입구에서 공기 속도 크기가 수직 U-자형 곡관 내부의 상향 및 하향 이상 유동 형태에 미치는 영향에 관한 수치적 연구

이공희 대한설비공학회 2019 설비공학 논문집 Vol.31 No.9

Gas-liquid two-phase flows through the vertically curved circular pipes can easily be found in various components of nuclear power plant such as pipes, shell-and-tube heat exchangers etc. Generally, the vertically curved circular pipes involve the combined effects of gravitational, centrifugal and buoyant forces, which tend to produce complications such as inhomogeneous phase distribution, flow reversal and secondary flow. These effects can lead to water hammer, subsequent pipe and components failure, and consequently the hydrodynamic behavior of a two-phase mixture flowing through the vertically curved circular pipe is significantly important. In this study, the upward and downward gas-liquid two-phase bubbly flow inside the vertical U-shape curved pipe was predicted using the Eulerian multiphase flow model in ANSYS CFX R17.2. The predicted results were compared to the experimental data in order to examine the applicability of this multiphase flow model. Furthermore, the effect of inlet air velocity magnitudes on the upward and downward two-phase flow pattern inside the vertical U-shape curved pipe was examined. 본 연구에서는 ANSYS CFX R 17.2에 탑재된 Eulerian 다상 유동 모델의 적용성을 평가하기 위해서, 동 모델을 사용해서 수직 U-자형 곡관에서 상향 및 하향 이상(기체-액체) 유동을 예측하였고 측정 결과와 비교하였다. 추가적으로, 관 입구에서 공기의 겉보기 속도 크기가 수직 U-자형 곡관 내부의 이상 유동 형태에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 주요 결론은 다음과 같다. (1) 상향 이상 유동의 경우 예측된 기체 체적 분율이 5%를 초과하는 영역이 곡관부 전체에 걸쳐 내부벽 부근에 위치한 반면, 하향 이상 유동에서는 유동이 곡관부로 진입하면서 기체 체적 분율이 상대적으로 큰 영역이 관 외부벽에서 내부벽 부근으로 점차 이동한 후 곡관부 90° 위치에서 2개 부분으로 분기되었다. 또한, = 0.0108 m/s 및 0.0135 m/s인 경우, 곡관부 출구인 D5 단면의 내부벽에서 재순환 유동이 발생하였다. 상기와 같이 수직 U-자형 곡관 내부에서 상향 및 하향(downward) 이상 유동이 서로 다른 형태를 나타내는 이유는 관성력과 부력의 유동 진행 방향 성분이 곡관부에서 작용하는 방향이 다르기 때문인 것으로 판단된다. (2) ANSYS CFX R 17.2로 예측된 수직 U-자형 곡관 내부에서 기체 체적 분율 분포는 측정값과 정성적으로 유사한 경향성을 나타내었다. 다만, 일부 곡관 단면에서 측정값과 차이가 발생한 것과 관련하여 난류 모델 및 Eulerian 다상 유동 모델 옵션 등에 대한 추가적인 민감도 평가가 필요한 것으로 판단된다. 또한, ANSYS CFX R 17.2에 탑재된 Eulerian 다상 유동 모델에는 적용 제한성 및 일정 부분의 예측 불확도가 내재되어 있을 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 User Fortran 등을 통해 기본 모델을 수정하거나 진보된 최신 모델을 추가하는 것이 필요할 수 있다. 상기 사항들에 대한 연구 결과는 현재 진행중인 국내 원자력 안전 분야에 대한 전산유체역학 소프트웨어의 적용성에 관한 규제 지침 수립에 반영될 예정이다. (3) 본 연구 수행을 통해 얻은 결과는 원자력발전소 가동중시험 관련 계통에서 발생 가능한 기체 축적과 관련된 안전현안들(예; 기체 이송 경로, 기체 축적 위치 및 축적량 등)을 평가하는데 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

벤튜리 내부 다상 유동에 대한 수치적 연구

김준형(Joon-Hyung Kim),윤준용(Joon-Yong Yoon),최영석(Young-Seok Choi) 대한기계학회 2013 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2013 No.12

Venturi meter is used in various aspects of the industry because it is capable of measure mass without being influenced by a kind of fluid, temperature, press, and so on. Multiphase flow has great non-uniformity as the flow having more than two phases compared with single phase. The flow of liquid having vapor is a representative case of multiphase flow and it produces non-uniformity according to the ratio of the vapor. Especially, the local change of density is inevitable as the flow section because of the high density difference between liquid and gas. Therefore, it is uncertain to measure multiphase flow using Venturi meter. On this paper, numerical study about multiphase flow in a venturi was conducted. A scheme that can be used in numerical analysis of multiphase flow was selected. The selected numerical schemes were verified through comparison with experiment data. In addition, the cause of uncertainty for measurement was deducted by analyzing flow in a ventury.

