극저온 유체의 비등을 고려한 관 내 다상 열 유동 CFD 시뮬레이션

서용석(Yongseok Seo),정소명(Sohmyung Chung),전규목(Gyumok Jeon),김재원(Jaewon Kim),박종천(Jongchun Park) 한국해양환경·에너지학회 2021 한국해양환경·에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.10

수소는 운송 효율의 극대화를 위해 극저온 상태로 유지되어야 하며, 액체수소와 같은 극저온 유체를 해석할 때 비등으로 인해 생성되는 증발가스(BOG)가 안전성 문제를 일으킬 수 있기 때문에 비등현상이 필수적으로 고려되어야 한다. 비등 현상의 다양성 및 무작위성으로 인해 많은 실험과 전산유체역학적 연구가 수행되어왔으나 열전달로 인한 비등 매커니즘은 여전히 정확하게 설명되고 있지 않다. 이에 본 연구에서는 극저온 유체를 이용한 운송선박 적하역 시스템 및 추진선박 연료공급 시스템으 구성하는 배관의 동특성 해석을 위해 상용 CFD 해석 프로그램인 STAR-CCM+(ver. 15.02.007)을 사용하여 극저온 유체의 상변화를 고려한 관 내 다상 열유동 검증 시뮬레이션을 수행하였다. Robinson[2001]에 의헤 수행된 실험 중 일부 케이스에 기화 모델인 벽면 비등 모델과 SST k-w 난류 모델을 적용하여 시뮬레이션을 수행하고, 이를 통해 얻은 벽면의 온도를 실험값 및 시뮬레이션값(Langari et al.[2018])과 비교하였고 생성된 기포가 관 내 유동에 미치는 영향을 확인하였다. 그 결과 벽면 비등 모델을 적용하여 얻은 결괏값이 Rohsenow 비등 모델을 적용한 Langari et al.[2018]의 결괏값보다 실험값에 더 근접하며 생성된 기포는 벽면의 전단응력을 감소시키고 유동을 발달시켜 압력 강하를 일으키는 것을 확인할 수 있었다. Hydrogen must be maintained at a cryogenic temperature to maximize transport efficiency, and when analyzing cryogenic fluids such as liquid hydrogen, boiling phenomenon must be considered essential because boil-off gas(BOG) generated by boiling can cause safety problem. Due to the diversity and randomness of the boiling, many experiments and CFD simulations have been conducted, but boiling mechanism due to heat transfer wasn’t accurately explained. Therefore, in this research, a multiphase-thermal flow simulation was performed with boiling of cryogenic fluid using STAR-CCM+(ver. 15.02.007), a commercial CFD analysis program, to analyze the dynamic characteristics of pipes constituting the cryogenic fluid. Among the experiments performed by Robinson[2001], the wall boiling model and SST k-w turbulent model were applied to some cases, and the wall temperature was compared to experimental and simulated values(Langari et al.[2018] and the effect of the generated bubbles on the flow in the pipe was analyzed. As a result, temperature obtained by applying wall boiling model is closer to experimental value than the result of Langari et al.[2018] obtained by applying Rhosenow boiling model. An it was confirmed that the generated bubbles reduce the shear stress of the wall and cause the pressure drop by devloping the flow.

터보펌프 인듀서 주변 극저온 공동 유동장에 대한 수치해석 연구

민대호,김형준,김종암 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

본 연구에서는 공동유동에 대한 수치해석을 바탕으로 터보펌프의 흡입 성능 예측 연구를 주로 다룬다. 본 연구의 작동유체는 물 뿐만 아니라 극저온 유체에도 적용하였으므로 온도효과를 모사할 수 있는 지배방정식 및 상태방정식을 사용하였다. 또한 공동영역 주변의 압축성 영역 및 액체상 영역의 비압축성 영역을 동시에 안정적이고 효과적으로 해석할 수 있는 수치기법들을 적용하였다. 이를 통해 매질을 물로 한 경우 터보펌프 인듀서의 가압성능을 예측하고 실험 결과와 비교하였다. 또한 극저온 유체를 매질로 한 경우와의 비교를 통해 극저온 공동현상의 특징을 살펴보았다. 공동으로 인한 흡입성능 저하를 지연시키기 위한 설계연구의 일환으로 인듀서의 형상에 대한 파라메트릭 연구를 진행하였다. This research deals with performance prediction of turbopump inducer through the two-phase flow computations. To describe the two-phase flows and thermal effects of cryogenic fluids, we used the additional governing equation for one-phase mass conservation law and accurate equation of states. Also we used the stable and accurate numerical schemes for cavitating flows which incompressible and compressible regimes co-exist. As a results, we simulated cavitating flows around turbopump inducer with cold water and cryogenic fluids, and examined the thermal effects. Also we performed the parametric study on inducer shape as a preliminary study for inducer shape design to delay the cavitation breakdown.

