극저온 멤브레인 탱크 예냉(Cool-Down) 과정에서의 스프레이 분사 및 기화에 의한 다상 열유동 시뮬레이션 연구 : Simulation Study on Multiphase Thermal Flow due to Spray Injection and Vaporization during the Cool-Down Process of Cryogenic Membrane Tank

국문 초록 (Abstract)

지구 온난화는 화석 연료 사용과 산업화에 따른 이산화탄소와 같은 온실가스 배출에서 비롯되며, 해운 부문은 전 세계 탄소 배출량의 약 3%를 차지하는 주요 원인으로 지목되고 있다. 이에 국제해사기구(IMO)는 ‘2023 온실가스 감축 전략’을 통해 2050년까지 넷제로 달성을 목표로 하고 있으며, 단기적으로는 액화천연가스(LNG)가 현실적 대안으로, 중장기적으로는 무탄소 연료인 액화수소(LH₂)가 차세대 친환경 연료로 부각되고 있다. 이러한 배경 속에서 LNG 및 LH₂ 저장탱크의 안정적 운용을 위한 예냉(Cool-down) 공정은 구조적 안전성과 연료 저장 효율성 확보를 위한 핵심 절차로 강조된다. 본 연구에서는 상용 CFD 소프트웨어 STAR-CCM+ (v16.04)를 기반으로 Eulerian–Lagrangian 연성 모델을 적용하여 멤브레인형 저장탱크의 예냉 과정을 수치적으로 모사하였다. 우선 단순화된 정육면체(Cuboid) 모델을 활용하여 격자–입자 해상도 차이에 따른 에너지 보존성을 검증하였으며, 이를 통해 수치 안정성을 확보할 수 있는 격자 조건을 도출하였다. 이후 실제 KC-1 Membrane Tank를 대상으로 스프레이 분사 및 기화 과정을 재현하고, 실험 계측 데이터와 비교·검증을 수행하였다. 해석 결과, 주요 센서 위치에서의 CFD 결과가 평균 19% 이내의 오차 범위에서 실험값과 일치하여, 제안된 모델의 신뢰성을 확인하였다. 또한 노즐 분사각 및 분무 조건을 체계적으로 변화시키며 냉각 균일성과 효율에 미치는 영향을 평가한 결과, 예냉 시간 단축과 연료 소비 절감을 동시에 달성할 수 있는 최적 조건을 도출하였다. 나아가 본 연구는 환경 규제에 대응하기 위한 관점에서, LNG 및 LH₂ 저장탱크의 예냉 공정을 정량적으로 평가할 수 있는 경제적이고 신속한 시뮬레이션 기반 해석 기법을 제시하였다. 이는 실험적 접근의 한계를 보완할 뿐 아니라, 향후 노즐 설계 변경, 운전 조건 최적화, 차세대 연료 적용 연구에도 유연하게 확장될 수 있어, 해운 산업의 탈탄소화 및 지속 가능성 확보를 위한 중요한 기술적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Global warming is primarily driven by greenhouse gas emissions such as carbon dioxide resulting from the extensive use of fossil fuels and industrialization, and the maritime sector has been identified as a major contributor, accounting for approximately 3% of global carbon emissions. In response, the International Maritime Organization (IMO) has established the 2023 Greenhouse Gas Reduction Strategy, aiming to achieve net-zero emissions by 2050. In the short term, liquefied natural gas (LNG) is regarded as a practical transitional fuel, while in the mid- to long-term perspective, liquefied hydrogen (LH₂), a carbon-free fuel, has emerged as a promising next-generation alternative. Within this context, the cool-down process of LNG and LH₂ storage tanks is recognized as a critical procedure to ensure both structural safety and efficient fuel storage during initial operation. In this study, the cool-down process of a membrane-type cryogenic storage tank was numerically investigated using the commercial CFD software STAR-CCM+ (v16.04) with an Eulerian–Lagrangian coupled approach. First, a simplified cuboid model was employed to systematically examine the influence of grid–particle resolution ratios on energy conservation, through which appropriate mesh conditions ensuring numerical stability were identified. Subsequently, spray