 3, 5, 9.2, 15m/s이고, 주배관의 수력직경은 88.9mm, 분기관의 수력직경은 20, 50, 88.9mm로 설정하였으며, 분기관의 위치를 곡관부가 시작되는 지점에서 3D, 5D, 10D만큼 이격하였고, 분기관의 경사각도는 45°, 90°, 135°로 설정하였다.
연구결과로 작동유체의 유동특성은 점성력의 차이로 인해 속도변화율이 크게 차이가 있음을 보여주었으며, 다양한 유동인자(주배관 및 분기관의 입구속도, 곡률반경, 수력직경, 분기관의 이격거리, 분기관의 경사각도)를 변화시켰을 때 유동특성은 속도변화 및 설계인자에 따라 직접적인 유동의 영향을 지배적으로 받음으로써 속도분포에 있어 각각 차이가 있음을 보였다. 또한, 곡관후류 직관부에 연결된 직관거리에 따른 유동특성은 유동인자에 따라 유동편차가 다소 있지만 대략 직관거리 L/D=40영역에서 완전 발달됨을 보였다. 따라서 본 연구에서 적용한 혼합배관의 유동인자를 고려할 때 곡관후류 출구로부터 이격된 직관거리를 유효하게 제시함으로써 정확한 유량계측이 가능할 것으로 사료된다.

The flow in the curved pipe is not only in the field of mechanical engineering applications such as centrifugal compressors and pumps, passage of gas turbines, heat exchangers, pipe systems, nuclear reactors and engine exhaust pipes, but also in the various industrial fields such as power generation, waste irrigation, and chemicals and foodstuffs. Researchers have long been interested in elucidating in the flow characteristics of the curved pipe and have been researching to improve the design, operation and performance of thermal and fluid machines, but they have had to obtain results with a considerable range of error because of the limitations of experimental equipment. However, with the recent development of the Computer Fluid Dynamics (CFD) commercial program, the analysis results are fairly economical and reliable, such various numerical analysis studies can be applied to many piping structures of a complicated curved pipe shape applied to various industrial facilities.
In this study, different types of flow were presented in the main pipe and branch pipe of mixing-tee, the velocity distribution characteristics in cross-sections of curved pipe and the characteristics of the effective distance of straight pipe according to fluid velocity were investigated. Prior to this, the results of the study of turbulence flow in a 180° curved tube with square and circular sections were compared to the experimental results performed respectively by Chang and Lee, the validity of the Reynolds Stress Model (RSM) model was identified, thus the RSM turbulence model was applied to this analysis.
In the CFD analysis, air and water are used as working fluids, and the boundary conditions for parameter study in the mixing-tee are as follows. The radius of curvature is 2.5D, 3.357D and 4.5D. The inlet velocity of the main pipe is 5, 9.2, 15, 25 m/s, and the inlet velocity of the branch pipe is 3, 5, 9.2, 15 m/s. The hydraulic diameter of the main pipe is set to 88.9mm, and the hydraulic diameter of the branch pipe is set to 20, 50, 88.9mm. The location of the branch pipe is 3D, 5D, and 10D away from the starting point of the curve, and the inclined angle between the main pipe and the branch pipe was set at 45°, 90° and 135°.
The results of this numerical study are summarized as follows. The change of the working fluid showed a large difference in the velocity variation rate due to the difference in viscous force. The flow characteristics according to various flow factors(inlet velocity of the main and branch pipe, the radius of curvature, hydraulic diameter, separation distance, inclined angle, etc.) showed that there were differences in the velocity distribution because it was predominately influenced by velocity variation, and design factors. In addition, velocity profile along the location of straight pipe connected to curved pipe showed that flow is fully developed at the distance L/D=40 from the end of the curve although there is a slight deviation according to the change of flow factors. The position of such a stable straight pipe distance can be presented as an effective measurement position for measurement using a flowmeter.

1. 서론
1. 연구배경 ............................................................. 1
2. 연구동향 ............................................................. 2
3. 연구내용 및 목적 .................................................. 6
2. 난류모델이론
1. Standard 모델 ..................................................... 9
2. RNG 모델 .......................................................... 10
3. SST 모델 ............................................................ 11
4. RSM (Reynolds Stress Model) 모델 ..................... 12
3. 전산해석
1. 해석모델 ............................................................ 15
2. 지배방정식 ......................................................... 19
3. 수치해석 및 경계조건 ........................................... 20
4. 해석결과 및 고찰
1. 난류모델을 이용한 수치해석의 타당성 검증 ............. 27
2. 표준 혼합배관내의 유동특성 ................................. 33
3. 유동인자에 따른 혼합배관내의 유동특성 ................. 37
3.1 주배관의 입구속도 변화에 따른 특성 .................. 37
3.2 분기관의 입구속도 변화에 따른 특성 .................. 44
3.3 혼합배관의 곡률반경 변화에 따른 특성 ............... 50
3.4 분기관의 수력직경 변화에 따른 특성 .................. 56
3.5 분기관의 이격거리 변화에 따른 특성 .................. 62
3.6 분기관의 경사각도 변화에 따른 특성 .................. 72
5. 결론 .................................................................... 80

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