플러쉬형 대기 자료 프로브 주위의 다상유동과 복합 열전달 전산해석

구민아(M. Koo),조현승(H. Jo),이학진(H. Lee),명노신(R.S. Myong) 한국전산유체공학회 2022 한국전산유체공학회지 Vol.27 No.1

An air data probe is an important apparatus for measuring flight speed and altitude during flight. The tip of the probe could be blocked by ice, thus leading to malfunction and dangerous situations. In this study, multiphase flow and conjugate heat transfer around a flush-type air data problem were analyzed using COMSOL multiphysics software. For the validation, the numerical results of the L-type pitot probe were compared to the experimental data. The comparison between the results obtained by the single-phase and multiphase flow simulations showed that the surface temperature at the inlet region of the flush-type probe decreased in the multiphase flow due to the increased loss of heat. Moreover, the pressure fields around the flush-type probe were found to be slightly different in the single-phase and multiphase flow simulations. This indicates that the conjugate heat transfer analysis of the multiphase flow is required to evaluate the pressure, surface temperature, and power output of the flush-type probe.

곡관 내부에서 상향 이상 유동 수치해석

이공희(Gong Hee Lee) 대한설비공학회 2017 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.6

Gas-liquid two-phase flows in the curved circular pipes can be found in various components of nuclear power plant such as heat exchangers. Generally, curved circular pipes involve the combined effects of gravitational, centrifugal and buoyant forces, which tend to produce such complications as inhomogeneous phase distribution, flow reversal, flooding and secondary flow. These effects can lead to corrosion, subsequent pipe is significantly important. In this study, upward gas-liquid two-phase bubbly flow in the curved circular pipes was predicted using the Eulerian multiphase flow model of ANSYS CFX R17.2. To examine the applicability of multiphase flow models, implemented in ANSYS CFX R17.2, the predicted results were compared to the experimental data provided by Takamasa & Kondo(1995).

C자형 곡관 내부에서 하향 이상 유동 수치해석

이공희(Gong Hee Lee) 대한설비공학회 2018 대한설비공학회 학술발표대회논문집 Vol.2018 No.11

Gas-liquid two-phase flows in the curved circular pipes can be found in various components of nuclear power plant such as heat exchangers. Generally, curved circular pipes involve the combined effects of gravitational, centrifugal and buoyant forces, which tend to produce such complications as inhomogeneous phase distribution, flow reversal, flooding and secondary flow. These effects can lead to corrosion, subsequent pipe failure, and consequently the hydrodynamic behavior of a two-phase mixture flowing through curved circular pipe is significantly important. In this study, downward gas-liquid two-phase bubbly flows in the C-type curved circular pipes was predicted using the Eulerian multiphase flow model of ANSYS CFX R17.2. To examine the applicability of multiphase flow models, implemented in ANSYS CFX R17.2, the predicted results were qualitatively compared to the experimental data provided by Takamasa & Kondo (1995).

비선형 점성유체의 다상유동 모형을 이용한 용암류 전산해석

이승수(Lee Sung su),황규관(Hwang Kyu kwan) 한국방재학회 2017 한국방재학회논문집 Vol.17 No.2

용암은 용융된 암석이 분출되어 지표면을 흐르는 현상으로써 높은 온도와 점도 등에 의해 주변 지형과 인류에게 막대한 피해를 유발할 가능성이 있는 자연재해다. 이때 용암의 물리적 성질은 온도에 따라서 점성이 변하는 비선형적 거동 특성을 보인다. 이러한 극한 온도 상태에서의 유동흐름은 실험으로 추정하는데 한계가 있으므로 수치적 접근 방법에 의해 다수 연구가 수행되었다. 이에 본 연구에서는 소스가 공개된 전산유체해석 기법인 OpenFOAM을 이용하여 용융된 암석이 시간에 따라서 분출되는 비정상 흐름현상에 대해서 수치해석을 수행하였다. 여기서 사용된 수치해석 기법은 이상유동으로 유체의 자유표면을 추적하는 VOF기법을 적용하였으며, 용암의 점성은 비선형 점성 모델인 Herschel-Bulkley 유체를 적용하였다. 이와 같은 수치해석에 의한 용암의 거동을 정량적으로 평가하기 위해서 2001년 분화한 이탈리아의 에트나 화산의 용암류의 관측치를 대상으로 용암의 이동거리, 두께, 확산범위 등을 비교하였다. Due to high temperature and viscosity, lava flow can cause large-scale damage on surrounding terrain and humanity. It is formed by molten rocks when magma in volcano is erupted out of its chamber beneath earth surface. The physical property of lava is the nonlinear behavior of viscosity of molten rocks with the influence of temperature-varying properties. Because of this, experimental estimation in the laboratory is nearly impossible. Thus many efforts have been carried out to numerical approach but mostly numerical method is little availability. This study presents a numerical approach to simulate the unsteady flow of molten rocks effusing from a vent using open source code of computational fluid dynamics utility called OpenFOAM with two phase modeling for lava and surrounding atmosphere. The viscosity of lava flow is simulated the Bingham plastic or Herschel-Bulkley model. In order to validate the numerical method, we carried out the quantitative evaluations including the extent of damage, travel distance and thickness of the lava flow at Mt. Etna, Italy.

