2상 유동 내 관군에서의 압력 손실

심우건(Woo Gun Sim),닥단(Dagdan Banzragch) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集B Vol.40 No.3

수평 관군에 대하여 수직이고 상향으로 흐르는 2상 유동에 의한 감쇠비를 예측하기 위한 해석모델이 Sim에 의하여 개발되었다. 이 모델에서 평가된 2상 유동의 기공률, 압력손실 등의 유동변수는 기존의 실험식을 사용하여 계산하였다. 그러나 관군의 경우에 사용하기에는 약간의 개선이 요구된다. 따라서 관군 내에 흐르는 2상 유동의 유동 변수에 대한 더 많은 정보를 획득하기 위하여 실험적으로 연구할 필요가 있다. 실험은 공기 - 물의 2상 유동이 흐르는 정사각형 배열 관군에서의 압력계수와 2상 유동 마찰승수를 계산하기 위하여 수행되었다. 피치 직경 비는 1.35이었고, 실린더의 직경은 18 mm이다. 압력센서와 신호처리 장치를 이용하여 관군에서의 압력차를 측정하였다. 2상 유동 마찰승수와 오일러수를 계산하기 위하여 관군에 적용되는 비균질 유동의 기공률은 Feenstra 등의 실험식을 사용하여 계산하였다. 균질과 비균질 2상 유동의 마찰승수와 오일러의 수를 실험적으로 구하고 Sim의 어림적 모델에 근거한 이론적 해석 결과와 비교・분석하였다. An analytical model was developed by Sim to estimate the two-phase damping ratio for upward two-phase flow perpendicular to horizontal tube bundles. The parameters of two-phase flow, such as void fraction and pressure loss evaluated in the model, were calculated based on existing experimental formulations. However, it is necessary to implement a few improvements in the formulations for the case of tube bundles. For the purpose of the improved formulation, we need more information about the two-phase parameters, which can be found through experimental test. An experiment is performed with a typical normal square array of cylinders subjected to the two-phase flow of air-water in the tube bundles, to calculate the two-phase Euler number and the two-phase friction multiplier. The pitch-to-diameter ratio is 1.35 and the diameter of cylinder is 18mm. Pressure loss along the flow direction in the tube bundles is measured with a pressure transducer and data acquisition system to calculate the two-phase Euler number and the two-phase friction multiplier. The void fraction model by Feenstra et al. is used to estimate the void fraction of the two-phase flow in tube bundles. The experimental results of the two phase friction multiplier and two-phase Euler number for homogeneous and non-homogeneous two-phase flows are compared and evaluated against the analytical results given by Sim"s model.

균질 2상 유동에 놓인 관군에 작용하는 감쇠비에 대한 실험적 연구

심우건(Woo Gun Sim),닥단방즈락츠(Banzragch Dagdan) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集B Vol.41 No.3

2상 횡 유동은 응축기, 증발기와 원자력의 증기 발생기와 같은 열교환기의 튜브와 셀 사이에 존재한다. 공기/물의 2상 유동에 놓인 관군에 작용하는 항력을 실험적으로 평가하였다. 2상 유동에 놓인 관군은 정사각형 배열이다. 피치 직경 비는 1.35이었고, 실린더의 직경은 18 mm이다. 관군에 유동방향으로 작용하는 항력을 측정하여 항력계수와 2상 유동 감쇠비를 계산하였다. 2상 유동 감쇠비는 균질 2상 유동의 이론식을 사용하여 구하여 실험의 결과와 비교하였다. 압력과 항력의 상관계수를 실험결과를 고려하여 평가하였다. 상관계수는 이론적으로 항력을 계산할 때에 사용된다. 질량유량을 증가할수록 측정된 항력으로부터 구한 항력계수와 감쇠비가 균질 유동의 이론적 결과와 잘 일치함을 보이고 있다. 결과적으로 충분히 큰 질량 유량의 기포 유동인 경우에는 감쇠비를 균질 유동에 근거한 이론식으로 계산할 수 있다. Two-phase cross flow exists in many shell-and-tube heat exchangers such as condensers, evaporators, and nuclear steam generators. The drag force acting on a tube bundle subjected to air/water flow is evaluated experimentally. The cylinders subjected to two-phase flow are arranged in a normal square array. The ratio of pitch to diameter is 1.35, and the diameter of the cylinder is 18 mm. The drag force along the flow direction on the tube bundles is measured to calculate the drag coefficient and the two-phase damping ratio. The two-phase damping ratios, given by the analytical model for a homogeneous two-phase flow, are compared with experimental results. The correlation factor between the frictional pressure drop and the hydraulic drag coefficient is determined from the experimental results. The factor is used to calculate the drag force analytically. It is found that with an increase in the mass flux, the drag force, and the drag coefficients are close to the results given by the homogeneous model. The result shows that the damping ratio can be calculated using the homogeneous model for bubbly flow of sufficiently large mass flux.