극저온 유체의 공동 발생에 의한 오리피스 후류의 유동 불안정

이세영(Seyoung Lee),이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2008 韓國航空宇宙學會誌 Vol.36 No.7

액체 로켓 엔진의 연료 공급 시스템은 다양한 원인으로 인해 유동 불안정이 발생한다. 특히 연료 공급 시스템에서 발생하는 공동 현상은 공동의 생성과 소멸로 인해 후류 쪽의 압력 및 유량의 진동을 유발하게 된다. 액체 로켓은 주 추진제로 극저온 유체를 사용하게 되는데, 극저온 유체는 온도에 민감한 성질을 갖고 있기 때문에 공동 현상의 해석에 있어 온도 변화에 대한 효과를 반드시 고려해주어야 한다. 본 연구에서는 Shyy등이 제안한 “MUSHY IDM”모델을 이용하여 극저온 유체에서 발생하는 공동 현상을 모사하였다. 이를 바탕으로 오리피스에서 발생하는 공동 현상이 유동 불안정에 어떠한 영향을 미치는 지와 오리피스 형상 변화가 후류 유동의 불안정에 끼치는 영향을 연구하였다. Flow instability in the rocket turbo pump systems can be caused by various elements such as valve, orifice and venturi and etc. The formation of cavitation specially in the propellant feeding system can trigger the mass flow and pressure oscillation due to cyclic formation and depletion of cavitations. If the cryogenic propellant are used, which is very sensitive to temperature variation, the change of propellant properties due to thermodynamic effect should be accounted for in the flow analysis. This study focuses on the formation of cryogenic cavitation adopting MUSHY IDM model suggested by Shyy and coworkers. Also, the flow instability is investigated with developed numerical code in the downstream of orifice flow. To this end, three different orifices are selected and investigated by the numerical calculation.

이상 유동장 수치해석을 통한 터보펌프 인듀서 성능 예측 연구

민대호,김형준,김동환,김종암 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

본 연구에서는 이상유동 해석을 통한 터보펌프 인듀서의 성능 예측 연구를 주로 다룬다. 터보펌프 인듀서의 작동유체를 물 뿐만 아니라 극저온 유체에도 적용하기 위해 온도효과를 모사할 수 있는 지배방정식 및 상태방정식을 사용하였다. 또한 공동영역 주변의 압축성 영역 및 액체상 영역의 비압축성 영역을 동시에 안정적이고 효과적으로 해석할 수 있는 수치기법들을 적용하였다. 이를 통해 매질을 물로 한 경우 터보펌프 인듀서의 가압성능을 예측하고 실험 결과와 비교하였다. 또한 극저온 유체를 매질로 한 경우와의 비교를 통해 극저온 공동현상의 특징을 살펴보았다. This research deals with performance prediction of turbopump inducer through the two-phase flow computations. To describe the thermal effects of cryogenic fluids and two-phase flows, we used the additional governing equation for one-phase mass conservation law and accurate equation of states. Also we used the stable and accurate numerical schemes for cavitating flows which incompressible and compressible regimes are co-exists. As a results, we simulated cavitating flows around turbopump inducer with cold water and cryogenic fluids, and examined the differences of flow characteristics depending on the working fluids.

터보펌프 주변 극저온 공동 유동장의 효율적이고 정확한 해석

김형준(H. G. Kim),민대호(D. H. Min),김현지(H. J. Kim),김종암(C. G. Kim) 한국전산유체공학회 2014 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5

This paper deals with the numerical computations of cryogenic cavitating flows around turbopump inducer in liquid rocket. Recently, accurate and efficient baseline numerical schemes have been developed for the computations of all-speed two-phase flows. The baseline numerical schemes-RoeM and AUSMPW+ schemes for multi-phase flows-are extended for treating general equation of state, and improved preconditioning techniques are developed for more robust and efficient computations in low-speed region. As a validation step for such progress, two-dimensional/axi-symmetric cryogenic cavitating flows around hydrofoil and ogive are computed with different working fluids and cavitation models. Finally, numerical simulations of three-dimensional KARI turbopump inducer are carried out under various flow conditions with water and cryogenic fluids, and the differences in inducer flow physics depending on the working fluids are examined.