벽면부착에 의해 야기되는 다상유동에 관한 수치적 연구

명현국(Hyon Kook Myong) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.7

본 연구에서는 벽면부착에 의해 야기되는 다상유동에 대한 수치적 연구를 제시한다. 먼저 다상유동 해석을 위해 표면장력에 대한 CSF(Continuum Surface Force) 모델 및 벽면부착 경계조건 모델을 비정렬격자계에 적합하도록 수치해석방법을 정립시키고, Myong(2009)이 개발한 비정렬격자계와 VOF 방법으로 체적포착법(volume capturing method)을 사용한 수치해석방법(코드)에 삽입하였다. 또한 본 수치해석방법을 사용하여 중력을 포함하여 어떤 외력도 존재하지 않고 오직 벽면부착에 의해 야기되는 유동현상인 원통형 탱크의 바닥에 위치한 얕은 물풀(water pool)에 대해 물이 벽면을 적시는 경우와 적시지 않는 경우에 대해 수치해석 하였다. 연구결과, 본 수치해석방법은 벽면부착에 의해 야기되는 다상유동 문제에 대한 유용성이 입증되었다. The present paper presents a numerical study on multiphase flows induced by wall adhesion. The continuum surface force (CSF) model with the wall adhesion boundary condition model is used for calculating the surface tension force; this model is implemented in an in-house solution code (PowerCFD). The present method (code) employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with a volume capturing method (CICSAM) in a volume of fluid (VOF) scheme for phase interface capturing. The effects of wall adhesion are then numerically simulated by using the present method for a shallow pool of water located at the bottom of a cylindrical tank with no external forces such as gravity. Two different cases are computed, one in which the water wets the wall and one in which the water does not wet the wall. It is found that the present method efficiently simulates the surface tension-dominant multiphase flows induced by wall adhesion.

해상플랫폼 공정변화에 따른 해저배관 내 최소유동가스량과 유동특성 추정

백승영,기세일 한국자원공학회 2020 한국자원공학회지 Vol.57 No.6

To extend the field and reservoir life of offshore gas/condensate fields, process improvements in offshore platforms have been conducted recently. In this regard, an investigation of flow assurance in the pipeline is essential following the changes in the pipeline operating conditions. This study employed a transient multiphase simulation model to characterize flowing features, such as slugging and liquid accumulation, with the application of various gas/condensate injection rates at the export point of the offshore platform. The model was built and validated with field data and then applied to investigate the flow behavior in the pipeline with a flow rate range of 1–8 mmscfd. As a result, three different flow rate groups with their own flowing characteristics were identified, and it was confirmed that the minimum flow rate can be in the range of 8–6 mmscfd. The results can be used in decision-making for platform and reservoir management. 최근 해상플랫폼의 공정개선 작업, 즉 운영압력을 낮추는 작업을 수행함에 따라, 해저배관내 가스/컨덴세이트 유동의 환경도 변화하게 되었다. 관련하여 액체축적현상, 슬러깅 등의 유동안정성 관련된 관내 유동현상들을 규명하는 작업이 필요하게 되었고, 이를 위해 사용소프트웨어를 활용하여 다상 천이거동 모델을 개발하였다. 기존 현장자료를 통해 모델을 검증하였고, 향후 예상되는다양한 유량(1-8 mmscfd)에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 유동특성에 따라 세 개의 유량 그룹이 도출되었으며, 실현가능한 최소유량은 8-6 mmscfd유량 범위에서 결정될 것임을 확인하였다. 이는 향후 다양한 조건들과 결합하여 플랫폼 운영의 의사결정의 요소로 활용될 수 있다.

경계면 포착법을 사용한 밀도차에 따른 다상유동에 관한 수치해석적 연구

명현국(H.K. Myong) 한국전산유체공학회 2007 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.-

Both the bubble rising in a fully filled container and the droplet splash are simulated by a solution code(PowerCFD). This code employs an unstructured cell-centered method based on a conservative pressure-based finite-volume method with interface capturing method (CICSAM) in a volume of fluid(VOF) scheme for phase interface capturing. The present results are compared with other numerical solutions found in the literature. It is found that the present code simulate complex free surface flows such as multiphase flows due to large density difference effciently and accurately.

과냉각 유동 내 응축기포에 대한 튜브 직경의 영향

이선엽(Sun Youb Lee),하콩투(Cong-Tu Ha),이재화(Jae Hwa Lee) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.11

In a cooling system for thermal management of miniaturized and high-integrated electronic devices, the bubble with a phase change transports under the influence of the wall. However, although it is important to consider the influence of the wall due to the difference in flow patterns caused by the influence of the wall, most previous studies have not been studied the effect of the wall on a condensing bubble. In the present study, we perform numerical simulations for tube diameters (D<SUB>tube</SUB>) of 1.2≤D<SUB>tube</SUB>/D<SUB>0</SUB>≤3.0 based on the initial bubble diameter (D<SUB>0</SUB>) to investigate the effect of tube diameter on single bubble condensation in the subcooled flow. It is shown that as Dtube decreases, the condensation rate decreases due to the influence of the wall and the bubble moves to a higher position. Moreover, it has been found that at a small D<SUB>tube</SUB>, the reduction of heat and mass transfer is caused by the recirculation flow that occurs in the narrow gap between the bubble side and the tube wall.