이상 유동에 놓인 관군의 표면에 작용하는 압력 분포

심우건(Woo Gun Sim) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集B Vol.37 No.1

이상 횡 유동은 응축기, 증발기와 원자로 증기발생기와 같은 쉘과 튜브의 열 교환기에서 볼 수 있다. 이상 유동장에 놓인 구조물에 작용하는 수동력을 이해하기 위해서는 이상유동의 특성을 이해하는 것이 중요하다. 이상 유동의 유동특성과 유동변수를 소개하고 관군에서의 압력손실과 실린더에 작용하는 압력분포에 의한 수동력을 평가하기 위한 실험을 수행하였다, 실험부 입구에서 이상유동은 혼합되었으며 실험은 횡 방향 이상 유동장에 놓인 정규 삼각형 배열을 갖는 관군을 사용하여 수행하였다. 관군에서의 흐름방향 압력손실을 측정하여 이상유동의 마찰승수를 계산하고 이론적 결과와 비교하였다. 또한 특정 실린더에 작용하는 원주 방향 압력 분포의 측정결과와 이상유동의 기초이론에 근거하여 압력손실계수의 분포 및 항력계수에 미치는 체적건도와 단위면적당 질량유량의 효과를 평가하였다. 튜브 표면에 작용하는 측정된 압력을 수치해석방법으로 적분하여 항력계수를 계산하였다. 작은 질량 유량의 경우에 측정된 마찰 승수는 기존의 이론 결과와 잘 일치하며 압력분포에 의한 항력계수에 작용하는 기공률의 영향은 기존의 실험결과와 정성적으로 유사한 경향을 보이고 있다. Two-phase vapor-liquid flows exist in many shell and tube heat exchangers such as condensers, evaporators, and nuclear steam generators. To understand the fluid dynamic forces acting on a structure subjected to a two-phase flow, it is essential to obtain detailed information about the characteristics of a two-phase flow. The characteristics of a two-phase flow and the flow parameters were introduced, and then, an experiment was performed to evaluate the pressure loss in the tube bundles and the fluiddynamic force acting on the cylinder owing to the pressure distribution. A two-phase flow was pre-mixed at the entrance of the test section, and the experiments were undertaken using a normal triangular array of cylinders subjected to a two-phase cross-flow. The pressure loss along the flow direction in the tube bundles was measured to calculate the two-phase friction multiplier, and the multiplier was compared with the analytical value. Furthermore, the circular distributions of the pressure on the cylinders were measured. Based on the distribution and the fundamental theory of two-phase flow, the effects of the void fraction and mass flux per unit area on the pressure coefficient and the drag coefficient were evaluated. The drag coefficient was calculated by integrating the measured pressure on the tube by a numerical method. It was found that for low mass fluxes, the measured two-phase friction multipliers agree well with the analytical results, and good agreement for the effect of the void fraction on the drag coefficients, as calculated by the measured pressure distributions, is shown qualitatively, as compared to the existing experimental results.