injection and vaporization processes in an actual KC-1 membrane tank were simulated and validated against experimental measurement data. The simulation results showed good agreement with experimental data, with CFD predictions at key sensor locations matching the measured temperatures within an average error of 19%, thereby confirming the reliability of the proposed numerical model. Furthermore, by systematically varying nozzle spray angles and spray conditions, their effects on cooling uniformity and efficiency were evaluated. As a result, optimal operating conditions capable of simultaneously reducing cool-down time and fuel consumption were identified. Beyond individual case analyses, this study proposes a cost-effective and rapid simulation-based methodology for quantitatively evaluating the cool-down processes of LNG and LH₂ storage tanks in response to increasingly stringent environmental regulations. The proposed approach not only overcomes the limitations of purely experimental methods but can also be flexibly extended to future studies involving nozzle design modifications, operating condition optimization, and the application of next-generation cryogenic fuels. Consequently, this work is expected to provide a valuable technical foundation for the decarbonization of the maritime industry and the enhancement of its long-term sustainability.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 9
• 1.1. 연구배경 9
• 1.1.1. 국제 해양 환경 문제와 온실가스 감축 전략 9
• 1.1.2. 탈탄소화를 위한 연료 전환 12
• 1.1.2.1. 액화천연가스 연료 전환과 인프라 확대 12
• 1.1.2.2. 청정연료: 액화천연가스/액화수소 한계와 전망 15
• 1.1.3. 청정연료의 수송 및 저장 기술 17
• 1.1.3.1. 연료 저장 및 수송 17
• 1.1.3.2. 극저온 연료 저장탱크의 구조와 기술적 특성 21
• 1.1.4. 가스 시운전(Gas Trial) 절차 23
• 1.1.5. 극저온 연료 저장탱크 내 예냉(Cool-down) 과정 메커니즘 25
• 1.2. 선행연구 26
• 1.2.1. 예냉(Cool-down) 과정의 실험적 연구 동향 26
• 1.2.2. 예냉(Cool-down) 과정의 수치해석 연구 동향 29
• 1.3. 연구 목표 32
• 2. 수치 시뮬레이션 방법 33
• 2.1. Eulerian-Lagrangian 접근법 33
• 2.1.1 지배방정식 33
• 2.1.2 스프레이 입자 구현 모델 35
• 2.1.3 스프레이 기화 모델 37
• 2.2. 난류 모델 38
• 2.2.1 Relizable k-ε model 38
• 3. 스프레이 기반 예냉(Cool-down) 시뮬레이션 40
• 3.1. LNG Tank: Cuboid Type 40
• 3.1.1 CAD 모델링 및 격자 시스템 구성 40
• 3.1.1.1. Adaptive Mesh Refinement(AMR) 적용 42
• 3.1.2 시뮬레이션 조건 및 에너지 보존식 정의 43
• 3.1.3 예냉(Cool-down) 시뮬레이션 결과 및 고찰 49
• 3.2. LNG Tank: Membrane Type 53
• 3.2.1 실험 조건 및 분석 53
• 3.2.2 CAD 모델링 및 격자 시스템 구성 58
• 3.2.3 시뮬레이션 조건 설정 62
• 3.2.4 예냉(Cool-down) 과정 시뮬레이션 절차 63
• 3.2.4.1. Grid Convergence Test 64
• 3.2.4.2. 탱크 외부 온도 조건 선정 67
• 3.2.5 시뮬레이션 결과 및 실험 데이터 비교 검증 69
• 3.2.5.1. Case1: 일정 유량 공급 69
• 3.2.5.2. Case2: 가변 유량 공급 74
• 3.3. 파라미터 변화에 따른 예냉(Cool-down) 과정 시뮬레이션 90
• 3.3.1 해석 조건 및 시뮬레이션 설정 90
• 3.3.2 시뮬레이션 결과 및 비교 91
• 4. 결론 95