실험계획법(DoE)을 활용한 밸브 후단 구조물의 형상 최적화 연구

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 원전용 파일럿 구동 안전밸브（POSRV） 후단 Perforated Structure（이하 PS）의 구조 및 형상을 최적화하기 위하여 수치해석（CFD）과 실험계획법（DoE）을 결합한 절차를 제시하였다. 먼저 원형 모델과 수정 모델을 비교하여 기본 형상을 선정하고, 이후 전체 홀 면적, 홀 레이어 수, 홀 개수의 변화가 압력, 유량, 평균속도 및 난류운동에너지（TKE）에 미치는 영향을 분석하였으며, 응력 분포를 추가적으로 검토하였다. 형상 비교와 설계변수 선정에는 operating pressure를 적용하였고, DoE 기반 최적화에는 Design Pressure를 적용하였다. 또한 출구 경계조건의 영향을 최소화 하기 위하여 출구 길이를 연장하여 해석을 수행하였다. 실험계획법에는 전체 홀 면적, 홀 레이어 수, 홀 개수를 입력변수로 설정하고, A–D 위치의 평균속도와 TKE를 주요 반응값으로 정의하였다. 분산분석 결과 모든 반응에서 모형의 유의성이 확인되었으며 （R²91.92 ~ 97.52%）, 전체 홀 면적이 전 반응에 걸쳐 가장 큰 영향을 미치는 핵심 인자로 나타났다. 반응 최적화 결과, 연속변수 기준의 최적 수준은 면적 -28.3838, 층수 4.2727, 홀수 10.0으로 도출되었다. 또한 이산형 변수 제약을 고려한 추가 최적화에서 3개의 유망한 최적해가 도출되었으며, 검증 해석 결과 압력 및 유량 기준을 모두 만족하면서 기존 모델 대비 평균속도, 응력 및 TKE가 감소하는 경향을 확인하였다. 특히 Optimal model 1과 Optimal model 3은 주요 측정 위치에서 우수한 성능을 나타내어 최종 형상 최적화 모델로 선정되었다. 본 연구를 통해 PS 설계변수 가 유동특성에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였으며, CFD와 실험계획법을 연계한 최적화 절차가 원전 안전계통의 유동 제어 구조물 설계에 효과적으로 적용될 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 필요성 2
• 1.3 연구 동기 및 차별성 4
• Ⅱ. 문헌 연구 7
• 2.1 CFD 기반 밸브 유동특성 연구 7
• 2.2 유동 안정화 구조물 및 형상개선 연구 8
• 2.3 실험계획법 기반 최적화 연구 9
• 2.4 선행 연구 분석 10
• Ⅲ. 연구 방법 14
• 3.1 수치해석 방법 15
• 3.2 실험계획법(DoE) 모델 정립 18
• Ⅳ. 최적조건 검증 및 고찰 21
• 4.1 설계변수 영향 분석 22
• 4.2 분산분석 결과 24
• 4.3 최적 모델 검증 및 고찰 28
• Ⅴ. 결 론 30
• 참고문헌 32
• Abstract 35