표면 액막 모델을 이용한 해수 분사 시스템의 강판 냉각 효과 추정을 위한 코드 개발 = Code Development for Estimation the Cooling Effect of a Steel Plate by a Seawater Spray System Using Surface Film Model

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 해수 분사 시스템의 강판 냉각 효과를 추정하기 위해 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 코드를 개발하였다. 해수 분사 시스템은 노즐의 분사 특성 및 실험 데이터를 활용하여 모델링하였으며, 해수는 부채꼴 형태로 분사된다. 강판에서 액막의 유동을 계산하기 위해 표면 액막 모델(surface film model)을 사용하였다. 해수와 강판 사이 열전달을 계산하는데 복합 열전달 모델(conjugate heat transfer model)을 사용하였으며, 비등은 고려하지 않았다.
분사된 유체 입자의 대기 중 거동을 계산하는 비용을 절감하기 위해, 수학적 모델링을 통해 추정한 분사 영역 데이터를 전산유체역학 해석에 사용하였다. 유체 입자는 구로 일정하게 유지되고, break-up은 없다고 가정하였으며, 중력과 항력만 고려하여 유체 입자가 강판 표면에 충돌하는 위치를 이론적으로 계산하였다. 추정한 분사 영역 데이터를 표면 액막의 유동을 계산하는 지배방정식의 소스 항 계산에 사용하였다. 소스 항은 특정 주기마다 추가되도록 하여 quasi-steady로 해석을 수행하였다. 노즐 각도, 유량에 따른 해수 분사 시스템의 강판 냉각 효과를 추정하였으며, 분사 영역 및 유효 냉각 영역을 계산하였다. 강판 표면에 물이 젖는 영역을 분사 영역으로 정의하였으며, 유효 냉각 영역은 해수 분사 600초 후, 강판 표면 온도가 300K 이하인 영역으로 정의하였다. 유량이 증가할수록, 분사 영역 및 유효 냉각 영역의 크기가 모두 증가하는 것을 확인하였다. 풍속 및 함속이 있는 경우, 분사 영역과 유효 냉각 영역의 크기 모두 풍속 및 함속이 없는 경우에 비해 대폭 감소하는 것을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the present study, a CFD code was developed to estimate the cooling effect of a seawater spray system on a steel plate. The seawater spray system was modeled using nozzle spray characteristics and experimental data, with the seawater being sprayed in a fan-shaped pattern. To calculate the flow of the film on a steel plate, surface film model was employed. Conjugate heat transfer model was used to develop a CFD code for calculating the heat transfer between the seawater and the steel plate without boiling effects. Calculating the trajectory of the sprayed fluid particles in the atmosphere is computationally expensive, so the estimated spray area data from mathematical modeling was used in the computational analysis. Gravity and drag force acting on the fluid particles were considered to estimate the spray area. The fluid particles were assumed to be spherical shape, constant size, with no break-up. The estimated spray area data are used in the calculations of the source terms in the governing equations to compute surface film flow. We performed a quasi-steady analysis by adding the source terms at specific intervals. The cooling effect of the seawater spray system on the steel plate was estimated for various nozzle angles and flow rates, and the spray area and effective cooling area were calculated. The wetted area on the steel plate surface was defined as the spray area, while the effective cooling area was defined as the region where the steel plate surface temperature drops below 300 K after 600 seconds of seawater spraying. The spray area and effective cooling area all increased as the flow rate increased. Considering the wind and ship velocity, the spray area and effective cooling area decreased significantly compared to the case without wind and ship velocity.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구 배경 1
• 제 2 절 연구 목표 및 내용 9
• 제 2 장 분사 영역 추정 10
• 제 3 장 수학적 모델링 및 수치해석 기법 13
• 제 1 절 지배방정식 13
• 제 2 절 수치해석 기법 17
• 제 4 장 전산 해석자 검증 23
• 제 5 장 해수 분사 시스템을 이용한 강판 냉각 열전달 해석 28
• 제 1 절 문제 정의 28
• 제 2 절 해석 조건 29
• 제 3 절 격자 의존도 시험 30
• 제 4 절 해석 수행 결과 32
• 1. 분사 각도 및 유량이 미치는 영향 32
• 2. 풍속 및 함속이 미치는 영향 42
• 제 6 장 결론 50
• 참고 문헌 52
• Abstract 54