요동형 쌍원통 유압펌프내의 유동장 해석에 관한 연구

심우건(Woo Gun Sim),김기선(Gi Son Kim) 한국진공학회(ASCT) 2005 Applied Science and Convergence Technology Vol.14 No.1

두 개의 쌍원통 실린더를 구성하고 있는 기름-물 펌프는 차세대 저진공 펌프로의 활용이 가능하다. 하지만 설계개선을 위한 유동 해석 결과가 충분하지 않다. 경제적 측면에서 상업화 이전에 수치해석 방법에 의한 유동해석이 요구되고 있다. 유동 해석에 사용되는 상업용 코드(Fluent)을 사용하여 펌프의 설계에 필요한 자료를 제공하였다. 쌍원통 실린더와 고정 실린더 사이의 속도와 압력 분포 등의 유동변수를 분석하기 위하여 2차원 해석을 수행하였다. 본 수치해석 방법은 쌍원통 실린더로 구성된 펌프의 성능향상에 유용하게 사용할 수 있었다. Oil-Hydraulic pump consisting of swing twin-cylinder becomes to be used as a next generation of low vacuum pump. However, there is no enough flow-analysis for design improvement. It is essential to develope a numerical method for flow-analysis before manufacturing, in economic sense. Using a commercial code (Fluent), developed for flow-analysis, useful informations for design of pump were provided. Two-dimensional analysis has been performed to investigate the flow parameters such as pressure and velocity distributions between the swing twin-cylinder and the fixed cylinder. This numerical method will be used to design a better performance of pump consisting of swing twin-cylinder.

편심환내의 회전 유동

심우건(Woo-Gun Sim) 한국공작기계학회 1997 한국공작기계학회지 Vol.6 No.3

2 상 횡 유동장에 놓인 관군의 유체탄성불안정성

심우건(Woo Gun Sim),박미연(Mi Yeon Park) 대한기계학회 2009 大韓機械學會論文集B Vol.33 No.2

Experiments have been performed to investigate fluid-elastic instability of tube bundles, subjected to twophase cross flow. Fluid-elastic is the most important vibration excitation mechanism for heat exchanger tube bundles subjected to the cross flow. The test section consists of cantilevered flexible cylinder(s) and rigid cylinders of normal square array. From a practical design point of view, fluid-elastic instability may be expressed simply in terms of dimensionless flow velocity and dimensionless mass-damping parameter. For dynamic instability of cylinder rows, added mass, damping and the threshold flow velocity are evaluated. The Fluid-elastic instability coefficient is calculated and then compared to existing results given for tube bundles in normal square array.

Eigen-Frequency of a Cantilever Beam Restrained with Added Mass and Spring at Free End or a Node Point

Woo-Gun Sim(심우건) 한국산학기술학회 2018 한국산학기술학회논문지 Vol.19 No.12

열 교환기/원자로의 과도한 진동을 방지 하려면 진동해석을 설계 단계에서 수행해야 한다. 진동 문제에서 고유 진동수의 정보는 열 교환기/원자로의 안전성을 평가하기 위하여 요구된다. 본 논문은 일단 지지보에 발생되는 고유치 문제를 해석하기 위하여 수치해석 방법인 Galerkin의 방법을 기술하였다. 일단 지지보는 자유단 끝점 또는 모드의 노드 포인트에 부가질량과 스프링에 의하여 구속되어 있다. 수치해석으로 구한 고유진동수는 간단한 해석 방법과 간단한 테스트에 의하여 각각 구한 결과와 비교 되었다. Galerkin의 방법을 사용하여 논의된 일단 지지보의 고유 진동수를 구할 수 있음을 보였다. 부가질량 증가함에 따라 고유 주파수는 감소하며 스프링 힘의 증가에 따라 고유 주파수는 상승함을 보였다. 무거운 부가 질량은 가연성 배관의 지지대 역할을 함을 보였다. 일단 지지보의 끝단에 설치된 부가 질량의 경우에 개발된 기존의 어림적 해석방법으로도 일차 모두의 고유 진동수를 비교적 정확하게 구할 수 있음을 알 수 있었다. In order to avoid excessive vibration, it is required to carry out a vibration analysis of heat-exchanger/nuclear- reactor at the design stage. Information of eigen-frequency in the vibration problem is required to evaluate safety of heat-exchange/nuclear reactor. This paper describes a numerical method, Galerkin’s method, to solve the eigenvalue problem occurred in a cantilever beam. The beam is restrained with added mass and spring at the free end or a node point of a mode shape. The numerical results of eigen-frequency were compared with simple analytical and experimental results given by simple approach and simple test, respectively. It is found that Galerkin’s method is applicable to estimate the eigen-frequency of the cantilever beam. The frequencies become lower with increasing the added mass and the frequencies increase with the spring force. It is shown the heavy added mass has a role of support on the flexible tube. The eigen-frequency of the first mode, for the system with the added mass mounted at the free end, can be calculated by the approximate analytical method existing with more or less accuracy.