솔레노이드 밸브를 이용한 극저온유동의 압력제어

이중엽,한상엽 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

데드밴드 제어는 아무런 제어가 일어나지 않도록 무시하는 방법이다. 실제 고 신뢰도를 요구하는 시스템의 경우 온도 및 압력 변화에 민감한 압축성 유동을 간단히 Dead Band 제어를 통해 압력제어를 실현하게 된다. 압력조절계를 이용한 압력제어 실현은 고성능의 솔레노이드 밸브와 최적의 제어를 위한 알고리듬 및 제어기가 무엇보다 요구되는 시스템이다. 본 논문에서는 기 구축된 솔레노이드 밸브 제어기를 통해 극저온 유동 상태 하에서 솔레노이드 밸브의 제어를 수행하고, 모듈화 된 장치를 이용하여 압력제어 및 유동 개폐의 특성 시험을 수행했다. 솔레노이드 밸브 제어기를 이용한 밸브의 제어를 위해 데드밴드 제어를 제안했다. 데드밴드 제어는 제어 성능뿐만 아니라 시스템적인 응용의 가능성을 실험적 결과를 통해 고찰했다. The dead band control is method disregard so that control may not happen in the band to reduce disturbance and error. A compressible flow is sensitive to temperature and pressure change, enables to pressure preservation using dead band control. The pressure control realization which use pressure control system need controller to use solenoid valve and optimized control of high efficiency. The dynamic characteristics of a solenoid valve module, which play an important role in the pressure control and shut off of cryogenic flow, have been experimented by test facilities. The dead band control was proposed for the control of the solenoid valve equipped with a solenoid valve controller. The experimental results reviewed the feasibility of systematical application as well as the performance of the dead band control.

아임계 및 초임계 조건에서 극저온 스월 인젝터의 분무특성

조성호,정연재,박구정,윤영빈 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

액체 질소를 작동 유체로 하는 극저온 스월 분무를 관찰하였다. 이때 주위기체의 압력을 질소의 아임계 및 초임계 조건으로 변화시켰으며, 단일 스월 인젝터를 이용하여 분무를 형성, 고속 카메라로 분무를 계측하였다. 물을 이용한 분무와 비교하였을 때 극저온 유체 분무의 불안정성이 뚜렷하였으며, 아임계 및 초임계 조건에서의 분무 형상에 차이가 있음을 확인하였다. 고속 카메라 촬영을 통하여 분무의 분열 이전 분무각 및 분열 주파수를 계측하였으며, 이로부터 분무각은 주위기체압력 조건에 거의 영향을 받지 않으나 분열 주파수의 경우 주위기체압력의 증가에 따라 점차 감소함을 확인하였다. Cryogenic swirl spray was investigated. Liquid nitrogen was selected as working fluid, and ambient pressure of the flow was controlled from subcritical to supercritical pressure of the fluid. Simplex swirl injector was used to swirl spray, and high-speed photography was used to find the characteristics of the flow. Characteristics of the cryogenic flow were compared with that of water flow, and differences between the flow at subcritical condition and supercritical condition were investigated. Spray angle and disintegration frequency were measured. Spray angle was not affected by ambient pressure, but disintegration frequency was decreased as ambient pressure was increased.

Application of CFD to the Calculation of 2 Phase Cryogenic Heat Transfer Processes

유걸(Jie. Liu),악해파(Haibo Yue),정모(Mo Chung),배철호(Cheolho Bai) 한국전산유체공학회 2011 한국전산유체공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5

A two-phase numerical model for plate-fin heat exchangers with plain fins and wave fins is studied incorporating the thermodynamic properties and the characteristics of fluid flow. The numerical simulations for the two fins in cryogenic conditions are carried out by employing a homogenous two-phase flow model with the CFD code ANSYS CFX. The heat transfer coefficients and the friction factor for nitrogen saturated vapor condensation process inside two types of plate fin heat exchanger are evaluated including the effects of saturation temperature (pressure), mass flow rate and inlet vapor quantity. The convective heat transfer coefficients and friction factors will be used for design of plate-fin type heat exchangers operating under cryogenic conditions.

LNG 선박용 배관에 사용되는 Butterfly Valve의 구조 안정성 평가에 관한 해석 기법

박영철(Young-Chul Park),박한석(Han-Seok Park),김시범(Si-Pom Kim) 한국기계가공학회 2008 한국기계가공학회지 Vol.7 No.4

A cryogenic butterfly valve is used to transfer the liquefied natural gas (LNG) which temperature is -162℃. This valve is core part in the piping system using LNG. This paper performed coupling analysis using FEM to evaluate safety of cryogenic butterfly valve. Flow analysis is calculated numerically the CAE and CFD methods are useful to predict the thermal matter and the inner flow field of the valve. Thermal analysis and structural analysis used ANSYS Workbench.

Two-Phase 유동을 고려한 극저온 실에 대한 문헌 조사 및 향후 연구 방향

임호민(Homin Lim),류근(Keun Ryu) 한국추진공학회 2022 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.5