동심환내의 회전체 진동에 의한 부가질량, 유체감쇠계수 및 유체탄성계수에 관한 연구

심우건(Woo-Gun Sim),박진호(Jin Ho Park),김기선(Key Sun Kim) 한국소음진동공학회 2001 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2001 No.6

2 상 유동장에 놓인 열 교환기 튜브에 작용하는 점성과 압착막 감쇠비의 어림적 해석 모델

심우건(Woo Gun Sim) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集B Vol.39 No.1

2 상 유동장에 놓인 열 교환기 튜브에 작용하는 점성 감쇠비와 압착막 감쇠비를 예측하기 위한 해석 모델이 개발되었다. 열 교환기 튜브에 작용하는 유동유발진동을 해석하기 위하여 감쇠에 대한 정보가 요구된다. 열 교환기 튜브에서 가장 중요한 에너지 소산 기구는 튜브와 지지물과 같은 구조물과 액체 사이의 동적 작용에 연계되어 있다. 본 모델은 1997 년 발표된 근사모델에 근거하고 부가질량계수를 고려하여 개발되었다. 어림적 해석모델은 동심환 내에서 진동하는 내부 실린더에 작용하는 수력학적힘을 계산하기 위하여 개발되었다. 점성력을 포함한 수동력은 높고 혹은 낮은 진동 레이놀드 수에 따라 개발된 두 가지 모델을 사용하여 각각 계산할 수 있다. 관군과 지지대에서의 상당 직경과 침투깊이는 관군에 작용하는 점성 감쇠력과 지지대에서의 압착막 감쇠력을 각각 계산하는데 매우 중요한 변수이다. 2 상 유동의 기공률을 계산하기 위하여 균질모델이 사용되었다. 본 모델을 검증하기 위하여, 모델의 해석결과는 기존의 이론으로 구한 결과와 비교하였다. 본 모델을 사용하여 점성 감쇠비와 압착막 감쇠비를 어림적으로 구할 수 있음을 보였다. An analytical model was developed to estimate the viscous and squeeze-film damping ratios of heat exchanger tubes subjected to a two-phase cross-flow. Damping information is required to analyze the flow-induced vibration problem for heat exchange tubes. In heat exchange tubes, the most important energy dissipation mechanisms are related to the dynamic interaction between structures such as the tube and support and the liquid. The present model was formulated considering the added mass coefficient, based on an approximate model by Sim (1997). An approximate analytical method was developed to estimate the hydrodynamic forces acting on an oscillating inner cylinder with a concentric annulus. The forces, including the damping force, were calculated using two models developed for relatively high and low oscillatory Reynolds numbers, respectively. The equivalent diameters for the tube bundles and tube support, and the penetration depth, are important parameters to calculate the viscous damping force acting on tube bundles and the squeeze-film damping forces on the tube support, respectively. To calculate the void fraction of a two-phase flow, a homogeneous model was used. To verify the present model, the analytical results were compared to the results given by existing theories. It was found that the present model was applicable to estimate the viscous damping ratio and squeeze-film damping ratio.

공기-횡 유동장에 놓인 유연성 실린더 관군의 유체탄성 불안정

심우건(Sim, Woo-Gun) 한국소음진동공학회 2007 한국소음진동공학회 논문집 Vol.17 No.6

Using wind tunnel, experimental approaches were employed to investigate fluidelastic instability of tube bundles, subjected to uniform cross flow. There are several flow-induced vibration excitation mechanisms, such as fluidelastic instability, periodic wake shedding resonance, turbulence-induced excitation and acoustic resonance, which could cause excessive vibration in shell-and tube heat exchanges. Fluidelastic is the most important vibration excitation mechanism for heat exchanger tube bundles subjected to cross flow. The system comprised of cantilevered flexible cylinder(s) and rigid cylinders of normal square array, In order to see the characteristics of flow in tube bundles, particle image velocimetry was used. From a practical design point of view, Fluidelastic instability may be expressed simply in terms of dimensionless flow velocity and dimensionless mass-damping. The threshold flow velocity for dynamic instability of cylinder rows is evaluated and the data for design guideline is proposed for the tube bundles of normal square array.